唐 娟 劉 志

(安徽工程大學管理工程學院， 安徽 蕪湖 241000)

0 前言

隨著經(jīng)濟全球化和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，制造業(yè)不僅面臨著技術(shù)進步帶來的機遇，同時還面臨著產(chǎn)品競爭日益激烈的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品特點日趨個性化、多樣化和小批量化，制造企業(yè)的生產(chǎn)過程也越來越充滿了不確定性。對于復雜制造車間而言，因其規(guī)模大、工藝和資源約束復雜、目標多，使得優(yōu)化過程變得更加困難。

為降低復雜制造車間優(yōu)化工作的復雜性和難度，有學者提出了基于操作、滾動時域或設(shè)備分解的生產(chǎn)過程優(yōu)化方法[1-2]。但該類方法因未突出生產(chǎn)過程優(yōu)化的關(guān)鍵要素、子問題分解數(shù)目多、子問題之間協(xié)調(diào)難等問題，使得優(yōu)化的整體性能難以保證。針對以上問題，相關(guān)學者將約束理論(Theory of Constraints, TOC)中的瓶頸概念加以拓展，提出了一種基于瓶頸的復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化方法[3]。該方法強調(diào)在復雜的制造環(huán)境中快速識別影響系統(tǒng)整體性能的薄弱環(huán)節(jié)(即系統(tǒng)瓶頸)，并以此為中心，對制造車間生產(chǎn)過程進行分解，以降低復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化的難度，提高優(yōu)化的性能。本文在闡述基于瓶頸的復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對其重要組成部分(即瓶頸識別、制造流程優(yōu)化和生產(chǎn)作業(yè)計劃等)的研究現(xiàn)狀和存在的問題進行詳細闡述，并探討該領(lǐng)域的可能發(fā)展方向。

1 基于瓶頸的復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化

制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化是車間生產(chǎn)管理的一項重要任務，旨在通過對人機環(huán)境、生產(chǎn)流程、資源配置、生產(chǎn)作業(yè)計劃(包括作業(yè)調(diào)度)、質(zhì)量控制、生產(chǎn)現(xiàn)場等方面的優(yōu)化，以實現(xiàn)車間與外界需求的最佳組合，贏得企業(yè)的競爭優(yōu)勢。

針對以流水線形式組織的大批量生產(chǎn)方式，在確保質(zhì)量的前提下，應持續(xù)地解決瓶頸工序問題，實現(xiàn)制造流程的均衡化是生產(chǎn)過程優(yōu)化的核心。單件、小批生產(chǎn)時，工時定額的準確性、計劃的周密性、調(diào)度的合理性成為生產(chǎn)過程優(yōu)化的核心。中等批量生產(chǎn)的優(yōu)化方式取決于生產(chǎn)組織方式：生產(chǎn)組織方式與流水線相同或相似時，按流水生產(chǎn)線方式進行優(yōu)化；生產(chǎn)組織方式與單件、小批生產(chǎn)相同或相似時，按單件、小批生產(chǎn)方式進行優(yōu)化。因此，制造流程和生產(chǎn)作業(yè)計劃(包括作業(yè)調(diào)度)是制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化的核心內(nèi)容。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者以瓶頸識別(預測)為起點，以制造流程、生產(chǎn)作業(yè)計劃優(yōu)化為核心，展開了基于瓶頸的復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化方法的相關(guān)研究。

2.1 瓶頸識別(預測)

識別系統(tǒng)瓶頸是生產(chǎn)過程優(yōu)化的首要任務，其準確性直接決定了優(yōu)化工作的時效性。現(xiàn)有的瓶頸識別(預測)方法可歸結(jié)為3類：

(1) 基于瓶頸外部表現(xiàn)特征的識別方法。即利用瓶頸的外部表現(xiàn)特征，如設(shè)備阻塞和饑餓時間、設(shè)備活性時間、設(shè)備負荷、設(shè)備利用率等，以識別系統(tǒng)瓶頸。SHI N C等人以生產(chǎn)線上游單元和下游單元的饑餓與阻塞狀態(tài)為瓶頸特征，研究瓶頸動態(tài)識別方法[1]；ROSER C等人利用設(shè)備持續(xù)活性時間辨識離散事件系統(tǒng)的瞬時瓶頸和平均瓶頸[2]；RAJAKUMAR S等人以設(shè)備最高負荷為原則識別系統(tǒng)瓶頸[3]；喬非等人通過設(shè)備利用率實現(xiàn)系統(tǒng)瓶頸的識別[4]。該方法依據(jù)的瓶頸外部表現(xiàn)特征是瓶頸判定的必要條件，而不一定是充分條件，如當系統(tǒng)處于飽和生產(chǎn)狀態(tài)時，很多設(shè)備的利用率均會達到比較高的相似水平，此時，運用設(shè)備利用率難以識別系統(tǒng)瓶頸。

