（控制科学与工程专业论文）基于阈值控制策略的若干生产问题的研究.pdf

浙江大学博士学位论丈 摘要 由于国内外市场竞争加剧，科学技术迅速发展，产品更新换代速度加快以 及人们对产品多样化需求的增加，使得生产制造业向多品种、小批量生产方式 发展。生产模式从m t s 向m t o 乃至e t o 演变的趋势已经不可阻挡，相应的 生产模式的转变必然要求其生产调度及控制策略具有更强的柔性，能够及时动 态的解体或重构，处理多变的市场需求对生产带来的影响。然而，生产的不确 定性、各种随机因素的干扰、不完善的数学理论、模型以及有限的求解技术等 等都是阻碍此问题得以解决的困难之一。阈值控制策略则因为其结构简单易行 而受到广泛的重视。本文基于阈值控制策略，研究了现代化生产中所面i 临的一 些特殊或者一般的生产现象，主要探讨了在需求不确定情况下，如何制订柔性 的控制策略以及对相关生产线进行设计分析。 本文的主要研究如下： l 、介绍了本文的研究背景和若干基本概念，按照不同的研究模型、发展 阶段，回顾和总结了阈值控制策略的发展情况，指出了其存在的问题 并对可能的发展方向做了展望。 2 、针对任务重叠的工业背景。分析问题的难点，建立了一个目标函数为 最短加工时间的动态规划模型，研究了相关特性，提出了一个启发式 的渐进最优调度策略并对其渐进最优性进行了证明。在阈值控制策略 的基础上，采用递阶的思想，考虑具有s e t u p 损失的，由不可靠单设备 组成的生产系统的多产品调度问题，提出了一个启发式滚动优化的调 度算法，为研究多设备的同类问题打下基础。 3 、研究了在需求不确定环境中生产系统的生产和矫正维修的控制决策问 题。分析了相应的b e l l m a n 方程以及价值函数，借助引入一个说明需求 不确定问题的需求阀，对相应的生产和维修问题提出了一个近似最优 的复合双层阈值的控制策略，以取代难以求解的最优单阈值控制策略。 给出了相应闽值的计算方法。考虑生产、矫正维修、需求三者之间的 关系，建议了一种近似最优的单阙僮控制策略以及阈值求取方法，并 利用仿真研究说明了这两种策略各自的应用环境。 4 、针对订单式的需求环境，提出了阙值控制策略中最优阈值的直接求取 方法与流率化处理的方法，研究了具有不确定需求层的不可靠生产系 统的一个一般性的生产控制决策问题。需求率可髓小于也可能大于系 v n 摘要 统的最大生产率，给出了一个近似最优的三层阈值控制策略：般是 两个表示库存目标的正的阈值和一个表示订货需求( 缺货层) 的负的 阈值。当订货需求低于这个负的阈值时，必须给系统追加额外的生产 能力。追加生产能力给系统带来了更复杂的寻优和计算问题。在修正 了最优阈值大小顺序的有关结论后，利用分解问题的方法，得到了有 关这些正负阈值的解析表达式，同时也给出了一个更简明、更容易理 解的关于最优j u s t - i n - t i m e ( j i t ) 控制的必要条件和一个充分必要条件。 利用仿真比较验证和说明了这种方法的正确性和适用范围。 5 、说明了研究缓冲区容量以及对生产线进行分析的意义，利用“追加生 产力”的思想，提出了一种确定近似最优缓冲区容量的方法。从生产 线性能评估的角度出发，利用仿真，试验研究了这种方法的有效性。 针对具有不可靠缓冲区的生产线，指明了对这种生产线进行性能分析 的研究方法及求姆技术。不同于传统的生产线综合方法，不但研究了 具有不可靠缓冲区的生产线，而且突破了连续模型的研究框架，从离 散模型的角度出发，讨论了受不可靠缓冲区影响的一个一般性的生产 线综合方法，对传统生产线综合方法进行了扩展。 6 、介绍了新型高效铝锭连铸生产线的研制背景。对整条生产线进行了模 型简化和提取工作，利用阈值控制策略已经取得的部分相关成果对新 型铝锭连铸生产线研制中的一些问题进行了分析和解答，并提供了对 整条连铸生产线的性能进行分析、评价的方法，利用对l d z z j 一1 6 1 1 1 型 铸造机的分析，对这种方法进行了说明和验证。 7 、对下一步基于闽值控制策略的生产调度及控制决策等方面将要进行的 工作进行了展望。 v 1 1 i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ew o r l d w i d em a r k e ta g g r a v a t i n gc o m p e t i t i o n ，a d v a n c i n gt e c h n o l o g y , a c c e l e r a t i n gp r o d u c tp r o l i f e r a t i o n ，i n c r e a s i n gd e m a n do fp r o d u c td i v e r s i t y , e t c ，t h e p r o d u c t i o nt e n d s t ot h ef a s h i o no ft h ed i v e r s i t ya n ds m a l lb a t c h f o rm a n u f a c t u r i n g ， t h e c h a n g e f r o m m a k i n g - t o - s t o c k m o d et o m a k i n g - t o o r d e rm o d