（机械制造及其自动化专业论文）板材剪切企业物料需求计划及其生产作业计划研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导_ 卜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， 也不包含为获得东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了谢意。 研究生签名：王壹因堕日期：2 丝! 笪! 三鱼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：三墓国旦导师签 醐：趔q 摘要 板材剪切企业物料需求计划 及其生产作业计划研究 研究生：王建刚 导师：许超教授 学校：东南大学 摘要 板料配送是现代制造供应链中的一个重要环节，板料配送企业是现代制造物流完善的一个新生 企业类型。处于供应链交叉节点上的配料中心在物料需求、生产作业等方面面临新的挑战。 论文深入研究了板材剪切企业物料需求计划的制定的特点，分析了这类企业根据客户订单进行 生产的作业模式。 在综合考虑车间作业计划和生产能力平衡、板材剪切加工的t 艺方法基础上，根据板材剪切企 业原材料互相借用的特点和内部结算规则，提出了适合这类企业的生产作业计划的数学模型以及基 于启发式算法，并通过实例进行了验证。 根据板材剪切企业自身特点，提出了区别与传统物料需求计划的板材剪切企业的物料需求计划 计算的数学模型和计算方法；在此基础上给出了生产成本最低，即剪切加工中原材料钢卷浪费最小 的数学模型和解决方案；探讨了原材料的借用策略和成本核算，并通过简单实例进行了验证。 对于板材配送企业，生产能力和生产效率是企业赢利的关键，因此课题的研究为开发适合板材 配送企业生产管理的系统建立了重要的理论基础，并对库存管理方法和板材下料作业计划的研究具 有一定的参考价值。 关键词：下料，车间作业调度，m r p ，板材，物料需求 a b s t a c t ap r o d u c t i o nm a n a g e m e n t s y s t e ms p e c i a lf o r s h e e tm e t a ld i s t r i b u t i o ne n t e r p r i s e b yw a n gj i a n g a n g s u p e r v i s e db yp r o f x uc h a o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t s h e e tm e t a ld i s t r i b u t i n gi st h ei m p o r t a n tp a r to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gs u p p l yc h a i n s h e e tm e t a l c u t t i n ga n dd i s t r i b u t i n gi n d u s t r yi sak i n do fn e we n t e r p r i s ef o rm o d e mm a n u f a c t u r i n gs u p p l yc h a i n t h e d i s t r i b u t i n gc e n t e rw h i c hi so nt h ec r o s sp o i n to fs u p p l yc h a i ni sn o wf a c i n gc h a l l e n g ei nm r pa n d p r o d u c t i o no p e r a t i o nf i e l d s t h em r p e s t a b l i s h i n gc h a r a c t e ro fs h e e tm e t a lc u t t i n ga n dd i s t r i b u t i n ge n t e r p r i s ei sd e e p l ys t u d i e d t h eo p e r a t i o nm o d e lo fa c c e d i n gt oc u s t o m e ro r d e ri sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h es t u d yo fp r o d u c t i o np l a ns c h e d u l i n g ，p r o d u c t i o nc a p a b i l i t yb a l a n c i n g ，s h e e tm e t a lc u t t i n g p r o c e s sa n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fr