王岳，馬瑞，何磊

江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

為了增強競爭力，制造企業(yè)紛紛開始引入看板生產(chǎn)控制系統(tǒng)。這是一種拉動式生產(chǎn)控制系統(tǒng)，是替代推動式生產(chǎn)管控，實現(xiàn)精益化生產(chǎn)的典型方案。其主要通過看板信號傳遞生產(chǎn)信息，實現(xiàn)工位間的快速響應。然而，這樣的系統(tǒng)對生產(chǎn)波動較為敏感，在多變或不確定的生產(chǎn)中會限制其能力，無法適應具有多品種、小批量建造特征的船舶產(chǎn)品生產(chǎn)[1]。當前，高技術、高附加值的大型船舶市場前景良好。船企在高端產(chǎn)品市場中的競爭日趨激烈，研發(fā)與之相適應的精益生產(chǎn)控制方案，成為業(yè)界的研究熱點之一[2]。

CONWIP（constant work-in-process，固定在制品）系統(tǒng)[3]融合推動式和拉動式生產(chǎn)的優(yōu)勢，通過在生產(chǎn)線首尾工位間引入環(huán)路，調(diào)整環(huán)路的資源投入量[4]，進行生產(chǎn)運行保障，具有重要的研究價值。G Huang等[5]面向單件產(chǎn)品標準裝配過程，提出5種CONWIP回路設計模式和相關控制策略。Leonardo等[6]提出一種KANBAN/CONWIP混合控制方案。Takahashi[7]、Li[8]和Pettersen等[9-11]證明了CONWIP控制在適應變化性需求中優(yōu)勢明顯。Zong[12]、Jaegler[13]等對當前所開發(fā)的CONWIP系統(tǒng)方案進行了分類綜述。Roy等[14]提出基于CONWIP卡和作業(yè)起始時間控制生產(chǎn)體系的運行。這些研究成果驗證了CONWIP系統(tǒng)在混合裝配生產(chǎn)線應用的可行性。

多樣化的高端船舶產(chǎn)品帶來了舾裝作業(yè)量和作業(yè)標準的大幅提升，致使原推動式生產(chǎn)管理下船舶管件生產(chǎn)周期延長，工位阻塞嚴重現(xiàn)象出現(xiàn)頻繁。為此，本文設計了無縫鋼管及紫銅管加工生產(chǎn)線3種CONWIP控制方案，對比研究這些控制方案的相關影響。

1 管件生產(chǎn)工藝流程

目前船用無縫鋼管和紫銅管均包含直管和彎管[15]。如圖 1所示，管件加工主要涵蓋從下料、彎管、校管、裝焊到打磨等工藝[16]。其中，有部分管件涉及法蘭等附件的裝焊[17]。

圖1 無縫鋼管與紫銅管生產(chǎn)線工藝流程

某廠H1138船中的901分段管件采用托盤形式進行制作和集配管理，部分管件生產(chǎn)計劃情況如表1所示。該分段中共有556根無縫鋼管，其中338根是彎管，451根需裝焊法蘭等附件；紫銅管均需裝焊法蘭等附件；共有419根，其中彎管有277根。

表1 901分段管件生產(chǎn)計劃

按照生產(chǎn)線布設實際，所有工位設備、人員等均無間斷推動式生產(chǎn)運行，在管件下料切割、彎管、附件制作等工位存在在制品積壓、阻滯率高等問題。完成該分段的管件制作需要17 d左右，其中單件管件的平均生產(chǎn)周期是4.6 h，產(chǎn)出率為2.4根/h，生產(chǎn)線上的平均在制品數(shù)約為20根。

2 CONWIP控制方案設計

2.1 CONWIP系統(tǒng)的原理

圖2是單環(huán)路串聯(lián)的 CONWIP系統(tǒng)模型，借以闡述系統(tǒng)的運行原理。其中，在制品的流動路徑以實線表示，看板的流動路徑則以虛線表示?？窗迮c生產(chǎn)需求和加工執(zhí)行相關聯(lián)。其數(shù)量與在制品數(shù)量通過貼附時刻保持一致。從看板發(fā)射端到接收端體現(xiàn)了拉動式生產(chǎn)管控特征，又從看板接收端經(jīng)過系列工位作業(yè)到看板發(fā)射端，則兼容了推動式生產(chǎn)執(zhí)行特征。由此構(gòu)成了 CONWIP的環(huán)路[18]。當看板接收端有了看板后，便意味著待加工品可以進入環(huán)路進行加工，成為在制品。進而可以看出，CONWIP系統(tǒng)中的看板主要用來保證環(huán)路中的在制品數(shù)量。而看板生產(chǎn)系統(tǒng)的看板則還要與產(chǎn)品類型相對應，致使系統(tǒng)兼容性有所下降，單個工位的問題會直接牽連整條生產(chǎn)線的正常運行。

