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Just-in-Time supermarkets for part supply
in the automobile industry
汽车制造行业用于零部件供应的准时制物料市场
Daria Battini, Nils Boysen, Simon Emde
摘要：在汽车制造行业，物料市场是一种去中心化的内部物流区域，在生产线周围中转性地存储被其消耗的零部件。在物料市场中，由拖车和货车组成的牵引车装载零部件，然后根据周期排程，依次访问生产线工位并交换零部件箱与空箱。这种新兴的物流概念能够按照基本的准时制（JIT）理念，实现可靠，灵活的小批量零件交付。本文详细介绍了超级市场概念，并调查了有关实施物料市场概念时出现的基本决策问题的文献。最后，阐述与其他基本业务功能的对接。
关键字：汽车制造业、零部件物流、即使制理念、决策支持
- 零部件内部物流
近些年来，汽车行业越来越多地将其流程创新的重心从总装线转移到其零件物流流程。这一发展归结于以下趋势：
- 随着纵向集成度的增加，越来越多的价值创造从最终装配线中退出，并转移到供应商的模块生产中。如今，一辆普通的紧凑型汽车在一家OEM厂家组装时只需要大约20个小时的时间，而Krcal（2007）的最新研究表明，在过去十年中，汽车行业的平均内部生产深度从大约43％下降到了 25–35％。
- 为了尽可能满足个人客户的需求，当今的购买者可以从广泛的个人选择中定制汽车，从而产生数十亿种（理论上可能）不同的汽车模型（请参见Pil和Holweg 2004，详细数据）。很明显，越来越多的可供选择商品促使了更多样的待处理零部件种类。
- 丰田（Toyota）发明的准时制（JIT）理念在汽车工业中具有悠久的历史（如Monden 1998指出）。但是，近年来，这一概念已进步为按顺序（JIS）交付。JIS意味着零件由供给者预先分类到容器中，因此组装工人可以按照工艺流程顺序来取用这些零件。JIT和JIS都可以缩短配送周期，并且都更加依赖于规划良好与可靠性的物流运作。
- 最后，许多原始设备制造商允许其客户更新订购汽车的配置，直到生产开始的前几天。这种销售方法对提高每辆车的收益非常有效，例如，德国汽车制造商BMW允许客户在生产开始前七天更新购买配置。从物流的角度来看，任何可能的更新都会增加计划过程的不确定性，因此，设法使物流过程快速且灵活很有必要。
这些趋势导致越来越多的物料补给者以越来越短的配送周期交付越来越多的零件。 例如，德国汽车制造商宝马在丁戈尔芬的汽车厂，每天需要处理大约600个供应者在400多辆卡车上交付的13,000多个容器箱。因此，零件物流成为当今汽车制造的首要挑战并不值得惊讶。
本文着重于汽车制造业的内部物流过程，因此，仅调查整个零件物流流程中由原始设备制造商负责的部分，其中零件已交付给原始设备制造商，并已在其工厂接收。基于此背景，任何内部物流概念的主要组成部分都由以下流程步骤定义：仓储，运输（至生产线）和线边库存，如图1所示。
图1 内部物流分类
仓储功能的主要替代策略，即在从各个供应商收到零件后，运送到生产线之前的零件中转存储，是指在中心接收仓库或分散的物流区域中的零件存储方式，这在汽车工业中被称准时制物料超市。显然，前一种选择方案的缺点是与生产线的距离太远，甚至在某些大型工厂中，该距离可能会超过几公里。较长的运输距离导致在大批量零件交付中不灵活以及工位库存增加。另一方面，分散性的库存占据本已紧缺的厂内空间并引起二次处理。
关于物料运输功能，存在三种可选择的运输设备：叉车，牵引车，输送线。叉车是一种标准且相对便宜的高灵活性运输和提升设备，但其运输能力相对较低。牵引车由拖车以及挂载于拖车的货车组成，它可以由驾驶员手动操作，也可以采用自动导航车（AGV）实行自动操作。与叉车相比，牵引车的机动性较差并且缺乏提升能力。 另一方面，它具有更高的容量，因此可以大大缩短总的输送距离。专门用于输送零件到装配工位的输送线需要高价值的投资成本，因此特别适合用于大型、重型、易损零部件的输送，如门、发动机、座椅等。
