陳建華 楊 歡

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)一體化趨勢(shì)日益加強(qiáng)，消費(fèi)者的選擇趨于多樣化，因此面向訂單裝配（ATO）變得十分流行.ATO結(jié)合面向訂單生產(chǎn)（MTO）和面向庫(kù)存生產(chǎn)（MTS）環(huán)境的有效性［1］，先按預(yù)測(cè)生產(chǎn)出零部件進(jìn)行備貨，然后在生產(chǎn)的最后階段，利用庫(kù)存的零部件裝配滿足客戶訂單需求的產(chǎn)品.就ATO供應(yīng)鏈中的運(yùn)作企業(yè)而言，可將整個(gè)供應(yīng)鏈看成是多個(gè)供需環(huán)節(jié)，每個(gè)供需環(huán)節(jié)中系統(tǒng)的重要目的就是在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間、恰當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)，保持恰當(dāng)?shù)膸?kù)存而不缺貨，從而增加有效產(chǎn)出，庫(kù)存缺貨以致未能及時(shí)滿足客戶訂單需求就是一種約束.基于約束理論（theory of constraints，TOC）及其應(yīng)用方法的“鼓－緩沖器－繩”（drum－buffer－rope，DBR）生產(chǎn)計(jì)劃與控制方法，正是通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部“瓶頸”因素并加以克服，圍繞最大限度地挖掘瓶頸資源能力，并使系統(tǒng)內(nèi)部其他所有資源的運(yùn)作與保證瓶頸資源能力的最大發(fā)揮相協(xié)調(diào)，以保持系統(tǒng)組織管理和后續(xù)生產(chǎn)運(yùn)作的平穩(wěn)均衡化運(yùn)行，旨在實(shí)現(xiàn)一種以物流同步化和時(shí)間平衡化為基本特征、以較低的生產(chǎn)在制品（WIP）庫(kù)存水平和較短的生產(chǎn)提前期為顯著特點(diǎn)的ATO供應(yīng)鏈環(huán)境［2］.在企業(yè)實(shí)施ATO供應(yīng)鏈管理之后，庫(kù)存控制將成為企業(yè)獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新突破點(diǎn)，合理的設(shè)置庫(kù)存緩沖和確定緩沖的大小，對(duì)提高ATO供應(yīng)鏈響應(yīng)速度、增加系統(tǒng)有效產(chǎn)出將具有重要意義.

目前，關(guān)于TOC在供應(yīng)鏈管理庫(kù)存控制方面的應(yīng)用研究，學(xué)術(shù)界很為關(guān)注且早有爭(zhēng)論.Kevin等將TOC的發(fā)展分為5個(gè)階段［3］.Raimona等［4］對(duì)TOC理論在質(zhì)量控制中的運(yùn)用進(jìn)行研究及調(diào)查.Wu等［5］對(duì)DBR系統(tǒng)中的排序問(wèn)題進(jìn)行研究.孟吉偉等以可靠性理論為基礎(chǔ)，建立單元化的串行連續(xù)生產(chǎn)線模型，研究緩沖庫(kù)存最小安全量的計(jì)算及緩沖庫(kù)存的補(bǔ)給，提出非均勻節(jié)拍法，有效保證了安全庫(kù)存量及連續(xù)生產(chǎn)的可靠性［6］.因此，嚴(yán)格控制供應(yīng)鏈中的庫(kù)存對(duì)保持生產(chǎn)運(yùn)作的均衡化運(yùn)行及提高供應(yīng)鏈響應(yīng)速度是十分重要的.本文以裝配型（ATO）供應(yīng)鏈的入廠物流系統(tǒng)為對(duì)象，基于TOC理論，從庫(kù)存緩沖的角度重點(diǎn)研究緩沖的設(shè)置及其大小的確定，并運(yùn)用Extendsim7仿真軟件仿真模擬庫(kù)存緩沖設(shè)置的效果，同時(shí)考慮供應(yīng)商數(shù)量和訂單數(shù)量變化對(duì)系統(tǒng)有效產(chǎn)出的影響.

1 ATO供應(yīng)鏈庫(kù)存緩沖設(shè)置機(jī)制

1.1 瓶頸資源的確定

由TOC理論可知，供應(yīng)鏈的有效產(chǎn)出取決于鏈上運(yùn)作能力最弱或負(fù)荷率最高的環(huán)節(jié)—瓶頸，瓶頸資源確定的正確與否，將直接影響到緩沖設(shè)置是否在合適的位置，進(jìn)而影響到整個(gè)供應(yīng)鏈.根據(jù)TOC理論建立以下數(shù)學(xué)模型.

當(dāng)式（1）和（2）成立時(shí)，環(huán)節(jié)Xi為瓶頸.

