王占壯，藺 宇

(天津大學(xué)管理與經(jīng)濟學(xué)部，天津 300072）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人的需求多樣性日益加深，消費者對產(chǎn)品的多樣化要求越來越多。制造行業(yè)中單一品種大批量的生產(chǎn)方式越來越少，而定制化、多品種少批量的生產(chǎn)方式逐漸占據(jù)統(tǒng)治地位。在工廠內(nèi)具體實踐時，形成了單元化的布局，和其他要素組成了單元制造系統(tǒng)(Cellar Manufacture System:CMS）。單元化的制造系統(tǒng)是基于成組技術(shù)發(fā)展成的，這種制造方式的優(yōu)點是［1］:加工時設(shè)置時間減少、生產(chǎn)過程中在制品庫存減少、物料搬運中成本和距離減少、單元內(nèi)設(shè)備的利用水平提高和產(chǎn)品質(zhì)量的改善。CMS改善了原有車間布局內(nèi)物流路線過長和生產(chǎn)浪費，提高了生產(chǎn)效率。

精益設(shè)計的思想源于精益生產(chǎn)(Lean Production），而精益生產(chǎn)是總結(jié)日本豐田生產(chǎn)方式(Toyota Production System）的經(jīng)驗，它是被廣泛地證明為一種成功的生產(chǎn)方式，精益生產(chǎn)的核心思想是消除浪費、持續(xù)改善［2］。精益設(shè)計是將精益的思想應(yīng)用到設(shè)計階段，它可以從根本上消除企業(yè)當(dāng)中的浪費，避免企業(yè)在運作過程中出現(xiàn)了問題再進行改善的“亡羊補牢”式的做法［3］。這樣消除的浪費不僅是設(shè)備、空間等表層上，也包括人員、資金、信息等深層次的浪費，在經(jīng)營和管理兩個層次設(shè)計上將浪費降低到最低。

在單元制造系統(tǒng)的設(shè)計中引入精益的思想，減少或消除其運行中因設(shè)計不當(dāng)造成的損失與引入子系統(tǒng)的難度等，本文將討論CMS的精益設(shè)計過程。

1 單元制造系統(tǒng)精益設(shè)計的研究框架

1.1 單元制造系統(tǒng)設(shè)計的文獻(xiàn)研究

國內(nèi)外對單元制造系統(tǒng)設(shè)計的研究比較成熟，單元制造系統(tǒng)規(guī)劃過程包括三個步驟:①單元構(gòu)建，即利用成組技術(shù)將待加工零件歸為若干零件族，將加工設(shè)備劃分為若干加工單元;②單元內(nèi)布局，即為各個單元合理布置其內(nèi)加工設(shè)備及工作站;③單元間布局，即在車間范圍內(nèi)安排各單元的合理位置。研究單元構(gòu)建時采用的方法是比如基于數(shù)組的方法，單元內(nèi)和單元之間的布局大部分采用類似二次規(guī)劃(QAP）等常規(guī)模型［4］，用來求解搬運成本最低的目標(biāo)函數(shù)問題［5］，第二、三階段大多學(xué)者僅考慮采用物流搬運量最低求解，求解方法為智能計算方法。

縱觀整個設(shè)計過程，研究設(shè)計所要達(dá)到目標(biāo)過于簡單、單一，制造系統(tǒng)并不等同于物流系統(tǒng)，它是人員、信息、物料等有機的結(jié)合體，任何一方面不能協(xié)調(diào)考慮均會影響到單元內(nèi)制造的順利進行。所以，設(shè)計階段應(yīng)該在制造系統(tǒng)的各方面、各層次做詳細(xì)、全面的分析，而設(shè)計的優(yōu)劣會深刻影響制造系統(tǒng)的運行狀況。

如圖1所示，曲線a和b分別表示普通設(shè)計下和先進制造設(shè)計(In Advance Design:IAD）下單元制造系統(tǒng)生命周期的成本曲線。該曲線有三個特征:①隨時間的變化，制造系統(tǒng)的成本會逐漸增加;②曲線a相對曲線b較為平緩;③系統(tǒng)前期在兩種設(shè)計下成本相差不明顯，但從中期開始，普通設(shè)計下的單元制造系統(tǒng)的成本隨時間的延伸與先進制造設(shè)計下成本差距慢慢加大，后期的差距會更加劇。由圖可以說明，設(shè)計初采用先進的制造設(shè)計對單元系統(tǒng)總成本的降低起著非常大的作用。

