（机械工程专业论文）基于toc与mrpⅡ的计划与控制方法研究.pdf

摘要 论文题目：基于t o c 与m r p i i 的计划与控制方法研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：沈昭签名：埋篮 拊狮一言皴 蚴。学 摘要 随着市场竞争的加剧，订单任务频繁变化，交货期越来越紧，使制造 业面临着严峻的考验。如何有效地组织生产，保证生产过程快速顺利地进 行，已成为企业赢得竞争的关键。敏捷制造模式为解决这一问题提供了新 的思路，研究敏捷制造环境下企业的计划与控制方法具有重要意义。 在传统的制造资源计划( m r p i i ) 的基础上，引入约束理论( t o c ) 的概念和方法，深入分析了二者集成的可行性，建立了基于t o c 与m r p i i 集成的敏捷制造计划与控制系统体系结构，并研究了集成实现的方法及关 键技术。 采用改进的时段划分方法，实现了系统中瓶颈资源的识别，弥补了传 统方法可能掩盖部分任务负荷量的缺陷；给出了时段划分的基本原则，研 究了基于改进的时段划分的瓶颈资源的识别算法，实例表明该方法能够准 确识别出计划期内系统中的瓶颈资源。 针对单一瓶颈资源条件下的瓶颈排产问题，以任务延期交工时间最短 及计划期内误期任务数最少为目标，分别采用单目标和多目标启发式算法 对瓶颈资源上的关键任务进行排序，完成了相应的排序算法。实例证明， 采用多目标启发式算法能够获得同时满足多个目标的优化排序结果，对实 际生产具有一定的指导意义。 设计了基于d b r 的排产算法，综合“推”和“拉”两种计划思想，完 成关键件和非关键件的排产。d b r 排产算法与混合自适应遗传算法实例计 算结果表明，在系统存在瓶颈资源的条件下，采用d b r 排产方法能有效提 高系统产出，保证零件按期完工。 在上述研究的基础上，采用j a v a 编程语言，结合j s p 技术和s q l 西安理工大学硕士学位论文 s e r v e r 数据库技术完成了敏捷制造计划与控制原型系统的设计与开发， 系统运行结果证明所提方法正确可行，符合实际要求。 关键词：计划与控制；约束理论；瓶颈识别；瓶颈排产；d b r 排产 本文研究工作得到陕西省自然科学基金资助项目“敏捷制造系统控制技 术研究( 2 0 0 4 e 2 0 2 ) ”的资助 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho np l a n n i n ga n dc o n t r o l l i n gb a s e do n t o c a n dm r p m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：z h a os h e n s u p e r v i s o r ：p r o f - y a nl i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 彰岍力k w i t ht h ei n c r e a s i n gc o m p e t i t i o ni nm a r k e t ，f r e q u e n tc h a n g e si no r d e r sa n ds h o r t e rd e l i v e r y t i m er e q u i r e m e n t sm a k et h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yf a c i n gs e r i o u s ec h a l l e n g e s h o wt o o r g a n i z et h ep r o d u c t i o np r o c e s se f f e c t i v e l ya n dm a k ei tg o i n go ns m o o t h l yh a sb e c o m eak e y i s s u ef o rac o m p a n yt ow i nt h ec o m p e t i t i o n a g i l em a n u f a c t u r i n gm o d ep r o v i d e san e w c o n c e p t t or e s o l v et h i sp r o b l e ma n di ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os t u d yt h ep l a n n i n ga n dc o n t r o l l i n g m e t h o du n d e rt h i sm o d e b a s e do nt h et r a d i t i o n a lm 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 gi i ( m p pi i ) ，c o n c e p t sa n d m e t h o d so ft h et h e o