多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法研究

多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法研究

0主要方法在現(xiàn)代制造模式下，制造公司的生產(chǎn)過(guò)程充滿(mǎn)了許多不確定因素，因此很難優(yōu)化控制。為降低制造車(chē)間優(yōu)化工作的難度,有學(xué)者將約束理論中的瓶頸概念加以拓展,提出了一種基于瓶頸的制造車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化方法。該方法強(qiáng)調(diào)在復(fù)雜的制造環(huán)境中能快速識(shí)別影響系統(tǒng)整體性能的薄弱環(huán)節(jié)(系統(tǒng)瓶頸),并以此為中心,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程加以分解,以降低制造車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化的難度,提高優(yōu)化的性能。瓶頸識(shí)別作為生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化的首要任務(wù),其準(zhǔn)確與否直接決定了優(yōu)化工作的時(shí)效性。目前,主要的瓶頸識(shí)別方法可歸結(jié)為3類(lèi):基于瓶頸外部表現(xiàn)特征(如將設(shè)備阻塞和饑餓時(shí)間、設(shè)備持續(xù)活性時(shí)間、設(shè)備負(fù)荷、設(shè)備利用率等作為系統(tǒng)瓶頸的特征)的識(shí)別方法、基于調(diào)度視覺(jué)的瓶頸識(shí)別方法和基于能力負(fù)荷比的瓶頸識(shí)別方法。以上3種方法以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的平均瓶頸為主,缺乏對(duì)瓶頸漂移過(guò)程的實(shí)時(shí)分析;同時(shí),現(xiàn)有的3類(lèi)瓶頸預(yù)測(cè)方法因各有特定的適用范圍,并不總是具有良好的可擴(kuò)展性。方法1利用的瓶頸外部表現(xiàn)特征是瓶頸判定的必要條件,而不是充分條件,當(dāng)系統(tǒng)處于飽和生產(chǎn)狀態(tài)時(shí),很多設(shè)備的利用率均會(huì)達(dá)到比較高的相似水平,此時(shí),運(yùn)用設(shè)備利用率難以識(shí)別系統(tǒng)瓶頸。方法2定義了每個(gè)機(jī)器調(diào)度方案的變化對(duì)系統(tǒng)調(diào)度性能的影響,具有局部性和全局性,但只從調(diào)度角度考慮了瓶頸對(duì)系統(tǒng)性能的影響,不夠全面;同時(shí),該方法需進(jìn)行大量的仿真和實(shí)驗(yàn)。方法3克服了前兩種方法存在的不足,但當(dāng)系統(tǒng)存在多個(gè)瓶頸時(shí),工序間的復(fù)雜相關(guān)性使得制造單元瓶頸責(zé)任并不總能得到有效的認(rèn)定,使得具有最大能力負(fù)荷比的瓶頸單元(主瓶頸)的判定準(zhǔn)則并不總是成立,導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)真正的主次瓶頸。因此,本文在充分考慮制造單元相關(guān)性對(duì)瓶頸能力影響的基礎(chǔ)上,提出一種基于兩種瓶頸度的多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法,以實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)瓶頸的準(zhǔn)確、連續(xù)預(yù)測(cè)。1這兩個(gè)瓶頸的描述1.1如何將非獨(dú)立瓶頸作為一種綜合瓶頸度在生產(chǎn)過(guò)程中,因各種不確定性因素的影響,任何一個(gè)制造單元都有成為瓶頸的能力,這一能力稱(chēng)為瓶頸度。瓶頸度是制造單元固有的一種動(dòng)態(tài)屬性,是制造環(huán)境中各種不確定性因素的綜合作用結(jié)果。