基于生产控制策略组合的大规模定制系统建模与仿真

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3.0 牛悦 2024-11-07 28 4 1.41MB 72 页 15积分

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摘要

在市场全球化的大背景下，市场竞争日趋激烈，客户需求随之呈现出多样化

和个性化。为了满足客户需求个性化，同时尽可能地降低生产成本，大规模定制

已经成为企业组织生产的主流生产模式。在大规模定制的生产过程中运用不同的

生产控制策略，对于降低生产成本、缩短交货期提高服务水平起着至关重要的作

用。目前，对于大规模定制中生产控制策略的研究多基于数学模型的分析。以数

学模型为基础的生产控制策略分析，较难应用于大规模定制中生产阶段环节较加，

以及系统中随机过程较多的情况。因此，基于建模与仿真的大规模定制系统生产

控制策略研究就非常有现实意义。

本论文在总结归纳大规模定制模型研究的基础上，将大规模定制系统分解为

大批量生产、客户订单分离以及个性化定制三个组成部分，旨在研究大规模定制

系统三个组成部分使用何种生产控制策略组合，能够最好地降低生产成本，提高

客户服务水平。本论文选择拥有良好数学定义以及形式化表现的着色 Petri 网作为

理论基础，使用着色 Petri 网建模仿真工具 CPN Tools，构建了具有普适适用性的

大规模定制系统着色 Petri 网模型，实现了大规模定制系统中生产控制策略组合的

着色 Petri 网建模。

最后，本论文通过结合生产控制策略组合的大规模定制着色 Petri 网模型，对

10 阶段 5成品大规模定制系统经行了仿真。通过对 10 阶段 5成品大规模定制系统

的参数优化，得到单一生产控制策略组合的大规模定制系统优化性能。在此基础

上，本论文在不同的生产环境下比较分析了不同生产控制策略组合对 10 阶段 5成

品大规模系统的影响，并得到不同生产环境下最优生产控制策略组合的求解。

关键词

关键词关键词

关键词：

：：

：大规模定制

大规模定制大规模定制

大规模定制

生产控制策略组合

生产控制策略组合生产控制策略组合

生产控制策略组合

着色

着色着色

着色 Petri

PetriPetri

Petri 网

网网

网

仿真

仿真仿真

仿真

ABSTRACT

With the advent of globalization, the market is becoming increasingly intense,

while customer demand is more and more diverse and personalized. In order to meet

personalized customer demand, and to reduce the production cost, mass customization

has become a mainstream production mode in a corporate organization. Adopting

different production control strategy plays a vital role in the production process of mass

customization to shorten delivery and to reduce production costs. Currently, most

production control strategy researches of mass customization are based on the analysis

of the mathematical model. It is difficult to study production control strategy, with the

increasing stages and increasing random process in the mass customization production,

based on such mathematical model. Therefore, production control strategy research

based on the modeling and simulation of mass customization system is of very practical

significance.

This paper summarizes the studies of mass customization model, and decomposes

the mass customization system into three components: mass production, customer order

decoupling and customization. In order to reduce production cost and improve customer

service level, production control strategy mix is analyzed on the three components of

mass customization. This paper chooses the colored Petri nets as a theoretical basis,

which has good mathematical definition and visual expression, and CPN Tools as

modeling simulation tools, to compose the colored Petri net model of mass

customization system and production control strategy mix with universal applicability.

In the end, this paper simulates the 10-stage-5-product mass customization system

through the colored Petri nets model of mass customization under the application of

production control strategy mix. After optimizing the parameters of 10-stage-5-product

mass customization system, the optimized performance of mass customization system

under single production control strategy mix is obtained. On the basis, this paper

analyzes the influence of different production control strategy mix over

10-stage-5-product mass customization system under different production

circumstances, and gains the optimal production control strategy mix under different

production environments.

