基于双层博弈理论模型的低碳产品族及其制造过程设计协同优化

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1、天津大学硕士学位论文基于双层博弈理论模型的低碳产品族及其制造过程设计协同优化CoordinatedOptimizationofLow-carbonProductFamilyandItsManufacturingProcessDesignbyaBilevelGame-theoreticModel领域：物流工程作者姓名：肖文星指导教师：杜纲教授企业导师：于庆军高级工程师天津大学管理与经济学部二零一七年十一月摘要现今，产品开发与制造活动产生的越发严重的环境问题已经受到了来自企业与学术界的广泛关注。然而，很少的学者对考虑环境因素的产品族架构及其制造过程配置

2、的关联优化问题进行研究。现有的相关研究要么忽略了这两类优化问题间存在的层次、矛盾特征，要么忽略了产品族架构、制造过程以及环境影响三者之间存在的复杂交互作用，因此，也就没能很好的解决考虑环境影响下的产品族架构与制造过程协同设计问题。基于上述分析，本文针对协同低碳产品族架构及其制造过程配置问题进行了研究，提出了一种基于斯坦博格博弈理论的主从优化方法。方法中，产品族架构决策作为主者优化问题由产品设计者决策，主要从经济效益与环境效益的角度，决策产品族的模块候选项的选择、基本模块的选择、复合模块与产品变体的架构类型的选择。为了将环境因素考虑到产品族的架构设计

3、阶段，本文构建了一个环境效用函数，然后将环境效用与顾客效用整合来得到低碳产品族的最优效用。低碳制造过程配置作为从者优化问题由制造商决策，制造商依据上层设计者的决策结果来决策的每个模块候选项的生产方式、复合模块的制造方式、产品变体的装配方式以及每个产品变体所对应的细分市场的运输方案。基于这个主从决策机制，本文建立了一个非线性，0-1整数双层规划模型，并开发出一套嵌套双层遗传算法对主从模型进行求解，以得到整个模型的最优或近似最优解。最后，以一个微波炉产品族的架构与制造过程关联优化为例，对本文提出的双层优化模型与遗传算法进行了验证。案例结果表明:碳排放量

4、对产品族的架构与制造过程配置设计的最优决策都会有影响；在产品族开发活动中，考虑低碳意识对于企业而言是值得鼓励和倡导的，因为它能够增加顾客的感知效用、提升企业的市场竞争能力;此外,本文提出的双层优化模型能够很好的刻画和解决低碳产品族开发过程中矛盾、层次问题以权衡好企业的经济效益与环境影响。关键词：双层博弈理论模型，协同优化，低碳产品族，低碳制造过程配置，嵌套双层遗传算法IABSTRACTWhileincreasingenvironmentalissuesarisingfromproductdevelopmentandmanufacturingacti

5、vitieshaveattractedmuchattentionfrombothacademiaandindustryalike,fewresearcheshaveaddressedjointoptimizationofproductfamilyarchitecting(PFA)anditsmanufacturingprocessconfiguration(MPC)consideringenvironmentalconcerns.Existingresearcheshaveneglectedeitherthehierarchicalcharacte

6、risticsunderlyingthesetwooptimizationproblemsorcomplexinteractionsamongPFA,MPC,andenvironmentalconcerns,andthusfailtorevealtheinherentcouplingbetweenPFAandMPCwithconsiderationsofenvironmentalimpacts.Inthispaper,aleader-followerjointoptimization(LFJO)approachforcoordinatinglow-

7、carbonproductfamilyarchitecting(L-CPFA)andlow-carbonmanufacturingprocessconfiguration(L-CMPC)isproposed.TheL-CPFAdecisionbyadesigner(game-leader)isrepresentedasanupper-leveloptimizationproblemforoptimalselectionofmoduleinstances,primitivemodules,compoundmodules,andproductvaria

8、ntsfromtheperspectivesofeconomicandenvironmentalperformancest