《基于TOC的作业计划方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于TOC的作业计划方法研究（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于TOC的作业计划方法研究周红安 田锡天 贾晓亮 耿俊浩 （西北工业大学 CAPP与制造工程软件研究所 西安市 710072）摘要：为解决车间生产不均衡以及作业计划工作繁杂的问题，研究了基于约束理论(TOC)的作业计划方法。该方法先找出生产系统瓶颈资源，然后根据基于启发式规则的调度算法生成瓶颈工序作业计划，再对瓶颈工序上下游工序按拉动式和推动式生产生成非瓶颈工序作业计划。文章首先论述了该方法的处理过程，然后详细分析了生产系统瓶颈识别技术以及基于启发式规则的瓶颈工序排序算法，最后通过实例验证了该方法的有效性。关键词：约束理论；作业计划；启发式规则Research on Job Shop Sch
2、eduling Based on TOCAbstract：In order to balance the workshop production and simplify the job shop scheduling, has studied a method of Job shop scheduling based on TOC. The method identify the bottleneck of the production system first；then generate the operational plans of the bottleneck process bas
3、ed on heuristic rules；finally, the upstream and downstream processes of the bottleneck are implemented on the pull and push-type production. This article discuss the process of the method first； then analysis the bottleneck identification technology of the production systems and heuristic rules-base
4、d sorting algorithm of the bottleneck processes；Finally，demonstrate the effectiveness of the method through an example.Keyword：Theory of Constraints；Shop Job Scheduling；Heuristic rules1 引言 生产车间作为制造型企业的核心部门，车间生产能力决定了企业的实际生产能力，而车间生产管理水平是决定车间生产能力的关键因素之一。作业计划作为车间生产管理的核心，合理的车间作业计划对提高企业生产能力起着重要的作用。近年来，以制造
5、资源计划(Manufacturing Resources Planning，MRP) 为核心的企业资源计划系统在我国企业中得到了较好的推广和应用。但MRPII存在三方面的不足：(1) 能力约束考虑不足，往往造成生产计划无法完成、物料需求不切实际等情况；(2)不识别生产资源中的瓶颈，而瓶颈才真正控制了系统的有效产出；(3) 生产计划与控制相分离，MRPII制定计划时不考虑控制，而通过事后反馈进行生产控制，相对于生产实际存在着无法避免的滞后1。因此MRPII不适合于车间级的作业计划管理。针对上述问题，本文结合约束理论(Theory Of Constraints，TOC)2，提出了基于TOC的作业计
6、划方法，并对该方法中瓶颈识别技术和关键工序作业排序等关键问题进行了深入研究。2 基于TOC的作业计划过程TOC擅长于能力管理和现场控制，专注于资源安排，通过瓶颈识别、瓶颈调度，并使其余环节与瓶颈生产同步，保证物流平衡，寻求需求和能力的最佳结合，使系统产销率最大3。TOC编制计划的思想是：考虑计划期内的系统资源约束，先用有限能力排产法安排瓶颈资源作业计划，再以瓶颈资源作业计划为基准，把瓶颈工序之前、之间、之后的工序分别按拉动、工艺顺序、推动的方式排定，并进行一定优化，使非瓶颈的作业计划与瓶颈资源上的工序同步。TOC生产管理技术编制作业计划如图1所示：图1 TOC作业计划方法通过以上分析，可将基于
7、TOC的作业计划划分为四个主要过程：能力需求计划与平衡、瓶颈资源识别、关键工序作业计划、非关键工序作业计划，如图2所示。首先，将生产需求转换成相应的能力需求，估算可用能力并确定采取措施，以协调生产能力与生产负荷的差距，避免因作业计划能力需求考虑不足而造成的生产计划无法按期完成；其次，找出生产系统中限制工作流整体水平的资源，即瓶颈资源，构造出车间的瓶颈资源网络和非瓶颈资源网络，流经瓶颈资源的工序称为瓶颈工序或关键工序，否则称之为非瓶颈工序或非关键工序；然后，编制关键工序作业计划，瓶颈资源通常任务多、时间紧，如何科学合理的安排瓶颈工序作业计划从而最大程度发挥瓶颈资源产能是关键问题；最后，以关键工序
