（管理科学与工程专业论文）基于约束理论的订单排产研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 经济全球化以及当前消费者对产品个性化需求的日益增长，企业对市场的需求和预测 越来越难以把握，传统的推动式生产方式受到冲击，企业的计划管理工作由计划推动式生 产向客户需求的拉动式生产转变；同时，企业面临市场细分的威胁，制造行业的生产模式 已经由规模经济下的大规模生产转向了为获得竞争优势的大规模定制：行业竞争愈演愈 烈，各企业为获得利润的最大化，在企业向外增加销售额的同时，企业内部通过各种管理 方法不断降低生产成本，提高生产效率。 因此，对于订单型企业，如何能够更加合理地制订生产计划，既能够满足不同客户的 个性化需求，又能够充分利用企业现有产能，就成了企业现阶段急需解决的关键问题之一。 本文就基于约束理论的订单型企业订单排序问题进行了相关讨论。论文共分为五部分，具 体内容及研究工作如下： 第一章绪论部分，阐述论文研究背景及研究意义，分析和归纳国内外相关研究成果， 阐述本文的主要研究框架。 第二章探讨了生产计划与订单排产的一般性问题，通过分析m r pi i 系统和j n 系统 的排产方法及存在的局限性，提出了基于约束理论的生产排程方法。 第三章论述了约束理论的排产方法和特点，详细阐述了瓶颈资源的排产方法，并介绍 了瓶颈资源前的缓冲设置。 第四章为本文重点，对订单型企业订单排序问题进行深入研究，在分析了基于约束理 论的订单排产方法的基础上，提出了排序的优化模型，并给出了算例。 第五章对本文主要工作予以总结和指出不足，并对今后的研究作展望。 关键词：约束理论生产排程订单排产排序 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a l i z a t i o no fe c o n o m ya n dt h ec o n s u m e rp r o d u c t st ot h ei n c r e a s i n gd e m a n d ， e n t e r p r i s et ot h ed e m a n do ft h em a r k e ta n dp r e d i c tm o r ed i f f i c u l t ，t r a d i t i o n a lp u s h - t y p e p r o d u c t i o nm e t h o d su n d e ra t t a c k ，a l l o w sb u s i n e s s e sf r o mt h ep l a n n e dp r o d u c t i o nt oc u s t o m e r d e m a n d d r i v e np u l l t y p ep r o d u c t i o nc h a n g e a tt h es a m et i m e ，e n t e r p r i s e sa r ef a c i n gt h et h r e a t o fm a r k e ts e g m e n t a t i o n m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y p r o d u c t i o nm o d eh a sb e e nd r i v e nb y e c o n o m i e so fs c a l eo f m a s s p r o d u c t i o n t oo b t a i n c o m p e t i t i v ea d v a n t a g e f o rm a s s c u s t o m i z a t i o n ；i na d d i t i o n ，d u et oi n t e n s i f i e dc o m p e t i t i o ni nt h ei n d u s t r y ，v a r i o u se n t e r p r i s e s i no r d e rt oo b t a i np r o f i tm a x i m i z a t i o n ，w h e nt h ee n t e r p r i s ef r o mt h ee x t e r n a li n c r e a s es a l e s ， e n t e r p r i s et h r o u g hav a r i e t yo fm a n a g e m e n tm e t h o d st oc o n t i n u o u s l yi n c r e a s ee f f i c i e n c yo f p r o d u c t i o na n dd i m i n i s hc o s to fo u t p u t t h e r e f o r e ，i no r d e rf o rm t o ( m a k et oo r d e r ) e n t e r p r i s e s ，h o wc a nm o r er e a s o n a b l em a k e p r o d u c t i o np l a n ， b o t