Key Word：

：：

：Mass Customization, Production Control Strategy Mix,

Colored Petri nets, Simulation

摘

摘摘

摘要

要要

要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................. 1

1.1 研究背景及问题提出 ..................................................................................... 1

1.1.1 研究背景 .................................................................................................. 1

1.1.2 问题提出 .................................................................................................. 2

1.2 研究现状 ........................................................................................................ 3

1.3 研究目的与意义 ............................................................................................. 6

1.3.1 研究目的 .................................................................................................. 6

1.3.2 研究意义 .................................................................................................. 6

1.4 主要研究内容和框架 ..................................................................................... 7

第二章着色 PETRI 网理论 ..................................................................................... 8

2.1 系统建模与仿真理论综述.............................................................................. 8

2.1.1 离散系统仿真技术 .................................................................................. 8

2.1.2 离散系统仿真步骤 .................................................................................. 8

2.2 PETRI 网的基本概念 ....................................................................................... 9

2.2.1 Petri 网定义 ............................................................................................. 9

2.2.2 Petri 网基本原理 .................................................................................... 11

2.3 着色 PETRI 网 ................................................................................................ 12

2.3.1 着色 Petri 网定义 ................................................................................... 13

2.3.2 CPN Tools 综述...................................................................................... 14

2.3.3 着色 Petri 图像化表示 ........................................................................... 15

第三章大规模定制系统与生产控制策略 ............................................................. 17

3.1 大规模定制系统 ........................................................................................... 17

3.1.1 大规模定制系统特征 ............................................................................ 17

3.1.2 大规模定制系统的构成 ......................................................................... 17

3.2 经典的生产控制策略 ................................................................................... 19

3.2.1 MRPII 控制策略模型 ............................................................................ 19

3.2.2 JIT 控制策略模型 .................................................................................. 21

3.2.3 CONWIP 控制策略模型 ........................................................................ 24

3.3 生产控制策略下的大规模定制系统模型 .................................................... 26

3.3.1 MRPII 控制下的大规模定制系统模型 ................................................. 26

3.3.2 JIT 控制下的大规模定制系统模型 ....................................................... 28

3.3.3 CONWIP 控制下的大规模定制系统模型 ............................................. 29

3.4 本章小结 ...................................................................................................... 30

第四章基于生产控制策略组合的大规模定制系统着色 PETRI 网建模 ............. 31

4.1 大规模定制系统建模的假设 ........................................................................ 31

4.2 大规模定制系统建模的关键参数 ................................................................ 31

4.2.1 大规模定制系统的环境参数 ................................................................. 31

4.2.2 大规模定制系统的可控参数 ................................................................. 32

4.3 生产控制策略及其组合下的大规模定制系统着色 PETRI 网建模 ............... 32

4.3.1 基于着色 Petri 网的大规模定制系统建模 ............................................ 32

4.3.2 MRPII 控制下的大规模定制系统着色 Petri 网建模 ............................. 34

4.3.3 JIT 控制下的大规模定制系统着色 Petri 网建模 .................................. 36

4.3.4 CONWIP 控制下的大规模定制系统着色 Petri 网建模 ........................ 37

4.3.5 生产控制策略组合在大规模定制系统着色 Petri 网建模中的实现 ...... 37

4.4 本章小结 ...................................................................................................... 39

第五章大规模定制系统在不同生产控制策略组合下的仿真分析 ...................... 40

5.1 大规模定制系统的主要性能指标 ................................................................ 40

5.1.1 大规模定制系统的性能因素选取原则.................................................. 40

5.1.2 大规模定制系统的性能要素分析 ......................................................... 41

5.1.3 在大规模定制生产着色 Petri 网模型中性能指标的数据收集 ............. 42

5.2 大规模定制系统的可控参数仿真优化 ........................................................ 43

5.2.1 仿真环境参数设置 ................................................................................ 43

5.2.2 基于性能指标的可控参数仿真优化 ..................................................... 44

5.2.3 生产控制策略组合下的大规模定制系统仿真优化结果 ....................... 47

5.3 不同生产环境下大规模定制系的最优生产控制策略组合比较分析 .......... 48

5.3.1 一般情况下的最优生产控制策略组合比较分析 .................................. 49

5.3.2 低生产可靠性环境下的最优生产控制策略组合比较分析 ................... 52

5.3.3 低需求稳定性环境下的最优生产控制策略组合比较分析 ................... 56

5.4 本章小结 ...................................................................................................... 60

第六章结论 ........................................................................................................... 61

6.1 论文总结 ...................................................................................................... 61

6.2 研究中存在的问题与展望............................................................................ 62

