基于约束理论的船舶管系加工进度计划系统研究 外文翻译资料

基于约束理论的船舶管系加工进度计划系统研究

摘 要

船舶管系生产是船舶建造的一个重要组成部分之一，管系生产的进度情况对全船的建造计划有很重要的影响。该研究结合管加工工厂生产管理中的实际问题，通过引入约束管理理论（TOC），开发了适用于船舶管系生产的智能进度计划系统。该系统集成了管子制品模型、生产资源模型、生产作业模型以及加工数据库，实现了作业计划和生产进度计划编制的自动化。此外，该文评价了系统在应用中所取得的效果，认为系统在管子生产的进度管理、设备利用率和库存等方面均具有较传统方法更优的表现。关键词：船舶管系生产；进度计划系统；约束管理理论.

引言

船舶管系生产是船舶建造过程中与模块结构同步的另外一个重要的生产组成部分。在当代造船厂，船舶管系的生产发展提高了模块结构整体性的水平，这对船厂的生产活动非常重要。

作为一个典型的加工车间，管系加工工厂面临一个巨大的挑战：通过科学有效地安排大量的各种各样的不同型号、不通材料、不同尺寸管系产品的生产来提高生产量和生产效率。除此之外，考虑到一系列大量不同的要求、目的和参考数值，工厂里的人力主管因为调度工作的复杂性承担着非常繁重的重担。

为了提出有效的有关于调度困难的解决方案，本文讨论了由TOC（约束理论）而衍生出的调度方式-ITOC（智能约束理论），该理论能够运用到管系生产当中去。基于这种方法，一种伴有综合生产模式的调度系统开始发展。

在这篇文章中，以上所有观点的细节会被讨论。而且，一个在特定管系工厂应用调度系统的研究已经在篇尾得到了论证，该系统的实施达到了很好的理想水平通过绩效指标评价来完成，比如平均作业时间，库存量和按期完工率。

造船是一个大型制造业项目。在施工阶段，船体进行组装和喷漆，一些设备，管系、电缆和其他的一部分配件被安装在合适的位置。对于船舶的总体规划建设，这些船体舾装的生产可以被视作造船的支持性产业，是非常重要的。在这篇研究中，管系生产的调度管理将会被分析讨论。

1 约束理论

约束理论（Theory of Constraints, TOC）是由以色列学者 戈拉德提出的生产管理策略，理论集成 了目标管理、库存管理、生产绩效评价、生产进度编排、生产过程控制等诸多方面。近年来，各类学术期刊和杂志相继介绍和报道了该理论在不同企业应用中的有效性，Mabin 和 Balderstone 在其研究 中对于所采集的 78 个生产案例进行了统计分析^[3]；结果显示，约束理论为这些企业缩短了平均约 66% 的生产周期，按期完工率提高了 60%，在制品库存量降低了 50%,产量则提高了约百分之六十八之多。

很明显，约束理论成为一种有效的管理哲学能够成功地解决处理大量生产中的调度问题。然而，一旦管业公司的生产难度高，TOC系统的执行将会受阻由于缺乏合适的计算机工具。为了克服这个困难，本文在TOC内容的基础上为管系工厂开发了综合生产调度系统。首先，流程规划将会自动执行基于由工厂生产模式和数据库提供的生产信息。接下来，设备和每个操作的调度会由相关的知识理论（包括约束理论的相关内容）来决定。而且，系统的调度结果将和一些广泛使用的方法带来的结果进行比较。结果显示，建议系统达到了一个很高的标准无论是在平均生产周期还是在完工率和库存量方面。

不同于现代项目管理方法中的关键路径法，约束理论在计划制定方面考虑了各种生产资源的实际状况，约束理论的一个重要主旨就是生产系统的限制决定了系统的生产量，这应该成为管理的焦点。瓶颈被定义为生产流程中的一个单元，会限制工厂的生产量。约束单元可能是一台机器或则是一个操作人员，他们限制了整个生产流程的生产量。关注约束环节的开发改进，并针对提高紧缺资源（也称“瓶颈资源”）使用率进行进度计划排定，从而实现了对生产流程中约束环节的有效管理，相对提高了进度计划制定的科学性和合理性。应用约束理论进行约束和生产进 度的管理一般按照以下五个步骤：

