徐建萍 郭 鋼 羅 妤,3

1.重慶大學(xué),重慶,400033 2.貴州大學(xué),貴陽(yáng),550025 3.重慶科技學(xué)院,重慶,400050

面向項(xiàng)目制造的復(fù)雜裝配過(guò)程資源匹配研究

徐建萍1,2郭 鋼1羅 妤1,3

1.重慶大學(xué),重慶,400033 2.貴州大學(xué),貴陽(yáng),550025 3.重慶科技學(xué)院,重慶,400050

大型復(fù)雜產(chǎn)品制造企業(yè)由于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)制造過(guò)程的組織管理不同于一般產(chǎn)品。在MRPⅡ系統(tǒng)基礎(chǔ)上,整合項(xiàng)目管理方法滿(mǎn)足復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程特征要求,建立滿(mǎn)足項(xiàng)目制造管理模式的分級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃模型。針對(duì)大型復(fù)雜產(chǎn)品的最終裝配過(guò)程,構(gòu)建基于時(shí)段的資源匹配矩陣,反映資源對(duì)計(jì)劃的匹配程度,采用排隊(duì)原則優(yōu)化多項(xiàng)目有限資源與計(jì)劃的匹配,提高最終裝配計(jì)劃的可行性,保證項(xiàng)目產(chǎn)品的按期交付。

大型復(fù)雜產(chǎn)品;項(xiàng)目制造;分級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃;資源匹配矩陣

0 引言

大型復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品是指由客戶(hù)定制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積(容積或質(zhì)量)大、技術(shù)含量高、生命周期長(zhǎng)、以單件或小批量方式生產(chǎn)的高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、管理過(guò)程復(fù)雜的大型機(jī)械產(chǎn)品[1],例如大型專(zhuān)用設(shè)備、飛機(jī)、艦艇、坦克等。大型復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜,生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造過(guò)程周期長(zhǎng),一般采用面向訂單設(shè)計(jì)(ETO)的單件小批生產(chǎn)模式,包括技術(shù)準(zhǔn)備、生產(chǎn)準(zhǔn)備、產(chǎn)品制造等多個(gè)階段,在產(chǎn)品制造階段主要?jiǎng)澐譃榱悴考圃旌妥罱K產(chǎn)品裝配兩個(gè)制造層次。單件小批生產(chǎn)模式通常采用基于MRP/MRPⅡ、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃等理論的混合計(jì)劃管理模式[2-6];從產(chǎn)品的唯一性、獨(dú)特性等項(xiàng)目特征出發(fā),面向項(xiàng)目的制造(project-based manu facturing,PM)管理模式正逐步形成,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理與物料管理兩大功能的結(jié)合[7-8]。作為產(chǎn)品形成重要階段的最終裝配過(guò)程,基于MRPⅡ的能力需求分析和網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的單一項(xiàng)目資源優(yōu)化都不能滿(mǎn)足大型機(jī)械產(chǎn)品最終裝配過(guò)程多項(xiàng)目、多資源匹配的要求。本文針對(duì)大型機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)組織、計(jì)劃的特點(diǎn),以項(xiàng)目制造管理模式為出發(fā)點(diǎn),提出面向大型產(chǎn)品復(fù)雜裝配過(guò)程的資源匹配方法,解決多項(xiàng)目、多資源環(huán)境下資源能力匹配問(wèn)題,提高最終裝配計(jì)劃的可行性。

1 面向項(xiàng)目制造的分級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃模型

大型機(jī)械產(chǎn)品具有較高的定制性,持續(xù)的客戶(hù)影響貫穿整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程;產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)周期長(zhǎng),具有逐步演進(jìn)、邊設(shè)計(jì)邊生產(chǎn)等特點(diǎn)。相對(duì)于工程建設(shè)項(xiàng)目,面向訂單設(shè)計(jì)的大型復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程也具有獨(dú)特性、臨時(shí)性、唯一性和多功能性等項(xiàng)目的一般特征;不同的是離散制造企業(yè)是以零部件制造和產(chǎn)品裝配作為關(guān)鍵業(yè)務(wù)過(guò)程,基于一定的制造策略通過(guò)生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理。其生產(chǎn)計(jì)劃和控制過(guò)程與傳統(tǒng)批量生產(chǎn)方式不同:

(1)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)劃需要與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度計(jì)劃建立關(guān)聯(lián),并最終滿(mǎn)足整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度要求,即服從以項(xiàng)目為主線的整體生產(chǎn)調(diào)度。

