制造企業(yè)生產(chǎn)中瓶頸問題研究綜述

于 奇,曲 立

(北京信息科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100192)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化，制造業(yè)發(fā)展越來越受到關(guān)注。制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)力提升成為其重要競爭力。自從20世紀(jì)70年代以色列學(xué)者高德拉特博士提出最優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)，后發(fā)展為約束理論以來，生產(chǎn)中瓶頸的問題研究逐步受到研究者與企業(yè)管理人員的密切關(guān)注。為了提升生產(chǎn)系統(tǒng)整體的有效產(chǎn)出，必須改善對整體產(chǎn)出影響最大的制造單元的生產(chǎn)狀況，從而提升生產(chǎn)系統(tǒng)的平衡性與穩(wěn)定性，本質(zhì)上是一種以低投入達(dá)到組織目標(biāo)的思維流程與方法[1]。

但是隨著瓶頸技術(shù)與約束理論的發(fā)展，在將其應(yīng)用到具體行業(yè)的時候由于生產(chǎn)環(huán)境的差異以及生產(chǎn)產(chǎn)品類型的不同，具體的瓶頸識別方法與改善措施也存在差異。如何準(zhǔn)確地識別系統(tǒng)的瓶頸并改善瓶頸成為當(dāng)下瓶頸研究問題的關(guān)鍵。從之前研究的成果來看，主要研究集中在瓶頸概念的定義、識別預(yù)測及對瓶頸的控制與改善等方面。分析瓶頸問題研究現(xiàn)狀有利于進(jìn)一步明確研究趨勢，為企業(yè)實踐提供更有針對性的指導(dǎo)。

1 生產(chǎn)制造瓶頸

1.1 瓶頸的相關(guān)概念

瓶頸的概念最初來源于最優(yōu)化生產(chǎn)計劃中的定義,實際生產(chǎn)能力小于或等于負(fù)荷的資源就是瓶頸環(huán)節(jié)。這種抽象的定義由于在生產(chǎn)系統(tǒng)研究中過于籠統(tǒng)，且在實際生產(chǎn)環(huán)境中由于條件的復(fù)雜不能得到有效應(yīng)用。在瓶頸資源的定義上，學(xué)者的分歧往往是由于生產(chǎn)環(huán)境或假設(shè)條件不同導(dǎo)致某種定義在實際識別過程中不明顯或直接無法使用，從而提出另外一種瓶頸定義方法。在生產(chǎn)瓶頸的分類上，有瓶頸機(jī)器(加工單元)、瓶頸工件、瓶頸工序、瓶頸階段、物流瓶頸等等。

瓶頸機(jī)器：文獻(xiàn)[2]定義系統(tǒng)加工能力最差的機(jī)器為瓶頸機(jī)器。文獻(xiàn)[3]定義最大工作負(fù)載的機(jī)器為瓶頸機(jī)器。文獻(xiàn)[4]定義在制品庫存堆積最大的機(jī)器為瓶頸機(jī)器。文獻(xiàn)[5]定義具有最長活躍時間的機(jī)器為瓶頸機(jī)器。

瓶頸工件：文獻(xiàn)[6]提出候選瓶頸工件集與瓶頸工件的概念，認(rèn)為最不能滿足交貨期的工件是瓶頸工件。

瓶頸工序：文獻(xiàn)[7]先辨識制造系統(tǒng)中生產(chǎn)負(fù)荷大于生產(chǎn)能力的資源并將其作為瓶頸資源，然后定義需要瓶頸資源支持的工件的工序為瓶頸工序。文獻(xiàn)[8]將系統(tǒng)作業(yè)指標(biāo)值對工序生產(chǎn)耗時改變的靈敏度的大小作為瓶頸工序的判斷依據(jù)。

瓶頸階段：文獻(xiàn)[9]定義瓶頸階段為某階段的所有工作的流程總時間與并行機(jī)器數(shù)量的比值的最大值為瓶頸階段。文獻(xiàn)[10]定義瓶頸階段為某一生產(chǎn)階段全部機(jī)器生產(chǎn)速度、生產(chǎn)能力乘積與實際工作負(fù)載的比值的最大值為瓶頸階段。

物流瓶頸：文獻(xiàn)[11]定義生產(chǎn)物流瓶頸是指生產(chǎn)系統(tǒng)在加工過程中需求負(fù)荷與生產(chǎn)單元可用產(chǎn)能比最大的環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[12]定義生產(chǎn)能力、質(zhì)量能力、生產(chǎn)負(fù)荷和質(zhì)量需求的函數(shù)比較關(guān)系式。