r yo fc o n s t r a i n t s ( t o e ) a r ei n t r o d u c e d 1 1 1 ef e a s i b i l i t yo fi n t e g r a t i o ni s a n a l y z e d t h ep l a n n i n ga n dc o n t r o l l i n gf r a m e w o r ki na g i l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mb a s e do n m r pi ia n dt o ci se s t a b l i s h e d ；t h ei n t e g r a t i o nr e a l i z a t i o na p p r o a c h e sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s a r ea n a l y z e da sw e l l a ni m p r o v e dw a yo ft i m ep e r i o dd i v i d i n gi sa d o p t e dt oi d e n t i f yt h eb o t t l e n e c ki na m a n u f a c t u r es y s t e m , w h i c hm a k e su po ft h ed e f e c tt h a ts o m et a s kl o a dm i g h tb en e g l e c t e di n t h et r a d i t i o n a lw a y t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft i m ep e r i o dd i v i d i n ga r ep r o p o s e d a n dt h e i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ei m p r o v e dw a yi sa n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a tt h en e ww a y c o u l dd i s t i n g u i s ht h eb o t t l e n e c ko f as y s t e mi nat i m eb u c k e ta c c u r a t e l y a i m i n ga t t h e b o t t l e n e c k s c h e d u l i n gp r o b l e m u n d e rs i n g l eb o t t l e n e c kc o n d i t i o n ， s i n g l e - g o a la n dm u l t i - g o a lh e u r i s t i c 叩t i m i z a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r eu s e dt oo r d e rt h e c r i t i c a lt a s k so nb o t t l e n e c k w h i c ht a k et h em i m m u md e l a y e dt i m ea n dn u m b e ro ft a s k sa s o b j e c t s t h ec o r r e s p o n d i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sa c c o m p l i s h e d 勰w e l l c a s es t u d yp r o v e s t h a to p t i m i z e dr e s u l tc o u l db eo b t a i n e dt h r o u g hm u l t i g o a lh e u r i s t i ca l g o r i t h m ，a n di ta l s oh a s i n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c et op r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nd b ri sd e s i g n e d c o m b i n e dt h et w op l a n n i n gt h e o r i e s o f p u s h a n d p u l l ，c r i t i c a lp a r t sa n dn o n c r i t i c a lp a r t sa r es c h e d u l e d r e s u l t so fd b ra n d 西安理工大学硕士学位论文 