面向項目制造的復雜裝配過程資源匹配研究

徐建萍 郭 鋼 羅 妤,3

1.重慶大學,重慶,400033 2.貴州大學,貴陽,550025 3.重慶科技學院,重慶,400050

面向項目制造的復雜裝配過程資源匹配研究

徐建萍1,2郭 鋼1羅 妤1,3

1.重慶大學,重慶,400033 2.貴州大學,貴陽,550025 3.重慶科技學院,重慶,400050

大型復雜產品制造企業由于其產品結構復雜,對制造過程的組織管理不同于一般產品。在MRPⅡ系統基礎上,整合項目管理方法滿足復雜產品制造過程特征要求,建立滿足項目制造管理模式的分級生產計劃模型。針對大型復雜產品的最終裝配過程,構建基于時段的資源匹配矩陣,反映資源對計劃的匹配程度,采用排隊原則優化多項目有限資源與計劃的匹配,提高最終裝配計劃的可行性,保證項目產品的按期交付。

大型復雜產品;項目制造;分級生產計劃;資源匹配矩陣

0 引言

大型復雜機械產品是指由客戶定制、結構復雜、體積(容積或質量)大、技術含量高、生命周期長、以單件或小批量方式生產的高成本、高風險、管理過程復雜的大型機械產品[1],例如大型專用設備、飛機、艦艇、坦克等。大型復雜產品設計和生產過程復雜,生產準備和制造過程周期長,一般采用面向訂單設計(ETO)的單件小批生產模式,包括技術準備、生產準備、產品制造等多個階段,在產品制造階段主要劃分為零部件制造和最終產品裝配兩個制造層次。單件小批生產模式通常采用基于MRP/MRPⅡ、網絡計劃等理論的混合計劃管理模式[2-6];從產品的唯一性、獨特性等項目特征出發,面向項目的制造(project-based manu facturing,PM)管理模式正逐步形成,實現項目管理與物料管理兩大功能的結合[7-8]。作為產品形成重要階段的最終裝配過程,基于MRPⅡ的能力需求分析和網絡計劃的單一項目資源優化都不能滿足大型機械產品最終裝配過程多項目、多資源匹配的要求。本文針對大型機械產品生產組織、計劃的特點,以項目制造管理模式為出發點,提出面向大型產品復雜裝配過程的資源匹配方法,解決多項目、多資源環境下資源能力匹配問題,提高最終裝配計劃的可行性。

1 面向項目制造的分級生產計劃模型

大型機械產品具有較高的定制性,持續的客戶影響貫穿整個生產過程;產品結構復雜,生產周期長,具有逐步演進、邊設計邊生產等特點。相對于工程建設項目,面向訂單設計的大型復雜產品制造過程也具有獨特性、臨時性、唯一性和多功能性等項目的一般特征;不同的是離散制造企業是以零部件制造和產品裝配作為關鍵業務過程,基于一定的制造策略通過生產系統來進行管理。其生產計劃和控制過程與傳統批量生產方式不同:

(1)產品生產過程的計劃需要與產品開發進度計劃建立關聯,并最終滿足整個項目的進度要求,即服從以項目為主線的整體生產調度。

(2)較長裝配提前期對物料需求計劃的影響。傳統物料需求計劃制定最終產品裝配所需物料的配送時間是以主生產計劃制定的開始時間為基準。大型復雜產品由于裝配周期長,從滿足零部件的采購/加工提前期、降低庫存成本等方面考慮,要求最終產品裝配所需物料的配送時間以所在裝配工序的計劃時間為基準,使得不同工序所需物料的MRP完工時間有所不同,如圖1所示。

圖1 傳統MRP計劃時間與大型復雜產品MRP計劃時間的差異比較

(3)基于項目的粗計劃和細計劃的有機結合。項目產品的粗計劃是根據綜合BOM數據編制,在產品制造BOM及工藝路線數據尚不完整的情況下,用于項目進度的控制以及安排關鍵件/重要件的采購和加工;產品的最終裝配計劃是以產品部裝、總裝為對象的細生產計劃,需要根據各進裝點的計劃安排確定完整的物料配送清單。