瓶頸度越大,制造單元成為系統(tǒng)瓶頸的概率越大,反之則越小。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,制造單元之間存在一定的相關(guān)性,導(dǎo)致制造單元成為瓶頸的能力可能部分依賴(lài)于前趨單元的制造能力和制造速度。將完全或部分依賴(lài)其他單元產(chǎn)出的瓶頸稱(chēng)為非獨(dú)立瓶頸,將完全不依賴(lài)其他單元發(fā)生的瓶頸稱(chēng)為獨(dú)立瓶頸。非獨(dú)立瓶頸可能會(huì)隨著獨(dú)立瓶頸的消除或被弱化(如次瓶頸隨著主瓶頸的消除而轉(zhuǎn)化為非瓶頸),或被強(qiáng)化。通常意義上的瓶頸度實(shí)質(zhì)上是當(dāng)前制造單元固有瓶頸能力、前趨單元制造能力和制造需求綜合作用的結(jié)果,在多瓶頸環(huán)境下,無(wú)法反映出系統(tǒng)各個(gè)瓶頸的獨(dú)立性,進(jìn)而使得系統(tǒng)主次瓶頸的預(yù)測(cè)因缺乏制造單元相關(guān)性的合理分析而并不總是十分準(zhǔn)確。因此,在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出兩種瓶頸度概念,以在認(rèn)定制造單元瓶頸責(zé)任的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主次瓶頸的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。綜合瓶頸度(一般瓶頸度)指制造單元在外部要素(產(chǎn)品需求、原材料供應(yīng)等)和固有要素(加工設(shè)備、操作人員等)共同影響下成為瓶頸的能力;獨(dú)立瓶頸度指制造單元在不考慮前趨單元影響(簡(jiǎn)稱(chēng)前影)、只在其固有要素影響下成為瓶頸的能力。每個(gè)制造單元都有成為瓶頸的可能,因此,任何一個(gè)制造單元都存在兩種瓶頸度,且綜合瓶頸度不小于獨(dú)立瓶頸度。只有在下列情況下,兩種瓶頸度才相等:(1)生產(chǎn)系統(tǒng)的第一個(gè)制造單元上,若原材料、零部件的供應(yīng)穩(wěn)定,為簡(jiǎn)化分析,不考慮生產(chǎn)系統(tǒng)輸入的影響;(2)上下制造單元在技術(shù)上無(wú)任何聯(lián)系,此時(shí),前趨單元的影響為0。1.2控制周的效控制兩種瓶頸度是對(duì)制造單元運(yùn)行狀態(tài)的一種綜合描述,而定性分析無(wú)法為生產(chǎn)過(guò)程的有效控制提供依據(jù)。目前,綜合瓶頸度通過(guò)瓶頸指數(shù)加以度量,而獨(dú)立瓶頸度的度量方法則無(wú)相關(guān)研究,因此,以瓶頸指數(shù)IBN數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),綜合考慮制造單元之間的相關(guān)性,建立獨(dú)立瓶頸指數(shù)IBNI,來(lái)定量描述制造單元獨(dú)立瓶頸度的大小。1.2.1影響綜合瓶頸度的因素文獻(xiàn)從加工能力和加工需求兩個(gè)方面出發(fā),以時(shí)間、質(zhì)量和成本為參數(shù),構(gòu)建了瓶頸指數(shù)IBN的數(shù)學(xué)模型,其中,加工單元的瓶頸指數(shù)數(shù)學(xué)模型為式中,wt、wq、wc分別為時(shí)間、質(zhì)量和成本在瓶頸度中的影響權(quán)重,wt+wq+wc=1;li、Ti分別為制造單元i的生產(chǎn)負(fù)荷與計(jì)劃可用生產(chǎn)時(shí)間;Fi(t)為制造單元i因?qū)嶋H生產(chǎn)條件變化而引起的生產(chǎn)能力變動(dòng)量;pij、Eij、qij分別為產(chǎn)品j在制造單元i上的廢品率、單位處理時(shí)間、加工數(shù)量;Δpij(t)為j不合格品在制造單元i上的返修時(shí)間;Ni、fq(σ,μ)分別為制造單元i上加工產(chǎn)品的種類(lèi)數(shù)和制造單元i質(zhì)量保證能力對(duì)綜合瓶頸度的影響函數(shù);σ、μ分別為質(zhì)量特性的標(biāo)準(zhǔn)差和均值;Co、Ca分別為制造單元的目標(biāo)成本和實(shí)際成本。