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混合生产和调度问题的研究
Hsiang-Hsi Huang , WenPei, Horng-HueiWu, Ming-DerMay
摘要
本文旨在解决流水线混合生产计划下的调度问题。为了说明所开发的机制，提供了TFT-LCD模块制造的最后阶段的案例研究。在这项研究中，讨论了混合生产线系统及其重新调度问题。使用基于约束理论的缓冲区管理和DBR调度方法来检测，识别和平衡系统中的瓶颈问题。结果的直接贡献是提高生产调度系统的生产灵活性和流动性，并使整个供应链系统成员受益。仿真软件Flexsim用于构建和评估所开发的模型，讨论仿真系统性能对订单最大延迟，总延迟成本和跨度的一些现象。
- 介绍
混合生产线是如今的制造系统模型趋势之一，也是满足客户的不断要求有用的制作方式。全球供应在世界范围内建立连锁体系，制定混合系统模式更重要的是行业。企业和企业实现这一目标目标是满足客户需求与经济效益和需求通过成功计划和执行成本来降低成本供应链管理。确立了电子化的全球化系统结构，电子和无线通信行业可以看作是供应链的一种结构[1]。需要不同尺寸的液晶显示屏（LCD）或平板显示器（TFT-LCD，薄膜晶体管液晶显示器，特别是成为今日主要消费者的产品供应来源链式系统的需求电子设备和无线通信产品，例如笔记本电脑，数码相机，iPad和iPhone等。这是本文基于模块制造的原因TFT-LCD来演示开发的机制。
为了满足客户的需求，即高品种和低产量，混合生产线系统和拉动现象概念是重要的。因此，最后的阶段模块制造，TFT-LCD产业的发展情况进行了讨论要求客户。混合线重复流生产被定义为不同类型的产品是按原样进行生产的，在交易时间内应该是，但不必要是，不同类型的短产品。 这些不同类型的产品显示了跨越生产线上的图案。1983年的哈尔[2]使用了四种类型以产品A，B，C，D为例进行说明一种生产系统。生产结构有四个不同类型的产品是A-B-C-A-B-C-A-B-A-D在一条生产线上。这种混合流程代表了这种情况产品完成后，已经出现了四个A，三个B和两个C产品。
TFT-LCD产业的主要生产程序包括三个主要阶段，即阵列，单元和模块。生产程序的最后一部分，即所谓的模块，是最后的组装，是以能力和材料为导向的。根据客户的订单数量和到期日期的要求，设计一个好的日程安排至关重要。尽管如此，在当今多品种，小批量需求的环境下，建立混合生产线系统也至关重要。如何在更长的调度过程和不可靠的生产要求下解决上述情况是本文的主要问题。因此，本研究的目的是构建流水车间制造系统的混合生产线系统的调度和重新调度模型。单条生产线上的这种混合生产线结构可以满足供应链配置影响下的定制需求和流程需求。本研究还打算采用从约束理论（TOC）和缓冲管理派生的DBR（鼓 - 缓冲 - 绳）调度技术来研究考虑到期日，完成时间，跨度， 和瓶颈转移现象，以调度订单和产品。TFT-LCD行业使用仿真软件的一个真实案例也被执行。 分析结果表明，该模型可以为流水车间生产系统提供有用的生产控制机制，以提高行业满足世界客户需求的能力。
- 文献综述
大量的研究人员一直致力于生产调度问题这一领域。 尽管他们中的很多人基本上只关注单一或小范围的系统性能。 但制造系统实际上需要考虑到计划和执行阶段的整个交互过程，以从不同方面揭示实际因素。 这项研究试图应对混合线和重新安排的结构； 因此，将审查几个主题，包括混合生产线和混合模式生产，瓶颈和瓶颈转移以及缓冲区管理。
