准制生产系统中的控制策略研究

准制生产系统中的控制策略研究

0准时制生产系统的研究方法时间间隔生产所需的物质。生产时间被称为生产时间。这意味着生产系统中的材料流从实际需求中牵引。其逻辑是，生产时间不包括生产信息。随着实际生产的拉紧信息从印版开始发送，因此送板生产系统被称为印度制造系统。随着时间生产系统的成功，原材料储备的减少显著减少。这与其他生产生产系统的主要区别在于，材料流的触发机制和产品水平的控制机制导致了不同的管理思想。当时的生产是由汽车制造行业生产的，但由于实际情况中存在许多不确定性因素，因此后来的许多研究方法都采用了基于确定模型和随机模型的最佳时间生产系统性能分析。随着初始阶段的发展，主要是线性分析，但由于实际情况中存在许多不确定性因素，因此后来的许多研究方法采用了随机分析法。随机统计分析主要基于队列系统，即生产系统是队列网络的分析法和基于随机序关系的样本路径分析方法。1物料流触发机制准时制生产管理的目的是不断识别并消除生产过程中的浪费.为了减少浪费,并且能够及时满足顾客需要,准时制要求生产过程中每一个工序单元按时完成加工,并且准时地把完成加工的工件送到下一个工序单元,从而达到生产系统中的原材料、在制品、产成品的存货最少.准时制生产系统的物料流触发机制是拉动方式,实际需求信息作为生产指示信号拉动最终工序单元生产,最终工序单元从前面工序单元按所需要的数量取来所需类型的零部件,并按照需求数量生产产品.对应的前序工序单元按照被后续工序单元所取走的部件数量进行生产以补充减少的数量.这样下游工序单元的需求信息就逐步传递给上流工序单元.在实际生产中通常用看板传递生产或取货信息,其中生产指示看板用于在生产过程中指示工序单元开始生产,生产指示看板的数量及顺序取决于紧邻后续工序单元取走的零部件数量和顺序,取货看板用于指示从后续工序单元到前序工序单元取货的数量和时间.从取货开始到半成品完成,生产指示看板和取货看板在实际生产过程中的使用方法如图1所示.2生产系统模型2.1串联形式.所谓串联形式是指生产系统中的生产单元序列布置,每个单元完成一个加工后就把其加工完成的工件放在它的输出存储区中,为后续单元提供输入原材料.每一个部件按照设计的顺序从上游到下游在每个工序单元加工一次,直到最后一个工序单元完成加工后提供给顾客.串联形式的进一步扩充包括树形结构的生产系统,比如在组装生产系统中,下游的某个组装单元需要上游多个单元同时提供零部件才能完成组装活动,但上游每个单元只向下游一个单元提供原材料.当生产系统生产不只一种产品,从上游某个单元开始便出现分支,不同产品走不同的加工路径,但下游每个单元只接受上游一个单元提供的原材料,也可以看成树形结构.串联形式的另一种扩充是所谓分离—合并(fork-join)的结构,即从上游某个单元出现分支,而在下游某个单元汇合的情况.文献中对准时制生产系统的研究基本上都是基于串联形式的生产系统进行的.2.2时制生产系统的研究在实际的生产系统中,一个部件可能会先后在一个工序单元加工多于一次,或者当生产系统生产不只一种产品,而每种产品所经过的加工路径不一样时,生产系统就属于一般网络形式.串联形式的生产系统是网络形式的特例.在对网络生产系统的研究中,一般可把所有类型的工作集成到一个单一类中,对每一个加工工序单元,把不同类型工作的加工次数加总,取其平均值作为在该工序单元加工的分布均值.相对于不同的加工路径,工序单元到工序单元的转移模拟为转移概率,转移概率参照该路径上工序单元到工序单元的工作流比例来确定.