a wm a t e r i a l sb o r r o w i n ga n dt h er e g u l a t i o no fi n t e r n a lb a l a n c e ， t h em a t h e m a t i cm o d e lo fp r o d u c t i o np l a na n di t ss o l u t i o nb a s e do nh e u r i s t i ca l g o r i t h ma r ep r o p o s e da n d v e r i f i e db ye x a m p l e i nt e r m so ft h ec h a r a c t e r so fs h e e tm e t a lc u t t i n ge n t e r p r i s e ，t h em a t h e m a t i cm o d e la n dc a l c u l a t i o n m e t h o dw h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm e t h o da l ep r o p o s e d b a s e do nt h er e s e a r c h ，t h el o w e s t m a n u f a c t u r i n gc o s tw h i c ht h em o s ts a v i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fr a wm a t e r i a ls h e e tc o i lc u t t i n gi sa l s o p r o p o s e d t h er a wm a t e r i a lb o r r o w i n gs t r a t e g ya n dc o s ta c c o u t i n ga r ea l s od i s c u s s e da n dv e r i f i e db y e x a m p l e p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n de f f i c i e n c yi st h ek e yf o rs h e e tm e t a lc u t t i n ga n dd i s t r i b u t i n ge n t e r p r i s e t h e t h e r o t i c a lf o u n d a t i o no fm a n a g e m e n ts y s t e mf o rs u c he n t e r p r i s ei so f f e r e di n t h i sp a p e rw h i c hh a sc e r t a i n r e f e r e n c ev a l u ef o ri n v e m t o r ym a n a g e m e n ta n ds h e e tm e t a lc u t t i n gs t o c kp l a n n i n g k e y w o r d s ：c u t t i n g s t o c k , j o b - s h o ps c h e d u l i n g ，m r p , s h e e tm e t a l ，t h em a t e r i a lr e g u i r e m e n t s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 生产调度问题研究现状2 1 3 物料需求计划的研究现状5 1 4 板材剪切企业的研究现状6 1 5 课题研究的内容和理论框架7 1 5 1 课题研究的内容7 1 5 2 论文组织框架8 1 6 本章小结8 第二章板材剪切企业的生产作业调度问题研究9 2 1 生产作业计划概述9 2 2 生产作业计划制定1 0 2 3 基于启发式算法的生产作业调度模型1 3 2 3 1 问题描述1 3 2 3 2 数学模型1 4 2 3 3 生产作业调度启发式算法的基本思想1 8 2 3 4 生产作业调度启发式算法的调度算法1 9 2 3 5 实例验证2 1 2 4 本章小结2 6 第三章板材剪切企业的物料需求问题研究2 7 3 1 板材剪切企业生产现状分析2 7 3 2 板材剪切企业的物料需求计算2 9 3 2 1 板材剪切企业物料需求计划的特点2 9 3 2 2 板材剪切企业物料需求计划逻辑流程3 l 3 2 3 基于整数规划的板材剪切企业物料需求模型3 2 3 3 本章小结4 1 第四章板材原材料的借用策略研究4 2 4 1 板材剪切企业与传统制造企业原材料属性的对比4 2 4 2 板材剪切企业原材料的借用策略4 2 4 3 板材剪切企业原材料借用规则4 3 4 4 板材剪切加工中的原材料成本核算4 4 4 5 实例验证4 5 4 6 本章小结4 6 第五章总结与展望4 7 5 1 总结4 7 5 2 展望4 7 致谢4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 4 n i 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 物流管理有宏观物流和微观物流之分。