拉动式物料供应过程分析与电子看板系统设计

刘佳楠，原丕业，刘 畅

（青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266520）

0 引言

“工业4.0”和中国“制造2025”等观念的提出催生了新一轮的制造业变革，使得以计算机信息技术为代表的智能制造模式开始应用于生产车间。精益生产是适应当前市场环境的一种较好生产方式，是智能制造实现的基础。

企业的物料供应系统需要闭环的信息流动机制，否则就会造成信息传递不及时，出现缺料、待料。看板是拉动式生产的信息传递工具，洪旭东等[1]研究了多品种、小批量生产环境下，基于看板的物料循环配送方式，并给出了具体操作流程与模型参数。但是传统看板的卡片形式在使用中存在着看板丢失、损坏、信息失真、沟通不及时的问题[2～4]；而且随着产品数量增多，需要频繁更换看板[5]。计算机技术融入传统看板所形成的电子看板较好地解决了问题：莫太平等[6]结合精益物流思想，设计了一种基于B/S和C/S混合模式的物料索取系统。Suhartini等[7]引入零件供应策略与制造执行系统（MES），改进了汽车混装线实施SPS的零件供应问题。刘明周等[8]考虑了车间物料配送中的各种不确定，构建了基于RFID的动态准时化物料配送系统。庄俊[9]从标准化建设、流程控制、半成品计划和不良品管理等方面对电子看板系统进行重新设计并付诸实施。李月等[10]从看板管理的概念出发，结合实际需求设计电子看板管理系统，并对物流看板、设备看板、安灯看板等模块进行介绍。叶剑辉等[11]提出数据获取、处理以及匹配的3层架构可配置看板构建方法，并建立基于装配工艺流程的车间现场监控模型。

综上可知，关于电子看板的文献较少，且多是在技术层面，将其作为一种生产监控手段，而在实时控制延伸到设备和操作工人层面的介绍较少。本文将在总结前人研究成果的基础上，建立物料循环准时化配送模型确定配送参数，并对电子看板控制物料配送的过程详细说明。

1 拉动式物料供应背景分析

拉动式物料供应要求在需要的时间将所需物料送到需求工位，是实现准时化生产的前提。魏鑫等[12]研究了某装配线配送站点与工位之间的拉动式物料配送过程，并提出不同的配送算法。蒋增强等[13]考虑了某混流装配线多品种、小批量的配送需求，建立应对不确定环境的成本期望模型。周炳海等[14]为解决汽车混装线物料供应问题，提出了基于线边超市的调度方法，并构建图论模型解决问题。可以发现，以上研究大多考虑的是在流水作业中物料的“直线式”传递，物料从仓库运至产线——依次经过各道工序加工——成品下线，如图1所示，而忽略了产线内部各个节点之间的物料传递关系。事实上，各个工序之间可能因为物料需求关系形成一个复杂的供应网络，如图2所示，对于某工序来说，其加工所需要的物料可能来自于上游多个工序，这就使得车间物料的准确供应变得困难，如果处理不好，就会造成物流路线混乱，增加额外成本。

图1 “直线式”物料流动

图2 “网状式”物料流动

2 拉动式供料系统建模分析

2.1 问题描述

本文将借鉴党立伟[15]提出的循环准时化配送概念，研究车间“网状式”物料供应过程。首先，各工序会根据实际生产情况为物料设定一个订货期，然后每隔一个订货期就按照空看板的数量向物料供应点发出订货请求。供应点拣货人员接到订货指令后立即进行备货，并将备好的货物放在小车上。配送人员携带备好货物从仓库出发，到达某工序就卸下该工序所需要的物料，并将下游工序需要的本工序加工的零部件装在运输车上，运往下一工序，按照这个过程直到所有订货点的需求都被满足，返回原材料仓库，完成一个配送周期，配送次数加一，随即开始下一轮配送。在这种配送方式下，对于每一个工位来说，不论其订货周期如何，配送人员都是以相同的时间间隔满足其订货需求。另外，通过使用电子看板，可以省去回收、管理纸质看板的过程，实现需求信息的实时触发。