h y b r i ds e l f - a d a p t i v eg e n e r i ca l g o r i t h ms h o wt h a tt h ef o r m e rm e t h o dc o u l di m p r o v et h eo u t p u t a n dt h ed e l i v e r yr i m eo f t a s k sc o u l db ea s s u r e dw h e nt h e r ei sab o t t l e n e c ki ns y s t e m b a s e do nt h es t u d i e sa b o v e ，t h ep r o t o t y p es y s t e mo fp l a n n i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi n a g i l em a n u f a c t u r i n gw a sd e v e l o p e d 哪i n gj a v a 、j s pa n ds q ls e r v e r r u n n i n gr e s u l t so f t h es y s t e mi n d i c a t e st h a tt h ea p p r o a c h e sp r o p o s e da b o v ew h i c hc a ns a r i s 母t h er e q u i r e m e n ti n p r a c t i c ea r ev a l i da n df e a s i b l e k e yw o r d s ：p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ；t h e o r yo f c o n s t r a i n t s ；b o t t l e n e c kr e c o g n i t i o n ；b o t t l e n e c k s c h e d u l i n g ：d b rs c h e d u l i n gm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db ys h a a nx ip r o v i n c en a t u r es c i e n c ep r o g r a m r e s e a r c ho n c o n t r o lt e c h n o l o g yo f a g i l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( 2 0 0 4 e 2 0 2 ) 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：邀匣i 幻年；月砷珏 学位论文使用授权声明 本人z ! 丛型i 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过沦文的答辩，并 已经在西安理工大学申请蓐：t 硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说 论文作者签名：季埤 导师签名 年；月姗 1 绪论 1 绪论 科学技术的日新月异急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过程，个性化、多样 化的消费需求使得传统的相对稳定的市场转变为动态多变的市场，信息化时代的到来使制 造环境正在发生深刻的变革。传统的管理机制、控制方式、组织结构和决策准则也随着全 球性的激烈竞争进行着新的变革。敏捷制造模式在这种背景下应运而生。 在生产计划与控制技术方面，传统的制造资源计划( 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 i i 。m r p i i ) 、准时制生产( j u s t i n t m a e ，j i t ) 、约束理论( t h e o r y o f c o n s t r a i n t s ，t o c ) 等因各自的局限性，已不能适应敏捷制造模式的需求。综合考虑各种方式的优缺点，制定 合理的生产计划，并对生产进行有效控制成为制造企业所面临的一大难题。 1 1 敏捷制造 1 1 1 制造技术的发展 随着时代的发展，制造企业的内、外部生产环境发生了深刻的变化。从外部环境看， 顾客( c u s t o m e r ) 消费水平不断提高，企业之间竞争( c o m p e t i t i o n ) 的加剧，加上政治、 经济、社会环境的巨大变化( c h a n g e ) ，导致需求日益多样化。“3 c ”即是多样性与市场 需求不确定性的根源，也是促进企业不断提高自身竞争能力的外在压力。从内部环境看， 企业不断采用新设备、新技术和新工艺，生产能力得到进一步提高；网络技术的发展和企 业信息化的普及，使得在不同地点、不同领域的多个企业之间的协作成为可能。