毕业设计第一二章.doc

第一章 绪论1.1 选题背景及研究意义在当前激烈的市场竞争中，越来越多的制造企业认识到，决定顾客是否购买其产品的标准不仅仅是价格，而是包含了很多内涵的价值，如个性化的产品性能和服务水平等。制造企业要想赢得和保持自身的竞争优势，不仅要设法降低成本，而且还要能提供不同水平的产品及服务，同时，产品所需零部件的运输与配送费用在整个产品的制造成本中占有相当大的比例。因此，众多企业正在努力寻找一条可以达到增加成本优势和个性化优势的有效途径。在这样的背景下，混流生产模式的应用以及物流系统管理中的物料控制受到制造企业和研究人员的重视。本文的研究对象是汽车工厂混流模式下生产物流中的物料供应与控制问题。生产物流中物料的供应至关重要，在理顺物料管理基础上，如何解决好瓶颈工序加工的物料供应与配置，将生产能力再上一新台阶，提高新型产品市场占有率是企业生存与发展的重要前提。汽车工业可以视为一个国家的经济指标，在国家实力成长中发挥着极其重要的作用。从历史上看，在一个国家进入工业化中期阶段，从中期阶段到最后完成工业化和现代化，没有一个大国不是靠汽车工业的高速发展来完成这一过程的2。欧美和日本的汽车零部件企业早在上一世纪 50 年代就开始研究企业物料供应即物流供应的优化模式，以期在此领域获得利益。1962 年，美国著名管理学家Peter Druck首次用“经济领域的黑暗大陆”来比喻物料供应管理的潜力。物流被认为是能够减少企业经营成本的最后领域。二十世纪八十年代，日本企业成功的推行JIT 物料供应管理，使汽车零部件企业与整车厂和供应商形成了利益共享，风险共担的物料供应链。这种精益的管理模式，使日本汽车行业在国际市场迅速崛起，整车以价廉质优的竞争实力在全球汽车业占领一席之地，取得了显著成果。国外成功经验是我们很好的借鉴，面对越来越激烈的全球汽车零部件市场的竞争，中国企业也应面对现实，积极应对挑战，改进物料供应模式，将物料管理当作与企业技术、质量、产品等同等重要的企业竞争要素加以研究和改进，企业物料供应模式的优化，是我国零部件企业提高自身实力，形成企业核心竞争力，满足不断变化和提高的客户需求，打入国际市场参与竞争的必由之路5。当前我国汽车市场竞争日趋激烈，生产模式已经从过去的以增大库存来保证正常生产逐渐变为基于订单的混流生产模式。因为，用户对汽车提出了越来越多的个性化需求，产品改型越来越快，品种系列越来越多，批次越来越多，现在的汽车生产也实行多品种小批次生产，也就需要混流装配线来生产34。另一方面，汽车的产品结构非常复杂，需要大量的装配件（汽车零部件），而这些装配件往往由许多专业厂（配套厂）和零部件供应商来生产与供给，这样一来，混流装配线在不同的时间所需的物料种类和数量不尽相同，甚至在同一时间所需相同物料的颜色、性能、规格也不尽相同，导致汽车装配线物料供应系统越来越复杂。所以，就需要对混流装配线的物料供应问题进行科学研究。物料供应作为一种专业化、社会化的服务模式，它适应了经济一体化的需要，适应了社会化大生产的发展，体现了现代经济的发展趋势。而物流管理和提高物流配送和供应的效率更是我国亟待解决的问题。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状混流生产模式是适应社会个性化、多样化需求所出现的一种高柔性的生产方式。对混流生产的研究有部分文献涉及到了物料排序问题。南京理工大学的宋华明、韩玉启从供应链角度来讨论准时制系统中混合装配线物料的排序问题,建立了物料供应速率平准化的目标和模型，应用模拟退火方法设计搜索算法，可以针对多个层次物料的供应速率平准化目标进行投产排序。结果表明模拟退火算法的搜索结果优于“目标追踪法”15。曹振新、朱云龙研究了准时生产环境下混流轿车装配线物料配送的物料拉动系统和看板运作流程，并建立了基于现场总线技术的物料ANDON系统。在分析总装线旁物料报警情况的基础上，提出了现场物料出现MIN/MAX时的处理方式，首次提出了物料断点的概念并建立了实施流程。