（管理科学与工程专业论文）串行生产物流系统的在制品库存控制研究.pdf

摘要 摘要 随着顾客对产品需求的多样化和对及时送货能力要求的提高，在满足顾客需求的同 时，在整个价值链上降低在制品库存并维持其在理想水平就显得日益重要。而生产物流 控制系统( p r o d u c t i o nl o g i s t i c sc o n t r o ls y s t e m s ，p l c s ) 的在制品库存是限制企业对外部 环境响应的一个重要瓶颈，也是系统实现资源高效稳定的利用、短加工周期、低库存和 准时生产目标的一个障碍；因此，为了提高生产物流系统的稳定性，同时也为了满足企 业竞争的需要，有必要对生产的整个过程以及生产系统输入、输出进行有效地控制。针 对动态生产环境下传统p l c s 系统的缺点和不足，本文基于控制理论，构建了一个比例 一积分一微分( p r o p o r t i o n a l & i n t e g r a l & d i f f e r e n t i a l p i d ) 控制器下的串行生产线在制品 库存控制模型，并对模型进行了仿真分析与研究。 本文以离散制造业串行生产线上的在制品库存为研究对象。首先，在回顾和总结了 当前生产物流系统建模方法的基础上，针对当前制造系统的动态性特点，结合控制理论 的最新发展，建立了集前馈与反馈为一体的串行生产线在制品库存控制模型，同时也分 析了模型中所采用的需求平稳化、生产延迟、恢复库存三种控制策略。其次，在串行生 产线在制品库存控制模型的基础上，将控制理论中的p i d 控制器引入其中，建立了p i d 控制器下的串行生产线在制品库存控制模型。最后，运用s i m u l i n k 仿真软件对汽车车门 生产线在制品库存控制的实例进行仿真分析，仿真结果表明p i d 控制器能有效的降低和 稳定在制品库存，其效果要优于单一的使用p 控制器。 研究表明，本文提出的p i d 控制器下的在制品库存控制方法有助于帮助企业发现生 产物流系统控制中的问题，对动态环境下离散制造业的在制品库存控制具有一定的指导 和借鉴意义。 关键词：生产物流系统；在制品库存控制；比例积分微分控制器；s i m u l i n k a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ec u s t o m e rd e m a n di sd i v e r s i f i e da n dt 1 1 er e q u e s tf o rt h ei m p r o v e m e n ti nt i m e l y p r o d u c td e l i v e r yi ss t r o n g e r ，c o m p a n ym u s tp r o m o t ei t sr e s p o n s ea b i l i t yt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r s ；m e a n w h i l e ，i ti sg e t t i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt om a i n t a i nl o w e r a n ds t e a d i e rw i pi nt h ew h o l ev a l u ec h a i n w i pi np r o d u c t i o nl o g i s t i c sc o n t r o ls y s t e m si sa m a i nb o t t l e n e c k ，i ti sl i m i tt h er e s p o n d e n c eb e t w e e ne x t e r n a le n v i r o n m e n ta n de n t e r p r i s e ，a l s o ， i ti sa no b s t a c l ef o rs y s t e mt a r g e to ne f f i c i e n t l yu s ei nr e s o u r c e ，s h o r tp r o c e s s i n gc y c l e ，l o w i n v e n t o r ya n dj i t t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e ms t a b i l i t y , a s w e l la st om e e tt h en e e d so fe n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e n e s s i ti sn e c e s s a r yt oe f f e c t i v e l yc o n t r o l t h ei n p u ta n do u t p u ti ne n t i r ep r o d u c t i o ns y s t e m t 1 1 i sp a p e r , b a s e do