孙嘉艺+王艳红

摘 要：为迎合消费者的个性化需求、满足市场的快速变化，企业的生产方式逐渐从大批量流水线生产转变为多品种作业车间的柔性生产。由于多产品作业车间生产工艺和生产工序接续关系的复杂性，往往会造成生产制造过程中生产线上的拥堵，即出现生产瓶颈。在分析几种瓶颈识别方法的基础上，综合多产品作业车间的特点提出了按权重划分的瓶颈识别模型。

关键词：生产方式；作业车间；柔性生产；瓶颈识别

中图分类号：F406 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0093-02

引言

随着顾客消费观念和价值观的改变，客户需求也呈现出个性化、多样化和多变化等特点。以牺牲產品多样性为代价、追求生产成本最低化的传统大批量流水线生产方式已无法适应愈来愈激烈的市场竞争。企业为满足顾客需求，顺应市场变化在转变大批量流水线生产方式的同时，作业车间的多品种、小批量生产方式应运而生。

与大批量的流水线生产方式相比较，多品种、小批量的作业车间生产方式组织生产灵活，产品种类多变更能满足客户的个性化需求，市场适应能力更强。但其生产工艺复杂使得生产过程波动较大，物流、信息流复杂不易管理等特点使得生产过程控制困难。如何在采用多产品作业车间的生产环境下既满足市场的快速变化和顾客的多样化需求，又能克服多产品、小批量作业车间的瓶颈问题实现的均衡生产已成为难题。

1 瓶颈的定义

瓶颈是指整体流程中的关键限制因素，在生产流程中瓶颈是指实际生产能力小于外部需求的环节。通常把流程中生产节拍最慢的环节称为“瓶颈”，给出瓶颈的数学描述[1]。

对于系统中的n个资源X1，X2，...，Xn，实际产出能力C1，C2，...，Cn，系统外部需求量MR1，MR2，...，MRn。某些资源之间存在互为输入输出的关联关系R。假设与资源Xi相关的资源的标号所组合的集合为S，即

那么资源Xi为瓶颈当且仅当

即瓶颈资源Xi的能力Ci不能满足它的外部需求MRi，同时任何一个与之输入和输出关系的资源能力Cj也大于Ci。

2 瓶颈识别的方法

文献中给出了几种不同的瓶颈识别方法，可以大致分为以下四类[2]。

（1）第一类：考虑设备能力类。采用机器负荷、机器加工能力、机器利用率、机器忙闲率、历史或仿真数据等指标定义瓶颈。

（2）第二类：考虑机器活跃时间类。采用机器平均活跃时间指标，从机器持续加工的角度出发进行瓶颈识别。

（3）第三类：考虑在制品类。在生产过程中通过设备的平均等待时长或平均等待队列长度等指标，从生产流程的角度出发进行瓶颈识别。

（4）第四类：考虑系统有效产出类。从系统的有效产出角度定义系统瓶颈，将对系统有效产出影响最大的机器视为瓶颈。

分析以上四类瓶颈识别方法的优劣性。依据设备负荷、机器利用率等指标识别系统的瓶颈简单直观、识别方便。考虑到在流水车间的生产环境下有时会同时出现几个指标非常接近的情况，由于没有准确的算法或调度方案进行判断，不能断定这些相近的结果是否为系统的真实瓶颈，若最后认定的瓶颈并不是系统的真实瓶颈，此时无论采用何种方法或手段来消除这个伪瓶颈，对实现生产流程平稳、顺畅都是没有帮助，达不到追求平稳生产、物流平衡的目的；以机器活跃期为指标，可以用于Flow Shop/Job Shop及更复杂系统的瓶颈识别，可操作性强，但是对于不同生产系统需要建立不同的仿真模型，工作量过大，操作繁琐，从而限制了该方法的推广；以在制品识别瓶颈的方法从生产流程的角度出发进行瓶颈识别。由于产品类型单一、加工工序固定、产品对相同机器的加工处理时间要求相同等特点，使得以排队长度为指标的方法更适用于单产品生产系统。而在多产品生产系统中，由于加工产品的类型多、工序更加繁琐，使得每种产品对相同机器加工的处理时间不尽相同，当系统中同时有多个待加工工件队列长度相同或缓冲区队列同时溢出的情况发生时，使得排队长度指标法并不适用[3]。因此，在多产品的生产加工过程中更佳倾向于使用平均队列等待时间法来识别系统的瓶颈；以系统有效产出的瓶颈识别方法认为对系统有效产出反映最敏感的机器为系统的瓶颈，而对系统敏感度分析会随着系统复杂性的增加而增加，由于Job Shop系统的生产过程复杂多变，因而此方法在Job Shop系统中也不适用[4]。