其他有從導(dǎo)致瓶頸因素的角度去區(qū)分瓶頸為固定瓶頸和臨時瓶頸[13]。還有文獻(xiàn)[14]從成為瓶頸的能力角度提出瓶頸度與瓶頸指數(shù)的概念，認(rèn)為任何一個制造單元都有成為瓶頸的能力，瓶頸指數(shù)來描述制造單元成為瓶頸的能力的無量綱指標(biāo)。

1.2 瓶頸的延伸概念

在上述瓶頸基礎(chǔ)概念的基礎(chǔ)上，發(fā)展出的延伸概念。

文獻(xiàn)[15]提出關(guān)于瓶頸機(jī)器的延展概念瓶頸能力釋放率，即周期段內(nèi)瓶頸機(jī)器可用調(diào)度時間與周期之比，表示瓶頸的利用程度。瓶頸能力釋放區(qū)表達(dá)瓶頸能力利用對調(diào)度方案的影響范圍，說明瓶頸利用的程度會對調(diào)度方案的性能產(chǎn)生影響。

文獻(xiàn)[16]將正常運(yùn)行時間和停機(jī)時間呈指數(shù)分布時為停機(jī)瓶頸，停機(jī)瓶頸是瓶頸機(jī)器生產(chǎn)能力為0的特殊情況。

文獻(xiàn)[17]在瓶頸指數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出靈敏型瓶頸和遲鈍型瓶頸。

文獻(xiàn)[18]在瓶頸度的基礎(chǔ)上發(fā)展出綜合瓶頸度與獨(dú)立瓶頸度。

關(guān)于瓶頸的概念很多，概念是解決實際問題的理論基礎(chǔ)。如何把這些概念在學(xué)術(shù)界規(guī)范化并建立完善的知識體系是一項重要的工作。

2 生產(chǎn)中瓶頸問題研究

2.1 瓶頸識別與預(yù)測

瓶頸的概念與定義是實現(xiàn)瓶頸識別與瓶頸預(yù)測的前提。瓶頸的定義使收集數(shù)據(jù)的種類、測量方法都會產(chǎn)生一定的差異。文獻(xiàn)[19]將瓶頸識別方法基本分為以下三類：系統(tǒng)分析、仿真模擬以及數(shù)據(jù)驅(qū)動。

1)系統(tǒng)分析法。文獻(xiàn)[20-21]假設(shè)機(jī)器運(yùn)行與空閑時間呈指數(shù)分布，最常見的是伯努利模型與馬爾科夫模型，文獻(xiàn)[20]建立機(jī)器生產(chǎn)時間分布的伯努利模型，如果機(jī)器被阻塞的次數(shù)比饑餓時更多，則瓶頸位于該機(jī)器的下游;否則，瓶頸就在上游。文獻(xiàn)[21]建立馬爾可夫模型，分析機(jī)器的平均正常運(yùn)行時間和停機(jī)時間以及它們的堵塞和饑餓的頻率來確立系統(tǒng)瓶頸。文獻(xiàn)[22]定義了彈性、非彈性、整體彈性約束指標(biāo)集，對瓶頸資源進(jìn)行調(diào)配，構(gòu)建非線性規(guī)劃模型，提高系統(tǒng)整體綜合效益。模型的局限性在于其只限于靜態(tài)的生產(chǎn)系統(tǒng)的分析情況，不能隨著系統(tǒng)的動態(tài)事件導(dǎo)致的瓶頸轉(zhuǎn)移作出分析。

2)仿真模擬法。通用汽車公司[23]創(chuàng)建了一個名為C-MORE 的內(nèi)部吞吐量分析工具，通過分析各種不確定事件導(dǎo)致的瓶頸模擬分析求解器。文獻(xiàn)[24]定義循環(huán)操作時作業(yè)員占用工作站加工時間過長造成的其他作業(yè)員閑置的工作站為瓶頸，研究了作業(yè)員作業(yè)快慢的影響因素與瓶頸的關(guān)系。文獻(xiàn)[25]利用帶有排隊功能的圖示評審技術(shù)(Q-GERT)來仿真動態(tài)生產(chǎn)過程，分析生產(chǎn)過程中的不確定因素來確定生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸資源。仿真分析依賴于軟件的模擬水平與現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)的契合情況以及車間工程師對軟件操作的熟練水平與理解程度。

