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基于蒙特卡洛的串行生产系统订单交货期可靠性研究

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第7期 2013年7月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 245 基于蒙特卡洛的串行生产系统订单交货期可靠性研究 孟吉伟,王少华,陈晓,李小龙 610031) (西南交通大学机械工程学院,四川成都摘要:结合串行生产系统特点与网络计划技术,构建了串行生产系统的项目网络计划模型。为分析随机因素影响 下的生产订单交货期可靠性问题,在蒙特卡洛基本原理之上,应用限定概率三时估计法,结合实例,对企业订单投产 过程进行了Crystal Ball蒙特卡洛模拟仿真。通过对订单交货期敏感性分析图与交货期概率频次图的分析,对订单交 货期的可靠性进行了定性与定量的研究。研究结果可以为企业生产计划与排程、缩短订单交货期、提高企业经济效 益提供理论参考。 关键词:网络计划;蒙特卡洛;订单交货期;可靠性 中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2013)07—0245—02 Reliability Research of Delivery in Serial Production System Based on Monte Carlo MENG Ji-wei,WANG Shao-hua,CHEN Xiao,L1 Xiao—long (School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Sichuan Chengdu 610031,China) Abstract:Based on the characteristics ofserial production system and the technique of Network planning,a pro]ect network planning model ofserial production system is established to nalayze the relibiality f odelivery under the inluenfce of random factors.Studied the order production process with the Crystal Ball simulation based on the Monte Carlo theory and limit probability three estimate approach combined with帆instncae.A qualittiave and quantittiave analysis ofdelivery relibiality is discussed through the sensitivity analysis diagram and probability frequency diagram which could provide a reference for manufacturing enterprises to optimize their production scheduling,shorten delivery time and improve economic beneifts. Key Words:Network Planning;Monte Carlo;Delivery Time;Reliability 1引言 企业间的竞争已不单是成本与品质的竞争,交货期已成为一项活 2蒙特卡洛与Crystal Ball 蒙特卡洛法(Monte Carlo)又称为随机模拟法(Random ……, 其 随着全球经济的快速发展,制造企业的市场竞争日益激烈。 2.1蒙特卡洛基本原理 跃的竞争要素…。企业能否按期交货不仅直接关系到其经济效益, Simulation),其基本原理 如下:假设有随机变量 同时也影响企业信誉,影响企业的长远持续发展。因此,很多学者 相互独立且服从一定的概率分布, 是关于Xi( =1,2,・”,n)的一 都已投入到交货期的研究,目前关于交货期的研究主要集中在确 个函数,即有 _厂( 定交货期下的生产排程研究,主要通过约束理论与最优化理论来 ……,‰),当对麓进行n次独立随机抽样 1 时有: =} s =(1) 设计交货期问题 。但在这一过程中鲜有人研究人员操作、设备故 障、环境干扰等随机因素对订单交货期的影响。因此,提出了汀单 交货期的可靠性问题,主要在既定生产排程基础上,研究随机因 \/ 7/2 1< )≈ 去e专山 (2) ㈩ 素影响下的不确定工序时间对交货期的影响。研究结果同时可指 导生产排程的进一步优化。 网络计划技术是研究项目进度与项目交货期的主要手段, CPM(关键路线法)和PERT(计划评审技术)的应用广泛,CPM适 影响,引入了概率时间,但只适用关键路线确定型项目。