朱玉杰，薛宇峰，朱曉琳

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2. 北京德爾福萬源發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)有限公司，北京 102600)

H企業(yè)單件小批量訂單排產(chǎn)的優(yōu)化1

朱玉杰1，薛宇峰2，朱曉琳1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2. 北京德爾福萬源發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)有限公司，北京 102600)

由于單件小批生產(chǎn)模式的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，同時用戶訂貨提前期長，需要制定詳細(xì)的生產(chǎn)計劃來使企業(yè)更好地運營，因此如何提高單件小批生產(chǎn)運作類型的效率便成為生產(chǎn)運作管理最為關(guān)注的問題。文中H企業(yè)是典型的單件小批量生產(chǎn)企業(yè)，是訂單驅(qū)動的生產(chǎn)模式，產(chǎn)品的類型與數(shù)量都是由客戶的需求而定，面對的客戶主要是國內(nèi)外的大型電廠和船舶企業(yè)，所以很多訂單對交貨期有著很嚴(yán)格的要求，因此制定合理的生產(chǎn)計劃就變得尤為重要。本文就是結(jié)合H企業(yè)的實際生產(chǎn)運營狀況，運用TOC理論對企業(yè)產(chǎn)能進(jìn)行分析，找出瓶頸工序，同時綜合考慮企業(yè)交付能力、生產(chǎn)緊迫度、加工時間等多方面因素運用運籌學(xué)的相關(guān)方法，對企業(yè)的生產(chǎn)制定出詳細(xì)的年生產(chǎn)計劃，使設(shè)備運行效率提升9.3%，相應(yīng)單位生產(chǎn)支出降低12%，平均生產(chǎn)周期由150d減少到120d，極大改善企業(yè)的現(xiàn)有狀況，提高企業(yè)的運營成本。

瓶頸分析；生產(chǎn)排產(chǎn)；單件小批量

0 引言

現(xiàn)代社會行業(yè)種類眾多，如機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)等，為了便于對不同企業(yè)進(jìn)行研究，可將企業(yè)分為不同的生產(chǎn)類型[1]，生產(chǎn)類型是生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型的簡稱，是產(chǎn)品的品種、質(zhì)量、生產(chǎn)的專業(yè)化程度在企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)、組織、經(jīng)濟(jì)效果等方面的綜合表現(xiàn)[2]。不同的生產(chǎn)類型所對應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其運行機(jī)制是不同的，因此相應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)制定生產(chǎn)計劃的方法也不盡相同[3]。

單件小批生產(chǎn)(job shop)的特點是生產(chǎn)的產(chǎn)品品種繁多，每種產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量很少，生產(chǎn)重復(fù)程度低[4]。在生產(chǎn)管理方面，只能粗略制定工時定額；同時原材料、毛坯種類變化大，不易建立長期穩(wěn)定的協(xié)作關(guān)系，質(zhì)量與交貨期不易保證[5]，因此制度生產(chǎn)計劃的重點是：確定合理的交貨期；建立適應(yīng)訂貨變動的生產(chǎn)計劃；提高零部件的標(biāo)準(zhǔn)量與進(jìn)度控制[6]。

生產(chǎn)計劃是生產(chǎn)管理的首要職能，是組織、領(lǐng)導(dǎo)和控制等管理職能的基礎(chǔ)和依據(jù)，滲透于企業(yè)各個組織層次中[7]。對于單件小批量型生產(chǎn)企業(yè)來說，訂單式生產(chǎn)為主要方式，生產(chǎn)計劃中不穩(wěn)定因素對計劃的影響較大[8]，未形成計劃制定的規(guī)范，可執(zhí)行性低[9]。制定者在進(jìn)行生產(chǎn)能力平衡、制定生產(chǎn)計劃時，所需的大部分信息，包括設(shè)備狀態(tài)信息、專用設(shè)備配置信息、采購庫存信息、生產(chǎn)任務(wù)完成情況信息等處理時缺乏動態(tài)更新，不利于進(jìn)行準(zhǔn)確的能力平衡和制定合理的生產(chǎn)計劃，造成各種不必要的浪費[10]，因此制定合理的生產(chǎn)計劃，顯得尤為重要。

1 案例企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

H企業(yè)是以設(shè)計、制造大型汽輪機(jī)為主的大型企業(yè)。批量生產(chǎn)300、600 MW等不同功率汽輪機(jī)以及核電、艦船等相關(guān)設(shè)備機(jī)組，其特點主要為單件小批量的訂單生產(chǎn)。

產(chǎn)品主要分為加工和裝配兩部分，加工方式主要為車、銑、磨、刨、鉆、鋸、鏜等工序。企業(yè)已實行生產(chǎn)專業(yè)化分工，根據(jù)各主要零部件不同的生產(chǎn)方式進(jìn)行相應(yīng)的車間布置[12]。

