多產品作業車間瓶頸消解問題的研究

孫嘉藝+王艷紅

摘 要：為迎合消費者的個性化需求、滿足市場的快速變化，企業的生產方式逐漸從大批量流水線生產轉變為多品種作業車間的柔性生產。由于多產品作業車間生產工藝和生產工序接續關系的復雜性，往往會造成生產制造過程中生產線上的擁堵，即出現生產瓶頸。在分析幾種瓶頸識別方法的基礎上，綜合多產品作業車間的特點提出了按權重劃分的瓶頸識別模型。

關鍵詞：生產方式；作業車間；柔性生產；瓶頸識別

中圖分類號：F406 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0093-02

引言

隨著顧客消費觀念和價值觀的改變，客戶需求也呈現出個性化、多樣化和多變化等特點。以犧牲產品多樣性為代價、追求生產成本最低化的傳統大批量流水線生產方式已無法適應愈來愈激烈的市場競爭。企業為滿足顧客需求，順應市場變化在轉變大批量流水線生產方式的同時，作業車間的多品種、小批量生產方式應運而生。

與大批量的流水線生產方式相比較，多品種、小批量的作業車間生產方式組織生產靈活，產品種類多變更能滿足客戶的個性化需求，市場適應能力更強。但其生產工藝復雜使得生產過程波動較大，物流、信息流復雜不易管理等特點使得生產過程控制困難。如何在采用多產品作業車間的生產環境下既滿足市場的快速變化和顧客的多樣化需求，又能克服多產品、小批量作業車間的瓶頸問題實現的均衡生產已成為難題。

1 瓶頸的定義

瓶頸是指整體流程中的關鍵限制因素，在生產流程中瓶頸是指實際生產能力小于外部需求的環節。通常把流程中生產節拍最慢的環節稱為“瓶頸”，給出瓶頸的數學描述[1]。

對于系統中的n個資源X1，X2，...，Xn，實際產出能力C1，C2，...，Cn，系統外部需求量MR1，MR2，...，MRn。某些資源之間存在互為輸入輸出的關聯關系R。假設與資源Xi相關的資源的標號所組合的集合為S，即

那么資源Xi為瓶頸當且僅當

即瓶頸資源Xi的能力Ci不能滿足它的外部需求MRi，同時任何一個與之輸入和輸出關系的資源能力Cj也大于Ci。

2 瓶頸識別的方法

文獻中給出了幾種不同的瓶頸識別方法，可以大致分為以下四類[2]。

（1）第一類：考慮設備能力類。采用機器負荷、機器加工能力、機器利用率、機器忙閑率、歷史或仿真數據等指標定義瓶頸。

（2）第二類：考慮機器活躍時間類。采用機器平均活躍時間指標，從機器持續加工的角度出發進行瓶頸識別。

（3）第三類：考慮在制品類。在生產過程中通過設備的平均等待時長或平均等待隊列長度等指標，從生產流程的角度出發進行瓶頸識別。

（4）第四類：考慮系統有效產出類。從系統的有效產出角度定義系統瓶頸，將對系統有效產出影響最大的機器視為瓶頸。

分析以上四類瓶頸識別方法的優劣性。依據設備負荷、機器利用率等指標識別系統的瓶頸簡單直觀、識別方便。考慮到在流水車間的生產環境下有時會同時出現幾個指標非常接近的情況，由于沒有準確的算法或調度方案進行判斷，不能斷定這些相近的結果是否為系統的真實瓶頸，若最后認定的瓶頸并不是系統的真實瓶頸，此時無論采用何種方法或手段來消除這個偽瓶頸，對實現生產流程平穩、順暢都是沒有幫助，達不到追求平穩生產、物流平衡的目的；以機器活躍期為指標，可以用于Flow Shop/Job Shop及更復雜系統的瓶頸識別，可操作性強，但是對于不同生產系統需要建立不同的仿真模型，工作量過大，操作繁瑣，從而限制了該方法的推廣；以在制品識別瓶頸的方法從生產流程的角度出發進行瓶頸識別。由于產品類型單一、加工工序固定、產品對相同機器的加工處理時間要求相同等特點，使得以排隊長度為指標的方法更適用于單產品生產系統。而在多產品生產系統中，由于加工產品的類型多、工序更加繁瑣，使得每種產品對相同機器加工的處理時間不盡相同，當系統中同時有多個待加工工件隊列長度相同或緩沖區隊列同時溢出的情況發生時，使得排隊長度指標法并不適用[3]。因此，在多產品的生產加工過程中更佳傾向于使用平均隊列等待時間法來識別系統的瓶頸；以系統有效產出的瓶頸識別方法認為對系統有效產出反映最敏感的機器為系統的瓶頸，而對系統敏感度分析會隨著系統復雜性的增加而增加，由于Job Shop系統的生產過程復雜多變，因而此方法在Job Shop系統中也不適用[4]。