(2)較長(zhǎng)裝配提前期對(duì)物料需求計(jì)劃的影響。傳統(tǒng)物料需求計(jì)劃制定最終產(chǎn)品裝配所需物料的配送時(shí)間是以主生產(chǎn)計(jì)劃制定的開(kāi)始時(shí)間為基準(zhǔn)。大型復(fù)雜產(chǎn)品由于裝配周期長(zhǎng),從滿(mǎn)足零部件的采購(gòu)/加工提前期、降低庫(kù)存成本等方面考慮,要求最終產(chǎn)品裝配所需物料的配送時(shí)間以所在裝配工序的計(jì)劃時(shí)間為基準(zhǔn),使得不同工序所需物料的MRP完工時(shí)間有所不同,如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)MRP計(jì)劃時(shí)間與大型復(fù)雜產(chǎn)品MRP計(jì)劃時(shí)間的差異比較

(3)基于項(xiàng)目的粗計(jì)劃和細(xì)計(jì)劃的有機(jī)結(jié)合。項(xiàng)目產(chǎn)品的粗計(jì)劃是根據(jù)綜合BOM數(shù)據(jù)編制,在產(chǎn)品制造BOM及工藝路線數(shù)據(jù)尚不完整的情況下,用于項(xiàng)目進(jìn)度的控制以及安排關(guān)鍵件/重要件的采購(gòu)和加工;產(chǎn)品的最終裝配計(jì)劃是以產(chǎn)品部裝、總裝為對(duì)象的細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃,需要根據(jù)各進(jìn)裝點(diǎn)的計(jì)劃安排確定完整的物料配送清單。

(4)復(fù)雜裝配過(guò)程資源配置不同于一般離散產(chǎn)品。傳統(tǒng)ERP系統(tǒng)中無(wú)論是粗能力計(jì)劃還是能力需求計(jì)劃都是建立在工作中心基礎(chǔ)上的單一資源能力計(jì)劃,即每一工序所需的資源僅為一項(xiàng)。大型單件產(chǎn)品的裝配過(guò)程在資源配置上既要考慮整個(gè)裝配任務(wù)的共享資源,如裝配場(chǎng)地、裝配工裝等,又要考慮單個(gè)工序的多資源需求特征(人員、設(shè)備、工裝夾具等)。能力計(jì)劃需要針對(duì)多項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)多資源匹配的成套性。

我國(guó)學(xué)者吳炎太[9]認(rèn)為項(xiàng)目制造是由一系列緊密相聯(lián)的任務(wù)組成的,盡管項(xiàng)目制造的結(jié)果是某種產(chǎn)品,但項(xiàng)目制造并不是產(chǎn)品本身,項(xiàng)目制造包括項(xiàng)目投標(biāo)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、工藝裝備設(shè)計(jì)與制造、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品安裝調(diào)試、產(chǎn)品生命周期內(nèi)的服務(wù)與支持等整個(gè)項(xiàng)目生命周期過(guò)程。離散制造業(yè)的項(xiàng)目制造是以創(chuàng)新型產(chǎn)品為對(duì)象,在廣義資源約束下涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期對(duì)產(chǎn)品及其資源進(jìn)行的計(jì)劃、組織、協(xié)調(diào)和控制,旨在按期交付滿(mǎn)足客戶(hù)要求的產(chǎn)品。在生產(chǎn)計(jì)劃與控制階段,產(chǎn)品形成階段是整合項(xiàng)目管理與物料管理兩大功能模塊的關(guān)鍵,需要從項(xiàng)目管理的角度出發(fā)將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、產(chǎn)品制造這三方面的工作相互銜接、相互貫穿,實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)品項(xiàng)目為主線的多級(jí)集成計(jì)劃控制模式。在此,提出基于MRPⅡ的項(xiàng)目制造分級(jí)計(jì)劃模型,如圖2所示。

面向項(xiàng)目制造的分級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃模型由項(xiàng)目定義層、項(xiàng)目計(jì)劃層和基本生產(chǎn)計(jì)劃層構(gòu)成,通過(guò)項(xiàng)目計(jì)劃層形成一個(gè)橋梁,形成產(chǎn)品研發(fā)和制造兩大核心業(yè)務(wù)過(guò)程的協(xié)同;以典型MRP處理邏輯作為基本生產(chǎn)計(jì)劃層的核心,滿(mǎn)足企業(yè)項(xiàng)目制造模式與重復(fù)生產(chǎn)模式的混合管理。其主要處理邏輯是:

(1)項(xiàng)目計(jì)劃階段是在項(xiàng)目定義的基礎(chǔ)上圍繞裝配網(wǎng)絡(luò)圖展開(kāi),采用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃編制項(xiàng)目主生產(chǎn)計(jì)劃,確定每一裝配節(jié)點(diǎn)的工期、計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間和計(jì)劃完成時(shí)間,與之相對(duì)的裝配粗能力計(jì)劃是對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程涉及的共享性資源(裝配場(chǎng)地、工裝夾具等)的能力計(jì)劃。項(xiàng)目物料需求計(jì)劃(MRP by Project)是針對(duì)產(chǎn)品最終裝配過(guò)程,用于最高層裝配的零件、部件,并以項(xiàng)目主生產(chǎn)計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)圖上的裝配節(jié)點(diǎn)時(shí)間為參照形成的物料需求分析。

