基于約束理論的生產(chǎn)物流瓶頸辨識與智能控制

摘 要：隨著經(jīng)濟的全球化發(fā)展，市場的不斷細(xì)分，企業(yè)競爭的不斷加劇，客戶的選擇日趨度多樣化和個性化，企業(yè)生產(chǎn)多樣化和個性化的產(chǎn)品也逐步發(fā)展成了現(xiàn)代經(jīng)濟的一種模式，多品種小批量生產(chǎn)是經(jīng)濟發(fā)展的一種必然趨勢。針對多品種小批量的生產(chǎn)方式，圍繞企業(yè)動態(tài)復(fù)雜的物流系統(tǒng)，在準(zhǔn)確識別物流系統(tǒng)的動態(tài)瓶頸基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對物流系統(tǒng)瓶頸的可控性，提出物流系統(tǒng)瓶頸控制策略與方法，最佳程度平衡與優(yōu)化物流系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)物流;瓶頸辨識;優(yōu)化

隨著全球經(jīng)濟一體化進程的加快，競爭日趨激烈，客戶的選擇日趨度多樣化和個性化，快速變化的市場環(huán)境對于生產(chǎn)的效率、準(zhǔn)時性和柔性要求日趨提高，企業(yè)生產(chǎn)多樣化和個性化的產(chǎn)品也逐步發(fā)展成了現(xiàn)代經(jīng)濟的一種模式，多品種小批量生產(chǎn)是經(jīng)濟發(fā)展的一種必然趨勢。生產(chǎn)制造業(yè)的現(xiàn)代化物流系統(tǒng)已成為企業(yè)市場應(yīng)變能力和參與市場競爭能力的關(guān)鍵要素。生產(chǎn)物流瓶頸是生產(chǎn)物流運作中的最薄弱環(huán)節(jié)，它不但對生產(chǎn)產(chǎn)出有影響，不同的瓶頸對生產(chǎn)物流管理也有著不同意義。本文主要介紹了生產(chǎn)物流及瓶頸識別方法的研究現(xiàn)狀并提出了基于約束理論的生產(chǎn)物流瓶頸識別及優(yōu)化方法，以期對企業(yè)充分挖掘資源，優(yōu)化物流系統(tǒng)，更好地改善生產(chǎn)狀況，提高企業(yè)效益帶來幫助。

一、約束理論背景

1、生產(chǎn)物流研究

企業(yè)物流包括供應(yīng)物流、生產(chǎn)物流、銷售物流和回收物流。生產(chǎn)物流是企業(yè)物流的核心部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是伴隨著制造企業(yè)的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，因此對于生產(chǎn)物流的研究，主要表現(xiàn)為廠區(qū)布置、工藝流程優(yōu)化、生產(chǎn)物流計劃與在制品控制等。（1）廠區(qū)布置主要是在工廠設(shè)計之初或進行企業(yè)流程再造時，根據(jù)所生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝流程，對整個廠區(qū)或個別車間進行的規(guī)劃，主要運用的方法是SLP法（Systematic Layout Planning）;（2）工藝流程的優(yōu)化，文獻主要是利用關(guān)鍵路徑法對物流流程進行優(yōu)化，進而使其達到縮短生產(chǎn)周期的目的，如肖永利等在文獻中所述。（3）生產(chǎn)物流的計劃和控制研究，先后經(jīng)歷了幾個階段：最初利用MRP計劃控制方法，后隨著“日本旋風(fēng)”的掀起，企業(yè)的計劃控制方式又轉(zhuǎn)變?yōu)镴IT這種拉動式的適時適量的生產(chǎn)方式，到20世紀(jì)70年代以色列物理學(xué)家提出約束理論（TOC），是繼MRP和JIT之后的又一新的生產(chǎn)方式被各個企業(yè)迅速采用。但約束理論（TOC）運用過程中仍存在一定的問題，需要更多深入的研究。