nt h ec o n t r o lt h e o r y , b u i l d aw i pc o n t r o lm o d e lu n d e rt h ep dc o n t r o l l e ri n s e r i a lp r o d u c t i o nl i n et h a to v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lp l c si nd y n a m i ce n v i r o n m e n t ，a n dp r o v i d et h es i m u l a t i o n a n a l y s i st ot h em o d e l t k sp a p e rr e f e r st ow i pi nd i s c r e t es e r i a lp r o d u c t i o nl i n e f i r s t l y , i nr e v i e w i n ga n d s u m m a r i z i n gt h em o d e l i n gm e t h o do ft h ec u r r e n tp r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m ，a n dc o m b i n e d w i t ht h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h e c u r r e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e ma n dl a t e s t d e v e l o p m e n t si nc o n t r o lt h e o r y ，aw i pc o n t r o lm o d e lo fi n t e g r a t i n gt h ef e e d f o r w a r da n d f e e d b a c kc o n t r o ll o o p si n s e r i a lp r o d u c t i o nl i n e si sp r o p o s e d ，w h i c ha n a l y z e st h r e ec o n t r o l s t r a t e g i e s ：t h ed e m a n ds m o o t h n e s s ，t h ep r o d u c t i o nd e l a y sa n dt h ei n v e n t o r yr e p l e n i s h m e n t r u l e s ，o ft h em o d e lu s e das t a b l eo fd e m a n d ，p r o d u c t i o nd e l a y s ，t h er e s t o r a t i o no ft h et h r e e i n v e n t o r yc o n t r o ls t r a t e g y s e c o n d l y , b a s e do nt h ew i p c o n t r o lm o d e lo fs e r i a lp r o d u c t i o nl i n e ， aw i pc o n t r o lm o d e lu n d e rt h ep i dc o n t r o l l e ri ns e r i a lp r o d u c t i o nl i n eh a sb e e nb u i l t f i n a l l y , u s i n gs i m u l i n ks o us i m u l a t ew i p c o n t r o li nc a r sd o o rp r o d u c t i o nl i n e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n a l y s i ss h o wt h a tt h ep i dc o n t r o l l e rc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ea n ds t a b i l i z et h ew l p r a t h e rt h a n pc o n t r o l l e r b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h e s 。