基于約束理論的生產(chǎn)運(yùn)作仿真優(yōu)化研究

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1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖1-1本文基本框架5華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2約束理論與仿真優(yōu)化2.1約束理論模型及其關(guān)鍵運(yùn)作參數(shù)2.1.1約束理論基本原理約束理論的計(jì)劃與控制是通過(guò)DBR（Drum-Buffer-Rope，鼓-緩沖-繩子）機(jī)制實(shí)現(xiàn)，其DBR控制方法模型如圖2-1所示。圖2-1DBR控制方法模型在約束理論中，鼓是瓶頸資源的所在,只有識(shí)別企業(yè)的瓶頸所在才是是控制物流的關(guān)鍵，因?yàn)樯a(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)奏受制于鼓的節(jié)拍。緩沖分為物料緩沖和時(shí)間緩沖兩種，在本文中的時(shí)間緩沖作用在于能使物料比計(jì)劃提前一段時(shí)

2、間到來(lái)，避免因缺料造成瓶頸的等待，以保證瓶頸的利用率。繩子在瓶頸及上游之間起溝通和協(xié)調(diào)作用，用來(lái)保證按照鼓的節(jié)奏向上游環(huán)節(jié)領(lǐng)取物料，這種協(xié)調(diào)機(jī)制類似于看板管理。通過(guò)繩子的調(diào)節(jié)，使瓶頸[4]前的非瓶頸環(huán)節(jié)均衡生產(chǎn)，同時(shí)使在制品最小，又保證瓶頸不會(huì)出現(xiàn)等待。總體而言，基于約束理論的計(jì)劃與控制有如下幾個(gè)步驟。(1)尋找系統(tǒng)瓶頸所在。(2)確定時(shí)間緩沖大小。由于生產(chǎn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，隨時(shí)都面對(duì)很多波動(dòng)干擾，因此有必要對(duì)瓶頸設(shè)置緩沖保護(hù)。(3)基于瓶頸的排程。(4)基于非瓶頸的排程。在對(duì)瓶頸工序的工作進(jìn)行分

3、派后，根據(jù)瓶頸工序工作的分派時(shí)刻，通過(guò)繩子對(duì)瓶頸前的各工序的控制，采取拉式生產(chǎn)；對(duì)瓶頸后的所有6華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文工序執(zhí)行推式生產(chǎn)。由于上下游工序都與瓶頸保持同步，能使生產(chǎn)物流的平衡得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)減少了在制品庫(kù)存，使得產(chǎn)品準(zhǔn)時(shí)交貨率有所提升。2.1.2時(shí)間緩沖在制造領(lǐng)域方面，相關(guān)的研究集中在面向約束管理的瓶頸分析管理、緩沖設(shè)置管理、加工及轉(zhuǎn)運(yùn)批量設(shè)置管理等方面。常見的瓶頸識(shí)別方法可依據(jù)機(jī)器的利用率、按照機(jī)器前等待加工的零件的隊(duì)列，即隊(duì)列最長(zhǎng)的工序是系統(tǒng)的瓶頸所在。也有依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的類型(分

4、V型、A型、T型等)[29]來(lái)辨識(shí)瓶頸資源的。然而在多品種小批量的生產(chǎn)環(huán)境中，產(chǎn)品的組合會(huì)隨著市場(chǎng)需求的變化而變化，制造系統(tǒng)瓶頸的位置會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)偏移，傳統(tǒng)的識(shí)別方法變得不再可行，[30]通過(guò)實(shí)時(shí)仿真識(shí)別瓶頸所在是一種可考慮的方法。在MRP系統(tǒng)中，在每臺(tái)機(jī)器前設(shè)置庫(kù)存來(lái)提高其利用率，極大增加了在制品數(shù)量。而在約束管理思想中，瓶頸資源上的浪費(fèi)的時(shí)間不代表整個(gè)系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間的浪費(fèi)，而非瓶頸資源節(jié)省的時(shí)間對(duì)于增加系統(tǒng)有效產(chǎn)出也沒(méi)有幫助,只有瓶頸才能決定系統(tǒng)的有效產(chǎn)出。在DBR機(jī)制中重點(diǎn)關(guān)注是否能提高瓶頸資

