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南京航空航天大学硕士学位论文 捅璺 首先，本文分析了目前制造业竞争的主要特点及其对计划与控制方法的要求，同时 阐述了m r p i i 和t o c 的计划与控制方法，并分析了m r p i i 存在的局限性以及t o c 在处理“瓶 颈”方面的优点，在此基础上对结合m r p l i 和t o c 的集成计划与控制方法进行了探讨。 然后，通过以上对m r p i i 和t o c 的分析，本文提出了一种基于职p i i 和t o c 的集成计划 与控制系统框架，并分析了该框架的特点。同时结合当前主要的生产方式面向订单、 多品种、小批量生产，具体给出了该计划与控制系统的实现方法，并对该系统的软件实 现方法进行了研究。 最后，结合本文开发了一个关键设备管理系统和瓶颈分析系统，这些系统在j c d n c 项目中得到了实际的应用。 关键词： 面向订单生产，制造资源计划，约束理论，生产计划与控制 堇主坚些里塑卫星塑塞盛生型复笙型墨堑塑鍪兰墅垄 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp a p e r a n a l y z e s t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c s o fc u r r e n t m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa n dt h e i rr e q u e s tf o rn e wp r o d u c t i o np l a n n i n ga n d c o n t r o lm e t h o d a n dt h e nt h i sp a p e re x p o u n d s t h ep r o d u c t i o np l a n n i n ga n d c o n t r o lm e t h o do fm r p i ia n dt o c a tt h es a m et i m e ，b ya n a l y z i n gl i m i t so fm r p i i a n dg o o dq u a i t i e so ft o c i nd e a l i n gw i t hb o t t l e n e c k s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s a ni n t e g r a t e dp r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o lm e t h o db a s e do nc o m b i n a t i o no f m r p i ia n dt o c s e c o n d l y ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dap r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o l f r a m eb a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i so fm r p i ia n dt o c ，a n da n a l y z e si t sm a i n c h a r a e t e r i s t i c s t h e f r a m ei s a p p l i e d t ot h e m a k e t o o r d e r ， m u l t i - s p e c i f i c a t i o n ，s m a l l b a t c hp r o d u c t j o nm o d e la n di t si m p l e m e n t a t i o n m e t h o di sg i v e n a l s o ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o d o ft h i sf r a m e a tl a s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam a n a g e m e n ts y s t e mo fk e ye q u i p m e n t sa n d ab o t t l e n e c ka n a l y s i ss y s t e m t h e s es y s t e m sa r eu s e di nt h ej c d n cp r o j e c t k e yw o r d s ： m a k e t o o r d e r ，m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e p l a n n i n g ，t h e o r y o fc o n s t r a i n t s p r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o l 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 目前制造业竞争的主要特点 随着市场竞争的加剧和科学技术的发展，制造业进入了一个新的发展阶段。