t h em e t h o do fw i pc o n t r o lu n d e rt h ep i dc o n t r o l l e ri s u s e f u li nf i n d i n gt h ep r o b l e m si np r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mc o n t r o l ，i td i r e c t sw i pc o n t r o lo f d i s c r e t ep r o d u c t sm a n u f a c t u r i n gu n d e rt h ed y n a m i ce n v i r o n m e n t s k e y w o r d s ：p r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m s ；珊c o n t r o l ；p i dc o n t r o l l e r ；s i m u l i n k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是誉人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期： 兰华丝：! 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 日 期： 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 从1 9 7 8 年改革开放以来我国的生产力得到了飞速的发展，人民生活水平不断的提 高，物质和精神生活不断得到满足。进入2 l 世纪，随着我国市场对外的全面开放，经济 全球一体化和多样化的发展，我国企业在更深层次上参与国际市场的竞争与合作。制造业 作为一个国家经济发展的基石和增强国家竞争力的基础，在这样的大环境下也正进行着 一场深刻的战略重组，美国、欧洲和日本等制造业发达的国家在努力保持自己高技术垄 断地位的同时，正以降低生产成本和提高市场竞争力为最终目标，在全球范围内进行新 一轮制造业资源的优化配置。在从信息经济向知识经济时代过渡的今天，经济全球一体 化给我国制造业带来了巨大的机遇和挑战。中国制造业正是在这样的背景下迎来了新的 发展阶段。 目前，全球的制造业在2 0 0 8 年底由金融危机引起的全球性经济危机中受重创，我 国的制造业能不能抓住机遇实现从“世界血汗加工工厂”到“世界制造中心 的转移， 是我国制造业当前也是未来所面临的一个巨大考验。 在全球经济一体化的同时，制造业面对的市场发也随之发生了变化，由以往的卖方 市场逐渐形成了注重顾客的买方市场。在买方市场逐渐形成的大背景下，制造业的竞争 更多是对顾客资源的竞争。然而顾客对产品的需求也越来越多样化。市场环境的变化和 顾客对产品需求的变化，这些都使得企业的生产要根据顾客的需求进行，即面向订单生 产( m a k et oo r d e r ) 。 企业要在顾客需求的不断多样化、市场竞争的国际化和白炽化的环境下生存和发 展，就要在降低成本的同时缩短生产周期，从而提高企业产品对顾客的响应能力。对于 大多数与人民生活息息相关的民用产品，如汽车、电动车等一些交通工具和电冰箱、洗 衣机等家电产品，要求生产企业要根据顾客的需求进行生产，也即面向订单生产。面对 顾客需求的多样化和市场竞争的国际化，面向订单生产的企业在力求降低成本，提高设 备利用率的同时在新品的开发、生产、上市与售后服务等方面也都要达到更高的水平。 因此，面向订单生产的企业要紧跟快速变化的客户需求，尽可能满足客户的个性化要求， 同时还要提高产品对市场的快速响应能力。对此类生产制造企业，及时送货能力成为衡 量一个企业成败得失的关键要素。 一个由生产一配送一销售三层物流系统组成的生产制造型企业，生产和配送是影响 企业及时送货能力的核心因素。在生产加工过程中生产的时间是以产品的生产节拍来衡 量，产品的生产节拍指完成一个产品的生产所需要的时间，也即生产节拍= 加工时间十 等待时间，生产节拍是衡量生产进度快慢的一个重要指标，直接影响着企业的及时送货 能力。根据l i t t l e 定律，在制品库存的数量等于生产率与生产节拍的乘积。当生产率达 到系统的生产能力，并保持基本恒定时，由上面的关系式可知生产节拍的变化量与在制 品库存的变化量成正比。因此，控制生产系统的在制品库存等同于控制生产节拍。而 江南大学硕士学位论文 且，生产节拍的计算需要计量产品在加工过程中所用的加工时间和等待时间，但是有些 生产过程中的时间是难以测量的。比如物料出入加工系统的时间和装配过程中生产节拍 的计算，这些都是生产过程中的必要环节。但在制品库存易于观测，计算方便。因此， 通过对在制品库存的控制来间接的控制生产节拍更具有可操作性。 然而在面向订单生产的企业，实现在制品库存的优良控制非常困难。这是因为面向 订单生产的企业其生产一般具有以下的特点： 1 、原材料市场具有很强的不确定性。 2 、多品种小批量，工艺多样，在生产过程中经常受到外界因素的干扰。 3 、企业接收的订单多变，同一时刻接收的订单要求可能不同。 由于生产物流系统受各种不确定性的影响，所以生产物流系统中实现在制品库存的 有效控制是一个难点。针对国内外对在制品库存的研究仅局限于对其某一方面的研究， 以及缺乏从系统的角度对在制品库存控制问题进行研究，虽然一些学者从系统的角度对 在制品库存控制问题作出了努力，但其也存在着纵多的不足之处。 因此，要使我国由一个制造大国步入制造强国的行列，实现国民经济的快而稳发展， 使我国的制造业在国际竞争中占有优势，提高制造企业对顾客需求的快事响应能力，实 现对在制品库存的有效控制是一个关键要素。