1、南京航空航天大学硕士学位论文基于TOC的离散生产系统关键设备生产缓冲问题研究姓名：刘远申请学位级别：硕士专业：管理科学与工程（工业工程）指导教师：方志耕20081201南京航空航天大学硕士学位论文摘 要关键设备是企业生产中承担关键工序的设备，主要负责产品生产中关键工序的加工任务。从某种意义而言，关键设备意味着生产系统中的“瓶颈”。然而产品生产过程中总存在若干不确定因素对生产系统和关键设备造成不良冲击和影响。为了保证关键设备最有效利用，实现生产系统产出的最大化，需要在关键设备前设置一定量的生产缓冲以减缓或避免冲击因素对关键设备产生不良影响，从管理层面保证关键设备的充分利用和系统有效产出的最大化。
2、本文以 TOC（约束理论）为主要方法论，就不同生产模式下关键设备生产缓冲问题开展系列研究，具体内容和研究工作如下：第一章为绪论部分，主要介绍全文研究背景及意义，对国内外相关研究成果进行了归纳与评述，总结现有研究的若干缺陷和不足，有针对性地生成论文的主要内容和研究思路。第二章应用 Petri 网作为分析工具，在单一产品生产模式下，对不完全灰信息存在下关键设备生产时间缓冲问题开展相关研究。本部分首先总结传统 Petri 网的优势和不足，针对其无法反映不确定信息的缺点，定义灰色 Petri 网理论及其相应算法，并对单一产品模式下建立相应灰色Petri 网模型，分析、计算得出单一产品模式下最优生产时间
3、缓冲长度。第三章主要探讨多品种模式下关键设备最优缓冲问题。分别针对多品种模式下两类生产缓冲建立最优化数学模型对生产换产情况下生产时间缓冲问题进行研究，并探讨了前序设备系统性能参数问题，为模型简化提供了理论基础。第四章就急件“冲击” 下关键设备生产能力缓冲问题开展相关研究。结合排队理论对该问题进行分析，建立 GERT 模型对该问题进行描述、分析和计算，得出急件冲击下生产能力缓冲值，为生产计划的制定中生产能力的预留或扩充提供了科学依据。第五章对论文进行一个明确而精练的总结，同时指出了存在的不足，然后为进一步的研究工作指明了方向。关键词：生产缓冲，关键设备，TOC 理论，灰色 Petri 网，急件冲
4、击，GERT 模型I基于 TOC 的离散生产系统关键设备生产缓冲问题研究AbstractIn the production system, the critical machine is the machine being responsible for the productiontask of the most critical working procedure. In a sense, it can be called the bottleneck of theproduction system. In order to maximize the output of the produ
5、ction system, it is necessary to set upa certain size of buffer to avoid the negative influences of some factors in the system and to make fulluse of the critical machine.This article is guided by TOC theory, researching on the subject of production buffer underdifferent production model. The main c
6、ontents and are bellows:In the first chapter, the author introduces the background and significance, as well as summarizesand reviews the existing domestic and foreign researches, concluding the defects and deficiencies.Furthermore the author introduces the thesiss main contents and research ideas.I
7、n the second chapter, the author uses Petri Net as the research tool to get research of the timebuffer belongings to critical machine under the grey information. The author defines the grey PetriNet and establishes its arithmetic. And a grey Petri Net is established to describe the productionsystem,