目前 制造业竞争环境有了新的特点： ( 1 ) 产品寿命周期越来越短 随着消费者需求的多样化发展，制造业的产品开发能力也在不断提高。目前，国 外新产品的研制周期大大缩短，与此相应的是产品的生命周期缩短，革新换代速度加 快。 ( 2 ) 产品品种数飞速膨胀 因消费者需求的多样化越来越突出，厂家为了更好地满足其要求，便不断推出新 的品种，从而引起了一轮又一轮的产品开发竞争，结果是产品的品种数成倍增长。 ( 3 ) 对交货期的要求越来越高 随着市场竞争的加剧，经济活动的节奏越来越快。其结果是每个企业都感到用户 对时间方面的要求越来越高。这一变化的直接反映是竞争主要因素的变化。20 世纪 60 年代的企业间竞争的主要因素是成本，到70 年代时竞争的主要因素转化为质 量，进入80 年代以后竞争的主要因素转变为时间，这里的时间要素主要是指交货期 和响应周期。现在，用户不仅要求厂家按质按量按期交货，而且要求交货期越来越短。 ( 4 ) 对产品和服务的期望越来越高 进入20 世纪90 年代的用户对产品质量、服务质量的要求越来越高。用户已不 满足与从市场上买到标准化生产的产品，他们希望得到按照自己要求定制的产品或服 务。这些变化导致产品生产方式革命性的变化。传统的标准化生产方式是“一对多” 的关系，即企业开发出一种产品，然后组织规模化大批量生产，用一种标准产品满足 不同消费者的需求。然而，这种模式已不再能使企业继续获得效益。现在的企业必须 具有根据每一个顾客的特别要求定制产品或服务的能力，即所谓的“一对一 ( o n e t o o n e ) ”的定制化服务。也就是说，企业的生产模式已逐渐由单一品种单一 型号的大批量生产方式向面向市场的多品种小批量生产方式转变。 企业竞争的基本目标是产品上市快( t ) 、优质( q ) 、低耗( c ) 、服务好( s ) 等，这些基本目标的追求使制造业的管理者面临一系列的挑战：市场需求的增长、生 产计划与控制的合理性、成本的有效控制、资源的充分利用、作业的均衡安排、库存 的合理管理、财务状况的及时分析等等。其中，生产计划与控制更是一个企业管理的 重中之重，然而，生产计划与控制又受到市场、资源、库存等因素的影响，如果它们 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 制约着企业的生产，那么这些因素将成为企业的瓶颈，如何解决这些瓶颈也成为提高 企业有效产出的一个关键因素。因此，研究生产计划与控制对企业管理具有重大的意 义，特别是在当今这种面向定单、多品种、小批量生产方式中，在企业资源有限的情 况下，如何有效地利用有限的资源，制定合理的生产计划对任何一个企业都具有重要 的意义。为此，本文着重研究了在面向定单、多品种小批量生产环境中，企业生产过 程中存在多种瓶颈( 约束) 情况下的生产计划与控制问题。 1 2 国内外生产计划与控制方法的研究概况 目前国内外主要的生产计划与控制方法有：网络计划、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 ep l a n n i n g ，m r p i i ) 、准时化生产方式( , l u s ti nt i m e ， , l i t ) 、最优生产技术( 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 y ，o p t ) 以及最新发展起来 的约束理论( t h e o r yo fc o n s t r a i n t s ，t o c ) 等。 网络计划方法通过有向图，并利用关键路径法( c r i t i c a lp a t hm e t h o d ，c p m ) ， 可求得影响整个产品周期的关键网络工序。通过控制这些关键工序达到从全局控制产 品周期的目的。网络计划方法适用于大型项目的单件生产。 制造资源计划是在闭环物料需求计划完成对生产计划与控制基础上的进一步扩 展，将经营、财务与生产管理相结合而形成的制造资源计划。m r p i i 是一种计划主导 型管理模式，计划层次从宏观到微观、从战略到战术、由粗到细逐层优化，是一种比 较有效的组织现代化生产的技术。m r pi i 的基本目标是建立一个连接需求预测计划和 供应计划的过程，使得资源在加工者、供应者，特别是他们的顾客等多个环节中的利 用能够做到最有效益，而且花费最少、产出较高，其主要目的是实现“正确的时间、 正确的地点得到正确数量的物料等资源”。m r p i i 系统是发展很成熟的技术，但是，m r p i i 方法存在以下一个弱点：( 1 ) 要求太精确，需要非常及时地掌握各种资源的库存和 使用等信息，特别是对库存数据要求太苛刻；( 2 ) 要求太严格，制定的计划修改很困 难；( 3 ) 对所有的资源都一视同仁，不加区别，在生产计划和控制中增加了许多工作 量，又不能消除关键资源的瓶颈问题。 准时化生产方式( j i t ) 是起源于日本丰田汽车公司的一种生产管理模式，j i t 生产方式的基本思想是“只在需要的时候，按需要的量，生产所需的产品”，也就是 追求一种无库存，或库存达到最小的生产系统。