(2)基本生產(chǎn)計(jì)劃的制定遵循了MRP的處理邏輯,從主生產(chǎn)計(jì)劃到物料需求計(jì)劃進(jìn)行需求轉(zhuǎn)換,但產(chǎn)品的最終裝配計(jì)劃與零部件的主生產(chǎn)計(jì)劃相互獨(dú)立。項(xiàng)目制造環(huán)境下,由于產(chǎn)品最終裝配環(huán)節(jié)的重要性及其復(fù)雜性,僅僅采用“輸入-輸出”的黑箱計(jì)劃方法難以對(duì)較長(zhǎng)的裝配提前期實(shí)現(xiàn)有效的計(jì)劃和管理。通過(guò)項(xiàng)目計(jì)劃層的宏觀整體規(guī)劃,最終裝配計(jì)劃是對(duì)項(xiàng)目主生產(chǎn)計(jì)劃的細(xì)化,并形成與之對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)足復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程資源需求特點(diǎn)的能力計(jì)劃和物料配送計(jì)劃。

圖2 面向項(xiàng)目制造的分級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃模型

2 項(xiàng)目制造模式下最終裝配過(guò)程的資源與計(jì)劃匹配問(wèn)題

M RPⅡ/ERP系統(tǒng)中計(jì)劃與資源匹配問(wèn)題主要是針對(duì)零部件制造過(guò)程的能力需求分析,通過(guò)粗能力計(jì)劃和能力需求計(jì)劃實(shí)現(xiàn)單一資源要素與計(jì)劃的匹配[10-13]。普通批量裝配生產(chǎn)線強(qiáng)調(diào)裝配過(guò)程的專(zhuān)業(yè)化、簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化,生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)節(jié)拍保證能力與負(fù)荷相對(duì)均衡,工作中心這種資源組織形式比較適合有一定加工批量、工序時(shí)間少于在班時(shí)間的批量生產(chǎn)環(huán)境,工作中心的能力是每一天的每一班可用的時(shí)間和有多少能力單元可用,利用工作中心的累積能力來(lái)執(zhí)行一個(gè)任務(wù)項(xiàng),縮短加工周期。大型復(fù)雜產(chǎn)品由于體積龐大,通常采用地坑等進(jìn)行固定裝配,裝配工序較復(fù)雜,涉及的物料、設(shè)備、工裝夾具等種類(lèi)繁多;對(duì)裝配人員的技能要求較高。對(duì)于大型單件產(chǎn)品而言,工作中心的累積能力不能真實(shí)反映其對(duì)計(jì)劃的滿(mǎn)足程度,關(guān)鍵是單個(gè)能力單元的能力是否滿(mǎn)足計(jì)劃需要。

項(xiàng)目制造環(huán)境下的最終裝配過(guò)程對(duì)物料供應(yīng)和資源能力的管理不同于一般產(chǎn)品的裝配過(guò)程,作為企業(yè)核心業(yè)務(wù)過(guò)程的產(chǎn)品最終裝配過(guò)程在資源匹配問(wèn)題上具有以下特征:

(1)每個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)品的裝配過(guò)程是由一系列相關(guān)聯(lián)的裝配單元構(gòu)成,裝配單元作為獨(dú)立的任務(wù)有對(duì)應(yīng)的人員、工裝、設(shè)備等資源需求。每個(gè)計(jì)劃期需要針對(duì)不同項(xiàng)目的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行資源匹配。

(2)項(xiàng)目主生產(chǎn)計(jì)劃為最終裝配計(jì)劃的制定提供了時(shí)限約束,最終裝配計(jì)劃是在項(xiàng)目主計(jì)劃基礎(chǔ)上擴(kuò)展形成的二級(jí)網(wǎng)絡(luò)圖計(jì)劃。

(3)裝配計(jì)劃與資源的匹配需要,直接資源與資源要素的能力對(duì)應(yīng),而不能采用工作中心的累積能力來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)資源需求的滿(mǎn)足程度。

傳統(tǒng)MRPⅡ/ERP系統(tǒng)中對(duì)資源能力的管理是通過(guò)每一天的每一班可用的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即資源能力是通過(guò)資源的可用工時(shí)來(lái)表達(dá)。大型單件機(jī)械產(chǎn)品最終裝配過(guò)程的資源需求不僅需要資源滿(mǎn)足一定的工時(shí),同時(shí)還存在多個(gè)可替代資源同時(shí)承擔(dān)一項(xiàng)裝配任務(wù)的情況,即還對(duì)資源數(shù)量也有要求。為了不與工作中心產(chǎn)生混淆,這里采用資源組的形式針對(duì)資源的工時(shí)能力和數(shù)量能力兩大指標(biāo)建立對(duì)資源能力的描述。