因此，面对企业生产环境动态性不断增强 的条件下，为了提高企业的竞争力发及企业的及时送货能力，有必要研究一种集综合性、 动态性和敏捷性为一体的生产物流控制系统，实现对生产物流系统的动态调度与集成监 控，从而降低并稳定生产系统中的在制品库存。 综上可知，生产物流系统中在制品库存的控制不仅影响企业的及时送货能力，同时 还有助于企业其它方面的改造，因此，对生产物流中在制品库存的控制的研究具有战略 性的意义。 1 2 国内、外研究现状 国内研究现状： 国内在对在制品库存控制研究起步较晚，但研究起点较高，充分借鉴了国外先进理 论思想后，逐步发展并在各大企业得到应用。关于在制品库存控制的文献在国内比较多， 但是大可分为三类： 1 、以生产物流设施布置为基础的在制品库存研究 生产物流是指原材料、燃料、外购件投入到生产系统中，再经过下料、发料、运送 到各加工点和存储点，以在制品的形态，从一个生产单元流入另一个生产单元，按照规 定的工艺路线，进行加工、储存，并借助一定的输送装置，在某个节点流入，又从某个 节点流出，始终体现着物料实物形态的流转过程。研究表明生产物流系统运作过程的物 料运输成本占生产成本( 除原材料费用外) 的2 0 - - 5 0 ，而合理的生产物流系统布置 可降低生产运作成本的1 0 - 3 0 。其主要是经过对生产设施的优化布置，从而使在 生产过程中物料的搬运最小化来降低在制品的库存，达到降低成本，加快生产流程，提 高企业的快速响应能力。文献 2 是在车间平面布置的基础上建立了以运输成本最小化 2 第一章绪论 为目标函数，并借助计算机运用退火算法进行最优方案的搜索求解幢1 。 文献 3 应用设施布置的优化数学模型，以设施间最小物料搬运费用为目标，通过 讨论不同的设施布置对生产物流系统的影响，来确定企业生产物流系统的平面布置的 最优方案朝。 以上借助车间平面设计通过减少搬运量来控制在制品库存的研究都是一些事前控 制行为，对于已布置好的生产物流系统则无能为力 2 、基于m r p 、e r p 、和约束理论( t o c ) 等生产物流系统的在制品库存控制 此类生产物流系统的在制品库存控制主要是基于传统的推式生产物流系统展开的 研究，这方面的研究主要集中在对大批量、中批量生产系统的研究，主要是研究生产物 流系统中约束环节对在制品库存的影响，将传统的推式生产系统与约束理论结合来有效 的集成生产计划与控制和原材料、在制品和成品的管理。此类方式降低了成本、减少了 在制品的库存、提高了对顾客需求的满足率，从而提高了企业生产物流系统的效率。文 献 4 提出了一种在制品多价段优化控制方法一多阶段推一拉( m p p ) 生产控制模式。是 根据生产提前期的计算方法和投料节奏的控制方法，这种方法能够清楚地动态反应出各 阶段生产的实际情况，为实现w i p 在线、实时控制提供了依据，其通过分阶段控制有效 地消除了生产中在制品堆积、减少原材料的投入与w i p 面积的占用、缩短了生产周期， 对提高企业反应速度与竞争能力起到了积极的作用。但是其也存在不足之处，如面对多 样化的需求，这类方式就显得缺少柔性等。 3 、精益生产下的在制品库存控制的研究 其主要是基于丰田制造系统( t p s ) 中的j i t 模式，运用其内部对生产控制的看板 管理控制来实现对信息流的控制，从而控制生产物流，最终达到对在制品库存的控制。 精益生产，它将基于大批量生产的推式生产模式，转变为基于多品种小批量的拉式生产 模式，其大大降低了生产物流中的在制品库存，提高了制造类企业对顾客需求的快速响 应能力，增加了企业的生产柔性。 国内应用控制理论对生产物流系统的研究文献较少，文献 5 以制造系统加工过程 的在制品为研究对象，将比例积分p i ( p r o p o r t i o n a la n di n t e g r a l ) 控制算法应用于串行生产 过程的控制，建立了p i 控制的级联控制模型，为了持久改善过程质量，又将统计过程控 制( s p c ) 与p i 集成应用在串行生产线在制品库存控制，从而建立了一种集成化的生产 物流控制系统( i - p l c s ) 实现了在制品的库存的有效控制。但p i 控制器在动态控制过程 中却存在着不足之处。 国外研究现状： 国外对于在制品库存的研究起步早，成果较多，在文献 6 文中指出了生产线上设 有在制品库存的必要性和优缺点。为生产线上在制品的库存控制研究奠定了基础。基于 此国外对在制品库存的研究可分为两方面： 1 、建立在传统理论上，对传统理论进行扩展 文献 7 中对在制品库存进行了重新的划分，将其分为两部分： ( 1 ) 与加工设备有关的在制品库存； 江南大学硕士学位论文 ( 2 ) 与搬运设备有关的在制品库存。 文中指出如果在生产系统中无瓶颈环节，那么在制品库存的数量仅与系统中的加工 设备有关，与系统中的物料搬运设备无关。文中指出通过减小加工时间的协方差可以降 低系统中的在制品库存数量：通过提高设备的加工速度可以降低系统中与设备有关的在 制品库存数量，又对与搬运设备有关的在制品库存没有影响。 文献 8 中分析了丰田生产系统( t p s ) 管理中的看板管理模式。