Monte 式中:71,S—17期望 ( )与标准差 的估计值,则当n充分大 时,由中心极限定理可知,对给定显著水平0卯,存在A 使得: 2 Crystal BalI软件 用于分析作业时间确定的情况,而PER 则考虑了随机因素的 2.Crystal Ball是由美国决策工程公司(Decisioneerin爵Inc.)开发 Carlo(蒙特卡洛法) 的应用则解决了因随机因素影响而产生关 并发行的一款基于Excel的风险评估软件,内含项目进度分析、风 键路线变化的问题。在项目网络计划技术基础上,应用蒙特卡洛 险评估和决策分析等相关工具,在世界500强中有85%的公司用 方法研究制造企业串行生产系统订单交货期的可靠性问题。 它来进行风险管理 运用Crystal Ball可方便地确定随机数的抽象 来稿日期:2012—09—19 作者简介:孟吉伟,(1987一),男,浙江人,硕士研究生,主要研究方向:系统可靠性、生产物流 王少华,(1963一),男,浙江人,博士,教授,主要研究方向:结构设计、可靠性 246 孟吉伟等:基于蒙特卡洛的串行生产系统订单交货期可靠性研究 第7期 规律与抽样次数,并按所建立的数学模型进行随机抽样模拟仿真, 表1所示。模型中,工序加工时间服从 分布,设定模型仿真次数 因此采用Crystal Ball来作为订单交货期的蒙特卡洛仿真工具。 为50000次,置信水平95%,仿真后可得到订单预计交货期的概 率频次图,如图2所示。交货期敏感性分析图,如图3所示。 表1订单生产的网络计划模型 Tab.1 Network Planning Model of Production Orders 3串行生产系统网络图构建 3.1作业逻辑关系 项目是一种一次性的工作,特殊的,像大型单件产品的生产 可以认作是项目型作业,但传统制造企业的生产制造过程往往是 一个循环、交替的过程,因此要应用项目网络技术来解决制造企 A- B1 C, 一 A 1 B。 C。 A 2 曰2 A l 』4 2,Bl B2,C】 D2 A 3 ,Dl A 2,口I 612 743 934 753.oo 53.67 2.63 3.37 0.00 753.0o 659 805 895 795.67 39.33 3.47 2.53 753.0o 1548.67 724 846 953 843.50 38.17 3.13 23.87 1548.67 2392.17 586 712 904 723.0o 53.00 2.58 3.42 2392.17 3l15.17 312 743 934 753.0o 53.67 2.63 3.37 753.0o l5o6.oo 659 805 895 795.67 39.33 3.47 2.53 1548.67 2344-33 724 846 953 843.5O 38.17 3.13 2.87 2392.17 3235.67 586 712 904 723.0o 53.o0 2.58 3.42 3235.67 3985.67 612 743 934 753.0o 53.67 2.63 3.37 l548.67 2301.67 业生产订单交货期问题,首先要确定作业逻辑关系,假设某级串 行生产线,订单分个批次完成,则编制网络图,如图1所示。(假设 无成品库存与在制品库存) 。 B3 A 3,B2,CI 659 805 895 795.67 39.33 3.47 2.53 2392.17 3187.83 C3 , ,Dl 724 846 953 843.50 38.17 3.13 2.87 3235.67 4079.17 G,D2 K 586 7l2 904 723.00 53.o0 2.58 3.42 4079.17 4802.17 ()作业节点 当C 一'-o~’虚作业 订单完成 A4 A 3,曰2,Cl 612 743 934 753.0o 53.67 2.63 3.37 2392.17 3145.17 曰4 A4,曰3,C2,Dl 659 805 895 795.67 39.33 3.47 2.53 3235.67 4031.33 a 曰4,C3,D2 724 846 953 843.5O 38,17 3.13 2.87 4079.17 4922.67 D4 C4,D 586 712 904 723.o0 53.0o 2.58 3.42 4922.67 5645.67 图1串行生产系统网络图(节点序号略) Fig.1 Network Diagram of Serial Production System 预计交 货期(天) 11 7‘ “’ 图中: m批次的第n道作业。 3.2作业持续时间 作业的持续时间的设定是蒙特卡洛仿真的关键,它直接决 定仿真结果是否可靠。如上文提到的,由于受到人员、设备、环境 等不确定因素的影响,导致工序作业的持续时间是不确定的。对 此,PERT法提出了三时估计法,即用最悲观时间a,最乐观时间 图2订单交货期概率频次图 Fig.2 Diagram of Probability Frequency 6,最有可能时间m,来估计作业持续时间。