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制造业计划与控制(MPC)中的OR技术

时间:2022-03-22 11:05:25  浏览次数:

摘要:本文在对制造业计划与控制(MPC)中运筹学方法应用情况调查分析的基础上,探讨了MPC和运筹学这两者的内在特性和发展过程的某些一致性情况,分析了二者间存在的某种内在一致性,介绍了解决这些问题的一些特定运筹学方法。并就运筹学方法扩大在MPC中的应用所面临的挑战进行了分析说明并给出对策。

关键词:运筹学(OR);计划与控制(MPC);比较分析;制造业

中图分类号:F224.3 文章标识码:A 文章编号:1007-3221(2007)06-0001-05

0、引言

当今环境下,制造业计划与控制(MPC)技术是保证制造业整体系统目标得以实现的重要技术之一。回顾近百年世界经济发展的历史不难看出,无论是老牌工业发达国家,或是一些新兴工业地区如亚洲“四小龙”等,在经济起飞与发展阶段制造业都不约而同地用到了MPC这门技术。而MPC中应用到了大量的运筹学方法和技术,并在实践中取得了较令人满意的效果。

但是,随着技术进步所带来的制造过程日益复杂化和与之相关的问题的多样化,仅靠早期的某些运筹学分支理论并不能有效地解决实际问题,因为这些方法多是面向同一事物或不同事物的不同逻辑结构问题,而制造业的管理问题往往是错综复杂的综合性问题。因此,这就在实际中对运筹学各种方法组合应用提出了一个更高的要求。

此外,运筹学的传统方法论面向已经存在的系统,而MPC所要分析和解决的很大一部分系统是新的需要建立的系统。在这方面急需运筹学技术能够提供发明和设计的概念模型。

再者,运筹学方法以最优化为核心概念,而最优化的依据是问题的结构十分明确而时间相对稳定。在MPC的研究领域,大多数问题所处的周围环境是变动而非一程不变的,因此如何提高运筹学方法的最优化思想在实际应用中的适应能力,进而扩大其应用面也是一个亟待解决的问题。

本文通过对MPC中运筹学方法应用情况的调查分析,探讨MPC和运筹学这两者的内在特性和发展过程的某些一致性情况,来分析二者间存在的某种内在一致性,并就扩大运筹学方法在MPC中的应用所面临的挑战进行了分析说明并给出对策。

从MPC的主要内容和OR的研究对象的描述中不难发现,IMPC这一人机综合的系统必然成为OR工作者的一个重要研究领域,尤其是随着计算机的发展,这种研究焦点势必得到进一步深化,这是因为IMPC所包含的广泛领域为OR技术的大显身手提供了一个巨大的舞台。下面我们就结合MPC中出现的问题及其相应OR解决方法做一说明。

1、MPC一般系统结构

现实中,企业的基本活动是将有限的资源投入经一定的加工处理方式转化成有用的产出品,从这一点来看,制造活动在整个企业的经营过程中有着举足轻重的作用。而为了将资源合理、有效地转化成有用的物品,企业必须对制造活动进行集中或分散的分析、计划、合作与控制。对大多数制造型企业来说,它的计划与控制系统(Manufacturing Planning and Control,MPC)有一个一般性的基本结构。为了更好地看出OR方法的应用情况,我们首先通过一个实际的制造企业来定义一般性的MPC功能参考系统。这个系统的设计可能会因企业的不同而异,因为它取决于企业内、外部制造环境因素。

图1所示为MPC计划级别的一个递阶框架图。该结构图从高至低依次为战略级、经营级和操作级。在各计划级别上应分别根据计划的详细情况考虑原料问题和生产能力问题。对于粗略的制造计划,只需了解用于长期库存及生产计划的粗略时间;对于详细计划,则必须考虑短期或临时生产活动所需的准确数据,包括每日、每小时、甚至每分钟的数据等。

2、MPC问题与OR方法

2.1 OR方法在MPC不同环节上的应用情况

制造业计划工作通常是从上至下进行的。而控制则只有通过监测生产活动和为各系统级别提供反馈信息时才可能实现其功能。为此,我们仔细研究了OR方法在这些不同环节上的各种可能或潜在的应用情况,详见表1。

2.2 MRP-II中的OR技术

MRP-II是英文制造资源计划(Manufacturing Resource Planning)的缩写,它是MPC的一个重要环节。MRP-II从制造资源出发,充分考虑了企业进行经营决策的战略层、中短期生产计划编制的战术层,以及车间作业计划与生产活动控制的操作层。功能覆盖了市场销售、物料供应、各级生产计划编制与控制、财务、成本、库存和技术管理等部分的活动,是IMPC的一个重要研究领域,也是企业科学管理的有力工具之一。

在MRP-II中,生产提前期和主生产计划是其重要的核心部分,由于生产提前期直接影响了产品的交货速度和可靠性,因此生产提前期的确定也成为MRP-II系统有效运行的关键因素之一。因此,在MRP-II系统的框架下,正确估计生产提前期成为一个首要问题,下面即针对生产提前期和主生产计划制订中的问题及其相应的OR工具作一探讨。

2.2.1 使用OR的计划评审技术(PERT)估计生产提前期

由于PERT的活动时间带有随机性,用它来描述产品的生产周期不仅通俗易懂,而且简单易行。更为重要的是,PERT方法同时还给出了网络周期的概率描述,上述信息在生产提前期的管理中十分有用。