1 i t 生产方式以准时生产为出发点， 首先暴露出生产过量和其他方面的浪费，然后对设备、人员等进行淘汰、调整，达到 降低成本、简化计划和提高控制的目的。在生产现场控制技术方面，j i t 的基本原则 是在正确的时间，生产正确数量的零件或产品，即准时生产。但是，j i t 只适用于重 复性制造生产，需要非常稳定的生产周期，产品品种有限且有一定的相似性，生产布 局有特定要求和要求供应商就近布置等。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 最优生产技术( o p t ) 的基本思想是通过分析生产现场出现的“瓶颈”现象，改 善生产管理现场管理，达到增加产量、减少库存、降低消耗的目的。 约束理论( t o c ) 是在最优生产技术( 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 y o p t ) 的基础上发展起来的。t o c 主要体现了注重分清主次，找到“瓶颈”，集中精力解决主 要矛盾，追求物流平衡，而非能力平衡等原则，在面向定单生产情况下，对于多品种、 小批量生产方式的生产计划制定方面具有很大的指导意义。 除上述基本方法外，一些国内外学者还针对不同应用情况提出了各种混合方法， 女d m r p 与j i t 相结合”“、网络计划与m r p i i 结合”、有限能力与m r p l i 结合“、m r p i i j i t 和t o c 结合“”等生产计划与控制模型。除此之外，还有学者提出了基于供应链的 计划与控制模型”。“1 、c i m s 环境下生产计划与控制系统模型”i 以及针对某些具体生 产方式的计划与控制模型“7 “8 ”3 。 1 3 生产计划与控制方法概述 1 3 1 生产计划与控制方法简介 通常的生产计划与控制方法具有以下特点： 由现有的任务和可用的能力可以确定负荷，但是随着所希望的最后完成日期越来 越远，所确定的结果越来越不准确。由于这个原因，在实际中，通常都将计划按照时 间的长短分成不同的阶段以提高精度。这些阶段通常称为长期计划、中期计划和短期 计划。 图i 1 表示了这些阶段和其相互关系，其中： 长期计划是在产品级上进行的，它基于用户定单或销售预测。这是因为此时的产 品数量和交货期数据通常是不准确的而且在大多数情况下还没有关于产品结构和工 艺流程的说明。 进行中期计划的必要条件是产品图纸和物料清单。在进行计划时，根据物料清单 计算出所需要的部件、零件的数量及交货期。然后根据物料清单计算得到相关的自制 件和采购件需求，这个需求决定了下一个工序的生产周期。这样计算得到的毛需求要 在每个时间周期内与零件的库存进行比较，从而得到净需求。 在短期计划阶段要对每个能力中，e l , 上的每个工序进行调度。在这个阶段，两个很 重要的目标是降低成本和提高计划性能，例如根据总的准备时间最少的原则对工作中 心前的任务排序。任务分发是任务处理的下一个步骤，他们和反馈系统一起称作生产 活动控制系统。 基于m r p i i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 图1 1生产计划和控制框架 1 3 2 传统的生产计划与控制方法存在的问题 生产计划与控制技术的发展促进了制造性能的改善，但是还有许多问题没有解 决，即使那些使用了计划概念和技术的企业问题也同样存在。 传统生产计划与控制方法存在的问题： 尽管用于计算机系统和数据处理的费用很高，但是计划和实际结果却差别很 大： 做计划时很少考虑实际生产过程中设备的能力以及其它资源的能力问题，如果 计划执行过程中，某些设备或资源的能力不足，这必然导致计划执行结果偏离 计划目标： 车间计划执行人员决策空间很小。 ( 1 ) 尽管生产的计划、反馈和生产活动控制系统中广泛使用了数据处理技术，尽管 为能力调度和精确调度花费了很多计算时间，由计算机计算得到的“最佳”生 产过程与实际的生产过程却很少相符合。许多学者都认为：“通常计算得到的 周计划常常由于紧急定单、技术意外和故障很快就会过时”。“通常必须在很短 的时间以后重新修订精确精度”“。因此，为“赶日期”而“绕开系统”进行 的特别行动在实际中经常可见。 ( 2 ) 通常的生产计划与控制系统不能提供直接可利用的信息和指示，从而不能帮助 4 圈口引图 南京航空航天大学硕士学位论文 人们有针对地对生产周期、库存和产出率等目标进行干预和控制。另外，生产 控制系统在起介绍中似乎有充足的根据并且看上去很明了，但实际上常常不能 够对其宣称的控制参量进行测量，也不具有合适的控制参数。 ( 3 ) 越来越复杂的系统使“正在工作的人”进行自治决策的空间越来越小。计划人 员或计划所涉及的人员没有足够的信息或未经充分的培训和缺少能够胜任的 专业调度人员，可能会使得花了很多钱安装起来的系统被丢弃在一旁。在这种 情况下，车间主任会转向使用非正式的系统，在他的笔记本上保存一个数据库 和一组分发规则。 1 3 3 对新的生产计划与控制方法的要求 现在和将来对生产计划和控制系统的要求： ( 1 ) 硬件：要求分布式、可集成、符合人机工程学的设备和信息表达方式、交互式 的系统控制： ( 2 ) 方法：要求建模与生产过程的随机特性相符合，能够提供可选择的控制策略； 用参数和图形表示的监控与诊断系统：能进行反馈数据质量的检验。 ( 3 ) 用户需求：要求提供进行计划和决策的柔性，信息交换不受技术设备的限制， 使生产过程清晰透明，使关于人员的数据和关于过程的数据相分离。 其中对这些方法的主要要求是： ( 1 )能够用计算机按照随机过程模型表示和处理生产过程； ( 2 ) 要能够根据市场和所使用的制造设备( 成本中心和工作中心) 的情况采用不同 的控制策略。例如在生产任务饱满情况下强调的是设备的利用率，特别是瓶颈 设备的利用率，而在任务不足的情况下短生产周期更重要。计划和控制方法不 能去试图通过将任务向前推移来提高那些无法满负荷使用的机床的利用率，因 为这样反而会进一步使瓶颈机床的负荷更加加重： ( 3 ) 另一个重要的要求是要能够对生产周期、库存、计划能力和利用率这四个目标 参量进行测量和控制，对出现的偏差进行诊断： ( 4 ) 最后，还要求能够在控制回路中对反馈数据的质量进行检查。 如果不遵守这些基本规则，任何生产计划与控制系统在实际应用中都会失败，因 为它们不能满足现代生产企业的需求。 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 1 4 本论文课题的提出及主要研究内容 1 4 1 本论文课题的提出 在面向市场经济的今天，随着企业经营机制的转换，单品种的大批量生产方式逐 渐被面向定单的多品种小批量生产方式所替代。面向订单、多品种小批量生产已成为 制造业的主要生产方式，这类企业的生产计划与控制是企业管理的重要组成部分。然 而尽管迄今人们从理论上和实践上对大量生产系统进行了深入细致的研究，但对多品 种小批量生产计划与控制方法探讨得较少。由于目前大部分面向订单、多品种小批量 生产的企业都用制造资源计划来制定生产计划，制造资源计划是基于无限能力的，其 在处理瓶颈方面有难以克服的缺陷，而t o c 在处理瓶颈资源有其独特的优点。为此， 本文就适用于面向订单、多品种小批量生产模式，提出了一个以m r p l i 为基础，同时 结合t o c 思想的计划与控制系统框架，并对其具体的实现方法进行了研究。 1 4 2 本论文主要内容 本论文主要包括绪论、m r pi i 和t o c 的结合方法研究、基于m r pi i 和t o c 的计划 与控制系统框架、基于m r pi i 和t o c 的计划与控制系统实现方法、关键设备管理与瓶 颈分析系统开发以及总结与展望等几部分。 第一章，分析了了目前制造业新的特点以及国内外计划与控制方法的现状，同时 给出了本论文课题的来源。 第二章，分析了m r p i i 的原理及其计划与控制方法、t o c 原理，重点介绍了m r p i i 计划与控制方法的局限性，并对m r pi i 和t o c 的结合方法进行了研究。 第三章，主要提出了基于m r p i i 和t o c 的集成计划与控制系统的总体框架，同时 给出了该框架的有关说明。 第四章，该章是本文的重点，详细分析了第三章提出的系统框架，给出了该系统 的实现策略及其主要特点，同时阐述了基于m r p l i 和t o c 的计划编制方法，最后探讨 了该系统的软件实现方法。 第五章，分析了瓶颈资源( 主要指关键设备) 管理的重要性，同时开发了一个关 键设备管理系统以及瓶颈分析系统。 第六章，对本文进行了总结并提出了一些展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章m r pi i 和t o c 的结合方法研究 2 1m r p i i 计划与控制方法 2 1 1m r p i i 原理简介 m r p i i 是当今世界上各类制造业普遍采用的、一种以工业工程的计划与控制为主 线的、体现物流与资金流信息集成的管理信息系统，是计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 的重要单元技术，也是企业资源计划 ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) 的重要组成部分。m r p l i 是进入2 1 世纪信 息时代制造业提高竞争力不可缺少的手段。 m r p l i 一般分为生产控制( 计划、制造) 、物流管理( 分销、采购、库存管理) ， 财务管理( 帐务、成本、资金) 三大子系统。生产控制子系统将按照预测的销售前景， 并考虑销售单的实际情况来编制生产大纲；再按主生产计划的排程，编制物料需求计 划，据此采购原材料和零件，并安排部件生产，以期在制品、原材料及成品控制在最 优水平上。此外，根据物料需求计划的结果来核算能力，调整主生产计划，尽量维持 生产平衡。生产线( 车间管理或重复生产) 的信息反馈也可以与财务系统、物流管理 系统集成。物流管理系统将向供销部门和库房管理部门提供灵活的日常业务处理功 能，并能自动将信息转达到财务部门和其他有关部门。财务管理系统除对各往来帐目 和日常发生的货币支付帐目进行处理外，根据销售部门的销售单发票、采购单、库 存资金还能够向管理人员提供目前库存资金占用情况和企业运营情况。 计划与控制系统是m r p i i 的核心部分，m r p l l 的逻辑流程图如图2 1 所示： 在流程图上，右侧是计划与控制的流程，它包括了宏观决策层、计划层和控制执 行层，可以理解为经营计划管理的流程。中间是基础数据，要存储在计算机系统的数 据库中，并且反复调用。