（机械电子工程专业论文）制造企业多品种混合生产最优批量与控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 论文在对国内外研究现状及主要的生产计划与控制体系进行详细分析的基础上， 重点从制造企业多品种混合生产最优批量和控制策略两方面做了深入的研究。 首先指出了多品种混合生产中存在的一些问题，比较分析了制造资源计划、准时 制生产、约束理论和制造执行系统等四种适用于多品种混合生产模式的生产计划与控 制体系的适用范围及优缺点，为后续研究提供理论支持。 然后利用运筹学中排队论的相关理论知识，推导出了基于生产提前期最小化的单 品种最优生产批量，并通过分析转移批量的两种极端情况，得出单件流可以解决企业 实际中的诸多问题，随之提出了一种车间任务型作业生产提前期的计算方法；由于生 产提前期与共用工序调整换模时间有着直接的关系，又探讨了缩短共用工序调整换模 时间的意义，并给出具体的方法；然后推导得到了使设备利用率最高的转移批量计算 方法和相应的生产提前期计算方法。 最后对工厂物理学相关理论做了介绍，并给出了最好情况、最坏情况和实际最坏 情况三种情况下相关参数的计算方法；重点对改变生产率对生产周期的影响做了详细 研究，得出结论：改善非瓶颈生产率在一些生产在制品水平下也可以提高生产产出， 并非约束理论中所说的提高非瓶颈生产率毫无用处：对推与拉定义和固定在制品控制 策略做出详细介绍，通过将固定在制品控制策略分别与看板控制策略和d b r 控制策略 进行比较，发现前者在诸多方面均优于后二者，但并非绝对完美，因此提出了一种基 于固定在制品控制策略，并融合看板控制策略和d b r 控制策略的混合控制策略，并对 混合控制策略的要点做出相应介绍，并给出生产提前期计算方法。 关键词：生产批量；转移批量；生产提前期；固定在制品；混合控制策略 西南交通大学硕士研究生学位论文 第j i 页 a b s t r a c t b a s e do nad e t a i l e du n d e r s t a n d i n ga b o u tt h er e s e a r c hs t a t u sa n dt h em a j o rp r o d u c t i o n s c h e d u l ea n dc o n t r o ls y s t e m ，t h i st h e s i sm a k e sad e e p l yr e s e a r c ho nt w oa s p e c t so f m u l t i - v a r i e t ym i x e dp r o d u c t i o ni n c l u d i n go p t i m a ll o ts i z ea n dc o n t r o ls t r a t e g y f i r s t l y , i tp o i n t so u ts o m eq u e s t i o n st h a th a v ea l r e a d ye x i s t e di nm u l t i v a r i e t ym i x e d p r o d u c t i o n ，t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s e s t h e a p p l i c a t i o ns c o p e ，a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fm a n u f a c t u r i n gr e c o u r s ep l a n n i n g ，j u s ti nt i m e ，t h e o r yo f c o n s t r a i n t sa n d m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，p r o v i d i n gt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rf u r t h e rr e s e a r c h t h e n ，u s i n gt h er e l e v a n tq u e u et h e o r yf r o mo p e r a t i o nr e s e a r c h ，d e r i v e st h es i n g l e v a r i e t yo p t i m a ll o ts i z eb a s e do nt h em i n i m i z e dp r o d u c t i o nl e a dt i m e ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h e t w oe x t r e m ec a s e s ，h a n d so u tt h a ts i n g l e - p i e c ef l o wc a ns o l v em a n yp r o b l e m so ft h e e n t e r p r i s eb u s i n e s s ，t h e r e u p o np r o p o s e s ap r o d u c t i o nl e a dt