(4)復雜裝配過程資源配置不同于一般離散產品。傳統ERP系統中無論是粗能力計劃還是能力需求計劃都是建立在工作中心基礎上的單一資源能力計劃,即每一工序所需的資源僅為一項。大型單件產品的裝配過程在資源配置上既要考慮整個裝配任務的共享資源,如裝配場地、裝配工裝等,又要考慮單個工序的多資源需求特征(人員、設備、工裝夾具等)。能力計劃需要針對多項目實現多資源匹配的成套性。

我國學者吳炎太[9]認為項目制造是由一系列緊密相聯的任務組成的,盡管項目制造的結果是某種產品,但項目制造并不是產品本身,項目制造包括項目投標、產品開發設計、工藝裝備設計與制造、產品生產、產品安裝調試、產品生命周期內的服務與支持等整個項目生命周期過程。離散制造業的項目制造是以創新型產品為對象,在廣義資源約束下涵蓋整個產品生命周期對產品及其資源進行的計劃、組織、協調和控制,旨在按期交付滿足客戶要求的產品。在生產計劃與控制階段,產品形成階段是整合項目管理與物料管理兩大功能模塊的關鍵,需要從項目管理的角度出發將產品開發、生產準備、產品制造這三方面的工作相互銜接、相互貫穿,實現以產品項目為主線的多級集成計劃控制模式。在此,提出基于MRPⅡ的項目制造分級計劃模型,如圖2所示。

面向項目制造的分級生產計劃模型由項目定義層、項目計劃層和基本生產計劃層構成,通過項目計劃層形成一個橋梁,形成產品研發和制造兩大核心業務過程的協同;以典型MRP處理邏輯作為基本生產計劃層的核心,滿足企業項目制造模式與重復生產模式的混合管理。其主要處理邏輯是:

(1)項目計劃階段是在項目定義的基礎上圍繞裝配網絡圖展開,采用網絡計劃編制項目主生產計劃,確定每一裝配節點的工期、計劃開始時間和計劃完成時間,與之相對的裝配粗能力計劃是對整個裝配過程涉及的共享性資源(裝配場地、工裝夾具等)的能力計劃。項目物料需求計劃(MRP by Project)是針對產品最終裝配過程,用于最高層裝配的零件、部件,并以項目主生產計劃網絡圖上的裝配節點時間為參照形成的物料需求分析。

(2)基本生產計劃的制定遵循了MRP的處理邏輯,從主生產計劃到物料需求計劃進行需求轉換,但產品的最終裝配計劃與零部件的主生產計劃相互獨立。項目制造環境下,由于產品最終裝配環節的重要性及其復雜性,僅僅采用“輸入-輸出”的黑箱計劃方法難以對較長的裝配提前期實現有效的計劃和管理。通過項目計劃層的宏觀整體規劃,最終裝配計劃是對項目主生產計劃的細化,并形成與之對應的滿足復雜產品裝配過程資源需求特點的能力計劃和物料配送計劃。

圖2 面向項目制造的分級生產計劃模型

2 項目制造模式下最終裝配過程的資源與計劃匹配問題

M RPⅡ/ERP系統中計劃與資源匹配問題主要是針對零部件制造過程的能力需求分析,通過粗能力計劃和能力需求計劃實現單一資源要素與計劃的匹配[10-13]。普通批量裝配生產線強調裝配過程的專業化、簡單化和標準化,生產過程中通過節拍保證能力與負荷相對均衡,工作中心這種資源組織形式比較適合有一定加工批量、工序時間少于在班時間的批量生產環境,工作中心的能力是每一天的每一班可用的時間和有多少能力單元可用,利用工作中心的累積能力來執行一個任務項,縮短加工周期。大型復雜產品由于體積龐大,通常采用地坑等進行固定裝配,裝配工序較復雜,涉及的物料、設備、工裝夾具等種類繁多;對裝配人員的技能要求較高。對于大型單件產品而言,工作中心的累積能力不能真實反映其對計劃的滿足程度,關鍵是單個能力單元的能力是否滿足計劃需要。

項目制造環境下的最終裝配過程對物料供應和資源能力的管理不同于一般產品的裝配過程,作為企業核心業務過程的產品最終裝配過程在資源匹配問題上具有以下特征:

