第1章緒論(1)

1.1裝配線平衡優化問題(1)

1.1.1裝配線的特征和應用(1)

1.1.2裝配線平衡問題(2)

1.2人機協同裝配線平衡優化(3)

1.2.1員工裝配線平衡問題(3)

1.2.2機器人裝配線平衡問題(4)

1.2.3人機協同裝配平衡問題(5)

1.3雙邊裝配線平衡優化(6)

1.3.1雙邊裝配線布局(6)

1.3.2雙邊裝配線平衡問題(7)

1.3.3人機協同雙邊裝配線平衡問題(8)

1.4雙邊裝配線平衡問題的求解方法(9)

1.4.1精確方法(9)

1.4.2啟發式算法(10)

1.4.3智能優化算法(11)

1.5本書的特色和主要內容(11)

本章參考文獻(12)

第2章員工雙邊裝配線平衡優化(15)

2.1問題描述(15)

2.2研究概述(17)

2.3雙邊裝配線平衡問題的數學模型(19)

2.3.1混合整數規劃模型(20)

2.3.2模型的拓展(20)

2.4雙邊裝配線平衡問題的編碼和解碼(21)

2.4.1雙邊裝配線平衡問題的編碼(21)

2.4.2雙邊裝配線平衡問題的解碼(23)

2.5單解智能算法(25)

2.5.1編碼、解碼和鄰域結構(25)

2.5.2模擬退火算法(26)

2.5.3延遲接受爬山算法(27)

2.5.4禁忌搜索算法(28)

2.5.5變鄰域搜索算法(29)

2.5.6迭代貪婪算法(29)

2.5.7迭代局部搜索算法(31)

2.6案例測試和結果分析(32)

2.6.1實驗設計(32)

2.6.2不同的解碼和節拍獲取方式性能對比(34)

2.6.3實驗結果分析及討論(37)

本章參考文獻(47)

第3章機器人雙邊裝配線平衡優化(56)

3.1問題描述(56)

3.2研究概述(57)

3.3機器人雙邊裝配線平衡問題的數學模型(59)

3.4群智能算法(61)

3.4.1編碼和解碼(62)

3.4.2采取的鄰域結構(63)

3.4.3遺傳算法(64)

3.4.4離散粒子群算法(65)

3.4.5原始布谷鳥搜索算法(66)

3.4.6離散布谷鳥搜索算法(67)

3.4.7原始人工蜂群算法(68)

3.4.8改進人工蜂群算法(68)

3.5案例測試和結果分析(70)

3.5.1實驗設計(70)

3.5.2參數校驗(72)

3.5.3實驗結果分析及討論(73)

本章參考文獻(86)

第4章人機共線雙邊裝配線平衡優化(90)

4.1問題描述(90)

4.2研究概述(91)

4.3人機共線雙邊裝配線平衡優化模型(92)

4.3.1混合整數規劃模型一(92)

4.3.2混合整數規劃模型二(94)

4.3.3模型的拓展(96)

4.4智能優化算法(97)

4.4.1編碼、解碼和鄰域結構(97)

4.4.2原始人工蜂群算法(99)

4.4.3人工蜂群算法1(100)

4.4.4人工蜂群算法2(101)

4.4.5改進人工蜂群算法(101)

4.4.6原始蜂群算法(103)

4.4.7改進蜂群算法(104)

4.4.8案例展示(105)

4.5案例測試和結果分析(106)

4.5.1實驗設計(106)

4.5.2對比結果與討論(108)

本章參考文獻(119)

第5章人機協同雙邊裝配線平衡優化(121)

5.1問題描述(121)

5.2研究概述(122)

5.3人機協同雙邊裝配線平衡優化模型(124)

5.3.1人機串行協同裝配線平衡數學模型(124)

5.3.2人機並行協同裝配線平衡數學模型(126)

5.3.3模型的拓展(128)

5.4智能優化算法(129)

5.4.1編碼、解碼和鄰域結構(130)

5.4.2原始候鳥優化算法(132)

5.4.3改進候鳥優化算法1(132)

5.4.4改進候鳥優化算法2(134)

5.4.5案例展示(136)

5.5案例測試和結果分析(138)

5.5.1實驗設計(138)

5.5.2對比結果與討論(140)

本章參考文獻(151)

第6章考慮成本和效率的人機協同雙邊裝配線的多目標優化(154)

6.1問題描述(154)

6.2研究概述(154)