2.2 模型建立

物料的订货间隔期是一定的，但具体触发时刻却具有不确定性，可能发生在配送人员运输途中或是刚好到达某个节点。不同的需求触发情况，订货量也会有所不同，我们希望通过模型研究找到两者之间的关系以确定科学的订货周期，消除以往凭经验确定所造成的浪费，使得各工序在满足正常生产条件下，暂存量最小。

首先对模型做如下假设说明：1）物料只会从上游工序到达下游，不会出现逆流现象；2）配送员的速度恒定，路面情况正常；3）在接到需求指令后，会有专门人员进行拣货、备货，所以这部分时间不单独考虑；4）只考虑一名物流人员的情况；5）只有满足前一次的订单需求才能触发本次的物料领取请求。

参数说明：

hi：物料i的订货间隔期；

li：物料i的订货提前期；

Tj：某工序物料请求的初始触发时刻；

TT：配送员初次从仓库出发的时刻；

x：物料循环配送次数；

Lji,j：物料i的供应点到需求点j的距离，j=0，1，…，n，j=0表示原材料库；

DT：配送周期；

tij：工序j物料i某次发出物料请求的时刻；

v：配送小车运行速度；

C：物料供应总成本；

qj：第j工序计划日需求量；

TS：安全库存量，这里设置30min用量；

Ci1：单位物料i的线旁存储成本；

Ci2：物料i每次的配送成本；

CjT：第j工序生产节拍；

ri：某工序生产单位产品所需要物料i的数量；

Q：运输车的最大载重量；

N：看板数量；

α：看板容量。

物料循环配送的时间窗要求为：

第j工序的物料到达时刻=第j-1工序物料到达时刻+装卸物料时间+两工序之间的运输时间：

式(1)表示在配送周期内能够为所有订货工位完成送货。

其中，aij为工序j所需的物料i的装卸货时间，各工序所需的物料不同，mj表示第j工序所需的物料种类总数，即i=1，2，…，m1，…，m2，…，mj。L（j-1），j表示前后两道工序之间的距离，Ln,0为小车从最后一道工序返回原材料库的距离。xij为0-1变量：xij=1，某一循环中为工序j配送物料i；xij=0，某一循环中不对工序j的物料i需求做出响应。

载重量要求为：

式(2)表示各工位需求量总和不得超过车辆载重量。Yij表示工序j对物料i的需求量。

企业应设置恰当的配送周期DT。考虑到配送周期越长，配送批量就越大，过多的物料堆积在产线上，不仅影响正常生产，还会增加保管成本。相反，若是增加配送次数就可以缩小配送周期，但会造成配送成本的增加以及复杂的现场管理。这里涉及到两种类型的成本，科学的DT应使总成本最小。按照此思路，配送周期DT应满足以下条件：

线旁存储成本：

配送成本：

配送总成本：

式(5)中，ri和qj可通过生产计划和BOM表得到。

对上式按照DT求导，得到C最小时的DT值，即最优的配送周期。

2.3 结果分析

下面讨论订货周期与配送周期的关系，确定系数设置的合理范围。以工序j的物料i为例：

情况一：当hihi。直到Tj+xhi=TT+(x+1)DT+Lji,j/v成立，到达临界点，li恰好等于DT，此时物料需求指令是在配送人员到达该需求工位时下达的，因此需要等待一个配送周期才能到货。过了该临界点后，li会逐渐的大于DT，出现需求不能满足的现象，与假设(5)矛盾。这种情况适合于插单、加急生产，对于日常生产不可行。

图3 当h

情况二：当hi=DT时，li会保持不变，这是一种最理想情况。系统正常运行后，物料的需求指令总是在配送员经过相同位置时响应，并且以相同的时间间隔将物料配送至所需工位。看板数量为：

