（管理科学与工程专业论文）离散型生产线生产能力评估系统研究.pdf

摘要 摘要 离散型生产线的生产能力具有复杂性、多层次性、开放性、动态性等特点， 对离散型生产线的生产能力进行评估十分困难。但是，有效的产能评估能够帮助 企业准确掌握生产线的现实产能，对企业的意义重大。因此，离散型生产线的产 能评估越来越被离散型生产企业所重视。 本文针对国家8 6 3 项目企业级可视化制造资源智能获取与集成应用技术 中离散型生产线产能评估的相关问题，提出了离散型生产线的产能查定、产能评 估、产能调整三阶段产能研究思路对离散型生产线产能评估问题展开深入研究。 首先，给出了离散型生产线产能查定方法。其次，建立了离散型生产线产能 评估初始指标体系，采用访谈的方法对初始指标体系进行修正；提出了基于粗糙 集理论的离散型生产线产能评估方法，建立了离散型生产线产能评估模型，对离 散型生产线产能进行评估。第三，根据离散型生产线产能评估结果，结合离散型 生产线的查定产能，计算出离散型生产线的现实产能，对现实产能与制造任务能 力需求的匹配度进行分析；对于可能出现的产能过剩或产能不足的情况，本文构 建了随机需求环境下离散型生产线产能调整模型，对离散型生产线的现实产能进 行调整，制定出合理的产能调整策略，实现离散型生产线的现实产能与制造任务 能力需求的最佳匹配。并根据离散型生产线产能调整模型的特点，提出了一种免 疫克隆选择与线性规划方法相结合的算法对模型进行求解。最后，按照本文中产 能查定、产能评估、产能调整的三阶段离散型生产线产能研究思想，应用a s p 和 s q l s e r v e r2 0 0 0 设计和开发了离散型生产线产能评估系统，该系统包括产能查定、 产能评估、产能调整三个核心功能模块。通过将实际数据带入到离散型生产线产 能评估系统中进行运算，验证了该系统的有效性。 关键词：离散型生产线产能评估粗糙集理论产能调整模型免疫克隆选择一 线性规划算法 a b s t r a c t a b s t r a c t d u rt ot h ec o m p l e x ，m u l t i - l e v e l ，o p e na n dd y n a m i cn a t u r e ，i t sv e r yd i f f c u l tt o e v a l u a t et h ec a p a c i t yo fd i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e s h o w e v e r , a l le f f e c t i v ec a p a c i t y e v a l u a t i o nc a nh e l pe n t e r p r i s e st om e a s u r et h ea c c u r a t er e a lc a p a c i t yo ft h ep r o d u c t i o n l i n e ，w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ee n t e r p r i s e i n c r e a s i n gr e s e a r c ha t t e n t i o nh a s b e e n p a i dt o t h ea r e ao fc a p a c i ye v a l u a t i o nf o rd i s c r e t e p r o d u c t i o n l i n e si n m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ed i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e sc a p a c i t ye v a l u a t i o ni s s u et h a t h a sb e e np r o p o s e di n8 6 3p r o j e c t ”e n t e r p r i s e - c l a s sv i s u a l i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ea c q u i s i t i o na n di n t e g r a t i o no fi n t e l l i g e n ta p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g y ”a d o p t i n g ag e n e r i c s t a g ep e r s p e c t i v e ，t h i sp a p e rp r o p o s e dc a p a c i t yc a l c u l a t i o n , c a p a c i t y e v a l u a t i o na n dc a p a c i t yp l a n n i n ga st h et h r e es t a g