3 瓶頸消解機制

3.1 DBR技術

約束理論的生產計劃與控制是通過DBR（鼓一緩沖器一繩）技術來實現的。DBR技術是一種在約束理論思想上提出的解決生產作業計劃問題的生產控制的具體工具。D即“鼓（Drum）”是生產系統中的控制點，視為系統中的瓶頸，代表控制機制，決定著生產節奏或步伐；B即“緩沖器（Buffer）”設置在瓶頸前面，代表著緩沖機制，可避免生產過程中的一些小波動；R即“繩子（Rope）”負責傳遞瓶頸工序的作業情況，代表協調機制，對整個生產過程的節奏進行掌控，使生產過程中物流能夠平衡，實現同步生產。用一句話來概括DBR技術，即找出妨礙實現系統目標的約束條件，并對它進行消除的系統改善方法。

3.2 瓶頸識別模型

在某種情況下若設備為生產流程中不可或缺的關鍵設備時，機器的生產能力會直接影響機器的活躍時間，從而間接的影響生產系統的產出率。因此，從某種意義上來說，可將以上幾種瓶頸識別方法大致的歸為與設備相關的一類瓶頸識別方法。而在制品類瓶頸識別方法與生產過程相關。在多產品的生產環境下選用平均隊列等待時間這一指標更合理。

本文針對多產品離散制造系統的特點，結合常見瓶頸識別方法的優點，同時考慮設備和生產過程兩項指標定義系統的瓶頸，綜合生產系統的機器利用率和在制品的平均等待時間，建立了多產品作業車間瓶頸識別模型。定義式如下。

由于機器利用率采用百分制形式也就是數值在0-1之間，為了不影響設備平均利用率和在制品類平均等待時間的權重運算，對在制品類平均等待時間進行歸一化運算。

4 瓶頸漂移

瓶頸是生產物流系統本質特征，對于瓶頸的處理也只能是盡量去減弱，減少它對生產流程或企業效益的影響，而不能完全消除。生產物流瓶頸的特征決定了瓶頸會隨著生產過程中的各種不確定性因素發生，在各個工序之間漂移，這種現象無法避免。各個工序輪流成為瓶頸的現象就稱為瓶頸漂移現[5]。

多品種、小批量生產方式的生產控制比較復雜，難度比較大，相較于大批量的流水車間生產方式引發瓶頸漂移的因素會增多，對瓶頸漂移控制的有效性也會降低。采用DBR控制策略只能消解生產過程瓶頸，但對預防新瓶頸的形成沒有幫助，也就是說DBR控制策略并不能阻止瓶頸漂移的產生。

5 結束語

系統的生產節奏是由瓶頸工序控制的，一旦在瓶頸辨識過程出現問題，將會極大地影響后續的工作。由此可見，瓶頸消解在生產管理中占有極其重要的地位。此外，在實時生產管理中，會出現瓶頸漂移的現象，若能及時準確定位瓶頸，妥善處理瓶頸以及漂移問題，則能夠有效增加系統的產出，增加企業的效益。

參考文獻：

[1]王玉榮.瓶頸管理[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]王軍強，陳劍，王爍，等.作業車間區間型多屬性瓶頸識別方法[J].計算機集成制造系統，2013，19（2）：429-437.

[3]Lawrence S R， Buss A H. A H.Shifting production bottle-necks：causes，cures，and conundrums[J].Production and Operations Management， 2009，3（1）：21-37.

[4]Chiang S Y， Kuo C T， Meerkov S M. DT-bottlenecks in serial production lines： theory and application[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2000，16（5）：567-580.

[5]劉明周，杜偉山，葛茂根，等.生產系統瓶頸指數及瓶頸漂移問題研究[J].現代制造工程，2009（1）：22-24.