TFT-LCD制造通常是用于生产特定尺寸或产品的单条生产线。在过去，研究人员基本上专注于利用容量约束资源（CCR）的概念，通过使用DBR技术[3]或重新调度时间和执行频率问题[4-6]来重新设计单流量线。在TFT-LCD制造中，由于工厂空间有限和设备投资昂贵，有必要设置混合生产线以提高生产率和效率，并尽可能降低总成本，包括设置成本，制造成本和存货成本[ 7,8]。对于重新安排问题，胡等人 [9]应用蚁群算法来安排订单以适应最小的平均流量时间，以便尽快安排紧急订单。 Itayef等人 [10]开发了一个两阶段启发式算法，并在第一阶段分配固定订单作业，然后使用模拟退火算法优化作业顺序。崔等人[11]使用关键链和TOC来开发六种不同的启发式方法来解决重新安排以及资源和工作优先问题。 Wang和Wang [12]提出了仅在机器故障和故障期间考虑重新调度的部分重新调度。
2.1混合生产线和混合模型生产
许多研究主要讨论所谓的混合模型和混合生产线问题。混合模型生产系统基本上讨论了一个生产模式不同的生产线或生产线。不同的模型，例如连续生产或间歇生产，可应用于生产线的前部或后部[4,13,14]。Hall [2]在1983年以A，B，C和D四种产品为例描述了这种生产体系结构。生产线上有四种不同类型产品的生产结构是A-B-C-A-B-C-A-B-A-D。这种混合流程表示，每当产品D完成时，已经生产了四种A，三种B和两种C产品。在这个系统中，瓶颈问题和生产系统的利用是本研究中最重要的问题。在生产线上更换产品或在这个所谓的混合生产线系统中安排困难时，有不同的设置时间问题。研究人员主要关注如何消除生产过程中的现有废物，或在独立和独立条件下搜索生产序列的最佳解决方案[4,14]。本文基于总容量概念和DBR技术，即约束理论，研究流水作业混合生产系统中物料的不同批量供给和瓶颈偏移的影响。
2.2．瓶颈和瓶颈转移
实际上，对瓶颈有不同的解释。但瓶颈通常表示限制或限制系统或组织输出的资源的可用容量。在服务或制造系统中，瓶颈可能被定义为处理时间最长或平均利用率或负载最高的资源，或通过减少工作站的处理时间来减少整个流程的平均流程时间。在本文中，瓶颈可以分为两个不同的阶段，规划和车间执行阶段[14,15]。在计划阶段，瓶颈加载基于测量的标准时间并通过添加所需的加工时间来计算;而在车间执行阶段，瓶颈现象可以通过WIP现象，数量以及资源前缓冲区的进展情况来检测。目前，订单主要是定制的，确切的市场需求大多是不确定的。因此，由于订单被频繁取消，紧急订单到达，原材料短缺等原因，主要生产调度可能需要重新安排。重新安排是解决请求波动和不确定性的主要方法之一。不幸的是，瓶颈和瓶颈转移是重新安排的主要原因。由于客户订单或请求的频繁变化以及工作量的变化，瓶颈站可以移动到另一个站，形成所谓瓶颈移位或浮动瓶颈现象。发现缓冲区和缓冲区管理能够通过设置缓冲区容量和重新调度来管理生产波动[3]。表1列出了生产阶段与重新安排因素之间的比较。
表1：瓶颈移位的原因和对事件进行排序的因素。来源：郭[3]。
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瓶颈转移的阶段和原因 |
重新调度的因素 |
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生产计划阶段 |
容量平衡 产品组合物料输入计划生产执行阶段批量大小 过度追求非瓶颈资源的优化诸如机器等概率因素下降 |
计划加载 1.取消订单2.订单更改（包括数量或到期日期）3.紧急或紧急订单4.材料短缺5.处理时间过长或低估6.返工7.提前或延迟8.机械故障或 细分9.质量问题 |
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生产执行阶段 |
调度方法 |
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2.3混合生产线的性能