2、生產(chǎn)物流平衡研究

所謂物流的平衡就是使生產(chǎn)過程中物流順暢，達到縮短生產(chǎn)周期，降低在制品庫存，增加有效產(chǎn)出，提高效率的目的。約束理論（TOC）是在最優(yōu)化技術(shù)（OPT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。OPT的九項基本原則中指出，企業(yè)為了使物流順暢，提高有效產(chǎn)出，應(yīng)該追求物流的平衡而非生產(chǎn)能力的平衡。

物流平衡就是使整個生產(chǎn)過程中實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏的一致性，使各個工序與瓶頸工序同步生產(chǎn)。這方面的研究主要表現(xiàn)為利用DBR（鼓-緩沖-繩子）法進行協(xié)同制造。國內(nèi)的研究主要集中在理論方面，定性地分析DBR方法的實現(xiàn)步驟等，很少從量上進行具體的優(yōu)化研究。周峰借助行軍拉練的啟示揭示了DBR管理模式的思想及其“協(xié)同生產(chǎn)”的特點，提出在此管理模式中D是計劃機制，B是緩沖機制，R是控制機制，并對這三種機制做了較全面的研究和解釋，闡明了DBR管理模式在企業(yè)中運用的必要性和可行性。DBR法是一種推拉結(jié)合的物料控制方法。以瓶頸環(huán)節(jié)為分界線，對于瓶頸環(huán)節(jié)前的環(huán)節(jié)采用拉式生產(chǎn)方式，瓶頸后的環(huán)節(jié)采用推式生產(chǎn)方式。近年來，國外對于物流平衡方面的研究也主要是通過利用DBR組織生產(chǎn)，使得物流量達到平衡，實現(xiàn)同步生產(chǎn)的目的。文獻將供應(yīng)鏈劃分為多個階段，利用DBR的推拉生產(chǎn)法，建立使總成本最小的物流控制模型，分別求出瓶頸環(huán)節(jié)之前的最優(yōu)物流量和瓶頸環(huán)節(jié)之后的最優(yōu)物流量。

國內(nèi)相關(guān)研究中生產(chǎn)物流平衡模型的建立，對于降低成本，提高生產(chǎn)效率有顯著的作用。但是這些模型的提出，都沒有考慮到市場需求、原材料供應(yīng)、設(shè)備運行狀況對其造成的影響，也就是沒有考慮到瓶頸環(huán)節(jié)對整個生產(chǎn)過程的制約。根據(jù)這些文獻可以看出，推拉結(jié)合的方法為企業(yè)生產(chǎn)帶來很高的效益，之后的研究要在考慮物流平衡的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究DBR物流量控制方法。

3、瓶頸識別方法研究

瓶頸是指制約著整個系統(tǒng)有效產(chǎn)出的部位或環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)物流過程中，瓶頸是各環(huán)節(jié)中最薄弱的一環(huán)，只有使得非瓶頸環(huán)節(jié)的物料流動與瓶頸環(huán)節(jié)一致，整個系統(tǒng)的生產(chǎn)物流才會順暢。很多企業(yè)在安排生產(chǎn)時考慮到了瓶頸環(huán)節(jié)的制約，根據(jù)瓶頸環(huán)節(jié)來安排整個系統(tǒng)的生產(chǎn)，前提是先對瓶頸環(huán)節(jié)進行識別。一般地，瓶頸分為三種：資源瓶頸、市場瓶頸、法規(guī)制度瓶頸。一般文獻中提到的瓶頸主要是指資源瓶頸，即制造企業(yè)中的面向設(shè)備的制造資源瓶頸。因此，瓶頸識別的方法也主要是以瓶頸設(shè)備所在的環(huán)節(jié)為對象進行研究的。

