王占壯，藺 宇

(天津大學管理與經濟學部，天津 300072）

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，人的需求多樣性日益加深，消費者對產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方式越來越少，而定制化、多品種少批量的生產方式逐漸占據(jù)統(tǒng)治地位。在工廠內具體實踐時，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)是基于成組技術發(fā)展成的，這種制造方式的優(yōu)點是［1］:加工時設置時間減少、生產過程中在制品庫存減少、物料搬運中成本和距離減少、單元內設備的利用水平提高和產品質量的改善。CMS改善了原有車間布局內物流路線過長和生產浪費，提高了生產效率。

精益設計的思想源于精益生產(Lean Production），而精益生產是總結日本豐田生產方式(Toyota Production System）的經驗，它是被廣泛地證明為一種成功的生產方式，精益生產的核心思想是消除浪費、持續(xù)改善［2］。精益設計是將精益的思想應用到設計階段，它可以從根本上消除企業(yè)當中的浪費，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，在經營和管理兩個層次設計上將浪費降低到最低。

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

1 單元制造系統(tǒng)精益設計的研究框架

1.1 單元制造系統(tǒng)設計的文獻研究

國內外對單元制造系統(tǒng)設計的研究比較成熟，單元制造系統(tǒng)規(guī)劃過程包括三個步驟:①單元構建，即利用成組技術將待加工零件歸為若干零件族，將加工設備劃分為若干加工單元;②單元內布局，即為各個單元合理布置其內加工設備及工作站;③單元間布局，即在車間范圍內安排各單元的合理位置。研究單元構建時采用的方法是比如基于數(shù)組的方法，單元內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函數(shù)問題［5］，第二、三階段大多學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。

縱觀整個設計過程，研究設計所要達到目標過于簡單、單一，制造系統(tǒng)并不等同于物流系統(tǒng)，它是人員、信息、物料等有機的結合體，任何一方面不能協(xié)調考慮均會影響到單元內制造的順利進行。所以，設計階段應該在制造系統(tǒng)的各方面、各層次做詳細、全面的分析，而設計的優(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分別表示普通設計下和先進制造設計(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)前期在兩種設計下成本相差不明顯，但從中期開始，普通設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，設計初采用先進的制造設計對單元系統(tǒng)總成本的降低起著非常大的作用。

圖1 普通設計和先進制造設計下制造系統(tǒng)生命周期成本曲線

1.2 單元制造系統(tǒng)精益設計的步驟

單元制造系統(tǒng)的精益設計研究過程如圖2所示，決定制造系統(tǒng)布局形式的因素是產品的需求，任何設計的目的都應有一個明確的生產大綱，也就是產品種類、數(shù)量、生產期限等，這樣就能以產品的工藝設計來選擇設備種類、設備數(shù)和產品的加工流程，這是成組技術的基礎，也是單元布局的基礎。第二個階段是構建單元，構建的過程和前文文獻中提到的差別不大，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。資本因素區(qū)別于過去利用的構建成本與運行成本，利用的因素是精益思想里的資本周轉速度;物的因素包括設備利用情況、空間利用情況等，此階段形成的目標是基本設備單元布局。設計的最后一個階段是形成最終單元布局，利用精益設計的相關方法，將人員、信息、組織的設計有機的組合到單元制造系統(tǒng)，使他們配合協(xié)調運行，形成精益設計下的單元制造布局。文章將在前人研究的基礎上重點討論第三和第四兩個階段。

圖2 單元制造系統(tǒng)的精益設計研究過程

2 單元布局精益設計的初期階段

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

3 單元布局精益設計的構建單元階段和初始布局的形成

式中:i為零件類型下標;j為機床類型下標;k是工序下標;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或瓶頸設備上完成，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，瓶頸設備元素與單元內工藝之間的關系，不能直接反應方案的優(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:單元加工設備間的搬運，單元與單元外瓶頸設備間的搬運，單元與單元之間的搬運。如表一的零件——設備加工矩陣，此為一設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內的搬運成本，單元1與設備E加工零件2時的搬運量、單元2與設備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?！?/p>