6.3多目標人機協同雙邊裝配線平衡優化模型構建(156)

6.3.1考慮人機串行協作的多目標模型(156)

6.3.2考慮人機並行協作的多目標模型(158)

6.4多目標優化算法(160)

6.4.1編碼和解碼(160)

6.4.2鄰域結構和交叉操作(162)

6.4.3快速非支配遺傳算法(162)

6.4.4多目標模擬退火算法(164)

6.4.5原始多目標人工蜂群算法(167)

6.4.6改進多目標人工蜂群算法(168)

6.4.7多目標候鳥優化算法(168)

6.4.8案例展示(169)

6.5案例測試和結果分析(171)

6.5.1實驗設計(171)

6.5.2多目標算法評價指標(172)

6.5.3對比結果與討論(174)

本章參考文獻(185)

第7章人機協同雙邊裝配線平衡實例研究(189)

7.1背景介紹(189)

7.2員工雙邊裝配線平衡優化案例(190)

7.3人機協同雙邊裝配線平衡優化案例(202)

7.4考慮成本和效率的人機協同雙邊裝配線的多目標優化案例(205) 

隨著機器人技術和制造業的發展，人機協同裝配以其在成本、效率和智能化方面的優勢，逐步應用於裝配制造業，並成為復雜產品裝配的方式。人機協同裝配並不是簡單粗暴的“機器換人”，而是將工業革命以來極度細化的人工流水線工作，拉回到“以人為本”的組織模式，讓機器人和員工分別從事自己更擅長的事：機器承擔更為重復、枯燥、負重及危險的工作，員工承擔更多具有創造性和靈活性的工作。基於員工和機器人之間的優勢互補，人機協同裝配更宜於人性化操作設計，更有利於提升裝配效率，提高經濟效益，穩定產品質量，及時響應市場波動，故而人機協同裝配也成為未來智能化生產的重要基礎。人機協同雙邊裝配是汽車、摩托車等大型復雜產品裝配時所采用的裝配方式。由於裝配線上每一成對工位中可布局左、右兩個工位，因此裝配線長度更短，物料搬運成本更低，在制品數量更少。同時，部分設備能被更多工位共用，不同工位之間更易於合作，生產過程的柔性更強，且企業運營成本更低。然而，在人機協同雙邊裝配的操作模式下進行裝配線平衡時，必須考慮人機操作匹配、人機布局、操作分配等多個子問題，這也導致裝配線平衡問題復雜度顯著提高。首先，現場工人的多技能特點和機器人的性能差異，使得操作的加工時間變為由人機共同決定的可變動時間，不合理的人機操作匹配易導致巨大的裝配時間浪費，甚至導致裝配過程紊亂。因此，如何科學地匹配人機操作，保證生產線高效、穩定運行，是人機協同雙邊裝配的首要問題。其次，在雙邊裝配線平衡中，本就存在優先關繫約束、方向約束、區域約束、同步約束等復雜約束，增加了問題復雜度和可行解生成難度。一旦將人機協同納入考慮，還需考慮機器人的性能特征：有的機器人可與員工共線但不可共處於同一工位，有的機器人可與員工共處於同一工位，以串行或並行方式進行協同操作。當員工與具有不同性能特征的機器人協同工作時，如何在保證安全的前提下完成人機布局，實現操作的合理分配，是員工和機器人達成協作的核心問題。基於汽車等大型復雜產品的裝配需求，本書力圖總結作者和國內外同行在雙邊裝配線平衡問題方面多年的研究成果，闡述員工雙邊裝配線平衡優化、機器人雙邊裝配線平衡優化、人機共線雙邊裝配線平衡優化、人機協同雙邊裝配線平衡優化，以及考慮成本和效率的人機協同雙邊裝配線的多目標優化等問題，利用問題特征分析、數學模型構建及智能算法開發三個手段，解析問題，並指出解決措施。本書分為7章，每章的主要內容介紹如下。第1章概括描述了人機協同雙邊裝配線平衡的基本術語和優化算法。第2章介紹了以小化生產節拍為優化目標的員工雙邊裝配線平衡優化問題，主要包括問題的研究進展、數學模型、問題的編碼和解碼方式，以及多種單解智能算法。第3章介紹了以小化生產節拍為優化目標的機器人雙邊裝配線平衡優化問題，主要包括問題的研究進展、數學模型、問題的編碼和解碼方式，以及多種群智能算法。第4章介紹了人機共線雙邊裝配線平衡優化問題，主要包括問題的研究進展、兩種以小化生產節拍為優化目標的數學模型、問題的編碼和解碼方式，以及多種單解智能算法和群智能算法。第5章介紹了以小化生產節拍為優化目標的人機協同雙邊裝配線平衡優化問題，特別是人機串行協作和人機並行協作模式下雙邊裝配線平衡數學模型、問題的編碼和解碼方式，以及多種單解智能算法和群智能算法。第6章介紹了考慮成本和效率的人機串行協作雙邊裝配線的多目標優化問題，主要包括問題的研究進展、人機串行協作模式下的多目標數學優化模型、問題的編碼和解碼方式，以及五種多目標優化算法。第7章采用本書中介紹的智能算法對某汽車總裝廠的人機協同雙邊裝配線平衡案例進行優化。本書可作為機械工程、工業工程、管理科學與工程、計算機科學與技術等學科的教師、學生和相關研究人員的參考書，書中提供的模型和算法也可協助裝配線優化工程師實現雙邊裝配線的持續改進。本書涉及的科研成果是在國家自然科學基金項目(51875421、61803287、51275366)和博士後科學基金項目(2018M642928)等的資助下取得的,在此表示衷心的感謝。本書的第1章主要由武漢科技大學機械自動化學院唐秋華教授完成，第2章至第6章主要由武漢科技大學機械自動化學院李梓響副教授完成，第7章主要由武漢科技大學機械自動化學院張子凱博士研究生完成。此外，武漢科技大學機械自動化學院張利平副教授，武漢科技大學生產繫統工程研究所的博士研究生成麗新和蒙凱，碩士研究生趙聯鵬、姚康、趙晶、米恬怡、孫嫻靜、金鵬博等，也參與了本書的相關撰寫工作。同時，在本書編寫過程中還得到了華中科技大學張超勇教授和武漢科技大學夏旭輝教授的幫助，在此深表感謝。由於作者的水平有限，相關問題還需進一步深入研究，書中不足之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

