经由看板卡控制JIT物料生产

摘要

本发明涉及经由看板卡控制JIT物料生产。提供了一种用于在离散制造生产系统中经由看板控制JIT物料生产的方法和系统，其中根据包括原材料缓冲器（BRM）的流水车间来转变物料，所述原材料缓冲器之后跟随有生产对（W1,B1;Wj,Bj;WN,BN）的序列，所述生产对包括一个工作站（Wj）和其所分配的缓冲器（Bj）；本发明包括：a）对于每个生产对，提供局部缓冲器阈值参数；b）对于每个生产对，提供全局需求阈值参数；c）在每个生产对处，分配指示所关联的物料类型的生产请求的优先级水平的四个优先级水平之一；d）在每个生产对处，根据给定的优先级模型来生产其优先级水平最高的类型的物料。

说明书

技术领域

本发明涉及分别根据权利要求1和8的前序部分的、用于经由看板（kanban）卡控制JIT物料（item）生产的方法和系统。

背景技术

在制造领域中，利用术语“流水车间（flow shop）”指示了离散制造生产系统，其中，根据遵循过程布局的、良好限定的路由（route），转变（transform）和组装物料。

在流水车间中，有可能识别制造物料的生产阶段的一个或多个序列。这样的生产阶段也被称为工作站。此外，在流水车间处，该过程由一系列生产步骤组成，并且每个生产性作业的操作是以相同次序在机器和工作站上处理的。

简而言之，在车间流水中，工作将遵循固定的路径。

典型地，在流水车间中，在不同的工作站之间有用于在制品库存（process inventory）中的工作的缓冲器，以便将每个工作站的过程解耦，并且保护以避免生产节奏以及物料需求的随机波动。

在若干情况下，可以使用像“看板”方法的准时制（Just-In-Time，JIT）方法来控制流水车间中的生产流程，其中在最大的服务水平（即，满足产品需求的能力）和最低的由制品库存中的无效率和工作导致的有可能的浪费量的同时实现同步生产的目的。

看板方法在于称为“看板”或“看板卡”的视觉信号/票/卡，其用来授权生产活动而无需将生产指令（production order）释放和分派到工场（shop floor）。工作站被授权只在接收到生产看板卡时操作：为每个看板卡生产固定量的材料（子组件或者最终产品），并且在发放另一移动看板卡以授权移动时将该材料最终移动到下游阶段。

看板卡告诉操作者何时开始和停止在生产阶段处的生产以及何时将物料从生产阶段移动到下一生产阶段。

图1是示意性地图示了使用看板方法的生产系统的流水车间类型的图。在图1中，用于生产某些完工的商品（good）材料FG的客户需求CD是源自客户C1、C2的。在生产流程的开始处，原材料缓冲器B_RM包括原材料，其用于生产用于在处理材料M中的工作的物料。生产流程包括N个生产对，每对包括工作站W_j和其分配的缓冲器B_j。最后的生产对的缓冲器B_N包含意图发送到客户C1、C2的、所生产的完工的商品物料FG。生产流程的第一阶段是在第一工作站WS₁处执行的，而生产流程的最后的阶段是在最后的工作站WS_N处执行的。在第一工作站WS₁和最后的工作站WS_N之间有一个或多个中间工作站WS_j。关于要生产的物料的信息经由看板卡K在每个工作站W_j之间传输。注意，信息流的上下游是与材料生产流程的上下游（即，相对于一个给定工作站的下游工作站位于其右侧，而相对于给定工作站的上游工作站位于其左侧）相反的。

看板方法可以使用卡、板、灯、空容器或者任何其他手段来发信号表达（signal）对物料的需要。每个看板卡对应于固定量（一个或多个）要生产并且同时移动的物料。看板机制调节生产过程的所有阶段之间的生产流程。不同生产阶段之间的每个缓冲器中的缓冲器库存水平被过程中可用的看板卡的数目所限制。

对于每个具体物料，材料的可用量可以基于以下来粗略测量：用于该物料的“满（full）”看板卡的数目，即，分配给特定的物料或者零件号（part number）的、处于“满”状态中的两个生产阶段之间的看板卡的数目。