看板管理属于分散 系统中的拉动式控制系统，看板管理使用卡片( 看板) 严格控制工段间的在制品库存， 系统内的在制品总量等于系统中卡片( 看板) 的总数。看板管理的优点体主要现在：复 杂生产系统的系统行为由简单的局部法则来调控，并且为直观( 目视) 化控制提供了直 接的信息交流方式，通过看板管理者和操作者可以对自己的工作一目了然。但是看板管 理只适用于稳定的生产系统。 文献 9 中提出在生产系统中在制品总量和最低生产率给定的前提下，研究了在制 品库存的最优配置问题。文中用作者设计的两种启发式控制算法对生产系统的在制品库 存量进行控制，保证了生产系统中的在制品库存最低，并降低了生产节拍，满足顾客的 快速需求。 文献 1 0 中对系统在有限容量下、机器故障存在情况下、多产品和单一产品生产线 的在制品库存控制问题进行了研究。作者通过分别设计了生产线控制模块、拆卸线控制 模块和装配线控制模块来实现对系统中的在制品库存控制问题进行有效的控制。通过调 整系统中加工点的加工速率对工作流进行平衡，降低了系统中阻塞和设备出现饥饿状态 的概率，最终达到生产系统中在制品库存的数量较低、生产率和设备利用率较高、生产 节拍较短的目的。 2 、通过对在制品库存的研究，提出新方法理论 文献 1 1 中提出了一种新的在制品库存控制方式，称之为恒定在制品库存系统 ( c o n s t a n tw i p ，c o n w i p ) 。c o n w i p 系统对整个生产系统的在制品库存进行控制，但 不控制每个工作站的在制品库存。t p s 中的看板系统是运用看板来拉动原料进入每个工 作站加工的速率；c o n w i p 系统中系统以推动方式工作，只需在生产开始前拉动原料进 入系统，然后原料在系统内就可以自由流动。 文献 1 2 在c o n w i p 的基础上进行进一步研究，作者在文中建立了一个基于c o n w i p 系统的生产率统计控制( s t a t i s t i c a lt h r o u g h p u tc o n t r o l ，s t c ) 模型。此模型在满足生产率 要求的情况下和在静态和动态生产环境下，能够对系统中的在制品库存和生产节拍进行 有效的控制，保证现两都同时达到最低。作者也在四种不同的生产条件下( 即多产品、 单一产品、装配线和流水线) 下分别对s t c 控制模型的有效性进行了验证。但c o n w i p 系统中往往存在系统的瓶径环节，这样在制品库存会在系统的瓶颈环节处汇集，产生在 制品的大量积压，从而增加系统的在制品库存数量。 文献 1 3 中作者提出了一种生产控制策略一。其核心是物流进入系统要受到“门” 的控制。作者在文中指出“门策略的控制机理，也即当系统内的在制品库存量达到系 统最大的允许值时，“门 关闭，这样就阻止了物料进入加工系统。从“门”策略的机 4 第一章绪论 理也可以看出该策略主要是为了协调系统中在制品库存与生产率之间的冲突问题。 文献 1 4 中作者提出了个工具车间生产环境下的生产控制系统一面向在制品库 存的分散式生产控制系统( d e c e n t r a l i z e dw i p - o r i e n t e dm a n u f a c t u r i n gc o n t r 0 1 ) ，d e w i p ) ， 作者在d e w i p 系统中建立了加工工段间的在制品库存控制环路，通过对生产能力操作曲 线的调整来控制生产系统的输入速率与输出速率，从而保证在制品库存的稳定性，最终 使得生产节拍既短又可靠。除了这些外还有很多的研究，就不再一一列举。 以上的文献多数没有从系统的角度来研究，或者研究中存在各种各各样的不足，面 对现代制造系统生产环境的集成性、动态性和敏捷性等特点，其应用就显出了弊端。 所以为了适应现代生产物流系统的新特性、为了提高了企业的及时送货能力，有必 要研究一种快速响应的、集成的、动态的在制品库存控制方式，以实现对生产任务的动 态调度与监控，同时降低并稳定生产系统的在制品库存。 1 3 研究对象与方法 生产物流系统的运转也可以说是生产物流系统中存在库存的运转，在生产物流系统 中从原材料投入到生产加工最后出厂，库存经历了各种各样的流转，主要有原材料库存、 在制品库存以及成品库存的流转。库存的流转如图1 1 所示。 图卜1 生产物流系统库存流转示意图 f i g 1 - 1t h ef l o wd i a g r a mo f s t o c ki np r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m 本文主要是研究库存流转过程中工段间的在制品库存，也即生产加工过程中的半成 品库存。本文应用控制理论建立了串行生产线的在制品库存控制模型，并将比例一积分 一微分( p i d ) 控制器引入到生产物流系统中，设计了一个p i d 控制模型来研究面向订 单生产企业的在制品库存，最后运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 进行仿真优化p i d 控制器， 对生产系统进行仿真分析。以达到降低并稳定生产物流系统中的在制品库存的目的。 