制造系统的三维空间优化(by AMT 顾新建)

制造系统的三维空间优化

by AMT  顾新建

摘要  本文提出了制造系统的三维结构模型。在此基础上，对制造系统的三维结构优化进行了系统的阐述，将一些先进制造系统的新哲理、新方法有机地集成在一起，为制造系统的整体优化提供了系统的方法。

1. 引言

    随着计算机技术和通信技术的迅速发展，市场竞争的全球化，传统的制造系统的组织和管理正在发生深刻的变化，出现了一些先进制造系统的新的组织管理的哲理和模式，如计算机集成制造([1]、敏捷制造[2]、全能制造 [3]、并行工程[4]、分形企业[5]、独立制造岛[6]、精益生产[7]、精简、灵捷、柔性生产系统[8]、 相似工程[9]等。

    为了满足制造系统优化的需要，人们提出了制造系统的多种结构模型，如层次结构、输入输出模型等。这些结构从不同侧面描述了制造系统。本文将采用三维结构模型描述制造系统的主要特点。在三维结构模型的基础上，本文试图将一些先进制造系统的新哲理、新方法有机地集成在一起，为制造系统的整体优化提供系统的方法。

2. 制造系统的三维结构

    这里采用三维结构图描述制造系统的空间结构，如图1所示。

图1  制造系统的三维结构

    X轴描述了企业中的从设计思想到产品的售后服务的信息流过程和从原材料到产品的物流过程。X轴向的集成是把企业生产经营的各个环节，从产品开发、加工制造、管理、销售及服务都作为一个整体，统一起来考虑。X轴又可看作是对生产深度的描述，有些企业只是进行产品设计、总装和销售，如汽车总装厂。有些企业只是零部件制造，如汽车配件厂。

    Y轴描述了多品种生产企业中的不同产品的信息。Y轴向的集成是利用相似性原理，将结构相似、工艺的零部件进行统一设计和制造，以简化制造系统的信息流和物流。Y轴又可看作是对生产宽度的描述。

    生产深度和生产宽度组成的底平面为生产范围。

    Z轴描述了企业的管理信息流。一般情况下，企业越大，管理层次越多，管理信息所流过的环节也就越多。Z轴向的集成是压缩管理层次以减少信息所流过的环节，下放管理权限以减少一般信息的流量。

3. 生产深度的集成(X轴方向的集成)

    生产深度的集成，即X轴向的集成，主要是制造系统的信息流和物流的上下游的集成。集成的关键是，在进行上游环节工作的同时，尽可能早地考虑下游环节的工作。

    (1)并行工程

    并行工程是生产深度集成的典型模式。并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。

    并行工程的目标是：①提高整个制造过程(包括设计、工艺、制造和服务)的质量；②降低产品生命周期费用(包括产品设计、制造、销售、服务、用户使用直到产品报废的全部费用)；③缩短产品研究开发周期(包括减少设计反复、减少制造中各环节的时间)。

    并行工程的基本组织结构是产品开发组，开发组由各方面专家，如设计、质量保证、制造、采购、销售、售后服务及计算机辅助设计支持等方面的专家组成。为了便于有效工作，通常将实际产品分解成多个部件，成立相应的产品开发小组。要求所有数据资源由各小组共享，要求各小组之间能够及时进行信息交流。　

    并行工程实行的是集成化的产品设计、制造、经销过程。既注重企业内部的集成机构又重视企业与外部供应商、用户、经销商等的集成机构。集成地和并行地进行产品及其有关过程的设计，特别注意产品早期概念阶段的并行协调。并要注意持续地、尽早地交换、协调和完善关于产品的有关制造和支持等各种过程的约定和定义。并行工程采取如图2所示的工作模式。

图2　并行工程的工作模式　　　

    在产品设计的初始阶段，产品开发组应考虑下游制造及支持过程，必须对可靠性、可制造性、可测试性、支持性和成本计算性进行设计。一个好的设计应当是：清楚表示对产品用户的需求；基于工程要求及目标；遵循产品的功能模型；尽可能减少设计变更的数目；尽量利用成熟技术；把质量设计到产品中去。

    (2)信息流的集成

    在企业开始应用计算机时，往往是仅考虑各个部门的计算机化，结果出现了所谓的“自动化孤岛”，如计算机辅助产品设计、计算机辅助工艺设计、计算机辅助制造、计算机辅助管理系统等。当整个系统需要进行集成时，集成的难度很大，因为这些系统是分别设计开发的，没有考虑到集成的要求。于是人们提出了计算机集成制造(CIM)哲理，要求子系统设计时必须考虑系统集成的需要，在此基础上进行系统的集成。