(1)每個項目產品的裝配過程是由一系列相關聯的裝配單元構成,裝配單元作為獨立的任務有對應的人員、工裝、設備等資源需求。每個計劃期需要針對不同項目的多個任務進行資源匹配。

(2)項目主生產計劃為最終裝配計劃的制定提供了時限約束,最終裝配計劃是在項目主計劃基礎上擴展形成的二級網絡圖計劃。

(3)裝配計劃與資源的匹配需要,直接資源與資源要素的能力對應,而不能采用工作中心的累積能力來評價對資源需求的滿足程度。

傳統MRPⅡ/ERP系統中對資源能力的管理是通過每一天的每一班可用的時間來實現的,即資源能力是通過資源的可用工時來表達。大型單件機械產品最終裝配過程的資源需求不僅需要資源滿足一定的工時,同時還存在多個可替代資源同時承擔一項裝配任務的情況,即還對資源數量也有要求。為了不與工作中心產生混淆,這里采用資源組的形式針對資源的工時能力和數量能力兩大指標建立對資源能力的描述。

資源組是在同一時間需要的一組資源或是可以互相替代的資源集合。例如,裝配過程中用到的裝配鉗工,組成資源組后,則可以在該資源組中指定多名裝配鉗工同時負責一項裝配任務。

基于以上特征,項目制造環境下資源/資源組能力信息可以描述為一個三元組:

式(1)中,Capa In fo描述資源的基本信息包括資源總量Amount,屬性ResNature描述該資源是否處于正常使用狀態。裝配制造資源能力包括兩個部分:可用能力(Capa)和負荷(Load),資源能力是根據該項資源對應的工廠日歷設置的工作時長和班次,形成基于時間軸確定的工時能力Capa Value,資源負荷Load反映了某個時段任務Task ID對資源能力的占用,即結合工廠日歷形成的資源工時負荷(ResLoad),以及任務Task ID在資源/資源組中分配的資源數量(AcquireNum)和占用狀態(OccupState)。

項目制造環境下裝配過程的任務及資源需求定義為:

式(2)中 ,Durationi、TSi、TFi和Bu f feri分別描述任務taski的工期、開始時間、完成時間和任務具有的時間緩沖(自由時差)。Dep描述了任務間的緊前、緊后關聯關系。任務taski的第l項資源需求ResRequestil可以對應一個資源組Team ID il,或是直接與資源項ResID il關聯,所需資源數量為RequestNum il,占用資源的工時能力根據任務的開始時間和工期確定。式(2)對資源能力從資源的工時能力(Capa Value)和資源數量兩個方面進行了統一,使得對資源可用性的評價可以直接通過資源數量來進行判斷。

項目制造環境下,每個任務受到所在項目計劃時間的約束,不同項目的任務是可以并行執行的,因此,將各時段不同任務對同一資源的需求量進行累計便得到資源項在計劃展望期內所需資源能力單元之和,稱為資源需用量,顯然,資源需用量是時間的函數,記為R=R(t)。假設整個計劃期需要考慮的資源或資源組表示為Resourcej(j=1,2,…,h),根據式(1),資源或資源組在時刻t的能力為

式(3)表示如果資源或資源組Resourcej在時刻t的資源數量Availab leNum j≥1,此時該資源具有的單位工時能力值為CapaValuej(1小時/1天/1周);否則,Capa Valuej=0,即資源能力已經被占用形成負荷。

資源與計劃的匹配就是要滿足R(t)j≤AvailableNumj|t,對于R(t)j＞AvailableNumj|t的時段在資源需求與資源可用能力之間產生沖突,需要采取一定的措施來進行沖突消解。