8、 making analysis and calculation to get the optimal time buffer.The third chapter mainly discusses the buffer of critical machine of the multi-production system.An optimization model is set up to solve the matter, especially in the situation of products-transferring.Furthermore, another matter of th
9、e system parameters is discussed, providing a theoretical basis tosimplify the model.In the forth chapter, the author makes a series research of capability buffer under the impact of“urgency task”. Firstly，the matter is analyzed by queuing theory. Secondly, a GERT model is set up toillustrate, descr
10、ibe, and calculate the matter, getting the number of the capability buffer of criticalmachine. The work will provide a basis reference for reserving productive capacity in making theproduction plan.The fifth chapter is the conclusion which makes a clear and concise summary of the paper andpoints out
11、 the deficiency, lastly, the paper proposes the future research.Key Words: Buffer, Critical Machine, TOC, Grey Petri Net, Multi-Production System, Urgency Task,GERT ModelII1南京航空航天大学硕士学位论文图表清单图 1.1图 2.1图 2.2图 2.3图 2.4论文研究思路图.7关键资源缓冲机理 Petri 网模型图.10合并简化后的 Petri 网模型图.15灰色 Markov 链示意图.16最优缓冲库存量 G 与 r ,
12、r2 关系图 .18表 2.1 模型中库所（P）和变迁（T）信息. 11表 2.2 合并简化后 Petri 网模型库所、变迁及激发率信息表 .16图 3.1 多品种生产系统示意图.21图 3.2 串联设备系统加工示意图.25图 3.3 并联设备系统加工示意图.26图 3.4 串并联系统示意图.28图 3.5 并串联系统示意图.29图 3.6 四产品生产线流程图.30图 4.1 生产急件排队原理图.33图 4.2 系统状态转移图.35图 4.3 网络活动参数转换示意图.36图 4.4 急件冲击下关键设备系统的 GERT 网络模型图.37图 4.5 急件冲击下关键设备系统一次修正 GERT 模型图
13、.40图 4.6 急件冲击下关键设备系统二次修正 GERT 模型图.41图 4.7 状态 i 停留时间的 GERT 网络图.42图 4.8 急件冲击下 3 台设备缓冲 GERT 模型图 .43图 4.9 急件冲击下 3 台设备缓冲修正 GERT 模型图.44图 4.10 为求状态 1 上停留时间的 GERT 模型图 .44图 4.11 为求状态 2 上停留时间的 GERT 模型图 .45图 4.12 为求状态 3 上停留时间的 GERT 模型图 .45表 4.1 系统状态参数表.38表 4.2 系统到达和加工速率表.43V承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得