資源組是在同一時(shí)間需要的一組資源或是可以互相替代的資源集合。例如,裝配過(guò)程中用到的裝配鉗工,組成資源組后,則可以在該資源組中指定多名裝配鉗工同時(shí)負(fù)責(zé)一項(xiàng)裝配任務(wù)。

基于以上特征,項(xiàng)目制造環(huán)境下資源/資源組能力信息可以描述為一個(gè)三元組:

式(1)中,Capa In fo描述資源的基本信息包括資源總量Amount,屬性ResNature描述該資源是否處于正常使用狀態(tài)。裝配制造資源能力包括兩個(gè)部分:可用能力(Capa)和負(fù)荷(Load),資源能力是根據(jù)該項(xiàng)資源對(duì)應(yīng)的工廠日歷設(shè)置的工作時(shí)長(zhǎng)和班次,形成基于時(shí)間軸確定的工時(shí)能力Capa Value,資源負(fù)荷Load反映了某個(gè)時(shí)段任務(wù)Task ID對(duì)資源能力的占用,即結(jié)合工廠日歷形成的資源工時(shí)負(fù)荷(ResLoad),以及任務(wù)Task ID在資源/資源組中分配的資源數(shù)量(AcquireNum)和占用狀態(tài)(OccupState)。

項(xiàng)目制造環(huán)境下裝配過(guò)程的任務(wù)及資源需求定義為:

式(2)中 ,Durationi、TSi、TFi和Bu f feri分別描述任務(wù)taski的工期、開(kāi)始時(shí)間、完成時(shí)間和任務(wù)具有的時(shí)間緩沖(自由時(shí)差)。Dep描述了任務(wù)間的緊前、緊后關(guān)聯(lián)關(guān)系。任務(wù)taski的第l項(xiàng)資源需求ResRequestil可以對(duì)應(yīng)一個(gè)資源組Team ID il,或是直接與資源項(xiàng)ResID il關(guān)聯(lián),所需資源數(shù)量為RequestNum il,占用資源的工時(shí)能力根據(jù)任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間和工期確定。式(2)對(duì)資源能力從資源的工時(shí)能力(Capa Value)和資源數(shù)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行了統(tǒng)一,使得對(duì)資源可用性的評(píng)價(jià)可以直接通過(guò)資源數(shù)量來(lái)進(jìn)行判斷。

項(xiàng)目制造環(huán)境下,每個(gè)任務(wù)受到所在項(xiàng)目計(jì)劃時(shí)間的約束,不同項(xiàng)目的任務(wù)是可以并行執(zhí)行的,因此,將各時(shí)段不同任務(wù)對(duì)同一資源的需求量進(jìn)行累計(jì)便得到資源項(xiàng)在計(jì)劃展望期內(nèi)所需資源能力單元之和,稱(chēng)為資源需用量,顯然,資源需用量是時(shí)間的函數(shù),記為R=R(t)。假設(shè)整個(gè)計(jì)劃期需要考慮的資源或資源組表示為Resourcej(j=1,2,…,h),根據(jù)式(1),資源或資源組在時(shí)刻t的能力為

式(3)表示如果資源或資源組Resourcej在時(shí)刻t的資源數(shù)量Availab leNum j≥1,此時(shí)該資源具有的單位工時(shí)能力值為CapaValuej(1小時(shí)/1天/1周);否則,Capa Valuej=0,即資源能力已經(jīng)被占用形成負(fù)荷。

資源與計(jì)劃的匹配就是要滿(mǎn)足R(t)j≤AvailableNumj|t,對(duì)于R(t)j＞AvailableNumj|t的時(shí)段在資源需求與資源可用能力之間產(chǎn)生沖突,需要采取一定的措施來(lái)進(jìn)行沖突消解。

3 多項(xiàng)目有限資源與計(jì)劃的匹配方法

在計(jì)劃與資源的匹配問(wèn)題中,任務(wù)資源需求與資源能力如何進(jìn)行比較以及兩者比較的結(jié)果以哪種形式體現(xiàn)出來(lái)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵,下面就針對(duì)匹配計(jì)算方法進(jìn)行具體描述。