hc a ns a t i s f yd i f f e r e n tc u s t o m e r s d e m a n da n dm a k ef u l lu s eo ft h e e n t e r p r i s ee x i s t i n gc a p a c i t y ，e n t e r p r i s en e e dt os o l v e o n eo ft h ek e y p r o b l e m sa tp r e s e n t i nt h i s t h e s i s ，b a s e do nt h et h e o r yo fc o n s t r a i n t sm t oe n t e r p r i s eo r d e r st h es c h e d u l i n gp r o b l e m sa r e d i s c u s s e d t h et h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s ，t h es p e c i f i cc o n t e n ta n dr e s e a r c hw o r ka r ea s f o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri si n t r o d u c t i o n ，f i r s te l a b o r a t e dt h i st h e s i ss t u d yo ft h eb a c k g r o u n da n d t h es i g n i f i c a n c e ，t h e nf u r t h e ra n a l y s i sa n di n d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nc o r r e l a t i o n s r e s e a r c hr e s u l t s ，l a s t l ye l a b o r a t e dt h i st h e s i sm a i nr e s e a r c hc o n t e n t t h es e c o n dc h a p t e ri st h e o r e t i c a lb a s i s ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ep r o d u c t i o np l a na n d p r o d u c t i o no r d e r s ，t h r o u g ha n a l y s i sm r pi is y s t e ma n dj i ts y s t e mo fp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g m e t h o da n dt h ee x i s t i n gl i m i t a t i o n s ，p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nt h e o r y o fc o n s t r a i n t s t h et h j r dc h a p t e r ，d i s c u s s e st o cs c h e d u l i n gm e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h e s i s e x p o u n d st h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gm e t h o do fb o t t l e n e c kr e s o u r c e s ，a n dt h em e t h o do fb u f f e r s e t u pb e f o r er e s o u r c eb o t t l e n e c k t h ef o u r t hc h a p t e ri st h ep o i n t ，ad e e pr e s e a r c ho nt h em t o e n t e r p r i s eo r d e rs c h e d u l i n g p r o b l e m ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h et h e o r yo fc o n s t r a i n t si nt h eo r d e ro nt h eb a s i so ft h em e t h o d o fp r o d u c t i o n ，s c h e d u l i n go p t i m i z a t i o nm o d e lp r o p o s e d ，a n da ne x a m p l ew a sg i v e n f i f t hc h a p t e rs u m m a r i z e dt ot h i sa r t i c