目前,尚未见有文献对准时制生产系统的研究是基于一般网络形式的生产系统进行的.2.3子系统的控制各工序单元的在制品量的控制机制主要有:1)每个工序单元的存储区设置不同,有设置一个存储区的(图2a),简称单存储区,有同时设置输入与输出两个存储区的(图2b),简称双存储区,双存储区的工序单元从输入存储区取来原材料加工,加工完成后存放在输出存储区中;2)系统中的看板种数不同,文的一般生产指示看板系统包括订货看板、取货看板、加工看板和生产指示看板4种,双看板(亦称双卡)系统只有取货看板和生产指示看板,而单卡系统只有一种看板,传统生产方式没有看板,必须注意的是看板系统中每一个部件都有一个看板附在上面;3)阻塞机制不同,目前文献中有3种:生产阻塞、通信阻塞及最小阻塞.文的看板系统包含4种看板,主要考虑了订货和取货时间之间的延迟,可用于一般生产系统描述,通过设置不同的模型参数可以得到不同的控制机制.但大多数研究者描述的是双卡或者单卡系统.对于单存储区的生产系统,只需要一种看板,其适合工序单元之间的距离很短、工件容器箱可以在工序单元之间容易移动的生产系统.而当工序单元之间的距离增加或者容器箱运输较困难的情况下,批量就会变大,这样单存储区的生产系统不再适用,每个工序单元都必须有输入和输出存储区,物料处理应该周期进行,而运输频率的选择应该使存货和运输的总成本最小.对于双存储区的生产系统,可以设置一种看板,也可以设置生产指示和取货两种看板.因为现实生产系统中存储区容量有限,因而生产系统中存在阻塞情况.以单存储区的生产系统为例,所谓生产阻塞是指当一个工序单元的某个工件加工完成后,其下游存储区的空间已经被填满而不能进入下游存储区,继续占用机器从而使阻塞发生,这种阻塞机制又称作服务后阻塞;通信阻塞是当一个工序单元的紧邻下游存储区没有空位时,就停止加工,直到下游存储区有空位时才开始加工,这种阻塞机制又称作服务前阻塞;最小阻塞是当一个工序单元中某个工件被加工完成而下游工序单元的存储区没有空位时,就存放在本工序单元的存储区中,当下游工序单元的存储区有空位时,最早等待的完成加工的工件进入下一个工序单元.在生产阻塞机制下串联排队系统等同于在通信阻塞机制下的对应工序单元的存储区容量多一个单位的串联排队系统.当两个生产系统中队列长度的联合分布相等时,称一种生产系统与另一种生产系统等效.假设单卡双存储区单元看板数为K,而双卡双存储区单元取货和生产指示看板数都为K,则双卡双存储区工序单元的最大存货数(包括输入和输出存储区)为2K,而单卡双存储区单元的最大存货数为K.如假定单元之间的取货所需时间为零,则双卡双存储区系统相当于在通信阻塞机制下的单存储区且容量为2K的生产系统,单卡双存储区系统相当于单存储区且容量为K在最小阻塞机制下运作的系统.3基于解析解的样本轨迹分析生产系统性能指标主要有系统输出(生产率)、在制品存货和最终产品存货以及对顾客需求的满足情况如延迟率等.分析的主要方法有排队网络分析、仿真分析和利用随机序关系的样本轨迹分析.排队网络分析只有在一些特殊情况下能够得到解析解,即所谓乘积形式解.对于状态空间较小的系统也可通过解状态转移方程求出精确解,而对于一般的系统大多采用各种近似方法.利用随机序关系进行样本轨迹分析,主要用于比较系统输出率.样本轨迹分析不需要设定特定的顾客到达过程和机器加工时间分布,因此其结果适用于一般情况,但也只是针对串联系统而言.仿真可用于一般系统分析,也可用于检验各种近似方法的精确度.至今为止,文献中研究的基本上是生产单元串联布置的生产系统,而且没有考虑取货所需时间,即假定取货所需时间为零.文把串联形式的生产系统区分为等同于有限容量串联排队系统和不等同于有限容量串联排队系统的生产系统.