摘 要

近年来，市场竞争激烈，中小型按订单生产的企业在这种情况下如何合理安排产品投产及车间调度，从而缩短生产周期、降低生产成本、增加企业接受订单能力并提高企业竞争力，成为目前企业最为关心的问题。产品投产就是选择不同的投放机制进行订单投放控制，而车间调度问题中派工法则由于其简单、易于应用而研究较多。

本次研究，主要考虑四种订单投放机制和五种派工法则的组合策略，采用离散式仿真建模软件Plant Simulation建立模型，对二十种组合策略的运行结果进行数据统计，并利用Minitab软件进行数据分析，观察各个组合在不同的绩效指标下的表现情况，诸如平均延迟时间、生产提前期、平均流水时间等。最终采用规划总成本进行比较，并观察在不同的机器利用率水平下成本的变化。

实验结果表明，在不同的生产车间中，应该依据实际情况进行订单投放机制和派工法则的选择，不适合的选择可能反而不能体现投放控制机制的优势，比如BILWLC投放机制在本文中的表现；从总成本的比较来看，SPT派工法则和BIL订单投放机制的选择可能会带来更低的成本。希望本文的实验结果可以在订单投放问题中给生产计划人员提供一些参考。

关键词：订单投放问题；负荷控制；仿真建模；派工法则

Abstract

In recent years, the market competition is fierce. How to arrange the production and workshop scheduling of small and medium-sized enterprises in order to shorten the production cycle, reduce the production cost, increase the ability of enterprises to accept orders and enhance the competitiveness of enterprises. The company is most concerned about the issue. The production of products is to choose different delivery mechanisms for order placement control. The dispatching rules in the workshop scheduling problem are more studied because of its simplicity and ease of application.

In this study, we mainly consider the combination strategy of four order placement mechanisms and five dispatching rules. The discrete simulation modeling software Plant Simulation builds a model, collects statistics on the running results of the twenty combined strategies, and uses Minitab software. Data analysis, observing the performance of each combination under different performance indicators, such as average delay time, production lead time, average running time, etc. The final total cost of the plan is used for comparison and the cost changes at different machine utilization levels are observed.

The experimental results show that in different production workshops, the order placement mechanism and the dispatching rules should be selected according to the actual situation. The unsuitable choice may not reflect the advantages of the delivery control mechanism, such as the performance of BILWLC in this paper; In terms of cost comparison, the choice of SPT dispatching rules and BIL order placement mechanisms may result in lower costs. I hope that the experimental results of this article can provide some reference for production planners in the issue of order placement.

Key Words：order release；workload control；Simulation modeling；dispatching rules

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 订单投放问题研究现状 1

1.2.2 车间调度问题研究现状 3

1.3 研究方法和技术路线 4

1.3.1 研究方法 4

1.3.2 技术路线 4

第2章 理论基础 6

2.1 订单投放技术的概念 6

2.2 负荷控制技术的介绍 6

2.2.1 基本思想 6

2.2.2 控制架构 7

2.2.3 负荷的统计和计算 8

2.3 派工法则的介绍 11

2.4 Plant Simulation软件介绍 11

2.5 本章小结 11

第3章 基于订单投放机制和派工法则组合的仿真研究 12

3.1 仿真设计及相关参数 12

3.1.1 仿真问题描述 12

3.1.2 工件的生成 12

3.1.3 交货期的设置 14

3.1.4 订单投放机制及派工法则的选择 14

3.1.5 基于负荷控制的负荷限额的确定 16

3.2 仿真实现 17

3.2.1 仿真模型的逻辑框图 17

3.2.2 关于派工法则优先数的设置 18

3.3 性能指标的设置 19

3.4 本章小结 21

第4章 组合策略的性能评价 22

4.1 数据统计 22

4.2 分项指标分析 24

4.2.1 工件的平均延迟时间分析 25

4.2.2 工件的生产提前期分析 26

4.2.3 工件的生产提前期标准差分析 27

4.2.4工件的平均流水时间分析 28

4.2.5工件的平均流水时间标准差分析 37

4.3 总成本指标分析 38

4.3.1 总成本分析 38

4.3.2 总成本标准差分析 39

4.3.3 基于总成本表现的探索研究 41

4.4 本章小结 44

第5章 总结与展望 45

5.1 总结 45

5.2 展望 46

参考文献 47

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着经济形势的日益严峻，市场竞争愈发激烈，企业生产组织方式在逐渐进行转变。客户个性化需求增多，迫使中小型企业逐渐向多品种小批量的按订单生产（Make-to-order，MTO）方式转变。在这种情况下，如何合理安排订单投放及车间调度，从而缩短生产周期、降低生产成本、增加企业接受订单能力并提高企业竞争力成为目前企业最为关心的问题。