e st os o l v et h ec a p a c i t ye v a l u a t i o n p r o b l e m t h i sp a p e rf i r s tp r o p o s e dam e t h o df o rd i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n ec a p a c i t yc h e c k t h e ni te s t a b l i s h e da ni n i t i a li n d e xs y s t e mf o rd i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e sc a p a c i t y e v a l u a t i o n ，r e v i s e db yq u a l i t a t i v ed a t af r o mi n t e r v i e w st h ep r o j e c tl e a d e r sa n dp e o p l e w h oc o m ef r o mx xe n t e r p r i s e b a s e do nr o u g hs e tt h e o r y , i tp r o p o s e dad i s c r e t e p r o d u c t i o nl i n e sc a p a c i t ye v a l u a t i o nm e t h o da n dc o n s t r u c t e dac a p a c i 够e v a l u a t i o n m o d e l a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fd i s c r e t el i n e sc a p a c i t ye v a l u a t i o n , c o m b i n e d 、析t ht h e a b i l i t yt oc h e c kd i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e s ，t h ep a p e rc a l c u l a t e dt h er e a lc a p a c i t yo ft h e d i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e sa n dc o m p a r e dt h ee x t e n tt ow h i c ht h er e a lc a p a c i t ym a t c h e d t h ed e m a n da b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n gm i s s i o n f o rt h es c e n a r i oo fc a p a c i t ye x c e s s e so r c a p a c i t ys h o r t a g e s ，t h i sp a p e rb u i l tas t o c h a s t i cc a p a c i t yp l a n n i n gm o d e l ，u s i n ga n i m m u n ec l o n a ls e l e c t i o n l i n e a rp r o g r a m m i n ga l g o r i t h m f i n a l l y , b a s e do nt h et h r e e s t a g e so fc a p a c i t ye v a l u a t i o nr e s e a r c h ，t h i sp a p e ru s e da s pa n ds q ls e r v e r2 0 0 0t o d e s i g na n dd e v e l o pac a p a c i t ye v a l u a t i o ns y s t e mf o rd i s c r e t el i n e s t h es a m p l et e s to f t h i ss y s t e mr e t u r n ss a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s ：d i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e s c a p a c i t ye v a l u a t i o nr o u g hs e t t h e o r y c a p a c i t yp l a n n i n gm o d e l i m m u n ec l o n a l s e l e c t i o n - l i n e a rp r o g r a m m i n ga l g o r i t h m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：翻强 日期丛! ! ：! ：兰! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期五f j 2 2 釜f 日期2 盈乜。颦 第一章绪论 第一章绪论 对于离散型生产线而言，其产能是指生产线全部生产性固定资产在一定时期 内，一定技术、组织条件下，经综合平衡后所能够生产或加工的一定种类、一定 质量的产品或原材料的最大数量。可从静态、动态两个层面理解离散型生产线的 生产能力。静态层面上，产能对应于生产线单位时间内所生产某产品的最大产量， 体现为生产线某产品的理论产能。其大小取决于生产线完成产品生产使用的技术 和设备。动态层面上，产能则对应于生产线单位时间内某产品的实际产量，它是 生产线当前生产组织管理模式和技术条件下某产品的实际产能。 从离散型生产线产能的内涵可以来看，产能指标在一定时期内是相对稳定的 量。但随着市场竞争的不断加剧，市场需求的持续变化，企业成本控制要求的不 断提高，离散型企业的产能也要随着外部环境的不断变化而进行一定的调整。相 应的，只有对离散型生产线的产能进行持续动态的查定、评估和调整才能应对来 自外部市场环境和内部生产环境的不断变化。 选题背景 i 1 选题背景及意义 本文的选题来源于8 6 3 项目企业级可视化制造资源智能获取与集成应用技 术中，“基于制造资源能力获取的生产线生产能力评估与智能获取决策技术”研 究方向的一部分。 项目依托于西安) ( ) ( ( 集团) 有限公司，对该公司现有基础设施、制造资源、 生产工艺流程和产品等信息的调研与分析，建立公司级的数字化工厂模型。模型 主要包括车间平面布局、三维布局，数字化生产线模型，生产线仿真运行等几个 方面。通过生产线仿真运行，我们可以得到大量生产线的运行数据，这些数据可 以用于对生产线的布局调整、优化整合、产能评估与产能调整、生产调度、排产 等方面进行深入研究。于此同时，利用建立的数字化生产线仿真平台，对研究结 果进行仿真运行，验证结果的可行性。 笔者在项目中主要从事离散型生产线产能评估方面的研究。在研究中发现， 由于离散型生产线的产能具有复杂性、多层次性、开放性、动态性等特点，对离 散型生产线的产能进行评估十分困难。但是，有效的产能评估能够帮助企业准确 掌握生产线的实际产能，对企业意义重大。因此，离散型生产线的产能评估越来 越为离散型生产企业所重视。 通过认真的考证与分析，本文提出了产能查定、产能评估、产能调整的三阶 2 离散型生产线生产能力评估系统研究 段产能评估研究思路，建立符合企业实际的离散型生产线产能评估系统。 1 1 2 研究意义 离散型生产线产能评估研究的意义在于，通过对离散型生产线进行产能评估， 帮助企业实现离散型生产线的产能与基于制造任务的能力需求的最佳匹配；为企 业有效地构建、改造离散型生产线提供了重要的依据和有效的支持；确保企业能 够及时、准确地发现离散型生产线的薄弱环节和运行过程中存在的问题，从而能 够对离散型生产线进行持续的改进与优化，保证其能够高效运转。 由于影响产能的因素有很多，如：产品品种、产品结构、产品工艺、质量要 求、工艺方法和通用性水平、机床设备的数量和性能、工艺方法和工艺装备系数、 有效生产面积、组织管理的水平以及工人的劳动积极性和技术水平等等。在这些 因素中，有确定性因素、不确定性以及未确知性因素，这些因素交织在一起使整 个生产系统呈现相当程度的复杂性【l 】。虽然生产线的产能在一定时期内相对稳定， 但由于影响产能的因素范围广、数量多，并且随着生产的发展、技术组织条件的 变化，以及外部环境的变化等，都将使产能的查定变得复杂起来。而在我国，目 前对产能的测定还仅限于对产品数量、设备数量及运行能力、人数等方面的研究。 而并非从整个生产系统的角度来研究，产能的测定多采用产品法和工时法【2 1 。如果 仅仅通过这些静态的方法对待产能的测定，必将使测定结果与实际大相径庭。 本文针对上述问题，提出了产能查定、产能评估、产能调整的三阶段产能评 估研究思路。首先，采用工时法计算离散型生产线的查定产能。其次，构建了离 散型生产线产能评估指标体系，并提出了相应的评估方法，对离散型生产线进行 产能评估。第三，根据离散型生产线产能评估结果，结合离散型生产线的查定产 能，计算出离散型生产线的现实产能，对现实产能与制造任务能力需求的匹配度 进行分析。第四，对于可能出现的产能过剩或产能不足的情况，本文构建了随机 环境下的离散型生产线产能调整模型，对离散型生产线的现实产能进行调整，制 定出合理的产能调整策略。通过采用产能查定、产能评估、产能调整的三阶段产 能评估研究思路，不仅能够实现对离散型生产线产能的有效测定，而且还可以掌 握各条离散型生产线的制造资源配置情况，以及得到相应的产能调整策略。帮助 企业动态把握各条生产线产能的实际情况。 1 2 国内外的研究现状 生产是制造企业赖以生存的基础，产能则是制造企业应具备的基本能力。随 着市场竞争的国际化、生产制造的全球化、高技术的不断应用、先进的管理方法 和生产模式的不断涌现，产能的研究领域也在不断的扩展，出现了许多新的、有 第一章绪论 价值的问题。