最后，线边存储定义了零件箱在生产线工位的放置方式。一种非常方便且不易错的放置方式是移动齐套件。其中将含有单个汽车的多种零部件的料箱放置在传送带上，以便伴随生产线流动到专用工位上。显然，传送带上的任何箱体都可能妨碍组装操作，因此这种生产线边的零件展示方式仅适用于一些小零件。大多数料箱仅放置在生产线附近，并固定在用于组装各个零件的工位上，直到零部件耗尽为止。料箱可以包含单个相同零件，也可以包含相同零件的多个变体，这些零件根据其用途（由生产顺序定义）进行排序。如果要组装多个零件的零件，前者需要大量空间来存放多个料箱，并且会浪费检索时间，并且组装工人必须从当前工件定义的正确的料箱中取出正确的零件。另一方面，每当改变车辆组装顺序时，JIS方式将降低线边料箱的灵活性。
近年来，许多汽车生产商已经实施或正在实施所谓的物料市场概念，以应对上述快速，灵活和可靠的内部零件物流的挑战。 根据我们内部物流的分类，此概念将超市中的分散式仓储与采用拖车的零部件运输和针对工位的线边料箱相结合。下节将详细介绍JIT超市中的物流流程。
- 超级市场概念
JIT超级市场是用于储存临近生产线所消耗的零部件的分散式缓冲存储区域。超市使用（相对）大型的工业卡车补充物料，而生产线则由小型的牵引车配送。如此，由于短距离内的小批量物料供应支持快速重新计划，零部件供应得以在面对意外事件时能够灵活调整。超级市场概念的这一优势在当今的汽车生产中非常重要，因为生产线工位的空间非常紧缺。此外，小批量交付需要使用较小的料箱，这些料箱可以存储在生产线附近的货架上。组装工人可以以符合人体工程学的方式高效取用零件，从而减轻了工作人员的压力并节省了拣选零件时的处理时间。下文描述了通过超级市场的完整零件供应过程（如图2所示）（另请参见Emde和Boysen 2012a，2012b）
运输卡车到达超市后，物流工人会将补给的零件分类放置到货架中。在这里，零件被暂时存储，直到组装站点的零件需求传达给超级市场。然后，根据需求生成一个拣货单，物流人员根据拣货单装载料箱，其中还需要按照给定的组装顺序对JIS零件（例如座舱模块）进行分类。装满零件的料箱将被放置到空的货车上，然后将货车移动到水蜘蛛作业的停止点。
图2 超级市场示意图
一旦牵引车到达超市的停靠站，驾驶员便将指派到循环路径站点上的货车搭载到牵引车上，并开始按照路径周期表执行对站点的补给。与公交时刻表类似，它精确地指定了站点的遍历顺序和每个中途停止的时刻。一些原始设备制造商还会在每个站点安装与公交车站和火车站类似的显示面板。面板上显示牵引车下次到达的时间倒计时，这对于装配工人和管理人员来说，能够更容易以一种稳定、及时的方式预测材料短缺。
当牵引车到达站点时，驾驶员在货架上卸下物料箱并取回空箱，而且不会影响组装过程。空的物料箱被重新装入货车中。一些汽车厂商已经通过应用自动导航车辆和所谓的弹射货箱使这一过程完全自动化（参见Emde等，2012）。这些特殊的重力溜槽货架允许车厢在驶过时停靠。车队停靠后，货车的侧门和货架后部的门就会自动打开，并通过弹性弹簧将物料箱注入货架，反之亦然。这些货架将中途停留的时间缩短到仅仅几秒钟，因此可以得出可靠的车辆到站时刻表。在循环路径的所有站点都补给好之后，牵引车将返回物料超市，解挂空载的货车，并重复上述步骤以执行下一次循环路径。
典型的物料超市显示以下特征（Emde和Boysen 2012a）：物料市场服务大约20至30个车站，并且站点位于指定生产线的紧邻位置，因此，完整的循环路径通常仅200-500米。每个超市分配了三到五个牵引车，因此五个站点作为每次循环路径中途停留的代表次数，并且计划每个站点每小时最多进行三次访问。
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文献综述与决策问题
- 计划层面结构
根据不同时期（即从长期战略到短期运营）进行排序，实施物料超市概念时要解决的决策问题可总结如下（Emde和Boysen 2012a）：
- 在计划实施超级市场概念后，最长远的问题是位置规划。在这种情况下，需要确定要在车间划分的物料市场数量及其确切位置。此外，每个超市都应大致指派到其服务的产线。显然，必须将新建厂区的初始位置规划与布局重构问题相区分。在前一种情况下，为物料超市寻找合适位置存有一定灵活了，而在后一种情况下，通常需要考虑到大小和位置方面的严格限制，例如，由固定设备造成的约束。在目标函数中，需要权衡其他任何由物料超市引起的固定成本与其运营收益之间的关系。显然，对这些收益的准确量化需要对整个计划层面结构有一定预估。相替代的，可以应用近似解决方案，例如量化对于其他任何物料超市到生产线减少的行进距离。
- 下一步，对于任何一家物料超市及其指派的生产线段落，都需要解决牵引车的车辆路径问题，即要确定指派给该超市的牵引车数量和每班牵引车的装配站点。循环路径是起于市场，终于市场，并由牵引车所遍历的站点顺序确定。对于任何增加的牵引列车，一方面，固定成本增加（例如，附加驾驶员的工资成本），另一方面，每条路径的行进距离减少，因此可以减少生产线上的库存。