1.2.2制造單元的質(zhì)量影響模型獨(dú)立瓶頸指數(shù)IBNI的數(shù)學(xué)模型可描述如下:(1)若生產(chǎn)系統(tǒng)的零部件供應(yīng)穩(wěn)定,則對(duì)于第一個(gè)制造單元,有IBNI,1=IBN,1。(2)當(dāng)制造單元i與其前趨單元i-1在技術(shù)上無(wú)關(guān)聯(lián)時(shí),IBNI,i=IBN,i。(3)當(dāng)制造單元i與其前趨單元i-1在技術(shù)上相關(guān)聯(lián)時(shí)(兩制造單元均為加工單元),零部件的加工質(zhì)量是2個(gè)制造單元相互影響的表征,前趨單元的制造成本和制造時(shí)間對(duì)后繼單元的影響通過(guò)零部件的質(zhì)量加以反映。制造單元總質(zhì)量由上影質(zhì)量和分質(zhì)量組成,其中,上影質(zhì)量反映前趨單元對(duì)本制造單元的影響,分質(zhì)量反映了本制造單元自身固有的加工能力和質(zhì)量保證能力。因此,以瓶頸指數(shù)為基礎(chǔ),以分質(zhì)量和上影質(zhì)量為輸入,構(gòu)建獨(dú)立瓶頸指數(shù)的數(shù)學(xué)模型:式中,IBNI,i為制造單元i的獨(dú)立瓶頸指數(shù);β為消影系數(shù),用以消除前趨單元i-1質(zhì)量保證能力不足而引發(fā)i單元不合格率和生產(chǎn)成本的增加量,其大小與前趨單元i-1的質(zhì)量保證能力及質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)相關(guān);fq(σ1,μ1)表示制造單元i的固有質(zhì)量保證能力對(duì)其獨(dú)立瓶頸度的影響函數(shù);σ1、μ1分別為分質(zhì)量特性的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。制造單元i工序能力指數(shù)Cpk,i越高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性保證能力越高,對(duì)兩種瓶頸度的影響越小,其對(duì)應(yīng)的權(quán)重wq也隨之越小?？紤]質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)性,企業(yè)會(huì)根據(jù)客戶(hù)的需求,結(jié)合實(shí)際狀況設(shè)定適當(dāng)?shù)脑u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。表1顯示了在一定評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)下,消影系數(shù)β的確定方式;表2顯示了質(zhì)量穩(wěn)定性保證能力對(duì)獨(dú)立瓶頸度的影響函數(shù)fq(σ1,μ1)和影響權(quán)重wq,其中,α1、α2、α3、α4為工序能力指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);Cpk1,i為第i道工序的分質(zhì)量工序能力指數(shù);θ∈(0,1);λ為變量,λ∈(2,+∞),Cpk,i-1越小,且離α4越近,λ越大。3裝配線(xiàn)密度預(yù)測(cè)模型以某汽車(chē)制造企業(yè)裝配車(chē)間中一產(chǎn)品總裝線(xiàn)為例,運(yùn)用兩種瓶頸度動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)法(dynamicpredictionmethodbasedontwobottleneckdegree,TBDM)、瓶頸指數(shù)法/單瓶頸度法(singlebottleneckdegreepredictionmethod,SBDM)和基于最大出現(xiàn)頻率PBM預(yù)測(cè)方法(PBMM),預(yù)測(cè)該裝配線(xiàn)在22個(gè)生產(chǎn)日內(nèi)的生產(chǎn)瓶頸,并采用文獻(xiàn)中方法檢測(cè)實(shí)際瓶頸,以檢驗(yàn)上述3類(lèi)方法的準(zhǔn)確性。