外部压力 促使了变革，内部条件则为变革提供了基础。 制 造 技 术 f i g 1 - 1d e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y 伴随外部需求的变化，企业为求得生存，必然应用各种先进的生产技术和管理理念， 不断提高自身竞争能力，以在激烈的市场竞争中求得生存空间。制造模式也因此发生了巨 大的变化，经历了大批量生产、柔性生产、准时生产等阶段【l 】，目f ；i 己发展到敏捷制造的 阶段，如图卜1 所示。业务流程再造( b u s i n e s sp r o c e s sr e e n g i n e e r i n g ，b p r ) 和虚拟企业 西安理工大学硕士学位论文 ( v i r t u a le n t e r p r i s e ，v e ) 成为敏捷制造模式的两大技术基础1 2 】【3 】。 1 1 2 敏捷制造模式 1 9 9 1 年美国在 2 1 世纪制造企业发展战略报告中提出敏捷制造的概念后，在世界 范围内引起了强烈的反响，受到政府及工业界的广泛重视。敏捷制造作为一种全新的制造 组织模式，代表着制造业的发展方向。 敏捷制造就是以“竞争合作( 协同) ”的 方式，提高企业竞争能力，对市场需求做出 灵活快速反应的一种制造生产模式。它利用 人工智能和信息技术，通过多方面的协作改 变企业沿用的复杂的梯阶结构，改变传统的 大批量生产。这种模式要求企业采用现代通 信技术，以敏捷动态优化的形式组织新产品 开发，通过动态联盟、先进柔性生产技术和 高素质人员的全面集成，迅速响应客户需求， 及时交付新产品并投入市场，从而赢得竞争 优势。敏捷制造的内涵就是企业通过与用户、 合作伙伴在更大范围、更高程度上的集成， 来最大限度地满足市场的需求，适应竞争， 获取长期的经济效益，如图1 2 所示。 图l - 2 敏捷制造模式结构图 f i g 1 - 2a g i l em a n u f a c t u r i n gp a t t e r ns m l e u l r ec h a r t 敏捷制造企业具有以下主要特点：在全球化的市场竞争中能以最短的交货期、最经 济的方式，按用户需求生产出用户满意的、具有竞争力的产品；具有灵活的动态组织机 构，能以最快的速度把企业内部和企业外部的优势力量集中在一起，形成具有快速响应能 力的动态联盟；具有高度柔性、可重构的生产设备及相应软件；具有持续创新的能力； 具有创新能力和经验的员工；企业和用户之间存在一种“战略”依存关系。 敏捷制造代表了c i m s 发展的最新阶段，主要通过敏捷化企业组织、并行工程环境、 全球计算机网络或国家信息基础设施，在全球范围内实现企业间的动态联盟和拟实制造， 使全球化生产体系或企业群能迅速开发出新产品，响应市场，赢得竞争。敏捷制造的关键 技术包括：敏捷虚拟企业的组织及管理技术、敏捷化产品设计和企业活动的并行运作、基 于模型与仿真的拟实制造、可重组可重用的制造技术、敏捷制造计划与控制、智能闭环 加工过程控制、企业间的集成技术、全球化企业网、敏捷后勤与供应链等等【4 】【5 1 。 1 2 生产计划与控制 1 2 1 生产计划与控制在企业中的地位 由生产过程与管理过程有机结合的实体就是企业的生产系统。这个实体有确定的目 标，有决策与管理系统来组织生产过程实现预定的目标，又有随环境的变化调整目标和调 2 1 绪论 节自己的功能。图1 3 正好表示了这样的生产系统【6 1 。 产品 服务 图1 3 生产系统不意图 f i g 1 - 3s k e t c hm a po f p r o d u c t i o ns y s t e m 由上图可以看出，生产系统是一个庞大而又复杂的系统。它涉及订单处理、产品设计、 工艺设计、生产计划与控制、销售与维护等产品生命周期内的各个环节。对于一个生产系 统而言，需要在自身所处的各种环境条件下( 包括企业的机会、受到的约束、面l 临的威胁、 现实的需求等) ，通过转换过程将现有资源转换为企业的产品或服务，实现企业的目标。 而生产计划与控制的基本任务就是运用计划、组织、控制职能，把投入到生产过程中 的各种要素有效地结合起来，形成有机的生产系统，去满足动态变化的市场需求，并取得 最佳的经济效益。 生产计划与控制的主要内容包括： 按市场和用户的需求组织生产，保证生产出满足市场需要的产品。尤其是要增强生 产对市场需求变化的适应能力。全面完成企业生产经营计划所规定的目标任务，既要完 成产品品种、产量、产值指标，也要完成质量、成本、资金利用、利润等技术经济指标， 最大限度地提高企业的经济效益。充分利用人力资源，合理组织劳动力的分工协作，不 断提高劳动生产率，增大有效产出。加强物资管理，努力降低物资的消耗量，建立合理 的物资储备，确保供应并减少库存占用资金，确保生产物流顺畅。加强设备管理，尤其 是瓶颈设备的管理，提高设备的完好率和利用率，充分发挥设备的效能。 不难看出，生产计划和控制关系着企业战略是否能够顺利实现，企业竞争力是否能够 有效提高等关乎企业生存的重大问题，在企业运作和管理过程中的地位举足轻重。 1 2 2 典型计划与控制模式分析 由于市场需求的变化和市场竞争的加剧，企业为赢得竞争，纷纷采用不同的计划与控 制策略。