瓶頸的識別方法總結(jié)起來分為兩類：

一種是定性分析的方法。有的通過直觀地觀察確定擁有最多在制品的加工中心就是瓶頸環(huán)節(jié);有的通過計算設(shè)備加工同一種零件的加工時間，判斷加工時間最長的設(shè)備所在的環(huán)節(jié)是瓶頸環(huán)節(jié);另外，王興元在文獻中提出通過檢核表法、專家診斷法、頭腦風(fēng)暴法及對比法等定性分析法進行企業(yè)瓶頸的識別，并利用價值評價法和矩陣評價法對主要瓶頸進行篩選，之后提出消除主要瓶頸的應(yīng)對政策。

另一種方法是定量分析法。最常用的方法是在計劃制定后，通過計算各個加工中心的負(fù)荷率來斷定，其中負(fù)荷率最高的環(huán)節(jié)就是瓶頸環(huán)節(jié)。Ronen B在文獻中利用線性規(guī)劃理論建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對瓶頸進行識別，計算出給定時期內(nèi)的任務(wù)量，與其能力進行對比，能力短缺的就是瓶頸。雖然定量識別方法相對于定性識別方法更加科學(xué)、精確，但是這些識別方法并未考慮到瓶頸的動態(tài)變化即瓶頸漂移對生產(chǎn)物流造成的影響。

由于生產(chǎn)系統(tǒng)受到人員、設(shè)備、環(huán)境等不確定性因素的影響，其運行狀況表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，這些不確定因素的變化會引起瓶頸的動態(tài)轉(zhuǎn)移即瓶頸漂移。文獻將影響瓶頸漂移因素分為訂單類因素、生產(chǎn)調(diào)度類因素和故障類因素并分別對這三類因素進行定性分析，并針對不同類因素提出相應(yīng)的減少瓶頸漂移的策略。文獻中將瓶頸漂移原因總結(jié)為：投料不當(dāng)、非瓶頸調(diào)度不當(dāng)、工件批加工調(diào)度不當(dāng)、設(shè)備故障等4類，并且定性地提出了瓶頸漂移的預(yù)防和管理方法。文獻中利用前向啟發(fā)式算法對瓶頸機床進行動態(tài)的識別，滿足了車間調(diào)度對實時性和動態(tài)性的需求。該算法引入搜索空間的概率分析法，通過對工序開工概率、工序?qū)C床的獨立需求概率、機床累計需求概率3個因素進行量化，以競爭高峰時段機床的負(fù)荷量大小為判斷依據(jù)進行瓶頸識別。

由前述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述中可以看出，有關(guān)生產(chǎn)物流優(yōu)化問題的研究中，在企業(yè)的生產(chǎn)物流瓶頸控制、優(yōu)化等方面的研究都相對獨立，關(guān)聯(lián)性較少。生產(chǎn)物流作為系統(tǒng)中一項非常重要的活動，是整個生產(chǎn)系統(tǒng)流暢運轉(zhuǎn)的紐帶，而現(xiàn)有的研究缺乏對生產(chǎn)物流各部分之間的關(guān)聯(lián)，沒有把影響企業(yè)生產(chǎn)物流的生產(chǎn)流程、設(shè)備布局和物料配送等關(guān)鍵因素聯(lián)系起來，尤其在多混流制造系統(tǒng)的生產(chǎn)物流優(yōu)化方面，結(jié)合生產(chǎn)流程、設(shè)備布局和物料配送的生產(chǎn)物流優(yōu)化還處于空白。

二、基于約束理論生產(chǎn)物流瓶頸識別

首先從系統(tǒng)的角度出發(fā)，按約束理論的原理找出瓶頸流程或流程中的瓶頸，并通過DBR方法對生產(chǎn)線及生產(chǎn)物流進行優(yōu)化控制。其次對生產(chǎn)線各產(chǎn)品的工藝流程進行優(yōu)化，如采用并行工作、消除不必要環(huán)節(jié)、重新布局設(shè)備、減少運輸?shù)鹊?。最后按照生產(chǎn)線的工程流程圖、PQ圖等根據(jù)實際需要拆分或整合生產(chǎn)線，最終達到生產(chǎn)物流優(yōu)化的目的。詳細(xì)步驟如下：