事实上，看板卡典型地分配有以下两个状态之一：

1. “空状态”：当材料件由下游阶段使用时，更新看板状态使得向先前阶段发送信号用于材料补给；

2. “满状态”：当生产材料件时，更新看板状态并且将容器（材料和看板卡）移动到缓冲器（可用于下游阶段）。

有利地，通过限制看板卡的数目，也限制了由库存导致的浪费。

看板方法在需求相对恒定的场景中具有最优的性能。

不幸地，在某些其他场景中，看板方法可能呈现出某些缺点。

有问题的场景的示例是同时生产多个物料的流水车间，其中在生产过程的某些阶段处，有可能的是每个物料的多于一个看板卡同时到达，同时需要生产不同类型的不同物料。

然而，通常因为在工作站中一次只能制造一个物料，所以工作站操作者必须选择哪个是要首先处理的特定物料类型的看板卡。该操作者的选择可以是自由的，或者更可能地，遵守特定公司的预定义的方法（例如，先进先出（FIFO））之一。

显然，如何做出该选择可能具有有问题的影响。事实上，该选择是通过每个操作者在局部水平上（即，在工作站的水平上）执行的，但是该选择影响整个生产过程的总体性能。事实上，参与看板生产流程的工作站操作者通常不可能预见到终端客户的需求的变化，因为他们的可见性被限制在他们自己的工作站处所输入的看板卡。这些看板卡只告诉操作者生产新的物料来代替由紧接的下一个生产步骤或者由终端客户所消耗的物料。

在用于不同物料类型的不同看板卡从多于一个消耗资源到达工作站的情况下，操作者通常没有准备好做出正确的反应以便最小化由来自过度生产的浪费或者由来自生产不足的延迟导致的缺点。

此外，真实世界的操作条件放大了这些问题，因为通常不满足用于使用看板的理论假设（即，相对恒定的需求）。总体上，看板方法在相对平稳的需求率、“恒定”生产交付时间（lead time）、短的设定时间和需求重复的情况下，具有最好的性能。在现实中，需求率很少是恒定的，并且相反，必须管理关于需求的低且不可预测的波动。有时，由于对于尚未出现在生产流程中的新物料的请求（新产品的逐步引入（phase-in））、或者由于停止生产某些其他物料（产品的逐步退出（phase-out）），存在较大的波动。

即使需求很少，需求的增加或减少也对生产流程和材料供应有影响。如果某些过程改变了其对物料的取回（withdrawal），则这些波动的范围会随着这些波动朝向较早的过程沿线向上移动而增大。这被称为需求放大。产品需求的变化表现得像通过整个生产过程的波，并且在交错的时间中影响所有生产步骤。例如，这意味着，当所有工作站忙于生产某些物料时，在最后的工作站WS_N处的需求波动的影响缓慢地传播到上游工作站，并且在N次的工作站平均吞吐时间之后到达第一工作站WS₁。需求“波”的该缓慢传播的影响是响应于针对完工的产品FG的需求的波动的、生产系统的全局延迟。

为了更好地理解该概念，让我们考虑以下限制情况：当不再需要特定类型的物料时，工作站处的操作者并未立即检测到该改变并且可能继续生产不再需要的材料M，因为他/她仍具有一些空看板卡需要完成。以生产术语，可以说在需求减少时工作站操作员可能正在造成浪费，并且当需求增加时他/她可能正在造成延迟。已经开发并在不同情况下利用了需要生产不同物料类型的不同看板卡的优先级排序。生成空看板卡的下游相邻工作站可以通过针对所发出的看板卡使用例如不同颜色来通知基础消息的紧急性，像例如借助于应用于单独看板卡的红-黄-绿（RAG）方法。

根据RAG看板方法，有可能使用交通灯RAG系统来对供应工作站的工作进行优先级排序，因为其有可能同时从多于一个消耗资源接收到补给信号。交通灯颜色编码系统使用三种颜色：红色意味着需要“紧急行动”（失控、即将短缺），黄色意味着“将要失控”（位于分界线上、需要重新排序），而绿色意味着“没问题”（在可接受限制内）。