(2) 基于仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析瓶頸識別方法。即在制造系統(tǒng)運行過程建模仿真的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析各個制造單元對系統(tǒng)性能的影響程度，進而實現(xiàn)瓶頸的識別。翟穎妮等人以系統(tǒng)作業(yè)目標對各個機器上調(diào)度方案變化的敏感度為指標，運用正交試驗以識別瓶頸機器[5]；王剛等人將瓶頸識別和調(diào)度方案相結(jié)合，運用遺傳算法對作業(yè)進行多次調(diào)度，具有最大出現(xiàn)頻率的PBM即為系統(tǒng)瓶頸[6]；ZHANG R等人以非常規(guī)約束為前提，提出了一種基于模擬退火算法的瓶頸識別方法(SA-BM法)[7]。該方法充分利用了仿真技術(shù)和統(tǒng)計分析的優(yōu)勢，可在一定情況下準確識別系統(tǒng)瓶頸；但是，它以考慮時間和數(shù)量對瓶頸的影響為主，而對質(zhì)量在瓶頸上的影響分析較少，當質(zhì)量因素對瓶頸產(chǎn)生影響時，其識別精度將會降低。

(3) 基于瓶頸度的識別方法。即從瓶頸產(chǎn)生的原因出發(fā)，對制造單元成為瓶頸的能力進行度量，并以此為依據(jù)，以實現(xiàn)瓶頸的識別。RICHARD A R通過度量制造單元能力和需求的大小，對瓶頸識別方法進行研究[8]；WANG Z J提出設(shè)備瓶頸度以預測系統(tǒng)瓶頸[9]；劉志等人利用瓶頸指數(shù)，以度量各個制造單元成為瓶頸的能力，進而實現(xiàn)瓶頸的動態(tài)識別[10]。該方法克服了前兩種方法的不足，但是當系統(tǒng)中存在多個瓶頸時，因其無法合理區(qū)分制造單元之間的瓶頸責任，使得主次瓶頸并不總能得到有效的辨識。

2.2 制造流程優(yōu)化

針對制造流程優(yōu)化，現(xiàn)有研究主要以流水線上工序的相對平衡或物流平衡為目標，在識別瓶頸的基礎(chǔ)上，運用工作研究、生產(chǎn)線平衡、系統(tǒng)平衡知識、建模仿真技術(shù)、啟發(fā)式平衡等方法加以開展。陳勇等人對企業(yè)CD段流水線上的瓶頸工位進行分析，并運用工作研究和生產(chǎn)線平衡兩大技術(shù)對其進行優(yōu)化，以提高生產(chǎn)線的平衡性[11]；侯琳娜等人運用工作研究對液晶顯示器外殼生產(chǎn)的整個制造流程進行分析和改善，并在此基礎(chǔ)上，運用Flexsim仿真軟件對瓶頸工站進行分析、優(yōu)化和評價[12]；曹國安等人運用Flexsim軟件對某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)車間進行仿真，在發(fā)現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上，以瓶頸為中心，通過設(shè)置合理的緩沖、改變設(shè)施布局、維護或更新設(shè)備、改善工藝等優(yōu)化方法，提高整個系統(tǒng)的平衡性[13]；劉力卓等人運用Witness軟件對某制造車間進行建模仿真，分析影響生產(chǎn)線的各種因素，通過設(shè)置物料投放速度和優(yōu)化機器數(shù)量以提高機器利用率、減少在制品數(shù)量[14]；李強等人運用多媒體技術(shù)和X-σ質(zhì)量控制圖測定發(fā)動機裝配線各工序的作業(yè)時間，并以此為基礎(chǔ)，利用達寶易軟件對瓶頸工序進行動作分析與優(yōu)化，以提高裝配平衡率[15]。