1. 识别约束环节和瓶颈资源；约束环节可能是内在因素（比如 容量 政策）或者外在因素（比如 市场 供求）。一旦所有约束环节不会轻易断裂，管理人员应该进入到下一个环节。
2. 改进约束环节，提高瓶颈资源利用率；通常这里有很多种各式各样的方式来完成这个。它必须确保在考虑到目的的情况下，相关决议能够最大化地利用瓶颈资源。
3. 使其他生产活动服从于约束环节。它是可持续增长过程中最重要的一步。从属关系重新定义了系统中每个流程的目的，通过假设每个环节旨在独立完成任务并由此尝试完成制造单元中的所有目标。然而，有时可能存在两项任务优先原则的问题，比如对同一种资源的竞争。可能出现这种状况，在服从环节之后系统约束被打破，但是一些其他单元转化成为瓶颈元素。在这种情形中，整个过程的五个重点步骤再次开始通过重新定义系统约束。
4. 提高生产约束；有时执行完第三个步骤后，一些原始的系统约束依然保留，随后假设所给的方案已经完成，系统不可能在没有其他管理实施的情况下更好地运转。
5. 返回第一步，持续进行约束管理。

源于约束理论在项目规划,活动展现领域中五个为人所知的重点步骤的运用，关键项目链管理（CCPM)，着重强调完工时间，CCPM作为约束理论的一个重要延伸点正在发展当中。CCPM也能降低项目变更和项目预算超支的主要来源，通过增强调度计划。作为项目的主要环节，CCPM发展成为一种关键链而不是一个重要步骤。关键链包括逻辑和资源独立。在解决资源冲突之后CCPM形成一种关键链，而不是在把约束资源考虑进CPM之前。考虑到多项繁重任务，随机驱动延迟和优先级的缺乏带来的不良影响，每项任务计划应尽量延迟启动。

船舶管系生产中的有效调度

船舶管系加工

管路系统在传播中得到了广泛的应用用来传递传到流体.大多数管道都由低碳钢合成。流体的流速、粘度和所载流体的压力决定了管道的直径。管道可通过对焊，法兰连接或则其他机械部件比如弯头，异径管，套筒，三通阀等等。

船舶管系工厂由一些具有特定功能的装备设施组成，像切割装置，弯曲设备，组装和焊接设备等等。每种类型的设备能够通过它们管系加工中的许可尺寸来进一步显示。当设备切换至不同尺寸的管系加工状态时设备进入准备时间。在加工设备可运行之前其他待加工管系进入列队待加工状态。

对于管系工厂，客户的需求每个星期都在改变，在某一例订单中，管系产品的交货期可能与预期有出入。考虑到客户要求的交货期，工厂经理要每天决定产品的调度问题。

管系工厂中的调度问题

通常，工厂调度问题关乎到一系列资源的时间配置问题来进行具体的生产，以便订单能够及时地在预定时间内完成。更为详细的是，最主要的调度工作包括正确的操作顺序和所选操作的需求资源的安排。在管系工厂中，调度工作主要通过以下方面来进一步完成；

(1)管系工厂的调度是很多问题的一个大的结合。通常来讲，数百件产品被要求在一个星期的工作计划中来处理，但是这会由于资源约束而受限制，被称为瓶颈。在生产中有效的判断和对瓶颈资源的开发对增加工厂产量是极其重要的。

（2)WIP(半成品）包括一系列正在加工未完成的产品或者正在生产线等待加工的产品。最理想的生产管理旨在减少半成品库存，因为大量的半成品往往会有很多不确定性因素，这会降低精准调度的有效性。可是工厂的现状是太多的焦点都放在资源的利用率上，特别是放在没有约束限制的资源上，这都使半成品库存量增长。

（3）调度规则在工厂是用来从诸多等待工序中选择接下来进行的操作。调度规则通常意在减少平均流程时间和产品生产延误率。不过在用的调度规则，比如SPT（最短处理时间）或者EDD(最早交货时间）不会对管系工厂的生产活动产生非常重要的影响。因此，我们提出了一种解决方案，这个方案部分源于约束理论，用来解决相应的调度问题。

智能约束理论

约束理论基础内容

管道制程是一种批量生产，在这个过程中所有的操作在一台设备上完成直到它们进入到下一台设备。在指定与一个特定产品相关的操作时，需要考虑一些相应的调度问题，包括逻辑和时序关系。举一个例子，在下一个焊接操作之前相应的组装操作应该完成，在交货期之后任何操作都不能被批量进行。

类似于约束理论的规划过程，智能约束理论在调度上也将时间向后推移.考虑到以上已经明确的限制因素，ITOC尽可能地将每一步操作成批延迟。延迟工期并不会承受与预期相比更早的成本。源自经理的观点，在计划进行之初这有更好的关注点，因为这儿没有太多已经安排的任务。重要的是，半成品的库存量能够很大程度上的减少。除了所提到的逻辑和时间的约束，当太多任务成批进行时资源的容量约束也需要被考虑。

利用ITOC理论开发利用限制容量资源的步骤如下。

1. 确定容量约束资源。一个容量约束资源可能在批量生产中超负荷。如果一些资源类型表现去相同特性，通常选择离交货期最近的那一个。
2. 开发利用容量约束资源。把优先级最低的操作转投入到最早的一批中去。在批量化中评估优先价值并及时更新。
3. 使独立生产服从调度安排。推进独立生产的每一个操作进行。在批量化中评估优先价值并及时更新。
4. 回到第一个步骤。