該企業(yè)生產(chǎn)能力的主要影響因素是關(guān)鍵件的生產(chǎn)，很多企業(yè)也直接用關(guān)鍵件的生產(chǎn)能力來標(biāo)示企業(yè)的生產(chǎn)總能力[11]。在汽輪機(jī)生產(chǎn)中關(guān)鍵件主要是指轉(zhuǎn)子、汽缸、泵、閥等體積龐大、加工困難、加工周期長、且對產(chǎn)品總裝有著重要影響的零件，這些零件的加工生產(chǎn)將直接決定產(chǎn)品的交貨期和顧客的滿意程度。

關(guān)鍵件的生產(chǎn)產(chǎn)品多為單件一次加工，即生產(chǎn)周期長，對操作工人的技能水平要求較高，不同的技能水平對工件的加工時間影響很大。關(guān)鍵件的生產(chǎn)對原材料的采購到貨提前期也有著很高的要求[13]。

汽輪機(jī)關(guān)鍵件的生產(chǎn)主要有以下幾方面的特點：加工困難，加工時間長，零件間加工工藝各不相同；零件加工技術(shù)含量高，對精度、質(zhì)量要求高；加工設(shè)備數(shù)量有限；原材料稀缺，價格昂貴，資金占用率高；交貨期要求嚴(yán)格。為方便產(chǎn)能分析，本文對主要零部件轉(zhuǎn)子、汽缸、隔板套、主汽閥等進(jìn)行產(chǎn)能分析與研究。對各個生產(chǎn)車間產(chǎn)能進(jìn)行分析，運用TOC理論找出瓶頸因素，應(yīng)用層次分析法對問題進(jìn)行改善研究，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率及效益。

2 運用TOC理論對產(chǎn)能進(jìn)行分析

20世紀(jì)70年代，以色列物理學(xué)家Goldratt博士和其他三個以色列籍合作者研究出了用于企業(yè)運作管理新方法—最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)(OPT)[14]。后來Goldratt又進(jìn)一步將它發(fā)展成為約束理論(TOC)。TOC/OPT是繼MRPⅡ/ERP和JIT出現(xiàn)之后的又一組織生產(chǎn)運作的新方式[15]。TOC強(qiáng)調(diào)必須從系統(tǒng)的整體效益出發(fā)來考慮和處理問題[16]。它的基本思想是：將所研究的對象抽象成一條鏈條，任何鏈條上都至少存在一個薄弱環(huán)節(jié)(即TOC理論中所說的瓶頸)，鏈條的薄弱環(huán)節(jié)決定了其最終的承載量(即系統(tǒng)的產(chǎn)出)，是系統(tǒng)進(jìn)一步提升產(chǎn)出水平的制約因素[17]。因此，TOC理論的主要思想就在于找出瓶頸資源，并使瓶頸資源得到充分利用，同時合理配置非瓶頸資源，使非瓶頸資源與瓶頸資源保持同步，降低制品積壓程度，達(dá)到均衡生產(chǎn)目的[18]。

經(jīng)過對H企業(yè)的數(shù)據(jù)收集與分析，銷售主打產(chǎn)品為TX-1、TX-2，這兩種型號的產(chǎn)品的產(chǎn)量占總體產(chǎn)量的90%，產(chǎn)品產(chǎn)值占總體產(chǎn)值的98%。其中TX-1產(chǎn)品占產(chǎn)品總量的60%，TX-2產(chǎn)品占產(chǎn)品總量的30%，其余產(chǎn)量為TX-3產(chǎn)品，對全部產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)能分析。

得知關(guān)于TX-2轉(zhuǎn)子產(chǎn)品換算系數(shù)的ki，∑ti/∑td，k1=107 002/85 601≈1.25。

TX-3的產(chǎn)品換算系數(shù)：

k2=77 041/85 601≈0.9。

其加工工時定額和產(chǎn)能見表1。

表1 各主要零部件產(chǎn)能Tab.1 The capacity of main components

運用TOC理論對瓶頸因素進(jìn)行識別，同時對企業(yè)主要零部件進(jìn)行了生產(chǎn)能力測定，運用生產(chǎn)能力負(fù)荷比進(jìn)行測定[19]。

表示為：

CA.T是計劃期T內(nèi)該車間加工設(shè)備的可用產(chǎn)能，CA.T=d·T(1-θ)·T·60，其中d代表設(shè)備的臺數(shù)，t為每日制度工作小時數(shù)，θ為設(shè)備的故障率。

設(shè)備的生產(chǎn)能力負(fù)荷比是一種能夠直接表達(dá)設(shè)備產(chǎn)能利用情況的重要指標(biāo)。當(dāng)1<β<1.5時，表明產(chǎn)能過剩，當(dāng)β≥1.5時，表明產(chǎn)能不足，也可以確定該類型部件生產(chǎn)車間的生產(chǎn)能力為瓶頸因素[20]。

