（管理科学与工程专业论文）流水线工艺柔性选择及其柔性资源生产计划的制定.pdf

新萄要 近年来，随着科学技术的发展，生产的内部因素( 包括所使用的技术，机 器和所生产的产品) 及外部因素( 劳动者的素质、管理方式、生存于其中的市 场) 都在不断发生变化为了适应这种变化，出现了许多新的技术和管理方式， “柔性生产”这一概念就是其中一种适应范围较广，较为成功的生产模式经 过几十年的发展，“柔性”已从最初单纯的技术领域逐渐渗透到制造系统的各个 方面，产生了整套较为完善的理论 制造系统柔性指的是制造系统对环境变化的适应能力，包括流水线的工艺 柔性，资源柔性和管理柔性一个成功的柔性制造系统具备以下两种素质： 1 制造系统能够迅速及时的响应由内乡卜部环境变化所带来的问题，当环境 朝着有利于制造系统的方向发展时，它能够抓住有利因素，提高效益；当环境 朝着不利的方向发展时，它能够适应变化并尽可能减小损失；2 制造系统在其 所处于的动态环境中，能够通过合理的方式，以有限的投资，充分发挥自身的 柔性能力，产生最大的效益 为了取得最高的利润，建立并管理一个成功的柔性制造系统需要解决三个 问题：1 在流水线建立前，必须决定其工艺柔性水平，即决定流水线应具有怎 样的柔性水平才能在将来的生产中产生最大的期望效益；2 。在流水线建立后， 如何制定合理的柔性生产计划，充分发挥制造系统的生产能力；3 制定合理的 管理制度，确保并提高制造系统的工作效率 由予铡造系统所处的环境干差万别，丽人们对柔性的认识又存在许多误区， 对上述几个问题的研究还处在初级阶段，对管理制度的定性研究明显多于定量 分析，但定量分析的重要性是不言而喻的。为此，本文以定性定量相结合的方 式，进行了一些初步研究，试图得到一些有价值的理论和方法 文章可分为三个部分：1 工艺柔性的选择方法。包括介绍问题的性质，多 种因素的影响以及解决方法；2 柔性资源流水线计划( f r f s ) 的制定。包括问 题的规划模型，资源分配的基本原则和分枝定界法：3 流水线计划的选择。平 行切线法。 文章最后还进行了数据分析，并提出了一些确定瓶颈操作的方法。 关键词；柔性资源，流水线计划，分枝定界法，平行切线法 i i a b s t r a c t i nr e c e n t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e c ea n dt e c l l i l 0 1 0 9 y ，t h ej n t e r i o rf a c t o r s ( t e c h n o l o g j e s ，m a c h i n e sa n dp r o d u c t s ) a n de x t e r i o rf a c t o r s ( t h eq u a l i t yo fl a b o r s ， m a n a g e m e n ta n dm a f k e t ) k e e pc h a n g i n gc o n s l a l l l l yi no r d c ft oa d a p t t ol h j sc h a n g e ， n u m e r o u sn e wt e c h n o l o g i e sa n d m a n a g e m e n tm e t h o d s 叩p e a r e d ，w h i c hi n d u d e “n e x i b l e p r o d u c t i o n ”，a m o r es u c c e s s f u la n de x t e n s i v ep r o d u c t i o nm o d e l a f t e r d e v e i o p e di n t h e p u r er e a l mo ft e c h n 0 1 0 9 vf o rs e v e r a ld e c a d e s ，“n e x i b i l i t y ”h a s i n f i l t r a t e di n t om o s td i m e n s i o n so fp r o d u c t i o n s y s t e ma n db r o u g h to u t as e to f i n t e f a t i v et h e o r i e s p r o d u c t i o ns y s t 唧n e x i b i l i t y ，i c l u d i n gt e c h n i q u ef l e x i b i l i t y ，r e s o u r c en e x i b i l i t y a n dm a n a g e m e n tf l e x m n i t y ，i so n eo fa b i l i t i e so fp r o d u c t i o ns y s t e mw h i c hm a k e si t p o s s i b l et h a tt h es v s t e mc a na d a p tt ot h ec h a n g eo fe n v i m n m e