再制造生产计划与排程研究综述

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再制造生产计划与排程研究综述

张红宇,高阳

(中南大学商学院,湖南 长沙 410083)

摘 要:再制造是实现节能减排,发展循环经济的重要途径之一。研究不确定性因素影响下的再制造生产计划与排程问题,是再制造领域的重要内容。阐述了再制造生产计划与排程的相关概念,概括了再制造生产计划与排程及其相关的产能计划、生产批量和不确定性因素等方面的研究进展,最后总结全文,指出再制造生产计划与排程研究面临的挑战,展望未来的工作。 关键词:再制造;生产计划与排程;不确定性

基金项目:国家自然科学基金(70572060),教育部高等学校博士点专项科研基金(20040533057)。

作者简介:张红宇(1979-),安徽亳州人,博士生,研究方向:再制造生产计划与调度;高阳,男(汉族),湖南望城人,中南大学商学院教授,博士生导师,研究方向:敏捷制造与协同管理,经济管理与建模。Email:hyzhang@.

0 引言

将废弃物进行资源化不仅实现了资源的循环利用,同时,有效地降低了废弃物的排放,从而减少了环境污染。再制造是废弃物资源化的重要途径之一。再制造生产系统中,产品回收网络的设计、再制造和制造混合库存管理,以及再制造的生产计划与排程(remanufacturing production planning and scheduling ,记为RPPS)是三个关键问题[1]。而在再制造生产中,再制造率不确定、拆卸后的部件处理时工艺路线和提前期随机、回收产品数量和时机的不确定等不确定性因素,大大增加了再制造系统的复杂度[2]。现有研究已证实,再制造系统中额外的不确定性,以及由此引起的可变性使得传统计划和控制工具难以直接应用[3]-[6]。对于管理人员而言,没有有效的生产计划与排程系统,将无法对拆卸量、拆卸时间、再制造量、再制造时间等基本问题制定计划,从而无法做出有效的排程安排。因此,通过深入分析再制造生产系统的特点,研究不确定性因素影响下的再制造生产计划与排程问题,实现对再制造生产活动的有效管理,具有重要的现实意义。

首先介绍再制造生产计划与排程的相关概念,然后分析当前再制造生产计划与排程的主要研究问题,最后总结全文,指出再制造生产计划与排程面临的挑战,并展望未来的工作,从三个方面分析了再制造生产计划与排程的进一步研究方向。

1 再制造生产计划与排程的基本概念

再制造(remanufacturing )是产品回收后的处置选择之一,是废弃物循环利用的重要途径之一[7]。1984年,美国再制造研究先驱者Lund Robert T.将再制造定义为“再制造是将耗损的耐用产品经过拆卸分解、清洗检查、整修加工、重新装配、调整测试恢复到既能用又经济的状态的全生产过程”[8]。我国徐滨士院士认为,再制造并不是简单的维修,而是在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上,对损坏或行将报废的零部件进行再制造工程设计,采用一系列相关的先进制造技术,使再制造产品质量达到或超过新品[9]。

企业的生产活动是按照生产计划(production planning )进行的,再制造企业也是如此。生产计划根据企业的自身生产能力和外部环境、市场对产品的需求情况、原料供应情况以及企业长期发展的目标等因素进行综合考虑、分析、预测,对企业生产发展和经营活动作出决策。生产排程(scheduling )则是根据生产计划,针对某项生产任务,探讨在尽可能满足交货期、工艺路线、资源情况等约束条件的前提下,通过下达生产指令,安排使用哪些资源,确定加工时间及加工的先后顺序,以获得产品制造时间或成本的最优化。

相对于传统的生产,再制造生产系统中,存在许多不确定性因素[10]。我们认为,这些不确定性因素可以归为三类。第一,原料来源的不确定,包括

回收品数量和回收时机的不确定性,以及回收质量的不确定性;第二,回收品的加工处理路径的不确定性,因为回收品质量参差不齐,拆卸后的处理路径和时间也不一样;第三,新零部件采购的不确定性,由于回收后的翻新率不可能达到100%,不可避免地要采购一些新件,但对新件的需求无法确定。由于再制造生产中诸多随机信息的干扰,使再制造生产计划与排程的决策变得更加困难。

