多產(chǎn)品作業(yè)車間瓶頸消解問題的研究

孫嘉藝+王艷紅

摘 要：為迎合消費(fèi)者的個性化需求、滿足市場的快速變化，企業(yè)的生產(chǎn)方式逐漸從大批量流水線生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N作業(yè)車間的柔性生產(chǎn)。由于多產(chǎn)品作業(yè)車間生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)工序接續(xù)關(guān)系的復(fù)雜性，往往會造成生產(chǎn)制造過程中生產(chǎn)線上的擁堵，即出現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸。在分析幾種瓶頸識別方法的基礎(chǔ)上，綜合多產(chǎn)品作業(yè)車間的特點(diǎn)提出了按權(quán)重劃分的瓶頸識別模型。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)方式；作業(yè)車間；柔性生產(chǎn)；瓶頸識別

中圖分類號：F406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0093-02

引言

隨著顧客消費(fèi)觀念和價值觀的改變，客戶需求也呈現(xiàn)出個性化、多樣化和多變化等特點(diǎn)。以犧牲產(chǎn)品多樣性為代價、追求生產(chǎn)成本最低化的傳統(tǒng)大批量流水線生產(chǎn)方式已無法適應(yīng)愈來愈激烈的市場競爭。企業(yè)為滿足顧客需求，順應(yīng)市場變化在轉(zhuǎn)變大批量流水線生產(chǎn)方式的同時，作業(yè)車間的多品種、小批量生產(chǎn)方式應(yīng)運(yùn)而生。

與大批量的流水線生產(chǎn)方式相比較，多品種、小批量的作業(yè)車間生產(chǎn)方式組織生產(chǎn)靈活，產(chǎn)品種類多變更能滿足客戶的個性化需求，市場適應(yīng)能力更強(qiáng)。但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜使得生產(chǎn)過程波動較大，物流、信息流復(fù)雜不易管理等特點(diǎn)使得生產(chǎn)過程控制困難。如何在采用多產(chǎn)品作業(yè)車間的生產(chǎn)環(huán)境下既滿足市場的快速變化和顧客的多樣化需求，又能克服多產(chǎn)品、小批量作業(yè)車間的瓶頸問題實(shí)現(xiàn)的均衡生產(chǎn)已成為難題。

1 瓶頸的定義

瓶頸是指整體流程中的關(guān)鍵限制因素，在生產(chǎn)流程中瓶頸是指實(shí)際生產(chǎn)能力小于外部需求的環(huán)節(jié)。通常把流程中生產(chǎn)節(jié)拍最慢的環(huán)節(jié)稱為“瓶頸”，給出瓶頸的數(shù)學(xué)描述[1]。

對于系統(tǒng)中的n個資源X1，X2，...，Xn，實(shí)際產(chǎn)出能力C1，C2，...，Cn，系統(tǒng)外部需求量MR1，MR2，...，MRn。某些資源之間存在互為輸入輸出的關(guān)聯(lián)關(guān)系R。假設(shè)與資源Xi相關(guān)的資源的標(biāo)號所組合的集合為S，即

那么資源Xi為瓶頸當(dāng)且僅當(dāng)

即瓶頸資源Xi的能力Ci不能滿足它的外部需求MRi，同時任何一個與之輸入和輸出關(guān)系的資源能力Cj也大于Ci。

2 瓶頸識別的方法

文獻(xiàn)中給出了幾種不同的瓶頸識別方法，可以大致分為以下四類[2]。

（1）第一類：考慮設(shè)備能力類。采用機(jī)器負(fù)荷、機(jī)器加工能力、機(jī)器利用率、機(jī)器忙閑率、歷史或仿真數(shù)據(jù)等指標(biāo)定義瓶頸。