e ，e v e n t o e n g i n e e r i n g - t o - o r d e r m o d ei si n e v i t a b l e t h e c h a n g ei n e v i t a b l yr e q u i r e s t h e c o r r e s p o n d i n gp r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n d c o n t r o lp o l i c yt ob em o r ef l e x i b l ea n dc a l l b ed i s a s s e m b l e do rr e c o n s t r u c t e d d y n a 血c a l l y , s o a st oh a n d l et h ed e m a n d u n c e r t a i n t y h o w e v e r , u n c e r t a i n t i e so ft h ep r o d u c t i o n ，v a r i o u ss t o c h a s t i cf a c t o r s ， u n i d e a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n du n d e v e l o p e dc o m p u t a t i o nt e c h n i q u e s ，e t c ，b r i n g t h ed i f f i c u l t yi nh a n d l i n gt h ep r o b l e m t h eh e d g m g 舯i n t p o l i c yh a sr e c e i v e dm a n y e y e sf r o mv a r i o u sa s p e c t sd u et o i t s s i m p l i c i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t y b a s e dt h e h e d g i n gp o i n tp o l i c y , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e ds o m ep r o b l e m sa b o u tp r o d u c t i o n s c h e d u l i n g ，c o n t r o lp o l i c ya n dp r o d u c t i o na n a l y s i se s p e c i a l l y m e a n w h i l e ，u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e so fd e m a n du n c e r t a i n t y , d i s c u s s e dh o wt od r a wf l e x i b l ep r o d u c t i o n c o n t r o lp o l i c i e sa n dh o wt oa n a l y z et h ep r o d u c t i o nl i n e s n l em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e d b a c k g r o u n d o ft h e t h e s i s ，r e v i e w e d t h e d e v e l o p m e n t s a n dr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h e h e d g i n gp o i n tp o l i c y a n d p o i n t e do u ts o m ed e f i c i e n c i e sa n df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa b o u tt h e p o l i c y 2 u n d e rt h ei n d u s t r i a lb a c k g r o u n do f j o bo v e r l a p s ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e d t h eh a r do ft h es i t u a t i o na n db u i l tu pad y l l a m i cp r o g r a m m i n gm o d e lt h a t h a sa no b j e c t i v ef u n c t i o nt h a tt h ef u n c t i o nm i n i m i z e st h et o t a lc o m p l e t i o n t i m e s a f t e rs