運籌學在工業(yè)制造業(yè)工程中的應用探究

胡 嚴

（杭州職業(yè)技術(shù)學院，杭州 310018）

0 引言

工業(yè)制造業(yè)工程于20世紀初起步于美國，至今已有近百年的發(fā)展歷史。而中國從20世紀八十年代從開始從國外引進和學習先進的管理方法，中國機械工程協(xié)會成立的工業(yè)工程研究會標志著中國工業(yè)工程(CIE)的誕生。關(guān)于工業(yè)制造業(yè)工程的定義，被普遍認可的是由美國工業(yè)制造業(yè)工程協(xié)會做出的定義：“工業(yè)制造業(yè)工程對人員、物資、設(shè)備、能源和信息所構(gòu)成的集成系統(tǒng)，進行設(shè)計、改善和實施的一門學科。”從定義可以看出,工業(yè)制造業(yè)工程的目的在于提高和完善組織效率、生產(chǎn)質(zhì)量，需要從基層發(fā)現(xiàn)問題并解決和完善問題。因此，工業(yè)制造業(yè)工程必須基于現(xiàn)實，充分利用運籌學方法，并將運籌學方法靈活運用到工業(yè)制造業(yè)工程中去。

1 運籌學方法研究綜述

從廣義上來說，運籌學方法是對模擬 (SIM)、專家系統(tǒng)(ES)和可視界面模型(VIM)、人工智能(AI)等方法的綜合運用。運籌學既要有創(chuàng)造性的科研，又要涉及到實際的管理，并最終通過向決策者提供能夠看得到實用價值的意見得到驗證。運籌學有廣闊的應用領(lǐng)域，但不同時期的學者們使用的運籌學方法存在差異。根據(jù)使用者的不同,同一時期人們對運籌學方法的排名也不盡相同。Lane (1993)根據(jù)不同的使用者使用的運籌方法情況作了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 定量化運籌方法的使用排名情況

由表1可知，運籌學教師和實際使用運籌方法的人員在運籌學方法的使用上存在差異。數(shù)學規(guī)劃、模擬和統(tǒng)計都是教師和實際使用人員傾向使用的方法，雖然排名有所不同。網(wǎng)絡分析、排隊論、隨機過程和決策分析這幾種方法的排名也比較靠前。由此可推斷:上述的運籌學方法甚至更多都被運用到工業(yè)制造業(yè)工程中。

同時，人工智能和專家系統(tǒng)這兩種方法并未在表1出現(xiàn)，這可能是由于沒有將這兩種方法考慮在運籌學方法之內(nèi)的結(jié)果。不過最近國內(nèi)外學者的研究發(fā)現(xiàn)，人工智能和專家系統(tǒng)的應用范圍正在逐步地擴大和加深。與此同時，它們的發(fā)展?jié)摿υ跊Q策支持系統(tǒng)(DSS)中也非常之大。位于教師使用排名第二和實際使用人員排名中第三的模擬也日益得到青睞。主要是由于模擬法的算法語言簡潔，并且大多情況下可以根據(jù)實際情況加以修改。工業(yè)制造業(yè)工程中的物料搬運、靈敏制造系統(tǒng)等都因模擬法得到了極大地發(fā)展。另外，模擬模型仿真可能性的提高迎合了目前大多數(shù)企業(yè)都具有的系統(tǒng)仿真功能，這也是它受到歡迎的另一原因。

總的來說，表1包括的各種方法應用于工業(yè)制造業(yè)工程的不同領(lǐng)域，正好為我們研究和分析工業(yè)制造業(yè)工程與運籌學之間的聯(lián)系，以及如何實現(xiàn)運籌學在工業(yè)制造業(yè)工程中的價值找到了事實依據(jù)。