长期以来，针对不同生产行业、不同生产条件、不同市场需求，国 内外学者对产能的有关问题进行了相当的研究。国内对产能的研究主要分为以下 四个主要方面： 1 产能评估方面 刘小玲等人【3 j 针对订单型生产，提出了一套基于d i j k s t r a 算法思想快速评估车 间动态生产能力的方法，通过对车间工序建立数学模型，应用改进的算法对所有 订单进行评估，确定所有订单每道工序的最早完成时间和最迟发生时间，从而实 现对生产能力动态评估，本文即在此方法的基础上，建立了适合订单企业的产能 评估模型。徐贤浩等人 4 1 从传统企业生产能力与即时定制企业生产能力之间的比 较、大规模定制生产模式( m c ) 企业生产能力与时定制生产模式( i c ) 企业生产能力 之间的比较、供应链系统生产能力与i c 企业生产能力之间的比较三个方面对i c 企业生产能力的概念进行了深入分析，得出了基于时间竞争的即时定制生产模式 下企业生产能力的特点。并据此提出了即时定制生产模式下企业生产能力的双循 环理论模型，建立了其绩效评价的指标体系。刘大成等人【5 】提出，在当前数据采集、 统计和分析基础上，引入专家知识并逐层设置生产可能集或资源可能集负荷参数 分配表。通过由上至下的生产过程子过程及活动冲突消解，结合作业测定方法， 反方向自下而上逐层简化资源可能集或生产可能集参数值，达到对当前生产能力 的定量评估和潜力预测。肖佩、贾国丽、辜志强【6 j 在阐述产能柔性概念的基础上， 分析了影响产能柔性的因素及其能力构成，进而以生产成本、库存成本以及非柔 性成本最小化为目标建立了综合生产计划优化模型，通过采用遗传算法论证了模 型的有效性和可行性。王昆鹏【7 】针对中小企业面向定制的生产特点，结合具体企业 实例，建立中小企业产能柔性评价指标体系和模糊逻辑规则，设计了中小企业产 能柔性评价系统。覃刻8 】结合企业信息化建设和产能柔性两个独立的研究方向，研 究企业信息化在提高生产系统产能柔性方面的效果和作用，在定性分析的基础上， 通过建立数学模型，定量评估在不同的产能柔性水平下企业信息化建设的价值， 提出了基于产能柔性的企业信息化建设的策略。 2 产能调配与优化方面 郑志民【2 】在研究离散型制造企业生产系统生产能力的相关理论的基础上，利用 计算机仿真方法对离散型制造企业的生产系统进行建模和仿真研究，并用于企业 的流程重组和正改善过程中。张欣，马士华【9 j 研究了m t o 生产环境下，生产商在 生产能力和产出缓存有限的情况下的订单接受决策问题。通过建立模型将订单选 择、交货期和生产计划决策结合起来，对订单进行选择性接受，使得制造商所获 得的利润值最大。利用实际考察的企业历史数据对模型进行了算例分析，检验了 需求分布和产出缓存对企业总利润的影响。杨洋【lo 】在介绍有关生产能力规划的基 础上，选择生产能力分析为重点，研究仿真方法在生产能力分析中的应用，利用 4 离散型生产线生产能力评估系统研究 离散系统仿真来分析现有生产线的产量，根据仿真模型来确定产量、瓶颈等，再 根据仿真模型提出结合该模型制定相应优化策略以及如何验证这些策略的方法。 金旭星【1 1 】在e r p 环境下通过对粗能力需求计划( r c p ) 与能力需求计划( c r p ) 应用 特点的比较分析，结合传统能力平衡方法，提出了负荷向前移动粗能力平衡方法。 该方法可用于e r p 系统中，弥补传统e r p 系统无法进行产能平衡的缺陷。管秀娟 【1 2 】结合实际项目，重点研究通过对共用设备的产能分配进行产能优化，对车间生 产进行合理的规划，使生产系统能够满足各种生产管理目标。南京航空航天大学 的叶明研究分析企业多层次的生产计划模型，结合按时交付为目标的生产能力平 衡与计划控制方法，开发了生产能力平衡与计划控制系统。 3 产能规划调整方面 黄飞华等人【1 3 j 与浙江大学的卢向南针对印刷装配板的制造过程，建立了一个 基于多种需求状态的多计划期多种产品类的能力规划模型。该模型考虑了机器的 柔性、产品类的b o m 约束( 物料需求约束) 以及进行生产能力调整的风险。张入千 【1 4 j 为研究随机因素对一般制造企业能力扩张决策的影响，考虑市场需求的随机性 和生产作业消耗的随机性，基于能力规划模型的一般形式构建了随机市场需求和 随机生产环境下的能力规划模型。潘景铭【l5 】针对不确定性的市场需求，采用实物 期权方法研究了供应链中制造商的生产能力决策，给出柔性条件下的能力决策规 则。结果表明，较高的能力投资成本、风险较大的市场和较低的缺货成本将使得 制造商推迟其扩大生产能力决策的实施。方叶祥1 1 6 从技术的角度出发，分别研究 了宏观和微观两种情况下，生产过程中各因素对生产能力的贡献，以及它们综合 作用的效果，进而形成生产能力的定义，明确了提高生产能力必须处理的两个关 键问题( 排队时间和瓶颈) ，最后用基于优先等级的方法来解决c i m s 下能力需求 计划的制定问题。张力菠【1 7 1 等利用系统动力学的原理和建模方法描述了企业生产 能力与企业物流、信息流与资金流所涉及的各种计划、生产、采购、仓储、销售 及财务等职能的关系，并运用因果环路图研究分析了生产能力与库存水平、交货 期、市场份额、产品价格等多种因素的因果反馈关系，构建了生产能力扩大的系 统动力学模型来刻画其变化的复杂性与动态性。 