l em a i nw o r ks p e a ra n dh a dp o i n t e do u tt h i sa n a l y s i s i n s u f f i c i e n c y ，a n dw i l ls t u d yt h ee x p e c t a t i o no ft h ef u t u r e k e yw o r d s ：t h e o r yo fc o n s t r a i n t s p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g o r d e rs c h e d u l i n g s o r t i n gm o d e l 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 王型查 日期： 加z 馆； 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部f 3 ( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：j 丕主圭 指导教师签名： 瑾l ! 鱼 日期： 加7 ，z ：岁 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着市场经济的不断发展和科学技术的进步，企业的生产方式也由传统的备货型生产 向以市场为中心的订单型生产方式转变。由于最终产品在收到订单后才能确定，企业接到 订单后才能依照客户需要进行原材料采购和组织生产，因此，需求的不确定性对企业的计 划和控制提出了很高的要求。如何在满足客户对产品质量和交货期等要求的情况下，依据 企业生产能力，制定合理的生产计划，是企业需要解决的问题。 在订货型生产企业中，生产优先权的确定是制订生产计划首先要解决的问题。通常， 企业中各个部门从本部门利益出发，都有不同的观点，难以获得企业整体最优的效果。约 束理论认为，企业的目标只有一个赚钱，每个企业在实现其目标的过程中都存在瓶颈 约束环节。系统的瓶颈资源决定生产系统的产出，为了改善企业的盈利能力，企业管理者 必须着眼于对瓶颈的发现和管理。因此，订单的生产优先次序应依据瓶颈资源单位时间消 耗所获得的产出的大小来确定：即瓶颈资源单位时间消耗所获得的产出越大的订单应获得 越大的优先权。此外，线性规划理论和层次分析法也从不同角度给出了确定优先权的原理 和方法。 在新的条件下，从新的角度，应用新的方法研究、借鉴、发展制约因素理论，探讨基 于约束理论的订单型企业订单排序方法，不仅具有重要的理论价值，而且具有实际应用价 值。本文以约束理论，线性规划理论和层次分析法为基础，探讨了确定生产优先权的新模 型，并给出了算法实例。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 最早在理论上对o p t 进行研究的是以色列物理学家g o l d r a a 博士( 1 9 7 9 ) ，最初它被称 作最优生产时间表( 0 i p t i m i z e dp r o d u c t i o nt 枞l e ) ，后来改称为最优生产技术。 一般认为o p t 综合了m i 冲和j i t 系统的优点，借助计算机等现代化管理工具，是一种比 较有效的生产控制方式。事实上o p t 不仅仅是生产时间表，它还是综合生产计划，是市场 策略的一部分。最优生产技术o p t 的主要思想是，系统的瓶颈资源制约着系统的产出能力， 而非瓶颈资源的充分利用不仅不能提高有效产出，而且还因过多生产出一时并不需要的零 件使库存增加，导致生产成本升高。o p t 的主要处理逻辑就在于找出瓶颈工序，使瓶颈工 序上的资源得到充分利用，在此基础上追求物流的平衡，以求生产周期最短、在制品最少。 八十年代末，g o l d r a t t 在o p t 的基础上，对整个企业的经营进行深入研究，在理论上突破了 生产管理的范畴，初步提出了追求持续优化的管理决策思想，于1 9 8 7 年以约束理论( t o c ) 对这一理论正式加以命名。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 g o l d r a t t ( 1 9 8 6 ) 在a p i c s 第二十三届国际年会上提交了一篇关于o p t 的论文“o p t i m i z e d p r o d u c f i o nt i m e t a b l e ：ar e v o l u t i o n a r yp r o g r a mf o ri n d u s t r y ：a p i c s 对t o c 的有效性和重 要性给予充分肯定，于1 9 9 5 年成立了专门的研究小组c m s i g ，以举行国际性年会和出版 刊物的形式，进行t o c 思想及实践经验的交流。