式中：Xi為系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)環(huán)節(jié)；Ci為環(huán)節(jié)Xi單位時(shí)間的運(yùn)作能力；MRi為單位時(shí)間下游環(huán)節(jié)對(duì)上游環(huán)節(jié)產(chǎn)出的需求量，即需求率分別為MR1，MR2，…，MRn，i＝1，2，…，n；R 為某些環(huán)節(jié)之間互為輸入輸出的關(guān)聯(lián)關(guān)系；S為與環(huán)節(jié)Xi相關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)的標(biāo)號(hào)所組成的集合.該定義表明瓶頸環(huán)節(jié)Xi單位時(shí)間運(yùn)作能力Ci不能滿足外部對(duì)其的需求率MRi，且小于任何與之互為輸入輸出關(guān)系的環(huán)節(jié)的單位時(shí)間運(yùn)作能力Cj.

1.2 庫(kù)存緩沖的設(shè)置

識(shí)別系統(tǒng)瓶頸后，在恰當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置合適的庫(kù)存緩沖不僅能夠保證瓶頸資源能力的最大發(fā)揮，而且有助于提高系統(tǒng)的有效產(chǎn)出.緩沖設(shè)置的位置主要有：在瓶頸前設(shè)立瓶頸緩沖，充分利用瓶頸處的資源避免缺貨；在由瓶頸資源和非瓶頸資源同時(shí)供應(yīng)的裝配處設(shè)立裝配緩沖，保證瓶頸資源加工后的工件能及時(shí)裝配；在交貨環(huán)節(jié)前設(shè)立發(fā)貨緩沖，保證面向客戶的及時(shí)運(yùn)輸和按期交貨.因此如何合理地設(shè)計(jì)緩沖在供應(yīng)鏈中顯得尤為重要，緩沖管理必須從企業(yè)資源的利用率出發(fā)，通過(guò)識(shí)別瓶頸在合適的位置建立緩沖［7］.庫(kù)存緩沖水平受需求變化、提前期變化等因素的影響［8］，依據(jù)DBR方法，在瓶頸資源、企業(yè)間物流的中轉(zhuǎn)區(qū)以及瓶頸資源和非瓶頸資源的裝配區(qū)設(shè)立緩沖更為合理.

1.3 緩沖大小的確定

如圖1所示，以入廠物流系統(tǒng)中的 WIP為例，按照WIP建立目標(biāo)緩沖水平，TOC將緩沖區(qū)大小分成綠區(qū)、黃區(qū)和紅區(qū)3個(gè)分區(qū)，各區(qū)域的大小取決于所要求的服務(wù)水平，一般視每一區(qū)域各占目標(biāo)緩沖水平的1／3.目標(biāo)緩沖水平是存貨的預(yù)設(shè)水平，保護(hù)補(bǔ)貨周期內(nèi)的WIP需求和供應(yīng)延遲；在途庫(kù)存是計(jì)劃收到的部分，用于填充緩沖區(qū)；持有庫(kù)存是當(dāng)前的庫(kù)存水平，滿足補(bǔ)貨周期內(nèi)的WIP需求；緊急庫(kù)存是深入庫(kù)存水平的緩沖，判斷持有庫(kù)存是否太低.目標(biāo)緩沖水平應(yīng)保證持有庫(kù)存不能頻繁低于緊急庫(kù)存水平，緊急庫(kù)存水平一般為目標(biāo)緩沖水平的33%.

圖1 TOC緩沖管理的基本架構(gòu)

1.4 動(dòng)態(tài)緩沖的控制

動(dòng)態(tài)緩沖管理（DBM）是TOC很重要的思想，通過(guò)DBM監(jiān)管緩沖水平滲透到每個(gè)區(qū)域的庫(kù)存狀態(tài)，識(shí)別緩沖區(qū)大小是否合適［9］；并由DBM技術(shù)監(jiān)控和調(diào)整緩沖區(qū)大小，打破瓶頸，持續(xù)改進(jìn).依據(jù)圖1，利用DBM衡量緩沖水平以決定是否調(diào)整緩沖區(qū)大?。簬?kù)存水平降到綠區(qū)并持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，則需降低目標(biāo)緩沖水平，不必進(jìn)行補(bǔ)貨；庫(kù)存水平降到黃區(qū)，則需密切觀察緩沖區(qū)的消耗，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)貨以響應(yīng) WIP需求波動(dòng)；庫(kù)存水平降到紅區(qū)并持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，則需增加目標(biāo)緩沖水平，避免庫(kù)存缺貨.一些研究人員還提出了基于經(jīng)驗(yàn)法則調(diào)整目標(biāo)緩沖水平或在時(shí)間序列模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真的方法，如Yuan等提出一種基于TOC理念的監(jiān)控安全庫(kù)存或目標(biāo)緩沖水平的滲透并相應(yīng)地調(diào)整緩沖區(qū)大小的通用緩沖管理程序［10］.