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動檢測法。文獻(xiàn)[26]提出對瓶頸的實時控制策略是一種在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，包括執(zhí)行反應(yīng)性維護(hù)任務(wù)優(yōu)先級化并初始化緩沖區(qū)內(nèi)容。文獻(xiàn)[27]定義在循環(huán)和失效狀態(tài)下具有最大的停留時間百分比，以機(jī)器運(yùn)行時間與故障周期的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)判斷瓶頸機(jī)器。其他像基于機(jī)器外部表現(xiàn)特征的均是通過計算機(jī)器的負(fù)載、運(yùn)行周期時間、在制品數(shù)量、機(jī)器堵塞饑餓時間等現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)來判斷。數(shù)據(jù)驅(qū)動檢測要求對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求依賴較高，而收集數(shù)據(jù)的方法能反映數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性以及經(jīng)濟(jì)性。比如文獻(xiàn)[28]基于蘋果系統(tǒng)的AR應(yīng)用程序來動態(tài)識別系統(tǒng)關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)，從而識別系統(tǒng)瓶頸，并與傳統(tǒng)Go&See方法(傳統(tǒng)方法依賴于精益觀察員通過紙與筆)比較，發(fā)現(xiàn)其在識別時間上的優(yōu)越性。

瓶頸的預(yù)測主要體現(xiàn)在對瓶頸的事前識別，傳統(tǒng)的瓶頸識別方法是在運(yùn)行的生產(chǎn)系統(tǒng)中被動地識別生產(chǎn)系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)的瓶頸，而瓶頸預(yù)測強(qiáng)調(diào)對系統(tǒng)中還未成為瓶頸但可能即將成為瓶頸的制造單元進(jìn)行識別。文獻(xiàn)[29]構(gòu)建了瓶頸多態(tài)性概念模型，運(yùn)用瓶頸閉環(huán)預(yù)測方法預(yù)測生產(chǎn)物流瓶頸。文獻(xiàn)[30]反應(yīng)各因素對瓶頸漂移的影響程度，從而對瓶頸轉(zhuǎn)移的方向作出預(yù)測。文獻(xiàn)[31]從作業(yè)車間網(wǎng)絡(luò)的角度定義瓶頸為可以控制制造信息的傳播路徑走向、改變制造信息傳播范圍的節(jié)點，建立作業(yè)車間網(wǎng)絡(luò)模型對工作節(jié)點的瓶頸度的走勢進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)[32]認(rèn)為生產(chǎn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與遺忘效應(yīng)會影響生產(chǎn)率，從而發(fā)生瓶頸位置的改變，構(gòu)造學(xué)習(xí)曲線模型來預(yù)測生產(chǎn)系統(tǒng)中潛在的瓶頸。

2.2 瓶頸控制與改善

識別瓶頸的最終目標(biāo)是要控制瓶頸的位置，加強(qiáng)瓶頸資源的利用，提升瓶頸產(chǎn)出，提高系統(tǒng)整體效益。瓶頸控制強(qiáng)調(diào)對瓶頸資源以及產(chǎn)品組合與工序排序的重新分配與優(yōu)化，是一種針對“短期瓶頸”以及動態(tài)可移動瓶頸的措施，在現(xiàn)實的車間環(huán)境中，瓶頸的控制利用往往與調(diào)度過程聯(lián)系起來。

最優(yōu)化生產(chǎn)計劃最初使用Drum-Buffer-Rope即鼓-緩沖-繩法，亦稱DBR排程法控制生產(chǎn)節(jié)奏、生產(chǎn)投入以及設(shè)置緩沖來維持生產(chǎn)系統(tǒng)平衡，實現(xiàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)的整體效益的追求。文獻(xiàn)[33]以機(jī)器減少的完工時間的邊際效應(yīng)來衡量瓶頸機(jī)器，提出一種SB(變換瓶頸程序)的枚舉版本來解決瓶頸機(jī)器與非瓶頸機(jī)器的單機(jī)調(diào)度問題。文獻(xiàn)[34]發(fā)現(xiàn)SB(變換瓶頸程序)算法解決調(diào)度問題的性能與瓶頸機(jī)器與非瓶頸機(jī)器的生產(chǎn)容量(工作負(fù)載)的差異有關(guān)，差異越大，算法的性能越好。文獻(xiàn)[35]運(yùn)用瓶頸聚焦算法調(diào)度混合流水車間相同并行機(jī)器瓶頸工作單元問題，再利用前向和后向列表調(diào)度算法獲得其他工作站的調(diào)度。其他控制措施通過一種機(jī)制或控制系統(tǒng)來對瓶頸機(jī)器進(jìn)行控制，如文獻(xiàn)[36]對單一產(chǎn)品單瓶頸問題由于機(jī)器工作負(fù)載、機(jī)器故障導(dǎo)致在制品庫存堆積進(jìn)行調(diào)節(jié)的作業(yè)釋放控制機(jī)制，文獻(xiàn)[37]建立一種JUSTICE / MORAL控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，通過控制在制品水平，控制隨機(jī)變化的瓶頸機(jī)器。