n t t w oi n d i s p e n s a b l e q u a l i t i e so fas u c c e s s f u ln e x i b l ep m d u c t i o ns y s t e ma r eg i v e na sb e l o w ：1 t h e p r o d u c t i o ns v s t e mc a nr e s p o n s eq u i c k l ya n dt i m e l yt ot h ec h a n g eo f t h eo u t e ro ri n n e r e n v i r o n m e n t i th a st h ea b i l i t yo ft a 虹n ga ( 1 v a n t a g e so ft h ec h a n g i n ge n v i r o m e n tt o i m p r o v ei t s e l fa n da v o i do rd e c r e a s et h ei n n u e n c eo fd i s a d v a n t a g e s ；2 h lad y i l a m i c s i t u a t i o n ，l h ep r o d u c t i o ns y s t e mc a ne x e na d e q u a t e l y “sa b i l i t yo ff l e x i b i l i t yt h o u g h t l i m i t e di n v e s t m e n t p r o p e rm e a n ss h o u l db ef o u n dt ob r i n go u to p t i m a lb e n e f i t s ， t b k et h e s et w of a c l o r si n t oa c c o u n t ，p e o p l eh a v et os o l v et h r e ep r o b l e m s ：1 b e f o r eb u i l t ，an o ws h o p s t e c h n i q u en e x i b n i t ys h o u l db ed e t e n n i n e d ，e g p e o p l e h a v et od e t e r m i n eh o wm u c hn e x i b i l “vaf l o ws h 0 口h a sa n dt h eb e n e 石t si tc a n p m d u c e ；2 a f t e ran o ws h o ph a sb e e nb u i l t ，p e o p l eh a v et of i n do u th o w t op l a na o p t i m a ls c h e d u l i n 舀w h i c hw i l lh e l pt h ef l o ws h 叩t oe x e r ti t sp r o d u d n ga b i l 让y ；3 h o wt oc o n s j t u c ea p r o p e rm a n a g c m e n ts y s t e m b e c a u s eo fav a r i e t yo fe v i r o n m e n ta n dc o n c c p t s ，m a n yq u e s t i o n so fn e x i b l e f l o ws h o ps t i l lr e m a i nu n a n s w e r e d ，b u tm o s tr e s e a r c h e sf o c u so nq u a h t a t i v ea n a l y s e s t h e r c f o r e ，t h i sp a p e ru s e sq u a n t i t a t i v ea n dq u a i i t a t i v ea n a l v s i si nc o m b i n a t i o ni i i o r d e rt oo b t a i ns o m ev a l u a b l et h e o r i e sa n dm e t h o d s t h i sp a p e rc o n t a i n st h r e ep a n s ：1 t 1 l em e t h o do f c h o o s j l l gt e c h n i q u en e x i b i l i t y ， i n c l u d i n gq u e s t i o na n a l y s i s ，i n n u e n c e s o fv a r i o u sf a c t o f sa d r e s o l v e n t s ； 2 s c h e d u l i n go ff l e x i b l e - r e s o u r c en o ws h o p ，i n c l