企业物料暂存区备料精益优化研究

黄鹏鹏，蔡芷榕，伍松松

（江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000）

1 引言

如今备料管理已经成为生产控制过程中重要的组成部分[1]。在实际生产中的备料情况，直接影响产线的生产进度，同时也决定产线物料库存成本的大小及车间空间的有效利用率。备料过多，则造成暂存区库存成本的浪费，同时也不易发现企业库存管理中存在的问题；备料过少，则会造成因缺料待料而引起的产线停线问题，最终影响企业的生产效率[2]。目前国内外制造业在备料备件管理方面常用的有 MRP 和 JIT[3]思想。MRP（MaterialRequirementPlanning）物料需求计划：是以物料计划人员或存货管理人员为核心的物料需求计划体系，它仅包含物料管理，主要用于非独立性需求（相关性需求）性质的库存控制[4]。JIT生产方式（Justintime），其基本思想是只在需要的时候，按需要的量，生产所需的产品，核心是零库存，这是理想的生产方式[5]。同时许多企业认为库存是浪费，却未考虑到备料库存对生产的连续性、物流平衡等方面的正面影响[6]。

现制造生产企业中普遍是根据订单数量备料，如果仅根据当前需求保守备料，虽然规避了提前备料带来的风险，但后续产品生产能力无法满足潜在的市场需求，潜在的增订订单必然流失，收益固然受损。如果提前备料过量，一旦后续市场订单低于预期值，同样也会给企业带来严重损失[7]。现基于精益思想[8]理论对企业产线的装配生产能力及供料能力对暂存区备料的影响进行研究，针对车间现场的实际情况，提出精益备料理念，根据生产节拍构建车间物料的备料量模型和暂存区物料库位规划模型，通过对模型求解确定最佳备料量及最低运输成本和使占用面积最小的各物料存储位置，生产备料的优化使得生产过程中的物流成本得到降低，空间的使用更为合理。在保证企业顺利生产的同时，提高物料配送效率和物料上线速度，从而到达降低企业成本，提高效率的目的。

2 备料量及物料库位数学模型构建

2.1 模型假设及问题描述

企业在实际的生产过程中，很多现实因素的变动会对生产过程产生影响[9]，为了简化问题，现对模型做如下工况条件假设：（1）装配车间布局为矩形结构，暂存区与装配线同在装配车间内，各区域最大使用范围限定，其范围长和宽已知；（2）装配线区域内各装配线规律布局，且各装配线均有固定物料接收点；（3）每台设备的加工能力已知，总加工时间在设备的能力限制内；（4）备件在工序之间搬运按照一定的搬运批量进行搬运；（5）不考虑设备的故障；模型建立的优化目标为：根据生产节拍，确定满足生产需求的最佳备料量，在满足暂存区域总范围限制的条件下，根据最佳备料量确定可以使物料至各装配线物流成本、物料占用面积最优的物料库位顺序。装配车间布局参考图，如图1所示。

图1 装配车间布局参考图Fig.1 Assembly Workshop Layout Reference

2.2 备料量模型构建

当qi≥Qi时，暂存区物料的备料量只需要保证生产车间的物料在第一次送达装配车间之前的物料需求量就可避免因缺料的停产，即

式中：Bi—为前一天为保证第二天正常生产对第i种物料备料量；Qi—为装配车间单位时间对第i种物料的需求量；qi—生产车间单位时间生产第i种物料的量；t—每次搬运物料的时间间隔；t0—为物料每次物料从1号车间送到装配车间的过程中需要的时间。

当qi＜Qi时，暂存区物料的备料量需要保证生产车间的物料在每一次送达装配车间之前生产线对物料的需求，才能保证生产的顺利进行，即

式中：pi—每批次物料i的量；T—从开始生产到生产中某一点时间为T；n—T时刻时第i种物料由生产车间搬运到装配车间的次数。满足最小生产物料需求量即为最佳备料量：

式中：Qg—生产车间单位时间给装配线物料的供给量；Qx—装配线单位时间物料的需求量。通过实际情况对最佳备料量函数进行选择，并通过Matlab计算得到结果。

2.3 物料库位模型构建

根据以上所得的暂存区最佳备料量，并针对暂存区在配送物料至各装配线的运输成本最低且暂存区面积最小问题，确定暂存区中各物料的存放位置，即物料库位。根据优化目标对成本和面积的权重进行取值，分别为ε1、ε2，通过归一化处理，得到目标函数为物料运输成本最低、暂存区面积最小化的组合优化函数：

式中：C—物料运输总成本；S—物料暂存区总面积。

式中：ci—表示第i种物料单位距离的物流成本；qij—表示第j条装配线单位时间内对i物料的需求量；dij—物料i的存放位置到第j条装配线物料接受点的距离；n—表示物料种类；m—表示装配线条数。

式中：dx—表示物料暂存区所围成面积的横向距离；dy—表示物料暂存区所围成面积的纵向距离。

式中：（xi，yi）—物料i区域的中心坐标；（aj，bj）—第 j条装配线上接收物料的位置点坐标。约束条件：

式中：Δx、Δy—相邻物料集装单元横纵向距离；d0—各物料集装单元区域之间最小间距；li—盛放物料i的区域边长，由正方形集装单元区域面积所得；xl、xr、yd、yu—暂存区域的横纵向边界点。

