瓶颈工序前缓冲区设定方法研究

严琴　王川

摘 要 文章旨在探索时间缓冲与物料缓冲在保护生产线瓶颈问题中的优劣性。本文以A机械加工厂的一条生产线为基础，结合其最近的生产任务为例，运用最优生产技术与约束理论的方法进行分析，找到该生产线的瓶颈工序，并运用仿真软件模拟设置时间缓冲与物料缓冲得到相应的基础数据。接下来运用仿真模拟数据，以先进生产技术与约束理論的作业指标：产销率、库存、运行费为评价标准，对时间缓冲与物料缓冲进行优劣性分析。最后，本文得出时间缓冲更具有优势的结论。

关键词 瓶颈 物料缓冲 时间缓冲 作业指标

中图分类号：TP278 文献标识码：A

随着全球经济发展一体化，越来越多的产品依赖于质量之外的用户体验，其中，最具标志性的体验即为个性化与交货期。传统制造业所流行的库存型生产模式显然已不适应当下的趋势，伴随着产业升级与市场需求的变化，制造业必然向小批量、多品种的订货型生产方式转变，进而需要新的生产技术改善企业所面临的问题。

最优生产技术与约束理论作为新的生产技术，它们不仅吸收了制造资源计划、精益化生产等先进生产技术的长处，也通过对生产线的瓶颈进行保护保障生产线的良好运行[1]。然而，现有的瓶颈保护方法主要包括瓶颈前进行的时间缓冲或者物料缓冲两种方式，但两种方法的使用优先级以及运用环境目前并无学术定论，因此，本文以A机械加工厂为例，仿真模拟了时间缓冲与物料缓冲在此生产计划与控制过程中的具体运用，并根据不同方法所产生的运行数据，分析评价了两种方法的优先级。

1理论与方法

瓶颈是指生产系统中客观存在的薄弱环节。广大学者普遍接受的是Umble和Sfikanth[2]关于瓶颈的定义：“实际生产能力小于或等于生产负荷的资源”。本文假设计划量不超过预期的市场需求，另外生产系统中物料供应充分。根据各个工序机械的实际要求生产能力与现有生产能力做对比，其比值等于或者大于1的工序机械则为瓶颈，若存在多处比值大于1的工序，则相对最大比值最大处为整个系统的瓶颈。

一般而言，瓶颈前工序会由至少一个独立的工序组成，每一道工序均存在稳定的输入速度和服务速度，因此可以将每个独立的工序看作一个排队系统，运用排队论模型求解缓冲区容量[3]。鉴于机器故障对缓冲区容量的影响时，缓冲区需要同时满足以下2个条件：一是当瓶颈前工序中的机器处于维修状态时，缓冲区容量必须满足瓶颈工序的正常运转；二是在系统再次出现故障之前，缓冲区必须恢复到系统发生故障前的水平。

系统容量的缓冲区大小的设置，本次研究的讨论均以时间作为衡量单位，因此，时间缓冲区的大小便是指静态缓冲区容量的大小。关于物料缓冲区的设置，在之前的实际运用中，多以经验估计为准；不过部分文献资料鼓励对物料缓冲区的大小进行量化，以期避免经验的桎梏，他们运用的数理计算方法对于物料缓冲区大小进行设置。

2案例分析

机械加工厂A有一条生产线承接油压泵盖、精滤器壳体的生产，能同时承接两种产品的加工制造以及检验。本月初，该加工厂接到两份订单，分别为1000件油压泵盖的加工与1300件的精滤器壳体的加工。交货期分别为：

油压 泵盖M ：2017.3.5---2017.3.21；

精滤器壳体N：2017.3.5---2017.3.17；

当车间主任接到该订单之后，便组织了技术人员对该产品进行工序卡片制作。根据工序卡片的信息，可绘制出油压泵盖主体的加工路径图（见图1）：本次研究问题关于瓶颈工序对于整条生产线的产出率影响及其解决办法均以本条生产线为实例。

2.1瓶颈分析

本文结合该厂生产线实际，因为两份订单的交货日期不一样，需要解决生产排程的问题，如果采取优先加工交货期较近的订单，则会导致M在C、D工序上的工时浪费，不能满足交货器要求。故而，需对生产排程进行安排，以期损失最小，利润最大。通过计算，可以清楚地表明N产品的单位时间产销率远高于M产品，故优先满足N产品的排产。按此思路，将前13的产能优先完成N的生产，剩下的产能将用于M的生产。由公式计算可知，在后4天，生产相对瓶颈为卧镗C。