u d i n gp r o 笋锄m i n gm o d e l ，r e s o u r c e d i s t 曲u t i o np r i n c i p l ea n db 瑚c h a n d b o u n da l g o r i t h m ；3 c h o o s i n gt h en o ws h o p s c h e d u l i n 窟p a r t a na l g o r i t h m e v e n t u a l lv t h i sp a p e rp m p o s e ss o m em e a n so nh o wt 0d e t e n n i n et h eb o t t l e n e c k o p e r a t i o nb ys t a t i s t i ca n a l y s i s k 猡w o r d s ：n e x i b l e - r e s o u r c e ，n o ws h o ps c h e d u l e ，b r a n c h a n d b o u n da l g o r i t h m p a n a na l g o r i t h m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 流水线工艺柔性选择及其柔性资源生产计划的制定 1 1 研究背景及历史 第1 章引言 1 1 1 研究背景 工业化大生产是人类生产力的重要表现形式之一，随着科学技术的发展， 不管是生产的内部因素所用的技术、所使用的机器、所生产的产品；还是 外部因素劳动者的素质、管理方式、生存于其中的市场，都在不断发生变 化为了适应这种变化，新的技术和管理方式不断涌现，“柔性生产”这一概念 就是其中一种适应范围较广，较为成功的生产模式经过几十年的发展，“柔性” 已从最初单纯的技术领域逐渐渗透到制造系统的各个方面，产生了一整套较为 完善的理论 一般认为，制造系统柔性指的是制造系统对环境变化的适应能力应该认 识到，这种柔性能力是一个相当广泛的概念，包括流水线的工艺柔性，资源柔 性和管理柔性一个成功的柔性制造系统具备以下两种素质： ( 1 ) 制造系统能够迅速及时的响应由内外部环境变化所带来的问题，当环 境朝着有利于制造系统的方向发展时，它能够抓住有利因素，提高效益；当环 境朝着不利的方向发展时，它能够适应变化并尽可能减小损失； ( 2 ) 制造系统在其所处于的动态环境中，能够通过合理的方式，以有限的 投资，充分发挥自身的柔性能力，产生最大的效益 制造系统的适应能力之所以越来越受到重视，有两个原因首先，人们对 制造系统的要求发生了变化，不再满足于大规模生产方式下的单一品种，出现 了需求多样化的趋势加之竞争加剧，市场趋于饱和，企业加深对区隔市场的 开发，制造系统面对的市场更加多变，如果没有一定的应变能力，企业就难以 生存和发展其次，现代柔性生产技术，如数控加工( c n c ) 、柔性制造系统( f m s ) 武汉理工大学硕士学位论文 和计算机集成制造系统( c i m s ) 等不断涌现，为制造系统获得较高的应变能力 提供了可能，而柔性则是这些技术的核心概念和目标所以制造系统柔性成为 企业获得竞争优势的重要条件现在，许多研究者把柔性作为制造系统与成本、 质量和交货期同等重要的目际，正是这种现实的反映 虽然柔性制造系统具有上述优势，但其不利方面也是相当明显的随着柔 性生产模式的不断发展，传统生产方式必然会在不同程度上受到冲击，原有的 技术、思想和管理方式都会发生相应改变相对于传统生产模式，柔性制造系 统为了得到合适的柔性水平，需要投入大量资金，并要求企业具有更高的管理 水平，员工有更高的素质同时，由于柔性研究的局限性，制造系统柔性水平 和利润之间的关系还不明确，这都成为管理者进行决策的障碍，建立柔性制造 系统对许多企业，尤其是对生产规模和管理水平欠缺的中小企业来说是一个风 险较高的投资 为了取得最高的利润，建立并管理一个成功的柔性制造系统需要解决三个 问题： ( 1 ) 在流水线建立前，必须决定其工艺柔性水平，即决定流水线应具有怎 样的柔性水平才能在将来的生产中产生最大的期望效益； ( 2 ) 在流水线建立后，如何利用制造系统中的资源柔性，制定合理的生产 计划，发挥制造系统最大生产能力： ( 3 ) 制定合理有效的管理制度，确保并提高制造系统的工作效率 由于制造系统所处的环境千差万别，而人们对柔性的认识又存在许多误区， 对上述几个问题的研究还处在初级阶段定性分析多，定量分析少；对管理制 度的研究多，而对柔性水平和利润的关系以及柔性资源生产计划的制定研究 少但前两个问题的重要性是不言而喻的，为此，本文以定性定量相结合的方 式，进行了一些初步研究，试图得到一些有价值的理论和方法 1 1 2 柔性研究的历史 柔性生产是在钢性生产的基础上发展起来的，上世纪2 0 年代在泰勒“科学 管理”影响下，尤其是e w h 洳e y 及o l i v e r 提出“互换性”、“大批量生产”和 “传送带”应用前提下，工业界将管理思想与当时的电气化、标准化、系列化 结合，成功地诞生了“少品种大批大量生产”的生产模式，给制造业注人了新 鲜血液，推动了工业化发展的进程美国的“福特制”就是典型代表，它为社 