瓶頸工序前緩沖區設定方法研究

嚴琴　王川

摘 要 文章旨在探索時間緩沖與物料緩沖在保護生產線瓶頸問題中的優劣性。本文以A機械加工廠的一條生產線為基礎，結合其最近的生產任務為例，運用最優生產技術與約束理論的方法進行分析，找到該生產線的瓶頸工序，并運用仿真軟件模擬設置時間緩沖與物料緩沖得到相應的基礎數據。接下來運用仿真模擬數據，以先進生產技術與約束理論的作業指標：產銷率、庫存、運行費為評價標準，對時間緩沖與物料緩沖進行優劣性分析。最后，本文得出時間緩沖更具有優勢的結論。

關鍵詞 瓶頸 物料緩沖 時間緩沖 作業指標

中圖分類號：TP278 文獻標識碼：A

隨著全球經濟發展一體化，越來越多的產品依賴于質量之外的用戶體驗，其中，最具標志性的體驗即為個性化與交貨期。傳統制造業所流行的庫存型生產模式顯然已不適應當下的趨勢，伴隨著產業升級與市場需求的變化，制造業必然向小批量、多品種的訂貨型生產方式轉變，進而需要新的生產技術改善企業所面臨的問題。

最優生產技術與約束理論作為新的生產技術，它們不僅吸收了制造資源計劃、精益化生產等先進生產技術的長處，也通過對生產線的瓶頸進行保護保障生產線的良好運行[1]。然而，現有的瓶頸保護方法主要包括瓶頸前進行的時間緩沖或者物料緩沖兩種方式，但兩種方法的使用優先級以及運用環境目前并無學術定論，因此，本文以A機械加工廠為例，仿真模擬了時間緩沖與物料緩沖在此生產計劃與控制過程中的具體運用，并根據不同方法所產生的運行數據，分析評價了兩種方法的優先級。

1理論與方法

瓶頸是指生產系統中客觀存在的薄弱環節。廣大學者普遍接受的是Umble和Sfikanth[2]關于瓶頸的定義：“實際生產能力小于或等于生產負荷的資源”。本文假設計劃量不超過預期的市場需求，另外生產系統中物料供應充分。根據各個工序機械的實際要求生產能力與現有生產能力做對比，其比值等于或者大于1的工序機械則為瓶頸，若存在多處比值大于1的工序，則相對最大比值最大處為整個系統的瓶頸。

一般而言，瓶頸前工序會由至少一個獨立的工序組成，每一道工序均存在穩定的輸入速度和服務速度，因此可以將每個獨立的工序看作一個排隊系統，運用排隊論模型求解緩沖區容量[3]。鑒于機器故障對緩沖區容量的影響時，緩沖區需要同時滿足以下2個條件：一是當瓶頸前工序中的機器處于維修狀態時，緩沖區容量必須滿足瓶頸工序的正常運轉；二是在系統再次出現故障之前，緩沖區必須恢復到系統發生故障前的水平。

系統容量的緩沖區大小的設置，本次研究的討論均以時間作為衡量單位，因此，時間緩沖區的大小便是指靜態緩沖區容量的大小。關于物料緩沖區的設置，在之前的實際運用中，多以經驗估計為準；不過部分文獻資料鼓勵對物料緩沖區的大小進行量化，以期避免經驗的桎梏，他們運用的數理計算方法對于物料緩沖區大小進行設置。

2案例分析

機械加工廠A有一條生產線承接油壓泵蓋、精濾器殼體的生產，能同時承接兩種產品的加工制造以及檢驗。本月初，該加工廠接到兩份訂單，分別為1000件油壓泵蓋的加工與1300件的精濾器殼體的加工。交貨期分別為：

油壓 泵蓋M ：2017.3.5---2017.3.21；

精濾器殼體N：2017.3.5---2017.3.17；

當車間主任接到該訂單之后，便組織了技術人員對該產品進行工序卡片制作。根據工序卡片的信息，可繪制出油壓泵蓋主體的加工路徑圖（見圖1）：本次研究問題關于瓶頸工序對于整條生產線的產出率影響及其解決辦法均以本條生產線為實例。

2.1瓶頸分析

本文結合該廠生產線實際，因為兩份訂單的交貨日期不一樣，需要解決生產排程的問題，如果采取優先加工交貨期較近的訂單，則會導致M在C、D工序上的工時浪費，不能滿足交貨器要求。故而，需對生產排程進行安排，以期損失最小，利潤最大。通過計算，可以清楚地表明N產品的單位時間產銷率遠高于M產品，故優先滿足N產品的排產。按此思路，將前13的產能優先完成N的生產，剩下的產能將用于M的生產。由公式計算可知，在后4天，生產相對瓶頸為臥鏜C。

根據已知的材料前13天的仿真模擬運行數據可知，該模型運行時主要的問題體現在以下幾個方面：

（1）在有限的生產加工時間內，由于系統本身處理能力問題，最終庫房交貨區的產品數量低于實際要求生產數量，進而導致在制品的滯留。

（2）暫存器1上堆放的貨物較多，且滯留時間較長，而暫存器2則與之相反，少而快。這說明組合機床1、組合機床2的處理能力不足。

（3）組合機床1、組合機床2的空閑時間僅有0.18%，0.22%，遠高于系統中其它工位機械的生產負荷。對于需要考慮機械疲勞的加工機械而言，持續運行時間非常長，接近完全負荷，這在實際生產中是非常少見，且加工效率都會受到影響。