1 4 论文研究思路与论文框架 本文首先论述了生产物流系统的相关理论，并对其建模进行了分析；其次建立了串 江南大学硕士学位论文 行生产线的在制品库存控制模型；再次将p i d 控制器引入串行生产物流系统中，建立了 p i d 控制器下的在制品库存控制控制模型；最后应用s i m u l i n k 对模型进行仿真实现，并 结合汽车车门生产线实例说明p i d 控制器下在制品库存控制的优越性和稳定性。 根据以上的研究思路建立了以下的论文研究框架，如图1 2 所示。 图卜2 本文研究框架 f i g 1 - 2t h ef r a m e w o r ko f t h i sp a p e r 1 5 本章小结 本章首先论述了本文相关领域的研究现状以及研究的必要性和可能性，在了解了本 研究领域的研究现状以及生产物流系统发展情况的前提下，认为本文对生产物流系统的 在制品库存控制的研究是非常必要且可行的；其次，阐明了本文研究的对象以及本文所 应用的研究方法。在前面可能性与必要性的基础上提出了本文所要研究的对象和研究的 具体的方法；最后，在研究对象和方法明确的基础上建立了本文的研究思路和研究框架。 本章的研究为下文的继续研究树立了方向和目标。 6 第二章生产物流系统概述及建模分析 第二章生产物流系统概述及建模分析 当下，在以消费者为导向的市场环境下，消费者对产品的个性化需求越来越高，致 使消费者要求产品的生命周期越来越短。生产过程中小批量、多品种的生产方式逐渐代 替了原有的依靠大规模生产降低成本，从而扩大市场份额的生产方式。现在消费者对产 品要求更高的质量、更短的交货周期、更合理的价格。如此各产品生产企业要想在市场 上立足就必须降低产品成本、提高产品的质量和快速交货能力。低成本、高质量、快速 交货成为目前各国制造的生产目标。在这样的市场环境下制造业也从原来的大规模制造 模式逐渐向柔性化和自动化的模式迈进。生产环境的复杂化，使得生产物流系统相应的 也变得更加复杂、更加集成、更加多样，面对如此的一个生产环境，有必要对现有的生 产物流系统进行全面的分析与研究。 2 1 生产物流系统 2 1 - 1 物流 物流是克服空间和时间的间隔，连接需求主体和供给主体在内的一切物资物理性移 动的经济活动。具体来说包括物资的运输、保管、搬运、包装等物质流通活动以及与之 联系的信息活动n 引。对于一个企业来说物流贯穿企业的整个生产经营过程，从企业生产 的采购、生产、配送到销售的全过程。物流、信息流和资金流是企业发展和正常运转的 基础。对于一个由生产、配送、销售三层构成的制造企业来说企业物流一般可分为四个 方面u 引。如图2 1 所示。 图2 - i 企业物流框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fe n t e r p r i s el o g i s t i c s 7 江南大学硕士学位论文 ( 1 ) 采购物流。将原材料、零部件从供应商处采购，通过运输到达制造商的整个过 程。它是将企业外部资源整合到企业内部的途径。 ( 2 ) 生产物流。将采购的外购件和原材料直接配送到生产车间或暂时存仓库保管， 需要时再搬运到生产加工现场；在生产加工过程中，以零部件的形式在加工各工段之间 流动或以在制品的形式存储在各工段间的缓冲区内；零部件加工完成后经过装配形成成 品，再将加工成的产品运送到仓库，包括在仓库进行入库、搬运、包装、保管和流通加 工。原材料、半成品、成品等在生产车间内流动的整个过程就形成了生产物流的整个过 程，这也是企业创造价值的过程。生产物流是本文所研究问题，在下文中详述，在生产 物流系统中半成品在各工段间的存储问题则是本方研究的重点。 ( 3 ) 配送、销售物流。将加工制造好的成品直接从车间或仓库配给到批发商、零售 商或直接消费者的这一整个过程。这个过程是企业实现其价值的主要途径。 ( 4 ) 回收、退货物流。在销售或是生产过程中由于产品以及产品的一些附属品存在 某种缺陷、产品不能实现其应有的功能和产品的物理寿命已到，对此类产品或对产品的 包装材料进行回收所进行的搬运、运输以及保管等活动，这一过程是企业为完成其社会 责任所进行的一项活动。 从上述对生产过程以及生产过程中物流的概念可以看出：物流是指各种物料在生产 过程中的流转过程，在这一过程中存在着物料的搬运、装卸、存储等过程的重复出现。 据统计一个产品从原材料到最终成品这一物料流动过程，生产加工等工序过程约占产品 的生产周期的5 8 ，而搬运、装卸、储存等物料流动过程约占到整个生产周期的9 0 。 由此可见，物料的流动过程在企业内部生产产品中占据着重要的位置。 2 1 2 生产物流系统 1 、生产物流 生产是将原材料转换为产品的过程。这期间原材料、人力、能量、设备协同作用产 生产品。在整个生产过程中，都包含着物料的运输、加工、等待、存储等过程。从企业 的原材料采购进入企业，直到成品库的成品配送，这一个过程中的原材料、零部件、在 制品等按照工艺流程在各个加工点之间不停的移动、流转就形成了生产物流。由以上可 知生产物流是指原材料、外购件、投入生产后，经过下料、运送到个加工和储存点，以 在制品的形式，按照预定的生产工艺在各个生产单元之间流动、加工、储存等，同时借 助一定的搬运设备，在某个工段流入，又从某个工段流出，直到成品入库，整个生产物 流贯穿生产的全过程，并始终体现着物料实体形态的流转过程。 