g o l d r a t t 在( 1 9 8 8 ) 在“c o m p u t e r i z e ds h o p f l o o rs c h e d u l i n g 中指出在o p t 软件b u i l d n e t 模块中组织数据支持o p t 生成瓶颈环节的 主生产计划：f r y ，c o x ，b l a c k s t o n e ( 19 9 2 ) 等人在“a na n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f t h e o p t i m i z e dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ys o f t w a r ea n di t su s e 中第一次详细描述了o p t 软件，软 件包括四个部分：b u i l d 、s e r v e 、o p t 、s p l i t t 3 3 1 。 b o a z r ，s t a r r m k ( 19 9 0 ) 在“s y n c h r o n i z e dm a n u f a c t u r i n ga si no p t ：f r o mp r a c t i c et o t h e o r y 中利用线性规划方法，对一个小型生产系统进行模拟分析。计算出给定时期内系 统中各个资源的任务量，与它们的能力进行比较后得出短缺资源和非短缺资源，分别对应 于约束理论中的约束资源和非约束资源【3 6 】。 约束理论在生产中的运用，产生了d b r 生产系统。关于d b r 的研究有很多，g o l d r a t t ， f o x ( 1 9 8 6 ) 合著的“1 1 1 er a c e ；g a r d i n e r ( 1 9 9 3 ) 等人的“o b l m b u f f e r - r o p ea n db u f f e r m a n a g e m e n t ：i m p a c to np r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts t u d ya n dp r a e t i c e s ”：u m b l e ，s r i k a n t ( 19 9 0 ) 的“s y n c h r o n o u sm a n u f a c t u r i n g ：p r i n c i p l e sf o rw o r l dc l a s se x c e l l e n c e ，在以上文章中都对 d b r 进行了阐述【3 8 】。 s c h r a g e n h e i me ，r o n e nb 在( 19 9 0 ) “b u f f e rm a n a g e m e n t ：ad i a g n o s t i ct o o lf o r p r o d u c t i o nc o n t r o l ”中提出要挖掘瓶颈环节资源，在瓶颈和其他控制点有必要设置战略性 缓冲，以确保计划的按期完成【4 2 1 。 e l i s c h r a g e n h e i m ，h w i l l i a nd e t t m e r ( 1 9 9 3 ) 在“a ni n v e s t i g a t i o ni n t ot h e u s eo f o p t p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g 中第一次提出了一个新的简化了的d b ri i 。 h a n s p e t e r ，w i e n d a h l ( 1 9 9 9 ) 利用“漏斗模型”理论来确定瓶颈工序：将生产过程中的每 一道工序都比喻成一个“漏斗”，将整个生产系统用一个个相连的漏斗来表示。漏斗出口的 大小则表示整个单元或设备的生产能力，工序之间用管道相连，管道的粗细表示各零件的 通过量。当某个漏斗的输出小于输入，且小于任何一个与其有关联的工序的输出，则该道 工序就是一个瓶颈工序【4 3 】。 c h a k r a v o r t y ( 2 0 01 ) 在“a ne v a l u a t i o no ft h ed b r c o n t r o lm e c h a n i s mi naj o bs h o p e n v i r o n m e n t 中研究发现，在j o b s h o p 型企业采用d b r 方法时，与f c f s ( f i r s tc o m e f i r s ts e r v e ) 法则相比，s p t ( s h o r t e s tp r o c e s s i n gt i m e ) 法则在在制品数量以及订单延迟数 量方面均优于前者m 】。 a m i t a v ar a y ( 2 0 0 7 ) 等人在“a ni n t e g r a t e dt h e o r y - o f - c o n s t r a i n t s ”中通过对比标准成本 会计、标准约束理论和约束理论解析分层线性规划模型，发现在不增加约束的情况下组合 模型优于传统模型。 武汉科技大学 硕士学位论文第3 页 1 2 2 国内研究现状 对于最优生产技术( o p t ) 国内的学者早在8 0 年代末9 0 年代初就有研究了。由最优生产 技术( o p t ) 理论进一步的发展的约束理论( t o c ) 的弓i 进，在国内形成很多学者和生产运营管 理者对其进行研究和运用，其热点在于对协同生产、同步生产、约束理论、均衡流、瓶颈 的研究。 