3.1 參數(shù)描述

假設(shè)進(jìn)行資源匹配的計(jì)劃展望期H=[h1,h2],其中h1大于當(dāng)前日期。集合Jc表示該展望期中需要進(jìn)行資源匹配的任務(wù)集合,Jc={Ptask1,Ptask2,…,Ptaskn},Ptaski∈ Jc(i=1,2,…,c)的基本信息包括任務(wù)開(kāi)始時(shí)間 TSi、完成時(shí)間TF i和工期Durationi,集合中任務(wù)根據(jù) TSi的遞增順序排隊(duì),確定其在集合Jc中的序號(hào)Priorityi。單個(gè)任務(wù)的資源需求可能不止一項(xiàng),包括主要資源和次要資源,任務(wù)Ptaski的第l項(xiàng)資源需求表示為ResRequesti l=(ProjectIDw,Task ID i,Team ID il,ResID il RequestNunil),主要反映對(duì)資源的數(shù)量需求,資源占用工時(shí)跨度通過(guò)工期Durationi確定;整個(gè)計(jì)劃期需要分析的關(guān)鍵資源或資源組表示為Resourcej(j=1,2,…,h)。資源能力根據(jù)式(1)得到,描述資源/資源組基于時(shí)間軸的工時(shí)能力 Capa Va lue及資源數(shù)量AvailableNum。

3.2 面向最終裝配計(jì)劃的資源匹配分析

項(xiàng)目制造環(huán)境下產(chǎn)品的最終裝配計(jì)劃采用網(wǎng)絡(luò)圖的形式,計(jì)劃與資源的匹配分析需要把不同項(xiàng)目的多個(gè)任務(wù)的多項(xiàng)資源需求集中反映出來(lái),這里采用時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖[14]構(gòu)建多項(xiàng)目的混合網(wǎng)絡(luò)圖計(jì)劃,進(jìn)行資源匹配分析。

(1)繪制多項(xiàng)目的任務(wù)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖,劃分資源能力需求時(shí)段。

集合Jc={Ptask1,Ptask2,…,Ptaskn}中的任務(wù)來(lái)自同一項(xiàng)目或是不同項(xiàng)目,任務(wù)之間的時(shí)間銜接不一定是連續(xù)的,根據(jù)各任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間TSi/TSij和完成時(shí)間TFi可以將展望期劃分為N個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn),由此構(gòu)成 N-1個(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)段ty=(a,b),其中y=1,2,…,N-1;a,b∈[h1,h2]。如圖3a所示,計(jì)劃展望期內(nèi)包含兩個(gè)項(xiàng)目的9個(gè)任務(wù),根據(jù)任務(wù)安排展望期劃分為6個(gè)時(shí)段。

圖3 多項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)圖及資源需用量動(dòng)態(tài)曲線

若ajy≥1,在時(shí)段ty=(a,b)內(nèi)資源Resourcej的資源能力滿(mǎn)足資源需求。若ajy＜1,在時(shí)段ty=(a,b)內(nèi)資源Resourcej的資源能力不滿(mǎn)足資源需求,存在資源沖突。另外,如果在時(shí)段ty=(a,b)內(nèi)對(duì)資源Resourcej沒(méi)有使用需求,即R(ty)j=

(2)按時(shí)段匯總所需資源的能力需求R=R(t)。資源能力需求是時(shí)間的函數(shù),由此可以得到多項(xiàng)目的資源需用量動(dòng)態(tài)曲線。如圖3b所示是資源Resourcej在計(jì)劃展望期6個(gè)時(shí)段的資源需求量動(dòng)態(tài)曲線,橫坐標(biāo)是基于工廠日歷表示的資源工時(shí)能力,縱坐標(biāo)表示任務(wù)在各時(shí)段的資源需求數(shù)量。

(3)根據(jù)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖的時(shí)段構(gòu)成計(jì)算各時(shí)段的資源能力。

(4)資源需用量與資源能力的匹配分析,構(gòu)建基于時(shí)間分段的資源能力-需求匹配矩陣,反映資源匹配結(jié)果。資源能力與資源需用量匹配分析的結(jié)果反映的是資源在各時(shí)段的資源需求與資源能力的匹配程度,可以采用一個(gè)基于時(shí)間分段的資源匹配矩陣[ajy]h×m來(lái)表示,如圖 4所示。其中,ajy為資源能力-需用量匹配系數(shù):0，則令ajy=+∞。

圖4 基于時(shí)間分段的資源匹配矩陣

(5)有限資源與計(jì)劃沖突的消解。

對(duì)于存在資源沖突的時(shí)段,根據(jù)資源特點(diǎn)采取不同的策略來(lái)進(jìn)行沖突消解。

在多項(xiàng)目混合網(wǎng)絡(luò)圖基礎(chǔ)上按時(shí)間分段來(lái)評(píng)價(jià)資源能力對(duì)資源的需用量R(t)的滿(mǎn)足程度,