3 多項目有限資源與計劃的匹配方法

在計劃與資源的匹配問題中,任務資源需求與資源能力如何進行比較以及兩者比較的結果以哪種形式體現出來是解決問題的關鍵,下面就針對匹配計算方法進行具體描述。

3.1 參數描述

假設進行資源匹配的計劃展望期H=[h1,h2],其中h1大于當前日期。集合Jc表示該展望期中需要進行資源匹配的任務集合,Jc={Ptask1,Ptask2,…,Ptaskn},Ptaski∈ Jc(i=1,2,…,c)的基本信息包括任務開始時間 TSi、完成時間TF i和工期Durationi,集合中任務根據 TSi的遞增順序排隊,確定其在集合Jc中的序號Priorityi。單個任務的資源需求可能不止一項,包括主要資源和次要資源,任務Ptaski的第l項資源需求表示為ResRequesti l=(ProjectIDw,Task ID i,Team ID il,ResID il RequestNunil),主要反映對資源的數量需求,資源占用工時跨度通過工期Durationi確定;整個計劃期需要分析的關鍵資源或資源組表示為Resourcej(j=1,2,…,h)。資源能力根據式(1)得到,描述資源/資源組基于時間軸的工時能力 Capa Va lue及資源數量AvailableNum。

3.2 面向最終裝配計劃的資源匹配分析

項目制造環境下產品的最終裝配計劃采用網絡圖的形式,計劃與資源的匹配分析需要把不同項目的多個任務的多項資源需求集中反映出來,這里采用時標網絡圖[14]構建多項目的混合網絡圖計劃,進行資源匹配分析。

(1)繪制多項目的任務時標網絡圖,劃分資源能力需求時段。

集合Jc={Ptask1,Ptask2,…,Ptaskn}中的任務來自同一項目或是不同項目,任務之間的時間銜接不一定是連續的,根據各任務的開始時間TSi/TSij和完成時間TFi可以將展望期劃分為N個作業節點,由此構成 N-1個對應的時段ty=(a,b),其中y=1,2,…,N-1;a,b∈[h1,h2]。如圖3a所示,計劃展望期內包含兩個項目的9個任務,根據任務安排展望期劃分為6個時段。

圖3 多項目網絡圖及資源需用量動態曲線

若ajy≥1,在時段ty=(a,b)內資源Resourcej的資源能力滿足資源需求。若ajy＜1,在時段ty=(a,b)內資源Resourcej的資源能力不滿足資源需求,存在資源沖突。另外,如果在時段ty=(a,b)內對資源Resourcej沒有使用需求,即R(ty)j=

(2)按時段匯總所需資源的能力需求R=R(t)。資源能力需求是時間的函數,由此可以得到多項目的資源需用量動態曲線。如圖3b所示是資源Resourcej在計劃展望期6個時段的資源需求量動態曲線,橫坐標是基于工廠日歷表示的資源工時能力,縱坐標表示任務在各時段的資源需求數量。

(3)根據時標網絡圖的時段構成計算各時段的資源能力。

(4)資源需用量與資源能力的匹配分析,構建基于時間分段的資源能力-需求匹配矩陣,反映資源匹配結果。資源能力與資源需用量匹配分析的結果反映的是資源在各時段的資源需求與資源能力的匹配程度,可以采用一個基于時間分段的資源匹配矩陣[ajy]h×m來表示,如圖 4所示。其中,ajy為資源能力-需用量匹配系數:0，則令ajy=+∞。

圖4 基于時間分段的資源匹配矩陣

(5)有限資源與計劃沖突的消解。

對于存在資源沖突的時段,根據資源特點采取不同的策略來進行沖突消解。

在多項目混合網絡圖基礎上按時間分段來評價資源能力對資源的需用量R(t)的滿足程度,

3.3 多項目有限資源沖突的消解

生產系統中的資源沖突問題無時不在,引起資源沖突的原因可能是資源數量過少,難以滿足任務需求;也可能是任務安排過于集中,導致資源在某些時段超負荷。通常解決資源沖突的措施主要有4類:①增加資源容量/資源總數;②業務外包/外協;③通過資源組合的方式利用多項資源的能力共同滿足任務的資源需求;④利用排隊原則調整某資源對應任務的優先順序號,借助于任務的時間緩沖來優化資源配置。在項目制造模式下資源沖突更多體現的是不同項目產品對有限資源能力的競爭,任務對資源需求的時間受到項目計劃的約束,同時要滿足緊前、緊后生產任務的時間約束,因此,在項目制造管理模式下多項目資源沖突需要在保證計劃進度的基礎上,進行多項目之間的資源協調,通過資源的優化配置為更重要、更緊迫的項目爭取足夠的資源能力,保證計劃進度。