本文研究的着眼点是混流生产线的物料供应问题，关于这方面的研究很少。因此，混流生产线的物料供应这个研究领域仍然是一个新鲜的事物。混流生产线物料供应的研究对象是由混流生产车间的总仓库和各工位线旁仓库组成的物流供应系统。物料供应问题主要解决的是在混流生产车间各工位物料的供应时间、频率、供应量、供应提前期等问题。因此，制造企业物料的库存控制问题成为混流装配线物料供应研究的核心问题。在制造企业物料供应的库存控制方面，国内研究人员学习了国外先进的管理方法和管理技术，如供应商管理库存（VMI，Vendor Managed Inventory）、联合管理库存（JMI，Jointly Managed Inventory）、制造资源计划(MRPII，Manufacturing Resource Planning System)和合作计划、预测与补给（CPFR，Collaborative Planning Forecasting & Replenishment）等。此后，蒋振盈等（2003年）通过建立数学模型，验证了 VMI 能够降低信息失真的结论。对于 CPFR的研究，汪传旭（2003 年）采用了定量的方法研究了供应链环境下的合作预测能够降低牛鞭效应的情况。工瑛，孙林岩等（2004 年）将联合预测过程引入到供应链成员的库存补充策略中，研究了多级库存系统建立合作需求预测过程将大大降低系统总成本等等。此外，国内许多学者还从管理学角度研究汽车工厂混流装配线中的生产物流。华中科技大学鲁耀斌等人在分析汽车供应链以及供应链上核心企业特点的基础上，构建了基于电子商务的汽车行业供应链管理的理想模型16。武汉理工大学明平顺等人对汽车行业供应链发展动态进行研究，在汽车供应链中，对分供应商支配整车制造商的现象进行分析和研究17。北京科技大学物流研究所吴清一等人在企业物流系统模型化理论研究中18，阐述了物流系统建模的几个理论问题，提出了系统建模原则、模型体系的概念和具有递阶形式的两阶段建模方法，并分析了模型中的要素等问题。目前，从文献研究结果看，国内外对混流生产研究较多的是混流装配线的平衡和排序问题。在混流生产的排序问题上，武汉工程大学的柯昌英运用数学规划方法及生产作业排队理论，建立了一种基于准时生产的同质产品的混流生产排序模型，该模型相对稳定，具有一定的可靠性，并且借助电脑能快速进行计算并得到结果。西安交通大学的孙新宇、万筱宁、孙林岩等人在研究中将蚁群算法应用在混流装配线的调度问题中。蚁群算法可以解决多种组合优化问题，得到了较优的可行解 1。从研究文献看，对混流线平衡的研究比较少。宋华明、韩玉启、杨慧等人分析了混合型装配流水线的平衡设计与排序设计的关系,提出了系统求解混合型装配流水线平衡的并行设计方法，对平衡、排序、反馈，采用协同进化算法进行优化，以期得到全局意义上的最优解。仿真分析的结果显示了方法的有效性9。天津大学的李建中利用多级存贮和多级持有成本概念以及连贯排序特性，将混流装配系统转化为一个序列系统。1.2.2 国外研究现状国外对混流生产线物料供应问题的研究也是集中在物料的库存控制方面。国外的库存控制理论源于 1915 年，当时Harris F.对银行货币的贮备问题进行了深入研究，建立了单品种确定型需求的基本库存控制模型，并得出了相应的最优存储策略。1934 年Wilson R.H.重新推导出了Harris公式，即现在人们熟知的经济订购批量（EOQ）公式6，简称Wilson公式。20 世纪 50 年代后，库存论真正作为一门理论发展起来。在此期间，Whitin T.M.（1953）的库存管理理论（The Theory of Inventory Management）、Arrow K.J.（1958）的库存和生产的数学理论研究（Studies in the Mathematical Theory of Inventory andProduction）以及Moran P.A.P.（1959）的仓储理论（The Theory of Storage）等影响较大的论著相继出版。