t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u n c t i o n ，b r o u g h tf o r w a r da h e u r i s t i ca s y m p t o t i co p t i r e a ls c h e d u l i n gp o l i c ya n d p r o v e dt h ea s y m p t o t i c o p t i m a l i t yo f t h ep o l i c y f o rap r o d u c t i o ns y s t e mw h i c hb em a d eu po fa s i n g l eu n r e l i a b l em a c h i n e ，u t i l i z e dt h eh i e r a r c h i c a la p p r o a c ha n dd i s c u s s e d ap r o d u c ts c h e d u l i n gp r o b l e mi nw h i c hs e t u pc o s t sc a n n o tb en e g l e c t e d b a s e do nt h eh e d g i n gp o i n tp o l i c y b r o u g h tf o r w a r dah e u r i s t i c r o l l i n g o p t i m a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h ms ot h a t i tc a nb eu t i l i z e dt od e a lw i t l lt h e i x a b s t r a c t s i m i l a rp r o b l e mo f s y s t e m sm a d eu p o f m a n y m a c h i n e s ， 3 ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h e d e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e m sa b o u tp r o d u c t i o n a n dc o r r e c t i v em a i n t e n a n c eu n d e rt h ed e m a n du n c e r t a i n t yc i r c u m s t a n c e s a n a l y z e d t h eb e l l m a ne q u a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gv a l u e f u n c t i o n s b y i n t r o d u c e dad e m a n dv a l v et ot h e s y s t e m ，s u g g e s t e d a na p p r o x i m a t e o p t i m a ld o u b l eh e d g i n gp o i n tp o l i c yt or e p l a c et h eo r i g i n a ls i n g l eh e d g i n g p o i n tp o l i c y f u rw h i c hi ti sd i f f i c u l tt 0o b t a i n h e d g i n gp o i n t f o rt h e p r o d u c t i o n a n dc o r r e c t i v em a i n t e n a n c ep r o b l e m t h ev a l u eo fh e d g i n g p o i n t sc a l l b eo b t a i n e d o f f e r e da l l a p p r o x i m a t eo p t i m a ls i n g l eh e d g i n g p o i n tc o n t r o lp o l i c ya sw e l la sa na p p r o a c ht oo b t a i nt h eh e d g i n gp o i n t s ， t h en u m e r i c a ls t u d yr e f l e c t i n gt h ec i r c u m s t a n c e su n d e rw h i c ht h ep o l i c i e s s h o u l d r e s p e c t i v e l ya p p l y w a s g i v e n 4 t h ed i s s e r t a t i o no f f e r e dd i r e c ta n di n d i r e c ta p p r o a c h e st oo b t a i nt h ev a l u e o fh e d g i n gp o i n t sf o rt h