订单投放是一种适用于作业车间的生产计划与控制技术，订单接收后并不立即投放，而是将订单直接放到订单池中等待，通过订单投放机制来确定订单何时投放到生产车间。订单投放的控制是所有按订单生产的企业（Make-to-order，MTO）生产计划控制的核心，它可以有效的控制生产车间的在制品库存，最小化车间通过时间，降低库存成本，从而提高生产柔性，提升交货期的表现。

除了订单投放进行控制以外，车间调度也是企业生产管理的重要活动。在投放以后，订单进入生产车间进行车间调度。合理的车间调度可以保证作业计划顺利实施，平衡生产加工过程，降低库存，减少资金占用等。对于车间调度问题有很多研究，派工法则是其中的一种常见而有效的方式。

本次研究，主要考虑几种不同的订单投放机制与车间派工法则的组合策略，观察各个组合在不同的绩效指标下的表现情况，诸如平均延迟时间、生产提前期、平均流水时间等。最终采用规划总成本进行比较，并观察在不同的机器利用率水平下成本的变化，从而为企业寻找较为合理的投放策略提供一定的参考依据，以保证企业的竞争力，在激烈竞争的市场中抢得先机。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 订单投放问题研究现状

本节将对订单投放技术的相关研究文献进行总结回顾，其相关的内容很多，还能看到一些学者基于其思想进行了相关的研究，综合其他生产控制技术进行集成使用，在接下来也将会进行列举，这有益于进一步去发展和改进目前的技术架构。

关于订单投放技术，国外研究的时期较早，多数在二十世纪八九十年代完成，而国内的大部分研究内容是基于国外的研究理论基础上进行开展的。早在上世纪九十年代，许多学者就针对订单投放问题进行了深入全面的探讨，从七十年代后期到当时的研究成果，Joel D. Wisne^[1]和Bergamaschi^[2]等就对其进行了比较细致的阐述。他们根据订单投放技术的基本特征，划分为8个维度进行阐述。Corsten^[3]则概括了四个描述维度。在Bergamaschi进行总结之后，又不断出现了新的订单投放方法以及相关研究，如文献^[4][5][6][7]。下面对Bergamaschi划分的8个维度进行简单介绍：

1）投放机制，分为负荷驱动和时间驱动两类。负荷驱动是根据车间的负荷情况选择订单进行投放，时间驱动是根据交货期确定“预计投放时间”，在相应的投放时间点进行投放。

2）投放时间，分为周期投放和连续投放两种。周期投放是指间隔一定的时间进行订单的检查投放，连续投放则是可以通过车间内信息的采集和触发来进行的，连续投放可以发生在任何时刻。

3）负荷统计方法，分为按工作数目和工作时间两种。按工作数目统计不如按工作时间统计精确度高。

4）负荷统计范围，分为车间范围、瓶颈范围和个体范围。车间范围是将车间内的全部负荷进行统计，不考虑具体分布；瓶颈范围是将瓶颈机器的负荷进行统计，这里瓶颈机器指的是生产能力最为薄弱，限制订单在整个车间流转的位置；个体范围指的是考虑生产车间内每一台机器的负荷情况。

5）负荷随时间的统计方法，这里将负荷分为了在机器前排队的直接负荷，处于上游机器的队列但是会经过本机器的上游负荷，以及在本机器上加工完成但仍在后续机器上加工还没有离开生产车间的下游负荷三种，具体随时间的统计方法有5种，在2.2.3小节将进行详细的介绍。

6）负荷的控制方法，分为四种，即设置负荷上限阈值、设置负荷下限阈值、同时设置负荷上限和下限阈值和负荷平衡。

7）是否能够调整机器能力，分为主动型和被动型。主动型指的是可以根据订单的情况调整机器的能力，进行调整主要采取的措施有加班和调配操作人员；被动型指机器的能力是给定的，不可以进行调整。

8）生产计划的前瞻性，指的是在进行订单投放时的出发点是考虑的当前计划较为优先还是从长远考虑车间负荷及平衡状况，前者的前瞻性比后者更加局限。

在订单投放问题的研究中，对于负荷控制思想应用的研究较多也较为深入，而且这也将是本文在研究过程中的应用的主要思想，所以接下来将进行相关介绍。

负荷控制技术起源于Wight^[8]在1970年提出的输入/输出控制思想，Wight认为订货生产中很多问题都可以通过控制输入和输出进行有效解决。Matthias^[9]对近三十年的研究文献进行了回顾，把负荷控制技术划分为四个方面进行总结，并且对负荷控制技术发展历程进行了回顾，对未来研究进行展望。周铭新^[10]对基于负荷控制技术的订单投放方法作出了理论研究的补充，并且考虑了多产品订单环境，通过在负荷控制中引入批量控制，提出了两种投放方法。宋莉波^[11]分析了传统订单投放方法的不足之处和可能的改进途径，针对产品工艺存在主流向这一情况提出了拉式投放及推拉混合投放两种订单投放方法。赵航^[12]基于负荷控制技术构建了订单允诺框架模型，在其基础上研究不同的策略对于订单允诺的影响，并且还研究了怎样利用负荷指数模型去对不同的投放策略进行选择，最后将搭建的框架应用到实际生产情况中进行分析。郑志明^[13]以PCB企业为背景，通过仿真建模研究企业订单的投放控制规则，对后期负荷控制的实施提供决策依据。