圖2 CONWIP單環(huán)路串聯(lián)模型

將CONWIP控制引入到管件生產(chǎn)線，為了深入分析該控制方式的管控效果。在圖1所示工藝流程的基礎上，設計了4種生產(chǎn)方案如下：

方案1 單一產(chǎn)品理想生產(chǎn)線，4個加工工位（加工時間分別為2/2/2/2 min）；

方案2 單一產(chǎn)品生產(chǎn)線，瓶頸位置固定，4個加工工位（加工時間分別為2/2/8/2 min）；

方案3 三產(chǎn)品（無縫鋼管/法蘭等附件/紫銅管，a/b/c）理想生產(chǎn)線，4個加工工位（加工時間分 別 為a： 2/2/2/2 min；b：1/2/1/2 min；c：1/2/3/4 min）；

方案4 三產(chǎn)品（a/b/c）混流生產(chǎn)線，4個加工工位、1個裝配工位（a/b/c在SP_3工位的加工時間分別為4/1/1 min；產(chǎn)品a在SP1_3工位的加工時間為1 min；產(chǎn)品c需要裝配1個a和1個b，Assembly工位的加工時間均為5 min；產(chǎn)品c在SP2_3/SP3_3工位的加工時間為2/5 min）。

應用Plant-Simulation建立各方案的仿真模型如圖3所示，其中，CT表示產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期，h；TH表示產(chǎn)品的產(chǎn)出速率，根/h；Output表示總產(chǎn)量，根；TotalTime表示總加工時間，d；BF為緩沖區(qū)。WIP_x表示在制品投入量，環(huán)路之間通過信號發(fā)射端和接收端來實現(xiàn)首尾端工位的聯(lián)系，用程序控制環(huán)路中在制品數(shù)量。在方案1～3中WIP_x的值分別取為1～10，即增大環(huán)路中在制品投入量，這3個方案總計運行模型30次；由于方案4中存在裝配工位Assembly，在滿足3種產(chǎn)品裝配比的前提下，裝配作業(yè)才能進行，這里采用WIP_x初始大取值的方式減少無效仿真運行。方案4的WIP_x取值為5～14，共運行模型10次。模型每次運行時間設為 1：00：00（1h，Plant-Simulation中時間的完整格式為“天數(shù)：小時：分鐘：秒數(shù)”），記錄仿真模型中的Output、CT和TH值，運行結(jié)果如表2所示。

圖3 4種方案的仿真模型

將表2中的數(shù)據(jù)用散點圖表示，WIP_x為橫坐標，TH、CT為縱坐標，如圖4所示。

各方案均存在一個最佳在制品投入量WIP#，即在TH最大、CT最小時對應的環(huán)路在制品投入量。在WIP#左側(cè)，TH隨著在制品投入量的增加而增加，CT隨之減?。ㄈ绻幸粋€待加工產(chǎn)品在生產(chǎn)線旁等待，則等待時間也計入CT中）；在其右側(cè)，TH始終保持最大值，CT一直在增大，而在方案2具有瓶頸工位的生產(chǎn)線中，受瓶頸的影響，CT先增大，而后保持不變。

綜上所述，可以看出CONWIP生產(chǎn)線具有2個重要特性：

1）在制品投入量的多少對生產(chǎn)線有關鍵性影響，存在一個最佳在制品投入量WIP#，使TH最大，CT最?。?/p>

2）無瓶頸工位的理想狀態(tài)下，當在制品投入量大于WIP#時，生產(chǎn)線的TH不會改變，而CT會隨之增大；具有固定瓶頸工位時，投入量大于WIP#后，TH保持一定值不變，而CT隨之先增大，后保持不變。