宏观物流是指社会再生产总体的物流活动，是从社会再 生产总体的角度来认识和研究物流活动。宏观物流主要研究社会再生产过程物流活动的运行规律以 及物流活动的总体行为。微观物流是指消费者、生产者企业所从事的实际的、具体的物流活动即供 应链管理。在整个物流活动过程中，微观物流仅涉及系统中的一个局部、一个环节或一个地区。所 以物流管理实质上包含了供应链管理。供应链管理和微观物流管理的不同之处在于，供应链管理包 括物流活动和制造活动，而微观物流管理指的是原材料和零部件在各个企业之间的流动，不包括企 业内部的生产制造过程。物流管理贯穿了整个的供应链，它是供应链上各个企业连接的纽带，是企 业间相互合作的基础，冈此物流管理是供应链管理中特别重要的组成部分。研究表明，有效的供应 链管理总是能够使供应链上的企业获得并保持稳定持久的竞争优势，进而提高供应链的整体竞争力。 统计数据显示，供应链管理的有效实施可以使企业总成本下降2 0 左右，供应链上的节点企业按时 交货率提高1 5 以上，订货到生产的周期时间缩短2 0 3 0 ，供应链上的节点企业生产率增值提高 1 5 以上。因此，供应链管理已经成为提高企业的核心竞争力主要动力，而物流管理则又成为供应 链管理核心能力的主要组成部分。 所谓供应链，其实就是由供应商、制造商、仓库、配送中心和渠道商等构成的物流网络。同一 企业可能构成这个网络的不同组成节点，但更多的情况下是由不同的企业构成这个网络中的不同节 点。在供应链各成员单位间流动的原材料、在制品库存和成品等就构成了供应链上的货物流。所谓 供应链管理，就是指在满足一定的客户服务水平的条件下，为了使整个供应链系统成本达到最小而 把供应商、制造商、仓库、配送中心和零售商等有效地组织在一起来进行的产品制造、转运、分销 及销售的管理方法。它覆盖了从供应商到客户的全部管理过程，其主要内容包括外部采购、制造分 销、库存管理、运输、仓储、客户管理等。 供应链管理将从供应商到用户的物料( 零部件和成品等) 和信息进行计划、合作、控制，从而 提高用户服务水平和降低总的交易成本，并且寻求两个目标之间的平衡( 这两个目标往往有冲突) ， 从而使供应链各个节点上的公司成为利益一致的合作伙伴，使它们为了自身利益，自觉成为k 期战 略联盟的合作伙伴。正是由丁供应链管理的这些特点，使得供应链管理模式越来越受到人们的重视， 并且供应链管理已经成为公司提升市场竞争力的关键因素。 批量化、标准化生产的板材在形成产品或者社会消费品的价值链中属于原料，而且板材原料必 须经过流通、加工的中间环节才能成为形成最终产品的毛坯件。因此，板材剪切企业应运而生。 作为板材物流服务商的板材剪切企业，其功能是按照客户要求，将库存钢材经过开卷、矫正、 清理、剪切加工、检查等工序，把轧态的钢材加工成下游客户所需的各种半成品或零部件后，在最 佳时间内配送给每个客户，以满足客户的加工、配送、仓储、运输等需求，并最大限度地实现高水 平、低成本的钢材流通。由于它是根据客户所需钢材的规格、品种、数量进行资源的组合备库，集 1 东南人学硕j ：学位论文 中下料和合理套裁，因此不仅降低钢材流通费用和加- t 成本，还能最人限度地提高钢材利用率，减 少边角余料的浪费。这种集加工、配送为一体的物流服务不仅顺应了钢铁企业的发展需求和钢材供 应链的管理需求，还顺应了钢材用户的个性化服务需求，因而受到上游钢厂、钢材贸易商、以及下 游的汽车、家电、电子、建筑等产品制造行业的青睐，近年来得剑迅速发展。 在生产资料流通领域板材原材料占有很大份额。良好的流通模式直接影响着板材原材料生产企 业、板材剪切企业和以板材为原材料的制造企业的生产方式、效率和利益。板材剪切企业作为钢铁 企业与板材客户的板材供应链的枢纽，是板材流通的关键环节，其服务水平和效率直接影响着整个 板材供应链的管理水平和上下游企业的生产绩效。 目前，国内的板材流通的企业发展的比较晚。以板材剪切企业为代表的物流型企业面临的最主 要的问题就是企业物流和生产管理的优化。近年来随着板材剪切企业生产规模和市场需求的不断扩 大，客户订单类型的增加，不同类型订单、同一原材料卷材借川情况增多，生产过程中原材料的浪 费以及车间生产作业的排序和生产能力平衡等问题使生产信息管理更加的复杂。由于极材剪切企业 自身的特殊性，一些传统制造企业的生产管理方法并不能满足它的需要。