圖1 普通設(shè)計和先進制造設(shè)計下制造系統(tǒng)生命周期成本曲線

1.2 單元制造系統(tǒng)精益設(shè)計的步驟

單元制造系統(tǒng)的精益設(shè)計研究過程如圖2所示，決定制造系統(tǒng)布局形式的因素是產(chǎn)品的需求，任何設(shè)計的目的都應(yīng)有一個明確的生產(chǎn)大綱，也就是產(chǎn)品種類、數(shù)量、生產(chǎn)期限等，這樣就能以產(chǎn)品的工藝設(shè)計來選擇設(shè)備種類、設(shè)備數(shù)和產(chǎn)品的加工流程，這是成組技術(shù)的基礎(chǔ)，也是單元布局的基礎(chǔ)。第二個階段是構(gòu)建單元，構(gòu)建的過程和前文文獻(xiàn)中提到的差別不大，主要利用基于數(shù)組聚類分析［6］或零部件編碼分析［7］等來解決零件——設(shè)備矩陣中的分類問題。

第三階段是初始布局形成階段，這一階段要將工廠的資本因素和物的因素考慮在內(nèi)。資本因素區(qū)別于過去利用的構(gòu)建成本與運行成本，利用的因素是精益思想里的資本周轉(zhuǎn)速度;物的因素包括設(shè)備利用情況、空間利用情況等，此階段形成的目標(biāo)是基本設(shè)備單元布局。設(shè)計的最后一個階段是形成最終單元布局，利用精益設(shè)計的相關(guān)方法，將人員、信息、組織的設(shè)計有機的組合到單元制造系統(tǒng)，使他們配合協(xié)調(diào)運行，形成精益設(shè)計下的單元制造布局。文章將在前人研究的基礎(chǔ)上重點討論第三和第四兩個階段。

圖2 單元制造系統(tǒng)的精益設(shè)計研究過程

2 單元布局精益設(shè)計的初期階段

在單元制造的初期設(shè)計階段，精益思想中的“拉動生產(chǎn)”要求只生產(chǎn)必要的產(chǎn)品。單元制造系統(tǒng)生產(chǎn)的種類雖然繁多，但是生產(chǎn)計劃的依據(jù)來源于市場。由生產(chǎn)過剩帶來的浪費被認(rèn)為是精益思想下最大的浪費［10］，制造系統(tǒng)不應(yīng)因多次更換產(chǎn)品品種造成生產(chǎn)成本增加而多生產(chǎn)不必要的數(shù)量。所以，生產(chǎn)大綱的確定對制造系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，這樣對單元制造系統(tǒng)的容量、柔性設(shè)計等都有可靠的依據(jù)。生產(chǎn)大綱是基礎(chǔ)，隨之要對產(chǎn)品的工藝進行設(shè)計，制定出其生產(chǎn)流程、加工順序，進而是依據(jù)產(chǎn)能合理的設(shè)備選型。為以下幾個階段打下基礎(chǔ)。

3 單元布局精益設(shè)計的構(gòu)建單元階段和初始布局的形成

式中:i為零件類型下標(biāo);j為機床類型下標(biāo);k是工序下標(biāo);N為零件總數(shù);M是機床總數(shù);Vi為i的投入批量;Oi為加工i所需工序的數(shù)量;xij=1，當(dāng)零件i分配到機床 j，xij=0，其他;eij=1，瓶頸元素，eij=0，其他;αik=1表示零件i的第k道工序和第k+1道工序在不同的單元內(nèi)或瓶頸設(shè)備上完成，αik=0，其他。字母表示下同。

對這些方案的選擇過程中并沒有針對更具有現(xiàn)實意義，從資金和物的角度考慮出發(fā)，僅單純的研究瓶頸元素及其比例，瓶頸設(shè)備元素與單元內(nèi)工藝之間的關(guān)系，不能直接反應(yīng)方案的優(yōu)劣。

3.1 資金角度

初始布局選擇過程從資金方面考慮時，其中包括單元構(gòu)建成本和運行成本，運行成本包括物料間搬運的成本、人工成本和其他成本。單元制造系統(tǒng)中的搬運包括三個方面:單元加工設(shè)備間的搬運，單元與單元外瓶頸設(shè)備間的搬運，單元與單元之間的搬運。如表一的零件——設(shè)備加工矩陣，此為一設(shè)計單元布局的一個方案。分析評價該方案的搬運成本的情況分別是單元1、2內(nèi)的搬運成本，單元1與設(shè)備E加工零件2時的搬運量、單元2與設(shè)備B加工零件5時的搬運量，單元1與單元2之間的搬運量(零件3跨單元1和單元2）。

蒲琳忍不住給張盈盈說了兩任酷帥男友的奇葩事，張盈盈思索后說：“也不能一葉障目，再交往幾個說不定能遇上好的呢。”

