[论文解读] Balancing parallel assembly lines with disabled workers

Felipe Francisco Bezerra Araújo, Alysson M. Costa+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2013

Assembly Line Balancing Optimization被引用 2

一句话总结

本文提出了面向庇护工场中残疾工人的并行装配线工人指派与平衡问题（PALWABP），通过并行线配置提升生产效率与劳动力融合度。提出混合整数线性规划模型及两种启发式算法——禁忌搜索与有偏随机键遗传算法，结果表明，与串行线相比，并行线可将节拍时间最多减少20.95%，显著提升效率并增加工作轮换机会。

ABSTRACT

We study an assembly line balancing problem that occurs in sheltered worker centers for the disabled, where workers with very different characteristics are present. We are interested in the situation in which parallel assembly lines are allowed and name the resulting problem as parallel assembly line worker assignment and balancing problem. We present a linear mixed-integer formulation and a four-stage heuristic algorithm. Computational results with a large set of instances recently proposed in the literature show the advantages of allowing alternative line layouts.

研究动机与目标

• 解决庇护工场中残疾工人装配线平衡问题，其中工人异质性与生产率约束并存。
• 探讨并行装配线配置在提升生产效率与劳动力融合度方面的优势。
• 开发并评估用于求解新型PALWABP的启发式方法，该问题将传统ALWABP扩展至并行线布局。
• 评估并行线配置在节拍时间与解的可行性方面是否优于串行线配置。

提出的方法

• 将PALWABP建模为混合整数线性规划模型，以优化并行线之间的工人-任务指派。
• 应用具有多样化与强化策略的禁忌搜索启发式算法，高效探索解空间。
• 实施有偏随机键遗传算法（BRKGA），通过进化选择生成并优化高质量解。
• 使用构造性启发式算法初始化解，并在两种元启发式算法中引导搜索过程。
• 采用基于任务重新指派与工人在不同线间重新指派的邻域结构，探索局部改进。
• 通过144个基准实例验证性能，这些实例源自现有ALWABP测试案例，涵盖任务时间变异度、不相容率及前驱图类型的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统串行线配置相比，并行装配线配置是否能显著降低节拍时间？
• RQ2 在工人异质性显著的工作环境中，并行线的引入如何影响工人-任务指派的可行性与质量？
• RQ3 在PALWABP中，禁忌搜索与BRKGA哪种启发式方法在解质量与计算效率方面表现更优？
• RQ4 不同前驱图结构（瓶颈型、链式、混合型）在多大程度上影响并行线配置的有效性？
• RQ5 所提方法是否可通过增加指派多样性，支持更好的工作轮换与工人福祉？

主要发现

• 禁忌搜索在解质量与执行时间方面均优于BRKGA，平均节拍时间较最优已知串行ALWABP解降低13.76%。
• 禁忌搜索在68.92%的链式前驱图实例中找到可行解，为所有配置中最高，表明其对复杂任务依赖关系具有强适应性。
• 在瓶颈型前驱图中，禁忌搜索相较最优串行解实现20.95%的节拍时间降低，展现出最大的改进潜力。
• 枚举法因内存限制在大实例上失败，凸显了元启发式算法在可扩展求解PALWABP中的必要性。
• 平均而言，并行线配置相较串行解将节拍时间降低2.67%至6.13%，其中瓶颈型与混合型图结构的收益最高。
• BRKGA在链式实例中达到较串行最优解偏差-15.64%的最佳解质量，但计算时间显著更长（最高达498秒），远超禁忌搜索。