2 工業(yè)制造業(yè)工程中運籌學的應用

2.1 制造計劃與控制:問題與運籌學方法

有價值的產(chǎn)品或服務的產(chǎn)出是制造活動的最終目的。企業(yè)通過分析、計劃、合作和控制制造活動，合理有效地將資源轉(zhuǎn)化為具有效用的物品和服務。對于制造型企業(yè)而言，計劃與控制系統(tǒng)(MPC)有其一般性的基本結(jié)構(gòu)。首先，我們通過實際的制造企業(yè)對一般性的計劃與控制系統(tǒng)進行定義，從而更為清晰地了解統(tǒng)籌學方法的應用情況。計劃與控制系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計受企業(yè)內(nèi)外部的環(huán)境影響，因此各企業(yè)之間可能存在差異。圖1是計劃與控制系統(tǒng)在計劃上的遞階框架圖。結(jié)構(gòu)圖從上往下，依次為戰(zhàn)略級、經(jīng)營級和操作級。計劃工作通常由上至下開展，由于計劃的級別不同，因此需要充分考慮各級別計劃的實際情況，并且要把原材料和生產(chǎn)能力考慮在內(nèi)。對于更加詳細的生產(chǎn)計劃，須考慮到短期，甚至臨時生產(chǎn)活動所需的原材料及相應生產(chǎn)能力，其需明確至日、小時、甚至分鐘的數(shù)據(jù)安排；對于稍微粗略的制造計劃，只要知道長期的庫存和用于生產(chǎn)計劃的大體時間就可。而控制功能的發(fā)揮則是在監(jiān)測生產(chǎn)活動以及為各計劃級別提供反饋信息之時。

圖1 MPC 一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 標準生產(chǎn)軟件包中典型的運籌學方法

目前商業(yè)常用的計劃與控制系統(tǒng)軟件并未將運籌學模型及其方法大量運用其中。雖然市面上也存在著如庫存模型、MRP和優(yōu)先法則等的運籌學方法軟件，但從計劃與控制商業(yè)系統(tǒng)中的實際開發(fā)情況來看，統(tǒng)籌學模型的發(fā)展?jié)摿€未真正開發(fā)。這可能是因為運籌學模型在生產(chǎn)系統(tǒng)中存在的潛力本身就很巨大，但目前還未充分利用；或者又由于時間條件的限制，在制作活動中不太適合運用目前的運籌學模型。目前的運籌學模型主要是“技術(shù)驅(qū)動”式而并非“需求驅(qū)動”式。又因為新興的信息技術(shù)并未充分利用在生產(chǎn)軟件中，加之運籌學模型與當前的生產(chǎn)制造水平并未平等匹配，因此計算機輔助系統(tǒng)中極少出現(xiàn)新的軟件。雖然如此，運籌學方法在標準生產(chǎn)軟件包的出現(xiàn)是遲早的事情，并且很好的運用運籌學方法的軟件在可獨立應用系統(tǒng)中找到的可能性最大。

隨著信息科技的不斷發(fā)展，各種發(fā)展契機將源源不斷地到來。而各種不同的的運籌學模型和技術(shù)將得到各種獨立應用系統(tǒng)的支持。例如預測銷售訂單的需求管理模型(DM)，將支持時間序列分析，涵蓋各種運籌學方法，例如誤差統(tǒng)計預測、線性回歸和多元回歸等。

3 運籌學技術(shù)應用趨勢

在預測運籌學方法在今后的應用趨勢的時候，必須將制造業(yè)環(huán)境的變動因素考慮進去。制造業(yè)企業(yè)的內(nèi)外部環(huán)境變化將影響到未來標準生產(chǎn)軟件包中運籌學模型及其方法的運用。當前，生產(chǎn)制造業(yè)逐步向著分散化和小型自治的單元方向發(fā)展，部門經(jīng)理的職責日益加重。這種變化趨勢要求在整體上建立一個綜合模型；同時，由各部門經(jīng)理在各生產(chǎn)單元上建立一個簡單靈活的小型生產(chǎn)模型。此種模型還需要讓經(jīng)理能直觀地理解建模情況。