i m ec a l c u l a t i o nm e t h o df o r j o b s h o pm a n u f a c t u r e ；b e c a u s eo f t h ed i r e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o d u c t i o nl e a dt i m ea n d s h a r e dp r o c e s sa d j u s t e dt i m e ，d i s c u s s e st h em e a n i n go fr e d u c i n gt h es h a r e dp r o c e s sa d j u s t e d t i m e ，a l s og i v e st h es p e c i f i cm e t h o d s ；f i n a l l yd e r i v e st h eo p t i m a lt r a n s f e rl o ts i z ea n d p r o d u c t i o nl e a dt i m ec a l c u l a t i o nm e t h o dw h e nt h ed e v i c eh a s t h eh i g h e s tu t i l i z a t i o n f i n a l l y , i ti n t r o d u c e st h et h e o r yo ff a c t o r yp h y s i c s ，g i v e st h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n m e t h o d so fb e s tc a s e ，w o r s tc a s ea n dp r a c t i c ew o r s tc a s e ；m a k e sad e t a i l e dr e s e a r c ho nt h e i n f l u e n c eo fc y c l et i m eb yc h a n g i n gp r o d u c t i v i t y , t h e nm a k e sac o n c l u s i o nt h a ti m p r o v i n g t h en o n - b o t t l e n e c kp r o d u c t i v i t yc a l li n c r e a s et h ep r o d u c t i o nt h r o u g h o u t ，n o tl i k ei t i s m e n t i o n e di nt h et h e o r yo fc o n s t r a i n t st h a tc h a n g i n gt h en o n - b o t t l e n e c kp r o d u c t i v i t yd o n o t h i n gt ot h ep r o d u c t i o nt h r o u g h o u t ；g i v e st h ed e f i n i t i o no f p u s ha n dp u l l ，c o n s t a n tw o r k i np r o c e s s c o n t r o ls t r a t e g y ( c o n w l p ) ，t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s e sc o n w i pw i t h k a n b a nc o n t r o ls t r a t e g ya n dd b rc o n t r o ls t r a t e g y , f i n d i n go u tt h a tc o n w i pi sb e t t e rt h a n k a n b a na n dd b ri nm a n ya s p e c t s ，b u ti sa l s on o tp e r f e c t ，s op u t sf o r w a r dam i x e dc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nc o n w l pc o m b i n i n gk a n b a na n dd b r ，t h e n i n t r o d u c e st h ek e y p o i n t so f m i x e dc o n t r o ls t r a t e g y , a n dg i v e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f p r o d u c t i o nl e a dt i m e k e yw o r d s ：p r o d u c t i o nl o ts i z e ；t r a n s f e rl o ts i z e ；p r o d u c t i o nl e a dt i m e ；c o n s t a n tw o r ki n p r o c e s s ；m i x e dc o n t r o ls t r a t e g y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着全球经济的一体化和市场竞争的加剧化，多品种混合生产模式取代大量生产 成为一种主流生产模式。