这些数据的集成，把企业各个部门的业务沟通起来，可以理 解为计算机数据库系统；左侧是主要的财务系统。各个联线表明信息的流向及相互之 间的集成关系。 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 财务系统基础数据计划与控制系统 图2 1m r p i i 逻辑流程图 决 策 层 计 划 层 1 下 划 执 行 i i 童 8 r 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 2m r p i i 的计划层次 m r p i i 有5 个计划层次，即：经营规划、销售与运作规划( 生产规划) 、主生产计 划、物料需求计划、车间作业控制( 和生产作业控制) 。 划分计划层次的目的是为了体现计划管理由宏观到微观，由战略到战术、由粗到 细的深化过程。在对市场需求的估计和预测成分占较大比重的阶段，计划内容比较粗， 计划跨度也比较长；一旦进入客观需求比较具体的阶段，计划内容比较详细，计划宽 度也比较短，处理的信息量大幅度增加，计划方法同传统手工管理的区别也比较大。 划分层次的另一个目的是为了明确责任，不容层次计划的制定和实施由不同的管理层 负责。 ( 1 ) 经营规划 企业的计划是从长期规划开始的，这个战略规划层次在m r p i i 系统中称为经营规 划。经营规划要确定企业的经营目标和策略，为企业长远发展做出规划，主要是： 产品开发方向与市场定位，预测的市场占有率； 营业额、销售收入与利润、资金周转次数、销售利润率和资金利润率； 长期能力规划、技术改造、企业扩建或基本建设； 员工培训及职工队伍建设。 企业经营规划的目标，通常是以货币或金额来表达。这是企业的总体目标， 是m r pi i 系统其他各层计划的依据。所有层次的计划，只是对经营规划进一步 具体细化，而不允许偏离这个经营规划。 经营规划在企业高层领导主持下会同市场、生产、计划、物料、技术与财务各部 门的负责人共同制定。在执行过程中有意外情况，下层计划人员只有反馈的义务，没 有变更规划的权限；变更经营规划只能有企业高层领导决策。 ( 2 ) 销售与运作规划 销售与运作规划是m r p l i 系统第二层计划层次。在早期的m r p i i 流程中是分为销 售规划与生产规划两个层次，由于它们之间有不可分割的联系，后来合并为一个层次。 销售与运作规划是为了体现企业经营规划而制定的产品系列生产大纲，按m r p i i 标准系统要求，软件应包括这个计划层次，但由于它主要是由人工方式进行决策并录 入数据，不是由系统运算得出的结果。因此，并非所有的软件都包括这层计划功能。 销售与运作规划的作用是： 把经营规划中用货币表达的目标转换为用产品系列的产量来表达； 制定一个均衡的月产率，以便均衡地利用资源，保持稳定的生产，平衡需求 与供应； 控制拖欠量( 对m t o ) 或库存量( 对m t s ) ； 作为编制主生产计划( m p s ) 的依据。 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 同销售与运作规划相伴运行的能力计划是资源需求计划( r e s o u r c e r e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ) 。资源需求计划所指的资源是关键资源，可以是关键工作中 心的工时、关键原材料( 受市场供应能力或供应商生产能力限制) 、资金等。m r p i i 是 一种分时段的计划，计算资源需求量必须同生产规划采用的时间段致( 如月份) ， 不能按全年笼统计算。只有经过按时段平衡了供应与需求后的生产规划，才能作为下 一个计划层次主生产计划的输入信息。 ( 3 ) 主生产计划 主生产计划( m p s ) 在m r pi i 系统中是一个重要的计划层次，是传统手工管理没 有的新概念。它根据客户合同和预测，把销售与运作规划中的产品系列具体化，确定 出厂产品，使之成为展开m r p 与c r p 运算的主要依据，起了从宏观计划向微观计划过 度的承上启下作用。 主生产计划又是联系市场、主机厂或配套厂及销售网点( 面向企业外部) 同生产 制造( 面向企业内部) 的桥梁，使生产计划和能力计划符合销售计划要求的优先顺序， 并能适应不断变化的市场需求；同时，主生产计划又能向销售部门提供生产和库存信 息，提供可供销售量的信息，作为同客户洽谈的依据，起了沟通内外的作用。 总之，主生产计划在m r p i i 系统中的位置是一个上下内外交叉的枢纽，地位十分 重要。在运行主生产计划时要相伴运行粗能力计划，只有经过按时段平衡了供应与需 求后的主生产计划才能作为下一个计划层次物料需求计划的输入信息。主生产计 划必须是现实可行的，需求量和需求时间都是现实的，没有夸大或缩小。它必须是一 种可以执行的目标。只有可执行的才是可信的，才能使企业全体员工认真负责地去完 成计划。因此，主生产计划编制和控制是否恰当，在相当大的程度上关系到b l r p l i 系 统的成败。它之所以称为“主”生产计划，就是因为它在m r p i i 系统中起着“主控” 作用。 ( 4 ) 物料需求计划 主生产计划只是对最终产品的计划，一个产品可能有成百上千种相关物料组成， 如果把企业所有产品的相关需求件汇合起来，数量更大。一种物料可能会用在几种产 品上，不同产品对同一个物料的需求量又不相同。