武汉理工大学硕士学位论文 会提供了大量的产品，它存在的基础是当时的市场环境为卖方市场，因而我们 也称此生产模式为刚性生产模式，这模式的生产效率高，单件产品成本低， 但它是以损失产品的多样化，掩盖产品个性为代价的随着经济的不断发展， 企业的竞争形式也在发生变化，它不仅仅表现为价格、数量、质量的竞争，更 重要的是刚性生产模式的弊端逐渐显现，主要表现在：成本增加、过量库存、 适应市场的灵敏度低然而，现代的竞争环境是一个不断变化、不可预测的环 境，由于高新技术的出现和更迭加快，产品的生命周期越来越短，企业所处的 竞争环境要求企业具有很高的适应能力，通过高新技术的运用、不断寻求新的 机遇来开发新的产品，以满足市场的需求柔性生产模式正是在这一要求的刺 激下产生的 作为制造系统的一个重要性能，对柔性的研究在七十年代末便开始了但 在很长一段时间内，大多数研究还停留在柔性的概念、属性、度量等方面，而 对柔性制造系统的行为特征，调度控制的定量化研究不多从八十年代开始， 对制造系统柔性的研究逐渐增多，从s e t h i ( 1 9 9 0 ) 对相关文献的整理可以发现， 多数研究与f m s 相关，即“由计算机控制的，能够自动控制和处理物料，并能 同时生产数种产品的复合体”f i e 和f r e u n d ( 1 9 9 0 ) 建立了f m s 柔性的模型， 提出了在高生产能力无柔性刚s 和全柔性f m s 间的取舍的解法，这种解法能 够应用于多种情况，但其选择的范围局限在无柔性和全柔性两种极端的情况， 而对于许多组装流水线来说，需要确定的柔性水平介于无和全之间，因此无法 使用上述模型t r i a l l t i s 和h o d e r ( 1 9 8 9 ) 也提出了计量柔性水平的方法，并深 入说明了影响柔性水平的因素，但他们的分析仅局限于两种产品的情况，对多 种产品和多个工作台的情况仍有待研究 进入九十年代，对制造系统柔性的研究主要集中在； ( 1 ) 柔性作为系统本身的固有性质，如何发挥其全部效用； ( 2 ) 对系统内各种柔性相互作用的研究； ( 3 ) 各类柔性对制造系统行为特征，调度策略影响的研究 资源柔性是制造系统柔性中一个相当重要的分支，强调在生产中充分发挥 资源固有的柔性本质，提高制造系统的效率对柔性资源的研究始于九十年代 初d a n j e 】s 和m a z z o j a ( 1 9 9 4 ) 首先提出了柔性资源问题的一般模型，给出并证 明了柔性资源计划问题的一系列重要性质，提出了单一流水线计划问题的算 法d a n i e l s ，h o o d e s 和m a z z 0 1 a ( 1 9 9 6 ) 提出了在平行流水线上柔性资源计划问 武汉理工大学硕士学位论文 题的解法从他们的研究中可以发现，全柔性资源能够有效提高流水线的生产 效率z a f a d l av im e c l a i n 和t h o m a s ( 1 9 9 6 ) ，b a 卅l o i d j ，e i s e n s t e j n ( 1 9 9 6 ) 对全 柔性资源的合理使用进行了研究，在他们发现的最优解中，虽然具有全柔性， 但每个工人只局限在流水线的一部分j o r d a n 和g m v e s ( 1 9 9 5 ) 研究了工厂生 产的柔性，他们得到了一个重要结果就是对有限的柔性进行适当组合即可以达 到全柔性的效果 在最近的研究中，国内外学者开始考虑非全柔性资源问题也就是说，该 资源无法用于生产系统的每一个环节，资源中不同的个体只能运用于生产系统 相应的某一部分中s h i ，d a n i e l sa n dm a z z 0 1 a ( 1 9 9 9 ) 对半柔性的研究发现，利 用半柔性资源可以获得全柔性资源对生产率提高相同的效果这种改进争强了 柔性资源模型和理论对实践的指导意义，是一项十分有意义的工作 国内学者对柔性问题也有一些研究，例如陈荣秋教授等人，在企业组织系 统和技术系统柔性以及提高企业整体柔性的方法等方面进行了卓有成效的研 究他们定义、量度和优化了技术系统的柔性，建立了技术系统的过程模型和 信息模型，提出了提高技术柔性的方法和途径等：詹述勇研究了企业财务系统 的柔性程金良研究了分布式柔性制造系统上进行多品种小批量生产的最优计 划问题，并将模糊理论的改良引入到分枝定界法中但是到目前为止，这些研 究主要还是集中在制造系统的要素层，如机器柔性、工件柔性等，而对企业级 的系统柔性研究较少；对柔性的定义、分类和量度等方面的研究较多，而对柔 性资源的管理和合理分配使用的研究较少 1 2 生产系统柔性的相关理论 1 2 1 生产系统的目标与柔性 生产系统目标可分为两类，类产生于市场需要，它与生产系统对顾客服 务达到的水平有关，包括生产的品种、产品质量，顾客购买该产品的代价与获 得物品的交货期( 包括交货时间和交货数量) 四个目标不过对生产系统而言， 产品价格是外生的，是由市场力量决定，尽管企业的市场战略和垄断程度可能 会对价格产生影响，但它不是生产系统直接追求的目标生产系统的另一类目 标与资源生产率有关，即设备、劳动力和材料的生产率，各资源要素生产率与 武汉理工大学硕士学位论文 成本的关系密切成本是一个生产系统效率的综合指际，与资源生产率相关的 目标可用成本来衡量，对于与市场相关的目标，可以把可靠性的概念引进来就 是说生产系统对顾客的服务在品种规格、质量、交货期和交货数量等方面应具 有高可靠性，如果市杨对品种规格、产品质量、交货期和交货数量等的要求发 生变化，高可靠性的生产系统应当适应这种变化，这就要求生产系统必须具有 柔性所以柔性概念是与生产系统对顾客服务的可靠性相对应的，是同一层次 的概念，它是达到可靠的服务市场这一目标的手段表1 1 列出了服务顾客的目 标水平、可靠性和柔性之间的关系。 