此后，涉及随机因素或非平稳需求的库存模型逐渐受到人们的重视并得到深入研究7，其代表作有 Wagner A.M.（1958）动态经济订购批量模型（Dynamic Version of the Economic Lot Size Model）、Vemott A.F.（1965）批量订购的最优库存策略 The Optimal Inventory Policyfor Batch Orderings）8。经过长期的发展,库存理论逐渐完善，建立了庞大的模型体系。国外也从管理学的角度对物料供应问题进行了深入的研究。60年代中期，美国IBM公司管理专家约瑟夫.奥列基博士（D r.Joseph A.O rlicky）提出各种物料间相关需求的概念，以及分时间段来确定不同时段物料需求的思想，这就是物料需求计划MRP 的管理思想50。70年代末，MRP系统得到进一步发展，把能力需求计划和车间作业管理和采购管理等的功能包括进来，形成新一代的管理系统制造资源计划系统（MRP）。MRP克服了传统库存管理的缺陷，将物料需求与生产计划联系起来。从物料供应的角度看，MRP管理方法提供了在主生产计划期内各时间段所需供应的物料清单，解决了为保证生产能正常地按计划进行所必须供应的物料需求问题。国外对混流生产的研究，大部分文献也涉及到了混流生产的平衡和排序问题。首次提出混流生产线概念以及混流生产线两种类型的是KilbridgeWester。在混流生产线的平衡方面，Thomopoulos14在1967建立了关于负荷平衡的以最小总惩罚代价为目标的数学模型并用启发式算法进行了求解。ErdalErel和Hadi Gokcen给出了混流线平衡问题的最短路径算法39，这也是对Gutjahar和Nemhauser的算法的改进，局限性在于不能解决大规模的混流线问题。在混流生产线的排序方面，国外的研究文献较多。Kilbridge于1963年就已经开始研究混流装配线的排序问题，Jonathan提出了一个针对混流装配线问题的涵盖每一个决策变量的通用数学框架，并给出6类模型的数学公式32。Yow33等用遗传算法解决混流装配线的排序问题。Bard 同时考虑了两个目标的混流装配线排序问题，即最小化装配线长度和保持均匀的零部件消耗率，用相邻交换和禁忌搜索算法、启发式算法进行求解13。1.3 本文研究的主要内容本文的研究目标是汽车工厂混流装配线的物料供应问题，是生产物流系统的一个子系统，它比单一装配线的物料供应问题更加复杂。在生产节拍、整车装配顺序已知的条件下，根据混流装配线物料需求的相关性、物料的种类及其供应策略，并借助以往对库存控制研究的理论成果及物料供应的实际运作流程，建立恰当的线旁物料控制模型，从而为确定混流装配线每频次的最佳送货量、每周期的送货频率、每频次的送货提前期以及线旁安全库存量等问题提供理论依据；并结合某汽车制造企业总装车间较典型的一段混流生产线物料供应的具体过程，进行实证分析，并提出改善措施。具体内容如下：第一章阐述本文的选题背景、研究意义以及国内外研究现状，由此提出本文主要的研究内容。第二章阐述了生产物流的相关理论以及混流生产的基本理论，作为本文研究的理论基础。在此基础上，分析了汽车混流生产对物料的需求，并对物料需求的相关性进行了深入的研究。第三章根据一般MTO企业实际生产对物料的需求过程，总结了制造企业混流装配线物料的种类，并深入研究了各种物料所适用的供货方式，一般混流装配的仿真模型。第四章第五章对某汽车制造企业整车装配中物料供应的具体数据进行实证分析，验证所得结论，最后提出如何做到缩短最小完工时间需要进一步完善的条件。第六章对本文研究的主要内容进行了总结，并提出本文需进一步研究的方向。第二章 生产物流及混流生产概述混流模式是在生产制造系统规模不断扩大，生产的柔性化水平和自动化水平日益提高，社会的个性化趋势日益增强的背景下产生的，要求生产物流也要相应地发展，使之与现代混流生产制造系统相适应。