14、的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日 期：南京航空航天大学硕士学位论文第一章 绪论1.1 选题背景及依据1.1.1 研究背景随着市场经济的不断发展，全球经济一体化趋势日益形成，企业在全球市场上的竞争日趋激烈，企业面临着严峻的考验和挑战。伴随着激烈的市场竞争带来了企业的产销模式的变化，更多
15、的企业由库存型的生产模式转变到为订单型的生产模式，这对于企业的生产运作管理水平就提出了更高的要求1。基于上述情形变化和考虑，基于约束理论的管理理念孕育而生。约束理论（Theory ofConstraints，TOC）2,3是在最优生产技术(Optimized Production Technology, OPT) 的基础发展起来的基于系统瓶颈思考的一系列管理哲学。主要内容包括：使瓶颈产能最大化,从而使系统有效产出最大化的生产管理技术; 系统地解决问题的一套思维流程; 辨识系统核心问题并持续提升系统限制。一个复杂的生产系统包含着诸多功能不同、种类型号多样的生产设备。由约束理论我们可以知道，这些设
16、备中总会存在着某种设备，该设备对企业而言重要度最高，价值最大。一旦该设备出现故障，将极大的影响产品质量和出产生产周期，这类设备我们称之为关键设备。关键设备是企业生产中承担关键工序的设备，是我国设备管理中对设备划分“精、大、稀、关” 类别中的一个类别。关键设备的划分根据不同的标准有不同的划分结果，有时需要根据生产线的实际情况来确定关键设备的具体划分方法。从某种意义上而言关键设备也就是生产线中的“瓶颈” 。TOC/OPT 理论认为，关键资源的产出决定了整个系统的产出，在关键资源上损失 1 小时，即等于整个系统损失 1 小时4。为使系统有效产出最大，必须保证关键资源能够连续生产。但是，在实际生产过程
17、中，经常会出现机械故障、物料供应等情况对生产系统产生冲击和影响，所以，我们有必要在关键资源前设置一定量的缓冲，使得关键资源不会因为不良因素造成关键设备生产中断，从而避免系统有效产出的损失。在关键设备生产能力有限的情况下，为了确保关键资源满负荷工作，提高整个生产系统的产出水平，应将缓冲设置在关键机器前以及与通过与关键工序物流有关的装配工序前，本文考虑的是关键工序前的缓冲模型。1.1.2 研究目的由于生产系统的不确定性和随机性，经常会出现若干意外因素对关键设备的日常生产造成“冲击”。如非关键设备可能出现故障、停工和维修等情况，无法为后续的关键设备提供半成品1基于 TOC 的离散生产系统关键设备生产
18、缓冲问题研究加工，导致关键设备的“饥饿”。此外，实际生产中可能会随机出现生产急件，打断现有关键设备的生产，从而扰乱之前制定的生产计划。因此，生产管理者需要在生产作业层面上加强系统中的关键设备的管理，对关键设备设置一定规模的生产缓冲（包括生产能力缓冲，时间缓冲，库存缓冲），以保证关键设备的最有效利用，减少和避免由于管理因素造成的关键设备产出损失，进一步提升车间，乃至整个企业的生产运营水平和盈利能力。1.1.3 研究必要性和重要性在实际企业运营中，生产运作管理是企业价值链的主要环节，企业主要通过生产运作来实现企业在流动过程中的价值的增值。另外生产运作管理是企业市场链的主体功能，直接影响着产品交货期
19、、质量、成本等一系列核心因素，从而是构成企业核心竞争力的关键要素5。尤其是在经济全球化的今天，企业之间的竞争愈演愈烈。因此作为企业核心竞争力的重要组成要素，生产与运作管理成为了理论界和实践界研究的重点。由于关键设备的产出决定了整个生产系统的有效产出，所以对于生产系统中关键设备的生产管理工作同样得到了极大的重视。特别是在生产系统可能收到随机的干扰和冲击的情况下，如何科学、合理的根据生产实际情况对关键设备设置一定规模的生产缓冲将直接影响整个企业的生产运营情况。1.1.4 研究意义本文的研究意义主要集中在以下三点：（1）以约束理论的观点看待整个生产系统，以关键设备作为生产管理工作的重点。这种“抓大头
20、”、“抓重点”的方法论将有助于企业集中自身有限的管理资源解决最主要的问题，达到“ 事半功倍”的效果。（2）根据不同生产模式的特点，建立一系列定量模型对生产系统进行描述、分析和计算，并以定量分析、推导和计算的方法得出不同的生产模式下关键设备的生产缓冲量。这种做法相比于传统的经验管理而言，无非具备了更强的科学性和合理性。（3）从设备系统结构出发，以系统论和可靠性理论为基础，根据各台设备信息，讨论串联设备模式、并联设备模式和混联设备模式下系统生产参数信息（如生产能力、故障率和维修率等），为模型的简化与合并提供理论基础。1.2 国内外研究综述1.2.1 国外研究现状最早在理论上进行突破性研究的是以色列