因而企业无法及时、准确、 全面地掌握企业生产的实际情况，如板材剪切加工的情况，原材料的库存和使用情况，企业生产线 的负荷情况等等；对于生产管理中的各种数据就不能准确、及时地和学握处理，发出准确的生产决 策指令，从而造成紧缺件库存短缺、冗余件库存积压、生产线负荷不均衡、因缺原材料和等待中间 半成品而导致的非正常生产停工事故等等问题的出现，造成企业生产管理的混乱。因此，解决因板 材剪切企业中存在的物料需求计算模糊问题而导致的生产浪费、车间生产作业调度的无序问题，对 提高企业库存管理和车间生产管理水平和效率，增强企业市场生存能力和竞争力十分重要。 由此本文提出扳材剪切企业的物料需求计划理论和物料需求计算模型和方法，并研究与其关系 密切的车间生产作业调度和板材原材料借用问题。 1 2 生产调度问题研究现状 调度问题的研究伴随着运筹学的发展应用而发展的。上世纪5 0 年代，欧美等国家的工厂生产线 管理和调度的现实困难使得对调度问题的研究成为了当时时代的迫切要求。最先在1 9 5 4 年，j o h n s o n 首次提出了解决部分特殊的n 3 f c m a x 问题和n 2 f c m a x 的优化算法，从此对于调度问题研究就正 式开始了【l 】o 而国内对于调度问题的研究起步比较晚，直到1 9 7 5 年，中国科学院研究员韩继业等人 才在中国科学发表了论文“n 个零件在m 台机床上的加工顺序问题”，标志着国内调度理论的研 究的开始。【2 1 在对调度问题的研究之初，研究的数学方法主要为动态规划、混合或纯粹整数规划、分支定界 等，所有的研究都侧重于理论上的探讨，并且对于调度问题在理论上企图获得全局最优解。到了6 0 年代，随着研究的深入，调度问题的复杂性越来越得到深刻的认识，使得研究用简单的规则方法来 解决调度问题成为迫切的需要。并且，随之调度理论的主体框架最终得到确立。到了7 0 年代到8 0 年代初，以1 计算理论专家c o o k 3 1 、l a w l e r 掣4 为首的学者深入研究了可计算性和计算复杂性，从而 证明了调度问题中的绝大多数问题都是n p - h a r d 问题，这种问题不存在有效的多项式求解方法嶂】。因 此，学者们开始寻找有效解决它们的启发式方法，至此，经典调度理论发展成熟。因此，p a r k e r 把 2 第一章绪论 1 9 7 0 年以前的时期称为b c ( b e f o r ec o m p l e x i t y ) 时代，其后称为a d ( a d v a n c e dd i f f i c u l t y ) 时代【6 】。 从上世纪8 0 年代以米，随着生命科学、计算机技术和工程科学等学科的迅速发展，使得通过模仿白 然现象运行规律而发展的启发算法开始应用于求解调度问题，并且显示了解决大规模调度问题的潜 力。例如，早期的遗传算法、模拟退火、禁忌搜索算法、神经网络、约束满足算法、蚁群算法、粒 子群优化算法和d n a 算法等。随着基于自然机制的启发式算法不断发展，它们的计算效率和实用性 也得到不断的提高。 虽然经典调度理论已经发展成熟，但是为了使研究更具可操作性，在研究过程中对实际的调度 问题仍然进行了人量的简化。实际生产中的调度问题的模型相对于经典调度问题要复杂的多，而且 具有随机性、不确定性、多资源、多约束、等特点、多目标性。理论研究的目的就是为了解决实际 中存在的问题，因此如何将经典调度理论研究所取得的成果转化为解决实际生产调度中存在问题就 成为迫切需要解决的问题。从1 9 8 0 年以来，众多学者就致力丁尝试将调度理论成果用丁解决实际调 度问题，调度研究从此真正迈入实际应用研究阶段。 优化下料问题c u t t i n g s t o c k p r o b l e m ( c s p ) 是指将零件在板材原材料上进行排布，切割下料， 确定合理的下料方案使得材料利用率最高。近年来优化下料问题越来越受到了国内外的关注，其 主要原冈有三个方面：一是巨大的经济效益。合理的下料方案可以为制造业节约巨额生产成本，而 且很容易比较出合理的下料方法所带来的经济效益是十分巨大的；二是对于计算机辅助设计和自动 化设计的应用意义非凡：三是j 1 泛的应用领域。其广泛应用丁机械、船舶、建筑、钢铁、车辆、皮 革、玻璃、造纸等行业，通过优化下料可以为行业节约大量资金、并减少生产废弃物的产生。优化 下料问题的研究始于俄罗斯经济学家k a n t o r o v i c h 7 】1 9 3 9 年对一维的问题进行的研究。但是直到 1 9 6 1 到1 9 6 5 年期间，g o m o r 7 和g i l m o r e 对c s p 的研究才最先取得重要突破i s , 9 1 。他们提出了求解 一维c s p 问题的的具体方法即列生成技术，并且首次对二维c s p 问题进行了分析。但是由于当时计 算工具的限制，在当时并没有引起足够的重视。到了1 9 7 0 年，随着现代优化技术的发展和高性能计 算机的出现，对c s p 的研究应用成为可能，所以对于优化下料问题的研究又成为关注的焦点，国内 外研究机构也冈为其巨大的经济利益纷纷投入人力物力投入该研究，所有这些研究都取得了许多结 论和成果。