参考文献 .................................................................................................................... 63

第一章绪论

1.1 研究背景

研究背景研究背景

研究背景及

及及

及问题提出

问题提出问题提出

问题提出

1.1.1 研究背景

研究背景研究背景

研究背景

近代制造业发展史，起源于 20 世纪 20 年代初期开始兴起的大批量生产（Mass

Production），当时社会生产力水平较低，人们对于产品的需求往往是供不应求，大

批量生产引起了制造业的一场重大变革，极大地推动了工业化的进程和一次经济

的高速发展。大批量生产的特点是产品可选范围小、生产批量大、成本和价格较

低、产品的需求较大，极大地迎合了当时的社会环境从而成为上世纪占统治地位

的一种生产管理方法。

随着时间的飞进，现今的市场竞争日趋激烈，社会需求并非再是供不应求，

多品种、小批量的生产方式成为了企业的主要生产方式。企业必须寻找出一种新

的生产方式以快速响应客户多样化、定制化的需求，并且兼具规模经济效应和生

产质量的稳定性，提供低成本、快速度、高质量、多样化、定制化的产品与服务。

只有具备这样核心竞争力的企业，才能在新的市场环境中得以生存和持续发展。

大规模定制（Mass Customization）是一种面向个性化产品或服务与大批量生

产相结合的生产策略。这种生产方式强调根据客户定制化的需求，以大批量生产

的效率和效益提供定制化的产品和服务。自从美国学者 Pine 将大规模定制的概念

引入到生产管理的领域后[1,2,3]，美国制造企业纷纷寻求实现大规模定制的方法，试

图把大规模和定制这两个看似矛盾的两个方面有机地结合在一起，以接近大规模

生产的价格、快速地设计、生产和配送产品或服务来满足客户定制化的需求。大

规模定制作为一种新的生产方式，其具备一些不同于大批量生产的特点[4]：

1. 多样化和个性化的需求

买方市场、市场全球化、需求分层和多样化的用途是造成多样化和个性化的

需求的主要原因。市场环境由卖方市场转向买方市场，客户有了更多的权力去选

择他们喜好的商品。因此，制造商需要了解和满足客户喜好以赢得和留住客户。

2. 多元化的细分市场

需求的多样化和个性化使以往统一稳定的大市场日益多元化，逐渐变成许多

不同层次和不同区段的细分市场，企业要想赢得市场竞争，就应该追随这些具有

个性化需求的细分市场，尽量满足细分市场中不断变化的需求，同时又必须覆盖

基于生产控制策略组合的大规模定制系统建模与仿真

和占领尽可能多的细分市场，获得更大的市场份额。

3. 低成本、高质量、定制化的产品和服务

既能以小批量甚至单件生产来满足细分市场中个性化需求，又能够保持低成

本的企业才能赢得市场竞争。因此，企业需要在不增加固定成本的前提下生产和

提供大量多品种的定制化产品，在满足细分市场需求的同时保持高的生产总量。

4. 短的产品开发周期

多样化的客户需求和多元化的市场需要大量不同的产品来满足，要求企业开

发多品种的产品。而个性化需求和细分市场很不稳定，只有不断地以更快的速度

开发出满足客户需求的产品才能获得成功。

在大规模定制的生产管理研究中，制造阶段的延时策略研究也是热门之一，

然而基于生产控制策略理论对大规模定制的研究比较少。对于一般制造系统的生

产控制策略研究已证实，通过不同生产控制策略的性能指标比较，选择对于制造

系统合适的生产控制策略可以有效地控制系统成本、增加生产率、加快客户响应

时间等。而大规模定制的研究目标就是在个性化定制的基础上，通过批量的增加

以达到大批量生产的规模经济效应，其最终目的也是追求较低的成本、较快的响

应时间。因此通过大规模定制的生产控制策略研究，对进一步降低库存和物流成

本，缩短交货提前期，提高大规模定制企业的市场响应速度，提高企业柔性，降

低由于需求不确定性带来的企业风险，为大规模定制的生产方式提供新的理论与

方法是十分重要的。

1.1.2 问题提出

问题提出问题提出

问题提出

产品品种的增加和生产计划的多变，对企业生产与管理的灵活性要求显著提