（2）第二類：考慮機(jī)器活躍時間類。采用機(jī)器平均活躍時間指標(biāo)，從機(jī)器持續(xù)加工的角度出發(fā)進(jìn)行瓶頸識別。

（3）第三類：考慮在制品類。在生產(chǎn)過程中通過設(shè)備的平均等待時長或平均等待隊(duì)列長度等指標(biāo)，從生產(chǎn)流程的角度出發(fā)進(jìn)行瓶頸識別。

（4）第四類：考慮系統(tǒng)有效產(chǎn)出類。從系統(tǒng)的有效產(chǎn)出角度定義系統(tǒng)瓶頸，將對系統(tǒng)有效產(chǎn)出影響最大的機(jī)器視為瓶頸。

分析以上四類瓶頸識別方法的優(yōu)劣性。依據(jù)設(shè)備負(fù)荷、機(jī)器利用率等指標(biāo)識別系統(tǒng)的瓶頸簡單直觀、識別方便。考慮到在流水車間的生產(chǎn)環(huán)境下有時會同時出現(xiàn)幾個指標(biāo)非常接近的情況，由于沒有準(zhǔn)確的算法或調(diào)度方案進(jìn)行判斷，不能斷定這些相近的結(jié)果是否為系統(tǒng)的真實(shí)瓶頸，若最后認(rèn)定的瓶頸并不是系統(tǒng)的真實(shí)瓶頸，此時無論采用何種方法或手段來消除這個偽瓶頸，對實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程平穩(wěn)、順暢都是沒有幫助，達(dá)不到追求平穩(wěn)生產(chǎn)、物流平衡的目的；以機(jī)器活躍期為指標(biāo)，可以用于Flow Shop/Job Shop及更復(fù)雜系統(tǒng)的瓶頸識別，可操作性強(qiáng)，但是對于不同生產(chǎn)系統(tǒng)需要建立不同的仿真模型，工作量過大，操作繁瑣，從而限制了該方法的推廣；以在制品識別瓶頸的方法從生產(chǎn)流程的角度出發(fā)進(jìn)行瓶頸識別。由于產(chǎn)品類型單一、加工工序固定、產(chǎn)品對相同機(jī)器的加工處理時間要求相同等特點(diǎn)，使得以排隊(duì)長度為指標(biāo)的方法更適用于單產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)。而在多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中，由于加工產(chǎn)品的類型多、工序更加繁瑣，使得每種產(chǎn)品對相同機(jī)器加工的處理時間不盡相同，當(dāng)系統(tǒng)中同時有多個待加工工件隊(duì)列長度相同或緩沖區(qū)隊(duì)列同時溢出的情況發(fā)生時，使得排隊(duì)長度指標(biāo)法并不適用[3]。因此，在多產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程中更佳傾向于使用平均隊(duì)列等待時間法來識別系統(tǒng)的瓶頸；以系統(tǒng)有效產(chǎn)出的瓶頸識別方法認(rèn)為對系統(tǒng)有效產(chǎn)出反映最敏感的機(jī)器為系統(tǒng)的瓶頸，而對系統(tǒng)敏感度分析會隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加而增加，由于Job Shop系統(tǒng)的生產(chǎn)過程復(fù)雜多變，因而此方法在Job Shop系統(tǒng)中也不適用[4]。

3 瓶頸消解機(jī)制

3.1 DBR技術(shù)

約束理論的生產(chǎn)計劃與控制是通過DBR（鼓一緩沖器一繩）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。DBR技術(shù)是一種在約束理論思想上提出的解決生產(chǎn)作業(yè)計劃問題的生產(chǎn)控制的具體工具。D即“鼓（Drum）”是生產(chǎn)系統(tǒng)中的控制點(diǎn)，視為系統(tǒng)中的瓶頸，代表控制機(jī)制，決定著生產(chǎn)節(jié)奏或步伐；B即“緩沖器（Buffer）”設(shè)置在瓶頸前面，代表著緩沖機(jī)制，可避免生產(chǎn)過程中的一些小波動；R即“繩子（Rope）”負(fù)責(zé)傳遞瓶頸工序的作業(yè)情況，代表協(xié)調(diào)機(jī)制，對整個生產(chǎn)過程的節(jié)奏進(jìn)行掌控，使生產(chǎn)過程中物流能夠平衡，實(shí)現(xiàn)同步生產(chǎn)。用一句話來概括DBR技術(shù)，即找出妨礙實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的約束條件，并對它進(jìn)行消除的系統(tǒng)改善方法。