8、为基准，对关键工序上下游工序按拉动式和推动式生产进行作业计划，在作业计划时充分考虑到了工件在加工过程中各工序之间的先后关系，避免了生产控制相对于计划的滞后。能力需求计划与平衡瓶颈资源识别关键工序作业计划非关键工序作业计划车间零部件作业计划图2 基于TOC的作业计划过程 能力需求计划与平衡是保证生产计划合理可行的依据，目前关于能力需求计划与平衡的理论和技术已很成熟。瓶颈资源产出决定了系统的产出，识别出系统瓶颈并最大程度利用瓶颈资源才能使整个生产系统产能最大化4。非关键工序作业计划的编制是以关键工序作业计划为基准。因此，瓶颈资源的识别和关键工序作业计划是基于TOC的作业计划方法研究的关键。本文将重
9、点阐述工作中心瓶颈识别技术以及关键工序作业计划方法。3工作中心瓶颈识别基于TOC的车间作业计划编制的关键问题之一为制造系统瓶颈识别，只有识别了系统瓶颈工作中心，找到生产系统薄弱环节，才能进一步优化系统的物流，实现“鼓”、“缓冲器”和“绳子”的功能5。解决瓶颈识别问题的核心是根据瓶颈识别算法计算出各工作中心的负荷率，在此基础上通过工作中心间的约束关系，确定瓶颈工作中心的位置。车间从MRP系统得到零部件任务计划之后，由零部件的加工工艺信息、工时定额信息和加工数量信息就可以得到相关工作中心在计划期内的负荷，并在考虑原计划的基础上就能确定本计划期内相关工作中心的可用能力，这样根据负荷与可用能力的比率确
10、定工作中心的负荷率。计划期内工作中心负荷率的计算公式如下：式中： 工作中心的负荷率；作业在工作中心上的加工时间，含设备调整时间； 工作中心上总的作业数；工作中心在给定时间内的可用能力；在一个计划期内可能存在着多个负荷率比较大即负荷紧张的工作中心，通过以上对资源负荷的计算我们将负荷率（实际负荷/额定能力）大于一定值(比如90%)的工作中心定义为约束工作中心。约束工作中心并不一定就是制造系统瓶颈工作中心，而要根据约束工作中心的关系才能确定制约系统产出的瓶颈工作中心。如图3所示，a、b中约束工作中心1和2之间存在着关联，以负荷率较大的约束工作中心为制造系统的瓶颈工作中心，c中约束工作中心之间没有关联
11、，相互独立，则约束工作中心1和2都为制造系统的瓶颈工作中心。图3 约束工作中心的几种关系4 基于启发式规则的瓶颈工序排序识别出瓶颈工作中心后，处在瓶颈工作中心上加工的工序即为瓶颈工序，瓶颈工序是限制整个生产系统产出的薄弱环节，在瓶颈工序上损失或浪费多少时间，整个生产系统就会损失或浪费多少时间。因此，应将瓶颈工序作为整个生产系统控制的重点，尽最大的努力，使瓶颈工作中心满负荷工作。如何进行作业排序，许多生产管理研究者进行了大量的研究工作。目前，对于大规模的排序问题，按启发式规则的排序算法是最有效的6。4.1排序规则的确定 目前调度规则很多，随着追求的目标不同，其规则也不同79。笔者采用的调度规则如
12、下：1剩余能力量最大的瓶颈工作中心先安排；2当瓶颈工作中心正在加工的负荷量相同时，交货期早的工件优先安排；3当瓶颈工作中心正在加工的负荷量、工件交货期均相同时，优先安排剩余加工时间最长的工件；4当瓶颈工作中心正在加工的负荷量、工件交货期、工件剩余加工时间均相同时，优先安排剩余工序数最多的工件；5当瓶颈工作中心正在加工的负荷量、工件交货期、工件剩余加工时间和工件剩余工序数均相同时，优先安排瓶颈工序加工时间最长的工件。4.2 瓶颈工序启发式排序算法根据启发式排序规则，瓶颈工序的启发式排序算法如下：STEP1：确定D（初始D=0）时刻在瓶颈设备类机器前等待加工的工件数；STEP2：确定D时刻在瓶颈设
13、备类机器上可安排的机器数；STEP3：当时，转向步骤4。否则全部等待加工工件均可以在台机器上安排。按照以下方法：首先求出台机器在D时刻前已经安排的负荷量，并按照从小到大的顺序排列；其次，将等待加工的个工件，按交货期从小到大排列；交货期相同的工件，按工件剩余加工时间从大到小排列；剩余加工时间相同的工件，按工件剩余工序数从多到少排列；剩余工序数相同的工件，按将要安排的瓶颈工序的加工时间从大到小的次序排列；按照已安排好的工件、机器排序，依次将工件的瓶颈工序安排在相应的机器上。然后转向5；STEP4：此时，将有-个工件在D时刻无法安排。首先安排个工件，选择工件并对它进行排序的方法参照步骤3中的方法。其
14、次安排剩余的-个工件，如-依旧大于，则继续优先安排前个工件，直到剩余未安排的工件个数小于或等于个工件，然后转3中各子步骤；STEP5：直到所有工件安排完，结束。5 算例本文以某车间生产某种型号产品的一条生产线为例，该生产线每七天为一个计划期，每个计划期生产30套该型号部件。当生产任务逼近或超出车间生产能力时，产品的出产率就会受到瓶颈设备的限制，因此生产计划的重点应放在瓶颈设备上。经过瓶颈识别算法确定该生产线上的关键设备的种类，已知关键设备台数以及关键零件A、B、C、D在每种设备上的加工时间如表1：表1 零件在各关键设备上的加工时间表零件22124工时工时工时工时工时A2.51.51.5134B41312.51125.51C0.751D6.54采用上述算法制定的关键设备的计划期内的作业计划如表2：表2 关键设备作业计划表计划零件12121212341A52B3336822CD112A63B43371033CD223A63B43371033CD224A613B