3 应用实例

3.1 问题分析

H企业在市场的激烈竞争压力下，管理层对暂存区备料库存的认识不足，凭经验管理，库存备料问题突出，导致企业竞争力下降，现针对其装配线厂区暂存区的备料及物料库位进行分析，存在问题如下：（1）目前H企业的备料模式是根据订单产量进行备料，订单的时多时少导致备料量未能标准化，由于暂存区的备料不足，在生产的过程中常出现物料的供应量不能满足装配生产线的需求，造成缺料待料的停线，或者是生产中的备料量超过了装配需求量，出现供过于求，过量的备料占用生产面积，增加库存成本。（2）生产中物料由1号生产车间生产后直接运输至装配车间并放置在物料暂存区，备料量的不确定同时导致各物料没有固定存放位置，且存放无规律，导致物料员不能准确对物料进行清点，统计数量易出错，影响生产效率。（3）物料库位的不确定导致暂存区域的规划不规范，占用面积的浪费致管理成本的增加和企业资源的浪费。综上分析，其物料备料的不准确和库位的不确定均使得暂存区的备料对生产空间的不合理占用，造成空间浪费，导致库存管理成本的增加及生产效率的降低。

3.2 优化改进

H企业在常规的工作时间内，装配车间每天的物料需求量由当天生产配送是不够的，为保证生产的正常需求和工作的顺利进行，暂存区物料就需要针对装配线的需求每天有一定的备料量。H企业是由1号生产车间向装配车间提供物料，将1号生产车间生产好的物料运输放置于装配车间的暂存区，再根据各装配线的物料需求调配物料，为防止生产中出现待料停机的情况，暂存区不仅放置1号生产车间当日运送来的物料，还有提前备置的物料。1号生产车间与装配车间的生产是同时进行，1号车间每生产一批次物料向装配车间运送一次，每批物料数量为100，装配车间刚开始装配的时候是使用暂存区的备料，在生产过程中一方面要保证每次当物料从1号车间送到暂存区前，装配生产不能断料，另一方面在满足生产的情况下备料尽量要少，减少生产空间的浪费，以及备料的存储费用，降低成本[10]。H企业的1号生产车间生产A、B、C、D、E、F六种物料供装配车间的5条装配线使用，分别装配I、II、III、IV、V系列的五种产品，五种产品装配均需不同数量的六种物料。通过秒表对t0的测定得t0=6min，同时对生产车间的各物料生产速度和各装配线的需求速度进行测定，得到1号生产车间对六种物料的单位时间产量如表1所示。各装配线对各物料的单位时间需求量，如表2所示。

表1 物料单位时间生产量Tab.1 Material Production Unit Time

表2 装配线单位时间物料需求量Tab.2 Assembly Line Unit Time Material Demand

由表2可知各物料单位时间需求总数均大于各物料单位时间产量，即 qi＜Qi，所以最佳备料量符合：Bi=max（Qi*T-pi*n）

并通过Matlab求解可以得到最佳备料量，如表3所示。

最后根据最佳备料量，确定物料库位，使暂存区在配送物料至各装配线的运输成本最低且暂存区面积最小。为了能更清晰的了解H企业暂存区在装配车间现场的具体位置，根据厂区建立平面坐标示意图，如图2所示。根据现场布局已知信息，图中矩形OABG为装配车间的全部空间，由直线x=10、x=45、y=30、y=40所围成的矩形MNKH区域表示车间可利用空间，即物料暂存区就设置在这个区域内。物料接收均在各装配线如V（aj，bj）位置上，且各固定接收点的坐标为Ⅰ（13，20）、Ⅱ（19，25）、Ⅲ（25，25）、Ⅳ（31，25）、Ⅴ（37，25）。根据最佳配料量，为了简化计算，可将每种物料各存储于大小各异的正方形集装单元区域内，为取聊运输方便定各物料集装单元区域之间的最小间距d0=1．5m，根据最佳配料量设计的集装单元区域面积以及各物料的单位运输成本，如表4所示。（xi，yi）表示集装单元区域的中心位置。

图2 装配车间平面坐标Fig．2 Assembly Workshop Plane Coordinate

表4 各集装单元器具面积及各物料运输成本Tab.4 Container Area&Material Handling Costs

根据H企业的实际现状对成本和面积的权重ε1、ε2分别取0．7 和 0．3，即：

根据现场布局及生产情况，已知M、N、K、H四点坐标、各装配线接收物料点坐标、物料需求量及单位距离物流成本、各物料集装单元区域大小，运用以上数学模型及约束条件，通过Matlab求解可以得到各物料点坐标，达到物料运输成本最低、暂存区面积最小的目标。通过Matlab求解可以得到各物料库位坐标，如表5所示。通过推行以上数学模型计算得到的暂存区最佳备料量及物料库位，改变之前的备料方案及整顿暂存区的物料摆放后，备料占用面积由改善前一个月测量的（75～102）到改善后的最优52，同时经三个月的生产实践证实其具有切实改善效果，物流成本的减少和厂区利用率的提高，同时生产效率的提高，生产成本得到降低都给公司带来经济效益。

表5 物料库位坐标Tab.5 Material Location Coordinates

4 总结

针对装配车间装配生产线备料及物料暂存区规划问题，首先基于精益思想的方法原理，提出精益备料的优化理念，在此基础上，运用数学建模方法分别对装配线的备料量的确定和物料暂存区物料库位的规划进行建模，分别以产线最佳备料量为目标以及物料运输成本最低、暂存区面积最小化的组合优化为目标函数，并通过Matlab软件编程求解，为降低企业备料成本、提高企业物料暂存区的空间利用率提供有效数据依据，最终达到提高企业竞争力和经济效益的目的。