運(yùn)籌學(xué)在工業(yè)制造業(yè)工程中的應(yīng)用探究

胡 嚴(yán)

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

工業(yè)制造業(yè)工程于20世紀(jì)初起步于美國，至今已有近百年的發(fā)展歷史。而中國從20世紀(jì)八十年代從開始從國外引進(jìn)和學(xué)習(xí)先進(jìn)的管理方法，中國機(jī)械工程協(xié)會(huì)成立的工業(yè)工程研究會(huì)標(biāo)志著中國工業(yè)工程(CIE)的誕生。關(guān)于工業(yè)制造業(yè)工程的定義，被普遍認(rèn)可的是由美國工業(yè)制造業(yè)工程協(xié)會(huì)做出的定義：“工業(yè)制造業(yè)工程對(duì)人員、物資、設(shè)備、能源和信息所構(gòu)成的集成系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、改善和實(shí)施的一門學(xué)科。”從定義可以看出,工業(yè)制造業(yè)工程的目的在于提高和完善組織效率、生產(chǎn)質(zhì)量，需要從基層發(fā)現(xiàn)問題并解決和完善問題。因此，工業(yè)制造業(yè)工程必須基于現(xiàn)實(shí)，充分利用運(yùn)籌學(xué)方法，并將運(yùn)籌學(xué)方法靈活運(yùn)用到工業(yè)制造業(yè)工程中去。

1 運(yùn)籌學(xué)方法研究綜述

從廣義上來說，運(yùn)籌學(xué)方法是對(duì)模擬 (SIM)、專家系統(tǒng)(ES)和可視界面模型(VIM)、人工智能(AI)等方法的綜合運(yùn)用。運(yùn)籌學(xué)既要有創(chuàng)造性的科研，又要涉及到實(shí)際的管理，并最終通過向決策者提供能夠看得到實(shí)用價(jià)值的意見得到驗(yàn)證。運(yùn)籌學(xué)有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，但不同時(shí)期的學(xué)者們使用的運(yùn)籌學(xué)方法存在差異。根據(jù)使用者的不同,同一時(shí)期人們對(duì)運(yùn)籌學(xué)方法的排名也不盡相同。Lane (1993)根據(jù)不同的使用者使用的運(yùn)籌方法情況作了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 定量化運(yùn)籌方法的使用排名情況

由表1可知，運(yùn)籌學(xué)教師和實(shí)際使用運(yùn)籌方法的人員在運(yùn)籌學(xué)方法的使用上存在差異。數(shù)學(xué)規(guī)劃、模擬和統(tǒng)計(jì)都是教師和實(shí)際使用人員傾向使用的方法，雖然排名有所不同。網(wǎng)絡(luò)分析、排隊(duì)論、隨機(jī)過程和決策分析這幾種方法的排名也比較靠前。由此可推斷:上述的運(yùn)籌學(xué)方法甚至更多都被運(yùn)用到工業(yè)制造業(yè)工程中。

同時(shí)，人工智能和專家系統(tǒng)這兩種方法并未在表1出現(xiàn)，這可能是由于沒有將這兩種方法考慮在運(yùn)籌學(xué)方法之內(nèi)的結(jié)果。不過最近國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，人工智能和專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍正在逐步地?cái)U(kuò)大和加深。與此同時(shí)，它們的發(fā)展?jié)摿υ跊Q策支持系統(tǒng)(DSS)中也非常之大。位于教師使用排名第二和實(shí)際使用人員排名中第三的模擬也日益得到青睞。主要是由于模擬法的算法語言簡潔，并且大多情況下可以根據(jù)實(shí)際情況加以修改。工業(yè)制造業(yè)工程中的物料搬運(yùn)、靈敏制造系統(tǒng)等都因模擬法得到了極大地發(fā)展。另外，模擬模型仿真可能性的提高迎合了目前大多數(shù)企業(yè)都具有的系統(tǒng)仿真功能，這也是它受到歡迎的另一原因。

總的來說，表1包括的各種方法應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)工程的不同領(lǐng)域，正好為我們研究和分析工業(yè)制造業(yè)工程與運(yùn)籌學(xué)之間的聯(lián)系，以及如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)籌學(xué)在工業(yè)制造業(yè)工程中的價(jià)值找到了事實(shí)依據(jù)。