在市场竞争力小，经济格局单一，生产主导需求的环境下， 大量生产一度成为热门，其专业化的分工方式，使工人的操作时间大大缩短，最终演 化为流水线生产模式，代表作为美国福特汽车公司【1 1 。经济全球化的发展将市场竞争推 上舞台，在如今市场竞争力加剧，经济多变化，需求主导生产的环境下，流水线生产 的弊端一一暴露出来，品种单一缺少竞争力，不能满足顾客多样化的需求，交货期过 长等。在这种条件下，多品种混合生产模式应运而生，品种多样化满足顾客的多种需 求，小批量生产增大企业的生产柔性，生产周期大大缩短及时满足顾客的需求，多数 采用订单生产模式，保证供需间的平衡，不产生过量生产浪费。我们可以看到多品种 混合生产模式的种种好处，但是每一种生产方式都会有自己的利弊，多品种混合生产 模式中生产批量和转移批量的研究可谓是众说纷纭，国内外的众多学者各抒己见，多 数是采用各种算法( 遗传算法，启发式算法，退火算法，混合算法等) 来解决批量大 小的计算网。然而在企业现实的生产中，产品品种数量的多少在某一个时期内是一个相 对稳定的值，在这种情况下，我们可以寻找一种简便的线性规划法来代替复杂繁琐的 求解方法，使求解方法可以广泛应用于解决多数企业的共性问题【3 】。 关于企业生产中控制策略的研究也有很多，如：广泛用于国企的推动式生产，日 本的拉动式生产或称为看板生产，在推动式生产或拉动式生产的基础上融合各种经济 指标的控制策略等【4 】。但是对于多品种混合生产模式的控制策略研究都处于理论的高 度，没有一种适用于企业实际的实用性强的控制策略，用数量的关系诠释控制策略的 优劣，用直观的方式显示出控制策略的效果。 1 2 研究意义 基于上述内容，并结合统计部门的相关数据，我国的工业企业中，中小型企业所 占比例约为9 9 ，产值和纳税所占比例分别约为6 0 和4 0 ，从业人数在全国从业人 数中所占比例约为8 5 ；在其它非工业行业中，中小型企业各项指标所占比例更大【卯。 由此可知，中小型企业是推动我国经济发展的主力军，而中小型企业采用的生产模式 多为多品种混合生产，所以对多品种混合生产模式最优批量和控制策略的研究具有相 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 当重要的现实意义，研究成果可直接用于解决实际生产中的相关问题，用直观的经济 效果来衡量应用效果的好坏与否，反向对理论进行指导，使研究结果趋于更加系统和 完善，最终形成一套系统论方法。 1 3 国内外研究现状 k a r m a r k a r 6 7 1 和z i p k i n t 8 1 等人研究表明生产提前期与生产批量大小，生产品种的不 同和订单投放时间这些因素密切相关，严重依赖于加工中心的生产组织。 k a r m a r k a r 等人，z i p k i n ，s h a n t h i k u m a r 9 1 和b u z a c o t t 采用排队模型来分析生产系统 的提前期问题，这种模型也能够根据排队时间来计算在制品和提前期最小化时的生产 批量。但是它的局限性是它假定生产过程必须处于稳定平衡以及重复性制造环境中， 模型方法的效果在持续变化的动态环境中是比较差的。 b a k e r 1 0 圳1 通过作业排序方法来研究提前期问题，p a l e k a r 1 2 1 对一个包含阻塞情况的 周期性c o n w i p 流水车间的作业排序和在制品水平进行了研究。 m a r c e l os e i d on a g a n o ，r u b e nr u i z 和l u i za n t o n i on o g u c i r al 0 r c n a 构造了一种 新的遗传算法( c o n s t r u c t i v eg e n e t i c a l g o r i t h m ) ，来解决1 1 个加工任务在m 台设备上的 排序问题，目标是实现总加工时间的最小化。他们运用设计实验逼近的方法来保证新 算法的准确性，通过计算机模拟新算法结果，并与各种已有算法结果做比照，发现在 不同的产品参数下，新算法占有绝大多数的最优结果。 c h m g f a n gl i a w 1 4 】在解决两台设备不间断加工问题上，提出了一种新的启发式算 法。文章的第一部分通过将问题转换为不等待流水作业问题，采用传统的 g i l m o r e g o m o r y 算法来解决问题；第二部分是在第一部分的基础上，运用禁忌搜索来 解决该问题。最后通过计算机模拟运算结果表明该新算法无论在解决问题的质量还是 计算时间方面均具有优越性，为9 0 的该类问题提供了一种优化算法。 康杰，任欣欣1 5 1 的研究表明，精益制造在实施的过程中，通常有三种策略可供选 择，即k a n b a n ( 看板) 策略、c o n w i p ( 固定在制品控制) 策略和混合策略( 综合前 述两种策略) 。通过遗传算法结合仿真进行的求解，可知看板策略和固定在制品策略适 合特定的生产系统，对生产系统的各方面要求颇高，而混合策略对生产系统的适应能 力优于其他两种策略。 