表卜1 服务顾客的目标 服务水平可靠性 柔性 ( 适应变化的程度和 ( 达到什么样的水平)( 以多大的可靠性达到) 难易度) 1 能制造达到特定性能；一贯的保持性能和产品组1 能制造新产品； 产品品种 2 堵制造特定的产品组合合的能力2 堵改变产品组合 能够达到一定水平的质一贯的保持希望的质量水 产品质量能改进质量 量 平 能改变产量( 产量柔 生产数量达到既定的产量一贯的达到市场需要数量 性；生产能力柔性) 交货期 按既定的时间交货 一贯的满足承诺的交货要 能改变交货时间 ( 时间维)求 从表1 1 可以看出，生产系统的目标应具有两个层次，其一，是一定的质量 水平，一定的品种规格，承诺的交货期与数量；另一个层次是实现上述目标的 可靠性，特别当上述目标发生变化时，生产系统应具有柔性来可靠的实现相应 的服务上述分析可以看到，生产系统柔性的需要是由于第一层次目标( 市场 需要) 的变化造成的一般而言，这种变化具有不确定性，不确定性程度不同， 对生产系统柔性的要求也不同 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 环境不确定性的含义及其分类 对企业来说，环境包括内部环境和外部环境两个方面，内部环境指生产系 统的内部状态，如是否出现故障等；外部环境主要指市场一般来说，企业所 面临的环境总是存在不确定性，它对环境中的客观事件的发展和未来状态无法 准确地预知不确定性可以定义为对事物缺乏了解这个概念涉及感知环境的 主体( 企业) 和主体对环境的知识( 信息) 这两个方面关于环境的知识( 信息) 越多， 不确定性就会降低可见不确定性是个程度的概念，决策者应当尽可能多地获 得信息，减少不确定性，才有利于对出现的环境事件做出明确的反应影响主 体对环境不确定性的感知程度取决于两个因素，其一是环境复杂性，指环境因 素多寡和因素之间的差异程度( 多元化程度) ，例如，一个面对国内市场的厂家与 一个面对国际和国内两个市场的厂家相比，其环境不确定性程度是不一样的， 前者面临的因素数目少，因素之间差异度小，不确定程度低 环境越复杂，主体感知程度越低，不确定性程度越高；其二是环境动态性， 指环境因素在一段时间内发生变化环境动态性取决于环境变化的速率与时间 跨度两个因素变化的速度越快，时间跨度越长，感知的不确定性程度越高， 环境就越难以预测从这两个方面看，即使系统所面临的环境较复杂，如果环 境是静态的，变化较小，主体感知程度可以加深，从而减少不确定性程度，如 果环境因素既复杂又变化快，那么不确定性就加大了对厂商而言，它们成年 累月面对特定市场，影响感知程度的主要因素来自环境变化的不可预测性，所 以，许多学者把不确定性用变化来度量 根据不同时间跨度和变化的速率可把环境变化分为三类：短期变化，中期 变化和长期变化这样根据时间跨度的分类法有三个特点：( 1 ) 把变化的层次 分开长期变化是较长时期才能观察到，在短时期长期变化很小，所以在观察 短期变化时，长期变化相应的状态变量为常数，从而简化了问题，例如，在考 虑产量波动时，生产能力可视为常数；( 2 ) 不同类型的变化产生的部位不同例 如，短期变化如设备故障等大多产生于系统内部，而长期变化如产品更新换代， 则产生于系统外部环境的变化对不同的变化，生产系统应具备不同的柔性；( 3 ) 不同类型的变化发生的频率不同，对系统的影响也不同一般短期变化发生的 频度高，且易处理，而长期变化不经常发生，一旦发生对生产系统的影响较大， 如果系统没有相应的柔性，则整个生产系统都会失败，甚至废弃例如，一条 ，6 ， 武汉理工大学硕士学位论文 专用流水线出现故障少，也较容易处理，但市场要求更新产品时，生产系统若 不适应这种变化则现有生产系统可能会全部废弃通常生产系统所面对的环境 变化如表1 2 所示 表1 2 环境变化的类型 短期变化中期变化长期变化 1 新产品引入 需求变化产品组合变化需求波动如季节波动 2 原有产品退出生产 投料变化材料代用新产品的出现和引入 1 机器和传输设备故障 2 工具磨损和故障主要设备和传输设备新机器和新生产工艺 生产过程变化 3 机器加工时间变化故障出现 4 瓶颈工序出现 环境变化引起市场对生产系统的要求发生变化，生产系统就应当具有适应 变化的能力即柔性，例如，为了适应中期产量波动，生产系统应当具有产量柔 性；为了适应长期需求的增长，生产系统应能够扩大生产能力，有扩张柔性如 果出现对新产品需求，生产系统应具有适应品种变化的能加工多种产品的柔性， 否则，只有废弃现有加工设备了 1 2 ，3 生产系统柔性和资源柔性 生产系统柔性的概念和分类十分繁杂，但就其核心而言，生产系统柔性是 指生产系统本身固有的，对内外部变化的适应能力具体来说，生产系统的柔 