2 工業(yè)制造業(yè)工程中運(yùn)籌學(xué)的應(yīng)用

2.1 制造計(jì)劃與控制:問題與運(yùn)籌學(xué)方法

有價(jià)值的產(chǎn)品或服務(wù)的產(chǎn)出是制造活動(dòng)的最終目的。企業(yè)通過分析、計(jì)劃、合作和控制制造活動(dòng)，合理有效地將資源轉(zhuǎn)化為具有效用的物品和服務(wù)。對(duì)于制造型企業(yè)而言，計(jì)劃與控制系統(tǒng)(MPC)有其一般性的基本結(jié)構(gòu)。首先，我們通過實(shí)際的制造企業(yè)對(duì)一般性的計(jì)劃與控制系統(tǒng)進(jìn)行定義，從而更為清晰地了解統(tǒng)籌學(xué)方法的應(yīng)用情況。計(jì)劃與控制系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受企業(yè)內(nèi)外部的環(huán)境影響，因此各企業(yè)之間可能存在差異。圖1是計(jì)劃與控制系統(tǒng)在計(jì)劃上的遞階框架圖。結(jié)構(gòu)圖從上往下，依次為戰(zhàn)略級(jí)、經(jīng)營級(jí)和操作級(jí)。計(jì)劃工作通常由上至下開展，由于計(jì)劃的級(jí)別不同，因此需要充分考慮各級(jí)別計(jì)劃的實(shí)際情況，并且要把原材料和生產(chǎn)能力考慮在內(nèi)。對(duì)于更加詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃，須考慮到短期，甚至臨時(shí)生產(chǎn)活動(dòng)所需的原材料及相應(yīng)生產(chǎn)能力，其需明確至日、小時(shí)、甚至分鐘的數(shù)據(jù)安排；對(duì)于稍微粗略的制造計(jì)劃，只要知道長期的庫存和用于生產(chǎn)計(jì)劃的大體時(shí)間就可。而控制功能的發(fā)揮則是在監(jiān)測生產(chǎn)活動(dòng)以及為各計(jì)劃級(jí)別提供反饋信息之時(shí)。

圖1 MPC 一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)軟件包中典型的運(yùn)籌學(xué)方法

目前商業(yè)常用的計(jì)劃與控制系統(tǒng)軟件并未將運(yùn)籌學(xué)模型及其方法大量運(yùn)用其中。雖然市面上也存在著如庫存模型、MRP和優(yōu)先法則等的運(yùn)籌學(xué)方法軟件，但從計(jì)劃與控制商業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)際開發(fā)情況來看，統(tǒng)籌學(xué)模型的發(fā)展?jié)摿€未真正開發(fā)。這可能是因?yàn)檫\(yùn)籌學(xué)模型在生產(chǎn)系統(tǒng)中存在的潛力本身就很巨大，但目前還未充分利用；或者又由于時(shí)間條件的限制，在制作活動(dòng)中不太適合運(yùn)用目前的運(yùn)籌學(xué)模型。目前的運(yùn)籌學(xué)模型主要是“技術(shù)驅(qū)動(dòng)”式而并非“需求驅(qū)動(dòng)”式。又因?yàn)樾屡d的信息技術(shù)并未充分利用在生產(chǎn)軟件中，加之運(yùn)籌學(xué)模型與當(dāng)前的生產(chǎn)制造水平并未平等匹配，因此計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)中極少出現(xiàn)新的軟件。雖然如此，運(yùn)籌學(xué)方法在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)軟件包的出現(xiàn)是遲早的事情，并且很好的運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)方法的軟件在可獨(dú)立應(yīng)用系統(tǒng)中找到的可能性最大。

隨著信息科技的不斷發(fā)展，各種發(fā)展契機(jī)將源源不斷地到來。而各種不同的的運(yùn)籌學(xué)模型和技術(shù)將得到各種獨(dú)立應(yīng)用系統(tǒng)的支持。例如預(yù)測銷售訂單的需求管理模型(DM)，將支持時(shí)間序列分析，涵蓋各種運(yùn)籌學(xué)方法，例如誤差統(tǒng)計(jì)預(yù)測、線性回歸和多元回歸等。

3 運(yùn)籌學(xué)技術(shù)應(yīng)用趨勢

在預(yù)測運(yùn)籌學(xué)方法在今后的應(yīng)用趨勢的時(shí)候，必須將制造業(yè)環(huán)境的變動(dòng)因素考慮進(jìn)去。制造業(yè)企業(yè)的內(nèi)外部環(huán)境變化將影響到未來標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)軟件包中運(yùn)籌學(xué)模型及其方法的運(yùn)用。當(dāng)前，生產(chǎn)制造業(yè)逐步向著分散化和小型自治的單元方向發(fā)展，部門經(jīng)理的職責(zé)日益加重。這種變化趨勢要求在整體上建立一個(gè)綜合模型；同時(shí)，由各部門經(jīng)理在各生產(chǎn)單元上建立一個(gè)簡單靈活的小型生產(chǎn)模型。此種模型還需要讓經(jīng)理能直觀地理解建模情況。

