基于Ｅｘｔｅｎｄ的多品種少批量生產控制策略研究

摘要：建立高效的多品種小批量的生產系統，來快速響應多變的市場需求，是企業的生存之道，卻又是制造企業的“痛”。在對多品種小批量生產特性分析研究的基礎上，運用CONWIP控制策略思想，提出了更為實用的CONTIP（CONstant Time In Process）策略，并通過建立Ewtend仿真模型來驗證策略的有效性，同時深入探討了產品組合、生產瓶頸和生產設備使用率等因素對生產過程控制的影響，有助于對多品種小批量生產的進一步研究。

關鍵詞：多品種小批量；CONWIP；CONTIP；Extend仿真

中圖分類號：F273文獻標識碼：A文章編號：1002-3100(2008)07-0130-03

Abstract: Building an efficient many species， small quantity product system in to satisfy positively the demands of inconstant marlet， is the subsistence method of manufacture enterprises， but‘a tender spot’. In the present paper， CONTIP， as a more practical strategy， is proposed based on the research of production system of many species， small qyantity product and ideas of the control strategy for CONWIP， then is set an emulation to validate its efforts by Extend. At the same time， the paper thoroughly probes into theses efforts of production process control made by factors such as production compounding， production bottleneck and the utilities of production machines. These all contribute to the more profound research about many species， small quantity product.

Key words: many species small quantity; CONWIP; CONTIP; Extend

1多品種小批量生產特性分析

伴隨著買方市場的形成、個性服務的增加，傳統的生產方式顯然已無法適應市場多元化需求，而能快速響應多變的市場的多品種小批量生產方式逐漸成為眾多企業提高生產率、增加競爭能力的一種主要生產方式。

多品種小批量的產品生產過程中，產品種類較多，與一般的生產控制過程有著本質的區別。任一時期內生產線上的產品并非單一品種，且產品的生產流程也不近相同，這無疑增加了生產管理的難度。文獻[1]提出多品種小批量生產的特點，這里具體總結為產品種類多、生產流程復雜、生產不均衡；需求的多樣性和不確定性；計劃性差、調整性強、及時交貨率低；生產效率低、在制品多、設備調整難，等等。

鑒于多品種小批量生產的這些特性，有關多品種小批量生產等方面的研究特別是生產控制策略等基礎性研究就成為當代學者們研究的重中之重。

2CONWIP生產控制模式

當今生產控制策略主要分為推式生產系統（以MRPⅡ為代表）和拉式生產系統（以Kanban系統為代表）。而CONWIP混合控制方式繼承了推式和純拉式生產系統的優點，成為時下最炙手可熱的生產控制策略。

CONWIP混合控制方法由Spearman等人于1990年提出[2]，即對于給定的生產線，通過控制生產線看板的總數來控制在制品的總量，實現定量在制品（CONstant Work In Process）生產。在CONWIP系統中，生產線的初始工序只有在整個系統中的在制品量降至某一特定水平后才能開始投料生產，生產線上的其它工序均以推動方式進行工作。常常也被看作是單階段Kanban系統。

完全繼承了拉式生產系統特點的CONWIP生產控制方式在多品種小批量生產中明顯優于推式生產系統，這一點我們不再贅述。而與純拉式生產控制方式相比，CONWIP系統克服了Kanban系統針對單一產品，適用于更廣泛的應用環境（多品種產品生產）；以及改變在有顯著設備調整準備時間（setup time）的情況下Kanban系統無能為力的狀況，這更符合多品種小批量生產的特點；此外CONWIP生產控制方式以系統的觀點擁有較高的生產效率，較低的在制品量[3]。這些優勢都表明CONWIP策略先進于推拉式生產控制方式，但卻并非是多品種小批量生產環境下的最優生產控制策略。

3CONTIP生產控制模式

CONWIP主要是實現定量在制品來控制生產。但是對于多品種小批量生產來說，等量的在制品數并不等同于等量生產作業。CONWIP沒有考慮不同產品間加工時間的差異，單以在制品的數量來控制生產過程是不夠準確的。在多品種小批量生產中，由于不同產品的加工時間不同，當產品組合變化時，即使生產線上的在制品數量相同，系統中的生產作業量也不會相等甚至會相差很大。

CONTIP（CONstant Time In Process）控制策略是用在制品在設備上需要的總加工時間來作為指標控制生產，達到定量在制品加工時間，實現各產品的均衡生產。其工作流程與CONWIP基本相同，見圖1。CONTIP控制策略與CONWIP控制策略的最大的區別在于CONWIP控制的是在制品總數，而CONTIP控制的是在制品加工總時間。

4Extend仿真驗證

Extend系統仿真軟件是由美國Imagine That公司開發的通用仿真平臺，既可以用于離散事件仿真，又可以用于連續事件仿真。本文正是借助于Extend軟件對離散事件系統仿真的強大支持，建立了多品種小批量生產仿真系統，其思路清晰、方法簡單、效果理想。仿真結果驗明了基于Extend 的仿真系統的正確性，并對以下問題進行了深入探討。