由于等同于串联排队系统的生产系统有一个较固定的分析方法,所以仍采用文的分类.3.1核心模型的建立在生产阻塞和通信阻塞机制运作下的单存储区串联生产系统和双卡双存储区串联生产系统,当取货所需时间为零,并且取货批量为一单件的情况下,可等同于相应的有限容量的串联排队系统.等同于有限容量串联排队模型的生产系统,可以直接利用串联排队模型分析其性能.许多学者研究了有限容量串联排队系统的近似计算方法,其中常用的有分解方法,它是先把一个孤立的生产单元模拟为单个队列的排队模型,然后把所有工序单元组合起来近似整个系统.分解方法的优越之处在于能有效、并且较精确地分析由任意多个工序单元组成的排队系统.分析串联排队模型,其中简单的情形是假设加工时间为指数分布.对于加工时间为一般分布的串联队列,包括正态分布,可以用P-H分布近似,P-H分布可以近似任意精确度的一般分布,因为其具有马尔可夫性而使问题容易处理.因此对于加工时间为P-H分布的串联队列也可以用近似分解方法.当需求到达过程为一般分布时,用P-H分布近似一般分布,导出一个准马尔可夫过程,从而能够较快、较精确地求解.当生产系统由分离——合并的工序单元以及多生产线组成,系统本身并不等同于单个串联排队系统,但每一工序单元序列等同于串联排队系统,如果加工时间为指数分布,可以直接分解,而加工时间为一般分布时,先用P-H分布近似一般分布,然后进行分解组合[19,20,21,22,23,24,25,26,27].文分析等同于有限容量的串联排队生产系统时,发现在生产阻塞机制下系统的状态空间较大,而通信阻塞具有比生产阻塞下更少的状态空间,因此能够更快速、更精确地求解在通信阻塞机制下运作的规模较大的生产系统,并用来近似分析在生产阻塞机制下运作的系统.文在分析等同于有限容量的串联排队生产系统中生产线的一致性问题、负荷问题和运作控制问题时,没有使用近似分解方法,而是把生产过程看成离散的时间段,通过前后两个时间段以及前后两个生产单元的存货和生产量之间的约束关系,建立了一个离散时间马尔可夫过程.3.2马尔可夫过程模型在最小阻塞机制下运作的单存储区串联生产系统和单卡双存储区生产系统不等同于任何形式的有限容量串联排队系统.文研究的系统属于单卡双存储区生产系统,即首先孤立分析一个单元比如单元k,假定其原材料到达和对加工完成部件的需求都是Poisson过程,且需求率为ρk,原材料到达率为σk,则单个单元的状态转移过程是一个马尔可夫过程,然后利用系统中各单元在稳态下的生产率相等推导出一个固定点近拟方法,计算单卡系统的生产率和平均存货.通过实例计算,发现从上游到下游工序单元,存货数依次减少,原材料供给过程单调递减,而需求过程是单调递增的.计算过程的迭代次数取决于生产线上的工序单元数和收敛标准.当取货所需时间不为零,或取货批量不为一个单元时可区分为固定数量不固定取货周期,或固定取货周期,不固定取货数量的周期拉动系统.文导出了一个分析不等同于串联排队的周期取货的看板生产系统性能的精确方法,建立了一个离散时间马尔可夫过程模型,估计系统的输出率、存货水平和服务水平.由于状态空间的维数问题,只能对三工序单元的系统进行精确计算,对于规模较大的系统,可运用分解方法近似.文分析了一个具有树形结构的组装系统,并建立一个有限马尔可夫模型估算封闭看板控制组装系统的性能.4影响系统性能的因素看板数的确定和分配是生产系统的最优设计问题.在满足需求速率的情况下,控制生产系统中的在制品存货水平,或者在相同的存货水平下使生产系统的输出率最大是研究人员和实际工作者最关心的.影响系统中在制品水平的主要是缓冲区的容量和看板数量以及看板在不同生产单元中的分配.