1991年，Crookes 發(fā)表了模擬技術(shù)在開發(fā)運(yùn)籌學(xué)軟件方面的趨勢的看法。他認(rèn)為模擬軟件的發(fā)展將以客戶為導(dǎo)向，以服務(wù)客戶均為最終目的，不管是軟件程序的特殊算法語言，還是軟件的適用性等等。雖然現(xiàn)在用于支持工業(yè)制造業(yè)工程現(xiàn)場決策的模擬軟件在不斷減少，但專家系統(tǒng)在模擬軟件中的運(yùn)用在解決實(shí)際生產(chǎn)問題時(shí)是非常重要的。同時(shí)，這些軟件要求使用人員對(duì)其建模的系統(tǒng)和環(huán)境要相當(dāng)熟悉，并且需要掌握各種建模的方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫。所以在使用此類模擬軟件時(shí)應(yīng)當(dāng)有所注意。

DM模型中包含了時(shí)間序列分析、統(tǒng)計(jì)、回歸分析等預(yù)測方法。在建立庫存計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃模型時(shí)，總計(jì)劃層面的信息是必不可少的。也有專家認(rèn)為，雖然目前多數(shù)模型都從不同角度對(duì)總體生產(chǎn)計(jì)劃的情況進(jìn)行了反映，但現(xiàn)實(shí)中企業(yè)很少會(huì)真正使用學(xué)術(shù)界提出的相關(guān)運(yùn)籌學(xué)模型。這很可能是由于許多重要的建模數(shù)據(jù)缺乏的原因。因此，如何獲得建模數(shù)據(jù)的問題顯得十分重要，它將將決定運(yùn)籌學(xué)在企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用程度。

在生產(chǎn)計(jì)劃模型面前，關(guān)于生產(chǎn)批量等的信息是生產(chǎn)經(jīng)理最應(yīng)首先獲得的，而標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)軟件包中一系列試探算法的運(yùn)用，并無太大難度。這樣一來，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)理在檢驗(yàn)生產(chǎn)進(jìn)度情況時(shí)需要以實(shí)際結(jié)果是否與計(jì)劃相符為標(biāo)準(zhǔn)。由于需求計(jì)劃模型包含批量控制技術(shù)，因此庫存控制軟件也能將計(jì)算安全庫存模型納入其中。而之前也提及某些可獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)，其也能支持生產(chǎn)控制模型。因此，標(biāo)準(zhǔn)軟件包中若包含了這些可獨(dú)立應(yīng)用系統(tǒng)，也將使效用得到更好地發(fā)揮。在這種發(fā)展趨勢下，帶有VIM的模擬設(shè)施將在不同程度上出現(xiàn)于未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

理念更新、實(shí)踐為本、學(xué)科交融將是運(yùn)籌學(xué)發(fā)展的必由之路。運(yùn)籌學(xué)源于實(shí)踐，其發(fā)展也應(yīng)以實(shí)際問題驅(qū)動(dòng)為主，學(xué)科驅(qū)動(dòng)為輔，相輔相成地共同發(fā)展。運(yùn)籌學(xué)研究的主流應(yīng)該在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新的問題，并推動(dòng)新的方法和理論的發(fā)展。同時(shí)，還應(yīng)注意學(xué)科交叉的研究，不能將運(yùn)籌學(xué)的定義卡得太死，而失去其原本的意義。運(yùn)籌學(xué)是運(yùn)籌理論發(fā)展的產(chǎn)物，盡管目前不太成熟，但其發(fā)展?jié)摿Σ豢尚∮U。

4 結(jié)束語

運(yùn)籌學(xué)模型及其方法的應(yīng)用在工業(yè)制造業(yè)工程領(lǐng)域的潛力是不可估量的。因此，對(duì)運(yùn)籌學(xué)模型與其適用條件進(jìn)行研究，了解各種運(yùn)籌學(xué)模型的實(shí)際運(yùn)用之處顯得十分重要。信息技術(shù)全面快速的發(fā)展，使得本系統(tǒng)能為系統(tǒng)的使用者提供需要的信息和豐富的模型。但由于信息技術(shù)的更新?lián)Q代周期非常短，導(dǎo)致軟件開發(fā)商對(duì)運(yùn)籌學(xué)方法的實(shí)際運(yùn)用程度低于信息發(fā)展速度。因此，需要重視新模型和新方法，可以首先納入獨(dú)立應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，如果有其使用價(jià)值，再植入標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)軟件包中，以發(fā)展其更寬廣的用途。總而言之，運(yùn)籌學(xué)模型軟件在計(jì)算機(jī)輔助管理的工業(yè)制造業(yè)工程領(lǐng)域?qū)⒆兊迷絹碓街匾Ｔ诮窈蟮陌l(fā)展中，運(yùn)籌學(xué)模型將更多采用綜合集成到整體的手段，實(shí)現(xiàn)1 + 1 > 2 的飛躍，達(dá)到從整體上研究和解決問題的目的。

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