基于瓶頸物料的農(nóng)機凈需求算法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)?

王勇，袁逸萍，李明，李曉娟

(新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830049)

0 引言

農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)屬于典型的離散制造業(yè)，機型繁多、個性化需求突出、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)品構(gòu)件多為外購，產(chǎn)品BOM信息管理困難．在實際生產(chǎn)中，農(nóng)機企業(yè)多以市場和訂單為依據(jù)制定生產(chǎn)計劃，通過MRP系統(tǒng)計算出物料需求數(shù)量，進行物料采購．但農(nóng)機在生產(chǎn)過程中存在緊急插單、工藝路線更改、產(chǎn)品類型變更等變化，導(dǎo)致企業(yè)無法迅速識別生產(chǎn)過程中的瓶頸物料，不能最大化利用庫存物料．

凌琳等在物料流瓶頸對制造車間不確定環(huán)境的敏感性的研究中，提出了物料流瓶頸對瓶頸漂移因素的敏感性度量方法，通過定義物料流瓶頸，從生產(chǎn)速率和生產(chǎn)質(zhì)量兩個方面探究了制造單元生產(chǎn)能力和需求[1]；徐漢川等在瓶頸能力均衡優(yōu)化利用的主生產(chǎn)計劃方法中，提出一種基于瓶頸能力均衡優(yōu)化利用的主生產(chǎn)計劃排產(chǎn)方法，解決企業(yè)生產(chǎn)計劃與控制系統(tǒng)中主生產(chǎn)計劃的優(yōu)化編制和能力均衡利用問題[2]；郭洪禹等對MRP進行分析與實踐，即在分析MRP的工作邏輯和工作原理的基礎(chǔ)上，對MRP的運算邏輯、BOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理等關(guān)鍵問題進行了深入的研究，并提出了解決方案[3]；鐘黎明等探討了MRP中物料凈需求的算法研究，從應(yīng)用的角度研究基于低層碼的物料凈需求算法，很好的控制了物料需求計劃的順序，提高了運行效率[4]．

然而，物料需求計劃在實際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)計劃更改、物料供應(yīng)不足等不確定因素，導(dǎo)致現(xiàn)有的MRP系統(tǒng)無法迅速識別當(dāng)前的瓶頸物料，不能及時有效根據(jù)現(xiàn)有可用物料量來調(diào)整生產(chǎn)計劃．因此，本文通過研究物料需求計劃與模塊化BOM結(jié)構(gòu)，提出基于瓶頸物料的物料凈需求算法，結(jié)合模塊化BOM結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，開發(fā)出面向農(nóng)機的物料凈需求系統(tǒng)．

1 面向農(nóng)機的模塊化BOM構(gòu)成

1.1 農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品BOM特點

農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)的機型繁多，每個機型一般是由多個不同功能的部件構(gòu)成，每個部件中又由各種相同或相異的零組件、元器件及原材料組成；同一功能的部件具有多種變異類型，部分零部件通用性強．這就導(dǎo)致了父部件與子零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系不再是單一的“單父-多子”或者“多父-單子”，甚至出現(xiàn)“多父-多子”[5]．

農(nóng)機生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的BOM通常由以下3種類型物料組成,見圖1．

圖1 某型號玉米收割機部分BOM信息

（1）通用組件．農(nóng)機生產(chǎn)中都必須用到的相同的零件，如農(nóng)機中車燈、液壓轉(zhuǎn)向裝置．

（2）基本組件．基本組件是所有產(chǎn)品不可或缺的，組件中可能會存在多種選擇組件，使用時必須選擇一種．如農(nóng)機中的發(fā)動機是必不可少的，但發(fā)動機可以根據(jù)動力大小、供應(yīng)商等信息進行選擇．

（3）特殊功能組件．農(nóng)機的生產(chǎn)實際上就是功能實現(xiàn)的過程，不同功能的機器，具有特殊功能組件．如聯(lián)合收割機與其他農(nóng)機相比，割臺是其特殊的功能組件．

1.2 面向農(nóng)機的模塊化BOM構(gòu)造

物料清單（Bill of Material，BOM）將生產(chǎn)涉及的物料轉(zhuǎn)換成表述成品結(jié)構(gòu)的文件，是聯(lián)系企業(yè)各部門業(yè)務(wù)活動的紐帶[6]．BOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將直接影響MRP系統(tǒng)性能．目前BOM的構(gòu)造有兩種基本方法：單層BOM結(jié)構(gòu)和多層BOM結(jié)構(gòu)．但面對農(nóng)機生產(chǎn)中復(fù)雜、龐大的BOM信息，單層BOM和多層BOM已經(jīng)不能滿足此系統(tǒng)的需要．