eo r d e rd e m a n d s t u d i e dag e n e r a lp r o d u c t i o n d e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e mu n d e rd e m a n du n c e r t a i n t yc i r c u m s t a n c e s t h e d e m a n dr a t em a yb e 锄a n 盱o rb i g g e rt h a nt h ep r o d u c t i o nr a t e p r e s e n t e d a n a p p r o x i m a t eo p t i m a l t r i n a lh e d g i n g p o i n t s c o n t r o lp o l i c y ：i ng e n e r a l ，t w o p o s i t i v eh e d g i n gp o i n t sa n dan e g a t i v eh e d g i n gp o i n t ，e x t r ap r o d u c t i o n c a p a c i t ys h o u l d b ep u r c h a s e dw h e nt h eb a c k l o gl e v e li sb e l o wt h en e g a t i v e h e d g i n gp o 破a f t e ri m p r o v e dt h er e s u l t s 褐t ot h eo r d e ro f t h eh e d g i n g p o i n t si ns o m el i t e r a t u r e s ，t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so f t h ep o s i t i v ea n d n e g a t i v eh e d g i n gp o i n t sw e r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l yb yad e c o m p o s i t i o n m e t h o d m e a n w h i l e ，am o r es t r a l g h r f o r w a r dn e c e s s a r yc o n d i t i o na n da n e c e s s a r ya n d s u m c i e n tc o n d i t i o nf o rt h e o p t i m a l i t yo f t h ej u s t i n - t i m eu i t l c o n t r o lp o l i c yw e r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y n u m e r i c a lr e s u l t sw e r eg i v e nt o t e s t i f yt h em e t h o da n de x p l a i nt h ec i r c u m s t a n c eu n d e rw h i c h t h em e t h o d s h o u l d a p p l y 5 b yt h ei d e ao fp u r e h a s i n gt h ee x t r ac a p a c i t y , t h ed i s s e r t a t i o no f f e r e da r i a p p r o a c h t oo b t a i nt h eo p t i m a lv o l u m eo fb u f f e r s w i t ht h ev i e w o f v a l u i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t i o nl i n e s ，n u m e r i c a lm e t h o dw a sa p p l i e dt o s t u d yt h ev a l i d i t yo f t h em e t h o d f o rt h es y s t e m sw i t hu n r e l i a b l eb u f f e r s ， b r i n gf o r w a r d t h em e t h o da n da p p r o a c h e st ov a l u et h ep e r f o r m a n c eo ft h e p r o d u c t i o ns y s t e m d i f f e r e n t f r o mt r a d i t i o n a la g g r e g a t i o nm e t h o d ，n o to n l y i n v o l v e dt h eu n r e l i a b l eb u f f e ri n t