在以下示例中，图示了应用于单独看板卡的RAG方法。让我们假设，我们在摩托车制造厂处具有向11个不同组装线供应各种部件的造型车间。让我们假设在一些组装线中具有恒定的组件短缺，而其他的组件工作站则翻越（climb over）了成型。为了改进这样的问题情形，针对每个物料的总看板总体可以等分为三个颜色编码的RAG组。例如，要首先使用绿色看板直到其用光为止，接着使用黄色看板并且然后是红色看板。有利地，通过使用该RAG看板方法，加工中（work-in-process）控制问题可能消失，因为在绿色和黄色看板设定了优先级的情况下，系统非常愉快地工作。相反地，成型车间中的红色看板的出现引起很大注意力被投向它。

应用于单独看板卡的RAG看板方法具有简单性的优点，但具有不太灵活的缺点。

事实上，借助于该方法，一旦发出了具有给定优先级的看板卡，则即使对于产品的需求存在改变，该优先级也保持不变。

在它们最简单和传统的形式中，看板方法仅仅依赖于像是卡或者空容器的视觉信号的交换。

传统看板卡方法的已知改进是在对看板过程流的改进中提供了更多灵活性的电子看板（eKanban）技术。eKanban系统包括传统看板系统中的所有基本部件，同时也使用IT系统以便用条形码和电子消息代替传统看板卡。eKanban系统是信令系统，其可使用不同技术的混合来在工作站处实时地自动触发材料移动和/或生产活动。数据传送既可以通过操作者输入数据来手动地进行，也可以经由条形码读取器、RFID芯片或其他方法来自动地进行，以便减少递送时间。在eKanban中可以用关于虚拟看板面板（board）的计算机屏幕上显示的“虚拟看板卡”来代替看板卡。当在每个局部缓冲器中达到库存水平的预定最小值时，eKanban信号通知需要再补充物料。

RAG看板和eKanban系统解决了处理同时的请求的问题，而非包含有需求传播波动的影响的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述缺陷，用于在使需求传播波动的影响最小化的离散制造生产系统中经由看板来控制JIT物料生产。

前述目标是通过用于在离散制造生产系统中经由看板卡来控制JIT物料生产的方法和系统来实现的，其中根据包括原材料缓冲器的流水车间来转变物料，原材料缓冲器之后跟随有生产对的序列，生产对包括一个工作站和其所分配的缓冲器；其中，每个工作站生产要被移动到其所分配的缓冲器中的物料；其中，第一工作站从原材料缓冲器开始生产物料，并且每个其他余下的工作站都从分配给先前相邻的工作站的缓冲器开始生产物料；其中，每个工作站能够根据通过与不同物料类型相关联的、不同组的不同看板（K）所接收到的请求，生产多于一种类型的物料；其中，每组看板由给定数量的看板组成；

其中，每个看板可以具有两个状态：

- 表示请求物料补给的空状态，以及

- 表示在缓冲器中准备了所生产的物料的满状态；

本发明包括以下：

a）对于每个生产对，针对每个特定物料类型，并且在给定的时间点，提供局部缓冲器阈值参数，其表示在缓冲器中特定类型的物料的期望安全库存；

b）对于每个生产对，针对每个特定物料类型，并且在其他给定的时间点，提供全局需求阈值参数，其表示用来满足所估计的需求的、沿着下游过程所需的特定物料类型的物料的量；

c）在每个生产对处，每当与特定类型的物料相关联的看板切换状态时，根据以下逻辑规则向其分配指示所关联的物料类型的生产请求的优先级水平的四个优先级水平之一：

     I）如果在该生产对缓冲器处相同特定类型的物料的满看板的数量大于局部缓冲器阈值，并且如果沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数量大于全局需求阈值，则分配给该看板第一优先级水平；

     II）如果在该生产对处相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于局部缓冲器阈值，并且如果在下游过程中相同特定类型的物料的满看板的数量大于全局需求阈值，则分配给该看板第二优先级水平；