调度规则

为了简易，工作车间生产调度最常用的规则是SPT和EDD。两种规则的优先性如下；

1. SPT（最短加工时间）：在现有设备中加工时间最短任务具有优先权。
2. EDD（最早交货日期）：在现有设备中交货期最紧的任务具有优先权。

正如所提到的，这些调度规则并不能为管系工厂调度提供很好的支持建议。这些限制局限包括：

1. 在很多情形中存在的相对优先性的问题
2. 会出现不必要的准备时间，由于加工物体的尺寸信息在上述两个规则中难以被考虑实现。

在本文中，我们定义了两个相结合的调度规则来反驳所观测到的低效率。

有效调度安排的一个基本前提就是准确的生产模型，这包括物体、活动形式和操作环境等。至于如何塑造管系产品，最基本的内容概括了生产、操作和资源。基于管系和关系加工的相关知识，更高层次的定义是生产模型中各个独立部件之间的结构和关联。为了使模型与管系产品相符，组装模块和部分模块是不可或缺的。

基于所定义的生产模块，涵盖所有操作数据的工作流程将根据相关数据库的条例汇总到下面几个方面。CT,AS和WL分别简单说明了切割，组装和焊接的操作。

1. 一套有关管系装备的预处理包括标记和切割，切割必须在组装之前进行。
2. 组装和焊接操作的结合需要将邻近的区域组合起来。
3. 所有的分步操作应该在主管道组装和焊接完成之前结束
4. 弯曲操作的优先级应该由加工的管道和数据库系统里面的装备约束来共同决定。
5. 每一步操作有关的设备信息，比如候选设备，操作时间，准备时间，都在系统数据库里作出了定义。

在输入阶段，三个方面的信息需要收集处理。首先是交货期不同管系的订单 ，这由固定的数据格式来描述,由顾客来发表。完整的订单由六个数据表组成，可分为共同信息，组装信息和部分信息三组。每个产品不一样的信息的很容易在数据处理中被锁定。第二，很有必要来解释资源容量通过查阅相关设备的功能，约束和操作数据等等。输入的另外一个因素就是调度方法。为了得到一个相对结论，ITOC和具有不同调度规则的CPM的结果能够被计算。

在数据处理阶段，一台操作信息按照生产模型来汇总。考虑到每个操作的特征，一套设备被分配而且相应的操作时间会被制定。不仅如此，每个操作的优先顺序在工作流程中已经被固定下来。

基于所提到的ITOC调度任务和其他特别的的调度方法在下面将会提及。在每个利用循环中约束资源可以确定并开发。持续的增长发展将会到达预期的目标直到在生产系统中没有容量限制，最佳生产调度和部分安排也能够制定并发表。为了更好的对调度安排作出评估，可通过平均生产周期、库存量 、延误率和利用率这些工作指标来进行衡量。

对系统提出的进度计划方案与采用 EDD（Earliest Due Date）和 SPT（Shortest Processing Time）两种方法生成的进度计划方案进行了比较分析。结果显示系统的进度计划方案较另两种方法在制品平均生产周期、设备生产准备时间、误工制品数量以及在制品库存等方面都给出了更优的评价结果。

结论的分析探讨

在这个部分，我们分析了在给定生产顺序中调度方法的实施效果。在研究中，分别探讨了在相同生产环境里所提到的两种不同的CPM调度方式。与ITOC做比较，表格1给出了相应的结论。

表1显示，在整个使用EDD-MinD规则期间ITOC表现稍微差一点，但是在工作周期方面取得了更好的效果。正如之前所提到的，延迟方案在ITOC中的应用对其他工作减少了很大的压力。对于其他的部分，很多不必要的等待加工时间被大大削减，这样可以很大程度上减少整个生产周期时间。除此之外，ITOC调度理论还明显减少了设备准备周期，也提高了整个加工生产效率。

表1也显示了也展现了在使用EDD-MinD规则时CPM在满足客户交货日期方面的不足，据报道有超过十件产品没能够按时完成。其他的三个则是全部没有误工。EDD-MinD调度规则在缩短平均误工周期上的效率已经得到了证明。类似地,ITOC的反向调度思想也得到了良好的印证。而且，会引起ITOC调度遭遇限制的操作将被转移到更早的一个阶段。这样做后，将不会对接下来的操作和日程造成影响。

关于制品库存的问题，一些观察发现ITOC带来的效果远胜于其他的办法，尤其是在早期和中期阶段。由于减少了成品库存量，相应的空间和成本也会相应减少，生产过程中的不确定因素也会减少。

结 语

整篇文章得出的结论整理如下：

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