| 标题 | 基于约束理论的生产物流瓶颈辨识与智能控制 |
| 范文 | 摘 要：随着经济的全球化发展，市场的不断细分，企业竞争的不断加剧，客户的选择日趋度多样化和个性化，企业生产多样化和个性化的产品也逐步发展成了现代经济的一种模式，多品种小批量生产是经济发展的一种必然趋势。针对多品种小批量的生产方式，围绕企业动态复杂的物流系统，在准确识别物流系统的动态瓶颈基础上，实现对物流系统瓶颈的可控性，提出物流系统瓶颈控制策略与方法，最佳程度平衡与优化物流系统。 关键词：生产物流;瓶颈辨识;优化 随着全球经济一体化进程的加快，竞争日趋激烈，客户的选择日趋度多样化和个性化，快速变化的市场环境对于生产的效率、准时性和柔性要求日趋提高，企业生产多样化和个性化的产品也逐步发展成了现代经济的一种模式，多品种小批量生产是经济发展的一种必然趋势。生产制造业的现代化物流系统已成为企业市场应变能力和参与市场竞争能力的关键要素。生产物流瓶颈是生产物流运作中的最薄弱环节，它不但对生产产出有影响，不同的瓶颈对生产物流管理也有着不同意义。本文主要介绍了生产物流及瓶颈识别方法的研究现状并提出了基于约束理论的生产物流瓶颈识别及优化方法，以期对企业充分挖掘资源，优化物流系统，更好地改善生产状况，提高企业效益带来帮助。 一、约束理论背景 1、生产物流研究 企业物流包括供应物流、生产物流、销售物流和回收物流。生产物流是企业物流的核心部分和关键环节，是伴随着制造企业的产生而产生的，因此对于生产物流的研究，主要表现为厂区布置、工艺流程优化、生产物流计划与在制品控制等。（1）厂区布置主要是在工厂设计之初或进行企业流程再造时，根据所生产产品的工艺流程，对整个厂区或个别车间进行的规划，主要运用的方法是SLP法（Systematic Layout Planning）;（2）工艺流程的优化，文献主要是利用关键路径法对物流流程进行优化，进而使其达到缩短生产周期的目的，如肖永利等在文献中所述。（3）生产物流的计划和控制研究，先后经历了几个阶段：最初利用MRP计划控制方法，后随着“日本旋风”的掀起，企业的计划控制方式又转变为JIT这种拉动式的适时适量的生产方式，到20世纪70年代以色列物理学家提出约束理论（TOC），是继MRP和JIT之后的又一新的生产方式被各个企业迅速采用。但约束理论（TOC）运用过程中仍存在一定的问题，需要更多深入的研究。 2、生产物流平衡研究 所谓物流的平衡就是使生产过程中物流顺畅，达到缩短生产周期，降低在制品库存，增加有效产出，提高效率的目的。约束理论（TOC）是在最优化技术（OPT）的基础上发展起来的。OPT的九项基本原则中指出，企业为了使物流顺畅，提高有效产出，应该追求物流的平衡而非生产能力的平衡。 物流平衡就是使整个生产过程中实现生产节奏的一致性，使各个工序与瓶颈工序同步生产。这方面的研究主要表现为利用DBR（鼓-缓冲-绳子）法进行协同制造。国内的研究主要集中在理论方面，定性地分析DBR方法的实现步骤等，很少从量上进行具体的优化研究。周峰借助行军拉练的启示揭示了DBR管理模式的思想及其“协同生产”的特点，提出在此管理模式中D是计划机制，B是缓冲机制，R是控制机制，并对这三种机制做了较全面的研究和解释，阐明了DBR管理模式在企业中运用的必要性和可行性。DBR法是一种推拉结合的物料控制方法。以瓶颈环节为分界线，对于瓶颈环节前的环节采用拉式生产方式，瓶颈后的环节采用推式生产方式。近年来，国外对于物流平衡方面的研究也主要是通过利用DBR组织生产，使得物流量达到平衡，实现同步生产的目的。