     III）如果在该生产对处相同特定类型的物料的满看板的数量大于局部缓冲器阈值，并且如果沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于全局需求阈值，则分配给该看板第三优先级水平；

     IV）如果在该生产对处该相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于缓冲器阈值，并且如果沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于全局需求阈值，则分配给该看板第四优先级水平；

d）在每个生产对处，根据针对不同物料类型的生产请求定义了四个优先级水平的优先级序列的给定的优先级模型，生产其优先级水平最高的类型的物料。

在发明实施例中，在具有句子“每当与特定类型的物料相关联的看板切换状态时”的项c）中，其可能优选地意味着：

- “每当与特定类型的物料相关联的看板从空向满或者从满向空切换状态”，或

- “每当与特定类型的物料相关联的看板从空向满切换状态时或者每当与特定类型的物料相关联的看板从满向空切换状态时”。

在发明实施例中，“N”个生产对中的一般的生产对被称为生产对“j”，其中“j”包括在“1”和“N”之间；并且其中，在步骤b）处，可以优选地按照被限定为某个类型的物料从生产流程的缓冲器“j-1”移动到缓冲器“N”的平均时间的平均引导时间间隔中所要求的、特定类型的完工的商品物料的数目来计算生产对“j”的全局需求阈值参数；并且

其中，可以按照属于生产对“j-1”和生产对“N”之间包括的每个生产对的每个缓冲器中包括的满看板的总数来计算沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数目。

在发明实施例中，分配给不同优先级水平的看板卡可以方便地用不同颜色标记。

在发明实施例中，可以有利地如下用颜色标记看板：

- 第一优先级水平的看板分配有绿色；

- 第二优先级水平的看板分配有蓝色；

- 第三优先级水平的看板分配有黄色；

- 第四优先级水平的看板分配有红色。

在发明实施例中，其中，在工作站处经由提供有关于所生产的物料和看板卡的移动的实时信息的制造执行系统，可以方便地在屏幕上经由电子看板面板来将看板卡上的信息可视化。

此外，可以提供计算机程序元件，包括用于在被载入计算设备的数字处理器时执行根据以上提到的方法的步骤的计算机程序代码。

此外，可以提供存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，包括用于使得计算设备执行提到的方法的计算机可读程序代码。

所提出的发明使得能够对完工的商品的客户需求的改变及时作出反应。因此，本发明实施例最小化了可能通过生产阶段产生缓慢波传播的完工的商品需求的波动的负面影响。

通过所提出的发明的实施例，不同类型的物料的生产的优先级排序经由可以向工作站操作者提供视觉和/或直观指令的优先级模型来发信号通知。

所提出的发明的实施例与JIT基本观点相兼容，并且强化了生产流程的JIT能力。

附图说明

现在将参照附图以优选但非排他的实施例来描述本发明，其中：

图1是图，其示意性地说明了使用看板方法的流水车间（现有技术，已描述）；

图2是图，其示意性地说明了根据本发明的示例实施例的流水车间。

在图中，相同附图标记指的是相同或相似元件。

具体实施方式

根据所提出的发明，在流水车间中利用JIT控制和看板卡来组织物料制造路径。

图2是示意性地说明了根据本发明的示例实施例的生产流程的图。

如图2中所示，根据包括原材料缓冲器B_RM的生产流程来转变物料M，该原材料缓冲器之后跟随有生产对W₁,B₁;W_j,B_j;W_N,B_N的序列，生产对包括一个工作站W_j和其所分配的缓冲器B_j。每个工作站W_j通过消耗相邻的先前缓冲器B_j-1中包括的物料M来生产要被移动到其所分配的缓冲器B_j中的物料M。第一工作站W₁从原材料缓冲器B_RM中包括的物料开始生产物料M，并且每个其他余下的工作站都从分配给先前相邻的工作站的缓冲器中所包括的物料开始生产物料。根据本发明，每个工作站W_j能够根据通过与不同物料类型相关联的、不同组的不同看板卡EKB所接收到的请求，生产多于一种类型的物料。在图2的实施例中，呈现了MES系统，其从每个缓冲器B_j接收实时信息RIT并且借助于电子看板卡EKB向每个工作站W_j发信号表达产品请求。本领域技术人员容易理解，电子看板卡可以是物理的或者虚拟的卡。对于每种类型的要生产的物料，提供有由给定数量的卡组成的看板卡组。每个看板可以具有两个状态：1）表示（因为物料正在由后面相邻的工作站使用而）请求物料补给的空状态，以及2）表示在缓冲器中准备了所生产的物料的满状态。

