带生产准备时间的多产品生产系统性能分析与设计

发布时间：2020-08-26 00:59

【摘要】：多产品生产系统在现代制造业中起着十分重要的作用。在半导体制造等行业中，柔性生产线可以利用有限的资源来生产多种产品。对于这样的生产系统，在不同产品之间切换的时候经常需要一段生产准备时间来作各种过渡，且这段生产准备时间往往是顺序相关的。多产品生产系统的常见特征还包括有限缓存、随机特性（如机器的故障）以及调度策略等。如何对这样的系统进行分析、在给定条件之下预测系统的性能、并对各种系统参数以及调度策略进行合理的设计，无论对于理论研究者还是企业管理人员来说都具有重要的意义。本文研究对象是一个具有随机特性的单机器多产品生产系统，当这台机器在不同产品之间切换时会有顺序相关的生产准备时间。同时，每种产品都有属于自己的有限缓存。机器采用一定的调度策略来协调各种产品的生产。我们用连续时间马氏链来对系统进行建模，并通过求解此马氏链的稳态分布概率来计算系统生产率。在此基础上，本文又研究了三个对系统设计有实际意义的问题：首先是系统的生产率随着各个参数变化会有怎样的趋势；其次是各种不同调度策略之下的生产率比较；再次是调度策略的健壮性问题，我们希望找到一种或者几种调度策略，这样的策略能够在一个较宽的参数变化范围内带来相对较高的系统生产率。在计算系统性能时，我们在两种产品的简化情况下求出了系统生产率的解析解，而在其它情况下则通过分析稳态马氏链来数值求解。我们研究了生产率随着加工速率、到达速率、生产准备时间等参数的变化趋势，发现当生产准备时间较长以及缓存较小时会有非单调性的存在，并探讨了如何避免非单调性的发生。在研究不同的调度策略时，我们共比较了七种不同的策略。研究表明，最佳策略一般在最长队列(LQ)、最长加工时间(LPT)以及最短总时间(SOT)这三种策略之中产生，且缓存越大，LQ就越占优势。为了使得策略比较的结果更加易用，以及应对实际中可能的数据不准确与缺失问题，我们研究了生产策略的健壮性(robustness)问题。我们提出了健壮性的两种衡量指标，并通过一系列数值实验表明：随着系统参数的变化，循环加工(Cyclic)和最长队列策略具有相对较好的表现。本研究通过解决上述问题，不仅为多产品系统的理论研究作出了有益的补充，而且也对实际生产系统的管理有所启示。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：F273;F224
【图文】：

研究对象,文献,顺序相关,系统性质

图 1.1 研究对象的输入和输出有文献看，尽管在最近 30 年中有很多文献讨论多产品随机系统的的专著(Viswanadham and Narahari, 1992; Buzacott and Shantikumarier and Kuhn, 1993; Zhou and Venkatesh, 1999)、综述(Suri, 1985; B1986; Sethi and Sethi, 1990; Beach et al, 2000; Takagi, 2000; Winand代表性论文(Altiok and Shiue, 2000; Krieg and Kuhn, 2002; Krieg ann and Vorasayan, 2005; Jang, 2007; Satyam, 2007; Dasci and Karakuld Altiok, 2008; Satyam and Krishnamurthy, 2008; Tubilla and Ge是这其中的大多数文献不是没有考虑生产准备时间的因素，就是的因素。只有比较少的文献同时考虑了生产准备时间和有限缓存, 2000; Krieg and Kuhn, 2002; Krieg and Kuhn, 2004; Satyam, 2007ul, 2008)，而在其中还没有文献专门探讨顺序相关的生产准备时间，现有的多产品文献大多数局限于系统性能分析的算法，而没有性等系统性质作进一步的探究。同样地，现有这些文献没有在多

生产系统,机器,加工单元,工件

课题的支持。1.3 研究对象图1.2 一个能够加工种产品的生产系统本论文的主要研究对象如图1.2所示。它是一个能够加工种产品的生产系统。从物理上来说，它由如下部分组成：系统中有一个加工单元，用以处理各种产品。实际上这个加工单元内部可能还有更复杂的结构，但是为了简单起见，我们将其称为“机器”。系统中的这台机器在同一时间只能够加工一种产品。系统中有个有限的缓存区，在这些缓存区的内部存放着上游输送过来的工件，等待机器的加工。从系统运行过程来说，存在着如下的动作：上游工件的到达：各种产品的到达流是彼此独立的。机器对工件的加工：加工完毕之后，我们将其称为“成品”，计入系统产出。机器对于待加工工件的选择

篇章结构,问题,系统生产率

本文主要关心的系统性能指标是生产率(throughput)，即机器在单位时间能够加工完成的产品件数。通过研究，我们需要回答如下的问题（如图 1.3 所示）：图1.3 本论文研究的问题及相应的篇章结构性能分析：在给定系统各项参数（到达速率、加工速率、生产准备时间及缓存大小）以及生产调度策略的情况下，如何求出系统生产率？从解的形式来说，是否有可能求出解析解(analytical solution)，用公式直接表达出系统生产率和各个参数之间的关系？系统性质研究：在系统各项参数变化的时候，系统生产率将呈现出怎样的趋势，是增加还是减少？趋势是否总具有单调性？除此之外我们还希望了解一些系统参数的性质和另一些参数之间的关系，例如：在一些系统参数趋于极限值（如生产准备时间趋于 0）的时候，系统的性质是否和一般情况下一样？调度策略比较：在多产品系统的管理中

【共引文献】