张康，苏春，徐映秋【1 6 】等的研究表明，有关生产计划与控制模式的研究较多，其中 以制造资源计划( m r pi i ) 、准时制造( j i t ) 和约束理论( t h e o r yo f c o n s t r a i n t s ，t o c ) 等三 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 种模式为主，但三种方式各有优劣。m r pi i 属于计划主导型管理方法，它的核心是“计 划 ；j i t 属于需求拉动的现场执行与控制主导型管理方法，它的核心在于“控制 ；t o c 则属于能力计划与现场作业控制动态结合的管理方法。随着科技的发展，上述三种方 法都产生了一定的局限性，而一种综合了三种方法的集成化生产计划与控制方式产生 了，其特点在于：综合应用了a p s ( 高级计划排产) 模拟排产和生产过程仿真技术。 在单元化制造中，a p s 模拟排产技术主要是通过分析制造单元内部及外部相关的各种 约束，构造产品及工程网络，运用人工智能、运筹学等技术，快速地推算及优化生产 日程计划。 何桢，朱礼仁，曹捷【1 7 】等对单工序并行加工条件下的作业排序问题进行了深入研 究，在给出该问题的整数规划模型的基础上，找出了一种新的启发式算法，通过示例 和模拟结果表明，新算法优于l p t ( 最长加工时间优先，l o n g e s tp r o c e s s i n gt i m e ) 算法， 并可以通过自迭代求出较优的完工期，同时还可以降低零件的平均完工时间。该类问 题的目标函数包括极小化零件加工全长、极小化平均完工时间等等。在实际生产中，极 小化零件加工全长可以降低生产周期，均衡各机床的作业负荷。而极小化平均完工时间 又等价于极小化在制品占用和零件的等待。因此，在实际生产中，往往不仅要求加工周 期短，同时又希望减少零件在加工中的等待和在制品占用。若目标函数是极小化平均完 工时间，则按s p t ( 最短作业时间优先规则，s h o r t e s tp r o c e s s i n gt i m e s ) 排序可以得到最 优解。 章雪岩，武振业，周国华【1 8 】等根据单件小批量生产企业复杂产品生产的特点，综合 p e r t ( 计划评审法) 和m r p i i ( 制造资源计划) 两者的优点，提出p m 计划方法。 这种方法既可以对产品上层部件进行优化排程，又可以对下层零部件进行有效管理，可 以较好地解决这类企业当前管理模式中p e r t 太粗与m r p i i 太死的矛盾。 蒋美仙，金寿松，冯定忠【1 9 】等关于我国机械制造企业的单件流应用研究中指出机 械制造业实施单件流的关键问题之一在于缩短换产时间，解决此问题就亟需推行快速 换模技术，通过对内部时间和外部时间的划分和研究，将内部时间转化为外部时间和 减少内部时间两种方法来达到缩短换模时间的目的。 姬永清【2 0 】分析了多品种单件小批生产的特点以及存在的问题，在对一些生产计划 模式研究的基础上，提出了将m r p 与j i t 相结合的包括订单任务分解与车间作业计划 的两层计划体系，分析了该生产模式的特点以及计划体系中各计划层次的内容，定义 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 了系统功能模型，描述了在订单任务分解中m i 冲计划分解的方法，研究了能力平衡的 措施，介绍了外协处理。在分析车间作业调度内容的基础上，提出了多品种单件小批 生产模式下车间级作业调度与车间内作业分配相结合的分层调度模型，阐述了该调度 方法。 1 4 本文主要研究内容 基于前述的研究背景意义及国内外研究现状，本文的研究重点集中在多品种混合 生产模式最优批量和控制策略上。 本文主要研究内容如下： 第1 章主要介绍了本文的研究背景及意义，国内外研究现状，以及本文的框架结 构。 第2 章对制造资源计划、准时制生产、约束理论和制造执行系统等四种适用于多 品种混合生产模式的生产计划与控制体系进行了详细的说明。通过对四种生产计划与 控制体系的定义、适用范围和优缺点的分析描述，为后面的研究提供理论支持。 第3 章首先利用排队论中关于m m 1 排队服务系统的相关知识，推导出了基于 生产提前期最小化的单品种最优生产批量；然后通过分析实际生产中转移批量的两种 极端情况，得出单件流可以解决企业实际中的诸多问题，但应用需要严格条件，在此 基础上得到了延期交货和过大在制品数量成本最小的转移批量；然后提出了一种车间 任务型作业生产提前期的计算方法，并通过小算例验证了该方法的简便准确性；由于 生产提前期与共用工序调整换模时间有着直接的关系，4 接下来探讨了缩短共用工序调 整换模时间带来的好处及意义，并给出了具体的方法和建议；最后通过推到得到了使 设备利用率最高的转移批量计算方法和相应的生产提前期计算方法。 第4 章首先对工厂物理学的相关理论及参数做了介绍，并对生产中的最好情况、 最坏情况和实际最坏情况做了分析，给出相关参数的计算方法；接下来重点对改变生 产率对生产周期的影响做了详细研究，得出结论：改善非瓶颈生产率在一些生产在制 品水平下也是可以提高生产产出的，并非约束理论中所说的提高非瓶颈生产率是毫无 用处的；然后对推与拉的严格定义和固定在制品控制策略做了详细的介绍，并给出了 一些参数的计算方法；最后通过将固定在制品控制策略分别与看板控制策略和d b r 控 制策略进行比较，发现前者在诸多方面均优于后二者，但并非绝对完美，因此提出了 一种基于固定在制品控制策略，并融合看板控制策略和d b r 控制策略的混合控制策 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 略，取三者的长处，并对混合控制策略的要点做了相应的介绍，给出了生产提前期的 计算方法。