2 基于Extendsim7的庫(kù)存緩沖設(shè)置仿真建模

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

采用ExtendSim7仿真軟件，模擬ATO供應(yīng)鏈入廠物流系統(tǒng)某段時(shí)間內(nèi)庫(kù)存緩沖設(shè)置的實(shí)際效果（以WIP為例），模型假設(shè)與參數(shù)設(shè)置如下.

1）Create模塊（supplier）提供 WIP（實(shí)體）時(shí)間間隔服從指數(shù)分布，均值1單位.

2）WIP進(jìn)入Queue模塊（warehouse）堆積，排隊(duì)規(guī)則為FIFO；WIP從warehouse出來(lái)后進(jìn)入Activity模塊（ATO manufacturer）進(jìn)行生產(chǎn)裝配，處理時(shí)間1單位.

3）假設(shè)某段時(shí)間order數(shù)量在500～520間變化，當(dāng)WIP數(shù)量小于order數(shù)量時(shí)，設(shè)置庫(kù)存緩沖大小為15.

4）WIP經(jīng)過(guò)ATO manufacturer生產(chǎn)裝配后，到達(dá)Exit模塊（客戶）輸出，客戶收到product.

5）設(shè)置仿真時(shí)間720單位，仿真步長(zhǎng)21，每種order數(shù)量分別運(yùn)行5次.

6）當(dāng)supplier數(shù)量在2～4間變化時(shí)，記錄并觀察系統(tǒng)產(chǎn)出product數(shù)量的波動(dòng)變化情況.

2.2 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)處理的實(shí)體數(shù)目進(jìn)行調(diào)度，建立基于數(shù)量的庫(kù)存緩沖設(shè)置仿真模型，以瓶頸緩沖為主，通過(guò)簡(jiǎn)單的比較工序中在制品數(shù)量與訂單數(shù)量的大小確定瓶頸工序，并運(yùn)用相關(guān)模塊設(shè)置一定的緩沖庫(kù)存以彌補(bǔ)在制品的不足，從而動(dòng)態(tài)的控制系統(tǒng)庫(kù)存，保持供應(yīng)鏈生產(chǎn)運(yùn)作的均衡化運(yùn)行，具體如圖2（以3個(gè)supplier為例）：首先，客戶order的到達(dá)是一個(gè)離散隨機(jī)事件，需要放置Executive仿真時(shí)鐘模塊讓軟件自動(dòng)推進(jìn)事件的發(fā)展；然后，在客戶order到達(dá)前，supplier提供 WIP，經(jīng)過(guò)warehouse的堆積，直到 WIP在ATO manufacturer生產(chǎn)裝配之前，形成ATO供應(yīng)鏈的推式流程；在客戶order到達(dá)后，通過(guò)Decision模塊判斷比較WIP與order數(shù)量的大小確定瓶頸，由Create模塊根據(jù)判斷結(jié)果創(chuàng)建實(shí)體，從而激發(fā)Gate模塊根據(jù)實(shí)體控制路徑的開(kāi)關(guān)，也就是設(shè)置一定的緩沖庫(kù)存彌補(bǔ)瓶頸工序中WIP的不足，接著WIP通過(guò)ATO manufacturer的生產(chǎn)裝配產(chǎn)出product，輸送到客戶，完成ATO供應(yīng)鏈的拉式流程.

圖2 庫(kù)存緩沖設(shè)置模型

其中，order數(shù)量變化（見(jiàn)圖3）由Constant，Simulation Variable及Math模塊控制：Constant模塊初始參數(shù)設(shè)置為500，Simulation Variable模塊設(shè)置Run次數(shù)自加1，經(jīng)過(guò)Math模塊的加和，仿真運(yùn)行21次，order數(shù)量便可從500變化到520.

庫(kù)存緩沖設(shè)置（見(jiàn)圖4）由Decision，Create及Gate模塊實(shí)現(xiàn)：當(dāng)warehouse中的WIP小于order，則Decision模塊在Y端口輸出真值（1）；這時(shí)，Create模塊（用于控制Gate模塊）根據(jù)時(shí)間表創(chuàng)建一個(gè)Quantity為15的實(shí)體并輸出到Gate模塊的demand端口，使Gate模塊保持開(kāi)啟直到15個(gè)WIP經(jīng)過(guò)該模塊從而彌補(bǔ)WIP的不足.