3.3 多項(xiàng)目有限資源沖突的消解

生產(chǎn)系統(tǒng)中的資源沖突問(wèn)題無(wú)時(shí)不在,引起資源沖突的原因可能是資源數(shù)量過(guò)少,難以滿(mǎn)足任務(wù)需求;也可能是任務(wù)安排過(guò)于集中,導(dǎo)致資源在某些時(shí)段超負(fù)荷。通常解決資源沖突的措施主要有4類(lèi):①增加資源容量/資源總數(shù);②業(yè)務(wù)外包/外協(xié);③通過(guò)資源組合的方式利用多項(xiàng)資源的能力共同滿(mǎn)足任務(wù)的資源需求;④利用排隊(duì)原則調(diào)整某資源對(duì)應(yīng)任務(wù)的優(yōu)先順序號(hào),借助于任務(wù)的時(shí)間緩沖來(lái)優(yōu)化資源配置。在項(xiàng)目制造模式下資源沖突更多體現(xiàn)的是不同項(xiàng)目產(chǎn)品對(duì)有限資源能力的競(jìng)爭(zhēng),任務(wù)對(duì)資源需求的時(shí)間受到項(xiàng)目計(jì)劃的約束,同時(shí)要滿(mǎn)足緊前、緊后生產(chǎn)任務(wù)的時(shí)間約束,因此,在項(xiàng)目制造管理模式下多項(xiàng)目資源沖突需要在保證計(jì)劃進(jìn)度的基礎(chǔ)上,進(jìn)行多項(xiàng)目之間的資源協(xié)調(diào),通過(guò)資源的優(yōu)化配置為更重要、更緊迫的項(xiàng)目爭(zhēng)取足夠的資源能力,保證計(jì)劃進(jìn)度。

多項(xiàng)目有限資源沖突消解方法是利用任務(wù)具有的時(shí)間緩沖(時(shí)差)來(lái)對(duì)沖突時(shí)段的任務(wù)進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)先保證關(guān)鍵任務(wù)的資源需求。

(1)準(zhǔn)備多項(xiàng)目的任務(wù)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖和資源能力-需用量匹配矩陣。

(2)從左向右逐一考察動(dòng)態(tài)曲線的資源能力-需用量匹配矩陣的各個(gè)時(shí)段,若在某個(gè)時(shí)段(a,b)內(nèi)資源能力-需用量匹配系數(shù)ajy≥1,即資源能力滿(mǎn)足資源需求,則考慮下一個(gè)時(shí)段。否則,就對(duì)該時(shí)段內(nèi)的所有任務(wù)按照對(duì)應(yīng)資源進(jìn)行重新排隊(duì)編號(hào),依次按編號(hào)順序分配需要的資源。

(3)重新排隊(duì)后,若時(shí)段(a,b)及其后續(xù)時(shí)段內(nèi)任務(wù)都為關(guān)鍵任務(wù)或是已無(wú)時(shí)差可采用的非關(guān)鍵任務(wù),則調(diào)整結(jié)束。否則分配不到資源的工作,將其移到該時(shí)段后,從時(shí)刻b開(kāi)始。

(4)根據(jù)調(diào)整后的任務(wù)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)修正資源能力-需用量匹配矩陣。

需要說(shuō)明的是,在時(shí)段(a,b)內(nèi)某任務(wù)右移時(shí),如果該任務(wù)的緩沖時(shí)間小于右移的量b-a,這時(shí)它的緊后任務(wù)也必須右移一定量,也就是將其開(kāi)始節(jié)點(diǎn)右移(b-a)-Bu f feri個(gè)單位。若緊后任務(wù)為關(guān)鍵任務(wù)就會(huì)造成整個(gè)工期的延長(zhǎng),此時(shí)需要在延長(zhǎng)工期和保持資源沖突兩種結(jié)果上作出選擇。

資源沖突時(shí)段內(nèi)任務(wù)的重新排隊(duì),是根據(jù)任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的時(shí)差以及與沖突時(shí)段的關(guān)聯(lián)性來(lái)決定的,排隊(duì)原則是:

(1)首先排(a,b)時(shí)段前已經(jīng)開(kāi)始了的任務(wù),對(duì)于這些任務(wù)應(yīng)優(yōu)先滿(mǎn)足其資源需要,使它們能繼續(xù)下去。這些任務(wù)按式(5)中F′i遞增順序進(jìn)行排隊(duì)。對(duì)于F′i相同的任務(wù),資源強(qiáng)度大的任務(wù)排在前面,強(qiáng)度小的任務(wù)排在后面。

(2)然后排(a,b)時(shí)段內(nèi)時(shí)刻a開(kāi)始的關(guān)鍵任務(wù),當(dāng)關(guān)鍵任務(wù)為多項(xiàng)時(shí),按資源強(qiáng)度的遞減順序排隊(duì)。