性概念应包括两个方面：第一个方面是系统的加工范围如果一个生产系统能 呈现范围更宽的加工状态或行为，则它具有较大的柔性，例如，生产的产品品 种多，能生产不同的产量或质量，就具有较大的柔性第二个方面是系统从一 种加工状态转变到另一种加工状态的难易度这个难易度可用转换的时间和转 换的成本来度量从一种加工状态转变到另一种加工状态，转换的时间长，费 用高，生产系统的柔性也就较低转换时间和转换成本是替代的关系，缩短转 换时间会加大转换费用如果不考虑时间，可以通过重新投资新生产系统改变 加工可能性 区分生产系统加工处理的范围和在不同加工状态间转换难易度这两个方面 是非常重要的，有利于管理者识别不同的柔性需求例如，某位负责销售的部 武汉理工大学硕士学位论文 门主管希望生产系统能生产较广范围的产品以适应市场多样化的需求，他强调 的是生产范围，即范围柔性；另一位经理可能会强调生产线在生产两种产品时 转换调整时间不要太长，在订货变化时有灵活性，他更关心的是反应速度即反 应柔性所以在考察变化对柔性的需要时，首先要区别需要的是范围柔性还是 反应柔性强调生产系统可调整范围和反应速度也与环境变化的长期和短期相 对应，一般短期变化需要生产系统从一种加工状态转换到另一种加工状态所需 的时间短，成本低，具有快速反应的柔性如一批紧急订货要求生产线快速调 整而长期变化要求生产线具有较宽的加工范围，例如，当出现新产品时，现 有生产系统仍然能加工和处理 市场需求的变化要求生产系统具有相应的柔性以处理这些变化而不同的 变化要求生产系统的柔性也各异一般地说，从生产系统实现服务市场可靠性 这个目标出发，下述柔性是一个生产系统应当具备的： ( 1 ) 具有应付由于产品寿命周期缩短造成的新产品引入的适应能力，即产品 品种柔性； ( 2 ) 应付短期需求波动的产量柔性； ( 3 ) 具有在同一生产线上加工多种产品的组合柔性( 强调快速经济地调整生 产1 ； ( 4 ) 具有应付长期市场需求增长的能力扩张柔性； ( 5 ) 应付紧急交货的交货期柔性； ( 6 ) 当产品质量改进时，能加工出其它质量水平的质量改进柔性 这六种柔性是生产系统表现出来的综合柔性，是可靠地实现生产系统目标 的保证它们由生产系统资源提供，面向市场和顾客，为了实现这些综合柔性， 生产系统的资源应具备相应的柔性根据综合柔性的来源的产生的部位，生产 系统的资源应具备下列五种基本柔性： ( 1 ) 机器柔性，包括两个方面的含义，一是在一台机器上对一个零件进行 多种加工而不需装卸；二是在一台机器上对一组不同类型的零件进行不同的操 作可以通过缩短准备时间和快速更换刀具提高机器的反应柔性机器柔性对 产品品种柔性，产品组合柔性等是重要的来源； ( 2 ) 物料搬运柔性，指系统能处理多种物料和工件的搬运； ( 3 ) 加工路线柔性，指一组零件可以使用多条加工路线：路线柔性在设备 出现故障时显得特别重要，它允许把零件转移到别的机器上进行加工； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 人工柔性，指工人快速有效地处理多种任务和工作的能力；高柔性的 工人，当产品更新时无需太多的培训就可以适应加工任务的变化； ( 5 ) 物料加工柔性，指生产系统能处理多种物料，这对于新产品的引入是 重要的 这些资源柔性是生产系统基本的物理柔性，其不同组合表现不同的面向市 场的综合柔性，例如，机器柔性，物料搬运柔性、人工柔性和物料加工柔性的 某种组合就产生了生产系统能加工多种产品的品种柔性；又如，机器柔性、加 工路线柔性和人工柔性的适当组合能够产生适应交货期变化的交货期柔性，当 有紧急订货出现工艺瓶颈时，机器柔性使得调集多台设备加工该批订货成为可 能，路线柔性可以使零件在不同的机器间移动，缓解了瓶颈紧张状态基本资 源柔性和综合柔性的关系见图1 1 基本资源柔性( 存在于生产系统中) 匝垂 隔磊磊磊b 【，j 匝巫乎 区垂 匝匝乎 屯至正 屯至互 岖至 岖垂匾 岖亟口 岖星 图1 1 基本柔性和综合柔性的关系 在实际生产中，资源柔性通常体现在供应量不足或者需要尽量减少资源投 入量的情况下可以将这种情况理解为生产系统所面对的一种内部变化，为了 适应这种变化，生产管理者必须利用资源固有的柔性能力，通过合理安排及组 织，使生产效益接近或达到系统拥有充足资源时的水平 1 2 4 柔性资源条件下流水线计划 在实际生产中，要求流水线计划能够合理利用现有流水线中的资源，满足 9 武汉理工大学硕士学位论文 订单在质量，产量和交货期上的要求除此以外，流水线计划还应该尽可能缩 短生产周期，减少资源投入，降低成本当考虑资源柔性时，流水线计划的目 标并没有变化但相较于普通的流水线计划，柔性资源流水线计划 ( f l e x i b l e - r e s o u r c ef l o ws h o ps c h e d u l i n g ，以下简称为f r f s ) 必须动态的使用现 有资源，在生产的每个环节都必须决定资源的投入量、工序的开始时间和紧 后工序的相应参数由于生产的制定者必须反复决定如何使用现有资源，使得 计划拥有相当多的资源组合方式，从中选择一个最优计划变得较为困难 1 3 本研究的目的及意义 随着现代制造技术( q m t ) 、信息技术( i t ) 和自动化技术( a t ) 的迅速发 展，国际商业竞争日趋激烈，产品生命周期日益缩短，以及顾客需求日益多样 化和对时间敏感性的加强，现代企业面临着严峻的挑战，变化和不确定性是新 的竞争环境的标志企业的竞争已经从依靠价格转向依靠质量和服务，并进一 步转移到依靠品种和时间怎样及时的响应顾客对产品多样化和个体化的需求， 成为衡量现代化企业竞争能力的重要标志柔性，即企业有效的处理环境变化 和由环境变化引起的不确定性的能力，越来越成为企业生存发展和成功的重要 战略武器，引起了国内外企业管理者的重视为了拥有高度的柔性，许多企业 在现代技术、柔性生产设备及人员的多功能培训等方面花费巨额投资，但系统 柔性水平与其产生的经营业绩之间的关系却并不清楚，并因此造成了巨大的浪 费了解柔性水平与利润间的关系，是企业决定投资柔性制造系统前必须进行 的工作 即使已经建立柔性制造系统，也不能认为流水线发挥了全部生产能力如 何管理柔性流水线，尤其是如何计划安排柔性资源的使用，是柔性资源投资收 益率的决定因素随着我国己加入w 1 o ，中国企业正在面临着国际企业的强有 力的挑战从发展战略上讲，也在进入一个新的阶段，即从出口导向战略向着 全球化经营战略的改变，也就是说，中国企业应当广泛的参与各个层面的国际 分工，而不是简单的继续发挥我国劳动力优势的分工，要利用产品差异性，多 样性进入高级制造业的国际分工因此，如何计划管理和有效使用柔性资源， 提高中国制造业的竞争力，已经成为2 1 世纪企业如何适应世界经济和社会发展 的一个具有挑战性的问题 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章工艺柔。i 生的选择方法 为了取得最大的利润，在建立流水线时需要决定如何配置柔性，并对流水 线将来的生产情况有一定的了解在硬件方面，工艺柔性无疑是流水线的主要 柔性，了解工艺柔性的性质是对流水线进行柔性配置的必要前提 2 1 问题性质 面对不确定的市场需求，加强流水线市场适应能力最有效地方法就是提高 流水线的工艺柔性在这里，工艺柔性是指一个工作台能够处理多种零件，或 指一条生产线能够同时生产多种产品企业需要怎样的工艺柔性，以及如何增 加柔性以更有效的适应需求变化是由产品生产分配决定的所谓生产分配，就是 决定产品在生产系统的哪条生产线或在流水线中的哪个工作台上加工由于大 多数产品是在同一条流水线上完成其加工过程的，因此在本文中仅讨论产品与 工作台的柔性关系 工作台的加工能力( 或称为柔性能力) 即指产品能够由那些工作台加工或每 个工作台能够处理多少种产品产品与工作台的分配方式由工作台的加工能力 和容量决定，而加工能力和容量是在整条流水线建立前决定并投资得到的影 响投资量最直接的因素在于对未来市场需求量的预期，但实际需求量是不断变 化的，预期与实际需求量间必然存在一定程度的差距，为了使流水线具有应对 需求量波动的能力，必须使流水线具有工艺柔性由于工艺柔性的投资是相当 大的，那么到底使流水线具有怎样程度的工艺柔性能力才是最合适的昵? 另一方面，有些流水线已经具有了一定程度的工艺柔性以汽车组装流水 线为例，绝大多数工作台可以处理一种以上的工件，也有许多工件能够在多种 工作台上进行处理那么现有的柔性程度是否已经足够应付需求量的波动? 如 果不够，应当如何改进流水线以增加柔性呢? 从现有文献的调查结果来看，主要有以下两个方面的问题影响了企业对工 艺柔性的投资： 第一、虽然投资机器容量和工艺柔性所需的成本是很容易计算的，但产品 的需求却很难确定，因此对投资的利润也很难有一个明确的估计由于柔性投 资的成本巨大，为稳妥起见，投资者们倾向于尽量减少投资量 武汉理工大学硕士学位论文 第二、许多人将柔性仅理解为两种极端的情况，即全柔性( 工作台能够处 理所有的工件) 和无柔性，而忽略了中间状态由于全柔性的投资相当巨大， 这也造成了第一点的形成 因此本文将柔性看成是一个可以逐渐增加的变量，并试图找出随着柔性水 平的提高，利润的增涨情况 研究利润与工作台工艺柔性的关系有两种思路： 一、研究应采用怎样的柔性调配方式才能与产品的预期需求相适应，但不 考虑取得柔性的成本；二、研究如何用最低的成本才能达到既定的柔性水平 在本章中，我们选择的是第一种思路，既没有考虑成本的因素这主要是 基于以下两方面的考虑： ( 1 ) 更好的理解柔性所带来的利润有助于投资者做出更好的投资决策，有 助于研究关于如何提高柔性同时降低成本的问题：( 2 ) 影响成本的因素相当复 杂，同时考虑利润与成本进行分析需要做出太多假设，使本研究失去实际意 义但必须强调的是，在实际的决策过程中，必须将本文的结果与成本相结合 进行考虑 2 2 工艺柔性 工艺柔性的重要优势在于，在机器生产能力不变的情况下，它能提高流水 线的利用率，灵活的改变生产量以适应需求的变化因此，可以使用期望销售 量和生产能力利用率( 即机器利用率) 来衡量工艺柔性带来的利润下面用一 个简单的例子进行说明 考虑一个只有两个工作台，两种产品的流水线两个工作台对两种产品的 生产能力均为每年1 0 0 单位两种产品的需求量相互独立，并在5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 三个值中随机取值假设流水线的生产能力能够在得到需求量之后重新调整， 