ot h em o d e l ，b u ta l s ob r o k et h r o u g ht h e s t u d y i n gs y s t e mo f c o n t i n u o u sm o d e lf o rt h ep r o b t e m f r o mt h ep o i n to f x 浙江大学博士学位论文 v i e wo fd i s c r e t em o d e l ，d i s c u s s e da g e n e r a la g g r e g a t i o nm e t h o df o rv a l u i n g p r o d u c t i o ns y s t e m s w i t hu n r e l i a b l e b u f f e r s ，m a d ep r o g r e s sw i t ht h e a g g r e g a t i o n m e t h o d 6 t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p i n ga l u m i n u mi n g o t c o n t i n u o u s l yc a s t i n gm a c h i n e s o b t a i n e da n ds i m p l i f i e dt h em o d e lo ft h e p r o d u c t i o nl i n e b y t h e h e d g i n gp o i n tp o l i c y a n d c o r r e s p o n d i n g c o n c l u s i o n s ，a n a l y z e d s o m ep r o b l e m sw h i l e d e v e l o p i n g t h en e wt y p e a l u m i n u m i n g o tc o n t i n u o u s l yc a s t i n g m a c h i n e s a tt h es a m e t i m e ， p r e s e n t e dt h em e t h o d t oa n a l y z ea n dv a l u ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t i o n l i n e t e g i f i e dt h em e t h o d b yp r a c t i c a l l ya n a l y z i n g t h e l d z z j 一1 6i i i a l u m i n u mi n g o tc a s t i n gm a c h i n e s f i n a l l y , ab r i e fr e v i e wo ft h i s d i s s e r t a t i o ni s g i v e n ；s o m ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n sa r e h i g h l i g h t e d x 1 浙江大学博士学位论文 第一章绪论与综述 摘要：介绍了本文的研究背景及生产制造系统中的一些基本概念，按照不同的研究 模型、发展阶段，回顾和总结了阐值控制策略的研究历史和现状。指出了存在的问 题并对可能的发展方向做了展望，阐明了本文的主要工作，介绍了本文的结构安排。 关镶词：生产模式，生产调度，不确定需求，阚值控制策略 1 1 研究背景 1 1 1 生产模式的转变对生产调度和控制策略的发展要求 本文主要研究了若干有关生产的最优调度、控制策略以及生产线的设计分 析问题。需要强调的是，这里所指的控制策略主要指上层的控制决镱问题，即生 产以多大生产率进行生产，什么时候停止生产等等问题。 车间自动化是随着计算机数字控制中心( c n c ) 加工设备的出现而出现的。 对这种设备而言，加工计划可以离线制订并通过向它的控制系统加载程序而重 复性地加以利用。七十年代末，人们致力于将小批量柔性加工的特点和流率生 产的效率因素结合起来。而将几种c n c 加工设备组合在所谓的柔性加工中心中 则被看作是一种实现途径。后来在8 0 年代所谓的柔性加工系统( f m s ) 则成为 生产研究乃至整个工业界的一个主要焦点( o g r a d y , 1 9 8 6 ) 。最早的f m s 是1 9 6 7 年由英国m o l i n s 公司研制的“s y s t e m 2 4 ”( h i t o m i k ，1 9 9 4 ) 。 实际上这种f m s 并不是真正的到达了柔性。它主要是在固定的生产线上加 工一小部分产品。m o d w a k i ( 1 9 9 9 ) 谈到了几点这种f m s 的非柔性：( 1 ) 生 产力在没有人参与的情况下因为加工的目的而降低了；( 2 ) f m s 一般都针对一 个特定的过程；( 3 ) f m s 都是中央控制的。传统意义上讲，产品的设计、加工 计划以及生产部门是相互独立的。这在当今根据客户的需求而具有产品多样性 和更短的交货期的情况下，是很难制订商效的计划的。