PUSH-PULL集成生产管理模式与制造执行系统

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企业要在激烈的市场竞争中求生存，就必须能够满足市场对产品多品种、变批量、低成本、高质量的需求，不断提高自身对外界需求环境的响应速度。为此，企业应该根据自身的生产特点，采用有效的生产管理模式，确保在日益激烈的全球化竞争中立于不败之地。项 目型 生 产的企业，以订单驱动项目，以项目组织生产。与其他生产类型相比，具有对交货期要求高，生产继承性弱，质量控制困难、能力低等特点。其中“生产继承性弱”是项目与一般的任务、工作和活动的最主要的区别。生产继承性弱引起的生产数据不准确导致项目型生产的企业的作业计划失效，以至于频繁调整生产作业计划。针对这个问题，传统的推式（MRP）管理模式与拉式（JIT）管理模式都不能全面解决。因此，研究与探索新型的生产管理模式是企业目前的迫切需求。

早在1987年国际APICS会议上，就已提出了MRP与JIT的集成问题，但在当时只得到了一般性的关注。George. Foo等人提出了选择生产控制系统的准则，并总结了在MRP与JIT整合系统中达到最佳执行效果的方案。东北大学汪定伟教授采用马尔可夫决策理论对推/拉结合的控制策略进行了定量计算，找出推/拉结合的最佳控制点，以此来达到减少库存、及时交货的目的。但这种控制方式是一种生产存储控制，根据系统的存储状况来下达生产指令，在MRP控制阶段就根据毛需求量减去现有存储量得到的净需求量来计算指令生产量，在JIT阶段为看板控制，直接根据空看板数下达生产指令。以上研究虽然都体现了MRP与JIT集成的思想，但是在做计划时仍然摆脱不了提前期对结果的影响。

本文在综合MRP与JIT应用原理的基础上，提出了一种PUSH-PULL集成的新型生产管理模式：用活动网络图与资源调度相结合的方式进行车间作业计划，并根据JIT的思想，通过电子看板建立车间信号系统来拉动生产。这种由制造任务构成的活动网络称为制造任务网络，网络图中的任务活动定义为详细描述产品生产所需要经历的全部步骤，包括必要的准备工作及工序。制造任务网络图清楚地反映了各个任务之间相互制约、相互协调的关系，从而清楚地掌握各项任务在全局的地位与作用。采用制造任务网络在资源能力约束下的进度计划方法，避免了传统计划方法对提前期准确度过高的要求，制造任务网络状态与生产执行过程始终是实时同步的，通过计划的滚动实现对企业需求的快速反应。本文详细论述了这种管理模式，并结合应用实例给出了这种管理思想在制造执行系统（MES）中的应用实例。

1 传统推式与拉式生产管理模式

推式生产与拉式生产来源于不同的背景，因而有着不同的管理目标与追求，即其实际运用的管理准则不同。

推式生产主要是根据上层MRP计算产生的需求在各个时间段内安排生产，通过计划来推动生产的进行。其目标是：有效合理地利用资源，改善计划，压缩库存；尽量满足客户需求，平衡生产能力，压缩成品库存；通过控制少量的在制品库存，保证连续生产。一个完备的MRP系统必须有及时准确更新的库存信息，有准确反映产品结构的物料清单，有充分描述所需资源路径的生产工艺。

但是MRP系统仍然存在着两个核心问题：

（1）MRP是在无限能力的条件下做的，因此计划是不可靠的；

（2）MRP使用了事先给定的生产提前期，不反映现实的情况，夸大了提前期，导致安排的生产作业计划失效。

采用JIT思想的拉式生产用实际的需求作为拉动生产的动力。生产线上的每一个部门都只生产下一个部门所急需的产品与半成品，每一个生产活动都受到下一个生产活动的拉动。JIT的这种拉动模式一方面可以消除不必要的存货，另一方面使各部门之间物料的移动时间、检验时间大大缩短，从而缩短了制造周期，降低了企业的成本。这种拉动式生产通常在重复生产或大量生产的条件下才能有效地发挥作用，它不适合在项目型生产制造中应用。

针对以上两种传统生产模式的不足，我们需要在这两种生产模式的优势基础上，寻找一种新的模式来适应项目型制造企业的需要。

2 集成的生产模式

在PUSH-PULL集成的生产管理模式中，强调了两个重要的概念，一个是产品物料清单（Bill Of Material，BOW），它是一种描述装配件的结构化零件表，其中包括所有的子装配件、零件、原材料的清单，以及制造一个装配件所需物料的数量，BOM是进行MRP计算的重要数据；另一个是产品操作清单（Bill Of Operate，BOO），它描述的是生产一个产品所需要经历的所有生产过程，其中包括必要的准备工作，如生产工艺文件的准备过程、刀量具的准备过程、辅助工具的准备过程以及加工该零件所需要经历的工序等。