表1 設備零件加工矩陣舉例

第一、單元內搬運成本: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的復雜程度。即，一個單元越復雜說明這個單元內加工零件較多、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。設單位距離下的搬運成本為f1，假設搬運設備的大小是一定的。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耗費的水、電和設備維護費用，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，還包括各單元內設備的利用率和各個單元的占地面積兩個方面。不同產品下不同構建方案的設備利用率不盡相同，評價設備利用情況現(xiàn)今最常見的指標為設備綜合利用效率OEE，當假設設備初始情況大致相同、產品的質量基本合格時，設備有效時間開動率起關鍵作用。已知批量和加工工藝，要達到每個單元內設備利用率最高，設備損耗速度均衡，生產的均衡，應使每個設備總加工時間變化較少。比如在某單元內，設備A只加工零件2數(shù)目有一臺，設備B加工零件1、2、3數(shù)目有兩臺，設備利用不均衡會導致單元內產生浪費。設tikj為第i個零件在第j種設備上加工第k道工序時的加工時間。

第j種設備累計加工時間為:

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

Zj為第j種設備在布局中的實際數(shù)量。

在某一個單元內，可以得出一個判定指標:

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

第二，工廠內的面積利用率，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方式的準時制思想——“在必要的時間內只生產必要數(shù)量的必要產品”，所以精益設計下的單元制造系統(tǒng)面積強調的是“必要”兩個字，從設計層面降低浪費。這個判定指標可以表示為:

其中:Si為第i個單元內必要的機械加工面積;S'為單元內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

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，從構建成本、運行成本、設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，即是一個多目標求解的問題:

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

4 最終布局階段——輔助系統(tǒng)的精益設計

基本設備布局形成以后，為使其達到效用最大化，設計階段不可就此結束。前三個階段的結果就像人的骨骼，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計。這里稱其他的構成因素設計為輔助系統(tǒng)設計。

第一，人員精益設計。人是單元制造系統(tǒng)的領導者，人的主導性直接影響著單元制造系統(tǒng)的運營狀況。人員設計包括對人利用率、人員柔性的分析。人員利用率的提高實際上就是生產崗位的精益設計，它不是要求每個員工在工作時間內滿負荷工作，而是根據(jù)工效學原理降低或者消除某段時間內員工超負荷運作，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、習性。人員柔性指的是單元內為達到生產多種產品、批量小的生產，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。人員設計的內容還包括各單元內人是否按照標準執(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，信息流動包括生產計劃指定和傳達、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、調整季節(jié)性變化、引進新型磨具等。對于每天的生產信息流，可以通過把生產進度表及裝運單等信息轉換為簡單的拉動環(huán)。準時化的思想要求信息在生產的流通過程傳遞快捷，看板方式的后拉動生產也是信息載體的流通。流通的效率影響著生產的及時進行，即時的記錄可以反映生產的狀況，信息更換的效率也決定著對市場變化的適應能力。所以信息系統(tǒng)的設計應以物料流轉為基礎，瞬時反應物的加工、變換等。生產崗位設計是工作流程設計的基礎，而工作流程設計和組織設計是信息系統(tǒng)設計的基礎。

第三，組織的精益設計。組織設計以人員設計為基礎，在單元制造系統(tǒng)投入運行之前設計它的結構和職能。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 結束語

本文的創(chuàng)新在于采用定量的分析CMS精益設計階段的方法，而不是定性的或主觀因素為主導的設計評價方法。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中有關人員、組織和信息系統(tǒng)的精益設計。這為單元制造系統(tǒng)的設計提供了更寬的思路，也是DLP應用的拓展。

本文的缺陷有三點:1.精益設計第三階段是一個多目標問題，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.設計的第四階段只是概括性的提出輔助系統(tǒng)的精益設計，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)的設計過程中，企業(yè)在具體導入過程中，應首先深入理解精益思想，在設計階段將浪費減少到最低，減少生產過程中因設計導致的不可逆因素數(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。并最終提高單元制造系統(tǒng)的效率和柔性。

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