4 产能管理方面 彭辉【1 8 】以制造企业的生产车间研究对象，从生产车间内部的工作流程出发， 对生产能力管理所涉及的几个核心问题进行了详细的分析与研究，总结出了能力 管理系统应具有的功能特点，设计了系统总体结构，提出了能力改进的五大步骤， 并建立了能力管理系统的功能和信息模型。关键【1 9 】对生产能力管理所涉及的几个 核心问题进行了详细的分析与研究。在此基础上，总结出了生产能力管理系统应 具有的功能特点，并结合项目进行了车间生产能力管理系统的软件开发。于新【l 】 提出，运用复杂性知识测定出生产线的复杂度，进而可以评定生产线之间生产能 第一章绪论 5 力的差别。在研究生产能力的表达方式上，提出用漏斗模型中的生产周期、任务 周期等时间量来表达，以解决多品种表达困难的问题。并运用离散型动态系统的 知识计算出生产率和在制品的量，从而应对离散型系统的随机性问题，完善离散 系统的生产能力测定体系。 国外关于生产能力的相关研究主要包括： 1 产能调配与优化方面 g l a s s e r m a n 和p a u l 2 0 l 研究了在有限生产能力的情况下如何在多项目之间进行 产能分配，目标是在满足一定的服务水平限制的前提下如何最小化库存成本和延 期交货成本。文中使用的渐近最优方法中涉及未按时交货的惩罚和严格的服务水 平限制，并用实际的数值验证了此方法的有效性。y a n ，w e n - j i n g 等【2 l 】提出对产能 进行有效的利用和管理是企业成功的关键。在一个复杂的生产系统中，制定可行 性的产能分配策略是一项艰巨的任务。文中提出了一个两阶段的动态产能分配方 法，此方法采取了比例加载方法，考虑了产品和机器的加载比例以及瓶颈操作的 约束。m o h a f i q u l ，k a d e rm d 等 2 2 1 建立了产能规划模型来分配多产品出口企业的生 产能力。此模型考虑了三种情况，当企业的产能过剩时，企业可以租赁自身的产 能，当企业的生产能力不足时，企业可以外包自身的任务。当无法利用外部制造 资源时，企业需要调整的订单数。这三种情况下企业的利润是不同的，文中使用 启发式算法求解模型，并用一个例子证明此方法的有效性。 2 产能规划调整方面 r a j a g o p a l a ns 2 3 1 提出了一个在多产品背景下，多种技术可供选择时的生产能力 扩充模型，该模型的主要局限在于需求不减的假设和柔性产能只生产特定类型产 品的假设。c a t a yb ，e r e n g u css 等 2 4 】研究了需求随时间变化的情形下生产能力的 扩充问题，以新设备投资成本、设备运作成本和库存成本最小化为目标，提出了 一个多阶段的混合整数规划模型，并且通过l a g r a n g i a n 松弛的方法来寻找有效的 新设备投资计划。h 0 0 ds j ，b e r m o ns 掣2 5 】考虑了在一系列离散的需求情形下，并 在一定的投资约束下购买新设备，以满足需求的最小化成本为目标建立了一个随 机整数规划模型。找到了一个不随需求变化的购买设备的集合，在该集合中选择 购买设备，可以以最小的投资成本满足最大的需求。k a z a n c i o g l u ，e m r e 等【2 6 】研究 了在既满足产品的质量又降低生产成本的基础上，利用系统仿真的方法对多阶段 的生产能力进行规划。在给定各个阶段的产品需求量的基础上，采用了一个多目 标的遗传算法进行每个阶段最优结果的搜索，要求结果同时满足产品质量最大化 和生产成本最小化。t s a i ，w e n h s i e n 等1 27 】研究了在市场的需求超出企业生产能力 情况下，企业为了满足客户的订单同时使企业利益最大化，企业必须考虑生产能 力扩张或外包的可行性。文中以利益最大化为目标建立生产能力扩张模型，并提 出了基于作业成本法数学规划方法进行生产能力扩大或外包决策。r a j a g o p a l a n 。 6 离散型生产线生产能力评估系统研究 s a m p a t h 等【2 8 j 以一个多周期、多产品生产的企业为例，假设各种产品的需求量长期 是增大的，短期内是波动的。由于需求是逐渐增大的，而产能的扩大时离散的。 因此，企业可能会出产能不足的情况。文中建立了数学规划模型，并提出一种有 效的求解方法确定最优的产能规划及产品生产和库存策略，使企业的利润达到最 大。 虽然国内外关于产能查定、产能评估、产能规划调整等方面均有了相当的研 究，但是几乎都关注于产能研究的某一具体方面，未能实现产能研究的系统化、 集成化。本文提出的产能查定、产能评估、产能调整的三阶段产能评估研究思路 跳出了产能研究的传统思想，很好的实现了产能研究的系统化、集成化。 1 3 本文的结构框架与章节安排 本文共分为六个章节，论文框架如图1 1 所示。 第一章介绍了本文的研究背景及意义，着重对国内外产能研究现状做了详尽 的阐述，在此基础上引出了本文的研究问题，最后介绍了论文的结构框架和章节 安排。 第二章概述了本文所要用到的相关理论基础。