尹柳营在二十世纪九十年代初在美国接触这一理论，回国后致力于此理论的研究，先 后取得了一系列成果，“谈谈制约因素管理”( 1 9 9 2 ) 首次在国内提起了约束理论；他在“制约 因素管理探索”( 1 9 9 3 ) 将约束理论应用于管理过程中，分析了管理中的制约因素；在“弱 者司鼓，强者听令d b r 在中国的应用前景”( 1 9 9 7 ) 指出传统生产管理长期面临的问题， 利用d b r 转变企业的管理思路、调节系统运作和挖掘内部潜力，提高经济效益；同时指出 在生产计划与控制中运用d b r 法所要解决的问题：一是要准确识别生产系统中的瓶颈环 节，并根据瓶颈环节的能力制订主生产计划；二是要根据瓶颈上游的情况确定一个适合的 缓冲量，以保护瓶颈环节免受上游设施以外情况的影响；三是根据瓶颈环节的节奏确定整 个生产系统的投料计划。在“生产研究跨世纪课题：管理与技术紧密结合”( 1 9 9 8 ) 说明了约 束理论管理能够充分利用管理人员的智慧，靠抓住关键因素进行系统管理，并不断在新的 层次上加强管理和技术的结合，事半功倍地提高企业经济效益；在“制约因素管理的理论体 系及特色”( 1 9 9 9 ) 一文中，论述了约束理论的两大来源，并介绍了其理论体系，总结了三大 特色：把中国的传统文化中的整体思维特色和西方定量分析方法有机结合、决定事物全貌 的思想适用于各行各业的管理、使企业系统可以在平稳的环境中实现整体优化【l 】t 2 儿3 1 。 李爱华、尹柳营( 1 9 9 8 ) 在“d b r 技术中确定缓冲大小的模型”一文中指出d b r 生产计划 与控制技术是约束理论应用于企业生产系统管理的具体工具。d b r 技术中缓冲保护大小的 确定将直接影响产品的出产提前期和企业的有效产出，从而最终将直接影响产品市场的竞 争力。对缓冲保护设置及其大小的确定做了详细的研究，建立了相应的数学模型。尹柳营、 胡晓灵( 2 0 0 5 ) 在“企业运作的动态衔接管理：理论框架的构建”中从系统观点、制约因素角 度出发，提出在动态竞争的市场环境下，各个环节的衔接问题是制约企业进一步提高市场 反应能力和增强核心竞争力的约束环节，资源转换功能是企业运作系统的基本功能，信息、 物质资源和运作支持体系作为衔接管理的三个基本要素有着互相独立又相互联系的功能 属性，通过在时序上、空间上的顺利衔接实现运作系统的转换功能。 周峰( 1 9 9 8 ) 在“单一瓶颈条件下m p s 的编制方法”中，借助约束理论的d b r 法对单一瓶 颈环节条件下的协同生产主生产计g u ( m p s ) 进行了探讨。阐述了研究协同生产m p s 问题的 基本思路；建立了单一瓶颈条件下最小传输批量的基本算法及编制m p s 的有关算法。在“协 同生产研究”( 1 9 9 9 ) 根据在工业生产中出现的两个基本的现象：依赖事件、统计波动，结 合帕累托规则，分析了协同生产的步骤。并提出了协同生产的十一条原则。在“d b r 管理 模式的生产计划与控制机制探讨”( 2 0 0 0 ) 进一步分析了在协同生产的d b r 的元素，称为计 划机制、缓冲机制、控制机制。把缓冲的进行分类为：能力缓冲、物料缓冲、时问缓冲， 并为解决控制点提供了方法 6 1 【叭引。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 秦志敏、王丽亚、严隽琪( 1 9 9 9 ) 在“结合o p t 与m i 冲i i 思想的生产计划系统研究”中提 出结合o p t 与m i 冲i i ，产生新的生产计划客户订单处理：产品生产计划、关键件生产计划、 非关键件生产计划、订单跟踪方法。在得到产品需求订单后，根据产品优先级顺序，生成 其中关键零件的需求计划，得到关键零件的投产定单，并根据零件的需求时间，计算零件 的优先级，从而确定零件的投产顺序。 徐学军( 2 0 0 0 ) 在“基于瓶颈能力的加工批量确定方法研究”中指出以经济批量原则为基 础的传统的批量方法，未考虑生产能力的约束。为此探讨了基于瓶颈能力的批量确定的基 本思想，并针对串联加工流程提出了加工批量的确定方法；在“同步生产控制及与m r pi i 、 j i t 的模拟比较”( 2 0 0 1 ) 针对m i 冲i i 、j r r 存在的不足和局限，依据约束理论的思想与原则， 运用m o r o c c o 方法对同步生产控制与m i 心i i 、j i t 的运行效果( 产出、在制品控制量) 进行了模拟比较；在“以瓶颈资源为基础的生产与库存控制系统的构建”( 2 0 0 1 ) 指出当前 较为成熟的生产与库存控制系统中，m l 冲i i 强调生产能力的平衡与利用，而忽视了物流效 率；j r r 重视物流效率，而以生产能力的闲置为代价。依据约束理论，构建了以瓶颈资源为 基础的生产与库存控制系统，使得在有效利用生产资源的同时，提高了物流的效率【1 5 】。 阐树林，刘赣，曾建民( 2 0 0 0 ) 在“基于o p t 的生产作业计划与控制系统设计”中论述了建 立生产作业计划与控制系统模型的基本方法，结合我国企业的实际情况，在分析现行系统 的基础上，建立了车间作业管理的功能模型和信息模型，以最优生产技术的基本原理为基 础，对现代制造系统生产作业计划与控制系统的编制方法进行了探讨和开发应用。 