图4 当h=DT时l的变化趋势

情况三：当hi>DT时，循环配送到第x次的物料触发时间为tij=Tj+xhi。

若（tij-TT）/DT=整数，到达另一临界点，此时物料的需求指令是在配送人员到达该物料的供应节点处下达。这种情况下订货提前期最短，等于供应节点到需求节点的运输时间Lji,j/v。

若TT+（x+1）DT

图5 当h>DT时l的变化趋势

首先，每个工序先结合历史数据和计划消耗量确定各物料的初始订货间隔期h，输入到系统中。调度人员登录系统，汇总各工序数据，再结合计划产量、产品BOM等基础信息，按照图6 的流程在式(1)～式(7)的约束下进行试验算，最终得到最佳配送周期和修正后的物料订货间隔期，反馈给各工序。这一过程涉及到大量数据运算，需要借助电子看板系统，实时收集变动信息，及时调整参数，实现准时化供应。此时，信息流和物流是同方向的，但是小车每次配送的货物都是在满足各个工位上个循环的需求，由上个循环的需求信息驱动，因此依然是一种拉动式配送方式。

3 电子看板物料配送系统设计

看板管理系统目前已发展成为综合传统看板、LED显示屏、电脑终端、移动终端等方面的集成系统。部分国内企业像富士康、金蝶等都能很好的将电子看板用于控制生产运作，并取得显著成果，但是大部分中小企业的应用还停留在表面，主要表现在：1）信息流没有形成闭环。生产数据传到看板后，系统没有对其进行处理并反馈给产线来指导生产，而是将看板作为一种静态的信息显示界面；2）数据共享困难，存在信息误差；3）工绩效信息不透明，工人积极性低；人类已经步入大数据时代，迅速收集、有效利用数据对企业生产管理十分重要。通过分析电子看板在企业的应用情况，按照实际需求，提出本文研究的电子看板物料配送管理系统。

图6 系统循环执行过程

3.1 系统功能介绍

作为一种传递信号控制生产的工具，看板在实现准时化生产方面发挥了重要的作用。尤其是在各种信息化技术的冲击下，看板的形式和内容更加丰富，出现了电子看板。物料配送电子看板管理系统具有以下功能：

1）所有数据都是通过计算机网络传输，避免了看板丢失、损坏、回收看板所造成的浪费，需求实时响应；2）现场数据实时采集，通过设置警戒线，一旦发现问题，可及时处理；3）每件物料都有一个条码来唯一标识，条码信息随着物料状态、位置的改变实时更新；4）提供与其他信息系统（ERP、MRP）进行数据交换的接口，实现信息共享；5）自动计算看板触发量，现场操作人员只需要进行很少的操作，就可以实现生产控制，避免人工操作带来的偶然误差。

3.2 标准化设计

电子看板系统对生产车间的有效控制是建立在对现场数据实时采集并迅速响应的基础上，因此必须保证输入数据的准确性和实效性。由于射频识别技术（RFID）具有无源、免接触；能够适应各种复杂恶劣的环境；作业效率高等特点，因此在电子看板物料管理系统中采用射频识别（RFID）来收集数据，实施生产监控。另外，为配合RFID技术的使用，对车间各生产实体进行标准化设计，以规范作业流程。

1）货位标准化。工厂按照自身需求对车间、仓库、货位设置编码，进行唯一性标识。各生产车间以名称首字母作为车间代号，例如热处理车间为“R”，机加工车间为“J”。仓库划分为原材料库、半成品零件库、产成品库以及特殊材料仓库，原材料库按照001Y、002Y、003Y……编码；半成品仓库按照001B、002B、003B……编码；成品仓库按照001P、002P、003P……编码；用00TY表示存储特殊要求材料的仓库。货位按照**—**—**六位数字编码，分别表示货架号—层数—储位，各物料在仓库中的位置都可以精确定位到。