該車(chē)間共有11個(gè)制造單元Mi(i=1,2,…,11),其布局如圖2所示,裝配A、B、C、D四類(lèi)產(chǎn)品。表3顯示了各類(lèi)產(chǎn)品每天的加工數(shù)量;表4表示各類(lèi)產(chǎn)品的單位不確定處理時(shí)間;表5表示各類(lèi)產(chǎn)品的單位目標(biāo)成本co和實(shí)際成本ca,表6顯示了第1天制造單元加工產(chǎn)品時(shí)的質(zhì)量保證能力,cp為工序能力指數(shù),p為產(chǎn)品報(bào)廢率,返修產(chǎn)品在特定區(qū)域返修。3.1多瓶頸存在時(shí)系統(tǒng)預(yù)測(cè)計(jì)算各個(gè)制造單元在22個(gè)工作日內(nèi)的瓶頸指數(shù)和非瓶頸指數(shù),計(jì)算結(jié)果如表7、表8所示。22個(gè)工作日內(nèi)制造單元M1~M5沒(méi)有獨(dú)立瓶頸指數(shù)IBNI,故在表8中,省略。利用TBDM、SBDM和PBMM預(yù)測(cè)系統(tǒng)瓶頸,結(jié)果如表9所示。其中,*表示多瓶頸存在時(shí),該瓶頸為主瓶頸。為檢驗(yàn)各個(gè)預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性,運(yùn)用文獻(xiàn)中方法實(shí)時(shí)辨識(shí)系統(tǒng)的實(shí)際瓶頸,22個(gè)生產(chǎn)日內(nèi)的實(shí)際瓶頸分別為:M9*-M11-M8,M8*-M9,M10,M8*-M9,M8*-M9,M8,M*11-M9,M*11-M8,M11,M*11-M9,M*11-M9,M*11-M10,M*11,M*11-M8,M*11-M8,M9*-M8,M8*-M9,M9*-M8,M9*-M8,M9*-M8,M9*-M8-M11,M9*-M10-M11。3.2相關(guān)性的影響(1)TBDM和SBDM在主瓶頸預(yù)測(cè)方面的吻合率為77.27%,次瓶頸預(yù)測(cè)結(jié)果的吻合率為63.64%,由此可知,兩者之間的預(yù)測(cè)結(jié)果并不總是一致,進(jìn)而論證了制造單元的相關(guān)性對(duì)其后繼單元的瓶頸能力具有一定的影響。(2)TBDM對(duì)主瓶頸、次瓶頸預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率達(dá)到90.91%和81.82%,均高于SBDM(SBDM對(duì)主次瓶頸預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率分別為77.27%和63.64%),由此可知,當(dāng)制造單元間之間存在著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性時(shí),TBDM因合理認(rèn)定瓶頸責(zé)任而使得瓶頸預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確。(3)PBMM對(duì)主瓶頸預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為90.91%,與TBDM相同,但該方法只能預(yù)測(cè)出系統(tǒng)的主瓶頸,對(duì)其他非主瓶頸則忽略不計(jì),使得不確定性環(huán)境下生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化決策因未考慮多瓶頸相互關(guān)系而降低柔性。4多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法的基本流程及內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有瓶頸預(yù)測(cè)方法存在的不足,本文提出了基于兩種瓶頸度的多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法。