1991年，Crookes 發(fā)表了模擬技術(shù)在開發(fā)運籌學軟件方面的趨勢的看法。他認為模擬軟件的發(fā)展將以客戶為導向，以服務客戶均為最終目的，不管是軟件程序的特殊算法語言，還是軟件的適用性等等。雖然現(xiàn)在用于支持工業(yè)制造業(yè)工程現(xiàn)場決策的模擬軟件在不斷減少，但專家系統(tǒng)在模擬軟件中的運用在解決實際生產(chǎn)問題時是非常重要的。同時，這些軟件要求使用人員對其建模的系統(tǒng)和環(huán)境要相當熟悉，并且需要掌握各種建模的方法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以建立獨立的數(shù)據(jù)庫。所以在使用此類模擬軟件時應當有所注意。

DM模型中包含了時間序列分析、統(tǒng)計、回歸分析等預測方法。在建立庫存計劃和生產(chǎn)計劃模型時，總計劃層面的信息是必不可少的。也有專家認為，雖然目前多數(shù)模型都從不同角度對總體生產(chǎn)計劃的情況進行了反映，但現(xiàn)實中企業(yè)很少會真正使用學術(shù)界提出的相關(guān)運籌學模型。這很可能是由于許多重要的建模數(shù)據(jù)缺乏的原因。因此，如何獲得建模數(shù)據(jù)的問題顯得十分重要，它將將決定運籌學在企業(yè)中的實際應用程度。

在生產(chǎn)計劃模型面前，關(guān)于生產(chǎn)批量等的信息是生產(chǎn)經(jīng)理最應首先獲得的，而標準生產(chǎn)軟件包中一系列試探算法的運用，并無太大難度。這樣一來，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)理在檢驗生產(chǎn)進度情況時需要以實際結(jié)果是否與計劃相符為標準。由于需求計劃模型包含批量控制技術(shù)，因此庫存控制軟件也能將計算安全庫存模型納入其中。而之前也提及某些可獨立運行的應用系統(tǒng)，其也能支持生產(chǎn)控制模型。因此，標準軟件包中若包含了這些可獨立應用系統(tǒng)，也將使效用得到更好地發(fā)揮。在這種發(fā)展趨勢下，帶有VIM的模擬設(shè)施將在不同程度上出現(xiàn)于未來的系統(tǒng)設(shè)計中。

理念更新、實踐為本、學科交融將是運籌學發(fā)展的必由之路。運籌學源于實踐，其發(fā)展也應以實際問題驅(qū)動為主，學科驅(qū)動為輔，相輔相成地共同發(fā)展。運籌學研究的主流應該在實踐中發(fā)現(xiàn)新的問題，并推動新的方法和理論的發(fā)展。同時，還應注意學科交叉的研究，不能將運籌學的定義卡得太死，而失去其原本的意義。運籌學是運籌理論發(fā)展的產(chǎn)物，盡管目前不太成熟，但其發(fā)展?jié)摿Σ豢尚∮U。

4 結(jié)束語

運籌學模型及其方法的應用在工業(yè)制造業(yè)工程領(lǐng)域的潛力是不可估量的。因此，對運籌學模型與其適用條件進行研究，了解各種運籌學模型的實際運用之處顯得十分重要。信息技術(shù)全面快速的發(fā)展，使得本系統(tǒng)能為系統(tǒng)的使用者提供需要的信息和豐富的模型。但由于信息技術(shù)的更新?lián)Q代周期非常短，導致軟件開發(fā)商對運籌學方法的實際運用程度低于信息發(fā)展速度。因此，需要重視新模型和新方法，可以首先納入獨立應用系統(tǒng)進行實際運用，如果有其使用價值，再植入標準生產(chǎn)軟件包中，以發(fā)展其更寬廣的用途?？偠灾?，運籌學模型軟件在計算機輔助管理的工業(yè)制造業(yè)工程領(lǐng)域?qū)⒆兊迷絹碓街匾?。在今后的發(fā)展中，運籌學模型將更多采用綜合集成到整體的手段，實現(xiàn)1 + 1 > 2 的飛躍，達到從整體上研究和解決問題的目的。

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