多項目有限資源沖突消解方法是利用任務具有的時間緩沖(時差)來對沖突時段的任務進行調整,優先保證關鍵任務的資源需求。

(1)準備多項目的任務時標網絡圖和資源能力-需用量匹配矩陣。

(2)從左向右逐一考察動態曲線的資源能力-需用量匹配矩陣的各個時段,若在某個時段(a,b)內資源能力-需用量匹配系數ajy≥1,即資源能力滿足資源需求,則考慮下一個時段。否則,就對該時段內的所有任務按照對應資源進行重新排隊編號,依次按編號順序分配需要的資源。

(3)重新排隊后,若時段(a,b)及其后續時段內任務都為關鍵任務或是已無時差可采用的非關鍵任務,則調整結束。否則分配不到資源的工作,將其移到該時段后,從時刻b開始。

(4)根據調整后的任務時標網絡修正資源能力-需用量匹配矩陣。

需要說明的是,在時段(a,b)內某任務右移時,如果該任務的緩沖時間小于右移的量b-a,這時它的緊后任務也必須右移一定量,也就是將其開始節點右移(b-a)-Bu f feri個單位。若緊后任務為關鍵任務就會造成整個工期的延長,此時需要在延長工期和保持資源沖突兩種結果上作出選擇。

資源沖突時段內任務的重新排隊,是根據任務在網絡計劃中的時差以及與沖突時段的關聯性來決定的,排隊原則是:

(1)首先排(a,b)時段前已經開始了的任務,對于這些任務應優先滿足其資源需要,使它們能繼續下去。這些任務按式(5)中F′i遞增順序進行排隊。對于F′i相同的任務,資源強度大的任務排在前面,強度小的任務排在后面。

(2)然后排(a,b)時段內時刻a開始的關鍵任務,當關鍵任務為多項時,按資源強度的遞減順序排隊。

(3)最后排(a,b)時段內時刻a開始的非關鍵任務。這些非關鍵任務按任務總時差的遞增順序排隊。當任務的總時差相同時,資源強度大的排在前面,資源弱小的排在后面。

基于排隊原則的資源沖突消解方法能夠有效利用任務的緩沖時間(時差)平衡來自不同項目的多個任務的資源需求。

3.4 實例分析

以圖3所示的多項目時標網絡圖為例,該計劃包含了9個任務,各任務計劃時間參數以及任務資源需用量值如表1所示。項目P1中的任務Ptask7具有6個單位時間的緩沖時間,項目P2的任務Ptask3具有10個單位時間的緩沖。根據時標網絡圖,任務安排展望期劃分為6個時段,分別是t1=(0,5),t2=(5,10),t3=(10,16),t4=(16,20),t5=(20,24),t6=(24,30)。假設項目 A 、B在展望期內的任務涉及兩種關鍵裝配制造資源:人工和清洗機,為簡化資源能力的計算過程,現設人工和清洗機兩項資源各時段的能力為常數,即單位時間人工最多為14個能力單位,清洗機最多為2個能力單位。由此,得到該計劃展望期內所需資源匹配情況的資源能力-需用量匹配矩陣,如圖5所示。當前資源匹配情況是時段t1資源能力與需求匹配,時段t2、t3和t4出現資源匹配沖突,時段t5和t6資源能力與需求匹配。

任務的資源強度主要體現為任務執行期間對所需資源占用的數量和時間,包含資源數量和資源工時兩方面的能力需求。根據各任務資源強度及時間信息,按照資源沖突消解步驟逐一分析各時段的資源匹配情況,基于排隊原則對資源匹配進行調整,消解資源沖突。調整過程中隨著任務的移動,相應時段的資源需用量值發生變化,根據資源能力與資源需用量動態值比較來評價資源匹配程度。

表1 任務資源強度及基本計劃信息

圖5 多項目資源能力-需用量匹配矩陣

根據圖3和圖5對時段(5,10)內的任務進行調整。對于資源A和B,時段(5,10)內任務的排隊順序如表2、表3所示。

表2

表3

由此,任務Ptask3必須推遲到時段(5,10)后開始。推遲后的時標網絡圖及其相應的資源需用量動態曲線如圖6所示。

經過調整,時段(5,10)的資源沖突得到消解。從圖6可見,時段(10,15)內的任務必須調整。按照排隊原則對資源A和B在時段(10,15)內的任務進行排隊(略),將任務Ptask5可以調整到時段(10,15)以后開始,調整后的時標網絡圖及其資源需用量動態曲線如圖7所示。

