基于约束理论的生产运作仿真优化研究

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1、华中科技大学硕士学位论文图1-1本文基本框架5华中科技大学硕士学位论文2约束理论与仿真优化2.1约束理论模型及其关键运作参数2.1.1约束理论基本原理约束理论的计划与控制是通过DBR（Drum-Buffer-Rope，鼓-缓冲-绳子）机制实现，其DBR控制方法模型如图2-1所示。图2-1DBR控制方法模型在约束理论中，鼓是瓶颈资源的所在,只有识别企业的瓶颈所在才是是控制物流的关键，因为生产系统的节奏受制于鼓的节拍。缓冲分为物料缓冲和时间缓冲两种，在本文中的时间缓冲作用在于能使物料比计划提前一段时

2、间到来，避免因缺料造成瓶颈的等待，以保证瓶颈的利用率。绳子在瓶颈及上游之间起沟通和协调作用，用来保证按照鼓的节奏向上游环节领取物料，这种协调机制类似于看板管理。通过绳子的调节，使瓶颈[4]前的非瓶颈环节均衡生产，同时使在制品最小，又保证瓶颈不会出现等待。总体而言，基于约束理论的计划与控制有如下几个步骤。(1)寻找系统瓶颈所在。(2)确定时间缓冲大小。由于生产系统的不稳定性，随时都面对很多波动干扰，因此有必要对瓶颈设置缓冲保护。(3)基于瓶颈的排程。(4)基于非瓶颈的排程。在对瓶颈工序的工作进行分

3、派后，根据瓶颈工序工作的分派时刻，通过绳子对瓶颈前的各工序的控制，采取拉式生产；对瓶颈后的所有6华中科技大学硕士学位论文工序执行推式生产。由于上下游工序都与瓶颈保持同步，能使生产物流的平衡得到实现。同时减少了在制品库存，使得产品准时交货率有所提升。2.1.2时间缓冲在制造领域方面，相关的研究集中在面向约束管理的瓶颈分析管理、缓冲设置管理、加工及转运批量设置管理等方面。常见的瓶颈识别方法可依据机器的利用率、按照机器前等待加工的零件的队列，即队列最长的工序是系统的瓶颈所在。也有依据产品生产的类型(分

4、V型、A型、T型等)[29]来辨识瓶颈资源的。然而在多品种小批量的生产环境中，产品的组合会随着市场需求的变化而变化，制造系统瓶颈的位置会发生动态偏移，传统的识别方法变得不再可行，[30]通过实时仿真识别瓶颈所在是一种可考虑的方法。在MRP系统中，在每台机器前设置库存来提高其利用率，极大增加了在制品数量。而在约束管理思想中，瓶颈资源上的浪费的时间不代表整个系统相应时间的浪费，而非瓶颈资源节省的时间对于增加系统有效产出也没有帮助,只有瓶颈才能决定系统的有效产出。在DBR机制中重点关注是否能提高瓶颈资

5、源利用率，通过采用设置缓冲来提高瓶颈资源的利用率，缓冲设置的目的在于能让在制品能够如期的通过机器，保证生产任务能按时完成。这里的缓冲我们认为是时间缓冲，当然还有另外一种缓冲即物料缓冲，但在精益生产中物料缓冲本身就是一种浪费，增加了现场的在制品。时间缓冲的设置是为将所需的物料比计划提前一段时间提交，应对机器故障、物料短缺等随机生产波动造成的影响，它可以有效地保证生产的连续性。因此时间缓冲相对来说比较有效的保护机制，在本文中我们将重点关注。在确定缓冲方面，目前主要是三种方法：经验法、不断调整法、定量

6、计算。在经验[31]法中，学者Schragenhein则认为缓冲时间长度的大小可能是瓶颈资源平均前置时间的三倍，这种方法没有明确的公式推导，完全是现场经验的总结，虽然有一定的意义，但不能确保其最优值。不断调整法认为不需要确定一个缓冲值，只需要给一个最初值，在生产中根据其实际生产情况来不断调整缓冲值，通过调整几次后，缓冲值会收敛于某一个相对稳定的值，这就是不断调整法追求的一个比较正确的时间缓冲值。[32]在定量计算方面，曾经有学者提出过下面公式2-1的时间缓冲计算：mTBi=(1+R)∑Pijj=

7、1(2-1)7华中科技大学硕士学位论文其中：Pij为工作i在工序j的操作时间加上调整切换时间；m为该缓冲区中总共需要经过的工序数量；其中R一般取10%。时间缓冲的大小的设定对于生产系统有效产出及生产的连续性有显著的影响。时间缓冲过小会使瓶颈工序长时间处于等待状态，会浪费瓶颈资源的效率，明显违背约束理论的思想；时间缓冲过大会增加在制品量，增加的库存成本会抵消有效产出带来的收益。因此，合理设置时间缓冲区大小对于生产的顺利运行以及企业的有效收益有显著的影响。2.1.3转运批量生产运作过程中常涉及两种不

8、同形式的批量：加工批量和转运批量。加工批量是指两次生产准备过程之间加工的零件的数量。为了保证瓶颈资源较高的利用率，它的加工批量一般较大；而对于非瓶颈资源通常采用较小的加工批量来减少等待时间。生产批量不等于转运批量，通常情况下将生产批量分为若干个转运批量有利于生产系统的延迟。而转运批量是指连续两道工序之间单次运输的零件数量。对于瓶颈工序，是以较小的转运批量分批到达的。这样可以减少工件在工序间的等待时间，减少在制品积压。对于非瓶颈工序，是以较大的转运批量分批到达的。批量问题也是最困难的优化问题之一，