針對瓶頸的改善往往是那些長期瓶頸、固定瓶頸。文獻(xiàn)[38]從消除瓶頸工序浪費(fèi)時間，提出3種措施，最終改人工割料為機(jī)器自動下料。文獻(xiàn)[39]針對不銹鋼的鍍鎘工序運(yùn)用決策樹法進(jìn)行工序的改善，從而提升產(chǎn)品合格率，提升整體生產(chǎn)效益。文獻(xiàn)[40]基于重型卡車照明系統(tǒng)生產(chǎn)公司堆積在制品庫存高，生產(chǎn)水平不能按訂單截止日期完成的情況，提出4種方案來消除瓶頸，這4種方案是對于靜態(tài)生產(chǎn)環(huán)境中的生產(chǎn)條件的改善，是一種長期瓶頸，4種方案分別是針對特定生產(chǎn)系統(tǒng)的，如更改模具設(shè)置、給模具編號建立模具存儲數(shù)據(jù)庫、將機(jī)器的潤滑、清理、故障排除等任務(wù)轉(zhuǎn)移到其他專門的部門、減少模具更換時間的產(chǎn)品。針對工藝、生產(chǎn)流程、管理方法的改善都體現(xiàn)了行業(yè)的特殊性，普遍適用性不強(qiáng)。

需要注意的是，無論是短期控制還是長期改善，都很少通過增加機(jī)器、替換新機(jī)器、增加操作工數(shù)量等方法來提升瓶頸的產(chǎn)出能力，除非在無可選擇的情形下，一方面是因為這些方法實施成本高、經(jīng)濟(jì)性差，另一方面是無法應(yīng)對車間多變的生產(chǎn)狀況。

3 生產(chǎn)中瓶頸問題研究趨勢

關(guān)于制造企業(yè)生產(chǎn)中瓶頸問題研究，在瓶頸概念、識別預(yù)測方法以及改善等方面取得了豐碩的研究成果，但在以下幾個方面研究還不夠充分。

1) 進(jìn)行瓶頸識別的方法很多，這些方法都能在特定生產(chǎn)環(huán)境中識別出瓶頸，但是在某些情況下可能并不適用，如何在特定的生產(chǎn)環(huán)境中選擇合適的瓶頸識別方法，是進(jìn)行車間生產(chǎn)輸出效率改善的關(guān)鍵，該問題有一定研究意義。

2) 生產(chǎn)瓶頸的識別以及預(yù)測方法。經(jīng)歷了從一開始依賴于現(xiàn)場觀察人員手動記錄數(shù)據(jù)到智能檢測系統(tǒng)記錄分析，人工輔助操作與判斷，到完全的智能系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，人工逐漸被解放出來，未來對瓶頸的識別與預(yù)測可完全實現(xiàn)智能終端的數(shù)據(jù)處理與瓶頸分析及控制等一系列工作。

3) 目前關(guān)于瓶頸的概念體系尚不完備，且多是針對瓶頸機(jī)器及制造單元的定義識別，而像瓶頸階段這種新穎的概念卻很少有相關(guān)研究，建立完善的知識體系迫在眉睫。

4) 關(guān)于瓶頸的定義以及識別預(yù)測均是從生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)能約束去考慮，很少從生產(chǎn)單元的制造成本去考慮，瓶頸對企業(yè)的影響只從企業(yè)的利益方向考慮，很少從企業(yè)的社會責(zé)任的方面去考慮，如某些機(jī)器及制造單元雖然產(chǎn)能充足，從工作負(fù)載、生產(chǎn)能力方面不會識別其為瓶頸，但其排廢嚴(yán)重，導(dǎo)致企業(yè)處污成本增加，從而增加總成本且不利于環(huán)保。未來對瓶頸的研究還應(yīng)考慮機(jī)器的排廢水平及對社會的影響。

這些方面的進(jìn)一步研究將會是瓶頸問題從理論到實踐更有效的解決。