物料随着时间进程不断改变自己的场所位置和实物形态，物料在整个生产周期内不 是处于加工和装配状态，就是处于搬运、储存和等待状态。因此，制造企业生产物流不 畅，就会导致生产停滞，进而给企业带来损失。 2 、生产物流系统 由以上对生产物流的阐述，可知生产物流系统是指生产物流从原材料、零部件、外 购件投入生产后，经过下料、配送到各加工点和存储点，以在制品的形式，从一个生产 单位流入另一个生产单位，按照规定的工艺路线，进行加工、搬运和储存，借助一定的 8 第二章生产物流系统概述及建模分析 输送装置，在某个点内流入，以过加工生产又从某个点内流出，始终体现着物料实物形 态的流转的一个有机系统n 8 1 。企业的生产物流活动是在生产工艺中的物流活动。这种物 流活动与整个生产过程相伴而生的。生产物流系统的存在就是为了实现生产计划与控 制、厂内搬运、在制品存储与管理等功能。本文就是来研究生产物流过程中的在制品库 存的控制方法，从而减少物料的搬运与管理成本。 2 2 生产物流系统的运作方式 生产物流系统的运作方式按不同的方法有着不同的分类，主要可分为推式生产物流 运作方式和拉式生产物流运作方式两种。 在推动式物流系中统物流与信息流同向流动，从上游设备流向下游设备，在这样的 系统中上游设备不考虑下游设备的状态，物流一直向前移动。所以，推动式生产系统中 可能会出现部分设备空闲，部分设备负荷过重的现象，由此造成整条生产线在制品库存 不平衡。而在拉动式生产物流系统中物流与信息流反向流动，物流移动受下游设备的需 求拉动，这样就避免了个别工段在制品堆积现象的发生。 将以上两种生产物流系统运作方式运用到具体的生产运营方式中又可将其分为以 下三种： 1 、以m r p ，m r p i i ，e r p 原理为指导的“推动式 生产物流系统运作方式 “推动式 生产物流系统，进行生产控制时就是要保证生产各个环节的物流输入和 输出按计划要求按时完成。是一种物流与信息流从上到下流动的生产物流运作方式。如 图2 2 所示 信息流 - - 一一一一一一一- 一一 物流 图2 - 2 基于e r p 原理的“推动式”物流模式 f i g 2 - 2t h e ”p u s h ”l o g i s t i c sm o d e lb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fe r p 9 江南大学硕士学位论文 但是由于外部环境的变化以及各种不确定因素的干扰，生产物流系统内部运行也时 常受到外部环境的影响，各类提前的预测也不尽准确，同时各车间、工段之间在制品的 数量和品种都难以衔接，交货期难以实现，由于以上各种情况的影响从而导致整个生产 紊乱等情况。为了解决此类矛盾，企业通常采用调整计划，设置安全库存，有时加班加 点，加强调度控制力度等措施，与此对应，发生的相关库存费用、人工费用、管理费用 和投资，使企业成本大大增加，即使像比较完善的推进式物料需求计划系统，也难以真 正做到完全的准时化生产。 2 、以j i t 思想为宗旨的“拉动式”生产物流系统运作方式 “拉动式生产物流系统运作方式如图2 3 所示。 圃 ： 图2 - 3 基于j i t 原理的“拉动式”物流模式 f i g 2 - 3t h e ”p u l l ”l o g i s t i c sm o d e lb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f j i t “拉动式”物流系统运作方式其最大特点是将市场供求关系生产工序化，是以外部 市场消费者需求为系统的动力源点，从而拉动系统内部相关物料的流动和供应。在“拉 动式”物流系统中生产系统的上下游之间、前道后道工序之间形成供应与消费的关系， 下游或后道工序( 消费者) 需要什么，上游或前道工序( 供应商) 就按时、按质、按量 的提供什么，这样就可以使系统内物流过程精益化。以市场需求导向的理念在拉动式生 产物流中得到充分体现，“拉动式”生产物流系统的运作方式更加强调控制的系统性， 它适用于单一产品的重复性生产，更适合生产过程中低级需求的控制和计划。 但是“拉动式 生产物流系统运作方式的实施以企业有一定的管理基础为依托，它 考虑到人的因素对系统的影响，注重了员工的多技能和合作精神。我国目前的企业管理 基础要实施拉动式生产物流系统还需要更多的努力。 3 、以t o c 理沦为依据的生产物流运作方式 以t o c 理沦为依据的生产物流运作方式，综合了“推动式”与“拉动式两种物 流控制方式。t o c 的物流控制主要是针对约束资源的关键工序( 所有需要使用约束资源 的工序称之为关键工序) 。在生产过程中计划工作的核心是编制好关键工序的生产进度 计划，一个好的生产进度计划才能保证瓶径资源得到充分利用，保证生产过程的有效产 出最大。在编制生产计划时首先要确定关键工序的生产计划，再以关键的工序的计划为 1 0 第二章生产物流系统概述及建模分析 基准，关键工序之前的工序按“拉动式计划原则，从后向前倒排列；关键工序之后的 工序按“推动式 计划原则，由前向后顺排列。