通過以上分析進(jìn)行生產(chǎn)能力計算時求得各主要部件車間的設(shè)備生產(chǎn)能力見表2。

表2 生產(chǎn)能力負(fù)荷比Tab.2 The percent of capacity load

由表1得出各車間生產(chǎn)能力負(fù)荷比中轉(zhuǎn)子為1.843，數(shù)值最大，如圖1所示，確定轉(zhuǎn)子生產(chǎn)為瓶頸因素。

圖1 車間產(chǎn)能負(fù)荷比Fig.1 Workshop capacity load ratio

產(chǎn)品的特點決定了系列產(chǎn)品的生產(chǎn)瓶頸為轉(zhuǎn)子生產(chǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)計劃制定時以瓶頸工序的最高生產(chǎn)能力額度為基準(zhǔn)。排產(chǎn)時以轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)能力作為衡量總體生產(chǎn)能力的標(biāo)準(zhǔn)，最大程度減少其他零部件的積壓和非生產(chǎn)性支出，其他產(chǎn)品的編排根據(jù)轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)進(jìn)度實時進(jìn)行更改，以實現(xiàn)產(chǎn)線平衡。

3 企業(yè)訂單排序分析與研究

經(jīng)過前面的生產(chǎn)能力的計算和評估，H公司每年生產(chǎn)整體機(jī)組能力為7，作為典型的訂單生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品只有在接受訂單以后才能生產(chǎn)。

在接受訂單的過程中，每個產(chǎn)品都根據(jù)客戶的不同需求進(jìn)行了一定程度的改動，并且由于客戶有不同的付款方式和交貨期限，這在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中都要進(jìn)行考慮，按照不同的等級進(jìn)行排產(chǎn)。見表3。

表3 訂單的合同方案和具體細(xì)節(jié)Tab.3 The order of project and detail

根據(jù)客戶的需求和企業(yè)實際情況，相對于目標(biāo)層，重要因素由高到低依次為B1，B2，B3，B4；按照這種原則建立起來的標(biāo)準(zhǔn)層B相對于目標(biāo)層選擇排產(chǎn)方案的判斷矩陣，見表4。

表4 判斷矩陣Tab.4 Matrix

對于綜合評定因素C2，C3以此類推建立準(zhǔn)則層C對準(zhǔn)則層B的判斷矩陣，見表5。

表5 判斷矩陣Tab.5 Matrix

可以計算準(zhǔn)則層的對目標(biāo)層的組合權(quán)重為：

根據(jù)交貨期和資金首付比例等相關(guān)因素影響和之間的相對關(guān)系可知方案層對準(zhǔn)則層的判斷矩陣[21]。檢驗上述判斷矩陣都具有滿意的一致性，分別求出各個層次和因素相對應(yīng)的權(quán)重向量如下：

根據(jù)公式可以求出方案層對目標(biāo)層的組合權(quán)重，即各方案對目標(biāo)層的權(quán)重

由上述計算出來的權(quán)重看出，在客戶訂單中進(jìn)行實際分析的排產(chǎn)方案最符合企業(yè)實際生產(chǎn)需求的合理因素排序加工時間，訂單收益比例，客戶訂單首付比例，交貨緊迫程度，產(chǎn)品加工難度等級。

顧客下訂單交付定金后，為合同的起始。相同型號的產(chǎn)品集中編排，客戶交貨期均為年末最后截止日期，在加工過程中，存在半天現(xiàn)象，考慮到加工實際的寬放系數(shù)，存在小數(shù)的直接進(jìn)為整數(shù)。因此根據(jù)以上因素進(jìn)行排產(chǎn)。生產(chǎn)排產(chǎn)中相同型號的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)可以減少設(shè)備的轉(zhuǎn)換和產(chǎn)線的調(diào)試，同時能夠保證產(chǎn)品的工藝和質(zhì)量。

以影響因素作為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，在考慮交貨期的同時還考慮到產(chǎn)品的其他因素，如加權(quán)平均值，最后得出以下結(jié)論：H公司生產(chǎn)能力之內(nèi)的七個訂單的排序分別為客戶5(TX-2)，客戶2(TX-2)，客戶4(TX-1)，客戶3(TX-1)，客戶1(TX-1)，客戶6(TX-1)，客戶7(TX-3)。