表2 仿真結(jié)果

圖4 各方案下的仿真結(jié)果對比散點圖

2.2 CONWIP環(huán)路設置研究

多環(huán)路生產(chǎn)線的系統(tǒng)WIP總量應等于各個環(huán)路在制品量的總和。環(huán)路的設置在串、并聯(lián)的CONWIP生產(chǎn)線中比較簡單，但是在混聯(lián)裝配生產(chǎn)線中，由于生產(chǎn)線的復雜性，其環(huán)路有多種設置方式，設置方式不同也會對生產(chǎn)線帶來不一樣的結(jié)果。

以圖1工藝流程為基礎，可以構(gòu)建出由3條并聯(lián)生產(chǎn)線和2個裝配工位而成的混聯(lián)裝配生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線存在3種環(huán)路設置方式，其中方式（a）如圖5所示有4環(huán)路，即環(huán)路1由BF至SP2組成，環(huán)路2由BF3至SP4組成，環(huán)路3由BF7至SP7組成，環(huán)路4由Assembly至BF6組成，Assembly1和BF9獨立，不設環(huán)路；方式（b）為3環(huán)路設置，即環(huán)路1由BF至BF6組成，環(huán)路2由BF3至SP4組成，環(huán)路3由BF7至BF9組成；方式（c）是4環(huán)路設置，即環(huán)路1由BF至SP2組成，環(huán)路2由BF3至BF6組成，環(huán)路3由BF3至BF9組成，環(huán)路4由工位BF7至SP7組成。

圖5 CONWIP環(huán)路設置方式（a）的生產(chǎn)線仿真模型

2.3 CONWIP在制品投入量研究

為確定各個環(huán)路最佳的在制品投入量，基于試驗設計（design of experiment，DOE）[19]，以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎，采用Plant-Simulation中的試驗管理器ExperimentManager控件進行試驗。WIP_xn表示第n個環(huán)路的在制品投入量，試驗以WIP_xn為輸入值，TH、CT、TotalTime為輸出值。方式（a）中有4個環(huán)路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，其上值為4，下值為1，差值為 1，共計256場試驗；方式（b）中有3個環(huán)路在制品投入量WIP_x1至 WIP_x3，其上值為 5，下值為 1，差值為1，共計125場試驗；方式（c）中有4個環(huán)路在制品投入量WIP_x1至WIP_x4，但是由于環(huán)路2和環(huán)路3是共用附件生產(chǎn)線，一根管子一般需2個附件才能進行裝配，因此環(huán)路中至少存在2個在制品才能進行生產(chǎn)，所以該方式的WIP_x2、WIP_x3的下值為 2，WIP_x1、WIP_x4的下值為 1，上值均為4，差值均為1，共計144場試驗。

運行試驗管理器，記錄各個試驗的TH、CT、TotalTime值，并以試驗場次為橫坐標，TH值和TotalTime值為縱坐標繪制成散點圖，試驗結(jié)果如圖6～8所示。以試驗場次為橫坐標，CT值為縱坐標，繪制出3種方式下的CT變化曲線，如圖9所示。

2.4 試驗結(jié)果分析

1）對比圖8和圖9，生產(chǎn)周期CT有不斷增大的趨勢，隨著在制品投入量的改變，TotalTime和TH進行周期性變化，均存在上下限，繼續(xù)增大投入量不會使TotalTime和TH超出上下限范圍，但在制品的等待時間會延長，使得CT不斷增大；

2）3種方式的最小TotalTime和最大TH是相同的，分別為17 d，2.4根/h。與無間斷推動式生產(chǎn)的理想狀態(tài)的指標值基本一致；

圖6 方式（a）試驗結(jié)果

圖7 方式（b）試驗結(jié)果

圖8 方式（c）試驗結(jié)果

圖9 CT變化曲線

3）在3個環(huán)路設置方式的試驗初期，TotalTime和TH值有很大波動，其中圖7最為明顯（0～30次試驗）。這是由于初期在制品投入量過小，產(chǎn)品需求小于生產(chǎn)線的產(chǎn)能，生產(chǎn)線并不是最佳運行狀態(tài)（不穩(wěn)定狀態(tài)）；