（1）產品的不同組合對生產效率的影響；（2）生產瓶頸和生產設備使用率的分析；（3）生產需求、原料供給、設備使用等各波動對生產效率的影響。

4.1仿真模型。引用文獻[5]中的生產模型：一個由五個工作站組成的Flow shop生產系統，該生產線共產出三種產品A、B、C。每種產品的投料率均為4個/每單位時間。每個產品在各個工作站的加工時間不同，均服從指數分布，具體參數見表1。

根據以上文獻[5]生產模型的各參數建立多品種小批量Flow shop生產系統的Extend模型，見圖2。

參考多品種小批量生產績效原則（提高有效產出、降低庫存、減少經營費用），確立本次仿真的主要績效指標為在制品量、產出量、平均產出率和平均設備負荷。

4.2仿真運行。在多品種小批量Flow shop生產系統模型的基礎上，比較CONWIP控制策略和CONTIP控制策略在關鍵績效指標上的優劣。每次仿真運行時間為50 000分鐘。

Extend按以上設定的初始參數運行，并以動畫形式展現整個生產過程，直到設定的仿真時間為止，用遺傳算法模塊得到最優控制參數，并利用后處理模塊中的Plotter模塊給出所需的曲線。

4.3仿真結果分析。借助遺傳算法模塊得到CONWIP控制策略和CONTIP控制策略的最優控制變量分別為八單位在制品、十七單位在制品時間。然后對這兩種控制策略根據前面得到的最優控制要素進行仿真，進行關鍵績效指標比較，見表2。

表2中，可以看出對于多品種小批量生產環境下CONTIP在產出量、產出率和平均設備負荷等方面均優于CONWIP。仿真結果很好地印證CONTIP的有效性，且效果顯著。

下面來看產品的不同組合對生產效率的影響：利用Extend中的靈敏度分析改變原來的三種產品投料率來查看CONTIP控制策略下生產系統各性能的變化，見表3。

正如表3所示，不同產品組合的生產性能相差較大。整個生產系統的總投料率均為12個/單位時間，生產系統性能卻迥然不同，兩個關鍵指標平均產出率和平均設備負荷都有明顯的差異。可見在多品種小批量生產系統中，產品組合研究至關重要，直接影響到生產的方方面面。CONTIP控制策略正是通過控制生產線總加工時間來實現產品組合的控制。

再來分析一下生產瓶頸和生產設備使用率：這里將前面四種生產過程中各設備負荷值列至表4。通過此表，可以很容易地判定各生產過程的瓶頸所在，Ws1是生產瓶頸，但是次瓶頸卻有些不同：前三種生產狀態次瓶頸為Ws3，而最后一種生產狀態則是Ws2。不同產品組合影響了生產瓶頸的位置變化。此外CONTIP控制策略模型中的瓶頸設備利用率幾乎達到了最大的使用率，這點完全符合約束理論中DBR的原理，進一步驗證了CONTIP控制策略的高效性。

最后來看生產需求、原料供給、設備使用等各波動對生產效率的影響。這些生產要素的變化無疑會給生產系統帶來非常大的影響：生產需求的變化包括品種和數量的變化等，都直接影響到產品的組合，而產品組合的變化影響前面已經論述；原料供給變化也會作用于生產投料的變動、生產狀況的變化；設備的增減都將改變生產線上設備的負荷情況、生產瓶頸的變化，最終引起生產狀況的改變。CONTIP控制策略在應對生產需求、原料供給、設備使用的波動方面的潛力無限。

5結束語

本文研究討論了多品種小批量生產特性，提出了適用于多品種小批量生產的CONTIP控制策略，并建立仿真模型驗證。前面的仿真分析，進一步證明相比于其它生產控制策略CONTIP控制策略更加適合多品種小批量生產。此處僅例舉生產較為簡單的Flowshop型生產系統，相信對于復雜的Jobshop型生產系統CONTIP的應用范圍將更為廣闊。

參考文獻：

[1] 季學金. 精益生產在多品種小批量生產企業的應用[J]. 機械工人，2005(7):29-32.

[2] Spearman M L， Woodruff D L， Hopp W J. CONW IP: A Pull alternative to Kanban[J]. International Journal of Production Research， 1990，28(5):879-894.

[3] 黃敏，汪定偉，王興偉. CONWIP生產控制方法[J]. 控制與決策，1999，14(3):193-198.

[4] Anavi-Isakow， S. and B. Golany. Managing Multi-Project Environments Through Constant Work in Process[J]. International Journal of Project Management， 2003，21(1):9-18.

[5] Framinan， J. M.， Ruiz-Usano， R.， Leisten， R. Input control and dispatching rules in a dynamic conwip flow-shop[J]. International Journal of Production Research， 2000，38(18):4589-4598.