典型的计划与控制模式有p e r t 、e r p m r pi i 、j i t 和t o c ，它们在不同的环境 下发挥了重要作用，但在实际应用中也各有优缺点8 1 9 1 1 1 0 1 。 网络计划法又称统筹法，是一种比较粗放的管理模式，适用于大型项目的单件生产， 是制定工程项目工作计划的有效方法。比较常用的方法是关键线路法( c r i t i c a lp a t h m e t h o d ，c p m ) ，该方法通过有向图，求得影响整个产品生产的关键工序，通过控制这些 关键工序以达到控制生产全局的目的。 西安理工大学硕士学位论文 m r p i i 起源于美国，根植于批量生产方式，适用于大批量、提前期相对稳定、能力 需求波动不大的生产类型。m r p i i 的优势在于其中长期计划能力，注重前期规划，用尽 可能周密的计划集中安排各环节的资源及加工，以应对生产的不确定性。缺点在于：提 前期、批量等参数的预先静态设定；能力约束考虑不足；o 生产计划与控制相分离； 底层功能较弱，计划调整时，一改全改，问题由底向上层层反馈和所有计划从顶到底层层 重排，造成生产计划的抗扰动能力差。 j i t 起源于日本，根植于重复性生产方式，适用于按订单装配( a s s e m b l yt oo r d e r ， a t o ) 的生产类型。其编制计划的思想是：采用看板管理方式，按照无限能力排产法， 逐道工序地倒序传递生产中的取货指令和生产指令，各级生产单元依据上级所需再组织生 产进行物料补充。缺点在于：j 1 1 r 整体计划性弱，缺少中长期计划的指导，生产控制只 是被动跟随；j i t 计划编制的源头、控制点仅仅放在交货期、交货数量上；j i t 在生 产管理中致力于消除任何形式的浪费，追求零库存，未考虑到库存对系统的产销率、物流 平衡等方面的正面影响；j i t 尽量维持生产的稳定和能力平衡，对设备和人员柔性要求 很高。 t o c 起源于以色列，是一种普适的计划方法。其编制计划的思想是：通过对系统中 的瓶颈资源的有效管理，将生产的零件分别对待，从而提高系统的有效产出。优势在于： 正视瓶颈的存在并充分利用瓶颈，把瓶颈计划调度和非瓶颈的计划调度区别对待； t o c 不需要预先设定提前期，提前期是编制计划的结果；综合了推拉两种方式的优点； t o c 承认能力不平衡的绝对性，保证生产物流的平衡和生产节奏的同步；t o c 是集 计划与控制于一体的方法，实现了计划与控制的和谐与统一。 i v i r pi i 、j i t 和t o c 的特性对比如表1 1 所示。 表1 - 1 m r p i i 、j i t 和t o c 的特性比较 t a b 1 - 1c h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r i s o n o f m r p l l 、j i t a n d t o c 1 2 - 3 敏捷制造系统计划与控制特点 敏捷制造作为一种全新的制造模式，综合了并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 、 精益制造( l e a np r o d u c t i o n ，l p ) 等多种先进制造模式的思想。敏捷制造系统作为敏捷制 造模式的信息载体，具有敏捷性、互操作性、可重用性、可扩充与可删减性、时效性、协 同性等特点【1 1 j 。因此，和传统的计划与控制方法相比，敏捷制造系统计划与控制具有如 下鲜明的特点： ( 1 ) 在生产模式方面，一般以多品种单件小批量生产模式为主，在客户订单驱动下 4 1 绪论 安排生产1 1 2 1 ： ( 2 ) 由于生产任务随客户订单不断变化，需要动态调整生产计划，但由于生产能力 有限，系统中剩余生产能力不断变化，主生产计划( m a s t e rp r o d u c t i o ns c h e d u l e ，m p s ) 的制定非常复杂【1 3 1 ； ( 3 ) 生产系统中瓶颈资源的出现，使得部分客户订单必然被推迟，订单的延期交工 与客户对交货期要求紧成为一对矛盾； ( 4 ) 由于按订单组织生产，插单和加急订单的出现增加了计划与控制的难度。 ( 5 ) 车间生产系统一般相对独立，结构完整； ( 6 ) 企业内部生产能力有限，完成复杂生产任务时需要频繁地对外协作。 基于敏捷制造系统计划与控制的上述特点，迫切需要研究一种能够解决上述问题的计 划与控制方法，真正实现敏捷制造的思想和要求。 1 2 4 生产计划与控制研究的发展趋势 目前，国内外对于生产计划和控制的研究大多采用计划与控制相分离的策略，如图 1 4 所示。在计划方面，由于单纯地使用某种方法已经不能满足实际需要，因此许多学者 对上述方法的集成方法技术进行了研究；在控制方面，由于求解调度问题的复杂性1 4 l ， 提出了很多新的车间调度策略和方法。 