文献将供应链划分为多个阶段，利用DBR的推拉生产法，建立使总成本最小的物流控制模型，分别求出瓶颈环节之前的最优物流量和瓶颈环节之后的最优物流量。 国内相关研究中生产物流平衡模型的建立，对于降低成本，提高生产效率有显著的作用。但是这些模型的提出，都没有考虑到市场需求、原材料供应、设备运行状况对其造成的影响，也就是没有考虑到瓶颈环节对整个生产过程的制约。根据这些文献可以看出，推拉结合的方法为企业生产带来很高的效益，之后的研究要在考虑物流平衡的基础上继续研究DBR物流量控制方法。 3、瓶颈识别方法研究 瓶颈是指制约着整个系统有效产出的部位或环节。在生产物流过程中，瓶颈是各环节中最薄弱的一环，只有使得非瓶颈环节的物料流动与瓶颈环节一致，整个系统的生产物流才会顺畅。很多企业在安排生产时考虑到了瓶颈环节的制约，根据瓶颈环节来安排整个系统的生产，前提是先對瓶颈环节进行识别。一般地，瓶颈分为三种：资源瓶颈、市场瓶颈、法规制度瓶颈。一般文献中提到的瓶颈主要是指资源瓶颈，即制造企业中的面向设备的制造资源瓶颈。因此，瓶颈识别的方法也主要是以瓶颈设备所在的环节为对象进行研究的。 瓶颈的识别方法总结起来分为两类： 一种是定性分析的方法。有的通过直观地观察确定拥有最多在制品的加工中心就是瓶颈环节;有的通过计算设备加工同一种零件的加工时间，判断加工时间最长的设备所在的环节是瓶颈环节;另外，王兴元在文献中提出通过检核表法、专家诊断法、头脑风暴法及对比法等定性分析法进行企业瓶颈的识别，并利用价值评价法和矩阵评价法对主要瓶颈进行筛选，之后提出消除主要瓶颈的应对政策。 另一种方法是定量分析法。最常用的方法是在计划制定后，通过计算各个加工中心的负荷率来断定，其中负荷率最高的环节就是瓶颈环节。Ronen B在文献中利用线性规划理论建立相应的数学模型对瓶颈进行识别，计算出给定时期内的任务量，与其能力进行对比，能力短缺的就是瓶颈。虽然定量识别方法相对于定性识别方法更加科学、精确，但是这些识别方法并未考虑到瓶颈的动态变化即瓶颈漂移对生产物流造成的影响。 由于生产系统受到人员、设备、环境等不确定性因素的影响，其运行状况表现出一定的不稳定性，这些不确定因素的变化会引起瓶颈的动态转移即瓶颈漂移。文献将影响瓶颈漂移因素分为订单类因素、生产调度类因素和故障类因素并分别对这三类因素进行定性分析，并针对不同类因素提出相应的减少瓶颈漂移的策略。文献中将瓶颈漂移原因总结为：投料不当、非瓶颈调度不当、工件批加工调度不当、设备故障等4类，并且定性地提出了瓶颈漂移的预防和管理方法。文献中利用前向启发式算法对瓶颈机床进行动态的识别，满足了车间调度对实时性和动态性的需求。该算法引入搜索空间的概率分析法，通过对工序开工概率、工序对机床的独立需求概率、机床累计需求概率3个因素进行量化，以竞争高峰时段机床的负荷量大小为判断依据进行瓶颈识别。 由前述国内外研究现状概述中可以看出，有关生产物流优化问题的研究中，在企业的生产物流瓶颈控制、优化等方面的研究都相对独立，关联性较少。生产物流作为系统中一项非常重要的活动，是整个生产系统流畅运转的纽带，而现有的研究缺乏对生产物流各部分之间的关联，没有把影响企业生产物流的生产流程、设备布局和物料配送等关键因素联系起来，尤其在多混流制造系统的生产物流优化方面，结合生产流程、设备布局和物料配送的生产物流优化还处于空白。 二、基于约束理论生产物流瓶颈识别 首先从系统的角度出发，按约束理论的原理找出瓶颈流程或流程中的瓶颈，并通过DBR方法对生产线及生产物流进行优化控制。其次对生产线各产品的工艺流程进行优化，如采用并行工作、消除不必要环节、重新布局设备、减少运输等等。最后按照生产线的工程流程图、PQ图等根据实际需要拆分或整合生产线，最终达到生产物流优化的目的。