(3)最后排(a,b)時(shí)段內(nèi)時(shí)刻a開(kāi)始的非關(guān)鍵任務(wù)。這些非關(guān)鍵任務(wù)按任務(wù)總時(shí)差的遞增順序排隊(duì)。當(dāng)任務(wù)的總時(shí)差相同時(shí),資源強(qiáng)度大的排在前面,資源弱小的排在后面。

基于排隊(duì)原則的資源沖突消解方法能夠有效利用任務(wù)的緩沖時(shí)間(時(shí)差)平衡來(lái)自不同項(xiàng)目的多個(gè)任務(wù)的資源需求。

3.4 實(shí)例分析

以圖3所示的多項(xiàng)目時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖為例,該計(jì)劃包含了9個(gè)任務(wù),各任務(wù)計(jì)劃時(shí)間參數(shù)以及任務(wù)資源需用量值如表1所示。項(xiàng)目P1中的任務(wù)Ptask7具有6個(gè)單位時(shí)間的緩沖時(shí)間,項(xiàng)目P2的任務(wù)Ptask3具有10個(gè)單位時(shí)間的緩沖。根據(jù)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖,任務(wù)安排展望期劃分為6個(gè)時(shí)段,分別是t1=(0,5),t2=(5,10),t3=(10,16),t4=(16,20),t5=(20,24),t6=(24,30)。假設(shè)項(xiàng)目 A 、B在展望期內(nèi)的任務(wù)涉及兩種關(guān)鍵裝配制造資源:人工和清洗機(jī),為簡(jiǎn)化資源能力的計(jì)算過(guò)程,現(xiàn)設(shè)人工和清洗機(jī)兩項(xiàng)資源各時(shí)段的能力為常數(shù),即單位時(shí)間人工最多為14個(gè)能力單位,清洗機(jī)最多為2個(gè)能力單位。由此,得到該計(jì)劃展望期內(nèi)所需資源匹配情況的資源能力-需用量匹配矩陣,如圖5所示。當(dāng)前資源匹配情況是時(shí)段t1資源能力與需求匹配,時(shí)段t2、t3和t4出現(xiàn)資源匹配沖突,時(shí)段t5和t6資源能力與需求匹配。

任務(wù)的資源強(qiáng)度主要體現(xiàn)為任務(wù)執(zhí)行期間對(duì)所需資源占用的數(shù)量和時(shí)間,包含資源數(shù)量和資源工時(shí)兩方面的能力需求。根據(jù)各任務(wù)資源強(qiáng)度及時(shí)間信息,按照資源沖突消解步驟逐一分析各時(shí)段的資源匹配情況,基于排隊(duì)原則對(duì)資源匹配進(jìn)行調(diào)整,消解資源沖突。調(diào)整過(guò)程中隨著任務(wù)的移動(dòng),相應(yīng)時(shí)段的資源需用量值發(fā)生變化,根據(jù)資源能力與資源需用量動(dòng)態(tài)值比較來(lái)評(píng)價(jià)資源匹配程度。

表1 任務(wù)資源強(qiáng)度及基本計(jì)劃信息

圖5 多項(xiàng)目資源能力-需用量匹配矩陣

根據(jù)圖3和圖5對(duì)時(shí)段(5,10)內(nèi)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于資源A和B,時(shí)段(5,10)內(nèi)任務(wù)的排隊(duì)順序如表2、表3所示。

表2

表3

由此,任務(wù)Ptask3必須推遲到時(shí)段(5,10)后開(kāi)始。推遲后的時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖及其相應(yīng)的資源需用量動(dòng)態(tài)曲線如圖6所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)整,時(shí)段(5,10)的資源沖突得到消解。從圖6可見(jiàn),時(shí)段(10,15)內(nèi)的任務(wù)必須調(diào)整。按照排隊(duì)原則對(duì)資源A和B在時(shí)段(10,15)內(nèi)的任務(wù)進(jìn)行排隊(duì)(略),將任務(wù)Ptask5可以調(diào)整到時(shí)段(10,15)以后開(kāi)始,調(diào)整后的時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖及其資源需用量動(dòng)態(tài)曲線如圖7所示。

圖6 時(shí)段(5,10)基于時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖的資源沖突消解過(guò)程

圖7 時(shí)段(10,15)基于時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)圖的資源消解過(guò)程

在圖 7中,時(shí)段(15,20)內(nèi)包含3個(gè)任務(wù)Ptask4、Ptask5和Ptask6,其中Ptask4和Ptask6為關(guān)鍵任務(wù),Ptask5經(jīng)過(guò)調(diào)整后只含有1個(gè)單位的緩沖時(shí)間,此時(shí),在時(shí)段(15,20)內(nèi)資源A仍然存在沖突,時(shí)段(15,20)的對(duì)應(yīng)資源A任務(wù)的排隊(duì)情況如表4所示。