并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n c e d n g ) 则因此在工业工程的研究领域越来越受到人们的关注( s o h l c n i u s ， 1 9 9 2 ) 。在产品的设计阶段就已经大体考虑了它的加工问题以此来避免无效的设 计决策。由于国内外市场竞争加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加 第一章绪论与综述 快以及人们对产品多样化的需求增加，使得生产制造业向多品种、小批量生产 方式发展。当今市场变化使得企业面临着诸多的问题，对生产企业的生产经营 提出了新的要求： ( 1 ) 产品开发周期显著缩短，上市时间更快，这是2 l 世纪市场环境和用 户消费观所要求的，也是赢得竞争的关键所在。美国制造业的策略从2 0 世纪 5 0 年代的“规模效益第一”，经过7 0 年代和8 0 年代的“价格竞争第一”和“质 量竞争第一”发展到9 0 年代的“市场速度第一”。可见时间的因素被提到了首 要位置。 ( 2 ) 具备赢得竞争，提高市场占有率的四种基本能力：时间竞争能力， 产品上市快、生产周期短、交货及时：质量竞争能力。产品不仅可靠性高， 而且使用户在各方面都满意；价格竞争能力。产品生产成本低，销售价格适 中；创新竞争能力。产品有特色、生产有柔性、竞争有策略。 ( 3 ) 柔性更加提高，以响应“瞬息万变、无法预测”的市场。企业不仅要 具备技术上的柔性还要具备管理上的柔性，以及人员和组织上的柔性。 ( 4 ) 全生命周期内的质量保证。产品质量的完整概念是顾客的满意度。对 产品质量更全面的理解是：用户占有使用产品的一种综合主观反映，包括可用、 实用、耐用、好用。 ( 5 ) 企业的组织形式将是跨地区跨国家的虚拟公司或动态联盟。 ( 6 ) 生产过程更加精良。产品开发生产、销售、维护过程更加简化，生产 工序更加简单，从而降低成本、提高劳动生产率、缩短上市时间。 ( 7 ) 人员的素质更加提高。2 l 世纪制造业要求全体职工具有更高的技术 管理和协作素质。 ( 8 ) 智能化程度更高。在产品设计和制造过程中广泛应用人工智能技术， 各种设备的智能化程度大大提高。 ( 9 ) 更加注重环境问题。因为环境问题是关系到人类自下而上的大问题， 也是社会能否持续发展的重要问题。 ( 1 0 ) 分布、并行、集成并存。分布性更强分布范围更广，是全球范围的 分布；并行化程度更高，许多作业可以跨地区、跨部门分布式并行实施：集成 化程度更高，不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人员和环境的集成。 客户对生产过程的影响是对生产环境进行分类的一个熏要影响因素。制造 一存储( m a k e t o - s t o c k ( m t s ) ) 式生产是基于对市场需求的预测。在一个m t s 生产环境中，产品的生产顺序是由不同产品现阶段的存储层决定的。在装配 订单( a s s e m b l e - t o o r d e r ( a t o ) ) 式生产环境中，当一个顾客的订单到来时才将 各个存储的半成品部件装配成最终的产品。预铡只是因为预算才显得重要而不 再是为了制订主要生产计划。当生产行为是由顾客订单驱动而不是由预测驱动， 2 浙江大学博士学位论文 就称之为制造一或工程n - 订单式生产。在制造一订单( m a k e t o o r d e r ( m t o ) 1 式生产中，生产行为是在一个顾客订单到达后发生。在工程师一订单 ( e n g i n e e r - t o o r d e r ( e t o ) ) 式生产中，则把产品的设计都包括在订单到达所 引起的生产行为中。从生产力安排到车间控制的各个层次环节上，当今世界更 加需要销售和生产管理的相互联系和相互作用。新的订单包括所谓的意向型订 单都在生产计划中得到考虑。而已有订单的生产计划也可以根据客户在产品的 特色、交货日期或数量上的变化而经常改变。随着现代化生产的发展，传统的 m t s 式生产已经渐渐不能适应灵活多变的市场需求。产品的多样化，更短的交 货时间等等市场因素都对传统的m t s 生产提出了挑战，而m t o 生产模式的特 点符合未来市场发展的方向。现代化生产正日益趋向于灵活多变、根据市场需 求或产品订单来制订生产计划的新型生产模式。为了满足特殊客户对产品的需 求，尽管当今众多生产企业采用m t s 与m t o 相结合的生产模式。但是制造业 的潮流已经从大批量的m t s 生产模式开始向小份额的m t o 乃至e t o 生产模 式演变，这种趋势已经不可阻挡。这正是国际、国内市场竞争的必然结果。相 应的生产模式的转变必然要求其生产调度及控制策略具有更强的柔性，能够及 时动态的解体或重构，处理多交的市场需求对生产带来的影响。随着时代的发 展和技术的进步，除了工业生产系统的复杂程度不断提高外，它所面临的问题 也日趋多样化。术语“灵活度”就意味着可以根据需要向任何方向转变。不是 根据需求的范围进行生产安排，而是根据具体需求能够进行解体和重构的思想 来安排生产( n o a k e r , 1 9 9 4 ) ( l a n g e r , 1 9 9 9 ) 。 