t o c 原理运用“鼓一缓冲器一绳子 ( d r u m - - b u f f e r - - r o p e ，简称d b r ) 系统对生产计划与生产控制进行分析与研究，d b r 的控制 方法在具体的现场作业控制管理中发挥着其独特的优势，它通过识别出生产系统中的瓶 径环节，并把现场作业管理和现场能力管理的重点放在约束资源上，这样可以确保系统 中在制品库存数量较低，瓶径资源上无堵塞或停工待料现象，保持系统中物料流动的均 衡。t o c 的物流控制主要是通过d b r 方法来实现。d b r 的物流控制原理如图2 4 所示。 陟删口一料v 加工工序瓶颈资源 r 产成品 图2 - 4d b r 控制原理 f i g 2 - 4t h ep r i n c i p l eo fd b rc o n t r o l t o c 基本上是对车间层物流系统进行控制的一种方法，它不能够完成e r p 或其他 管理方式的全部功能，所以在整个生产企业的生产运作过程中t o c 模式还需要与其他 模式相结合。 2 3 生产物流系统建模 对于生产物流系统的模型描述有多种的方法，根据使用的理论方法不同大致可分为 三类： 1 、运筹学模型 运筹学( o p e r a t i o n a lr e s e a r c h ，o r ) 是在二战时期发展起来的- 1 7 新兴学科，并在二 战后在社会的各个层面得到了快速的发展。运筹学包括了很多分支，如数学规划、排队 理论、存储论和质量管理等，运筹学涵盖了工业生产的众多方面，如其在市场营销、运 输问题、生产计划、库存管理、城市管理等方面的应用。它为管理者提供科学的决策依 据和决策方法瞌1 n 7 1 。 但大多数运筹学方法只能对系统的静态特征进行描述，而动态性是系统的一个基本 特性，运筹学方法对系统的动态特性描述能力极其有限，所以也就缺乏对系统灵敏度进 行严格分析的理论基础。 江南大学硕士学位论文 2 、控制理论模型 控制理论模型又可根据时间的连续性分为： 1 ) 连续时间微分方程模型 连续时间微分方程模型是基于传统控制理论采用传递函数形式对系统的行为进行 描述的模型。连续时间微分方程模型能在时间域上描述系统的行为，能够反映出系统的 动态特性。生产系统就是一个动态系统，且生产物流系统中的很多影响因素可以用微分 方程的形式表示，所以可以用控制理论的工具和方法研究生产物流系统的动态特性。连 续的微分方程模型能通过生产物流系统的零点、极点、n y q u i s t 图和b o d e 图在频域上分 析动态系统的稳定性。当生产系统的需求发生波动时，可以在频域上研究哪些因素造成 了需求的扩大化和造成需求发生变化的原因n7 1 。 微分方程模型可以平稳系统的输出，但是对受控系统必须整合为层次模型，并忽略 单独个体对整个系统的影响。若在某些加工过程中单独个体行为对系统的基本性质影响 很大，则不宜于采用微分方程模型。再者，微分方程模型在解决简单的人造系统时，也 显得有些力不从心。比如，一个排队系统，当出现服务速率差异和队列进行交换( 顾客 转移到较短的队列) 时，应用微分方程工具就很难解决。 2 ) 离散时间差分方程 制造业中的生产物流系统很多都是离散的控制系统。离散控制系统的数学模型一般 采用差分方程模型或其变型z 传递函数，这样求解离散系统的问题就可以转化为求解差 分方程问题。离散时间差分方程也可以描述系统的动态性，它与连续时间微分方程有很 多相似的优点，然而一个生产物流系统的动态性能从本质上讲是一个离散的动态系统， 所以离散时间差分方程在描述生产物流系统中具有其先天的优势。 连续微分模型与离散差分模型有相同优点同时也具有很多相同不足，如模型中都难 于容纳成本因素和两者都不能处理加工的顺序问题等。 3 、离散事件仿真模型 离散事件动态系统( d i s c r e t ee v e n t sd y n a m i cs y s t e m s ，d e d s ) 指的是由离散事件引发 状态转移的一类自然或人造系统，d e d s 的背景通常是一些复杂的系统。现在d e d s 系 统广泛的应用在计算机技术、系统工程、生产管理等领域。d e d s 系统是由资源和活动 组成。在大多数情况下，活动是物理实体从系统的一个资源到另一资源运动，并且其运 动方式是确定的。比如，在一个生产加工模型中，活动就是生产过程中所使用的原材料， 活动在各个工序间以在制品库存的形式向前推进。在这个转换过程中，活动的性质发生 改变，最后转换为产品n 刀。 d e d s 理论实际上是运筹学、控制理论和人工智能的有机结合。目前研究d e d s 的 方法主要有： ( 1 ) m a r k o v 链( 自动随机模型) ( 2 ) 广义半m a r k o v 过程 ( 3 ) 极大一极小代数模型 ( 4 ) 排队模型 1 2 第二章生产物流系统概述及建模分析 以上三种方法具有对动态系统进行描述的独特优势，但是m a r k o v 链要穷尽离散状 态下系统时间点上的状态，对于实际的系统该方法计算负担过重：广义半m a r k o v 过程 通过描述类似于连续系统的系统状态轨线，试图实现d e d s 的标准表述；简单的排队系 统与m a r k o v 链非常类似。 对于简单的d e d s ( 缓冲容量无限的串行生产线) 其时间层次上的表现形式也是非 线性的，致使应用离散