1 9 8 8 年，下料问题兴趣小组s i c u p ( s p e c i a lh l t e f e s tg r o u po nc u t t i n ga n dp a c k i n gp r o b l e m ) 1 o 】 随之成立了。从此，关于优化下料问题每年都有许多关于一维、二维及其相关应用问题的研究文章 发表于多种刊物，如信息与计算机、管理科学、数学与运筹学、工程科学等方面刊物。国内近几年 来在优化下料问题上也进行了一些的研究 1 1 , 1 2 1 ，取得不少成果，应用的也不少，但都不是很成熟。 究其原冈，主要是因为优化下料问题是一个n p 完备问题，加上实际问题的限制条件不同，使得问 题更加复杂，使得至今为止没有通用的解法。 对于下料问题的两个关键技术问题截至目前还未能得到解决：第一是巨大数量的初始切割方式 的规划优选问题。一般地，可行的二维下料初始切割方式的数量是非常多的，零件排料时的组合方 式也非常复杂，而零件的数量巨大是造成切割方式数量非常大的根本原冈。一般情况下，对于一维 条料的下料问题，可行的切割方式数量就极可能大于百万，那么二维板材下料问题的切割方式相对 于一维条料来说更加复杂，数量也更加巨大，即使是利用世界上最先进的高速计算机，也无法使所 有可行切割方式参与规划优选。第二种是整数规划计算中的收敛性问题。由于下料问题规划中计算 机舍入误差和涉及的变量太多因素，使得的整数规划求解极其困难。虽然很多理论上完全可行的方 3 东南大学硕l ：学位论文 法，但在实际应用上则根本行不通。因此，国内外火量文献均认为整数规划的求解极其困难。这是 解决下料问题所面临的两大难题。 迄今为止，国内板材企业对于板材下料有两种模式： ( 1 ) 人工排料。对于一个工程项目，首先分解其结构，计算出下料数据，然后由机床操作的工 人进行人工排料，再在机床上根据排料方案完成板材的剪切。这种方法适用于工件类型单一，数量 较小的情况。当板材数据量非常大时，仅靠人工来完成下料- 丁作，其结果必然是工作效率和原材料 利用率都极其低下，而且不能预先控制原材料和工时，使生产计划安排和原材料的管理很难进行。 ( 2 ) 优化软件辅助排料。根据最优化领域的理论和应用，凭借现代计算机，利j j 计算机存储， 处理数据的能力，来实现下料的方案的合理优化。相对于人工排料，这种方式人人提高了原材料的 排料效率和利用率。近年来，越来越多的现代化制造企业都由传统的下料方式向这种现代的优化下 料方式转换。 随着理论研究的深入和计算机技术、优化技术的发展，一系列力求解决实际问题的排样软件也 不断出现，从最早的交互排样到自动排样，各种排样系统也随着排样算法的研究而发展。例如美国 的u n i g r a p h i c ss o l u t i o n 公司的u g s h e e tm e t a ln e s t i n g 、英国r a d a n 公司的n e s t i n g 、英国j e t c a m 公司推出的智能钣金c a d c a m 软件。同时，国内也有软件公司、高校和科研机构开发了排样软件 开发。华中科技大学、上海交通大学、清华人学等学校都致力于排样算法的研究和软件系统的应用 开发。例如华中科技大学最先开发了冲裁件排样系统；曹炬推出了一维优化、异形件排样、矩形件 排样的优化排样软件系统【1 3 】：滕弘飞等对航天器舱布局方案设计进行了研究，查建中等陋1 8 1 对集 装箱装运问题进行研究。还有国内引进的德国的m e s s 软件，太原重型机器厂以m e s s 软件为“蓝本” 设计的的排样软件。目前，国内对于排样问题的研究无论是在广度上和深度上都和国外有很大差距。 虽然排样系统软件类型和数量众多，但是这些软件系统对于解决国内板材行业存在的实际问题 来说，都有很大缺陷： ( 1 ) 虽然软件的优化能力不相上下，但都不能保证最优解的稳定性。很多时候还会出现优化后 的还不如人工排料的材料利用率的情况。 ( 2 ) 优化侧重于理论化和数据化，很难完全满足不同企业的生产实际。这些软件都侧重于对下 料数据的优化和计算，很多时候都不符合企业的生产实际情况。针对这种情况，虽然一些专用设备 如带优化下料软件的数控玻璃切割机，带优化软件的自动化加工设备，带优化下料软件的数控送料 机，有带优化下料软件的数控锯等的出现解决了部分企业的问题，但是由于其适应面窄，很难与与 板材企业现有的基础数据和加工设备进行衔接。 ( 3 ) 这些系统通用性差，难以灵活安排下料。由于国外的板材企业的生产实际和面临的问题与 国内板材企业存在着较大差异，所以这些针对本国企业设计的软件难以适应国内企业生产的需要。 而且国内的排样软件都是针对某一企业为目标设计开发的，其很难在发展水平参差不齐国内板材企 业生产实际中取得良好的效果。 正是由于这些软件缺陷的存在，使得国内的板材剪切企业在生产实际中难以实现完全的优化软 件辅助排料，更多的企业是人工和优化软件的结合。