主要包括：离散型生产线的定 义及主要特征、离散型生产线产能评估的复杂性、离散型生产线产能的主要影响 因素，介绍了离散型生产线产能查定方法。 第三章建立了离散型生产线产能评估指标体系。具体工作包括：明确了离散 型生产线产能评估的目的和准则，并结合相关文献和企业实际情况，构建了离散 型生产线产能评估初始指标体系；通过访谈方式对初始指标体系进行了修正；最 后得出离散型生产线产能评估应包含产品产出能力、要素投入能力、优势保障能 力、动态适应能力、管理协调能力和环保能力六个方面，并给出各个指标的具体 含义及度量方法。 第四章主要包括离散型生产线产能评估方法和产能调整模型与算法设计两部 分内容。具体内容有：给出了离散型生产线产能评估的流程，详细介绍了产能评 估方法，包括数据的规范化处理，决策矩阵的生成、属性约简、决策模型的构建 和设计决策规则五大步骤；根据综合要素产能评估值以及离散型生产线的查定产 能，计算出生产线的现实产能；在生产线的现实产能与制造任务能力需求匹配度 分析的基础上，构建了随机需求环境下的离散型生产线产能调整模型，对离散型 生产线的现实产能进行调整，制定出合理的产能调整策略，实现离散型生产线的 现实产能与制造任务能力需求的最佳匹配。并根据离散型生产线产能调整模型的 特点，提出了一种免疫克隆选择与线性规划方法相结合的算法对模型进行求解， 最后用算例验证了算法的可行性。 第一章绪论 7 第五章主要阐述了离散型生产线产能评估系统的设计与开发过程。主要工作 有：描述了离散型生产线产能评估系统的系统登录、系统管理、产能查定、产能 评估、产能调整五大模块主要实现的功能。提出了离散型生产线产能评估系统的 架构是由表示层、业务逻辑层和数据访问层组成。介绍了系统的开发环境和关键 技术、系统功能的实现，并用实际数据验证了离散型生产线产能评估系统的有效 性。 第六章对全文的研究内容和成果进行总结，指出论文中存在的不足，并对进 一步的研究工作提出展望。 8 离散型生产线生产能力评估系统研究 明确了离散型生产线产能评估的 目的和准则，根据相关文献和企 业实际情况，建立离散型生产线 产能评估的初始指标体系然后 采用访谈的方式对指标体系进行 修正最后给出了各个指标的含 义及度量方法 设计了基于粗糙理论的离散型生 产线产能评估方法，建立了产能 评估的模型：通过产能评估，得 到离散型生产线的单要素和综合 要素的产能评估值。并计算出离 散型生产线的现实产能；在掌握 离散型生产线现实产能与制造任 务能力需求匹配情况的基础上， 构建了随机需求环境下离散型生 产线产能调整模型。并提出了相 应的模型求解算法 采用a s p 与s q ls e l w e r2 0 0 0 数 据库技术，设计和开发了离散型 生产线产能评估系统，实现离敌 型生产线产能查定、产能评估、 产能调整工作的可视化与智能 化 核心 离散型生产线产能评估指标体系 离散型生产线产能评估方法与产能调整模型 离散型生产线产能评估系统的设计 第三章 第四章 第五章 总结与展望 图1 1 论文的主要研究内容和框架 第二章相关理论基础 9 第二章相关理论基础 2 1 离散型生产线产能概述 2 1 1 离散型生产线的定义 根据生产对象在生产过程中的工艺特点，可以将生产分为连续性生产和离散性 生产1 2 9 1 。离散性生产是指物料离散地按一定工艺顺序运动，在运动中不断改变形态 和性能，最终形成产品的生产，也称为加工一装配式生产。 离散型生产线( d i s c r e t ep r o d u c t i o nl i n e s ) 是指由离散工艺过程组成的生产线1 3 。 它所生产的产品是由离散的零部件装配而成的，零部件以各自的工艺过程通过各 个生产环节，物料运动呈离散状态，因此将其称为离散型生产线。离散型生产线 的生产对象由许多零部件组成，这些零件按产品装配的先后顺序要求，可以分别 在不同的时间和空间范围内加工制造，然后再集中进行部件装配和产品总装，最 终形成产成品。各种零部件的加工制造过程在时间上既可以同步进行，也可以依 次顺序地进行。离散型生产线的具体特征如下： ( 1 ) 空间分布性特征。离散型生产线的产品生产过程是由多个零部件经一系列 的加工制造，制成零件，然后按规定的要求把各种零件集中起来组装成部件，再 按装配的先后顺序把零部件组装成产品，离散型生产线产品生产过程如图2 1 所 示。不同零部件由离散型生产线的多个加工单元来完成，这些加工单元可分布于 不同的空间( 如在不同的工段、车间、企业) 。 图2 1 离散型生产线产品生产过程示意图 ( 2 ) 离散性特征。离散型生产线运行过程在时间上具有明显的离散性特征。从 该类生产线的运行过程来看，是一类典型的离散事件动态系统( d e d s ) 。其运行过 程在时间上是可中断的，这种时间上的可中断性，是生产过程空间分布和协作的 前提。尽管提高生产过程的连续性可提高生产系统的效率，但由于产品本身所具 1 0 离散型生产线生产能力评估系统研究 有的技术和工艺特征、企业技术水平和生产条件、生产组织和计划管理水平、资 源供应和运输条件，市场需求非连续性等方面因素的原因，离散型生产线的运行 在时间上不可避免地存在间断。 ( 3 ) 复杂性特征。