上述研究主要以追求流水線的相對平衡為目標，但是當流水線相對平衡時系統(tǒng)瓶頸漂移的概率會增大，此時需進一步對生產(chǎn)過程中各種不確定性因素進行優(yōu)化，以促使瓶頸在流水線相對平衡的條件下固定于理想位置。目前，雖有部分學者對瓶頸漂移現(xiàn)象和各種不確定性因素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)以及如何控制優(yōu)化單個因素以減少瓶頸漂移展開了初步的分析，但是對相互關(guān)聯(lián)、相互影響的不確定性因素組合優(yōu)化方法的研究涉及較少。

2.3 生產(chǎn)作業(yè)計劃

基于瓶頸的生產(chǎn)作業(yè)計劃以鼓-緩沖器-繩子(Drum-Buffer-Rope，DBR)為主要方法。DBR理論是Goldratt博士于1986年在約束理論的生產(chǎn)管理哲學上發(fā)展出的一套解決生產(chǎn)作業(yè)計劃與控制的新方法。它克服了傳統(tǒng)計劃方法不注重企業(yè)生產(chǎn)能力的缺點，著眼于系統(tǒng)的瓶頸單元，通過瓶頸單元的生產(chǎn)作業(yè)計劃來推動整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行，進而實現(xiàn)高產(chǎn)出、低在制品以及準時交貨等目標。

在實際應用過程中，DBR理論在識別系統(tǒng)瓶頸的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定緩沖、制定瓶頸資源生產(chǎn)調(diào)度方案、非瓶頸資源生產(chǎn)調(diào)度方案和投料策略以完成生產(chǎn)作業(yè)計劃，因此，現(xiàn)有研究主要圍繞著緩沖、批量等關(guān)鍵期量標準和基于瓶頸的生產(chǎn)調(diào)度方法展開研究。

(1)期量標準 —— 批量與緩沖。合理的加工批量和轉(zhuǎn)移批量可充分挖掘瓶頸資源的潛能、加快物流速度、減少在制品數(shù)量。目前，針對批量研究，主要運用仿真或智能優(yōu)化算法以動態(tài)確定系統(tǒng)的批量大小。YOON S H等人應用遺傳算法對流水車間作業(yè)的nmFCmax的批量問題進行了研究[16]；許一敏等人在分析產(chǎn)能、WIP、平均等待時間、系統(tǒng)制造提前期等參數(shù)對批量決策影響的基礎(chǔ)上，提出了2種批量優(yōu)化策略[17]。

在DBR理論中，采用時間緩沖以保護瓶頸資源的作業(yè)時間不受生產(chǎn)波動的影響，進而提高整個系統(tǒng)的有效產(chǎn)出。針對緩沖，現(xiàn)有研究主要從緩沖位置和緩沖大小優(yōu)化兩個方面展開。NAHAS N等人通過設(shè)計的一套分解模擬算法以確定緩沖區(qū)位置[18]；劉遠等人針對灰信息下關(guān)鍵設(shè)備生產(chǎn)緩沖問題，構(gòu)建了關(guān)鍵設(shè)備生產(chǎn)緩沖的灰色Petri網(wǎng)模型，并結(jié)合遺傳算法進行仿真運算，以探尋其最優(yōu)解[19]。

批量與緩沖既是基于瓶頸的生產(chǎn)作業(yè)計劃優(yōu)化結(jié)果，又是瓶頸漂移的影響因素，它們會隨著生產(chǎn)任務、制造資源狀態(tài)的不斷改變而變化。上述研究主要關(guān)注如何設(shè)置緩沖和批量以提高瓶頸單元的利用率，而忽略了它們與瓶頸漂移的這種關(guān)系。

(2) 基于瓶頸的生產(chǎn)調(diào)度方法。針對基于瓶頸的復雜制造車間生產(chǎn)調(diào)度方法，國內(nèi)外學者多以多重入制造車間(以晶圓制造為代表)和大規(guī)模作業(yè)車間為對象，在DBR調(diào)度思想指導下，運用智能優(yōu)化理論和啟發(fā)式規(guī)則，以獲得性能較優(yōu)的調(diào)度方案。