PERT技术估计生产提前期的数学模型应能满足以下两个条件:

(1)随机因素对生产提前期的影响,如加工时间、检验时间的波动对正确估计生产提前期有很大的影响。

(2)能够描述产品生产的各个工艺的生产能力、负荷情况、以及前后道加工工序之间的关系。

由此可见,用PERT方法估计生产提前期更为实际。

2.2.2 一类基于模糊交货期的准时化生产计划模型(FZD)

主生产计划(Master Production Scheduling,MPS)是MRP-II的一个重要环节。针对主生产计划问题,一些学者提出许多解决主生产计划的OR方法,Wang Dingwei提出了一类基于模糊交货期的准时化生产计划模型,模型FZD的特点是:

(1)该模型追求的是极大化客户满意水平。

(2)交货期是带有不确定变量的模糊交货期。

(3)该模型为单变量线性混合0-1规划问题,这为模型的求解打下了一个重要的基础。

以上是基于模糊交货期的一种准时化主生产计划模型,它根据问题要求,巧妙地利用了0-1规划来建模求解,既充分描述了问题现状,使之能有效转换成数学模型,又考虑了模型在求解时的便利情况,不失为OR技术应用的一个良好实例。

2.3 IE中OR方法应用情况调查

Ford曾对美国500家最大的工业企业应用OR的情况做过一项研究,该研究针对不同类型的生产应用软件,给出了各企业在各类计划与控制问题上对OR方法的应用情况。Berry & Lancaster,也进行了一项面向464个生产人员的类似调查。我们将两次调查研究的内容和结果分别列于同一张表内,以便更

清楚地看出OR方法在MPC的应用情况。(见表2)

从表中情况来看,人们对OR方法的整体利用情况还是很不错的。同时也可见,上述两个研究结果在OR方法的种类和应用领域等方面非常接近。二者的不同之处在于:Ford致力于研究OR方法应用于MPC领域的情况,因此其研究成果体现在平均利用情况和最大利用率方面;而Berry & Lancaster所研究的OR方法属一般理论范畴,并不针对任何一个专门生产领域,所以它得出的结论与前者自然略有不同。而通过表2中的对比不难看出,尽管Ford的研究结果表明数学规划和模拟方法的应用频率较高,但二者对OR方法的排名情况几乎是一致的。

3、OR技术在MPC中扩大其应用所面临的挑战及对策

3.1 挑战

根据R.N.Anthony三级管理模型,任何一个制造企业的管理功能可以分为三个层次,即战略计划、管理控制和操作运行控制,如图2示。

战略计划层的工作任务是决定组织的目标或目标的改变,决定达到这些目标要使用的资源,获取这些资源和使用已分配的资源。管理控制层的任务是使组织在实现其目标的过程中,有效地得到和使用这些资源。操作控制层要保证能有效完成日常的具体事物。

在面向整个三层次管理任务的应用中,OR的传统特点妨碍了它在MPC领域中的进一步应用。传统的OR方法有以下几个特点:

OR已有的各分支理论面向的是同一事物或不同事物的不同逻辑结构的问题,例如排队论、LP和NLP、网络理论等均处理截然不同的问题。而MPC中的管理问题往往是错综复杂的综合性问题。在OR理论中尚还缺少一种总的框架理念来结合使用各种模型,即“总体的挑战”。

OR的传统方法论面向已经存在的系统,而对于需要建立的新的系统缺少发明和设计的概念。这一缺陷已被许多研究OR的学者注意到,其中P.B.Checkland是代表人之一。

OR以最优化为核心概念之一,而最优化的依据是问题的结构十分明确而时间相对稳定。如果周围的环境在变动,则最优化的适应能力就很差。Schon令人信服地说明,对许多社会和组织问题,最优解维持“最优”的寿命比得到这些解所费的时间短。产生这种现象的另一个原因是因为传统的OR强调定量方法,缺少对社会或人文因素的考虑,过分强调“客观性”,即有意撇开人文因素的影响。

3.2 对策

OR要在MPC中继续发挥其巨大的潜在作用,必须扩充自己的功能。如果能有效地采用以下概念,则有助于OR同MPC的结合。

在应用OR的模型去进行企业计划与控制决策时,特别是高层决策,不能执着地坚持最优化的概念。

同系统工程理论(S.E)和系统分析理论(S.A)相结合,努力建立联合OR各种定量模型的总的框架。S.E是由Bell实验室的科学家和工程师在五十年代建立起来的一种方法,它能帮助将新的科研知识转化为满足人们需要的应用。系统工程方法论的创始者指出:SE解决问题的方法十分类似于OR,只不过OR涉及的是已经存在的系统,而SE强调的是设计和计划新的系统。另一位运筹学家C.J.Hitch指出:SA的方法论非常类似于OR的其他分支理论。而SA和SE在方法上较少定量化,面向战略和策略问题的分析。为使OR在IE中发挥更大的作用,一定要认真同SA和SE专家结合。

OR已经发展了有效的数学理论,但还缺少为工程师和管理工作者所用的、作为同OR接口的非数学理论。除了SA和SE中较少定量化的方法以外,这种非数学方法还包括各种调查、组织方法,以及培养运筹学实践工作者的教学方法。

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