本文框架如图1 1 所示。 研究背景及意义， 国内外研究现状 上 多品种混合生产计划与控制理论体系 上0上上 制造资源计划准时制生产约束理论体系制造执行系统 四种计划与控制理论体系的优缺点分析 1 l 多品种混合生产最优批量分析与研究 li ，上土 1 排队论最优生产批最优转移批车间任务型使设备利用 简介量的确定量的确定作业生产提率最高的生 前期计算产转移批量 1r 多品种混合生产控制策略研究 1 l上 工厂物理学相关策混合策略研究：推与 略研究：相关参数 拉的严格定义，固定 及定义，生产中最在制品控制策略( 定 好情况，最坏情况，义，模型分析，与推 实际最坏情况，改动式和看板控制策 变生产率对生产周略的区别) ，混合控 期的影响。制策略。 1 l 结论与展望 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 1 5 本章小结 本章对课题的研究背景及意义，国内外研究现状，本文的主要研究内容做了简要 的叙述，并给出了本文的框架结构图。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章多品种混合生产计划与控制理论体系 2 1m r pi i 生产计划与控制体系 2 1 1m r pi i 生产计划与控制体系定义 制造资源计划( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c 宅p l a n n i n g ，m r pi i ) 是历史比较悠久，发 展较为成熟的一种生产管理控制方法。它起源于美国，旨在解决批量生产中的控制策 略问题，在物料需求计划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ，m r p ) 的基础上形成闭环 生产计划与控制体系，经过企业管理部门在生产实际中的不断探索和总结，历经多次 改进，最终实现了生产能力平衡，同时可以把生产计划实施的情况及时反馈给生产控 制部门，以便生产管理部门提出相应的解决策略 2 h 。 图2 - 1 物料需求计划逻辑构成 m r pi i 的关注焦点是企业内部的各种生产资源，在这些基础资源的基础上又融入 了企业财务系统，从而形成了今天的一个功能完善的m r p 系统。m r p i i 对于生产实 际中的排产问题，在制品数量，基础资源的利用率等几大难题均有相应的解决策略， 使企业可以实现良好的经济效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 2m r p i i 构成原理图 m i 冲i i 是一种以计划为主导的管理模式，突破产品品种的界限，采用集中计划的 方式，集中下达生产指令，这种方式适用于多品种混合生产的环境，在生产计划下达 到生产执行部门时，再进行宏观到微观的一个逐层细化过程，使各种资源在生产加工 的过程中处于种连续受控状态，同时在加工的各道工序上可以实现最小的浪费，最 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 大的设备利用率和劳动力利用率，最高的产量等目的【勿。 但是m r p i i 对生产能力的变化不敏感，从而导致车间内和车间之间在制品数量较 高，占用大量的空间和流动资金，增加了管理控制部门工作的难度，也会增大不同批 次之间混料的可能性，引起生产质量事故。 2 1 2m r pi i 的优点： ( 1 ) 在生产计划制定的过程中，打破产品品种局限，使加工任务按照最优批量来 组织生产。 ( 2 ) 在数据管理的方面，实现各种资源数据的集中式管理，从而保证了数据的准 确度和完整度。 ( 3 ) 按照订单中规定的交货期来制定生产计划的方式，使各种资源合理分配，设 备和劳动力负荷均衡，满足交货期的要求。 ( 4 ) 由于m r pi i 融合了企业财务系统，所以可以随时为企业提供关于各种资源 和加工任务的基础财务数据，保证财务数据的动态一致性，发现问题时可以及时反馈， 以便做出相应的调整。 ( 5 ) m r pi i 作为闭环生产计划与控制体系，相对于开环生产计划与控制体系而言， 有着更为强大的反馈控制功能。在订单和需求预测的基础上生成主生产计划和物料需 求计划，按照产品的加工工艺规程，反算出满足这些物料需求的生产能力，与企业现 有的生产能力作对比，如果前者小于后者，则可行；若前者大于后者，则说明企业现 有情况为能力不足，或返回修改主生产计划，或增加设备来满足能力需求f 2 3 】。 2 1 3m r pi i 的缺点： ( 1 ) 由于在m k p i i 控制体系下，车间的生产执行是按照下达的生产计划进行的， 管理控制部门和车间高层人员的参与度很高，而一线员工的参与度很低，无形地制约 了员工的积极参与性，进而制约了生产率提升的空间。 ( 2 ) m r p i i 是按照无限能力计划法来制定生产计划的，没有考虑实际生产中资源 的约束，在计划的执行过程中，一旦出现问题，就需要反复对原有生产计划进行修改， 过程复杂且工作量大；同时，只考虑企业自身的能力约束，却忽略了供应商的准时供 货能力，会造成企业生产计划不能按时完成，拖延交货期，甚至可能引发拖期赔偿等 不必要的经济损失，进而影响企业的声誉。 ( 3 ) 在整条生产线不平衡的情况下，为了协调各道工序的生产能力达到一种平衡 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 的状态，就必须在瓶颈( b o t t l e n e c k ) 工序处放置一定数量的在制品( b u f f e r 区域) ，带 来的后果就是整条生产线上在制品数量偏高，废品率或返工率增大，增加在制品管理 的难度，并且这些表面现象还会掩盖企业真实的“病源 ，那就是企业生产能力不足， 依靠增加瓶颈工序在制品数量是不能根治这个问题的。 ( 4 ) m r pi i 根据订单需求的数量，利用b o m ( b i l lo f m a t e r i a l ) 图来计算原料、 零件和部件的分别需求量，如果产品品种和数量都较多时，那么计算，存储这些数据 的工作量就会很大，难度也会增加，出现失误的可能性变大。 ( 5 ) 实际中主生产计划的数据往往与理想状态有差别，很难保证其精准性，原因 在于：在将综合生产计划具体化为主生产计划时主要依靠生产计划人员的经验判断， 掺杂的主观成分较大，缺乏生产计划所要求的客观性和准确性，由此造成企业生产系 统中的瓶颈无法消除，导致随之而来的产品合格率低等质量问题。 ( 6 ) 主生产计划和物料需求计划生产的过程中，并没有将各种零件的重要性考虑 在内，导致所有品种的零件加工在有限的资源和设备上没有轻重主次之分，在瓶颈工 序有资源或设备能力约束时，出现的结果往往是重要的零件反而没有完成加工，次要 的零件却完成了过量加工，预期的产品不能通过组装加工出货，也无法采用外协、外 购等办法及时弥补，在企业经济利益和声誉受损的同时，增加了仓库内大量的在制品 库存，占用流动资金，积压成本【2 4 1 。 由上述优缺点可知，m r pi i 能够为大量生产提供行之有效的生产计划与控制方法， 但是对于多品种混合生产方式就略显不足，通过m r pi i 制定的生产计划较为粗放，不 能对企业的生产过程实现及时有效的控制，增大了车间调度控制的难度。 2 2j it 生产计划与控制体系 2 2 1ji t 生产计划与控制体系定义 进入2 0 世纪5 0 年代后，全球的汽车市场由生产为主导向需求为主导转变，由过 去厂家生产单一品种产品，客户只能被动选择的局面变为客户提出自己对产品的要求， 希望企业增加产品的品种可供挑选。企业面临的市场情况完全改变，以往的情况是只 需关注生产，产量越高越好，现在的情况是如果不能满足客户的需求，生产越多就会 积压越多的库存，并且市场上的竞争对手日益增多，顾客自然会愿意选择性价比高且 满足自身各种需求的产品。企业的前途进入生死存亡的阶段，必须进行适应市场的改 革，否则就要面临企业倒闭的风险。从大量生产向多品种混合生产转变是一个复杂的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 ! i _ _ _ 目! 自自e 目! _ _ i _ _ _ l 目e ! e ! e ! ! g 自e e 目e ! ! ! ! ! 目! ! ! g i _ 目_ _ e 目! _ g 目目e l 目目l _ l e 目e 目! ! 目e i l - 过程，也是一项艰巨的工作，需要企业全体人员的共同努力，既要有领导正确的决策， 又要有基层执行人员的全力配合，才能使企业度过难关，重新焕发生机【2 5 1 。 在这种特殊的历史背景下，有一个企业不仅顺利度过了难关，并且开启了企业的 辉煌历史，这就是丰田汽车公司。丰田汽车公司根据自身的条件和市场的需求，创立 了一种可以满足多品种小批量混合生产要求的生产模式，即准时制生产( j u s t i n t i m e ) ， 又称为丰田生产方式。准时制生产的核心理念为：适时，适量，适质，即在合适的时 间，以合适的数量生产合适质量的产品。绝不在不必要的时间生产，绝不过量生产， 绝不生产有质量缺陷的产品，正是准时制生产的这些近乎苛刻的要求，才消除了企业 内部各种形式的浪费，使丰田汽车公司处于一种低成本，高质量的运作状态，在经济 低迷的时期，反而为公司赚取tp - i 观的利润【2 6 】。 准时制生产的工作原理是以看板为主要手段，实现上下道工序之间的拉动式生产， 生产指令下达给最后一道工序，最后一道工序按照计划生产所需的指令向前道工序领 取所需的零部件，不多也不少，必须刚好是生产指令要求的数量。由此类推，生产线 上的每道工序都向前道工序领取必需数量的原材料或零部件来满足本工序的生产，以 此来防止过量生产所造成的浪费。同时，在领取原材料或零部件时就可以及时发现不 良品，并采取相应的处理措施，或返修或报废，从而防止不良品流到下道工序，保证 了整条生产线的产品质量，那种在最后一道工序才发现产品质量问题并报废的情况就 不会发生了，节约了生产线资源。下面以常用的双看板系统为例，来说明其运行原理 及规律。 前道 一 畏一序 存放生产看板 存放传送看板 图2 3 双看板系统运行示意图 利用双看板系统组织生产的步骤： ( 1 ) 后道工序接到生产指令，取走所需数量的产品； ( 2 ) 取下传送看板； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 ( 3 ) 在生产看板存放处放入生产取走数量产品的生产看板； ( 4 ) 前道工序收到生产看板后，取出生产看板； ( 5 ) 放入与生产看板数量相符合的产品； ( 6 ) 把传送看板放入传送看板存放处。 