在竞争激烈化和需求多样化、多变化的推动下，单一品种大 批量的生产方式正向多品种、小批量灵活生产的方式转化。在多品种、小批量的 离散型生产线中，各种产品包含不同结构、技术和工艺要求的零部件，而各种零 部件均有其特定的制造工艺要求，其生产过程既有串联、又有同步( 平行、并发) 的特征。单一产品的生产过程已表现出其复杂性，而综合多种这类产品生产而构 成的生产线其复杂程度更高。由于企业资源的有限性，不同产品在原材料、设备、 人力、场地、运输设施等资源的使用上不可避免地出现相互冲突和竞争的现象， 生产过程物流交叉和往返多，各车间和部门间的联系繁多，时间上相互制约等， 为了保证各种产品按质、按量、按时生产出来，且达到低成本高效率，就要求对 生产系统进行科学地组织和优化，包括空间、时间上进行合理组织，人、财、物 等资源上进行周密的筹划，确保各部门紧密协作、生产过程各环节间相互衔接。 ( 4 ) 动态性特征。生产线的结构及其运行均受到市场需求、技术发展、市场竞 争等外部因素和诸如设备、人员等内部因素的制约和影响，而这些因素是动态变 化的，不同的环境因素组合对生产线产生的要求不同。为适应内外环境的变化， 生产线的结构化要素和非结构化要素均要适时地做出相应的调整。 ( 5 ) 多目标特征。离散型生产线具有多目标性特征，如品种、产量、成本、质 量、交货期、效益等；又如作业计划中的加工周期、在制品占用、设备利用率、 延期交货率、提前完工率等目标。这些目标之间有些是一致的，而有些是相互矛 盾的，在不同时期、不同的内外环境条件下，各项目标的重要性程度有所不同， 确定多目标的重要度顺序和进行多目标的协调、处理是生产系统优化的首要内容。 从上所述可见，离散型生产线比连续型生产线更为复杂，用传统的管理方法 和维护方式己远不能满足生产线变化和发展的要求，对生产组织和管理人员的知 识水平要求也更高了。 2 1 2 离散型生产线产能评估的复杂性 在离散型生产线产能评估中，其复杂性表现为： ( 1 ) 各单元联系紧密，相互影响。人员、机器设备、原材料和生产方式状况影 响产品的质量。反过来，生产环境又会影响人员的心理和生理状况；生产组织方 式影响人员、原材料投放、设备维修状况。 ( 2 ) 离散型生产线产能评估具有多层次性。离散型生产线产能评估涉及计划层、 管理层、生产线实施层等。产能评估可由上至下，也可由下至上，贯穿生产线各 第二章相关理论基础 个层次。 ( 3 ) 离散型生产线产能评估具有开放性。离散型生产线产能评估为企业的生产 和计划提供决策支持，同时企业制定的生产计划，制造任务能力需求又会直接影 响离散型生产线的产能。 ( 4 ) 离散型生产线产能评估具有动态性。不管是外部环境发生变化，还是企业 内部组织状况、生产状况都会直接和间接影响评估体系，评估体系就要对变化适 时做出调整，在一定时间内具有动态变化性。 2 1 - 3 离散型生产线产能的主要影响因素 根据离散型生产线的定义和特征，离散型生产的产能是由内外部的多重因素 共同决定的1 3 。资源投入能力是影响离散型生产线产能的主要因素。资源投入具 体包括【3 2 。5 】： ( 1 ) 产品生产技术对应于产品制造工艺，不仅规定了产品的生产工序和方法， 而且定义了生产设备、人员以及对应的加工时间定额、加工参数、加工精度等级 以及生产消耗标准。因此，可从根本上决定离散型生产线产能总体水平。实际中， 基于该因素可以分析确定离散型生产线针对某产品的理论产能，且通过工艺优化 可使产能水平得到提高。 ( 2 ) 生产设备对应于离散型生产线依据产品制造工艺开展生产的物质基础和客 观条件，而人则是离散型生产线产品生产的具体组织者和执行者。设备对于离散 型生产线产能的影响相对明确稳定，主要取决于设备的“品种、数量、精度、维 修保养周期”等设备的技术和性能指标。而人对于制造企业产能的影响是动态变 化的，主要取决于员工的技能、工作态度等因素。 ( 3 ) 物料对应于产品生产所需的原材料等相关物质资源。其对于离散型生产线 产能的影响主要取决于“物料的最小库存，采购、搬运周期，运送途径和方式 等 因素产品制造过程中，生产所需物料供应是否及时、搬运是否准确、快速、方便 等都会影响生产线的生产。若供应不及时就会造成停工待料，延长生产周期，降 低离散型生产线的产能。 ( 4 ) 生产环境对于制造企业内部来讲主要指离散型生产线各生产部门的分工以 及生产设施的安排和布局，它是离散型生产线自身人、财、物等各种制造资源作 为一个整体的客观存在形式。而从企业外部来看则对应于企业所属行业领域及其 所面向的市场和用户。外部生产环境对离散型生产线产能的影响主要取决于用户。 因为，用户需求是生产线生产的动力源泉，决定着生产线的生产内容和规模。相对 于外部环境，内部生产环境对离散型生产线产能的影响则主要取决于其生产部门 的分工和生产设施的布局。因为，部门分工明确、设备布局合理是生产顺利进行、 1 2 离散型生产线生产能力评估系统研究 高效开展的前提保证，直接影响着离散型生产线内部资源的充分利用和产能的全 面发挥。 ( 5 ) 质量是离散型生产线生产准确性、有效性的标志。实际中生产质量对于离 散型生产线产能的影响主要取决于生产合格率。因为通过合格率可以直接确定单 位时间内合格产品的生产数量，即离散型生产线生产的有效率。