模塊化是標(biāo)準化在產(chǎn)品研發(fā)、制造過程中的應(yīng)用．模塊化設(shè)計是通過對產(chǎn)品的系統(tǒng)分析，將其中具有相同或相似功能的單元分離出來，再用標(biāo)準化思想進行統(tǒng)一、合并和簡化，以模塊化的形式獨立保存下來，最后根據(jù)農(nóng)機功能要求，將模塊組合成產(chǎn)品[7]．

2 面向農(nóng)機生產(chǎn)的庫存管理

農(nóng)機制造所需物料眾多，農(nóng)機物料管理困難．ABC分類法可以將關(guān)鍵的少數(shù)和非關(guān)鍵的多數(shù)區(qū)分開來，此方法使企業(yè)把管理重點放在少數(shù)關(guān)鍵物料上面，從而降低農(nóng)機物料管理的難度[8]．ABC分類控制管理方式如表1所示.

3 基于瓶頸物料的農(nóng)機物料凈需求算法

瓶頸物料是指在農(nóng)機生產(chǎn)過程中制約整個系統(tǒng)有效產(chǎn)出的關(guān)鍵物料，它是制約物料需求計劃實施的約束因素，直接決定著現(xiàn)有物料對生產(chǎn)計劃的滿足程度，是生產(chǎn)管理與過程控制的關(guān)鍵點．

表1 不同物料庫存的控制策略

農(nóng)機企業(yè)通常以市場需求和訂單為依據(jù)制定企業(yè)主生產(chǎn)計劃，通過MRP計算，對BOM信息逐層展開、分解．當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)計劃改變，企業(yè)難以準確識別瓶頸物料．因此，為了能夠使生產(chǎn)計劃準確、迅速、動態(tài)的響應(yīng)，提高制造系統(tǒng)的整體績效，本文從企業(yè)物料可用量入手，制定基于瓶頸物料的凈需求計劃，結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品BOM信息，以機型的部件信息為模塊，計算出瓶頸部件，再將該部件信息分解成最底層的物料信息，從而確定出生產(chǎn)過程中的瓶頸物料，計算流程如圖2所示．

圖2 物料凈需求計算流程

圖3 面向農(nóng)機生產(chǎn)的瓶頸物料判別流程

3.1 瓶頸物料識別

在農(nóng)機生產(chǎn)過程中，瓶頸物料的識別是根據(jù)物料可用量，計算出上級（即部件）的實際可生產(chǎn)數(shù)量，對部件進行分解計算，確定出瓶頸物料信息．判別流程如圖3所示，具體步驟為：

Step1:根據(jù)計劃信息輸入產(chǎn)品型號信息；

Step2:結(jié)合產(chǎn)品模塊化BOM信息，并獲取產(chǎn)品部件個數(shù)n；

Step3:初始化i=1；

Step4:通過企業(yè)物料采購計劃，獲得第i個部件中各物料的可用量N(t)，并計算各物料的可裝配部件數(shù)量BJ num，取最小BJmin，并記錄相應(yīng)的瓶頸物料信息；

Step5:若i<=n，i=i+1，執(zhí)行Step3，否則，執(zhí)行Step5；

Step6:獲取n個部件的可生產(chǎn)數(shù)量，取最小值BJmin；

Step7:得到部件的瓶頸信息，分解部件，獲得瓶頸物料信息；

Step8:除去瓶頸物料信息中的C類物資，得到A和B兩類物資的瓶頸信息．

3.2 基于瓶頸物料的生產(chǎn)物料凈需求計算

根據(jù)識別出的瓶頸物料，進行瓶頸物料的凈需求計算．物料可用量N(t)的計算與下列計算量有關(guān)，計算流程如圖4所示．

圖4 物料可用量N(t)計算流程

（1）毛需求量S(t)

毛需求量是指物料的需求數(shù)據(jù)根據(jù)獨立需求和相關(guān)需求的數(shù)量直接合計得出，它是根據(jù)主生產(chǎn)計劃成品的數(shù)量和產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)得到的需求量，尚未考慮庫存已有數(shù)量和未來的預(yù)計到貨量等信息．對于獨立需求物料，毛需求量=主生產(chǎn)計劃需求量，對于相關(guān)需求物料，毛需求量=父項的凈需求×用量因子．

（2）現(xiàn)有庫存量P(t)

現(xiàn)有庫存量指企業(yè)中在第t時段內(nèi)某一物料的實際總量．

（3）已分配量A(t)

已分配量是企業(yè)在第t時段內(nèi)已分配的物料數(shù)量．

（4）安全庫存量Safestock

為了確保生產(chǎn)的持續(xù)性，避免出現(xiàn)因為不穩(wěn)定物料供應(yīng)而導(dǎo)致的物料缺貨的情況，一般設(shè)置物料的安全庫存量．