对于每个生产对W₁,B₁;W_j,B_j;W_N,B_N，针对每个特定物料类型，并且在给定的时间点中，提供局部缓冲器阈值参数，用于表示在生产对的缓冲器中特定类型的物料的所希望的安全库存是什么。

对于每个生产对W₁,B₁;W_j,B_j;W_N,B_N，针对每个特定物料类型，并且在其他给定的时间点，提供全局需求阈值参数，用于表示用来满足所估计的需求的、沿着下游过程所需的特定物料类型的物料的量。

在对于局部和全局阈值可以相同或者可以不同的一些给定的时间点处，计算局部和全局阈值参数的值。给定的时间点可以是周期地设定的或者可以由一些事件触发，例如，栈中任何变量的改变，例如每次特定类型的物料被生产和/或每次特定类型的物料被消耗。

在每个生产对W₁,B₁;W_j,B_j;W_N,B_N处，每当与特定类型的物料相关联的看板卡从满到空或者从空到满切换状态（替代性地或者在两个情况下），向该看板卡分配指示所关联的物料类型的生产请求的优先级水平的四个优先级水平之一。根据以下逻辑规则分配优先级水平：

I）如果在生产对缓冲器处相同特定类型的物料的满看板的数量大于局部缓冲器阈值，并且如果沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数量大于全局需求阈值，则分配给看板卡第一优先级水平；

II）如果在生产对处相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于局部缓冲器阈值，并且如果在下游过程中相同特定类型的物料的满看板的数量大于全局需求阈值，则分配给看板卡第二优先级水平；

III）如果在生产对处相同特定类型的物料的满看板的数量大于局部缓冲器阈值，并且如果沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于全局需求阈值，则分配给看板卡第三优先级水平；

IV）如果在生产对处相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于缓冲器阈值，并且如果沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板的数量小于或等于需求阈值，则分配给看板卡第四优先级水平。

在每个生产对W₁,B₁;W_j,B_j;W_N,B_N处，生产其优先级水平最高的类型的物料。根据给定的优先级模型来限定最高的优先级水平。优先级模型提供了优先级序列，用于四个优先级水平中的每一个，以便满足不同物料类型的生产请求。因此，在每个生产对处，操作者根据所限定的优先级模型，生产处于最高优先级水平的类型的物料。

有利地，在每个生产对处四个优先级水平组合关于给定类型的物料的生产请求的局部状态和全局状态的信息。局部状态提供了对满足后面相邻生产阶段的需求的能力的指示。

替代性地，全局状态提供了对用来满足完工的商品的客户需求的能力的指示。

局部状态是通过比较缓冲器水平来计算的，即，比较在给定生产阶段对处的可用物料的量与表示补偿局部需求波动的安全库存的预定义局部安全阈值。当缓冲器水平在局部降至低于这种阈值时，该物料变为紧急。

全局状态是通过比较在所有其他生产阶段处的缓冲器水平与这些物料的所估计的需求来计算的。这样的估计的需求与通过剖析（explode）材料账单并考虑每个生产阶段的平均吞吐时间来计算的、对完工的产品的需求严格相关。

在本发明的实施例中，一般位置“j”（其中“j”可以取在“1”和“N”之间（且“1”和“N”包括在内）的值）处的工作站的全局需求阈值参数可以有利地按照在“当前时间”和“当前事件+Tj”之间的时间间隔中由客户CD所需求的完工的商品物料FG的数目来计算；其中Tj是特定类型的工件从缓冲器B_j-1移动到缓冲器B_N（生产流程中的最后的缓冲器）的平均引导时间（average lead time）。