传统的单一流水线下的生产物流，是以手工、半机械化或机械化为主的，设备落后，效率低，工人劳动强度大；物流信息管理也十分落后，信息分散、不准确、传送速度慢，制约了生产的发展。为此，人们开始着手研究现代混流模式下的生产物流，其目的是通过对生产物流进行有效的计划与控制，优化企业生产物流系统，从而使企业物流畅通无阻，保证生产过程的物料需求，保证生产的正常运行，最终使企业产品满足市场需求。2.1 生产物流的相关理论2.1.1 生产物流的概念生产物流（Production Logistics）,也称厂区物流、车间物流等，是企业物流的核心部分23。生产物流是企业物流的关键环节，是指原材料、零部件、外构件、燃料等辅助材料从企业仓库或企业的“门口”开始，进入生产线的开始端并投入生产，经过下料、发料、运送到各个加工点和存储点，以在制品的形态，从一个生产单位流入另一个生产单位，随生产加工过程一个一个环节的“流”，在“流”的过程中按照规定的工艺过程进行加工、储存，借助一定的运输装置，在某个点内流转，又从某个点内流出，始终体现着物流实物形态的流转过程20。图2-1 为制造企业生产物流运作过程示意图。2.2.2 生产物流的模式国外对生产物流的研究是从上世纪二十年代开始的，时间相对比较长，发展比较成熟。目前生产物流研究的重点主要集中在整个供应链或物流链的管理和控制上，物流供应链管理的目标是根据物流在整个供应链体系中的重要性，通过降低企业生产过程中的物流成本，降低原材料、零部件库存，来提高供应链中各种资源的运作效率以及物料在生产中的运转速度，并全面消除制造过程中的一切浪费25。企业生产物流的运作模式取决于企业的生产组织方式。企业现有的生产组织方式有：物料需求计划MRP（Material Requirements Planning）、准时制生产JIT（Just In Time）以及TOC（Theory Of Constraint）理论等。1.物料需求计划（MRP）物料需求计划（MRP），是一种计算物料需求量和需求时间的系统，其基本思想是围绕物料转化组织资源，实现按需准时生产。它按照基于产品结构的物料需求组织生产，根据产品完工日期和产品结构规定生产计划。即根据产品结构的层次从属关系，以产品零件为计划对象，以完工日期为计划基准倒排计划，按各种零件与部件的生产周期反推出它们的生产与投入时间和数量，按提前期长短区别各个物料下达订单的优先级，从而保证在生产需要时所有物料都能配套齐备，不到需要的时刻不要过早积压，达到减少库存量和减少占用资金的目的。MRP的逻辑原理如图2-2所示。2.准时制生产（JIT）JIT首创于日本丰田汽车公司，1977 年被广泛的应用于日本汽车和电子工业26。近几十年来，世界上许多著名跨国公司纷纷应用JIT管理，取得很高的经济效益，如日本丰田汽车公司、美国福特汽车公司、IBM公司都成功地实施了JIT管理27。准时制生产（JIT）是将必要的零件以必要的数量在必要的时间送达生产线。JIT 采取的主要措施是适时适量地生产产品、最大限度地减少操作工人、全面及时地进行质量检测与控制。JIT的核心是消除一切无效劳动和浪费。认为凡是对商品不起增值作用或不增加产品附加值但却增加劳动成本的劳动，都属于浪费的无效劳动，如多余库存、多余搬运和操作、停工待料、无销量生产、废次品的产生等28。JIT拉式作业流程图如 2-3 所示。之后，美国麻省工学院在研究丰田生产模式的基础上又提出了精益生产（Lean production）的概念，它是准时制生产的进一步提高。精益生产是为了以最小的投入获得最大的产值，以最快的速度进行设计和生产。这就要求企业各部门不间断地对生产过程进行改进或改善29。3.基于 TOC（Theory Of Constraint）理论的生产物流计划和控制约束理论 TOC（Theory Of Constraint）是以色列物理学家及企管顾问高德拉特（Eliyahu M.Goldralt）于20世纪70年代提出的31。