姜思杰，徐晓飞，战德臣( 2 0 0 2 ) 在“大型单件小批生产的计划与控制模式”中针对大型 单件小批生产的典型生产模式，提出了网络计划和m r p 计划相结合的一种实用模式，并简 要介绍支持该模式的h e c p p c 系统，从而为大型单件小批生产类型企业的生产计划与控制 问题，提供了一种可行的解决方案和途径。 叶涛锋，韩文民( 2 0 0 3 ) 在“生产过程中缓冲设置的模拟方法”中分析了瓶颈资源、缓冲、 生产提前期之间的关系，以及目前各种用于确定约束资源的方法。针对工序能力比较接近 的情况，提出了一种利用q g e r t 和仿真技术的方法，既能真实体现生产中的实际情况， 也能准确确定系统中的瓶颈资源。从而使企业在保证较短的生产提前期的同时，大大节省 了人力、物力。在“基于瓶颈的订单方式下供应商物流批量决策模型研究”( 2 0 0 5 ) 中分析了 订货商的经济订货批量模型，接着以供应商生产系统中的总费用最低为目标，就供应商生 产系统中有瓶颈和无瓶颈两种情况分别建立了单一产品“按订单”生产方式下供应商的物流 批量决策模型，并进行了相应的算法分析，从而使供应商能够在费用最小情况下满足订货 商的订货需求1 1 6 】。 吕绪华( 2 0 0 3 ) 在“挖掘制约因素贡献潜力的整体优化方法”中阐述了约束理论的基本思 想，描述了对偶模型及影子价格的概念，提出了以约束理论为指导，以影子价格为工具， 挖掘生产计划中的瓶颈资源贡献潜力，实施生产系统整体优化的一种方法和步骤。 李浩、沈祖志、邓明荣( 2 0 0 4 ) 在“订货型企业基于约束理论的订单排产优化研究”中基 于约束理论，对订货型企业的客户订单优势因素与瓶颈资源确定准则进行了分析，并引入 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 了“虚拟订单”的概念；通过对客户订单进行分解，建立了“虚拟订单”的数据结构和优势准 则；基于该准则给出了订单投产排序优化的启发式算法。 郭永辉，钱省三( 2 0 0 6 ) 在“基于鼓缓冲器绳子理论的整合式生产作业控制系统研究” 中指出现有的鼓缓冲器绳子理论存在3 方面不足：首先，缓冲区大小凭经验估计，当生产 环境发生变化时，容易造成瓶颈生产安排、订单投料安排与实际生产脱节；其次，侧重于 对瓶颈生产的安排和投料安排，对生产作业控制仅以先进先出法则或最早交货期法则为调 度策略，无法保证制定的作业规划与实际生产作业控制相一致；再则，鼓缓冲器绳子理 论所强调的系统绩效指标存在冲突。在此基础上，提出了一种基于鼓缓冲器绳子理论的 整合式生产作业控制系统，将生产作业计划与生产控制加以集成。另外，为有效应对生产 系统的动态变化，采用仿真技术，以及时调整系统缓冲区大小。同时为兼顾多个绩效指标， 针对瓶颈前设备、瓶颈设备、瓶颈后设备提出了一个三段式调度策吲1 8 】。 王军强，孙树栋，王东成( 2 0 0 6 ) 在“基于约束理论的制造单元管理与控制研究”提出： 要研究瓶颈产生的因素及影响因素，为瓶颈控制等管理提供科学的决策支持；瓶颈漂移后 对调度、生产等的影响评判，以及瓶颈漂移后相应的对策研究；多瓶颈的识别，考虑多瓶 颈之间的关系，整体建模，统一识别；根据生产系统的实际，动态识别系统中的新的瓶颈， 动态辨识系统的瓶颈是系统走向实际应用的首要和关键的一步。t o c 强调短期最优化，可 能不会对长期战略决策有所帮助，就此提出了基于m r p i i 、j i t 和t o c 三者思想融合的新的 计划管理与控制模型【2 引。 贾国柱，程杨( 2 0 0 7 ) 在“基于约束理论和系统动力学的生产系统再造方法”中扩展了约 束理论，提出了全面约束管理的思路，该思路从新的角度对生产约束进行认识和管理，强 调以约束为管理对象，并通过对约束的管理，提高企业的运作效率，进而提出建立起约束 监督、预警机制，对约束实行全方位的管理【2 4 】。 翁元、周跃进、朱芳菲( 2 0 0 7 ) 在“基于约束理论的制造业高级计划排程模型的建立及应 用”中研究了离散制造业普遍存在的生产计划排产问题，引入了高级计划排程( a p s ) 概念， 通过分析并应用其核心思想约束理论，指出其相对优势，并用线性规划算法来构建基 于设备加工能力的高级排产模型【2 5 1 。 卢引娣、黄卫来、蔡建湖( 2 0 0 8 ) 在“基于t o c 的分销系统订单排序法则”中基于t o c ， 用全局的观点分析分销系统环境下的多订单排序问题，综合考虑分销系统仓库容量，上游 生产企业的生产能力，特别是瓶颈能力的限制，还有订单对财务的影响3 个因素，提出基 于t o c 分销系统订单排序法则【2 6 1 。 曹国安、游海波、蒋增强、张明伟( 2 0 0 8 ) 在“基于t o c 的半导体生产线动态分层规划调 度方法”中针对工件动态到达、批处理、可重入、生产时间离散化、多品种混合生产的半导 体生产线问题，在约束理论五步原则的基础上，提出了基于约束理论动态规划调度模型，并 通过实例验证规划调度模型的有效性f 2 7 】。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 研究内容及框架 本文的研究路线如图1 3 所示： 查阅文献 上 约束理论国内外研究现状 上 生产排产问题的一般性分析 上 、r 上 订单选择生产排产计划现场重排程 上 基于约束理论的排产研究 i 上上上 瓶颈识别缓冲设置瓶颈与非瓶颈资源排产 上 订单优先级排序模型 上 模型算例 上 提出未来研究方向 图1 3 研究路线 本文在跟踪国内外约束理论和生产排程研究基础上，阐述了典型生产系统的排产方 法，分析了约束理论的排产方法，详细论述了基于制约因素理论的订货型企业订单排序模 型和算法。 