因此，对于研究适合国内板材企业实际的优化 下料的理论成为急需解决的问题。 4 第一章绪论 1 3 物料需求计划的研究现状 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 ，简称m r p ) 是为制造企业实现准时生产、减少 库存的基本方法：将企业产晶的各种物料分为独立物料和相关物料，并按时间段确定不同时期的物 料需求；基于产品结构的物料需求组织生产，根据产品完上日期和产品机构制定生产计划，从而解 决库存物料订单和组织生产问题【l9 1 。迄今为止人多数的研究只是关注从产品剑零部件的物料需求计 算问题，而在制造过程中由原材料向零件毛坯制造的问题以及解决它的方法几乎是空白。 e d w a r d 认为m r p 是处理具有装配结构的产品1 f 常有用的上具，因为它允许结构化的材料明细表 ( b i l lo f m a t e r i a l ，b o m ) 与m r p 数据集成，以便生成每个层次上对工件的正确需求。e d w a r d 采h j 低 层编码( l o w 1 e v e lc o d e ) 确定零部件在正向结构树上的层次，在0 层是最终产品，最底层只是达到 零件，冈此所描述的是由零件到产品的计划过程【2 0 1 。n a n u a 认为物料需求计划是一个由逻辑过程组 成的基本信息系统，在一个制造环境中管理装配的零部件、工件和原材料库存，一个m r p 系统的主 要目标是确定材料明细表上每个物料数量，并且考虑在何时进行制造或购置。n a n u a 甚至提及到零件 是由原材料制造，认为这个过程冈产品而异，但并没有继续深入l z l | 。 2 0 世纪5 0 年代提出了高级生产计划排程( a d v a n c e dp l a n n i n g & s c h e d u l i n g ，简称a p s ) 的理论， a p s 是一种基于供应链管理和约束理论的先进计划与排产工具f 2 2 彩】。a p s 高级计划排程系统从m r p 的盲点发展而来，其考虑生产过程中的多种因素，如班次、产能、当前负荷能力等，并能根据车间 生产现状实时对生产进行调度，它借助一些复杂的数学运算方法来处理多种变量，使供应链的优化 成为现实【2 4 1 。l o r i n c z 认为先进计划系统是一个技术的集合，可以推动或自动进行人类的决策，或是 由在支持客户计划的操作基础上求解复杂问题的方法组成【2 5 1 。l o r i n z 只是宏观提出了问题，没有具 体所指以及具体的方法和措施。u m b l e 在谈及企业资源计划的发展时指出：当前的一些系统只是执 行陈旧的逻辑更加快捷和实时，这个领域已经成熟到以新的方法对这些旧问题进行改进的时机，这 也许包括在这个动态环境下共同生存的同样技术伙伴【2 6 1 。显然，u m b l e 已感觉到那些陈旧的逻辑即 将革新，但对未来发展只是一个预感。 与传统物料需求计划不同的是，板材剪切企业的物料需求计划始于零件毛坯而止于原材料。对 原材料或中间工艺的板料而言，相对于零件的毛 坯是相关需求。但这个相关的需求存在一对多的 关联，即外部客户订单要求的零件毛坯件，可能 板材厚度相同、材质相同而尺寸不同，可以通过 对同一张板材的切割得到。由于受订单需求时间、 板材利用率、切割工艺、生产能力等众多因素的 影响，卷料或板料的需求存在变化。此外，卷料 或板料在下料过程中必然存在余料和废料。一些 余料可能通过再利用，成为正材。这又会影响制 造过程中对原材料的需求量。因此板材剪切企业 对原材料的需求是相关需求，并具有模糊性。 5 图1 1 板材开卷剪切企业物料需求工艺结构树 东南人学硕j ：学位论文 对丁板材剪切下料，当确定钣金原材料的基本规格之后，一般按照毛坯的面积和重量确定采购 和切割下料，所以这里的物料需求的上下层关系和需求信息是通过面积和重量参数进行继承和传递 的。 由于板材剪切企业生产的最终产品来自于对卷料的剪切，所以m r p 的计算是利用原材料切割加 工工艺b o m 来划分各级物料。即把从钢卷开卷到生产出毛坯什的整个过程的不同阶段作为不同物料 层次，把同一加上阶段的材料作为同一层次的不同物料对象。如板材材料的切割加工一般先在钢卷 上通过开卷线剪切为大尺寸的板料，在板料上继续加丁不同尺寸的条形材料( 条料) ，再对条料进行 下料得到需要的各零件毛坯材料。按照这个加t _ t 艺过程来划分物料层次和物料对象，可以得到一 个从上到下聚合的结构树，如图1 1 。实质上它是制造过程中原材料向零件毛坯方向的物料需求问题。 这也是目前传统的m r p 理论无法解决和尚朱涉及到的盲区。 而传统m r p 计算中，结构树的不同层次之间的关系是通过装配关系联系在一起的，即每一个上 层物料和下层物料可以通过具体零部什的名称和数量来确定需求信息，依据是产品结构树即一个从 上到下分散的结构树，且各层次之间的数量和关系是明确的，是从产品到零件的需求计算问题。 