- 对于任何给定的牵引列车及其相关路线，要解决的调度问题由确定沿线行程中每个中途停留的时刻组成。解决此计划问题的合适目标是：根据JIT理念，最小化存储在工位上的库存，同时确保没有工位耗尽零件。否则，将出现物料短缺的危机，在最坏的情况下，这将导致生产线停工，数百名装配工人闲置。
- 最后，车厢的装载问题，即每次执行循环路径要装载的物料箱的数量和类型，这也可转化为计划问题。由于狭窄的车间通道的急转弯，牵引车被限制为小于手推车。因此，车厢的容量通常是紧缺的，因此装载问题旨在使工位库存最小化，同时避免零部件缺货。
通过提供各自的优化程序和合适的决策支持工具来解决这些基本决策问题，相关文献将在下一部分中进行详细介绍（另请参见Emde和Boysen 2012a，2012b）。
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- 文献综述
Battini等人（2010）解决了将超市布局（i）在车间生产场景中的问题，该生产场景具有多条平行装配线，其中必须供给整条生产线（而不是一条生产线上的单个工位）他们根据组件的通用性为生产线指派超市，然后将超市布局在尽可能靠近各自生产线的位置。作者提出了一种量化方法来权衡库存成本（来源于每个超市中存放的安全库存）和运输成本（来源于超市为生产线补给）之间的关系。实际上，安全库存水平在很大程度上影响了这种战略决策，特别是当不同装配线之间存在零件消耗的相关性时（Persona等，2007）。
Emde和Boysen（2012b）考虑了类似的问题，提出了一种优化算法，让超市沿着一条生产线向工位提供物料。他们将其他超市的固定成本与零件交付减少的行进距离（权衡每个站点的需求）之间的权衡带入模型，并使用多项式时间动态规划程序求解。额外的仿真模拟检验了水蜘蛛作业在实际场景中的可行性。
Golz（2012）等人的案例研究中介绍了一家已经实施物料超市理念的德国原始设备制造厂商。他们设计了启发式方法来决定拖车的路径（ii），调度（iii）和负载（iv）问题，其中路径仅限于从预设的集合中选择。他们的目标是减少车辆和操作员的数量，同时避免生产线缺货，这可以通过简单的启发式方法解决。Choi和Lee（2002）研究了另一种整体规划方法，共同处理牵引车的路径（ii），调度（iii）和负载（iv）问题。他们的目的是最大程度地减少每次物料箱的最佳递送时间的偏差，并提出一种本地搜索程序（插入启发式方法），该方法已在汽车行业的实际案例中进行了测试。
Vaidyanathan（1999）等调整了著名的车辆路径问题（VRP）来解决牵引车的路径问题（ii），作者称之为准时制下的车辆路径问题（JITCVRP）。他们舍弃了计划方面（iii），并假定只要指派车辆，相同的路线将在计划范围内连续不断地服务，且不会中止。他们还假设每个工位的需求率恒定，并且不会随时间变化。通过遵循标准VRP的目标，即最大程度地减少沿路线的总行驶时间，这确保了物料补给尽可能准时，由于每次运输的物料量仅够工位使用到下一次车队到达时，因此路径较短也意味着库存减少。这篇文章中还提出了邻近区域和改良启发式方法来解决JITCVRP问题。
Emde和Boysen（2012a）考虑了拖车的协同路径（ii）和调度（iii）问题。他们提出了一种嵌套式的动态规划方法，以查找固定路径和周期性、非周期性的时间表，从而最大限度地减少了随时间变化的工位零件库存需求和所使用的牵引车数量。在一项计算研究中表明，与周期性配送相比，非周期性配送计划的额外自由度能够有效减少库存。
Emde（2012）等人研究了牵引列车（iv）的载荷问题。 给定有限的运输能力和工位需求，确定连续运输的装载计划，以便同时使总体库存量和最大库存量最小。作者还提出并测试了多项式时间求解程序。
- 相关业务对接
显然，准时制超市在很大程度上是一种物流概念，用于构建内部零件物流。但是，它与其他相关业务之间存在相互依存关系，因此，不将超级市场的概念整合到总体管控层面中是不可行的：
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在实施超级市场概念时，需要解决各种具有挑战性的核算问题。需
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