看板数量和缓冲区容量的设置和分配方式对系统性能的影响近似,所以下文对看板数和缓冲区容量不作区分.4.1加工时间非指数分布模型准时生产的目标之一是减少在制品,从而减少存货投资,并且由于存货的减少容易发现生产过程中隐藏的问题.理性的拉动式系统每个生产阶段的在制品只有一个.但由于现实生产中存在各种不可避免的变动因素,在不能消除、或者完全准确、及时的预知这些变动因素的情况下,需要保持一定数量的存货以减少各种变动因素的影响,以满足市场需要.文最早提出了一个确定看板数量的方法:Ki=(τiDi)(1+α)/ni,这是一个确定性的方法.其中Ki是第i种类型的部件的看板数,ni为容器容量,τi表示提前期,包括加工时间、运输时间、等待时间和看板收集时间,Di表示第i种类型部件的需求率,α是安全系数.一般,影响α值的因素主要有:需求波动、加工时间的不确定性以及机器损坏.以满足顾客需求为目标文把工序单元串联、加工时间指数分布、需求到达为Poisson过程、加工批量为k的生产系统,模拟为一个M/Mk/1的排队模型,从而求出满足预定需求水平的安全库存Qs.当需求到达不是Poisson过程,加工时间非指数分布时,可用加工时间和需求到达间隔时间的方差系数为尺度参数乘以到达为Poisson过程、加工时间为指数分布时的Qs得到相应的安全库存,从而确定系统中的看板数.同时还分析了在机器出现故障情况下,延迟的需求需要后来进行补充,但仍能满足预定的需求水平的安全库存.成本最小化目标文分析了机器加工时间为指数分布,系统布置为一个工序单元对一个工序单元、多个工序单元对一个工序单元以及多个工序单元对多个工序单元3种生产系统,以缺货成本和库存成本两者之和的总成本最小为目标函数,从而确定系统中的最优看板数.文分析了生产多种类型的产品的系统.假定系统生产m种类型的部件,hi表示单位时间内第i种部件的库存成本,bi表示相应的缺货成本,Pi(x)表示第i种部件有x件存货的概率,则成本最小化目标函数为在已知需求过程的情况下,可以计算出满足目标函数的看板数.文分析了几个输出率均值μP相同,方差σP2不一样的串联生产系统,并在最后一个工序单元设置了安全库存.通过研究发现看板数下降到一定限度时,需求延迟方差迅速增大,当看板数足够大时,需求延迟方差保持稳定,几乎不变.并且发现主要由下游工序单元吸收尾部需求到达过程的变动性,减少下游工序单元的看板数就相当于减少系统对需求变动的反应能力.对于机器可靠性,发现当加工时间的方差增大时,平均存货有轻微下降,这是因为虽然在不可靠的生产环境下,加工的原材料比预先定购的要少,从而使得原材料存货增加;但另一方面,由于机器可靠性下降,在制品和最终存货数下降,总的效果是存货减少.对于需求的影响,发现当看板数即相应的存货数减少到接近最低限度时,系统倾向于对需求变动性非常敏感,这也印证了实施JIT系统时必须满足需求稳定的条件.对于安全库存,发现增加安全库存,能够减少需求延迟但会增加存货,因此可靠的需求预测对于确定一个合适的安全库存是很重要的.文的计算结果和仿真结果都表明,系统输出是看板数的递增函数,同时发现存货数近似为每个工序单元看板数的线性函数,但输出率是高度非线性的.对于物料周期处理的生产系统,确定生产系统所需要的看板数需要估计提前期,选择物料处理频率.使用随机序方法可以估计提前期和看板数.分析发现看板数是取货频率的直接函数,频繁的物料处理只需要较少的看板,但运输费用会相应增高.对于双卡系统,生产看板由生产提前期确定.取货看板由物料处理提前期确定.文用一种迭代方法计算处在存货和运输总成本最小的目标函数下的取货频率.文同样分析了在成本最小化目标函数下,最优的原材料订货次数、看板数、取货频率以及取货批量.