4 結(jié)論

通過計算額定工時對產(chǎn)能進(jìn)行計算，得出主要零部件的生產(chǎn)能力，運用約束理論求出生產(chǎn)能力負(fù)荷比，確定了轉(zhuǎn)子為瓶頸因素。根據(jù)訂單確定重要影響指標(biāo)，并進(jìn)行生產(chǎn)排產(chǎn)。經(jīng)過優(yōu)化排產(chǎn)后設(shè)備運行時間由原來的平均18h/d增加到19.68h/d，效率提高了9.3%，相應(yīng)單位生產(chǎn)支出降低了12%，平均生產(chǎn)周期由150d減少到120d，極大減少了各類非生產(chǎn)支出，提高了綜合效率。證明了基于TOC理論的訂單排產(chǎn)的優(yōu)化可提高生產(chǎn)計劃的科學(xué)性和合理性，從而提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

[1] 陳榮秋, 馬士華. 生產(chǎn)運作管理(第2版)[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[2] 趙啟蘭.生產(chǎn)運作管理[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2008.

[3] 姜思杰，徐曉飛，戰(zhàn)德臣，等.大型單件小批生產(chǎn)的計劃與控制模式.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)-CIMS [J]，2001，7(2)：1-5.

[4] Huang S H，Dismukes J P，Shi J，et al.Manufacturing system modeling for productivity improvement[J].Journal of Manufacturing Systems，2002，21(4)：249-254.

[5] 唐亞民.PL公司生產(chǎn)計劃與控制系統(tǒng)改進(jìn)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

[6] 熊禾根，吳志遠(yuǎn)，李建軍.單件訂貨型生產(chǎn)中基于任務(wù)的生產(chǎn)能力研究[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2006，36(7)：238-243.

[7] 張紅，郭飛鵬.面向敏捷詢單處理的訂單優(yōu)先級排序方法[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2012，33(3)：963-967.

[8] Glasserman P.Allocating production capacity among multiple products[J].Operations Research，1996，44(5)：724-734.

[9] Stevenson W J.Operations management.International Edition.9th Edition[M].McGraw-Hill/Irwin.New York，2007.

[10] 李彩麗.整車企業(yè)訂單接受與排程研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[11] 董楠.基于制造型企業(yè)的生產(chǎn)能力評估方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[12] 劉強(qiáng).離散型生產(chǎn)線生產(chǎn)能力評估系統(tǒng)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[13] 面向汽輪機(jī)關(guān)鍵件的生產(chǎn)作業(yè)計劃與調(diào)度研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009

[14] Gupta M，Synder D.Comparing TOC with MRP and JIT：a literature review [J].International Journal of Production Research，2009，47(13)：3705-3739.

[15] 李浩，沈祖志，鄧明榮.訂貨型企業(yè)基于約束理論的訂單排產(chǎn)優(yōu)化研究[J].中國機(jī)械工程.2004，15(10)：865-869.

[16] Nahmias S.Production and operations analysis[M].McGraw-Hill Co.Inc，2001.

[17] 劉玉.基于約束理論的作業(yè)計劃系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2011，32(4)：1152-1156.

[18] Zijm W H M.Towards intelligent manufacturing planning and control systems[J].OR-Spectrum，2000，22(3)：313-345.

[19] 楊曉英，郭青玉.離散型制造企業(yè)的生產(chǎn)能力平衡模型和算法研究[J].礦山機(jī)械，2012，40(6)：102-106.

[20] Turner W C，Mize J H，Case K E.Introduction to industrial and systems engineering[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

OptimizationofSingleSmallBatchOrderProductioninHFactory1

Zhu Yujie1，Xu Yufeng2，Zhu Xiaoling1

(1.College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.Delphi Beijing 102600)

Due to the low standard of single small batch production mode and the long lead time of user’s order，it is necessary to develop detailed production plan to make the factory operate better.Therefore how to improve the efficiency of small batch production and operation types has become the most concern of the production and operation management.In this paper，H factory is a typical single small batch production factory，which has an order driven production mode.The type and quality of products are determined by the customer’s needs.The clients are mainly domestic and overseas large power plants and ship enterprises，which has very strict requirements for the delivery time of orders.So it is particularly important to develop a reasonable production plan.Based on the actual production and operation of H factory，using TOC theory to analyze the production capacity，the bottleneck process has been found out.At the same time，considering the delivery capacity，production urgency，processing time the other factors，operational research methods is used to develop detailed annual production plan.It can increase efficiency by 9.3%，decrease unit production expense by 12% and reduce the average production cycle from 150D to 120D.It can greatly improve the current situation and raise operating costs of factory.

Bottleneck analysis；production schedule；single small batch

TP 301

：A

：1001-005X(2017)05-0091-05

2017-03-09

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(2014RFXXJ108)

朱玉杰，博士，教授。研究方向：工業(yè)工程，E-mail：zhuyujie004@126.com

朱玉杰，薛宇峰，朱曉琳.H企業(yè)單件小批量訂單排產(chǎn)的優(yōu)化[J].森林工程，2017，33(5)：91-95.