详细步骤如下： 1、分析现状，了解需求 企业根据实际需求成立生产线流程整合优化项目组，制定项目负责人，项目组成员分析调查生产线的情况，包括产品种类、产量、生产线存在的问题和流程整合优化的目的。因流程整合必然涉及到生产过程的各个方面，包括人员的删减、操作的修正、设备的变更等等，因此需动员企业内部对流程整合达成共识，减少整合过程中存在的政策性约束。 2、计算生产物流数据 统计现有生产线的各种相关数据，包括产品种类、数量、各产品的生产工艺流程，并绘制相应生产线的P/Q图、产品工艺流程图和生产线的工程流程图，为后续约束识别做好准备工作。 3、瓶颈识别 根据约束理论，生产是一个动态的过程，随机波动时时存在，生产过程中必然会出现有的资源负荷过多，成为卡“脖子”的地方，变为瓶颈。约束理论的核心就是正确地识别瓶颈并对其实施有效的管理。本文拟采用离散系统建模仿真的方法来解决相关问题，其方法是：根据生产系统的生产数据、工艺流程数据和特定的任务组合建立系统的仿真模型，通过仿真运行，计算各个资源的负荷率、忙闲率，以确定系统在当前任务组合下的瓶颈资源。由于仿真模型中考虑了系统的随机性特征，因而可使瓶颈识别更符合实际。 三、物流瓶颈智能控制 1、基于DBR的物流瓶颈控制策略 对现有的生产控制方式进行改进，改进的内容主要是生产线物料的投放方式和在制品（WIP）的控制。采用推拉结合的生产控制方式，对瓶颈前工序物料的投放策略采取拉动的方式，即根据瓶颈消耗物料的速率把物料“拉”进生产系统，而在瓶颈后的工序，物料随着生产节奏逐步向后“推”，同时把相应的物料消耗通过卡片反馈给瓶颈，以利于瓶颈的调度。 2、建立仿真模型及优化 利用仿真软件WITNESS建立系统仿真模型进行瓶颈识别，同时利用DBR的物流瓶颈控制策略对瓶颈工序进行优化。 3、统计分析 判断生产物流整合优化的效果是否达到预期的目标，如果没有达到目标，则返回进行需求分析，重新开始新一轮的生产物流整合优化，直至达到预期的目标。 四、结论 本文主要介绍了生产物流及瓶颈识别方法的研究现状并提出了基于约束理论的生产物流瓶颈识别及优化方法，可以较好的解决订单型、多品種小批量生产中存在的生产物流问题，在实际应用中，能够明显提高多品种小批量生产企业的生产效率，对企业充分挖掘资源，优化物流系统，更好地改善生产状况，提高企业效益带来帮助。 参考文献： [1] 刘旺盛.系统布置设计-SLP法的改进研究[J].物流技术与应用，2013，（10）：82-85 [2] 肖永利，方晓平.基于关键路线法和约束理论的生产物流工序流程的优化[J].物流科技，2015，（3）：117-120 [3] 郑铁梅，莫宝民.利用JIT改善我国工业企业物流管理[J].物流技术，1995，（5）：98-103 [4] Ronen B，Starr M K.Synchronized manufacturing as in OPT： From practice to theory[J].Computers Industrial Engineering，1990，18（4）：585-600 [5] 周峰.DBR管理模式的生产计划与控制机制探讨[J].中国管理科学，2010，1（8）：17-21 作者简介： 张仕军（1983-），男，浙江慈溪人，浙江工业职业技术学院，副教授，主要研究方向物流管理。 基金项目：浙江省访问学者专业发展项目-基于约束理论的生产物流瓶颈辨识与智能控制研究（编号：FX2017114） |
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