產生以上瓶頸的原因如下：組合機床1、組合機床2的加工能力明顯低于實際加工要求，而通過在瓶頸前分別進行時間緩沖區設置與物料緩沖區設置后，兩種不同緩沖區設置方法：整個庫房都能夠及時交貨的數量為1300+717=2017，雖然兩種方式下，暫存區1的產品滯留時間依舊很高，但卻充分保障了組合機床1、2的生產要求，未造成產品在整個系統中的滯留，并提高了系統的快速交付能力，能滿足生產交付要求。

根據后4天的仿真模擬運行數據可以看出，該模型運行時主要的問題體現在以下幾個方面：

（1）在有限的生產加工時間內，由于系統本身處理能力問題，最終庫房交貨區的產品數量低于實際要求生產數量，進而導致在制品的滯留。

（2）發現暫存器2上堆放的貨物較多，且滯留時間較長，而暫存器3則與之相反，少而快。這說明臥鏜的處理能力不足。

（3）臥鏜的空閑時間僅有1.57%，高于系統中其它工位機械的生產負荷。對于需要考慮機械疲勞的加工機械而言，持續運行時間非常長，接近完全負荷，這在實際生產中是非常少見，且加工效率都會受到影響。

產生以上問題的原因如下：臥鏜的加工能力明顯低于實際加工要求。對此，我們在臥鏜前分別設置時間緩沖區與物料緩沖區，預防瓶頸前生產系統的波動，以及可能發生的機械故障造成的對于瓶頸時間的浪費。

2.2時間緩沖與物料緩沖的評價指標

最有生產技術的觀點是生產系統的產銷率、庫存、運行費是衡量系統先進性的三大標準，這三大標準的具體意義如下：

（1）產銷率是指單位時間內生產出來并及時銷售出去的產品。

（2）庫存是指為生產所準備的一時不用的原材料、在制品、零部件、和未銷售的成品。

（3）運行費是指生產系統將庫存轉化為產銷量這個過程中的一切花費，包括所有的直接費用與間接費用。

2.3時間緩沖與物料緩沖的對比分析

針對前13天，時間緩沖與物料緩沖的區別在于：設置物料緩沖后，在暫存區1的產品滯留時間為243.7532遠大于設置時間緩沖時產品在此處的滯留時間76.99654，如果考慮到整個系統中，在制品也需要占用資金，那么非常明顯：在同一生產周期，總生產任務相同時，設置時間緩沖區相較于物料緩沖區的設置能有效的降低在制品數量，提高資金的周轉率。

對于后4天，時間緩沖與物料緩沖的差別在于：設置物料緩沖后，在暫存區2的產品滯留時間為74.60007遠大于設置時間緩沖時產品在此處的滯留時間26.83027，如果考慮到整個系統中，在制品也需要占用資金，那么非常明顯：在同一生產周期，總生產任務相同時，設置時間緩沖區相較于物料緩沖區的設置能有效的降低在制品數量，提高資金的周轉率。

綜上所述，本文可以得到如下結論：生產緩沖區的時間設置相較于物料設置，在降低在制品數量，提高資金周轉率更有優勢。

3結論

生產計劃與控制技術前后經過多次理論與實踐創新，不斷地推進了生產計劃與控制的發展，促進了生產的效率。然而，任何一種理論都有一定的局限性，比如理論的適用范圍、從理論到實踐過程中的成本，以及其快速反應能力等等。不過針對A加工生產車間的現狀，最優生產技術的出現彌補了現有方法未能完全覆蓋之處，并幫助A加工生產車間快速對市場進行反映方面做出了技術指導。其中，約束理論中的核心理念對于優化生產線控制提出了新的解決思路，最大化的實現了以現有能力快速地對市場進行反映。而緩沖區時間容量的設置則顛覆了以物料緩沖為基礎的舊式緩沖設置方法，降低了在制品冗余以及相關資金占用。做到了在不盲目增加生產成本的基礎上，實現快速交付，并保障了快速有效交付的能力。盡管如此，在整個過程中，對于緩沖區的時間設置，依然有待改進，例如說，整個生產系統處于動態過程，其中的要素可能也隨時都在變化，因此針對緩沖區的設置也需要動態的估量，不過由于作者自身知識能力的限制，此種考慮還需進一步的探究，希望未來的研究能解決上述問題。

參考文獻

[1] 尹柳營. 弱者司鼓，強者聽令：DBR在中國的應用前景[J].華南理工大學學報， 1997，2（1）：66-71.

[2] 王軍強， 孫樹棟， 王東成.基于約束理論的制造單元管理與控制研究[J].計算機集成制造系統， 2006，12（7）：1108-1115.

[3] Umble M M， Srikanth，M.L.Synchronous Manufacturing：Principle for world class excellence[M].Cincinnati，OH： South-Western publishing， 1990.