表4

根據(jù)這個(gè)排隊(duì)順序,需要調(diào)整Ptask5到時(shí)段(15,20)后開(kāi)始,由于此時(shí)Ptask5的緩沖時(shí)間僅僅為1,Ptask5右移5個(gè)單位時(shí)間到時(shí)段(15,20)后開(kāi)始,相應(yīng)的其緊后任務(wù)Ptask7也必須右移相同的量,這樣就導(dǎo)致項(xiàng)目P1工期延長(zhǎng)。反觀圖7的資源匹配情況,兩種資源A和B僅有資源A在時(shí)段(15,20)超負(fù)荷1個(gè)單位,此時(shí)可以根據(jù)表4的任務(wù)順序,優(yōu)先滿(mǎn)足任務(wù)Ptask4和Ptask6的資源需求,為任務(wù)Ptask5尋求替代資源,從而在保證項(xiàng)目工期的前提下,最大程度保證關(guān)鍵重要任務(wù)的資源需求。

綜上所述,面向項(xiàng)目制造的多項(xiàng)目有限資源與計(jì)劃匹配方法體現(xiàn)了四方面特點(diǎn):①根據(jù)任務(wù)的計(jì)劃安排動(dòng)態(tài)劃分資源需求時(shí)段;②采用數(shù)量指標(biāo)作為資源能力評(píng)價(jià)的顯性指標(biāo),資源工時(shí)作為隱性指標(biāo),統(tǒng)一了不同性質(zhì)資源能力的表達(dá);③構(gòu)建反映各時(shí)段的資源需求與可用能力匹配程度的資源能力-需用量匹配矩陣,強(qiáng)調(diào)資源與計(jì)劃匹配的整體性;④利用排隊(duì)原則對(duì)任務(wù)資源匹配順序進(jìn)行調(diào)整,將出現(xiàn)的資源沖突與任務(wù)相關(guān)聯(lián),盡量滿(mǎn)足關(guān)鍵重要任務(wù)的資源需求,從而保證項(xiàng)目產(chǎn)品的按期交付。

4 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目制造模式在大型復(fù)雜產(chǎn)品制造企業(yè)的應(yīng)用需要在傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃與控制模式的基礎(chǔ)上整合項(xiàng)目管理方法。本文針對(duì)大型復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的特點(diǎn)以及所反映出來(lái)的項(xiàng)目特征,將網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃方法和MRPⅡ系統(tǒng)進(jìn)行整合,建立面向項(xiàng)目制造的分級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃模型,利用粗、細(xì)混合計(jì)劃管理方式滿(mǎn)足不同生產(chǎn)階段的計(jì)劃控制要求。針對(duì)大型復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的資源匹配問(wèn)題,提出了多項(xiàng)目有限資源優(yōu)化配置方法,利用任務(wù)緩沖時(shí)間合理分配有限資源,最大程度保證關(guān)鍵重要任務(wù)的資源需求。構(gòu)建基于時(shí)間分段的資源匹配矩陣,全面反映計(jì)劃期內(nèi)所需資源的需求與供給情況,有效提高計(jì)劃可行性。

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Research on Resource Matching of Complex Assembly Process under Project-based Manufacturing

Xu Jianping1,2Guo Gang1Luo Yu1,3
1.Chongqing University,Chongqing,400033 2.Guizhou University,Guizhou,Guiyang,550025 3.Chongqing University of Science and Technology,Chongqing,400050

Organization and management o f m anu facturing p rocess in large-scale and comp lex product enterprises is different from common products because of the com plexity of products.Layered production planning module was established to meet the needs of project-based manufacturing,which integrated projectmanagementw ith MRPⅡsystem.On account of the final assembly process of large-scale and comp lex products a resourcematching matrix based on period of timewasbuilt to evaluate the resource matching degree w ith p roduction p lanning.A t the same time,a queuing p rincip le was app lied to op tim ize limited resource capacity matching of mu lti-p rojects,so that the feasibility of the finalassembly scheduling can be increased and the product can be comp leted on time according to the delivery time.

large-scale and comp lex product;project-based manufacturing(PM);layered production p lanning;resourcematching matrix

TH 181

1004—132X(2011)12—1427—07

2010—08—16

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007A A04Z1B1)

(編輯 何成根)

徐建萍,女,1974年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生,貴州大學(xué)管理學(xué)院副教授。研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理、生產(chǎn)運(yùn)作管理的理論研究與工程實(shí)踐。發(fā)表論文 9篇。郭 鋼,男,1960年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。羅 妤,女,1981年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生,重慶科技學(xué)院講師。