准时制生产最大的特点就是最大限度地控制了整条生产线的在制品数量，使其降 低到最低水平，并且仅按照客户的订单进行生产，将生产成本降到最低，同时通过各 种手段力图彻底消除生产中存在的七大浪费，追求的终极目标是实现企业经济效益的 最大化。 七大浪费分别是： ( 1 ) t r a n s p o r t a t i o n 不必要的运输浪费； ( 2 ) i n v e n t o r y 过量库存浪费； ( 3 ) m o t i o n 不必要的操作、移动浪费； ( 4 ) w a i t i n g 等待浪费； ( 5 ) o v e r - p r o d u c t i o n 过量生产浪费； ( 6 ) o v e r - p r o c e s s i n g 过度处理或不恰当处理浪费； ( 7 ) d e f e c t s 残次品浪费。 上述七大浪费是丰田定义的传统意义上的七大浪费，近年来，在此基础上加入了 一种浪费，构成了八大浪费。第八种浪费就是员工不能参与的浪费，指的是在企业的 决策运营过程中，起主导作用的通常是高层决策层的领导，基层员工的参与度很低， 有时甚至是没有参与，这是不利于企业良好发展的。因为基层员工往往是最清楚生产 现状的，他们是与生产直接相关的操作人员，他们会发现生产运营过程中存在的问题， 包括需要改进的问题，需要解决的浪费问题等，总之他们是实践的专家。如果有他们 直接参与生产计划制定与控制策略的选择，那么这样制定出来的生产计划与控制策略 肯定是较为合理的，有效地避免了生产计划与现实情况不符合，出现问题后反复修改 这种情况的发生【2 7 1 。 在此基础上，总结准时制生产计划与控制体系的优缺点。 2 2 2jit 生产优点： ( 1 ) 在制品和库存数量最小化。准时制生产的最突出优点，过多的在制品和库存 是一种资源的闲置，同时也是空间和资金的占用，对于一个稳定的生产系统，仅需要 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 保持固定数量的在制品数量即可满足整条生产线的需求，无需过多。准时制生产认为 库存是万恶之源，是恶魔，在造成极大浪费的同时，还会掩盖企业管理方面的问题和 缺陷，使不良问题掩盖于库存的“水面之下，不能及时暴露出来，因此也不能及时 被解决【2 引，例如：生产能力不足、计划与实际符合程度不高、产品质量欠缺、设备保 养情况差、换模操作有待精简、夹具有待改进、外协力n - t 件到货不及时，员工迟到或 缺勤等。 图2 - 4 库存“水面”掩盖的问题 ( 2 ) 力图消除生产过程中存在的八大浪费。这是追求企业利润最大化的最直接和 最有效的途径。提倡全员参与，充分调动从上到下全体员工的积极性，共同参与到企 业的决策运营中来，让每个员工都有一种主人翁的责任感，共同创造企业的美好未来。 ( 3 ) 产品质量的保证。采用独特的看板方式来控制产品的质量，保证了不良品绝 不会流出本工序，在上下道工序交接处被发现并处理。 2 2 3jlt 生产缺点： ( 1 ) 对整个生产系统的协调性要求高，难以适应需求变化的较大波动。准时制生 产适应稳定的生产环境，由于采用订单式生产，并且仅在下道工序需要时才进行生产， 所以生产线上不会有过多的缓冲区域，如果生产出现大的波动，则生产线中断的可能 性就会大幅度增加；同时对外协加工件或者外购件的要求也会提高，也就是对整条供 应链的要求高，需要供应链上各个节点保持生产的同步化。在需求大幅度波动时，准 时制生产的弱点就会显露，应对市场波动的生产柔性差。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 ( 2 ) 准时制生产对企业、企业员工、企业管理水平和管理体制的综合要求高。准 时制生产强调全员参与，员工积极参与的基础是员工的素质比较高，有消除浪费，改 善生产的意识；准时制生产同时也是对企业及企业体制的一个极大考验，成功地将准 时制生产结合企业自身的特点运用于企业中并形成生产体制是一个不断探索，不断完 善，困难重重的过程，需要企业和员工的共同努力，才能使准时制生产的全面应用成 为现实。 ( 3 ) 准时制生产对生产设备的依赖性加剧。连贯生产的前提是设备的可靠性高， 故障的可能性小，准时制生产倡导连贯生产，所以当生产线中的设备尤其是关键设备 出现故障时，生产系统的生产能力就会不足，弓i 起生产速度变缓或生产中断，进而影 响生产提前期导致交货延迟。 综上所述，准时制生产较之m r pi i 在很多方面均有了质的飞跃，适用于稳定的多 品种混合生产环境，但是对于需求波动较大的生产环境，没有良好的解决方案；由于 应用准时制生产对企业的高要求，所以在国内的中小型企业实施准时制生产的难度加 大，全面实施仍需一个长期的过程。 2 3t o o 生产计划与控制体系 2 3 1t o c 生产计划与控制体系定义 t o c 的全称是t h e o r yo f c o n s t r a i n t s ，即约束理论，约束理论是2 0 世纪7 0 年代以 色列物理学家g o l d r a t t 在以他为首开创的最优生产技术( o p t i m i z e dp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y ，简称o p t ) 的基础上发展起来的管理理论体系【2 9 1 。