它是用来持续改善，解决生产物流系统中“瓶颈约束资源”，广泛应用在各行业，也应用到分销（Distribution）、供应链（Supply Chain）、项目管理等其它领域。TOC 的基本原理是：针对在制产品找出影响生产进度的最薄弱环节，集中主要力量保证这些环节满负荷工作，以缩短生产周期，降低在制品库存52。在企业的生产过程中，限制整个生产系统生产效率的最薄弱环节称为关键资源。关键资源可以是人、工艺设备、运输设备、物料等。2.2 混流生产的基本理论2.2.1 混流生产模式的产生及其概念传统的生产模式是以“少品种大批量”为主的生产模式，以高库存储备作为保证生产正常进行的前提条件，是典型的计划经济运作模式，人们称之为“刚性生产模式”，以美国的“福特制”最为典型。刚性生产模式是以损失产品的多样化，掩盖产品个性为代价的4546。随着科技的迅猛发展，世界市场的竞争愈来愈激烈，对产品的性能、价格、品种不断提出新的要求。为此，近些年来，在制造领域陆续地提出了许多新思想、新概念、新方法，产生了许多新的生产运作模式。其中多品种、小批量生产逐渐成为主导生产模式，人们称之为“柔性生产模式”，其精髓在于实现弹性生产，提高企业的灵活应变能力，不断满足市场的动态需求2452。日本丰田JIT（Just in Time）生产方式是一种典型的柔性生产模式。柔性生产更强调创新与生产的结合，注重频繁的过程创新，以满足客户的需求，增强企业的产品竞争能力。在激烈的市场竞争下，汽车行业首当其充，在生产过程中采用了多品种小批量的柔性生产方式，即混流生产模式。混流生产是JIT生产系统普遍采用的一种生产组织方式，是指在基本不改变现有生产手段、生产条件和生产能力的前提下，通过改变生产组织方式，在一定时间内，在同一条流水线上生产出多种不同品牌，不同数量的车型15。汽车的品牌和数量随顾客需求的变化而变化，在最短的时间里，最大限度地满足不同消费者的个性化需求，从而使混流生产线能够快速响应市场需求的变化，减少在制品数量，节约流动资金、降低成本、提高产品的竞争力。表 2-1 为某汽车制造企业车辆混流生产部分排序表。2.2.2 混流生产的运作方式及其指导原则1.混流生产的运作方式混流生产是一种制造各种类型产品的有效方式，它提供给生产系统快速响应需求变化的能力，并且不需要保持大量的库存。它的一般形式是：(1)一个计划期（PT）内，在同一条生产线上生产m种规格的产品；(2)生产线上的m种产品通常是结构和工艺相似，但规格和型号不同；(3)生产过程中，不同产品之间的转换基本上不需调整生产线；(4)生产线上m种产品是连续、混合（非成批轮番）投入的。2.混流生产的指导原则混流生产线正常运转的前提是要求生产物流在一定程度上实现均衡化和同步化。其指导思想是均衡化的多品种、小批量混流生产；指导原则是数量均衡、品种均衡、混合装配3041。(1)数量均衡在汽车制造企业中，是指总装配线（混流生产线）每日的产量基本保持恒定。如果总装配线上产品的产量波动很大，在时间和数量上无规律地消耗零件，上游车间和工序以及供应商就不得不在生产资源人、机、料、能源等方面保持足够的余量，以承受负荷高峰；而在占大部分时间的非高峰负荷期间，就会产生资源闲置浪费。同时，由于拉动放大效应，总装配线上的产品产量变化越大，前工序的同步适应难度就越大，极易导致生产混乱。(2)品种均衡仅有数量方面的均衡是不够的，因为现代市场需求是丰富多样的，要对其有快速的适应性，在单位时间里尽可能生产多种型号产品。汽车制造企业必须根据市场订单的实际需求和每日产量均衡的限定，确定总装配线上每种车型品种的日均产量，这就是品种均衡。(3)混合装配是指汽车制造企业按照数量均衡和品种均衡的要求，依据日均产量和车型比例的规定，均匀合理地混合安排总装上线口的车身流投入顺序。这使得总装配线能够在同一单位时间内生产多种车型，从而尽量满足市场的多样性外部独立需求；对相关需求中的生产环和供应环则提供了均衡消耗、减少负荷波动、提高生产效率方面的支持。2.3 汽车混流装配线物料需求及其相关性分析物料需求就是指产品生产过程中在一定