工艺计划主要是对一个产品如何生产出来做技术上的安排和决定。工艺计 划包括宏观计划( 例如工艺流程的安排) 和微观计划( 主要指发生在实际具体 生产操作前的一些安排，如离散工业中刀具路径计算等) ，生产加工计划指用哪 些资源、什么时候进行加工。在m t o 生产模式中，必须更加协调生产加工计 划和工艺计划。举例来说，在许多步骤环节上因为相同的资源两发生竞争就会 导致瓶颈资源的出现。生产调度贝h 是更加细节性的对车间的资源以及任务序列 进行短期分配以使全局目标达到最优。为了处理m t o 甚至e t o 或者几种生产 方式相互结合的动态特性，必须制定更加柔性的生产调度计划以及控制箫略。 由订单特性反映出的需求多样化就要求生产的控制系统具有多功能化，也就是 根据需求能够及时的重构它们的等级结构。本文所关注的闻题就是如何制订柔 性的生产控制策略应对市场的快速变化，并解决在现代化生产模式中遇到的 些的生产调度、设计问题，为企业提供参考性意见。 第一章绪论与综述 1 1 2 存在追加生产力情况的不确定市场需求 有需求或有潜在的需求才有生产，如果没有需求，生产也就无从谈起。现 代化社会出现的新情况、新形势迫使生产从原来的m t s 向m t o 甚至e t o 转 变。近1 0 年左右在零售工业中出现了一个新名词：l e a n r e t a i l i n g ( a b e r n a t h y e t a l ，1 9 9 9 ) 。l e a nr e t a i l i n g 的主要特点是零售商从以往的大批量、长周期的订货行 为向小批量、短周期的订货行为转变，以此降低了不确定需求情况下产品的库 存损失。这在服装工业中体现的尤为明显。举个例子，时尚的因素在现代社会 已经注入和影响到了有关服装行业的方方蛭面：产品的寿命在缩短品种却在不 断的增加。a b e m a t h y e ta l ( 1 9 9 9 ) 曾按使用周期和不可预测的程度将服装分为一 般服装，具有时尚特点的服装和时尚服装三类，丽上述情况在一般服装业中都 已经呈现出愈演愈烈的趋势就更不要说时尚服装了。产品需求不确定性的增加 使原来的零售经营模式已经不适应这种快速、多变的市场需求。也正是这种需 求不确定性的增加才导致了l e a nf e t t l i n g 模式的出现。 这种市场需求的不定性也对生产企业造成了重大的影响，他们不得不调整 自己的生产经营方式以适应这种多变的市场需求。从长远的角度看。生产般 是可以满足需求的，只是在短期内需求有可能得不到满足，即存在生产有可能 不能满足需求的情况。对一个生产系统而言，一般主要考虑两种不确定性，一 是产品需求的不确定性，包括数量、型号、订单到达时间等等；另一个是生产 能力的不确定性，包括原料、入力、设备的可利用情况等等。生产企业主要有 两种策略应对这种不确定性有可能带给企业的损失情况，一是建立产品库存以 防备生产能力不能满足需求情况的出现；是采用一些必要的手段如雇佣临时 工人、加班以及考虑增加轮班次数或者外购生产能力等手段来追加生产力。上 述生产企业的每一种手段都对应着一种消费损失。对一个生产经营者来说，他 或者她的任务就是要在这些损失中找到一种平衡，即在建立库存、追加生产力 和不确定需求之间找到一种平衡而使企业获得最大利润。可以说不确定需求是 现代化生产面临的主要问题之一。研究需求不确定性的相关文献不多，而同时 考虑设备不确定性以及需求率有可能大于生产能力的文献更是凤毛麟角。 p e r k i n sa n ds r i k a n t ( 2 0 0 1 ) ，b a d st a n ( 2 0 0 2 ) 等针对不确定需求的环境都研究了一 些特殊情况。另外有些学者也初步研究了利用广告宣传刺激需求的生产经营问 题，将人为的因素加入需求变量中。他们的主要目的是寻找平衡需求增长和广 告费用的最优策略而使企业获得最大利润。虽然他们都是在一些如设备可靠等 特殊情况下进行的初步研究，而且并没有得到一般情况下的闭环解析解，但都 做出了一些有意义的探讨，如a b a d ( 1 9 8 2 ) ，s e t h i a n dz h a n g ( 1 9 9 5 ) ，s o g o m o n i a n a n dt a n g ( 1 9 9 3 ) ，z h a n ge ta l ( 2 0 0 1 ) 等等。在现代化的生产模式下。如何制订快 4 浙江大学博士学位论文 速而灵活的生产计划，柔性的安排生产是众多企业面临的重要课题。同时考虑 设备以及需求不确定给生产带来的影响，特别是考虑存在需求大于生产情况下 的生产控制决策问题，使企业能动态、有效地安排生产j f 是本文的目的之一。 1 1 3 一些有关生产系统的基本概念 生产的目的是为了满足需求，但需求的不确定性导致了生产不能经常紧 跟市场的变化。对生产的管理者来说，他们或是依靠建立库存或是通过雇佣临 时工人、增加劳动时间等等追加生产力的办法来应对需求与生产不协调情况的 出现。但是单纯增加库存或者增加对外购生产的投入必然给生产带来不可避免 的损失。如何更加柔性的安排生产，制定更加柔性的控制策略以应对多变的市 场变化就成为现代化生产模式下的一个重要的研究课题。在此有必要先给出制 造系统中的一些基本概念和现象，以方便对后续章节的理解。 