① 基于智能優(yōu)化理論的調(diào)度方法。李莉等人提出了晶圓加工生產(chǎn)線蟻群優(yōu)化排程方法[20]；郭乘濤等人提出一種基于問題分解與蟻群算法相結(jié)合的調(diào)度方法[21]；吳瑩等人以蟻群算法為優(yōu)化方法，提出了光刻區(qū)(光刻工序為系統(tǒng)瓶頸)并行機半在線調(diào)度方法[22]；翟穎妮等人針對機器數(shù)較大的大規(guī)模調(diào)度問題，提出了一種基于滾動窗分解和遺傳算法的多瓶頸調(diào)度方法[23]。

② 基于啟發(fā)式規(guī)則的調(diào)度方法。WANG Z T等人采用啟發(fā)式派工規(guī)則對排隊工件賦予優(yōu)先級，以動態(tài)在線調(diào)度瓶頸資源[24]；M NCH L等人將遺傳算法融入到修正轉(zhuǎn)移瓶頸啟發(fā)式算法中，以優(yōu)化單機調(diào)度問題[25]；李曉紅等人提出了一種基于弄合機制的動態(tài)瓶頸實時調(diào)度算法，該算法利用一組綜合型啟發(fā)式規(guī)則對瓶頸設(shè)備實施調(diào)度[26]；蘇國軍等人提出了一種基于分層著色時間Petri網(wǎng)模型的分時段優(yōu)化調(diào)度方案，即以瓶頸機器組為重點，利用遺傳算法優(yōu)化分時間段內(nèi)調(diào)度規(guī)則組合，以提高調(diào)度方法的性能[27]。

現(xiàn)有成果主要在“瓶頸事前預測 — 以瓶頸為中心制定生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方案 — 瓶頸漂移后重新預測 — 生產(chǎn)調(diào)度重新優(yōu)化”的思路指導下，以一個或多個瓶頸為中心，運用智能優(yōu)化理論和啟發(fā)式規(guī)則，研究生產(chǎn)調(diào)度方法，以獲得較優(yōu)的調(diào)度方案，即瓶頸漂移后，不考慮其對調(diào)度方案性能的影響大小，立即以新瓶頸為中心，運用調(diào)度方法，重新制定生產(chǎn)調(diào)度方案，以適應瓶頸的動態(tài)變化。在實際生產(chǎn)過程中，并不是每次瓶頸漂移都會對原先的調(diào)度方案產(chǎn)生較大的影響；因此，在不考慮瓶頸漂移對調(diào)度方案性能影響程度的前提下進行調(diào)度重優(yōu)化，必然引發(fā)制造系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定。目前，從瓶頸漂移角度出發(fā)，對調(diào)度優(yōu)化驅(qū)動機制(即判定瓶頸漂移時是否重新制定生產(chǎn)調(diào)度方案)的研究涉及較少。

3 結(jié) 語

基于瓶頸的復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化方法在理論研究上取得了一定的成果，但目前的研究是以被動響應瓶頸的動態(tài)變化為主，缺乏對瓶頸漂移的主動控制，難以保證優(yōu)化后的整體性能。因此，需在瓶頸動態(tài)、準確、連續(xù)預測的基礎(chǔ)上，進一步研究面向瓶頸漂移的復雜制造車間生產(chǎn)過程優(yōu)化方法，以提高生產(chǎn)過程優(yōu)化的主動性、全局性和時效性：

(1) 在現(xiàn)有瓶頸識別方法的基礎(chǔ)上，進一步研究復雜制造車間瓶頸動態(tài)預測方法，以在合理認定瓶頸責任的前提下實現(xiàn)瓶頸與非瓶頸、主瓶頸與次瓶頸的準確預測。

(2) 定量分析瓶頸漂移現(xiàn)象與各種不確定性因素的內(nèi)在聯(lián)系，并以此為基礎(chǔ)，研究各種不確定因素的組合優(yōu)化方法，以促使瓶頸在系統(tǒng)制造單元能力相對平衡的前提下固定于理想位置，使生產(chǎn)過程優(yōu)化由被動轉(zhuǎn)向主動。

(3) 在綜合考慮瓶頸漂移對生產(chǎn)調(diào)度方案性能影響程度的基礎(chǔ)上，研究生產(chǎn)調(diào)度驅(qū)動機制，以過濾掉瓶頸漂移引發(fā)的不必要生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4) 進一步研究面向多瓶頸的生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度方法(包括構(gòu)建調(diào)度模型與優(yōu)化調(diào)度算法)，以提高生產(chǎn)調(diào)度在瓶頸漂移環(huán)境下的時效性和魯棒性。

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