该理论体系以连续改 善为目标，发现和消除生产运营过程中的制约因素，较之m r p i i 和j i t 更高了- 个层 次。经过一段时间的改进，t o c 发展成为以“高产销率、低库存、低运营成本为指 标的生产计划与控制体系，颠覆了传统的面向成本的生产管理体系，成功覆盖了企业 生产运营管理的各个职能方面。 t o c 理论把企业生产资源分为三种：瓶颈( b o t t l e n e c k ) 、非瓶颈( n o n b o t t l e n e c k ) 和次瓶颈( c r i t i c a lc o n s t r a i n tr e c o u r s e ) 。1 ) 瓶颈工序：实际生产能力小于计划生产能 力的工序，它是制约产销率，影响系统总产出的决定性因素。瓶颈工序一般存在于数 量较少或者价格较昂贵的生产设备。2 ) 非瓶颈工序：实际生产能力大于计划生产能力 的工序，它对产销率和系统总产出没有影响，但是它与在制品数量密切相关，因为非 瓶颈工序有过剩的生产能力，如果过多生产，就会造成在制品数量的大量增加。3 ) 次 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 瓶颈工序：实际生产能力略小于计划生产能力的工序，它虽然不是影响系统的决定性 因素，但是设备生产能力已处于临界状态，如果生产计划安排稍微不当，就有可能会 超出实际生产能力，使次瓶颈工序转化为瓶颈工序【3 0 】。 t o c 理论认为，任何生产系统都至少存在一个瓶颈，生产处于一种不平衡的状态， 系统的总产出是由系统最大的瓶颈工序决定的，非瓶颈工序有再大的产出也不会增加 系统的总产出，只会在瓶颈工序前堆积更多的在制品，造成生产现场的混乱和管理难 度的增加【3 l 】。因此，制定生产计划与选择控制策略时，首先要识别生产系统中的瓶颈 工序，对瓶颈工序的设备生产能力做一个较为准确的估算，然后根据估算结果来分配 下达相应的生产计划。 由于生产系统的设备数量和设备能力是固定不变的，所以追求生产能力的平衡是 一个有极限的改善，并且效果也不是很理想，瓶颈工序仍然生产能力不足，因此t o c 提出了追求物流平衡的目标，运用各种优化手段，改善物流现状，实现物流的同步化， 从而达到同步生产、生产提前期最短、在制品数量最少、流动成本占用率最低的最终 目的【3 2 】。 实现t o c 生产计划与控制体系的重要工具是d b r 系统，即鼓( d r u m ) 一缓冲器 ( b u f f e r ) 一绳子( r o p e ) 系统。1 ) 鼓( d r u m ) ：识别生产系统中的瓶颈所在，是一 个企业运行t o c 的开始。“鼓点 表示由瓶颈控制的生产同步化节奏，它控制着生产 系统中产品流动的速度。制定主生产计划时，应按照订单的紧急性分级，给予不同权 重值，然后依照权重值的大小依次在瓶颈上排产，以保证约束资源的充分合理利用， 所以“鼓 代表了生产系统对约束资源的利用率。2 ) 缓冲器( b u f f e r ) ：在实际生产中， 缓冲器可分为两类，一类是时间缓冲器，虚拟的缓冲器，是指将生产所需的物料比主 生产计划要求的时间提前供给，以防止瓶颈工序加工时间所造成的物料需求随机波动； 另一类是库存缓冲器，即我们通常所说的缓冲器，是指在瓶颈工序前设置区域，存放 一定数量的保险在制品，用来满足前述随机波动。3 ) 绳子( r o p e ) ：信息传递的作用， 连接鼓和缓冲器，使生产系统按照鼓点的节拍生产，同时反馈瓶颈信息给上游工序， 以便上游工序按照瓶颈的实际需求弹性生产，保证瓶颈不会发生停工待料情况的同时 实现自身均衡生产。“绳子 是由一个包含从原材料投入到最终产出的详细主生产计划 来具体实现的【3 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 i 产成品 总装配 ( 二) 分装配 口 缓冲器 - - 1 加工工序 - 瓶颈工序 么 原材料 、， 绳子 细t 略缱 图2 5d b r 系统示恿图 2 3 2t o o 体系优点： ( 1 ) t o c 理论的核心思想是要抓“重中之重”，即把瓶颈资源和非瓶颈资源准确 区分开来，找出其中最严重的制约因素，来作为关注点，从而有效避免了“避重就轻 或“一刀切”等管理弊病的发生。从生产调度和编排的角度看，用有限的生产资源优 先满足瓶颈的生产，这样才可以使整个生产系统的产出最大。 ( 2 ) t o c 不需要计算生产提前期，因为t o c 按照瓶颈约束来编排主生产计划， 所以生产提前期是一个以单工序加工时间、生产和转移批量、订单紧急性、外协能力 等因素为变量的函数，不再是一个可以准确计算的固定值，它随变量特性的改变而动 态变化。 ( 3 ) t o c 实现了计划与控制、推动与拉动的结合。在制定生产计划时考虑了控制 的需要，在预测控制中可能出现的问题时将生产计划因素考虑在内；在执行生产计划 时，由非瓶颈配合瓶颈来实现物流平衡，同时，如果发生“瓶颈漂移 现象，将重新 判定系统瓶颈，然后按照新瓶颈制定新生产计划与物流计划，实现控制反作用于计划 的功能，即系统反馈功能。推动式生产可以实现生产设备高利用率和系统高产出率， 但同时引发库存管理难题，而拉动式生产在库存管理方面有着优秀的解决方案，因此， 将两者结合起来编制生产计划，就实现