另外，不同物料的加工周期或采购 周期不同，需用日期也不同。要使每个物料能够在需用日期配套备齐，满足装配或交 货期的要求，又要在不需要的时期不要过量占用库存，还有考虑合理的生产批量，靠 手工管理是不可能进行如此大量数据运算的。这也是手工管理难以解决的物料短缺或 库存过大的症结所在。 物料需求计划是m p s 需求的进一步展开，也是实现m p s 的保证和支持。它根据 m p s 、物料清单和物料可用量，计算出企业要生产的全部加工件和采购件的需求量。 按照产品出厂的优先顺序，计算出全部加工件和采购件的需求时间，并提出建议性的 计划定单。 ( 5 ) 车间作业控制 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 在m r p1 i 系统中，车间作业控制( s h o pf l o o rc o n t r o ，s f c ) 同采购作业一样 都是计划的执行层次。s f c 只是执行计划不能改动计划。因此在m r p i i 中对车间作业 用“控制”而不是“计划”。控制在这里有3 层意义： 使生产作业在执行中不偏离m p s m r p 计划； 出现偏离时，采取措施，纠正偏差。若无法纠正，将信息反馈到计划层； 报告生产作业执行结果。 2 1 3m r pi i 计划与控制方法的局限性 传统的m r p l i 系统由订单与预测模块决定需生产的产品，然后经过制定主生产计 划( m p s ) ，粗能力平衡( r c c p ) ，制定物料需求计划( m r p ) ，细能力平衡( c r p ) 完成 生产计划功能，再由车间作业计划和采购模块完成产品生产。如图2 2 所示。 图2 2m r p l i 模块结构图 m r p1 1 在计划与控制过程中存在着以下一些问题： ( 1 ) 核心的问题是m r p i i 的计划模型问题。 m r p i i 是对大批量生产的优化。在m r p 的算法逻辑中，根深蒂固的埋藏着分工、 层级和大量生产的思想。m r p 擅长于解决既定产品的大批量生产，这种生产模式的指 导思想是品种越少越好，批量越大越好，所以m r p 的算法中“同类项合并”的思想贯 彻始终：不同定单的同类产品( 零件) 合并、同一期段( 月、周) 内同类产品合并、 强调固定批量，提前期等数据都是针对一个固定批量产品的。产品( 主生产计划) 有 f l 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 产品的“批”、零件( 物料需求计划) 有零件的“批”、采购有采购的“批”。在供给 不足的年代里，“批”是稳定的，按照大批量等于高效率的原则，m r p 的做法是正确 的。但是，在需求不稳定的情况下，“批量”扭曲了m r p 的精髓相关需求原则， 放大需求的波动。 另外，m r p 的成批做法，根本不考虑用户的个别需求。用“批量”和“归并”将 客户的定单和需求淹没在自主制造既定产品的大量生产的海洋里，从而无法跟踪个别 定单完成的情况。 ( 2 ) m r pi i 的第二大弊病是提前期。 在大量生产条件下，非流水线生产的产品转移是成批进行的，或整批一起转、或 按容器分批转，物料的流动就出现了停滞现象转出时的等待成批和转入时的等待 加工。实际上，等待将分工的熟练工人那里争取到的高效率全部抹杀掉。著名的“加 工时间大约仅仅是整个( 周期) 提前期的5 ”的制造业顽疾，和加工前、后的等待， 都被固化在m r p 软件里。每一个提前期背后还都有一个批量的约束。批量变化了，提 前期就不对了，不小心m r p 还会出现下序开工早于上序完工的荒唐事。 提前期和批量是给m r pi i 计划管理制造麻烦的罪魁祸首。正反馈的作用是发散 的，会导致系统的不稳定，使企业、特别是企业的采购部门，也就是企业物资的入口 总是处于高度的、但多半是虚假的紧张状态，打乱企业正常的生产秩序，造成不该有 的损失。只有在提前期为净加工周期、批量等于实际批量且转移批量为1 时，m r p 才 能正常运行。这个例子虽然极端化，但查一查各个m r pi i 系统对计划参数的设置和m r p i i 里合理合法的“安全库存”、“安全提前期”，就会发现现实情况还要严重的多。 相反，m r p i i 对于解决与大规模定制生产以及面向订单等相关的生产方式问题上， 则显得苍白无力。b o m 是当前的m r p i i 的基石，m r p i i 为每一个确定产品建立一个项级 装配的b o m 。从大批量生产的思路出发，必然的会为每一个客户定制的产品也建立一 个顶级b o m ，因为不这样做m r pi i 就无法运行m r p 。当定制的数量是有限的时候，这 个过程是有效的。但是未来生产多数情况下是采用由用户确定产品构型配置的b t o 、 a t o 或m t o 模式。企业以b t o 、a t o 或m t o 为主要生产方式时，就会需要越来越多的 定制构型，须维护的顶级装配b o m 的数量呈指数增长。问题不可避免的出现了，目前 因为理解、传递等差错造成的配置错误使企业损失了3 的销售收入。如果每个构型 必须存档( 为过后的追踪、维护往往是必须的) ，其结果更是可怕的。当你意识到这 种繁琐的工作对今后的订单很可能没有什么帮助时，问题显得更为严重。