劳伦斯和巴斯[16]已经展示了如何找到瓶颈beta;的变化水平，beta;= 1-（cv /radic;n）它使用beta;来提醒管理者，当beta;高时，资源或工作站趋于成为瓶颈，需要加以控制。 Huang和Cheng [17]已将直觉应用到WIP中，以确定WIP超出一定控制极限时的瓶颈偏移。这种方法对于用户来说似乎很方便，但对于那些有紧急到期日的订单或制造流程时间较短的产品，响应时间太长。这是因为瓶颈只有在发生后才能检测到。在本文中，可以通过应用缓冲区管理技术来检测此问题，以便在检查点时间（CPT）检测瓶颈，以监控瓶颈移位并消除瓶颈。物料批量供应的时间安排，数量和顺序受供应链反应的影响，也与客户要求的响应有关。物料和产品需求的批量供给也会对瓶颈和瓶颈转移的发生产生结构性影响和变化。混合生产线系统的重要性能指标是到期日的完成，最小化生产时间和重新安排[3,4]。
3.模型开发和建立
如前所述，瓶颈和瓶颈转移可能发生在两个阶段，即计划和执行阶段。 约束理论和系统输出的概念都受到瓶颈约束的限制，并被应用于研究混合系统的研究中。 我们的目标是将计划阶段纳入管理，以解决瓶颈问题并提高系统生产力。 对于本文的整个研究来说，该发展是基于工厂的总产能，并应用TOC来构建单一混合生产线系统的生产计划，以提高生产效率并防止产能浪费。 然后将DBR算法应用于混合线路系统的调度方案中，受到下游客户小批量高品种需求模式和复杂产品组合的影响。
3.1系统描述和模型制定
研究的混合线系统改编自TFT-LCD产业的模块制造部分。 在TFT-LCD制造过程中包含三个阶段的阵列，单元和模块。 模块制造过程位于整个生产流程的末尾，并直接关系到客户的要求和要求。 “模块”的制造过程是一个流水线生产系统，如图1所示。
所有产品必须沿着相同的流程进行操作。这个系统的基本假设是：1.每个工作一次只能在一台机器上运行；2.每台机器一次只能处理一项工作；每个作业一旦开始处理就不能停止，即不允许先占；3.在同一台机器上运行时，不同产品的安装时间会有所不同；4.即使操作顺序不同，设置时间也会不同；5.本研究不包括再入流程结构和产品返修流程。 表2列出了所用变量的相关描述和定义。
3.2系统模型的开发和建立
DBR，TOC的Drum-Buffer-Rope技术和缓冲区管理将用于混合生产线系统的开发和控制。所开发的程序和模型如下所示，将有助于管理人员更早地检测生产问题，评估这些改进方法的适当性并进行重新安排。
3.2.1 DBR调度
步骤一：检测受限资源。 这个步骤基于此平均资源加载量来检测受限资源。拥有最高成就的瓶颈平均装载量在总计划时间内。
（1）
步骤二：确定缓冲区大小。 缓冲区大小基于缓冲区瓶颈。在这里，我们假设瓶颈工作站M，其中Mfrac14;1,2,3，y，S和产品项目为1，即j=1，然后：
步骤3：设计瓶颈工作站的生产节奏。设计瓶颈工作站的生产节奏不仅决定如何安排生产节奏也直接决定了系统的功能非瓶颈站的合作顺序。在绩效评估指标中（下一小节将对此进行介绍），最小最长的订单迟到也被选作基本标准。 操作优先级可以由以下规则确定：
- EDD规则，基于截止日期。
- 如果到期日期是一样的，然后按照选择的规则订购，首先有较大数量的拖期成本处理。
- 如果所有订单的到期日和滞后成本都相同，然后首先处理处理时间最长的处理时间。
因此，瓶颈站的生产节奏可以设计如下（假设只有一个瓶颈站，并在第M站）：
- 计算M站每个工单的理想完成时间
ICTijm = DDi - SBij （7）
- 计算瓶颈的工作时间站M
WPTijm = STijm*beta;k PTijm （8）
- 3.计算工作顺序瓶颈的最佳启动时间站M
ISTijm = ICTijm - WPTijm （9）
- 计算启动输入时间的材料计划系统。
OSTijm = ISTijm - BBij （10）
OSTijm（Order StartTime）是计划的起始输入Oij在瓶颈站M的时间
OCTijm = OSTijm WPTijm （11）
- 计算材料计划启动输入时间产品系统工作站。
OSTij1 = ISTij1 - BBij，OSTij1是计划的开始，Oij第一个工作站的时间 （12）
OCTijs = OSTij1 - WPTijm （13）
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