图7 电子看板系统模块图

图8 车间物料配送管理模块E-R图

2）生产线标准化：以机加工车间为例，J—L02—003表示机加工车间的02号产线的第三个工位，其线边暂存位置为J—L02—B003。J—L02—003—S01表示零件在01号设备上加工。物料运输工具也需要进行编码来唯一确认，了解小车状态，便于管理，编码方式为G01、G02……并设置三辆应急小车为GS01、GS02、GS03。

通过实体编码，有利于实现物料追踪，即物料不论是在运输过程中还是在设备上加工，相应的小车号和设备号都会写入标签，实时更新系统数据。只要输入物料名称，就可以查询到该物料在各个时刻所处的位置与状态。

3.3 系统结构

本文研究的电子看板系统由基础数据管理、物料配送管理、异常管理、调整看板以及数据分析五个模块组成（如图7所示），并通过车间内部局域网与其他信息系统连接，实现信息传递与共享，完成从原材料入库到成品出库整个过程的物料管理。通过概念模型设计，能够反映出现实世界各实体的信息组成结构、实体间的信息流动情况和制约关系等。本文将以物料配送管理模块为例，以E-R图的方式介绍系统的概念模型，显示出系统运行所需要的数据支持。

供应商（名称，地址，物料名称）；

仓库（仓库号，货位编码，货位位置，物料名称，物料数量）；

物料（物料名称，编号，规格，数量，描述）；

供应（供应量，供应时间，物料名称）；

存放（物料号，物料名称，数量，位置，仓库号）；

配送人员（姓名，工号，物料信息，配送仓库，需求工序）；

配送（配送量，配送时间，物料名称，需求工位）；

工序（工序名称，操作人员，上游工序，下游工序，操作流程）；

加工（操作流程，操作人员，工序名称，设备编号，操作流程）；

下达（配送量，配送时间，生产指令）；

电子看板（看板类型，物料规格，物料数量，看板容量，工序名称，物料清单，操作流程，预警量）。

3.4 系统模块介绍

1）基础数据模块：主要存储系统中的一些基本参数，包括物料、设备、职工、供应商、销售商等信息。它是其他模块的数据来源，并与其他模块进行数据交换以更新信息，该模块仅对生产线长职位以上的人员才保留更改权利。

2）异常管理模块：该模块由设备异常管理和物料异常管理两部分组成。各工位旁设有两个按钮，分别用于设备或物料发生异常时，进行人工故障呼叫，且按钮与车间电子屏幕相连。当设备发生异常时，系统会按照图9所示流程进行故障处理。若判断故障是不能解决的技术问题，工人会在工位终端上添加故障信息描述连同警报信息一起发送到维修部门（如图10所示），此时该部门监控区域中会出现一条红色闪动的未读信息，维修工根据信息内容准备工具并向呼叫点发出反馈信息。

物料异常就是出现送错料、缺料、物料等待的情况。接收人员通过手持RFID进行扫描验收时，如果物料与订货单不一致，系统便会异常报警。验货人员在电脑界面查看具体原因，针对不同原因，系统会采取不同措施，具体处理流程如图11所示。

3）数据分析模块：主要是对采集到的生产物流数据做统计分析，例如通过绘制各工位产量变化折线图，来判断是否均衡化生产，是否存在瓶颈。图线会随着采集的数据实时更新，可以清楚的看到产量的递增和瓶颈位置随时间的变动。通过数据分析，从整体上发现企业运作过程中潜藏的不稳定因素，一旦图线变动偏离基准，立即启动报警信号，提醒相关人员采取措施。

图9 设备异常处理流程

图10 设备故障报修申请示意图

图11 物料异常处理流程

4）调整看板模块：实际生产中，企业常常面临产品需求量或产品品种的变动，所以存在频繁的产能与品种切换。调整看板模块主要就是对这种不确定及时做出响应，当需求量发生变化时，系统计算现有产能，通过增加或减少看板数量改变日生产量；当产品品种改变时，系统需要判断按照当前产能是否有能力生产该产品，然后按照图6的运行流程，计算看板数量，安排生产。