高。为此，越来越多的企业选择能够进行多品种混合生产的大规模定制生产策略，

能够选择的生产控制模式，主要归结为推式、拉式以及混合式三种生产控制模式。

推式生产模式主要依靠对客户需求的预测，实现集中式信息管理，最大化整

体系统的生产效率为目标的系统，其典型的应用就是物料需求计划（MRP）和制

造资源计划（MRPII）。而拉式生产模式，如看板控制的 JIT 系统，则在在制品数

量上有明显的优势。混合式生产控制系统是基于推式系统与拉式系统的混合，其

中Spearman 等人于提出了 CONWIP（Constant Work In Process）混合生产控制模

式最具有代表性[5,6,7,8]，且被许多学者证实其在大批量生产系统上多项性能指标都

比纯推式或者纯拉式表现更为出色。

第一章绪论

然而，现在对于大规模定制系统下的生产控制策略研究都是基于数学模型和

动力学方程来描述与分析的。这些研究对于阶段较少、生产环境较为简单、随机

过程较少的大规模定制系统有着较好的描述和分析能力。但是随着科技进步与社

会发展，在大规模定制系统的生产控制策略应用实际问题上，往往呈现的是阶段

较多、随机过程较多的情况。在这样的大背景下，传统的对于大规模定制系统的

生产控制策略研究已经无法完整、全面地描述实际大规模定制系统。不论推式、

拉式还是混式的生产控制方式，它们都是一个随机的动态离散系统，传统的确定

型研究方法很难研究这样复杂环境的生产过程，因此使用仿真的方法研究大规模

定制系统很有实际意义。

大规模定制系统一般来说都是复杂系统，在这种系统中广泛存在连续过程和

随机离散事件。因此从全局观点来看大规模定制系统不仅受随机性影响，而且受

不确定性干扰，在描述系统的变量中同时含有连续变量和离散变量，不完善的数

学理论、模型以及有限的求解技术等等都是阻碍大规模定制性能研究的困难之一，

因此本文运用基于建模与仿真的研究方法对大规模定制系统经行性能分析研究。

1.2 研究现状

研究现状研究现状

研究现状

对大规模定制系统的研究，Ronald 认为关键是有效地扩大零部件和产品的范

围，通过整理、利用零件和产品中存在的相似性，增加产品、零部件的重用性。

在生产的前期阶段按照大批量生产方式生产模块化的通用产品，后期阶段跟据客

户订单的实际要求通过对通用产品的提供个性化的定制产品，从而实现大批量生

产与个性化定制生产的有机结合[9]。

我国学者对于对大规模定制的研究取得诸多硕果，邵晓峰等在分析大规模定

制的概念及其特征的基础上，对大规模定制系统经行了分类，指出大规模定制面

临的两大挑战是降低成本和缩短交货期[10]。

大规模定制的研究总的来说基本集中在大规模定制技术与产品开发设计与制

造[11-14]，另外，针对大规模定制系统中生产管理的研究也是大规模定制的研究重

点之一[15-17]。邵晓峰认为大批量生产向大规模定制的转变应当具备四个条件[18]：

市场条件、技术条件、管理手段以及动力源泉。在管理手段、生产管理策略的课

题研究上，徐福缘等认为实现大规模定制生产的基本思路是减少定制量、在产品

的生产过程中最大程度地采用通用的零部件和服务的变化，从而使大批量生产与

个性化定制两种生产方式得到统一[19,20]。

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摘要：

摘要在市场全球化的大背景下，市场竞争日趋激烈，客户需求随之呈现出多样化和个性化。为了满足客户需求个性化，同时尽可能地降低生产成本，大规模定制已经成为企业组织生产的主流生产模式。在大规模定制的生产过程中运用不同的生产控制策略，对于降低生产成本、缩短交货期提高服务水平起着至关重要的作用。目前，对于大规模定制中生产控制策略的研究多基于数学模型的分析。以数学模型为基础的生产控制策略分析，较难应用于大规模定制中生产阶段环节较加，以及系统中随机过程较多的情况。因此，基于建模与仿真的大规模定制系统生产控制策略研究就非常有现实意义。本论文在总结归纳大规模定制模型研究的基础上，将大规模定制系统分解为大批量生产、...

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