有些m r p l i 厂商提供“超级b o m ”、前端的销售配置器s a l e se o n f i g u r a t o r ，还有各种各样的自 动构型生成器力图简化客户化定置产品顶级b o m 构造得烦琐工作。但是这些措施都未 能逃脱一个产品一个b o m 的羁绊。当前的m r p i i 系统除了使用预先配置的无数互不相 干、各自独立的b o m 以外，尚不能提供任何其它描述可供构型的方法。m r p i i 系统能 够优化大批量生产，而不是大规模定制生产。 ( 3 ) m r p l l 第三大问题是有限能力问题。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 m r p 从诞生之日起，就没有打算解决能力问题。m r p 的创始人j o s e p ho r l i c k y 认为“m r p 是与能力无关的系统，它的功能仅仅是确定为实现主生产计划需要什么物 料零件、需要多少和什么时间需要。”o r l i c k y 认为解决这个相关需求的问题，仅仅 存在着一个正确的答案，而不取决于能力是否存在。这个说法是正确的，但回避了精 确答案的可行性问题_ m i 妒假设工厂的能力是无限的! 当时的需求模式和生产模式可以容忍的不计生产能力的简化条件，现在却成为管 理哲理的漏洞。多年来m r p 的这些缺陷虽然不断有些技巧性的改进，虽然后来的m r p i i 系统增加了一个庞大的能力计划子系统，为做出的“理论生产计划”提供层层的能 力校验，但这种事后的串行的校验一反复修正的处理方式，为企业带来极大的不便。 此外，m r p i i 不分青红皂白、不分轻重缓急地编制所有物料的计划，又不分是否 必需而进行计划的统一能力校验。这种做法不但滥用计算机资源、还必须具备大量而 极为精确的工作中心当期的能力数据和每一个工序的能力需求数据。大量的数据准 备，对企业来说，是灾难性的，造成拖延系统的实施时间、增加实施成本、浪费资源， 事倍功半。实际上，多数应用的能力计划子系统都没有正常运行，陷入“黑洞”。尽 管某些软件或应用企业对这些问题做了一些局部的技巧性处理，但在传统e r p 软件 中，这个无限能力计划的缺陷始终没有实质性的改进。 总之，利用m r p i i 编制计划是基于无限能力的，在编制过程中根本不考虑瓶颈约 束，而在未划分关键件的基础上得到的生产计划，不能合理使用有限资源。在m r p 的编制过程中并没有考虑不同零件在产品中的重要程度，使得所有零部件不分主次地 竞争有限的生产能力与资源，当能力不足时，不可避免地会出现一些关键件生产不出 来，而生产了许多非关键件，无法装配出所要的产品，也无法通过采用外协、外购等 方法弥补，结果导致库存大量增加。 ( 4 ) 还有一个问题，就是m r p i i 按零件组织生产，不利于需求反查，在编制物料需 求计划时合并零部件的不同来源的需求数量，当生产能力不足，在无法按预期的时间 和数量生产出所需的所有零部件时，由于不能确定零部件在具体产品的需求数量，则 无法确定具体影响哪些客户定单，无法针对具体情况作出相应的处理。 以上只对传统m r p i i 在计划与控制方面的问题进行了详细阐述，而对m r p i i 在其 它方面存在的问题没有详细的介绍。由以上可以看出，传统m r p i i 的计划与控制方法 是从物流控制入手，在保证库存量最小的前提下，力图使生产效率达到最高，但在计 划排产时对于生产过程中普遍存在的瓶颈( 如市场、能力和库存) 与非瓶颈并不加以 区别，故在车间作业管理模块中不能抓住制约生产的关键因素瓶颈，而往往依赖 现场管理人员根据计划对生产的执行情况进行控制。我们知道经验管理是管理的较低 层次，这必然一方面导致生产作业不能按计划完成，另一方面会使在制品在瓶颈前的 库存过多。这一矛盾在传统m r p i i 系统中是难以解决的。 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 2 2t o c 理论分析 2 2 1t o c 的形成历史和发展现状 约束理论( t h e o r yo fc o n s t r a i n t s ，t o c ) 根植于o p t ( 原指最优生产时刻表： o d t i m i z e dp r o d u c t i o nt i m e t a b l e s ，后指最优生产技术：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 ) 。o p t 是g o l d r a t t 博士和其他三个以色列籍合作者创立的，他们在1 9 7 9 年下半年把它带到美国，成立了c r e a t i v e o u t p u t 公司。接下去的七年中，o p t 有关 软件得到发展，同时o p t 管理理念和规则( 如”鼓一缓冲器一绳子”的计划、控制系统) 成熟起来。c r e a t i v e o u t p u t 公司的发展几起几落，后关闭。o p t 的软件所有权转让给 一家名为s c h e d u l i n g t e c h n o l o g y g r o u p 的英国公司。1 9 8 6 年后半年，g o l d r a t t 博士 和r o b e r t e f o x 共同创立g o l d r a t t 研究机构，经过十年发展演进出我们今天所知的 t o c 州。 t o c 首先是作为一种制造管理理念出现。