以上部分关于订单投放问题的研究都是基于相应的规则来进行的，但是在该研究方面，应用精确模型进行优化也是部分学者的关注点，具体有以下研究。Sawik^[14]应用整数规划模型对柔性流水车间中的订单投放方式进行了研究。Leung^[15]也针对订单投放问题建立精确模型，对于定制生产下交货期产能联合决策进行求解。Oguz^[16]等针对单机环境提出一种订单接收与排程的联合决策。严浩云^[17][18]通过使用智能搜索和0-1整数规划模型进行求解，优化了订单投放方式。许绍云、李铁克^[19]针对流水车间的订单投放问题，建立整数规划模型，并提出了改进的修复式约束满足算法（MRCS），证明提出的算法对于降低总惩罚成本是有效的。张春生^[20]对多工序、多路径订单投放问题建立数学模型，提出了基于负荷均衡的订单投放算法，并验证了算法的有效性。

还有一些学者基于订单投放的思想进行了其他研究，这些研究对于后续的研究提供参考。比如陈炳柱^[21]基于负荷控制技术的思想对仓储问题进行研究，他将负荷控制思想应用到仓储中，可以有效的均衡仓库的需求和能力，达到降低成品的平均在库时间与订单延迟率的目的。陈亚绒^[22]基于负荷控制的原理和方法，提出了DBR（Drum-Buffer-Rope）的改进机制C-DBR（Control- Drum-Buffer-Rope），能够看到，C-DBR机制能够明显改善车间在制品数量、车间通过时间与系统通过时间等绩效指标，这说明负荷控制技术与约束理论中的DBR的集成是有正向作用的。当然，负荷控制和约束理论的互补性在很多研究中都能够得到体现，比如LAND^[23]描述的负荷控制技术和约束理论相结合的实际案例，张帆^[24]提出的基于负荷的约束管理控制模式的基本方法和实施手段都是对负荷控制和约束理论的集成研究，研究中体现了两种理论的互补性。

1.2.2 车间调度问题研究现状

合理的车间调度可以保证作业计划顺利实施，平衡生产加工过程，降低库存，减少资金占用等。车间调度问题的研究中求解算法主要有三种：

1）启发式算法，主要包括一些直观的启发式规则，比如说先到先服务规则（First Come First Served ）、工时最短优先规则（Shortest Processing Time）等。

2）元启发式算法，指的是总结人类行为过程或者自然界中生物的行为过程的某些特点，通过模拟这些特点做出的优化过程，比如遗传算法、粒子群优化算法等。

3）精确算法，即寻求最优解的算法，使用Lingo等软件进行求解。

理论上，派工法则属于启发式算法中一种，由于其易于应用，较为简单，所以对于它的研究较多。邢少群，杨乾^[25]等通过对现有单件作业车间调度问题的优良调度算法的分析比较，总结相关学术成果，并对今后有关作业车间调度问题发展方向进行了讨论和展望。WienDahl H^[26]指出先入先出原则具有局限性，仅适用于在制品库存较少的生产车间，但是对于复杂的或者柔性车间需要进一步的对比分析。Monch^[27]提出了基于瓶颈移动的新的派工法则，并且结合不一样的生产场景进行了对比分析。

对于车间调度问题中，有很多学者通过仿真进行研究。Hoda^[28]等通过Arena仿真软件运行实现仿真模块，提出一个实时仿真优化方法解决多资源约束的柔性制造问题。XiangKe Tian^[29]等运用Plant Simulation建立仿真模型，在优化作业车间调度中运用遗传算法优化模块，确保科学决策。马玉敏、樊留群、张为民^[30]等采用UML对系统进行建模分析，并在仿真软件EM-Plant中映射实现，应用遗传算法优化模型中的关键参数，实现最优排序，最后提出用仿真与优化算法相结合的方法解决车间作业排序复杂性和难以求解的问题。

1.3 研究方法和技术路线

1.3.1 研究方法

本文将采用理论研究和仿真建模相结合的方法，利用 Plant Simulation软件建立生产车间模型，并利用Minitab软件对结果数据进行分析，观察不同组合策略在相关绩效指标下的情况并加以分析。

1）文献研究与理论分析法