武汉科技大学 硕士学位论文第7 页 第二章生产排程问题的一般性探讨 2 1 生产排程问题及其解决方法 2 1 1 生产排程概述 生产排程( p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ) ，又被称为生产调度或生产作业计划。生产排程过程 可以看作是对有限资源的分配过程。即生产部门为了完成销售部门下达的订单任务，依据 确定的生产计划和订单交货期，按照产品的加工工艺顺序，将有限的资源合理安排到各工 作平台，并确定开工时间和所需要的加工设备，完成工作任务，并设法达到预定的如交货 期要求和提高设备利用率的目标【4 7 1 。 生产排程以生产计划为起点，综合考虑企业目标和约束优化，为企业提供详细的生产 进度安排以支持生产计划，并提供反馈给企业生产计划。在生产计划系统中，在需求计划 阶段企业根据市场分析预测、经营目标等制定长期的综合计划。然后，根据订单或者预测 制定一个详细的短期的物料需求计划。生产排程将主生产计划和物料需求计划转化为工作 排程、员工及物料的及时准备等( 如图2 1 ) 。在这个阶段，生产排程要考虑物料的可用性， 详细的生产能力信息，换装时间最小和订单优化级的顺序来满足客户需要。 图2 1 生产排程与生产计划系统 2 1 2 生产排程的三个阶段 在生产计划中，为了能按期交货，从开始生产到交货期限内，必须制定生产排程。订 单型企业的生产排程以生产计划为起点，综合考虑企业整体目标和约束条件，目的是生成 详细的生产进度计划，同时将这个计划反馈给企业上层生产计划系统。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 从接受客户订单到完成订单交货，生产排程根据不同的生产管理需求目的，可划分为 订单选择与协调、生产排产计划与现场重排程三个阶段，如图2 2 所示。 ( 1 ) 订单选择与协调 订单选择与协调阶段根据主生产计划的编排，并按照订单交货期、重要性或者设备利 用率等因素，从众多的订单中选择在下一个时段安排生产的订单，并与主生产计划保持协 调，提前或推迟部分订单的计划交货期。 ( 2 ) 生产排产计划 生产排产计划也被称为现场排程( s h o ps c h e d u l i n g ) 、短期排程( s h o r t t e r ms c h e d u l i n g ) 。 生产排产计划的主要目的是为车间生成一个详细的短期生产进度计划。生产排产计划依据 产品工艺路线，确定在所有制造资源或工作中心上订单的加工顺序，即给出计划期内选择 的每一个订单在所需资源上的加工开始时间和结束时间。生产排产计划一般可以通过直观 的甘特 ( g a n t tc h a r t ) 形式给出。 ( 3 ) 现场重排程 经过生产排产计划制定的生产进度计划，是生产现场作为车间人员执行加工任务的依 据。但是，在实际生产过程中，经常会出现紧急插单或者订单取消、物料短缺、设备故障 等原因造成执行与生产进度计划存在差异。对于出现的严重偏差问题，需要重新编制生产 排程计划，甚至修改主生产计划。而对于现场出现的一般问题，需要通过在现场快速调整 加工任务，进行现场重排程，以确保生产进度按计划准确的执行。 图2 2 订单型企业生产排程图 园圈 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 1 3 生产排程问题的解决方法 ( 1 ) 排程问题的描述 排程问题可以用三个参数a b c a n 以描述。a 是指工艺过程的复杂性，例如单件作 业( j o bs h o p ) 或流水作业( f l o ws h o p ) 。b 代表a nt - 特性，包含动态及随机的环境，例如加工 时间、工件到达时间、装配顺序、加工中断情况。c 代表评估标准，例如平均延迟时间、 设备平均使用率或总流程时间。不同的评估标准间的独立性很高，彼此不相关。典型排程 评估标准可分为：与交货期相关、与完工时问相关、与机器及暂存区相关、与物料搬运相 关四类。 ( 2 ) 解决排程问题的困难 在理论研究和实际生产中，生产排程问题的困难主要是由以下三种原因形成： 生产排程问题属于n p h a r d 问题，寻求最优解比较困难； 多订单，交货期不均衡。在多品种小批量生产方式下，订单数量多，交货期不均衡， 这就使选择订单，尽可能加大生产批量，以及均衡生产有相当的难度； 多变，要求快速反应，实时更改已确定排程。因为设备故障、物料短缺、订单增加 或取消等情况，经常需要插入一个紧急订单、删除或更改一个己排程好了订单，进行生产 重排程。 ( 3 ) 排程问题的解决方法 由于排程问题本身的复杂性，计算最优排程所需的时间会随着问题样本的大小指数倍 的增加。解决排程问题的方法主要有线性规划、启发式、人工智能、仿真等。其中仿真方 法针对真实的制造环境过于复杂，不易通过数学模型详尽叙述系统的问题，利用模拟方法， 可将实际生产环境作充分的描述，其建模方式能较完整的表现生产环境的限制与特性以及 生产系统特征。 2 1 4 无限能力排产法和有限能力排产法 企业排产分为无限能力排产和有限能力排产两大类。 