如果合格率异常， 则不仅需要花费时间精力去分析问题起因，而且会造成额外的生产损耗，引发重 复生产、降低生产效率，延误交付周期，影响其产能的发挥。 ( 6 ) 生产方式是离散型生产线产品生产的组织运作模式。实际中，生产方式对 离散型生产线产能的影响主要在于它决定着人、设备等制造资源在生产中如何被 利用，以及是否充分地得到利用。通过上述分析，显然“生产技术、生产人员和 设备是离散型生产线产能的根本决定因素。它们是离散型生产线生产的物质、 技术基础，可从根本上决定离散型生产线的产能水平。“物料、生产方式、生产环 境和生产质量 则主要从制造过程的角度影响离散型生产线的产能。虽不能决定 离散型生产线产能的高低有无，但却可影响离散型生产线产能的发挥程度利用效 率。实际中，如果这些因素处理得当就可以保证离散型生产线的产能得到充分利 用，没有冗余浪费。 2 2 离散型生产线产能查定方法 产能作为反映离散型生产线能力的重要指数之一，其准确性直接影响到企业 管理层经营决策的正确程度。对产能的准确评估不仅能够为制造型企业的经营决 策提供个良好的基础数据信息，同时也有利于制定合理准确的生产经营计划， 更是均衡、连续性生产的必要条件。通过对各个生产环节产能的核算，使企业能 够清楚地认识到制约生产的瓶颈环节，从而有的放矢地采取措旋进行流程再造， 进而提高生产资源的综合利用效率。因此准确评估散型生产线的产能的基础环节， 就是对产能的查定。根据查定产能时所依据的条件，离散型生产线的产能可以分 为设计生产能力、查定生产能力和现实生产能力( 计划能力) 【3 6 j 。 ( 1 ) 设计生产能力。设计生产能力是生产线基本建设设计任务书和技术文件中 所规定的生产能力。它是按照生产线设计中所规定的企业产品方案、技术装备和 各种设计数据计算出来的应该达到的最大产量。生产线建成投产后，要经过一段 时间( 即经过一个熟悉和掌握生产技术的过程) 方能达到。 ( 2 ) 查定生产能力。查定生产能力是指由于产品方案、协作关系和技术组织条 件发生了变化，原有的设计能力不能反映实际情况时，由企业重新调查核实的生 产线产能。查定生产能力是以现有设备条件为依据，并考虑采取各种技术组织措 施或者进行技术改造后所能取得的效果。 第二章相关理论基础 1 3 ( 3 ) 现实生产能力( 计划能力) 。现实生产能力是指考虑到年度内所能实现的各 种技术组织措施的效果，所计算出来的在计划年度内可能达到的产能。 上述三种离散型生产线的产能，各有其不同的用途。当确定离散型生产线的生 产规模，编制离散型生产线的长期计划，安排离散型生产线的基本建设和技术改 造时，应当以设计能力或查定能力为依据；当编制离散型生产线的年度、季度生 产计划及确定生产指标时，应该以离散型生产线的计划能力为依据。 目前，离散型生产线的产能查定方法主要是工时法和产品法。工时法是用设 备的台时数和人的工作时数来计算的方法；产品法是以所生产的产品为单位进行 计算。 2 2 1 工时法 工时法是用设备的台时数和人的工作时数来计算的方法。由于人的因素是可 变不易控制的，受到疲劳度，熟练度的影响，所以一般视具体情况采用【i 。工时 法的计算分可用产能( c a ) 和需求产f l 皂( c r ) 两种形式。其计算方法如下： 1 可用产能( a v a i l a b l ec a p a c i t y ，c a ) 离散型生产线的可用产能是指在一定的生产成本、生产方式和工艺路线下， 离散型生产线的机器处在可用能力状态下，在一定数量熟练工人的合作下，经过 均衡，单位时间里生产某种产品的数量。通常，计量单位为标准工时，计算式如 下： 可利用能力= 计划时间x 实际运行时间的百分比效率因子 ( 2 1 ) 机器在运行期间可能由于故障，工人旷工，缺料而闲置，从而不具有实际生 产能力，因此应乘以实际运行时间占计划的百分数。效率因子是机器运行性能和 标准状态下的比较，这个因子决定于机器状况、材料的可加工性、工具和操作者 的技能，如实际出勤率，机器开工率等【1 8 1 ； 一般来说，可用产能( c a ) 的计算有以下两种情况： ( 1 ) 以人为主( 在装配阶段的装配线或组装线) 计算可用产能。在这里， 计划时间= 班次x 每班工作时间天数。计算公式为： c a = yw p t b w d r p p 丁 ( 2 2 ) 施 其中，w p ( w o r k i n gp o p u l a t i o n ) 表示班次编制人数( 人) ；t b 表示每班工作时数( 小 时) ；w d ( w o r k i n gd a y ) 表示工作天数；r 护表示目标出勤率；尸r 表示目标生产 力。 ( 2 ) 以设备为主( 在加工线、工作站、加工中心等) 计算可用产能，在这里 计划时间= 编制台数设备时段工作时数，其计算公式为： 1 4 离散型生产线生产能力评估系统研究 ：擎wp t p p2ca pt brt(2-3)= 5 _ ) 秭 其中，w p 表示编制台数( 台) ；t b 表示时段工作时数( 小时) ；勘表示机械目标开 工率；尸丁表示目标生产力。 在计算可用产能( 翻) 的过程中，还需要考虑产能负荷的调整，如上面的目标