图1 - 4 常用计划与控制图 f i g 1 - 4p l a n n i n ga n dc o n t r o l l i n gc h a r ti nc o m m o nu s e a 生产计划研究的发展趋势 在生产计划的研究方面，提出了许多基于现有计划模式的集成模式，主要有 p e r t m r p i i 模式旧【1 6 】、m r p i i j i t 模式【1 7 】【l s 】【19 】刚【2 1 】田】、m r p i i j i t t o c 模式1 2 3 1 1 2 4 1 1 2 s 、 m r p i i t o c 模式1 2 6 1 2 7 1 。 ( 1 ) p e r t m r p i i 模式 该模式主要考虑到一次性生产产品生产周期长、结构复杂等特点，在产品上层计划采 用p e r t 得到每个子项目的最晚完工时间，确定各产品及其主要部件的投产顺序；在下层 则利用m r p 分解子项目，制订详细的加工和采购建议。主要缺陷在于：m r p i i 的运行需 要准确的生产提前期，而在一次性生产中制定出每种零件准确的生产提前期非常困难。 ( 2 ) m r p i i j i t 模式 此模式是研究较多的模式，充分利用m r pl i 强大的计划功能和信息集成功能，生成 上层生产计划、物料采购计划等；在生产活动的控制层，则利用j i t 的控制功能，执行生 产控制。该模式综合“推”、“拉”两种计划方法的优势，但研究多集中于将j i t 合并到 5 西安理工大学硕士学位论文 m r p i i 中，而非二者的真正集成。同时，j i t 所不断追求的“零库存”与m r p i i 中合理 合法的“安全库存”成为一对不可调和的矛盾。 ( 3 ) m r pi i j i t t o c 模式 该模式在m r p i i 与j i t 结合的基础上，引入t o c 方法，具体的结合模式为：以计划 为主线，运用t o c 理论来发现瓶颈，提出改进方向；以m r p i i 为主进行生产计划的制定， 重点是对瓶颈环节进行计划和控制；以j i t 为主进行现场管理和改善活动。但在这种模式 中，j i t 的“零库存”与m r p i i 中“安全库存”的矛盾仍然存在。 ( 4 ) m r p i i 厂r o c 模式 该模式的结合思想是：应用m r p i i 制定企业级的生产计划，车间作业计划则由t o c 制定。该模式下的主要思路是构建生产网络，划分关键资源网和非关键资源网，并以此为 依据进行计划。目前此模式的研究内容还集中于二者的结合方式上，对于瓶颈资源的识别 和d b r 排产方面研究较少，尚无具体可操作的方法，具有进一步研究的价值。 多年来，生产计划与控制一直是学术界和企业界研究的重点和难点，不少学者也对此 提出了许多新的解决办法。同济大学的张曙教授提出来独立制造岛模式【2 s 】，其技术构思 是：以成组技术为基础，以n c 机床为核心，强调信息流的自动化和以人为中心的生产模 式。特征是：组织、人员和技术三者的有机集成，面向车间、权力下放、综合治理，并以 获得经济效益为主要目标。该模式适合多品种小批量制造企业中有大量相似零件的加工制 造。 围绕敏捷制造系统的执行能力这个问题，产生了制造执行系统( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 概念。m e s 是2 0 世纪9 0 年代初美国先进制造研究机构( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 提出的支持企业信息模型集成的概念。m e s 被定义为“位 于上层计划管理系统与底层工业控制系统之间的、面向车间层的管理信息系统”，同时被 认为是e r p m r p i i 的必要补充，可以填补m r p i i e r p 系统在生产计划与生产控制之间 的信息鸿沟【2 9 1 。 另一方面，由于e r p 不能实时地、基于约束优化地产生计划，也有学者提出了高级 计划与排程( a d v a n c e dp l a n n i n g a n ds c h e d u l i n g ，a p s ) 概念，强调在e r p 系统的基础上 嵌入a p s 功能【3 们。目前对于a p s 的应用集中于对供应链的管理，可分为基于仿真模拟的 a p s 系统，基于约束理论的a p s 系统和基于遗传算法的a p s 系统等。 b 生产控制研究的发展趋势 在生产控制方面，国内学者通常习惯称之为生产调度。由于生产控制问题的复杂性、 动态随机性、多目标性、多约束性等特点1 3 1 】，因此成为制造业研究领域的一个热点，并 形成如下发展趋判3 2 1 1 3 3 l 【3 4 】： ( 1 ) 并行或分布策略：为适合不同车间控制结构与高度复杂问题的需要，不少学者 利用并行或分布策略来解决车间调度问题。 6 1 绪论 ( 2 ) 分解与成组策略：利用分解生产计划或g t 的调度策略可以大大降低问题的复 杂性和规模，求得调度问题的较优解，同时优化系统的一些性能指标。 ( 3 ) 人机交互策略：大量的研究表明人机交互策略可以减小系统的搜索时间，可在 有限的时间、背景知识条件下解决一些困难的调度问题。 ( 4 ) 动态重调度策略：车间制造过程的随机性和不确定性需要不断地进行重调度， 以处理突发的事件。基于目前的研究，对于动态调度的具体策略有周期调度、连续调度、 事件驱动调度、周期与事件驱动混合调度，周期与连续调度混合等。 ( 5 ) 生产计划与调度集成策略：生产计划与调度的集成研究具有全局优化的特征， 也符合先进制造模式的思想，同时提高了生产系统的柔性。 ( 6 ) 多目标权衡决策：实际调度问题是多目标的，且这些目标往往相互冲突，如何 对调度系统的不同目标进行权衡分析，实现多目标调度优化是十分必要的。 ( 7 ) 异地生产调度策略：作为敏捷模式的关键技术之一，异地生产调度策略也成为 近期的研究热点，具有比较广阔的应用前景。 1 3 本文研究背景及内容 1 3 1 研究背景 随着社会化生产的进一步细化和市场竞争的日益加剧，制造企业面临着前所未有的挑 战，为了适应市场需求的多样化、动态化，现代企业的制造模式已开始转向敏捷制造模式。 一个优秀的企业，必须能够对动态变化的市场需求做出实时的、敏捷的生产调整，以便在 最大程度上满足顾客的需要。 合理地对生产过程中的任务进行计划，合理利用企业生产资源，快速寻找企业生产系 统中的瓶颈资源，将企业有限的资源用于对生产过程中瓶颈的突破，同时对生产过程进行 有效的控制，最大限度地提高企业的有效产出，是摆在所有制造企业面前的难题。本文将 针对这些问题进行深入的研究和分析，因此研究内容具有重要的理论意义和现实意义。 本文研究工作受到陕西省自然科学基金资助项目“敏捷制造系统控制技术研究” ( 2 0 0 4 e 2 0 2 ) 的资助。 1 3 2 研究内容 本文着重研究基于t o c 与m r pi i 的集成实现和关键技术。针对敏捷制造模式下，企 业生产订单变化大、任务交货期要求紧的特点，着重分析基于时段划分的瓶颈资源的识别 方法：针对传统时段划分方法会掩盖加工中部分负荷量以及不考虑实际的运输和检验时间 的缺陷，给出时段划分的基本规则，深入研究瓶颈资源识别算法，并将通过实例证明该算 法的正确性。 为最大限度地提高企业的有效产出，需要对生产系统中的瓶颈资源进行有效的管理。 本文采用多目标的启发式算法，对瓶颈资源上的生产任务进行合理排序，以实现瓶颈资源 上的有效产出最大化；采用d b r 排产方法，根据瓶颈排产结果，制定出关键件和非关键 7 西安理工大学硕士学位论文 件的计划，综合“推”和“拉”两种计划模式，完成整个系统的生产任务排序。 采用j a v a 语言，融合j s p 技术、数据库技术实现敏捷制造系统计划与控制原型系统 的设计与开发。 综合以上研究内容，本文结构安排如下： 第一章：绪论。在概述制造技术的发展及敏捷制造模式基础上，分析生产计划与控制 的地位、现状及特点。 第二章：敏捷制造系统计划与控制框架。在对m r pl i 与t o c 的优缺点分析的基础上， 深入研究二者集成的可行性，并建立t o c 与m r p i i 集成的敏捷制造系统计划与控制框架， 分析二者的集成实现以及涉及到的关键技术。 第三章：制造系统瓶颈资源识别。针对瓶颈的时间性，研究基于时段划分的瓶颈资源 的识别方法，提出时段划分的基本规则和改进措施，通过实例对比分析改进的时段划分方 法的有效性和实用性；在此基础上，设计瓶颈识别算法。 第四章：瓶颈资源排产方法研究。以延期交工时间最短和延期交工任务数最少为目标， 采用单目标和多目标启发式算法，对瓶颈资源上的生产任务进行排序，以实现系统有效产 出最大的目标，并设计相应算法。 第五章；基于d b r 的排产方法研究。完成d b r 排产的理论分析，设计d b r 排产算 法，综合采用“推”和“拉”两种计划理念，完成关键件和非关键件的排产，并通过实例， 将d b r 排产结果与混合自适应遗传算法结果进行对比。 第六章：系统实现。采用j a v a 技术，融合了j s p 技术和s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库 技术，实现原型系统开发。 第七章：总结与展望。对本文的研究工作及研究成果进行总结，并对今后进一步研究 方向做出展望。 本文的章节关系如图1 - 5 所示： 暑 第一章绪论 第二章敏捷制造系统计划与 控制框架 第三章制造系统 瓶颈资源识别 第四章瓶颈资源 捧产方法研究 第五章基于d b r 的 排产方法研究 第六章系统实现 第七章总结弓展肇 图1 - 5 文章的结构关系 f i g 1 - 5 a r t i c l es t r u c t u r e 2 敏捷制造系统计划与控制框架 2 敏捷制造系统计划与控制框架 针对m r p i i 在提| i 期、无限能力、安全库存方面的缺陷，本章采用t o c 与m r p i i 集成的计划与控制模式，充分利用d b r 在解决瓶颈问题和降低库存方面的优势，建立敏 捷制造系统计划与控制体系结构，实现计划与控制的和谐统一。 2 1m r pi t 的计划与控制方法分析 2 1 1m r p 计划与控制原理 m r pi i 是美国著名管理专家、m r p 的鼻祖奥列弗怀特( o l i v e rw w i g h t ) 在物料需 求计划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，m r p ) 的基础上继续发展起来的。m r pi i 的基本 思想是：基于企业经营目标制定生产计划，围绕物料转化组织制造资源，实现按需按时地 进行生产。