（5）計劃收到量R(t)

預(yù)計到貨量是企業(yè)在第t時段內(nèi)因采購等原因物料到貨的數(shù)量．

（6）合格率u

在最終需求的物料中，總會存在一定數(shù)量不合格的物料，為充分滿足生產(chǎn)需要，增加了相應(yīng)物料的數(shù)量．

因此，第t時段物料凈需求量為

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)工具及體系框架

系統(tǒng)采用的開發(fā)工具如下：

編程調(diào)試軟件：Visual Studio.NET 2008（以.NET Framework 3.5為基礎(chǔ)，選用C#作為服務(wù)端語言）；數(shù)據(jù)庫軟件：Microsoft SQL Server 2008．

基于模塊化BOM的農(nóng)機生產(chǎn)物料凈需求系統(tǒng)采用典型的C/S三層結(jié)構(gòu)框架模式，包括用戶層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層[9]．系統(tǒng)總體框架如圖5所示．

4.2 實例分析

以某農(nóng)機企業(yè)生產(chǎn)為例．由于訂單需求，現(xiàn)需要生產(chǎn)一批YE-8300型玉米收割機．企業(yè)執(zhí)行新生產(chǎn)計劃，難以準確判斷出企業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的瓶頸物料．

YE-8300型玉米收割機由15個不同功能的部件組成，每個部件又由數(shù)量不等零件組成，并且不同部件公用一個或者多個零件．YE-8300型玉米收割機部分組成如表2所示．

表2 YE-8300型玉米收割機部分部件結(jié)構(gòu)表

4.2.1 BOM信息創(chuàng)建

農(nóng)機整機BOM信息創(chuàng)建是按照先部件后整機的順序原則，其創(chuàng)建流程如圖6所示．

圖5 系統(tǒng)總體框架

圖6 整機BOM信息創(chuàng)建流程圖

1.創(chuàng)建部件BOM信息

進入部件BOM創(chuàng)建界面如圖7所示，根據(jù)界面的提示填寫部件信息．

2.創(chuàng)建整機BOM信息

進入整機BOM創(chuàng)建界面，如圖8所示，根據(jù)提示填寫機型名稱、型號信息．部件選擇有兩種方式：一是在右側(cè)選擇該機型的部件信息以及填寫單裝數(shù)量；二是導(dǎo)入事先整理好的部件BOM信息的excel文件．

圖7 創(chuàng)建部件BOM信息

圖8 創(chuàng)建整機BOM信息

4.2.2 瓶頸物料運算

進入計算界面，用戶選擇計算目標(biāo)機型后，系統(tǒng)將顯示該機型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，右鍵單擊開始計算，系統(tǒng)將顯示當(dāng)前各部件的裝配數(shù)量，以及瓶頸部件信息，如圖9所示．

通過比較可裝配數(shù)量，得到發(fā)動機的可裝配數(shù)量最小，因此識別出發(fā)動機為瓶頸部件．

4.2.3 基于瓶頸物料的面向農(nóng)機生產(chǎn)物料凈需求計算

根據(jù)上述結(jié)果，對發(fā)動機進行物料凈需求計算，如圖10所示．填寫瓶頸部件信息，輸入數(shù)量，獲得發(fā)動機裝配的物料需求數(shù)量．由于油壺固定板和牌照固定板屬于C類物料，因此在物料凈需求計算時，除去C類物料，只對發(fā)動機架焊合、門框焊合等物料進行物料凈需求計算．

圖9 系統(tǒng)計算結(jié)果

圖10 獲取瓶頸物料信息

5 結(jié)論

(1)本文通過對瓶頸物料與物料需求計劃研究，提出基于瓶頸物料的物料凈需求算法，結(jié)合模塊化BOM構(gòu)造方法，實現(xiàn)了基于瓶頸物料的農(nóng)機生產(chǎn)物料凈需求的研究與實現(xiàn)；

(2)在該系統(tǒng)中，用戶可以方便快捷地修改、創(chuàng)建部件、整機的BOM信息，方便BOM信息管理，能夠提高企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品設(shè)計的標(biāo)準化、系列化程度；

(3)通過物料凈需求計算，得到現(xiàn)有物料可用量能夠生產(chǎn)成品數(shù)量以及相應(yīng)的瓶頸物料信息．將ABC分類法運用到實際庫存管理中，提高企業(yè)判斷物料可用庫存量對新生產(chǎn)計劃需求滿足程度的能力；實現(xiàn)生產(chǎn)過程中瓶頸物料識別，提高瓶頸物料管理能力，使得現(xiàn)有物料可用庫存量最大程度滿足新生產(chǎn)計劃的需求．