21、物理学家 Goldratt 博士(1979) 提出 OPT 理论，最初它被称作最优生产时间表(Optimized Production Timetable)，1982 年改称为最优生产技术。人2南京航空航天大学硕士学位论文们一般认为它综合了 MRP 和 JIT 系统的优点，借助计算机等现代化管理工具，是一种比较有效的生产控制方式。事实上 OPT 不仅仅是生产时间表，它还是综合生产计划，是市场策略的一部分。最优生产技术 OPT 的主要思想是，系统的瓶颈资源制约着系统的产出能力，而非瓶颈资源的充分利用不仅不能提高有效产出，而且还因过多生产出一时并不需要的零件使库存增加，导致生产成本升高。OPT 的
22、主要处理逻辑就在于找出瓶颈工序，使瓶颈工序上的资源得到充分利用，在此基础上追求物流的平衡，以求生产周期最短、在制品最少。八十年代末，Goldratt在 OPT 的基础上，对整个企业的经营进行深入研究，在理论上突破了生产管理的范畴，初步提出了追求持续优化的管理决策思想，于 1987 年以约束理论(TOC)对这一理论正式加以命名6。Goldratt 在 APICS 第二十三届国际年会上提交了一篇关于 OPT 的论文 “OptimizedProduction Timetable: a revolutionary program for industry”；APICS 对 TOC 的有效性和重要性给予
23、充分肯定，于 1995 年成立了专门的研究小组 CMSIG，以举行国际性年会和出版刊物的形式，进行 TOC 思想及实践经验的交流7。Boazr，Starr.MK 在“Synchronized manufacturing as in OPT : From practice to theory”中利用线性规划方法，对一个小型生产系统进行模拟分析8。计算出给定时期内系统中各个资源的任务量，与它们的能力进行比较后得出短缺资源和非短缺资源，分别对应于约束理论中的约束资源和非约束资源。约束理论在生产中的运用，产生了 DBR 生产系统。关于 DBR 的研究有很多，Goldratt，Fox 9合著的“The
24、Race” ；Lambrecht， Decaluwe10的“JIT and constraint theory: the issue of bottleneckmanagement”；Gardiner 11等人的“Drum-Buffer-Rope and buffer management：impact on productionmanagement study and practices”；Umble，Srikant12的“Synchronous Manufacturing: Principles forWorld Class Excellence”，在以上文章中都对 DBR 进行了阐述。E
25、li.schragenheim 和 H.willianDettmer 在“制造的稳步快速 :最优供应链的融资活动 ”第一次提出了一个新的简化了的 DBR13 。Schragenheim， Ronen14在“Buffer management: a diagnostic tool for production control”中提出要挖掘瓶颈环节资源，在瓶颈和其他控制点有必要设置战略性缓冲，以确保计划的按期完成。国外学者 Powell，Kut，Lambrech，Radovilsky 和 Shi 分别在文献15、16、17、18 、19中对生产缓冲的位置和大小进行过一定的探讨。但是他们都是孤立地讨
26、论这个问题,而没有将两者联系起来考虑，更没有将它们放在一个系统的背景下加以考虑。国外也有很多的研究和推行约束理论的机构:Avarahmy. Goldratt Institute、Goldratt MarketingGroup、 Advanced Projects Institute、APICS 的 Constraints management、Crazy About Constraints等。3基于 TOC 的离散生产系统关键设备生产缓冲问题研究1.2.2 国内研究现状早在上世纪 80 年代末 90 年代初，国内学者对最有生产技术(OPT)已经开始研究。由最优生产技术(OPT)理论进一步的发展
27、的约束理论(TOC)的引进，在国内形成很多学者和生产运营管理者对其进行研究和运用，其热点在于对协同生产、同步生产、约束论、制约理论、均衡流、瓶颈的研究。我国学者尹柳营在二十世纪九十年代初在美国接触这一理论，回国后致力于此理论的研究，先后取得了一系列成果。例如他在文献20中指出在生产计划与控制中运用 DBR 法所要解决的问题：一是要准确确定生产系统中的瓶颈环节，并根据瓶颈环节的能力制订主生产计划；二是要根据瓶颈上游的情况确定一个适合的缓冲量，以保护瓶颈环节免受上游设施以外情况的影响；三是根据瓶颈环节的节奏确定整个生产系统的投料计划。李爱华、尹柳营(1998)在DBR 技术中确定缓冲大小的模型一文