表1 設(shè)備零件加工矩陣舉例

第一、單元內(nèi)搬運成本:由于每個加工制造單元相對于其他制造系統(tǒng)效率較高，搬運量的大小與單元加工零件多少、工序的多少成正比，這里稱這兩項為單元內(nèi)的復(fù)雜程度。即，一個單元越復(fù)雜說明這個單元內(nèi)加工零件較多、零件的加工工序較多。用C1表示:

I為第t個單元的加工零件數(shù)，A為第t個單元第i個零件的工序數(shù)。

第二、單元與單元外瓶頸設(shè)備間的搬運:前提要考慮到各個零件或工件的加工工藝順序，不同方案下瓶頸元素代表的設(shè)備及數(shù)量不相同。第三類搬運與第二類大致相同，將這種搬運稱為單元與非單元之間的搬運分析。設(shè)單位距離下的搬運成本為f1，假設(shè)搬運設(shè)備的大小是一定的。用Di表示搬運i零件時的有效搬運單位。Qi表示i零件在設(shè)備之間移動量。

單元制造系統(tǒng)中影響人工的成本有多能工［11］的數(shù)量，多能工是日本豐田企業(yè)通過公司工作崗位輪換制來培養(yǎng)，使人擁有不同崗位的職能根據(jù)節(jié)拍分配多個崗位，實現(xiàn)少人化。這里用p代表多能工的數(shù)量;q代表人的熟練程度，q∈［1～2］，熟練程度高的人q越小，f2為常數(shù)，代表人的單元成本。

其他成本包括單位時間內(nèi)耗費的水、電和設(shè)備維護費用，用C其他表示。所以單元布局中的成本分析可以表示為:

3.2 物的角度

從物的角度來看，除了上面提到的包含物的費用外，還包括各單元內(nèi)設(shè)備的利用率和各個單元的占地面積兩個方面。不同產(chǎn)品下不同構(gòu)建方案的設(shè)備利用率不盡相同，評價設(shè)備利用情況現(xiàn)今最常見的指標(biāo)為設(shè)備綜合利用效率OEE，當(dāng)假設(shè)設(shè)備初始情況大致相同、產(chǎn)品的質(zhì)量基本合格時，設(shè)備有效時間開動率起關(guān)鍵作用。已知批量和加工工藝，要達(dá)到每個單元內(nèi)設(shè)備利用率最高，設(shè)備損耗速度均衡，生產(chǎn)的均衡，應(yīng)使每個設(shè)備總加工時間變化較少。比如在某單元內(nèi)，設(shè)備A只加工零件2數(shù)目有一臺，設(shè)備B加工零件1、2、3數(shù)目有兩臺，設(shè)備利用不均衡會導(dǎo)致單元內(nèi)產(chǎn)生浪費。設(shè)tikj為第i個零件在第j種設(shè)備上加工第k道工序時的加工時間。

第j種設(shè)備累計加工時間為:

xikj=1表示第i個零件在第j種設(shè)備上加工第k道工序，xikj=0，否則;

Zj為第j種設(shè)備在布局中的實際數(shù)量。

在某一個單元內(nèi)，可以得出一個判定指標(biāo):

這是一個單元內(nèi)各個設(shè)備之間時間方差。用T來判定方案中各個單元設(shè)備利用情況。T小的方案更優(yōu)。其中:

第二，工廠內(nèi)的面積利用率，對于初始布局的幾種方案，首先要滿足正常下必要的單元機械加工面積和單元內(nèi)與單元間物料流通空間，然后也包括人活動的必要空間與配件、在制品等的必要空間，這里的“必要”來源于日本豐田生產(chǎn)方式的準(zhǔn)時制思想——“在必要的時間內(nèi)只生產(chǎn)必要數(shù)量的必要產(chǎn)品”，所以精益設(shè)計下的單元制造系統(tǒng)面積強調(diào)的是“必要”兩個字，從設(shè)計層面降低浪費。這個判定指標(biāo)可以表示為:

其中:Si為第i個單元內(nèi)必要的機械加工面積;S'為單元內(nèi)與單元間物料流通空間;L是其他包括人活動、配件、在制品等的必要空間。

圖3 單元制造系統(tǒng)布局示意圖

3.3 建模小結(jié)

單元制造系統(tǒng)初始布局形成后，在資金和物兩個方面分析下可以選出一個相對更優(yōu)的方案，方案的選擇過程是定量的分析，從構(gòu)建成本、運行成本、設(shè)備利用率和面積利用率幾個方面綜合判斷幾個方案的優(yōu)劣，即是一個多目標(biāo)求解的問題:

限于篇幅，本文暫不對該多目標(biāo)進行求解。第三階段得出的結(jié)論為基本設(shè)備單元布局，下面進入設(shè)計的最后階段。

4 最終布局階段——輔助系統(tǒng)的精益設(shè)計

基本設(shè)備布局形成以后，為使其達(dá)到效用最大化，設(shè)計階段不可就此結(jié)束。前三個階段的結(jié)果就像人的骨骼，沒有輔助系統(tǒng)——人、信息、組織等的血液和肌肉，制造系統(tǒng)就不可能高效的運行。DLP的過程要綜合考慮影響單元制造系統(tǒng)的各因素，對每個方面進行合理的分析和設(shè)計。這里稱其他的構(gòu)成因素設(shè)計為輔助系統(tǒng)設(shè)計。

第一，人員精益設(shè)計。人是單元制造系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，人的主導(dǎo)性直接影響著單元制造系統(tǒng)的運營狀況。人員設(shè)計包括對人利用率、人員柔性的分析。人員利用率的提高實際上就是生產(chǎn)崗位的精益設(shè)計，它不是要求每個員工在工作時間內(nèi)滿負(fù)荷工作，而是根據(jù)工效學(xué)原理降低或者消除某段時間內(nèi)員工超負(fù)荷運作，改善忙閑不均的現(xiàn)象，人能舒適的工作，更尊重人的規(guī)律、習(xí)性。人員柔性指的是單元內(nèi)為達(dá)到生產(chǎn)多種產(chǎn)品、批量小的生產(chǎn)，必然會出現(xiàn)一人多機作業(yè)，也就是多能工的普及程度。產(chǎn)品的柔性使人需要掌握多項技能，在適量增減人員的情況下完成生產(chǎn)。人員設(shè)計的內(nèi)容還包括各單元內(nèi)人是否按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行作業(yè)、有持續(xù)改善團隊等，實踐因公司的計劃而異。

第二，信息系統(tǒng)精益設(shè)計。單元制造系統(tǒng)中物的流動必然帶動著信息的流通，信息流動包括生產(chǎn)計劃指定和傳達(dá)、物品流通后單據(jù)的記錄和傳遞、人員的安排、節(jié)拍時間的確定、調(diào)整季節(jié)性變化、引進新型磨具等。對于每天的生產(chǎn)信息流，可以通過把生產(chǎn)進度表及裝運單等信息轉(zhuǎn)換為簡單的拉動環(huán)。準(zhǔn)時化的思想要求信息在生產(chǎn)的流通過程傳遞快捷，看板方式的后拉動生產(chǎn)也是信息載體的流通。流通的效率影響著生產(chǎn)的及時進行，即時的記錄可以反映生產(chǎn)的狀況，信息更換的效率也決定著對市場變化的適應(yīng)能力。所以信息系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以物料流轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，瞬時反應(yīng)物的加工、變換等。生產(chǎn)崗位設(shè)計是工作流程設(shè)計的基礎(chǔ)，而工作流程設(shè)計和組織設(shè)計是信息系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。

第三，組織的精益設(shè)計。組織設(shè)計以人員設(shè)計為基礎(chǔ)，在單元制造系統(tǒng)投入運行之前設(shè)計它的結(jié)構(gòu)和職能。制造系統(tǒng)的管理者、使用者和維護者要各司其職，避免冗余。

5 結(jié)束語

本文的創(chuàng)新在于采用定量的分析CMS精益設(shè)計階段的方法，而不是定性的或主觀因素為主導(dǎo)的設(shè)計評價方法。重點介紹了初始布局形成階段，將資本因素和物的因素綜合考慮在單元制造系統(tǒng)建立過程中;第四階段介紹了DLP中有關(guān)人員、組織和信息系統(tǒng)的精益設(shè)計。這為單元制造系統(tǒng)的設(shè)計提供了更寬的思路，也是DLP應(yīng)用的拓展。

本文的缺陷有三點:1.精益設(shè)計第三階段是一個多目標(biāo)問題，它的討論和求解是下一步的研究方向;2.文章并沒有給出算例，企業(yè)實踐顯得不夠充分和有說服力，也是下一步研究的重點;3.設(shè)計的第四階段只是概括性的提出輔助系統(tǒng)的精益設(shè)計，階段中遇到的問題和解決方法是第三個重點研究方向。

本文將精益的思想引入到單元制造系統(tǒng)的設(shè)計過程中，企業(yè)在具體導(dǎo)入過程中，應(yīng)首先深入理解精益思想，在設(shè)計階段將浪費減少到最低，減少生產(chǎn)過程中因設(shè)計導(dǎo)致的不可逆因素數(shù)，使制造系統(tǒng)處于可控形態(tài)，為以后的持續(xù)改善活動打下基礎(chǔ)。并最終提高單元制造系統(tǒng)的效率和柔性。

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