區別於現有的論文和專著，本書的主要特色如下：

(1) 課題為科研前沿，迎合了智能裝配的工業需求。人機協同裝配線是隨著協作機器人的發展而形成的新型裝配線，當前的研究尚處於起步階段。本書按照員工裝配線、機器人裝配線和人機協同裝配線平衡問題的順序逐步深入，對裝配線的裝配方式和人機協同模式進行了全面的總結和歸納；同時，在現有研究的基礎上對問題進行了拓展，以進一步滿足汽車裝配線的實際生產需求。

(2) 求解方法新穎且全面，便於企業選擇和應用。區別隻采取單一或者少量求解方法的論文和書籍，本書覆蓋了大多數高效且新穎的求解方法，包括布谷鳥搜索算法、人工蜂群算法和候鳥優化算法等。同時，本書為每個算法提供了詳細的介紹和流程說明，有助於讀者快速實現所介紹的算法，同時也便於企業基於調度需求選擇合適的方法。特別地，本書在算法設計中采取了高效的解碼機制，以實現產線的平衡和縮短工位的空閑時間。新的解碼可有效提升算法的性能，幫助算法在更短的時間內獲得更優的調度方案。

基於作者和國內外同行在雙邊裝配線平衡問題方面所獲得的研究成果，本書依次討論了員工裝配線平衡優化、機器人裝配線平衡優化、考慮人機獨立協同的人機協同雙邊裝配線平衡優化、考慮人機合作協同的人機協同雙邊裝配線平衡優化，以及考慮成本和效率的人機協同雙邊裝配線的多目標優化等的問題特征、數學模型及智能優化算法。本書分為7章，每章的主要內容簡要說明如下。

第1章為緒論，主要介紹人機協同雙邊裝配線的問題描述和優化算法。

第2章介紹了以小化生產節拍為優化目標的員工雙邊裝配線平衡優化問題。

第3章介紹了以小化生產節拍為優化目標的機器人雙邊裝配線平衡優化問題。

第4章介紹了考慮人機獨立協同的人機共線雙邊裝配線平衡優化問題。

第5章介紹了以小化生產節拍為優化目標，考慮人機合作的人機協同雙邊裝配線平衡優化問題。

第6章介紹了考慮成本和效率的人機協同雙邊裝配線的多目標優化問題。

第7章采用本書中介紹的智能算法，對取自某汽車總裝廠的人機協同雙邊裝配線平衡案例進行優化。