4）運用Excell表格的功能添加CT趨勢線（線性公式），方式（a）CT趨勢線公式y(tǒng)= 0.006 1x+2.864 5，方式（b）CT趨勢線公式y(tǒng)= 0.011 5x+2.571 2，方式（c）CT趨勢線公式y(tǒng)= 0.011 2x+2.797 5。在生產(chǎn)線穩(wěn)定狀態(tài)下（即TotalTime和TH進行周期性變化時），方式（a）的TotalTime最大值為29 d，最小值為 17 d，差值為 12 d，方式（b）的 TotalTime最大值為 24 d，最小值為 17 d，差值為 7 d，方式（c）的TotalTime最大值為22 d，最小值為17 d，差值為5 d；方式（a）的TH最大值為2.3根/h，最小值為1.4根/h，差值為0.9根/h，方式（b）的TH最大值為2.4根/h，最小值為1.7根/h，差值為0.7根/h，方式（c）的TH最大值為2.4根/h，最小值為1.9根/h，差值為0.5根/h。

對比記錄的結(jié)果可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，隨著在制品投入量的改變，總生產(chǎn)時間TotalTime波動最小的是（c），其次是（b）；產(chǎn)出率 TH 波動最小的是（c），其次是（b）；生產(chǎn)周期CT增長最慢（趨勢線斜率最?。┑氖牵╝），其次是（c）。綜上所述，投入量改變過程中系統(tǒng)最穩(wěn)定的是（c），其次是（b），最差的是（a）。

2.5 CONWIP控制與無CONWIP控制的生產(chǎn)線對比分析

秉承“以最小的在制品投入量使生產(chǎn)系統(tǒng)達到最大產(chǎn)出率和最小循環(huán)時間”的成本控制理念[20]，結(jié)合試驗所得散點圖，可以得到管件生產(chǎn)線中3種CONWIP控制方式的最佳在制品投入量WIP#、TH、CT 與TotalTime值，以及無CONWIP控制的生產(chǎn)線中TH、CT與TotalTime值。圖10對無CONWIP控制生產(chǎn)線，以及按照最佳在制品投入量進行生產(chǎn)的（a）、（b）、（c）3 種CONWIP控制生產(chǎn)線的各工位阻塞率進行了對比分析，其中（a）和（c）生產(chǎn)線中工位阻塞率相同。由于3種方式下Assembly、Assembly1與SP5的阻塞率均為零，未在折線圖中顯示。從表3可知，在CONWIP控制下的生產(chǎn)線中在制品數(shù)和產(chǎn)品生產(chǎn)周期均比無CONWIP控制的少，最明顯的是方式（c）；從圖10可以看出，在無CONWIP控制的管子生產(chǎn)線阻塞比較嚴重，工位 SP、SP1、SP3、SP6阻塞率均已超過50%，加入CONWIP控制后，工位阻塞情況明顯有所好轉(zhuǎn)，其中工位SP與SP3阻塞率直接降為零，效果最明顯的是方式（a）和方式（c）。

圖10 4種生產(chǎn)控制方案各工位阻塞率折線

表3 CONWIP控制與無CONWIP控制的數(shù)據(jù)對比

綜合考慮所有影響因素，即系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)在制品數(shù)量、生產(chǎn)周期以及阻塞情況，在該管件生產(chǎn)線的最佳方案是CONWIP控制方案中的方式（c）。實施CONWIP控制能夠有效地減少生產(chǎn)線中的在制品數(shù)量，以最小的在制品投入量來達到生產(chǎn)線產(chǎn)量需求，避免了產(chǎn)品積壓，方便人員對生產(chǎn)線的管理，同時也能有效緩解工位阻塞，使生產(chǎn)線運行更為順暢。

3 結(jié)論

經(jīng)典看板系統(tǒng)由于內(nèi)部關聯(lián)度高，生產(chǎn)平衡保障困難，無法在船舶建造中實施。CONWIP系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)了此局面，便于管理、節(jié)約成本。通過試驗設計和仿真驗證表明：

1）在總加工時間和產(chǎn)出速率保持不變的情況下， CONWIP方案可以有效降低生產(chǎn)線在制品數(shù)和產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期，有利于緩解生產(chǎn)阻滯現(xiàn)象，使有效作業(yè)時間比率大幅提升，使生產(chǎn)更加精益化。

2）CONWIP控制在降低系統(tǒng)復雜度、控制在制品數(shù)量和調(diào)控生產(chǎn)節(jié)拍等方面均有明顯的比較優(yōu)勢，有利于在對生產(chǎn)波動較為敏感的系統(tǒng)中推廣應用。

3）仿真技術與CONWIP控制相結(jié)合，有利于在計劃階段準確響應系統(tǒng)的產(chǎn)能情況，為精益造船的深入推進提供了一個新的有效途徑。