圖3 order數(shù)量控制模塊

圖4 庫(kù)存緩沖設(shè)置模塊

2.3 仿真結(jié)果輸出

運(yùn)行模型，記錄和觀察order數(shù)量在500～520間變化時(shí)系統(tǒng)product的有效產(chǎn)出，同時(shí)記錄ATO manufacturer的生產(chǎn)裝配效率（為減小誤差，每個(gè)order數(shù)量分別運(yùn)行5次）.結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 order數(shù)量在500～520的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.4 仿真結(jié)果分析

分析上述結(jié)果可知，隨著supplier數(shù)量的增加，product數(shù)量也在逐漸增加，且其產(chǎn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn).當(dāng)order數(shù)量較少時(shí)，設(shè)置少量supplier的庫(kù)存緩沖比設(shè)置大量supplier的庫(kù)存緩沖產(chǎn)出的product數(shù)量波動(dòng)?。划?dāng)order數(shù)量較多時(shí)，設(shè)置少量supplier的庫(kù)存緩沖比設(shè)置大量supplier的庫(kù)存緩沖產(chǎn)出的product數(shù)量波動(dòng)大.另外，由于仿真模擬周期、變量個(gè)數(shù)等隨機(jī)因素的影響，多對(duì)一方式的ATO供應(yīng)鏈入廠物流系統(tǒng)的庫(kù)存緩沖設(shè)置模型仍有許多不定的變化情況，相關(guān)方面的研究還有待進(jìn)一步的加強(qiáng).

2.5 系統(tǒng)改善措施

為了提高系統(tǒng)product的有效產(chǎn)出，就要促使supplier提供足量的WIP，以及增加order數(shù)量.由此找出緩沖設(shè)置模型的2處瓶頸：一為order數(shù)量，增加order數(shù)量可以顯著的增加product的有效產(chǎn)出，但order數(shù)量是隨機(jī)的，系統(tǒng)無(wú)法直接改變；另一個(gè)就是建立多個(gè)supplier和warehouse，利用多對(duì)一方式保證supplier在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間能夠提供足量的 WIP，滿足ATO manufacturer的生產(chǎn)裝配.此外，提高ATO manufacturer單位時(shí)間的生產(chǎn)效率，增加ATO manufacturer單位時(shí)間裝配WIP的數(shù)量可大大節(jié)約WIP加工處理時(shí)間，加快WIP周轉(zhuǎn)速度，避免因生產(chǎn)工序上WIP堆積過(guò)多影響系統(tǒng)產(chǎn)出，而且合理的排序作業(yè)也可以加快WIP的周轉(zhuǎn)速度進(jìn)而提高product產(chǎn)出.

3 結(jié)束語(yǔ)

庫(kù)存動(dòng)態(tài)緩沖控制是實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈快速響應(yīng)客戶需求的重要手段，通過(guò)強(qiáng)化系統(tǒng)的庫(kù)存動(dòng)態(tài)緩沖控制手段，適時(shí)調(diào)整緩沖設(shè)置，可提高系統(tǒng)有效產(chǎn)出，確保計(jì)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).基于這樣一種認(rèn)識(shí)，本文以ATO供應(yīng)鏈入廠物流系統(tǒng)為對(duì)象，采用推式和拉式相結(jié)合的流程，運(yùn)用TOC理論及DBR方法識(shí)別入廠物流系統(tǒng)瓶頸、設(shè)置合理的庫(kù)存緩沖以最大限度地挖掘瓶頸資源潛力，并使系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)按照瓶頸的節(jié)拍運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)的均衡化運(yùn)作.同時(shí)，運(yùn)用Extendsim7仿真軟件進(jìn)行建模和仿真，模擬庫(kù)存緩沖設(shè)置的效果，觀察供應(yīng)商數(shù)量和訂單數(shù)量變化時(shí)系統(tǒng)有效產(chǎn)出的波動(dòng)情況.仿真實(shí)驗(yàn)表明隨著供應(yīng)商數(shù)量的增加，系統(tǒng)產(chǎn)出也在逐漸增加，且其產(chǎn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn).另外在訂單數(shù)量變化時(shí)，不同數(shù)量供應(yīng)商的庫(kù)存緩沖設(shè)置對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)出的波動(dòng)影響也是不一樣的.為了簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)，本文做出了相關(guān)假設(shè)，如supplier提供WIP的時(shí)間間隔服從指數(shù)分布、WIP在warehouse中按照FIFO進(jìn)行排隊(duì)等候、WIP在ATO manufacturer中的處理時(shí)間為1單位等，這些與實(shí)際的供應(yīng)鏈運(yùn)作情況并非完全符合；另外，庫(kù)存緩沖設(shè)置仿真主要是從流程上展開(kāi)，沒(méi)有考慮人、設(shè)備、堆場(chǎng)等要素動(dòng)態(tài)制約下的緩沖問(wèn)題.因此，在以后的研究中對(duì)相關(guān)假設(shè)條件及問(wèn)題還需做出進(jìn)一步的完善和深入，從而使本模型研究更具有普適性，為供應(yīng)鏈企業(yè)提供一些借鑒.

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