根据已知的材料前13天的仿真模拟运行数据可知，该模型运行时主要的问题体现在以下几个方面：

（1）在有限的生产加工时间内，由于系统本身处理能力问题，最终库房交货区的产品数量低于实际要求生产数量，进而导致在制品的滞留。

（2）暂存器1上堆放的货物较多，且滞留时间较长，而暂存器2则与之相反，少而快。这说明组合机床1、组合机床2的处理能力不足。

（3）组合机床1、组合机床2的空闲时间仅有0.18%，0.22%，远高于系统中其它工位机械的生产负荷。对于需要考虑机械疲劳的加工机械而言，持续运行时间非常长，接近完全负荷，这在实际生产中是非常少见，且加工效率都会受到影响。

产生以上瓶颈的原因如下：组合机床1、组合机床2的加工能力明显低于实际加工要求，而通过在瓶颈前分别进行时间缓冲区设置与物料缓冲区设置后，两种不同缓冲区设置方法：整个库房都能够及时交货的数量为1300+717=2017，虽然两种方式下，暂存区1的产品滞留时间依旧很高，但却充分保障了组合机床1、2的生产要求，未造成产品在整个系统中的滞留，并提高了系统的快速交付能力，能满足生产交付要求。

根据后4天的仿真模拟运行数据可以看出，该模型运行时主要的问题体现在以下几个方面：

（1）在有限的生产加工时间内，由于系统本身处理能力问题，最终库房交货区的产品数量低于实际要求生产数量，进而导致在制品的滞留。

（2）发现暂存器2上堆放的货物较多，且滞留时间较长，而暂存器3则与之相反，少而快。这说明卧镗的处理能力不足。

（3）卧镗的空闲时间仅有1.57%，高于系统中其它工位机械的生产负荷。对于需要考虑机械疲劳的加工机械而言，持续运行时间非常长，接近完全负荷，这在实际生产中是非常少见，且加工效率都会受到影响。

產生以上问题的原因如下：卧镗的加工能力明显低于实际加工要求。对此，我们在卧镗前分别设置时间缓冲区与物料缓冲区，预防瓶颈前生产系统的波动，以及可能发生的机械故障造成的对于瓶颈时间的浪费。

2.2时间缓冲与物料缓冲的评价指标

最有生产技术的观点是生产系统的产销率、库存、运行费是衡量系统先进性的三大标准，这三大标准的具体意义如下：

（1）产销率是指单位时间内生产出来并及时销售出去的产品。

（2）库存是指为生产所准备的一时不用的原材料、在制品、零部件、和未销售的成品。

（3）运行费是指生产系统将库存转化为产销量这个过程中的一切花费，包括所有的直接费用与间接费用。

2.3时间缓冲与物料缓冲的对比分析

针对前13天，时间缓冲与物料缓冲的区别在于：设置物料缓冲后，在暂存区1的产品滞留时间为243.7532远大于设置时间缓冲时产品在此处的滞留时间76.99654，如果考虑到整个系统中，在制品也需要占用资金，那么非常明显：在同一生产周期，总生产任务相同时，设置时间缓冲区相较于物料缓冲区的设置能有效的降低在制品数量，提高资金的周转率。

对于后4天，时间缓冲与物料缓冲的差别在于：设置物料缓冲后，在暂存区2的产品滞留时间为74.60007远大于设置时间缓冲时产品在此处的滞留时间26.83027，如果考虑到整个系统中，在制品也需要占用资金，那么非常明显：在同一生产周期，总生产任务相同时，设置时间缓冲区相较于物料缓冲区的设置能有效的降低在制品数量，提高资金的周转率。

综上所述，本文可以得到如下结论：生产缓冲区的时间设置相较于物料设置，在降低在制品数量，提高资金周转率更有优势。

3结论

生产计划与控制技术前后经过多次理论与实践创新，不断地推进了生产计划与控制的发展，促进了生产的效率。然而，任何一种理论都有一定的局限性，比如理论的适用范围、从理论到实践过程中的成本，以及其快速反应能力等等。不过针对A加工生产车间的现状，最优生产技术的出现弥补了现有方法未能完全覆盖之处，并帮助A加工生产车间快速对市场进行反映方面做出了技术指导。其中，约束理论中的核心理念对于优化生产线控制提出了新的解决思路，最大化的实现了以现有能力快速地对市场进行反映。而缓冲区时间容量的设置则颠覆了以物料缓冲为基础的旧式缓冲设置方法，降低了在制品冗余以及相关资金占用。做到了在不盲目增加生产成本的基础上，实现快速交付，并保障了快速有效交付的能力。尽管如此，在整个过程中，对于缓冲区的时间设置，依然有待改进，例如说，整个生产系统处于动态过程，其中的要素可能也随时都在变化，因此针对缓冲区的设置也需要动态的估量，不过由于作者自身知识能力的限制，此种考虑还需进一步的探究，希望未来的研究能解决上述问题。

参考文献

[1] 尹柳营. 弱者司鼓，强者听令：DBR在中国的应用前景[J].华南理工大学学报， 1997，2（1）：66-71.

[2] 王军强， 孙树栋， 王东成.基于约束理论的制造单元管理与控制研究[J].计算机集成制造系统， 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.