面向无限能力排产时暂不考虑各工作中心的能力情况，所有车间订货工序都独立制定 计划，排出各工序的开工时间和完工时间。如果加工车间任务所需的能力超过了工作中心 能力的限制，则需手工调整排队时间。面向无限能力的排产方法主要有正排法、倒排法、 平行排产法以及偏置法、覆盖法等。 ( 1 ) 正排法 正排法从计划下达日期( 最早开工日期) 开始按工艺路线顺序从前往后排，先排第一 道工序，再排第二道，直到任务的最后一道工序，计算出各工序的开始和完工日期。 但是，很少单独使用正排法。通常企业总是希望生产任务能在一定的期限内完成，所 以更倾向于知道最晚能完成任务的时间，即通常所说的“最晚开工日期”，只要不晚于这个 时间开工，就能保证任务在计划的时间内完成。而正排法只能从计划订单下达时间开始往 后排，最高效率也就是用完工作中心每天的标准能力，排到哪天就算哪天，失去了系统控 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 制的意义。 ( 2 ) 倒排法 倒排法是由零件的最晚完工r 期开始按工艺的反向路线，往前推出各道工序的开始和 完工同期。具体做法是：对于每个任务的排序，从这个任务的最后一道工序的计划结束时 间开始，计算这道工序的加工时间和准备时间，向前倒推，得出本工序的计划开始时间， 也就是它前一道工序的计划结束时间；如此计算，直到这个任务的第一道工序计算完毕， 得到车间任务的计划最晚开工日期。单纯用这种方法计算有一个不足之处，如果最后计算 得出的车间任务的最晚开工日期早于主生产计划中的计划下达日期，就无法按照正常的计 划来进行生产。 ( 3 ) 平行排产法 平行排产法与倒排法类似，但不考虑同一工艺路线中与前一工序的关系。该方法将订 货结束日期作为基本工艺路径中最后一道工序的结束日期，所有平行的工艺路径必须有相 同的结束日期，而该同期将是基本路径的开始日期，同时各平行路径必须首先进行。 ( 4 ) 偏置法 偏置法采用倒排逻辑，是倒排法的一种改进。它为各工序的结束时间与车间任务的结 束时间规定一个偏移量，然后再按倒排方法计算出各工序的开工时间，其关键是要确定的 偏移量要合理，以便控制工序开始与结束同期的适当位移。 ( 5 ) 覆盖法 覆盖法与正排法相似，唯一差别在于前一工序结束之前下一工序便开始，其过渡时间 是一负值。 但是，在实际生产中，没有真正意义上的无限生产能力，而只能是针对有限生产能力 进行排产。面向有限生产能力进行排产时，应对关键工作中心进行有限负荷排产，即对关 键工作中心安排的负荷不能超出其能力。面向有限生产能力排产问题的求解方法研究，最 初人们也集中在整数规划、仿真和简单的规则上，但是这些方法求解的结果不理想，难以 解决复杂问题。随着其他相关学科的不断发展，出现了许多新的方法，例如：遗传算法、 模拟退火算法和禁忌搜索算法等，呈现出多元化发展的趋势。 ( 1 ) 遗传算法( g 饥e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上 的迭代自适应概率性搜索算法。用以对复杂的工程技术领域或其他领域所提出的而传统优 化理论和方法又难以解决的优化问题，进行优化计算、预测和数字寻优的一种计算方法。 遗传算法是一种群体型操作，该操作以群体中的所有个体为对象。选择、交叉和变异 是遗传算法的3 个主要操作算子，它们构成了所谓的遗传操作，使遗传算法具有了其他传 统方法所没有的特性。遗传算法中包含了如下5 个基本要素：、参数编码；、初始群 体设定；、适应函数的设计；、遗传操作设计；、控制参数设定( 主要指群体大小和 使用遗传操作的概率等) 。这5 个要素构成了遗传算法的核心内容。 ( 2 ) 模拟退火算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却， 加温时，固体内部粒子随温升变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。 ( 3 ) 禁忌搜索( t a b us e a r c h 或t a b o os e a r c h ，t s ) 的思想最早由g l o v 一1 9 8 6 ) 提出， 它是对局部领域搜索的一种扩展，是一种全局逐步寻优算法，是对人类智力过程的一种模 拟。t s 算法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来避免迂回搜索，并通过藐视 准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保证多样化的有效探索以最终实现全局优化 2 2m r p i i 系统分析 2 2 1m r p 理论概述 制造资源计划( m r pi i ) 起源于美国，根植于批量生产方式。是二十世纪八十年代在 物料需求计划( m r p ) 的基础上发展起来的，它是一种广泛的资源协调系统，不仅仅涉及到 物料，而且涉及生产能力和企业内部的一切制造资源。作为一种先进的生产管理思想，被 广泛应用于大批量生产以及多品种，中小批量的生产。 m l 冲i i 的基本思想是把企业作为一个有机整体，从整体最优的角度出发，通过运用科 学方法对企业各种制造资源和产、供、销、财各个环节进行有效地计划、组织和控制，使 他们得以协调发展，