t o c 最初被人们理解为对制造业进行管 理、解决瓶颈问题的方法，后来几经改进，发展出以”产销率、库存、运行费”为基础 的指标体系，逐渐形成为一种面向增加产销率而不是传统的面向减少成本的管理理论 和工具，并最终覆盖到企业管理的所有职能方面( 产销率指单位时间内企业获取的利 润额，是t o c 对企业目标实现程度的关键度量标准) 。1 9 9 1 年，当更多的人开始知道 和了解t o c 的时候，t o c 又发展出用来逻辑化、系统化解决问题的”思维过程” ( t h i n k i n g p r o c e s s ，即t p ) 。所以，今天的t o ( 7 ，就象当年的o p t 在管理理念和软件 两个方面共同发展一样，它既是面向产销率的管理理念，又是系列的思维工具。t o c 的简要形成过程如图2 3 所示。 产销率为主 的指标体系 2 2 2t o c 理论 t o c 思维 流程( t p ) l 图2 3t o c 的简要形成过程 2 2 2 1t o e 的应用法则 上 南京航空航天大学硕士学位论文 t o c 的主要思想是，当客户定货量超出企业的生产能力时，产品出产率就会受到 “瓶颈”工序零件出产率的限制，其他零件的需求量也是由流经“瓶颈”工序零件的 数量而定的，如果非“瓶颈”工序提供的零件超过“瓶颈”工序零件出产率，那些超 出的部分就形成了在制品积压，不但不能增加产品出产量，而且还因过多生产出一时 并不需要的零件，浪费了生产资源，增加了在制品库存，导致生产成本上升。因此， t o c 的主要处理逻辑就在于找出“瓶颈”工序，并使“瓶颈”工序上的资源得到充分 利用，同时安排好非“瓶颈”工序的资源配置，使之能与“瓶颈”工序保持同步，将 在制品积压减少到最低程度。为便于应用t o c ，t o c 的创始人之一e 1ig o l d r a t t 提出 了应用t o c 的9 条法则： a ) 寻求生产过程中的零件流平衡而不是能力平衡。平衡生产能力意味着追求所 有设备的满负荷运转，很容易造成非瓶颈工序产出过剩，而瓶颈工序前堆积 大量的在制品： b ) 非“瓶颈”工序的生产率由系统内其他因素决定，而并非是其自身所具有的 能力； c ) 资源的效用不等同于资源的使用。资源的使用仅指设备处于开动状态，但开 动着的设备不一定带来效用，如生产过量的零件造成积压就没有用。资源的 效用是指根据瓶颈工序的生产率使用资源，不盲目生产； d ) 在“瓶颈”工序上损失1 小时意味着整个生产系统也损失1 小时，因此要将 瓶颈资源百分之百地利用起来，使生产系统获得最大的产出率； e ) 在非“瓶颈”工序上节约1 小时不会得到任何实际效益，非瓶颈工序本来就 能力过剩，在节约1 小时只会增加非瓶颈资源的富裕时间： f )“瓶颈”工序同时决定着出产量和库存水平。库存是“瓶颈”工序效率的函 数； g ) 零件的运输批量不必也不应与加工批量保持相同，一个加工批量可分作若干 个运输批量，这样可以加快物流速度； h ) 零件的加工批量应依需要量和调整时间在不同时期随不同工序而变，而不是 固定不变的； i ) 编制作业计划时应同时考虑系统内所有约束因素。提前期( 1 e a dt i m e ) 取决 于加工批量、运输批量、优先权等，它是过程的结果，不能预先决定，也不 是固定不变的。 2 2 2 2t o c 的主要内容 ( 1 ) 找出“瓶颈”工序 按t o c 的定义，所谓瓶颈( 或瓶颈资源) ，指的是实际生产能力小于或等于生产 负荷的资源。这一类资源限制了整个企业出产产品的数量。其余的资源则为非瓶颈资 源。要判别一个资源是否为瓶颈，应从该资源的实际生产能力与它的生产负荷( 或对 1 5 基于m r pi i 和t o c 的集成计划与控制系统研究与开发 其的需求量) 来考察。这里所说的需求量不一定是市场的需求量，而可能是为保证生 产，其他相关资源对该资源的需求量。以下的例子可以说明。 假设某产品p 的生产流程如图2 4 所示： 原 材 料 图2 4 某产品p 的生产流程 情况l ： 对p 的市场需求为每周3 0 个单位；机器a 的生产能力为每周生产3 5 个单位；机 器b 的生产能力为每周生产4 0 个单位，机器c 的生产能力为每周生产2 5 个单位。 显然，这时a 、b 产出的中间品会在c 资源前积压，c 资源哪怕是满负荷每周生产2 5 个单位的产品，产品p 也将不能满足市场每周3 0 单位的需求。 情况2 ： 对p 的市场需求为每周2 8 个单位：机器a 的生产能力为每周生产1 5 个单位：机 器b 的生产能力为每周生产2 5 个单位，机器c 的生产能力为每周生产2 0 个单位。 这时，如果相对市场需求来说机器a 、b 、c 都应该为瓶颈。但根据t o c 的定义， 当前只有机器a 为瓶颈，因为机器c 其生产能力虽然每周生产2 0 个单位，但每周只 能接到机器a 所能生产的1 5 个单位的最大生产负荷，即其生产能力超过了对其的需 求量，为非瓶颈。机器b 其生产能力每周生产2 5 个单位，达不到市场的要求，但它 产出的中间品已经在机器c 前积压了，即其生产能力超过了后续环节对其的需求量， 也是非瓶颈。这时，只有将机器a 的生产能力提高，才能更好地满足市场需求，否则 如果盲目地改进机器b 、机器c 的话，对最终产出于事无补，而且会产出更多的积压 在制品。值得注意的是，如果企业又购买了一台机器a ，则