3 瓶颈消解机制

3.1 DBR技术

约束理论的生产计划与控制是通过DBR（鼓一缓冲器一绳）技术来实现的。DBR技术是一种在约束理论思想上提出的解决生产作业计划问题的生产控制的具体工具。D即“鼓（Drum）”是生产系统中的控制点，视为系统中的瓶颈，代表控制机制，决定着生产节奏或步伐；B即“缓冲器（Buffer）”设置在瓶颈前面，代表着缓冲机制，可避免生产过程中的一些小波动；R即“绳子（Rope）”负责传递瓶颈工序的作业情况，代表协调机制，对整个生产过程的节奏进行掌控，使生产过程中物流能够平衡，实现同步生产。用一句话来概括DBR技术，即找出妨碍实现系统目标的约束条件，并对它进行消除的系统改善方法。

3.2 瓶颈识别模型

在某种情况下若设备为生产流程中不可或缺的关键设备时，机器的生产能力会直接影响机器的活跃时间，从而间接的影响生产系统的产出率。因此，从某种意义上来说，可将以上几种瓶颈识别方法大致的归为与设备相关的一类瓶颈识别方法。而在制品类瓶颈识别方法与生产过程相关。在多产品的生产环境下选用平均队列等待时间这一指标更合理。

本文针对多产品离散制造系统的特点，结合常见瓶颈识别方法的优点，同时考虑设备和生产过程两项指标定义系统的瓶颈，综合生产系统的机器利用率和在制品的平均等待时间，建立了多产品作业车间瓶颈识别模型。定义式如下。

由于机器利用率采用百分制形式也就是数值在0-1之间，为了不影响设备平均利用率和在制品类平均等待时间的权重运算，对在制品类平均等待时间进行归一化运算。

4 瓶颈漂移

瓶颈是生产物流系统本质特征，对于瓶颈的处理也只能是尽量去减弱，减少它对生产流程或企业效益的影响，而不能完全消除。生产物流瓶颈的特征决定了瓶颈会随着生产过程中的各种不确定性因素发生，在各个工序之间漂移，这种现象无法避免。各个工序轮流成为瓶颈的现象就称为瓶颈漂移现[5]。

多品种、小批量生产方式的生产控制比较复杂，难度比较大，相较于大批量的流水车间生产方式引发瓶颈漂移的因素会增多，对瓶颈漂移控制的有效性也会降低。采用DBR控制策略只能消解生产过程瓶颈，但对预防新瓶颈的形成没有帮助，也就是说DBR控制策略并不能阻止瓶颈漂移的产生。

5 结束语

系统的生产节奏是由瓶颈工序控制的，一旦在瓶颈辨识过程出现问题，将会极大地影响后续的工作。由此可见，瓶颈消解在生产管理中占有极其重要的地位。此外，在实时生产管理中，会出现瓶颈漂移的现象，若能及时准确定位瓶颈，妥善处理瓶颈以及漂移问题，则能够有效增加系統的产出，增加企业的效益。

参考文献：

[1]王玉荣.瓶颈管理[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]王军强，陈剑，王烁，等.作业车间区间型多属性瓶颈识别方法[J].计算机集成制造系统，2013，19（2）：429-437.

[3]Lawrence S R， Buss A H. A H.Shifting production bottle-necks：causes，cures，and conundrums[J].Production and Operations Management， 2009，3（1）：21-37.

[4]Chiang S Y， Kuo C T， Meerkov S M. DT-bottlenecks in serial production lines： theory and application[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2000，16（5）：567-580.

[5]刘明周，杜伟山，葛茂根，等.生产系统瓶颈指数及瓶颈漂移问题研究[J].现代制造工程，2009（1）：22-24.