文分析了一般性看板系统设计参数:每个工序单元的看板数和目标存货的选择,对于一个孤立的工序单元,研究发现看板数决定工序单元的生产能力,目标存货决定工序单元的服务水平,也就是对需求的满足程度.4.2板数不变条件看板在生产系统中各个工序单元之间的分配不同,使得系统表现出不同的性能.文对此进行了系统的分析,发现在其他条件和系统中总的看板数相同的情况下,分配更多的看板在下游工序单元能提高生产率.在保持其它工序单元看板数不变的条件下,增加任何一个工序单元的看板数则会增加系统输出;增加总的看板数会使最优生产率增加.文建立了一个半马尔可夫过程模型,研究了在一般阻塞机制下序列生产线上缓冲区容量的改变对生产性能的影响,并给出了需要增加缓冲区容量和重新分配缓冲容量以提高系统输出的条件.各个缓冲区容量的确定和如何分配缓冲区容量的主要目标是平衡系统输出率和在制品水平,研究发现缓冲容量的最优分配依赖于系统结构而不是工序单元的服务时间.文导出了一个需求为一般到达过程和加工时间为一般分布的序列看板生产系统在保持在制品水平不变的条件下,调整看板的分配使系统生产率最大的算法,并给出系统最优性能满足的必要和充分条件,证明算法收敛于看板的最优分布.5运作管理策略文研究生产系统中各种不同的运作管理策略以及更为复杂的一般设置的网络生产系统.运作管理策略指系统中在制品水平的控制策略以及各工序工件的发送策略.5.1区系统在制品水平控制方式的确定对前述双存储区的生产系统,在制品水平的控制策略有两种.为规范起见,把双卡双存储区系统的在制品水平控制方式称为缓冲控制,因为实际在制品水平由存储区的容量控制,把单卡双存储区系统的在制品水平控制方式称为看板控制,这种方式下实际在制品水平由看板控制.缓冲控制方式由缓冲区的容量控制每个单元的在制品水平,当单元i+1的输入存储区中有空位时,在单元i完成加工并在输出存储区中等待的工件便可以进入单元i+1.看板控制方式由看板数量控制每个单元的在制品水平,当单元i+1有自由看板时,在单元i完成加工的工件便可以进入单元i+1.由于工序单元i的输入和输出存储区的容量以及看板数量都为Ki,那么在缓冲控制方式下,工序单元i的最大存货数(包括输入和输出存储区两者)为2Ki,而看板控制方式下则为Ki.5.2生产控制策略文献中对各种生产系统的研究大都没考虑物料搬运时间(取货时间为零).在实际生产系统中,物料在生产单元之间的输送时间不能忽略,而且由于搬运工具及场地路径限制,合理设计搬运方案对于提高生产效率、降低成本都是很重要的.取货所需时间的模型比文献中的模型要复杂得多.对图3所示的生产系统,工序单元i与工序单元i+1之间的物料由一辆搬运车输送,搬运车的行为模式有推动方式和拉动方式.推动方式当搬运车i处于空闲状态(在单元i处等待)时,只要单元i的输出存储区中有完成加工的部件,搬运车i便立即装载部件送到工序单元i+1.如果单元i+1的输入存储区中有空位或自由看板,工件便进入存储区中,同时搬运车立即返回;否则搬运车便在单元i+1前等待,直到出现空位或自由看板时卸下工件后才能返回.拉动方式当搬运车i处于空闲状态(在单元i+1处等待)时,只要单元i+1的输入存储区有空位或有自由看板时,搬运车i便到单元i取货,如果单元i的输出存储区中有完成加工的部件,搬运车便立即装载部件送到单元i+1,否则在单元i处等待,直到有完成加工的工件后便立即装载部件送到单元i+1.由此可见推动方式是由上游工序单元完成加工的部件触发搬运车搬运物料,而拉动方式是由下游单元的需求信息,即自由看板或输入存储区中的空位触发搬运车搬运物料.应关心的是推动和拉动方式对系统的性能影响有什么不同.如果同时考虑在制品水平的控制机制,就可