圖6 時段(5,10)基于時標網絡圖的資源沖突消解過程

圖7 時段(10,15)基于時標網絡圖的資源消解過程

在圖 7中,時段(15,20)內包含3個任務Ptask4、Ptask5和Ptask6,其中Ptask4和Ptask6為關鍵任務,Ptask5經過調整后只含有1個單位的緩沖時間,此時,在時段(15,20)內資源A仍然存在沖突,時段(15,20)的對應資源A任務的排隊情況如表4所示。

表4

根據這個排隊順序,需要調整Ptask5到時段(15,20)后開始,由于此時Ptask5的緩沖時間僅僅為1,Ptask5右移5個單位時間到時段(15,20)后開始,相應的其緊后任務Ptask7也必須右移相同的量,這樣就導致項目P1工期延長。反觀圖7的資源匹配情況,兩種資源A和B僅有資源A在時段(15,20)超負荷1個單位,此時可以根據表4的任務順序,優先滿足任務Ptask4和Ptask6的資源需求,為任務Ptask5尋求替代資源,從而在保證項目工期的前提下,最大程度保證關鍵重要任務的資源需求。

綜上所述,面向項目制造的多項目有限資源與計劃匹配方法體現了四方面特點:①根據任務的計劃安排動態劃分資源需求時段;②采用數量指標作為資源能力評價的顯性指標,資源工時作為隱性指標,統一了不同性質資源能力的表達;③構建反映各時段的資源需求與可用能力匹配程度的資源能力-需用量匹配矩陣,強調資源與計劃匹配的整體性;④利用排隊原則對任務資源匹配順序進行調整,將出現的資源沖突與任務相關聯,盡量滿足關鍵重要任務的資源需求,從而保證項目產品的按期交付。

4 結束語

項目制造模式在大型復雜產品制造企業的應用需要在傳統生產計劃與控制模式的基礎上整合項目管理方法。本文針對大型復雜產品生產過程中的特點以及所反映出來的項目特征,將網絡計劃方法和MRPⅡ系統進行整合,建立面向項目制造的分級生產計劃模型,利用粗、細混合計劃管理方式滿足不同生產階段的計劃控制要求。針對大型復雜產品裝配過程的資源匹配問題,提出了多項目有限資源優化配置方法,利用任務緩沖時間合理分配有限資源,最大程度保證關鍵重要任務的資源需求。構建基于時間分段的資源匹配矩陣,全面反映計劃期內所需資源的需求與供給情況,有效提高計劃可行性。

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Research on Resource Matching of Complex Assembly Process under Project-based Manufacturing

Xu Jianping1,2Guo Gang1Luo Yu1,3
1.Chongqing University,Chongqing,400033 2.Guizhou University,Guizhou,Guiyang,550025 3.Chongqing University of Science and Technology,Chongqing,400050

Organization and management o f m anu facturing p rocess in large-scale and comp lex product enterprises is different from common products because of the com plexity of products.Layered production planning module was established to meet the needs of project-based manufacturing,which integrated projectmanagementw ith MRPⅡsystem.On account of the final assembly process of large-scale and comp lex products a resourcematching matrix based on period of timewasbuilt to evaluate the resource matching degree w ith p roduction p lanning.A t the same time,a queuing p rincip le was app lied to op tim ize limited resource capacity matching of mu lti-p rojects,so that the feasibility of the finalassembly scheduling can be increased and the product can be comp leted on time according to the delivery time.

large-scale and comp lex product;project-based manufacturing(PM);layered production p lanning;resourcematching matrix

TH 181

1004—132X(2011)12—1427—07

2010—08—16

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2007A A04Z1B1)

(編輯 何成根)

徐建萍,女,1974年生。重慶大學機械工程學院博士研究生,貴州大學管理學院副教授。研究方向為項目管理、生產運作管理的理論研究與工程實踐。發表論文 9篇。郭 鋼,男,1960年生。重慶大學機械工程學院教授、博士研究生導師。羅 妤,女,1981年生。重慶大學機械工程學院博士研究生,重慶科技學院講師。