5）物料配送管理模块：这部分是系统的核心，主要是对物料需求产生到成品出库整个过程进行控制（如图12所示）。仓库定期向供应商发送物料请求，对于距离较远的供应商，需要增加外协领取看板以增加一个订货提前期的物料储存。供应商将物料送到工厂后，验货人员用手持式RFID扫描货物标签，将货物的详细情况输入到系统中与需求订单对照，核对无误，在系统中确认该批货物入库。以货物的入库确认时间作为基准，同批次货物入库时间一样，同时系统自动为货物分配货位并生成打印货位清单表，按照此清单货架管理员将货物放到规定位置。每个货架前端都有一个固定RFID读写器，在感应到货物的标签后，将其存储位置信息写入标签，使货物实际存储位置与系统位置信息一致，便于查找货物。

图12 物料配送管理模块

生产线各工位按照修正的订货周期，每隔一个h，就按照物料空看板指示的数量向供应节点发出领料信息。缺料信息会按照触发时间的先后顺序在供应节点终端屏幕上滚动显示（如图13所示）。物料配送状态包括缺料、已响应、备货完成、配送人员确认接收、配送完成。只有某物料状态显示为配送完成，该条信息记录才会变成灰色，并在需求节点确认收货后消失，未响应状态下信息记录均显示为红色。供应节点在接到指令后便登录系统，按顺序作出处理，输入物料名称查询在库信息（系统会自动按照先入先出的原则索引出相应物料的详细信息），管理人员确认符合要求的物料记录，按提示位置拣货备料。货架区和拣货区的固定读写器在感应到货物时，会将最新位置信息写入标签，更新物料状态信息。

图13 缺料信息显示

物流员到达拣货区后，备货员将小车代码添加到物料需求清单中生成配送清单发送到车载RFID终端，此时该小车在系统的状态会显示为忙碌。系统自动倒冲，将这些物料的状态从在库变为运输中，小车内置电子地图自动为物流人员规划运输路线。物料到达需求点，检验员扫描验货、确认收货，并向供应节点发送回执。系统再次自动倒冲，将该批物料状态从运输中变为线边库存，线边库存量增加。解除小车和这批物料的关联关系，手动将小车状态置为空闲。某工序加工时间=下道工序采集时刻-本道工序采集时刻-两道工序之间的移动时间（其中移动时间由车载RFID采集）。

物料在最后工位加工结束后，操作工人点击确认，完成产品加工，进入终检程序。检验处设有固定RFID读写器，扫描到产品标签后会在检验处电脑显示该产品所有的加工过程，生产线长确认无误后，打印出成品标签贴在外箱上，放入成品库。在线长确认的同时，系统在后台自动进行在制品倒冲，成品库存增加。通过扫描成品标签可以查询每一步加工过程，从而实现生产过程的跟踪管理。

图14 物料配送管理系统示意图

4 结语

本文通过分析看板在企业的应用现状，提出了所研究的物料配送电子看板管理系统，并对系统的功能、结构以及如何利用电子看板控制物料配送的运行流程进行了详细说明。为保证车间物料准时化配送，在拉动式生产现状的基础上，从合理设置时间参数的角度出发，考虑物料“网状式”流动的特点，建立循环准时化配送模型。通过模型分析，讨论了物料订货间隔期、订货提前期、配送周期三者之间的关系和取值范围。我们发现订货提前期会随着循环配送次数的增加在一定范围内波动，当需求触发时刻处于某一时间区间时，订货提前期会增加一个订货周期，所以为防止缺货必须生成临时看板补充订货量，而且这种现象以一定周期重复出现。本文下一步的研究内容，将从收集车间数据出发，研究所提的电子看板物料配送系统在实际生产环境中的表现。