而超过生产能力的需求视为损失量比较流水线处于全柔性和非柔性使时机器 利用率和期望销售量的区别 如果两种产品的需求量为5 0 和1 5 0 ，在全柔性状态下，需求量全部可以满 足，流水线的利用率为1 0 0 ，但在非柔性状态下，会有5 0 个单位的需求量无 法满足，即存在2 5 的损失，机器利用率为7 5 同样的道理，从全局来考虑， 在全柔性的条件下的期望销售量为1 7 8 单位，损失为2 2 单位，机器利用率为8 9 ； 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 在非柔性条件下，期望销售量为1 6 7 单位，损失3 3 单位，机器利用率为8 3 可 以发现，用期望销售量和机器利用率可以有效衡量柔性水平与利润的关系 2 2 1 工艺柔性水平 如果流水线只有2 种产品和2 个工作台，其所涉及到的柔性问题是相当简 单的，与柔性相关的投资决策也很容易做出但对于有多种产品和多个工作台 的情况，问题会变得相当复杂首先，期望销售量和机器利用率会很难计算； 其次，随着产品和机器数量的增涨，使可能的生产分配方式以指数形式递增因 此，必须使用更为简洁和有效的方法来确定最优的调配方式， 为了更清晰的说明解决问题的方法以及柔性与利润的关系，本节用一条有 1 0 种产品和1 0 个工作台的流水线为例进行说明以一月为个时间单位，假设 每台机器的生产能力为1 0 0 个单位的产品，而每种产品的期望需求也为1 0 0 单 位月，需求量为独立同分布的变量，均服从标准差为4 0 的正态分布，变化范围 在 2 0 ，1 8 0 】内 算出每一种生产分配方式的期望销售量和机器利用率几乎是不可能也是没 有意义的因此我们用如下方式来考寻求可能的最优分配方式： ( 1 ) 对每种产品的需求量随机取值； ( 2 ) 在不超过每台机器生产能力的前提下，充分利用流水线的柔性能力， 对需求量进行分配，要求被满足的需求量( 即销售量) 达到最大； ( 3 ) 搜集在不同柔性水平下流水线销售量，损失量和机器利用率，从中选 出最优方案 首先考虑非柔性的情况，即每台机器只能加工一种产品( 假设为机器l 加 工产品1 ，机器2 加工产品2 ，依次类推) 通过多次随机取值求平均的方法可 以得到，期望销售量为8 5 3 单位，期望机器利用率为8 5 3 当流水线为全柔性 时，期望销售量为9 5 4 ，机器利用率为9 5 4 从投资和制造成本的观点来看， 全柔性几乎是不现实的，但全柔性条件下流水线的生产水平却能够作为其他生 产分配方式的衡量标准，为确定最优分配方式提供参考 前面曾提到，在对柔性流水线进行投资决策时，需要解决的一个重要问题 就是如何确定流水线的柔性水平从利润的角度来考虑，此问题也可以看成是， 如何用最少的投资使流水线接近或者达到全柔性时的利润水平为了了解随着 柔性水平增加利润的增涨情况，我们在非柔性的基础上，逐步增加机器的工艺 ，1 3 武汉理工大学硕士学位论文 柔性并进行分析增加柔性的方法就是在产品和工作台间增加“线”，如图2 1 每 条线都代表一个可行的产品工作台组合 产品 工作台 图2 一l 柔性配置图 图中虚线表示流水线为非柔性时已有的产品工作台组合，实线是工作 台具有工艺柔性后新增的组合每增加一条线表示流水线的柔性水平在提高具 体的加线过程是：产品1 与工作台2 相连，产品2 与工作台3 相连，产品3 与 工作台4 相连，最后是产品1 0 与工作台1 相连这种加线方式并不是任意的， 从后文的内容可以证明，这种加线方式符合工艺柔性的增加规律，能够产生最 大的利益 随着柔性水平的逐渐提高，流水线的期望销售量和机器利用率也逐渐上 升图2 2 是增加1 到l o 条线所对应的期望销售量和机器利用率与流水线处于 非柔性和全柔性时的比较 口曰o 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 9 5 0 删 如 蒌9 0 0 导 8 5 0f 加2 条线 加l 条线心 无柔性 加1 0 条线、全柔性 8 08 59 09 51 0 u 机器利用率( ) 图2 2 不同柔性水平下流水线的生产情况 从图中可以看到，每增加一条线，流水线的期望销售量和机器利用率快速 上升，当加到第十条线时，其生产情况几乎与全柔性时的情况相等可以认为， 在无柔性的基础上，生产线上增加1 0 条线所增加的利润与全柔性增加的利润相 等两种柔性水平流水线的柔性关系如图2 3 虽然本文并没有考虑成本问题，也没有找到利润最大的柔性水平，但从图 2 2 可以发现，增加1 0 条线的流水线完全能够代替全柔性流水线继续加线， 即继续投资增加柔性水平是没有必要的为了确定流水线利润最大的柔性水平， 还需要结合投资成本，资源成本和管理等因素综合考虑，但在非柔性的基础上， 最优柔性水平所增加的产品工作台组合数不会超过1 0 值得注意的是，虽然图2 3 ( 1 ) 的生产分配方式产生了与全柔性几乎相等 的利润，但这并不能说明一种产品有两个工作台处理，一个工作台能够处理两 种产品的工艺分配方式就是最优的为了接近或达到全柔性的生产状况，必须 考虑产品与工作台的数量、机器生产能力、产品的期望需求及需求的不确定性 四个因素，并以此确定每种产品