1、分析現(xiàn)狀，了解需求

企業(yè)根據(jù)實際需求成立生產(chǎn)線流程整合優(yōu)化項目組，制定項目負(fù)責(zé)人，項目組成員分析調(diào)查生產(chǎn)線的情況，包括產(chǎn)品種類、產(chǎn)量、生產(chǎn)線存在的問題和流程整合優(yōu)化的目的。因流程整合必然涉及到生產(chǎn)過程的各個方面，包括人員的刪減、操作的修正、設(shè)備的變更等等，因此需動員企業(yè)內(nèi)部對流程整合達成共識，減少整合過程中存在的政策性約束。

2、計算生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)

統(tǒng)計現(xiàn)有生產(chǎn)線的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品種類、數(shù)量、各產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程，并繪制相應(yīng)生產(chǎn)線的P/Q圖、產(chǎn)品工藝流程圖和生產(chǎn)線的工程流程圖，為后續(xù)約束識別做好準(zhǔn)備工作。

3、瓶頸識別

根據(jù)約束理論，生產(chǎn)是一個動態(tài)的過程，隨機波動時時存在，生產(chǎn)過程中必然會出現(xiàn)有的資源負(fù)荷過多，成為卡“脖子”的地方，變?yōu)槠款i。約束理論的核心就是正確地識別瓶頸并對其實施有效的管理。本文擬采用離散系統(tǒng)建模仿真的方法來解決相關(guān)問題，其方法是：根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝流程數(shù)據(jù)和特定的任務(wù)組合建立系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真運行，計算各個資源的負(fù)荷率、忙閑率，以確定系統(tǒng)在當(dāng)前任務(wù)組合下的瓶頸資源。由于仿真模型中考慮了系統(tǒng)的隨機性特征，因而可使瓶頸識別更符合實際。

三、物流瓶頸智能控制

1、基于DBR的物流瓶頸控制策略

對現(xiàn)有的生產(chǎn)控制方式進行改進，改進的內(nèi)容主要是生產(chǎn)線物料的投放方式和在制品（WIP）的控制。采用推拉結(jié)合的生產(chǎn)控制方式，對瓶頸前工序物料的投放策略采取拉動的方式，即根據(jù)瓶頸消耗物料的速率把物料“拉”進生產(chǎn)系統(tǒng)，而在瓶頸后的工序，物料隨著生產(chǎn)節(jié)奏逐步向后“推”，同時把相應(yīng)的物料消耗通過卡片反饋給瓶頸，以利于瓶頸的調(diào)度。

2、建立仿真模型及優(yōu)化

利用仿真軟件WITNESS建立系統(tǒng)仿真模型進行瓶頸識別，同時利用DBR的物流瓶頸控制策略對瓶頸工序進行優(yōu)化。

3、統(tǒng)計分析

判斷生產(chǎn)物流整合優(yōu)化的效果是否達到預(yù)期的目標(biāo)，如果沒有達到目標(biāo)，則返回進行需求分析，重新開始新一輪的生產(chǎn)物流整合優(yōu)化，直至達到預(yù)期的目標(biāo)。

四、結(jié)論

本文主要介紹了生產(chǎn)物流及瓶頸識別方法的研究現(xiàn)狀并提出了基于約束理論的生產(chǎn)物流瓶頸識別及優(yōu)化方法，可以較好的解決訂單型、多品種小批量生產(chǎn)中存在的生產(chǎn)物流問題，在實際應(yīng)用中，能夠明顯提高多品種小批量生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，對企業(yè)充分挖掘資源，優(yōu)化物流系統(tǒng)，更好地改善生產(chǎn)狀況，提高企業(yè)效益帶來幫助。

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作者簡介：

張仕軍（1983-），男，浙江慈溪人，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，主要研究方向物流管理。

基金項目：浙江省訪問學(xué)者專業(yè)發(fā)展項目-基于約束理論的生產(chǎn)物流瓶頸辨識與智能控制研究（編號：FX2017114）