2 再制造生产计划与排程研究现状

20世纪90年代,再制造生产计划与排程领域取得了一些研究成果。Guide指出,再制造系统由3个高度相关的子系统组成,它们分别是拆卸子系统、加工子系统和重组装子系统[2]。此类型系统的生产计划与控制系统必须考虑协调所有3个领域额外的复杂性。他从拆卸、生产计划与排程,以及库存控制与管理3个方面对再制造生产计划与控制的研究现状进行了总结:(1)缺少源于实践的案例研究和综述;(2)回收产品信息匮乏,以致研究范围受到限制;(3)相对于传统生产制造的复杂性,降低不确定性因素的影响对于再制造过程具有重要意义;(4)缺少生产与控制模型的集成框架;(5)缺少可应用于产业界的工具和系统。

2000年以来,随着全球的环境和能源问题越来越突出,再制造领域得到了更多研究者的关注。纵观近年来再制造生产计划与排程领域的相关研究,学术界有不同侧面的工作和成果,包括:生产能力计划、生产计划与排程、生产批量和不确定性因素等。

2.1 生产能力计划

生产能力用于编制年度生产计划,确定生产指标。由于不确定性,很难预知与需求相匹配的生产产量,因此制定产能计划极其困难。关键部件的低产往往导致短缺,需要去采购,这会导致提前期较长,带来巨大的迟滞。

为此,G.W.DePuy对标准的MRP进行了扩展,将回收产品的部件按好的、坏的、可修的进行分类[11]。该方法能预测未来每个阶段的产出率、可能的处理时间、每个再制造阶段产量,另外,提出了避免短缺的采购过程。该方法在NSWC的再制造项目中得到了应用。在案例研究中提出了通过关键部件识别潜在短缺的方法,并给出了避免延迟交货的方案。Guide对再制造环境下的产能计划技术进行了评价[12]。产能计划的目标是市场份额最大化和生产能力利用最大化,为此Dimitrios研究影响产能的外部因素,如环保政策、责任、惩罚措施等,根据其因果关系,建立系统动力学模型,并结合具体算例进行了模拟分析[13]。Patroklos研究了产品生命周期对再制造产能计划的影响[20],利用系统动力学提出了动态产能计划模型。通过该模型能够识别积极有效的政策,进行“what-if”分析,并能回答再制造的长期收益性。

2.2 生产计划与排程模型

在生产计划与排程方面,由于诸多不确定性因素,如何设计有效的主生产计划(MPS)和进行有效的需求管理以平衡核心件的回收与再制造品需求变得十分困难。Guide曾对再制造系统的不同排程策略进行了总结,并指出,这方面尚需更多研究,同时并建议将批量与计量模型集成到排程系统中[2],他认为MRP系统仍旧需要稳定预计提前期以决定依赖时段的派单,而缺少能力计划模块的系统在多个不确定性因素存在的环境中,给出稳定的再制造提前期是不可能的。

对此,Guide曾提出了一种瓶颈排程启发式算法,该方法可以使流动时间稳定,但以持有更大的在制品库存为代价[3]。后来Guide研究了带优先分配规则的瓶颈启发式算法,并提出了考虑物料翻新率和随机路线的资源计划模型[14]。在该模型中,能力计划改进方法要求使用折扣因素以考虑减少的物料流,以及部件要求在特定工作中心加工的概率。但对于处于产品生命周期早期的产品而言,这数据没法得到。另外,在产品生命周期的后期,部件可能需要额外的加工步骤。在后续研究中,Guide 等对改进的能力计划技术与传统能力计划技术进行了比较[4]。结果表明,传统技术可翻新环境中表现趋向于差,考虑所有可变性资源的方法产生更可靠的结果。为了计划和控制资源的利用,每个工作中心能力的精确预计是需要的。通过保持每项资源充足的能力,流动时间和人员需求变得可预见。

与传统制造相比,虽然再制造节约了原料成本,但需要更多的劳动力成本。R. W. Grubbstrom 和Ou. Tang根据劳动力成本和物料成本建立了生产计划模型[15],并讨论了预算对于最优生产计划决策

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