3.2 瓶頸識別模型

在某種情況下若設(shè)備為生產(chǎn)流程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備時，機(jī)器的生產(chǎn)能力會直接影響機(jī)器的活躍時間，從而間接的影響生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)出率。因此，從某種意義上來說，可將以上幾種瓶頸識別方法大致的歸為與設(shè)備相關(guān)的一類瓶頸識別方法。而在制品類瓶頸識別方法與生產(chǎn)過程相關(guān)。在多產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境下選用平均隊(duì)列等待時間這一指標(biāo)更合理。

本文針對多產(chǎn)品離散制造系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合常見瓶頸識別方法的優(yōu)點(diǎn)，同時考慮設(shè)備和生產(chǎn)過程兩項(xiàng)指標(biāo)定義系統(tǒng)的瓶頸，綜合生產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)器利用率和在制品的平均等待時間，建立了多產(chǎn)品作業(yè)車間瓶頸識別模型。定義式如下。

由于機(jī)器利用率采用百分制形式也就是數(shù)值在0-1之間，為了不影響設(shè)備平均利用率和在制品類平均等待時間的權(quán)重運(yùn)算，對在制品類平均等待時間進(jìn)行歸一化運(yùn)算。

4 瓶頸漂移

瓶頸是生產(chǎn)物流系統(tǒng)本質(zhì)特征，對于瓶頸的處理也只能是盡量去減弱，減少它對生產(chǎn)流程或企業(yè)效益的影響，而不能完全消除。生產(chǎn)物流瓶頸的特征決定了瓶頸會隨著生產(chǎn)過程中的各種不確定性因素發(fā)生，在各個工序之間漂移，這種現(xiàn)象無法避免。各個工序輪流成為瓶頸的現(xiàn)象就稱為瓶頸漂移現(xiàn)[5]。

多品種、小批量生產(chǎn)方式的生產(chǎn)控制比較復(fù)雜，難度比較大，相較于大批量的流水車間生產(chǎn)方式引發(fā)瓶頸漂移的因素會增多，對瓶頸漂移控制的有效性也會降低。采用DBR控制策略只能消解生產(chǎn)過程瓶頸，但對預(yù)防新瓶頸的形成沒有幫助，也就是說DBR控制策略并不能阻止瓶頸漂移的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)奏是由瓶頸工序控制的，一旦在瓶頸辨識過程出現(xiàn)問題，將會極大地影響后續(xù)的工作。由此可見，瓶頸消解在生產(chǎn)管理中占有極其重要的地位。此外，在實(shí)時生產(chǎn)管理中，會出現(xiàn)瓶頸漂移的現(xiàn)象，若能及時準(zhǔn)確定位瓶頸，妥善處理瓶頸以及漂移問題，則能夠有效增加系統(tǒng)的產(chǎn)出，增加企業(yè)的效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉榮.瓶頸管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]王軍強(qiáng)，陳劍，王爍，等.作業(yè)車間區(qū)間型多屬性瓶頸識別方法[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013，19（2）：429-437.

[3]Lawrence S R， Buss A H. A H.Shifting production bottle-necks：causes，cures，and conundrums[J].Production and Operations Management， 2009，3（1）：21-37.

[4]Chiang S Y， Kuo C T， Meerkov S M. DT-bottlenecks in serial production lines： theory and application[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2000，16（5）：567-580.

[5]劉明周，杜偉山，葛茂根，等.生產(chǎn)系統(tǒng)瓶頸指數(shù)及瓶頸漂移問題研究[J].現(xiàn)代制造工程，2009（1）：22-24.