假设作业持续时间服 从卢分布 ( ) 二: 旦± ± ; =鱼 另有:tx=E(x)=叶(6—0) ( 一。) (6— (4) (5)(6) (7) 则有其期望与标准差的估计值为: o/+ 佩_(6 (8) 图3订单交货期灵敏度分析 Fig.3 Diagram of Sensitivity Analysis 联立(5)(6)(7)(8)式则可求得参数 和口,以确定作业持续 的时间分布。三时估计法简便易行,但也存在不足,由于生产实际 图2显示订单最早交货期为10.88天,最晚交货期为12.81 平均交货期11.84天,订单在l2天内交货的可靠度为74.51%。 中的影响因素众多,专家估计时往往很难把握最好或者最坏的极 天,端情况。为减少专家因估计标准不统一带来的误差,限定概率三 对交货期概率频次图进行正态拟合,可以看到交货期服从正态分 时估计法口Ol被引入,因此,通常用保证率为( , ,(9/,)(一般为 布: N(11.84,0.25 )。74.51%的订单可靠度显然不能满足顾客的需 5%,50%,95%)的时间估计值( .,t2,t )来替代a,m,b o 求,由图3可知最有可能成为订单交货期关键路线的是A, _c广 4实例分析 Cz--C 一D ,显然工序c是影响订单交货期的最关键影响因素,因 能够最显著地缩短订单交货期。此外,A 有某机械零件加工产线由机械加工A,B,C,D四道工序串行 此缩短工序C的生产工时,在人员、设备、环境等因素影响下的工时 而成,生产批量为100件,已知专家评定的批次加工时间的限定 与D工序的灵敏度最高,生越大,因此提高A与D工序人员操作熟练度、加强 与D 概率三点估计。有一订单量为400的订单,要求交货期为12天, 波动『分析订单的交货可靠性。在确定生产批次数后,可根据图1编制 工序的设备维护,同时改善 与D工序的作业环境等可以有效  (下转第250页) 生产订单网络图(略),然后可得到订单生产的网络计划模型,如 的提高订单交货期的稳定性。No.7 250 机械设计与制造 Theory&Practice,1999(12):31-37.) July.201 3 很好的提示了这一信息。且装配线的平衡率越低的情况下,这种 决多目标装配线平衡问题是有效的。三种求解条件下所得到的负 荷平衡及其它信息的比较,如图4所示。 J Gokcen. H,Agpak K.A goal programming approach to simple U-line 现象就越明显。由此可见,所提出的模糊多目标优化方法对于解 l4 balnciang problem lJj.European Journal of Operational Research。 2006,182(2):577—585. [5]李荣钧.模糊多准则决策理论与应用[M].北京:科学出版社,2002: 262-276. 4结 H,U 对于—个系统而言,单方面的寻求最优以改善系统往往是很 (LiRong-jnn.Theory andApplicationofFuzzyMultipleCriteriaDecision Making[M].Beijing:Science Press,2002:262-276) programming approach to single model straight nd U—shaped assemblay 难做到的,有时甚至会j看得其反。装配线平衡的主要目标是最太化 l6 J Yakup Kara,Turan Paksoy,Ching_r r Chang.Binary fuzzy goal 平衡率E,而另一主要方面则是最小化装配线负荷的均衡指数s,。 采用了模糊优化理论来同时优化这两个目标,不但得到了每个目标 的值,而且得到了每个目标被满足的程度,以及系统整体目标被满 足的程度。另外,还提出了将 不但符合现 line balancing[J].European Journal of Operational Research,2009。 (195):335—347. 17 J Ugur Ozcan,Bilal Toklub.Multiple.-criteria decision—making in two— sided assembly line balancing:A goal programming and a fuzzy goal 实生产条件,而且还为各目标的优化提升了空间。最后,通过示例计 programming models【J].Computers&Operations Research.2009, (36):1955—1965. 算验证了模糊优化理论在求解多目标装配线平衡问题的有效性。 参考文献 [1]苏平,于兆勤.混流装配线平衡问题的多目标优化方法研究[J]_中国机 械工程,2009,20(19):2342-2347. 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