由此可见，现有的研究关注的只是传统m r p 理论所涉及的从产品到零件的需求计算问题，而在 制造过程中由原材料向零件毛坯制造的问题以及解决它的方法并没有提及。本文将分析板材剪切企 业物料需求计算存在的问题，借鉴物料需求计划的一般原理并结合板材剪切企业行业的特点，给出 板材剪切企业物料需求的数学模型，提出一种符合板材剪切企业特点且行之有效的物料需求计划的 理论和计算方法。 1 4 板材剪切企业的研究现状 板材剪切企业是板材物流的中间服务商，其功能主要是根据下游客户订单所需要板材原材料的 品种、规格和数量，从上游的供应商处进行原材料的组合订购、备库，将库存的板材原材料经过开 卷、矫正、剪切加工等上序，加工成下游客户订单所需的毛坯件或者零件，并在客户要求的时间内 准确配给给客户，最人限度地减少板材浪费，降低板材流通和加工费用，从而实现高效率、低成本 的板材流通【2 7 1 。板材剪切企业作为联系上游钢铁企业和下游客户的纽带，其服务水平直接决定着板 材供应链的流通水平和上下游企业的生产经营业绩，因此，近年来得到迅速发展，并成为国内外学 者关注的焦点。他们对其的研究主要集中在以下几个方面。 1 ) 王小燕、董梅等人从板材剪切企业建立的必要性出发，探讨了其形成的内因1 2 引。随着钢铁产 业体系的发展和钢铁下游制造业的深入发展，使得板材原材料市场一直处于供过丁求的境况，为了 追求最大的经济效益，板材流通经营者就必须抛弃传统的流通模式，采用板材剪切企业的模式来降 低板材流通和加工费用，减少板材浪费，从而赢得市场。同时，板材剪切企业能够提高板材原材料 供应链流通的成本和加工成本，满足其上下游企业的各自需求，适应市场对板材流通的需求，对于 板材流通的供应链进行了进一步优化【2 9 3 0 】。 2 ) 艾上刚、曲红涛等人从板材剪切企业的建立和应用情况出发，进一步研究了地理选址、布局 以及投资主体等具体情况 2 8 , 3 0 - 3 4 1 。针对国内板材剪切企业起步比较晚，发展初期出现的服务水平低、 功能较少、流通环节冗余等问题，包斯文等人反思了板材流通模式的结构体系，针对性的提出了一 6 第一章绪论 些很有价值的解决策略和建测”36 | 。 3 ) 方晓蓉、江从发等人从板材剪切企业的运作模式出发，研究了运作中不同环节的问题。其主 要体现在以下两个方面：一是从最佳服务半径、绩效评价和配送定价的三个方面着手，理论上研究 了板材剪切企业在生产管理中的涉及问题【3 7 1 。二是国内的一些大型钢铁企业也在运作模式方面进行 了探索2 3 1 。例如宝钢拟建成国内规模最大和服务最优的板材现代流通体系【3 8 】，它对其下属的板材剪 切企业进行了资源、管理、技术等方面的整合，期望快速、及时的应对、满足国内市场的变化和客 户的需求。板材供应链相关企业只有紧密的结为利益共同体，相互配合，发展具有增值服务的运作 模式才能适应市场不断发展的要求p 圳。 4 ) 何方威、r o yrn 等人从服务水平方面进行了研究。何方威在研究了国内钢铁企业的深加- 模式基础上，提出了提高板材剪切企业加j l 能力和对市场的应变能力的一些战略措施：提高加工品 的质量和档次、加速剪切加一r 自动化成套设备的开发和顺廊市场对板材制品的需求等m 】。r o yrn 等对j i t 运作模式在板材剪切企业应用中对企业服务水平和质量的提高进行了研刭4 。 5 ) p o t e r a 、陈卓等人根据板材需求的个性化和板材剪切企业的集成化发展趋势出发，对板材剪 切企业的物流服务和发展战略的集成化进行了研究【4 2 】。p o t e r a 主要研究了英国板材物流供应链从传 统分散独立化向集成化演变的发展过程，阐述了板材剪切企业利j h j 信息管理手段监控和管理库存， 实现按订单或库存生产的敏捷供应链的管理模式，可以大大提高板材物流水平【3 。h a f e e z k 还用仿 真手段证明了钢铁供应链模型在人工操作和计算机处理相结合时，对于供应链中出现的断货和库存 有限等变化情况，能快捷，精确地实现最小库存【4 3 1 。陈卓、吴学军提出板材流通的各个企业加强合 作，构建一个涵盖板材加工、信息服务、物流管理的现代化的板材物流服务体系，提供更加适合下 游客户生产需要和业务流程的产品和服务m 】。 综上所述，目前国内外对于板材剪切企业的研究主要集中在现状剖析、地理选址、运作模式、 服务水平和发展趋势等几个方面，没有研究板材剪切企业生产中的物料需求计算问题；也没有对于 其生产中涉及到的原材料借用问题进行研究；也没有对于板材剪切企业的生产作业调度进行探讨。 由于缺乏理论的指导，导致了目前国内板材剪切企业生产中原材料浪费严重、生产作业调度无计划、 生产线负荷不均、企业库存中原材料积压或短缺等一系列问题的产生。这就成为课题提出的主要原 因所在。 1 5 课题研究的内容和理论框架 1 5 1 课题研究的内容 论文是在对某板材剪切企业生产实际进行调研的基础上，研究板材剪切企业的生产作业调度问 题和物料需求计算问题以及与其相关的原材料借用问题。板材剪切企业的物料需求计算运用传统的 m r p 理论无法有效解决，目前属于研究的盲区，而且与其关系密切、影响其解决的还有板材原材料 的借用和生产作业调度问题。