在传统的推式生产管理模式中，生产进度计划是以交货期或者完工日期为基准，参考生产提前期倒排出来的，计划的安排对生产提前期的依赖性很强，提前期的准确性决定了需求计划，甚至生产计划的准确与合理程度。但是，对于项目型制造来说，生产提前期确定比较困难，从而导致按这种模式安排生产作业计划的准确性低。

PUSH-PULL生产管理模式中，应用产品的物料清单（BOM）与操作清单（BOO）生成完成产品制造的制造任务网络，该网络描述了产品生产过程中所需要的全部操作过程，并在关键任务上设定交付时间。在这个制造任务网络的基础上，在资源能力约束下用“推”的方式解决关键资源上加工的关键件的生产进度计划，而使用非关键资源的工序任务的排定则完全依赖于整个制造任务网络中的约束条件（如越早越好，不得早于…开始等），通过JIT的“拉”的方式进行自动安排。这样大大地减少了排序与资源负荷分配的难度，缩短了车间制订生产计划的时间。有关瓶颈资源调度的算法已有很多种，如禁忌搜索算法、遗传算法、模拟退火算法等，本文在此不作详细介绍。

任务网络的产生淡化了产品生产提前期的概念，零部件的排队时间、等待时间可以根据实际执行情况由网络中各项任务间的关系，在能力约束下进行调整。前一工序完成后，后续非关键工序将会依据其调度属性跟随网络自动重新进行排列。零部件的准备时间和加工时间可以在计划执行的过程中逐渐得到修正，而生产作业计划也会根据具体的执行情况由网络自动修正，从而实现计划滚动调整，保证生产作业计划的准确性，可以更好地满足多品种小批量生产、科研试制以及项目型制造等混合模式的制造任务要求。PUSH-PULL集成的生产管理模式的示意图如图1所示。

图1 PUSH-PULL集成的生产管理模式

系统中采用JIT的思想来控制短期的计划执行过程。但是，传统的JIT的应用是在流水型制造的流水线上，而在非流水型的机械制造中并没有完整的流水线的概念，往往是将工厂的资源划分为不同的制造单元，零件加工在各个不同的加工制造单元中穿梭。在不同的加工单元内部及加工单元之间，采用了基于电子看板的现场控制和数据采集系统。通过任务调度和分配模块，将任务分配给工人和设备，然后通过车间的计算机网络与各台设备前的计算机终端将任务列表呈现给工人。通过电子看板，操作者可以了解需要做什么、怎么做、以及向计划调度反馈任务的必要信息。

3 在制造执行系统中的应用举例

下文以一个例子来介绍PUSH-PULL集成的生产管理模式在车间生产管理系统中的应用。

图2描述了一个简单产品A的BOM，表示制造产品A需要先制造出零件B、C、D。图3则描述了产品A的BOO。其中每个方框表示一个操作子过程，过程a、b、c、d分别表示制造产品A、零件B、零件C、零件D的非零件加工过程（工艺准备、物料准备、刀量具准备等），Ai、Bi、Ci、Di等过程表示制造产品A、零件B、零件C、零件D的工艺路线。图4描述了产品A在工厂中的加工过程。

图2 产品A的BOM

图3 产品A的BOO

在非流水型的制造过程中，虽然不存在一条纯粹的生产流水线，但是由图4中的产品加工网络图可以得到一个结论，即在这种非流水线的生产中可以根据每类零件的加工路线动态地虚拟出多条加工流水线。零件B依次经过加工单元3、加工单元2、加工单元1等等。这些动态虚拟的流水线相互交错，形成制造任务网络。根据活动网络的特点，通过在各个加工单元之间建立电子看板信号系统，可以看到下一工序对当前工序的需求，当前工序对下一道工序甚至产品交付的影响等。这样在每个加工单元显示自身加工企业信息化项目规划建设的大策略任务的同时还将集中一系列的需求信息，每个加工单元根据自己承担的加工任务及需求信息来调整任务在该单元中的加工顺序。

图4 产品A的加工网络图

4 结束语

针对复杂的项目型制造，PUSH-PULL集成的生产管理模式能较好地解决计划与执行过程控制的集成。在传统BOM的基础上结合BOO形成了具有完备约束的描述整个制造操作过程的制造任务网络，借助于制造任务网络进行生产进度计划，可以克服因生产提前期的不准确而导致计划安排不合理等问题。在作业计划的排定上采用了“推”“拉”结合的方式，分别利用“推”、“拉”的方式来排定关键工序计划与一般工序自动执行。在各个加工单元建立电子看板系统拉动生产的执行过程，体现了JIT的思想。通过我们在企业进行车间生产管理信息系统的实施，证明这种PUSH-PULL集成的生产管理模式对项目型制造的车间生产管理有较好的作用和效果。（万方数据）