制造系统：是由若干机器，传输机构，存储单元等组成，在计算机控制下 的集成生产加工系统( k i m e m i a a n d o e r s h w i n ，1 9 8 5 ) 。这是“小制造系统” 概念。另个是“广义制造系统”概念：制造是一个涉及制造工业中产品 设计物料选择生产计划生产过程质量保证经营管理市场销售和服务的一系 列相关活动和工作的总称，相应的系统就被称为是“大制造系统”( c h i s h o l m a w j 。，1 9 9 0 ) 。我们的工作主要针对“小制造系统”。 柔性生产系统( _ m s ) ：指系统能以较小的切换时间和费用生产不止一种 产品( g e r s h w i n ，1 9 9 4 ) 。柔性具体可以包括：机器柔性、工艺柔性、运行 柔性和扩展柔性等。从生产的角度来说主要指产品柔性和过程柔性。即分 别指具有可以生产不止一种产品和利用不同的方法、过程生产一种产品的 能力。 离散事件动态系统( 埘b d s ) 与混杂系统( 珏s ) ：离散事件动态系统是指由 离散事件按照一定的运行规则相互作用导致状态演变的一类系统。它以事 件和状态作为主要特征( 郑大钟与赵千川，2 0 0 1 ；郑大钟和郑应平，1 9 9 2 ； 郑应平，1 9 9 2 ，1 9 9 6 ；c a s s a n d r a sc g ，1 9 9 3 ，1 9 8 9 ) 。混杂系统是将离散事 件或模型切换动态与由微分方程或内部微分方程描述的连续动态结合起来 的系统( a t h a n sm ，1 9 8 7 ；p e l e t i e sp a n dd e e a r l or ，1 9 9 3 ) 。 不确定性：本文所讲的不确定性主要是指本质上是离散的，不可预料的， 随时有可能发生的一些事件。比如：订单的至达、设备发生故障等。 相似型( h o m o g e n e o u s ) 与不相似( i n h o m o g e u e o u s ) 型生产线：一条生产线 如果各个工作站( 设备) 对工件的处理时间相同就称其为相似型生产线。 5 第一章绪论与综述 如果不相同，反之就称为不相似型生产线( d a l l e r ya n d b i h a n 。1 9 9 5 ) 。 同步( s y n c h r o n o u s ) 与异步( a s y n c h r o n o u s ) 生产线：生产线上所有设备 对产品的加工时间是确定的、相同的，就称为同步生产线；各个设备对产 品的加工时间是各自独立的服从指数分布或别的状态型概率分布的生产线 就称为异步生产线( g e r s h w i n ，1 9 9 4 ) 。 依靠操作型故障与依靠时间型故障：设备只有在工作情况下才可能发生的 故障称之为依靠操作型故障 不管设备是否工作都有可能发生的故障称之 为依靠时间型故障。 2 0 世纪8 0 年代以后，生产自动化进入了一个崭新的对代，即计算机集成 制造系统( c i m s ) 的时代。可以说随着社会对产品多样化、低制造成本及短制 造周期等需求日趋迫切。f m s 发展颇为迅速，并且由于微电子技术、计算机技 术、通信技术、机械与控制设备的发展，也促使柔性生产制造技术臼臻成熟， 在这种背景下，对生产控制策略的研究就显得更加重要了。 1 2 阈值控制策略的发展和展望 1 2 1 阚值控制策略的起源 阈值控制策略起源于人们对及时生产系统决策问题的研究。这个问题一般 被人们当作一个随机最优控制问题而加以研究( o l s d e ra n ds u r i ，1 9 8 0 ；k i m e m i a a n dg e r s h w i n ，1 9 8 3 ) 。它的目标是确定在一个需求服务层限制条件下使平均库 存损失、或者平均库存损失和缺货损失都到达最小的最优控制策略。不幸的是， 这些系统的最优策略一般都具有复杂的结构，很难直接应用到实际生产过程中 去( s f i v m s a n a n d d a l l e r y , 1 9 9 8 ) 。但是对予这种最优化问题的研究揭示了许多有 助于次最优问题研究的特性。阈值控制策略就是这样产生的。 k r a s s o v s k i i 与l i d s k i i 对具有跳跃m a r k o v 扰动特点的系统的最优控制问题 徽了一系列的研究( k r a s s o v s k i ia n d l i d s e i ，t 9 6 1 ；l i d s k i i ，1 9 6 3 ) 。其他如 s w o r d e r ( 1 9 6 9 ) ，k u s h n e r ( 1 9 6 5 ) 等学者都对类似问题儆了相应的研究。在他们的 启发下，1 9 7 5 年，k e n t u c k y 大学的r i s h e l 先后发表了两篇对生产控制影响至 深的文章：r i s h e l ( 1 9 7 5a ) 与r i s h e l ( 1 9 7 5b ) 。这两篇文章对系统连续状态受 m a r k o v 过程影响的最优控制问题做了研究。讨论了动态规划最优性条件与随机 最小原则最优性条件之间的联系，运用动态规划等数学工具给出了此类具有连 续动态和离散状态的系统最优化控制的充分必要条件。说明了最优控制的解将 系统的状态空间分解成了若干个区域，对应于每个区域有一个反馈控制律。另 浙江大学博士学位论文 外，前面提到的o l s d e r