28、中指出 DBR 生产计划与控制技术是约束理论(TOC)应用于企业生产系统管理的具体工具。DBR 技术中缓冲保护大小的确定将直接影响产品的出产提前期和企业的有效产出，从而最终将直接影响产品市场的竞争力21 。对缓冲保护设置及其大小的确定做了详细的研究，建立了相应的数学模型对其进行定量的分析和计算。此外，我国学者王凤洲、杨云、李必强在文献22中阐述了生产缓冲的若干类型,和影响生产缓冲的诸多要素，对生产缓冲进行了详细的分析和描述，但是不足的是尚未进行定量分析和计算，研究仅存在理论指导意义；韩文民, 叶涛锋分别在文献23对缓冲位置及缓冲大小的确定进行过叙述，并在之后的研究24中通过数学方法对双产品模式
29、下关键前缓冲建立定量模型进行分析和计算，但所建立的数学模型比较粗糙，逻辑性不强，所得出来的结果也有时不符合实际情况；韩赞东，熊道权在文献25对生产系统建立混合 Petri 网分析模型，分析并计算出生产库存的数量，但是设置生产缓冲的位置没有特殊的要求，只是简单的在所有设备前面都设立生产缓冲，制订的原则也比较粗放，没有做到精益库存的要求；周阳, 丰景春在文献26中应用排队论确定单资源约束下缓冲区大小，但所涉及的研究只限于项目管理领域，未涉及生产领域。1.2.3 现有研究不足通过分析国内外研究现状，笔者发现现有研究存在以下五点不足：（1）生产系统中存在某些不确定灰信息（如某些机器的故障率和修复率无法
30、用某一确定数值具体描述），然而目前尚无相关研究对灰信息下生产系统缓冲问题开展分析和研究。（2）现有研究主要集中在定性分析领域，缺乏相关的定量计算和分析。而且为数不多的定量研究所建立的数学模型比较粗糙，运算逻辑不是特别清晰，部分数据不易获取；孤立的对待设备故障率和维修率，没有将其视为一个系统考虑，模型缺乏实用性。4南京航空航天大学硕士学位论文（3）现有研究主要主要集中在单品种模式，在多品种模式下（产品品种大于 2 种），尚缺乏相关分析和研究，尤其是多品种模式下产品换摸、换产情况下，如何制定换产策略，设置缓冲规模，现有研究并没有涉及。（4）由于生产模型的复杂性给模型分析和计算会带来很大的维度和难度
31、，因此需要以系统的观点，将部分生产设备视为若干生产系统。现有研究并没有涉及设备系统合并、简化的方法和思路。（5）现实生产过程中，经常会出现生产急件的情况，对正常的生产系统是一个不小的“冲击”，会造成生产计划的混乱和无序。现有研究尚没有在急件冲击下生产缓冲问题的研究。1.3 课题研究方案1.3.1 研究内容按照生产模式的不同，本文的研究内容主要分为以下三个部分：（1）单品种模式下下关键设备缓冲灰色 Petri 网模型研究Petri 网（Petri Net）最早是由 Carl A. Petri 博士于 1962 年在博士论文中提出来的，是一种形象化、可视化、结构化、图形化的描述系统过程的建模和分析
32、工具。由于 Petri 网（PN ）可以定义 DES（离散事件系统）可能的状态、事件及它们之间的关系，亦能够建立连续状态变量系统（CVDS）的状态方程，所以，PN 被认为是描述、分析及控制 DES（离散事件系统）最有效的方法27,28,29。在生产系统中，部分加工信息可以通过一系列方法直接或间接的得到具体数值，特别是随着数控机床的日益普及，基本操作时间可以直接确定。但是对于某些生产系统的不确定灰信息而言，如设备的故障率、维修率等，只是根据以往经验得出的一个固定的数据或概率值。这种过于看中以往生产经验的方法，没有特别严谨的科学性。因此，本部分拟使用 Petri 网作为建模工具，对灰信息存在下的生
33、产系统进行建模研究。假设生产系统内存在若干灰信息，将灰信息体现在 Petri 网内某些变迁的激发率，从而建立 Petri网对生产系统进行建模计算与分析，以达到建立最优瓶颈前缓冲模型的目的。（2）多品种模式下关键设备最优时间缓冲模型研究现阶段多品种生产模式在社会中处主流地位。由于市场需求的多样化，一条生产线或加工线往往同时加工几种甚至十几种相似产品。但是，由于多品种生产方式具有产品种类多，变换快，生产现场同时加工的零件种类繁多，生产线和生产设备因产品换产需要不断进行调整，生产过程稳定性差，这给实际的生产与运作管理活动带来了不少难度。因此本部分选定最普遍的多品种生产模式作为研究对象，考虑到多品种生产中产品换模、换产等情况，使得研究更具有现实意义；应用系统分析的方法对某一生产系统建立数学模型进5