基于兩種瓶頸度構(gòu)建的包含多瓶頸雙層預(yù)測(cè)機(jī)制、瓶頸多態(tài)性分析和瓶頸指數(shù)迭代預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法,在合理區(qū)分瓶頸責(zé)任、定量描述瓶頸漂移過(guò)程和保證瓶頸預(yù)測(cè)精度的前提下,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)瓶頸預(yù)測(cè)由間斷轉(zhuǎn)向連續(xù),為生產(chǎn)過(guò)程的合理規(guī)劃和有效控制提供了依據(jù)。由圖1可知,多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法基本流程及內(nèi)容如下:(1)多瓶頸雙層預(yù)測(cè)機(jī)制。以瓶頸指數(shù)為依據(jù),預(yù)測(cè)系統(tǒng)的瓶頸單元和非瓶頸單元。當(dāng)系統(tǒng)存在多個(gè)瓶頸時(shí),以獨(dú)立瓶頸指數(shù)為依據(jù),實(shí)現(xiàn)主次瓶頸的預(yù)測(cè)。具體步驟如下:步驟1設(shè)定計(jì)劃期[0,T],并將其分為l個(gè)時(shí)間段,表示為[t0,t1],[t1,t2],…,[tl-1,tl],令t0=0。步驟2統(tǒng)計(jì)分析計(jì)劃期[te-1,te](e=1,2,…,l)內(nèi)制造單元i(i=1,2,…,n)加工能力和加工需求相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù),具體包括制造單元可用加工時(shí)間、產(chǎn)品加工質(zhì)量保證能力、單位產(chǎn)品目標(biāo)成本、產(chǎn)品組合及各產(chǎn)品的工藝路線(xiàn)、已調(diào)度工件的執(zhí)行進(jìn)度、單位產(chǎn)品處理時(shí)間及實(shí)際加工成本、質(zhì)量需求等。步驟3計(jì)算[te-1,te]內(nèi)制造單元i的瓶頸指數(shù)IBN,ie。步驟4計(jì)算[0,T]內(nèi)制造單元i的瓶頸指數(shù)IBN,i=(0.5IBN,i1+IBN,i2+…IBN,i(l-1)+0.5IBN,il)/(l-1)。步驟5以瓶頸指數(shù)為指標(biāo),依據(jù)下式:2共同瓶頸指數(shù)的預(yù)測(cè)以?xún)煞N瓶頸度為基礎(chǔ),構(gòu)建多瓶頸動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法,其運(yùn)作流程如圖1所示。圖1中,K為瓶頸個(gè)數(shù)。式中,SnBN,T、SBN,T為非瓶頸單元集合和瓶頸單元集合;S為車(chē)間制造單元集合;χ為瓶頸判定標(biāo)準(zhǔn),一般在0.9~1.0之間取值。預(yù)測(cè)系統(tǒng)在[0,T]內(nèi)的瓶頸單元與非瓶頸單元。步驟6假設(shè)k為SBN,T元素個(gè)數(shù),若k>1,表示系統(tǒng)存在多個(gè)瓶頸,轉(zhuǎn)至步驟7;否則,預(yù)測(cè)結(jié)束。步驟7依據(jù)式(2),計(jì)算瓶頸單元r(r=1,2,…,k)在[te-1,te]內(nèi)的獨(dú)立瓶頸指數(shù)IBNI,ie,并最終計(jì)算其在[0,T]內(nèi)的獨(dú)立瓶頸指數(shù)IBNI,i=(0.5IBNI,i1+IBNI,i2+…+IBNI,i(k-1)+0.5IBNI,ik)/(k-1)。步驟8依據(jù)式(4),預(yù)測(cè)系統(tǒng)的主瓶頸BF和次瓶頸BS:(2)瓶頸多態(tài)性分析。在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,修正瓶頸漂移指數(shù)IBNS的數(shù)學(xué)模型,并依據(jù)瓶頸漂移指數(shù)大小,開(kāi)展瓶頸多態(tài)性的分析,以識(shí)別系統(tǒng)的漸向型瓶頸、漸離型瓶頸、正靈敏型瓶頸和負(fù)靈敏型瓶頸。修正后的瓶頸漂移指數(shù)數(shù)學(xué)模型為式中,ΔIBN為不確定性因素引發(fā)的制造單元瓶頸指數(shù)的變化量;Δc為各個(gè)不確定性因素對(duì)制造單元時(shí)間、質(zhì)量和成本的綜合影響值;T(t)、Q(t)、C(t)