主要研究内容如下： ( 1 ) 针对目前板材企业中生产作业调度的无序、低效和生产线能力负荷不均的问题，本文提出 了基于启发式算法的生产作业调度的数学模型，并进行了实例验证和对比。 7 东南人学硕j ：学位论文 ( 2 ) 利用上述研究结果，在对板材剪切企业生产现状分析的基础上，阐述了其物料需求计划问 题研究的必要性，从而引出了该问题。随后进一步分析了板材剪切企业物料需求计划与传统m r p 理 论不同的特点，并提出了基丁板材剪切企业物料需求计划理论和计算的方法。 ( 3 ) 根据板材剪切企业的物料需求计划理论，提出了板材剪切物料需求计算的数学模型和计算 方法，并进行了实例验证。 ( 4 ) 从板材剪切企业与传统制造企业原材料属性的对比出发，分析了板材原材料借用问题出现 的原因，在此基础上提出了板材原材料的借用策略和借用规则。 1 5 2 论文组织框架 1 6 本章小结 第一章绪论 ( 提出问题) j i 第二章板材剪切企业的生产作业调度f a 题研究 、 ( 分析解决问题) 土 第三章板材剪切企业的物料需求问题研究 ( 分析解决问题) 第网章板材原材料的借用策略研究 ( 分析解决问题) 上 第五章总结与展望 ( 结论) 图l - 2 论文研究的组织结构 给定假设 r j 分析、解决、验证 r l 结论 上 本章系统地介绍了课题提出的背景和研究的意义，总结了生产作业调度问题和物料需求计划的 研究现状，并结合国内外关于板材剪切企业的研究现状和国内板材剪切企业目前生产中存在的问题， 提出了课题研究的内容和理论框架。 8 第一二章板材剪切企业的生产作业调皮问题研究 第二章板材剪切企业的生产作业调度问题研究 2 1 生产作业计划概述 生产管理的主要职能就是生产计划与控制。生产计划是关于企业生产运作系统总体方面的计划， 是企业在计划期应达到的产品品种、质量、产量和产值等生产任务的计划和对产品生产进度的安排。 它是指导企业计划期生产活动的纲领性方案。因而生产计划是生产过程中执行的依据，又是实行控 制的标准，是生产管理的首要职能。根据企业在生产经营活动的目的不同，可以将生产计划按：r 作 性质划分为日程生产计划、月度生产计划和期间生产计划；或者划为生产作业计划和总体生产计划； 或者先分为战术性计划和战略性计划，然后再将战术性计划分为生产作业计划、生产过程计划和全 局性计划。其中的生产作业计划是为完成“综合生产计划”所规定的期限、对物质形态转换的决定， 而必须提出具体的时间( 日程) 进度表，规定何时、用何设备、由谁进行何种操作。生产作业计划是 属于执行计划的，它是按照战术计划的大纲制订的，是为了实现战术计划而制定的。而作业计划又 是生产计划的执行计划，是指挥企业日常具体生产活动的依据，因此它和排序、工艺的关系特别密 切。本论文的研究对象是某板材剪切企业的车间生产作业计划。 一般来说，对于生产活动中的订单作业来说，都存在开始、就绪、运行、完成四个作业状态， 这四个作业状态是可以相互之间进行转换的。生产之除，所有待调度的订单作业状态都是开始状态。 当某订单作业满足了运行条件( 当前调度时刻处丁此作业的最早开始时间和最晚开始时间之间，且前 驱作业已经完成) ，它的作业状态就转换为就绪 状态。此时，如果它所需要的设备资源满足的话， 则它的作业状态就转化为运行状态。此时如果有 优先级比高的就绪订单作业与它抢夺设备资源 的话，则它立刻将已经完成的部分作业从运行 状态转化为完成状态，未完成的部分作业从运行 状态转化为就绪状态，等待后续设备资源满足时 进行加工。若该作业已经加工完成，则它的作业 状态就从运行状态转化为完成状态。同时，通知 它的后续作业，此时其前驱作业数目减1 ，如果 某个作业的前驱作业数目为零则表示该作业为 关键作业，并且在拥有除设备资源以外的运行条 件时就处于就绪状态。因此将生产资源最合理地 配置给各生产任务，形成各个作业单位在时间周 期的进度日程计划。如图2 - i 所示。 企业生产计划的具体执行计划是生产作业 计划。其具体性表现在对生产计划规定的产品任 图2 1 板材剪切企业订单作业状态逻辑图 务在时间、空间、规格等方面的分解，因此，生产作业计划就是规定产品生产计划的时间、数量、 9 东南人学硕j 二学位论文 期限及产品的生产工艺要求。编制生产作业计划所涉及的主要决策问题为：不同产品生产顺序的确 定；某一产品生产批量以及生产进度日期的确定，在本文的研究中，以确定产品的生产加：r 顺序为 主要研究问题。在企业日常生产活动中，生产作业计划的作用十分重要。生产作业计划制定的恰当 与否直接关系着企业人力、财力、物力资源是否能够得到合理利用的关键，从而直接决定了企业自 身生产、经营和管理效率。生产作业计划的任务是以企业现有的生产条件为基础，以产品交货期为 前提，合理安排计划期内各个生产单位或加工单元的生产活动，合理安排产品的加j l ：顺序和路径， 实现企业既定的生产经营目标。 近几年来，生产作业计划问题受到越来越多的关注