在本发明的实施例中，可以按照属于生产对“j-1”和生产对“N”之间包括的每个生产对的每个缓冲器中包括的满看板的总数来计算沿着下游过程的、相同特定类型的物料的满看板卡的数目。因此，当j-1和N之间的缓冲器中包含的工件（满看板卡）的数目大于如上限定的全局需求阈值参数时，以当前生产率覆盖全局需求。

在本发明的实施例中，可以如下分配给不同看板优先级水平以不同颜色信号。

分配以第一优先级水平的看板可以标记为绿色，指示了特定物料的生产的“正常”状态，因为其局部和其全局状态都不危急。

分配以第一优先级水平的看板可以标记为蓝色，指示了特定物料的生产的“亚危急（sub-critical）”状态，因为其局部状态危急但其全局状态并不危急。

分配以第一优先级水平的看板可以标记为黄色，指示了特定物料的生产的“加速”状态，因为其局部状态并不危急但其全局状态危急。

分配以第一优先级水平的看板可以标记为绿色，指示了特定物料的生产的“危急”状态，因为其局部和其全局状态都危急。

在该实施例中，有利地使用可视的、颜色编码的信号来向工作站操作者给出对每个特定物料的优先级的立即指示。在其他实施例中，在不存在针对该特定物料的请求的情况下在第五优先级水平中，也可以关闭灯的颜色。 

在本发明的优选实施例中，如图2中所示，在工作站处经由制造执行系统MES，可以在屏幕上经由电子看板面板EKB来将关于看板卡和优先级的信息可视化。

电子看板面板屏幕EKB可以在每个生产阶段/工作站处示出用于每个要生产的物料的颜色编码的信号（这里称为零件号），其列出按照物料排序的电子看板卡。

例如，第一工作站W1的电子看板面板EKB可以由以下样本表格表格1表示：

表格1：样本表格。

MES系统的逻辑经由通过不同装置手动或者自动提供的实时信息RIT实时计算每个零件号的每个看板卡的优先级水平/颜色。

在图2中所示的样本实施例中，制造执行系统MES通过对于生产过程中所涉及的所有物料的完全的可视性来监督生产流程。

MES系统中实现的逻辑基于关于每个缓冲器的可用量，在每个生产阶段处计算材料的局部和全局状态。有利地，在每个生产阶段处，这些状态用于产生可视信号，例如颜色信号，该每个生产阶段基于关于当前生产步骤的缓冲器水平，同时也关注下游缓冲器水平以向工作站操作者给出关于每个特定物料的生产优先级的指示。

方便地，最小化了由于波需求传播导致的负面影响。事实上，借助于发明实施例，通过监督整个生产流程，预期了通过生产流程的需求波动的传播，因为每个生产步骤提供有关于所有后面的生产步骤而非仅仅相邻的一个生产步骤发生了什么的信息。因此，向工作站操作者提供了可视性，这使他们能够通过做出正确选择来及时反应，尤其是在需求改变的情况下他们能够根据流程控制中的扰动而做出反应。有可能通过选择首先要生产的物料来预期需求波动的“波”来临，而非在接收到其之后再反应。在针对特定物料的需求减少的情况下，工作站操作者可以通过避免与不立即请求的特定物料的生产相关的浪费来迅速做出反应。在针对特定物料的需求减少的情况下，工作站操作者可以通过预期一些物料的生产、避免接收不能按时满足的请求来迅速地做出反应。

在其他发明实施例中，在中间存储点或者用于在每个工作站处刚刚制造的物料的缓冲器处，用于每个不同特定物料（即，零件号）的地方，可以装备有物理光信号和用来保持用于该零件号的看板卡的支架（holder）。此外，看板卡可以包括不昂贵的RFID标签并且存储点可以装备有RFID天线。借助于RFID标签，MES可以自动地提供有关于所生产的物料和看板卡的移动的实时信息RIT。

除上述本发明的实施例之外，本领域技术人员将能够得到如果没有在本文档中明示地描述、也依然落入所附权利要求的范围的各种其他装置和步骤。

首字母缩略词列表

IT           信息技术

JIT          准时制

MES       制造执行系统

RAG       红黄绿

RFID      射频识别