5、源利用率，通過(guò)采用設(shè)置緩沖來(lái)提高瓶頸資源的利用率，緩沖設(shè)置的目的在于能讓在制品能夠如期的通過(guò)機(jī)器，保證生產(chǎn)任務(wù)能按時(shí)完成。這里的緩沖我們認(rèn)為是時(shí)間緩沖，當(dāng)然還有另外一種緩沖即物料緩沖，但在精益生產(chǎn)中物料緩沖本身就是一種浪費(fèi)，增加了現(xiàn)場(chǎng)的在制品。時(shí)間緩沖的設(shè)置是為將所需的物料比計(jì)劃提前一段時(shí)間提交，應(yīng)對(duì)機(jī)器故障、物料短缺等隨機(jī)生產(chǎn)波動(dòng)造成的影響，它可以有效地保證生產(chǎn)的連續(xù)性。因此時(shí)間緩沖相對(duì)來(lái)說(shuō)比較有效的保護(hù)機(jī)制，在本文中我們將重點(diǎn)關(guān)注。在確定緩沖方面，目前主要是三種方法：經(jīng)驗(yàn)法、不斷調(diào)整法、定量

6、計(jì)算。在經(jīng)驗(yàn)[31]法中，學(xué)者Schragenhein則認(rèn)為緩沖時(shí)間長(zhǎng)度的大小可能是瓶頸資源平均前置時(shí)間的三倍，這種方法沒(méi)有明確的公式推導(dǎo)，完全是現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，雖然有一定的意義，但不能確保其最優(yōu)值。不斷調(diào)整法認(rèn)為不需要確定一個(gè)緩沖值，只需要給一個(gè)最初值，在生產(chǎn)中根據(jù)其實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)不斷調(diào)整緩沖值，通過(guò)調(diào)整幾次后，緩沖值會(huì)收斂于某一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，這就是不斷調(diào)整法追求的一個(gè)比較正確的時(shí)間緩沖值。[32]在定量計(jì)算方面，曾經(jīng)有學(xué)者提出過(guò)下面公式2-1的時(shí)間緩沖計(jì)算：mTBi=(1+R)∑Pijj=

7、1(2-1)7華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文其中：Pij為工作i在工序j的操作時(shí)間加上調(diào)整切換時(shí)間；m為該緩沖區(qū)中總共需要經(jīng)過(guò)的工序數(shù)量；其中R一般取10%。時(shí)間緩沖的大小的設(shè)定對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)有效產(chǎn)出及生產(chǎn)的連續(xù)性有顯著的影響。時(shí)間緩沖過(guò)小會(huì)使瓶頸工序長(zhǎng)時(shí)間處于等待狀態(tài)，會(huì)浪費(fèi)瓶頸資源的效率，明顯違背約束理論的思想；時(shí)間緩沖過(guò)大會(huì)增加在制品量，增加的庫(kù)存成本會(huì)抵消有效產(chǎn)出帶來(lái)的收益。因此，合理設(shè)置時(shí)間緩沖區(qū)大小對(duì)于生產(chǎn)的順利運(yùn)行以及企業(yè)的有效收益有顯著的影響。2.1.3轉(zhuǎn)運(yùn)批量生產(chǎn)運(yùn)作過(guò)程中常涉及兩種不

8、同形式的批量：加工批量和轉(zhuǎn)運(yùn)批量。加工批量是指兩次生產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程之間加工的零件的數(shù)量。為了保證瓶頸資源較高的利用率，它的加工批量一般較大；而對(duì)于非瓶頸資源通常采用較小的加工批量來(lái)減少等待時(shí)間。生產(chǎn)批量不等于轉(zhuǎn)運(yùn)批量，通常情況下將生產(chǎn)批量分為若干個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)批量有利于生產(chǎn)系統(tǒng)的延遲。而轉(zhuǎn)運(yùn)批量是指連續(xù)兩道工序之間單次運(yùn)輸?shù)牧慵?shù)量。對(duì)于瓶頸工序，是以較小的轉(zhuǎn)運(yùn)批量分批到達(dá)的。這樣可以減少工件在工序間的等待時(shí)間，減少在制品積壓。對(duì)于非瓶頸工序，是以較大的轉(zhuǎn)運(yùn)批量分批到達(dá)的。批量問(wèn)題也是最困難的優(yōu)化問(wèn)題之一，