m r p i i 的计划层次体现了由宏观到微观、由战略到战术、由粗到细的深化过 程，属于典型的递阶式计划模式，其逻辑流程如图2 1 所示【3 5 】。 决 镱 层 计 划 层 财务系统基础数据 物料系统 图2 1 制造资源计划m r p l i 流程图 f i g 2 1 f l o wc h a r to f 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 i i 图中，右侧是计划与控制流程，包括决策层、计划层和执行控制层；中间是企业基础 数掘，这些数掘的集成，把企业各个部门的业务沟通起来；左侧是企业的财务系统；联线 表明信息的流向及相互之间的集成关系。 9 执行控制层 西安理工大学硕士学位论文 m r pi i 可分为生产计划与控制( 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。生产计划与控制子系统按照预测的销售前景，并 考虑销售订单的实际情况来编制生产大纲；再按主生产计划，编制物料需求计划，据此采 购原材料和零件，并安排生产，使在制品数量、原材料数量及成品数量控制在最优水平上。 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) 的信息反馈也与财务系统、物流管理系统集成。物流管理系统 向供销部门和库房管理部门提供日常业务处理功能，并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，还向管 理人员提供目前库存资金占用情况和企业运营情况。 2 i 2m r p 计划与控制缺陷 m r pi i 起源较早，在世界范围内得到了广泛推广，但随着制造模式的变迁，以及客 户对产品个性、质量等要求的不断变化，m r p i i 在计划原理、生产提前期、无限能力计 划等方面的缺陷便表现出来。 ( 1 ) 基于“分工”、“层级”和大量生产的计划原理存在问题 m r pi i 是对大批量生产的优化，分工、层级和大量生产的思想根深蒂固。在m r p 算 法中，不同订单的同类产品( 零件) 合并、同一时间段内的同类产品合并，强调固定批量。 在需求稳定的条件下，按照大批量等于高效率的原则，m r p 的做法是正确的。但在需 求不稳定、用户需求差异大的情况下，“批量”扭曲了m r p 的精髓相关需求原则， 放大了需求的波动。“合并”和“批量”的思想使用户的个性化需求被淹没，从而无法跟 踪个别订单的完成情况。 ( 2 ) “提前期”和“批量”造成库存增加，使生产系统不稳定 在m r p i i 系统中，允许合理合法地设置“安全库存”、“安全提前期”，致使加工 前后的等待时间被固化在m r p i i 软件中。而且每一个提前期都会受到批量的约束，批量 变化了，提前期就必须跟着改变，做出的计划就得重来。提前期和批量造成了生产系统的 不稳定，同时也容易使企业采购部门处于虚假的高度紧张状态。 ( 3 ) “一个产品一个b o m ”易造成数据灾难 m r pi i 的基石是物料清单( b i l lo f m a t e r i a l ，b o m ) ，其原理是对每一个确定的产品 建立一个顶级的产品b o m ，再根据产品内的零部件关系进行拆分。在敏捷制造模式下， m r pi i 为每一种产品确定一个产品b o m ，有多少种产品就有多少种产品b o m 。这样势 必使m r pi i 受到“一种产品一个b o m ”的羁绊，带来一场数据灾难。 ( 4 ) 采用无限能力计划，不考虑可行性 m r p i i 从诞生之初，就没有考虑能力问题。正如m r p 创始人之一j o s e p ho r l i c k y 所 认为的那样“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、需要多少和什么时间需要”。m r p 在作计划时，假设工厂能力是无限的，忽视 了计划的可行性问题。多年来，理论界对m r p 的这个缺陷进行了许多技巧性的改进。 l o 2 敏捷制造系统计划与控制框架 m r pi i 系统在m r p 基础上增加了一个庞大的能力计划子系统，为计划进行层层的能力校 验。但这种事后校验、反复修正的处理方式，给企业带来了极大的不便。 同时，利用m r p i i 编制计划对生产零件不分主次，一视同仁，当资源能力不足时， 不可避免会出现关键件生产不出来，而非关键件又占用了大量的生产资源，结果导致库存 大量增加，产品不能按时交货。 2 2 约束理论分析 约束理论( 1 o c ) 是从物理学领域引进到管理学领域一套管理理念和管理工具相结合 的理论体系 3 i l 。它把系统在实现目标的过程中现实的和潜在的限制因素称为约束，通过 识别和消除这些约束，从而使系统得到优化。最初它在美国的制造业内使用，它被认为是 美国制造业复苏的一种秘密武器，美国通用汽车、d i r o n a 等公司正是依靠这样的方法 和理念发展成现在的优秀企业f 3 7 】。t o c 不仅可以应用于制造领域，同时还可以应用于其 他各种领域，如医疗领域、航空领域等【3 8 】【3 9 】。 2 2 1t o c