    信息流的集成包括：采用适用于产品整个生命周期的产品模型；建立以过程为中心的组织，如独立制造岛、产品开发组等；信息的分布化处理，将局域化信息就地处理，全局信息集中处理。

    (3) 减少生产深度

    对于一些较复杂的产品，其生产深度也相应较大。所有的事都由一个企业干，容易出现技术力量分散、零部件生产不够专业化、管理体制混乱等问题。减少生产深度，将企业的主要力量放到企业的“核心产品”和“核心技术”上，而产品所需的一般零部件则从其它企业购买。这样可以有效提高企业的效率和柔性。

    例如，在近15年中，美国汽车工业经历了前所未有的变革。以三大汽车公司（通用、福特和克莱斯勒）为首的整车制造商由传统的纵向经营、追求“大而全”的生产模式（即整车厂除了设计、开发、制造和销售整车外，还担负着管理下属零部件厂的繁重任务）逐步转向机构精简、以开发整车项目为主的专业化生产模式。同时，整车厂对零部件所负的责任也随之转向配套厂。对于配套厂而言，其责任不仅只停留在传统的来样或来图加工了，而要承担起配套零部件的从设计开发到市场服务的全部责任[10]。

4. 生产宽度的集成(Y轴方向的集成)

    (1) 多样化和专业化的统一

    由于市场变化激烈和用户的个性化倾向，一个原先在市场很好销的产品可能转眼间成为滞销品。企业为了生存，越来越多地采用多品种生产方式，即多样化生产。“东方不亮西方亮”，从理论上讲，多样化可以减少企业风险，可以使企业多几条生路。

    多样化产品可粗分为相关产品和不相关产品两类。相关产品是指不同产品间的结构或工艺有较大的相关性，如：微机和工控机。不相关产品如饮料和机械产品。

    事实表明，不相关程度越高的产品的多样化生产越难取得较好的效果。因为市场竞争不是碰运气，对一个自己不熟悉的市场进行产品开发和生产，很难避免惨遭失败。并且因为企业的资金和人力是有限的，把有限的资金和人力投在多个经营项目上，必然是资金分散，难以形成规模经济。只有当企业在本行业中已处于领先地位，并有富裕的资金和人力，或者在某一新领域中有特长，这时可以进行多样化生产。

    随着制造业的全球一体化，有许多企业从多样化转向专业化。通过建立独立核算的子企业，使各企业集中经营其核心产业。通过减少生产深度，将大量零部件生产任务承包出去，使自己集中力量进行产品设计和组装。原先跨行业的多样化生产发展趋势将逐步由某一类结构和工艺相似的产品的多样化生产发展趋势取而代之。这就是企业生产多样化和专业化的统一。

    企业生产多样化和专业化的统一要求企业一方面多品种生产，以减少市场激烈变化带来的影响，以满足市场的需求。另一方面要避免“大而全”或“小而全”的模式，在资金和人力有限的情况下，要避免多头出击，分散力量。应注意发挥自己的特长，减少生产成本。这要求企业具有很好的柔性，要求企业能充分利用最新的信息技术，加强与其他企业的合作。

    (2) 相似工程

    生产宽度的集成即Y轴方向的集成的一个目标是根据产品中的零部件的相似性，将具有相同工艺流程的零部件组织在一起进行生产，从而降低制造成本，提高产品质量，简化系统的管理。这方面的集成模式有独立制造岛、单元制造系统等企业细胞模型。其集成的概念如图3所示。产品设计过程中最大程度地利用以往的设计信息，如企业内部的通用件、相似件信息，这也可看作是一种生产宽度的集成。

图3  Y向集成的概念

5、管理层次的集成(Z轴方向的集成)

    (1)从传统的“金字塔”模式转向“房屋”模式

　　随着计算机应用的普及和制造系统各层次上的环节的自动化水平的提高，各环节之间的信息传递和转换成了制约制造系统效率和柔性进一步提高的瓶颈。并且随着工人的素质的提高，减少系统的层次，减少上下层的信息传递量，提高子系统的独立自主性，这已成为先进制造系统的发展方向。传统的金字塔式的组织结构只适宜于经济和市场条件稳定的时代。那时，工人受的教育一般很少，甚至根本没有，因此需要建立一种体系来收集管理信息，并对工人进行监督。  

    先进制造系统将广泛地采用扁平组织。这是一种水平结构的管理方式，具有透明的资源分配和管理功能，它要求人与人的关系更加平等和互相尊重，要求更能激发人们创造力的社会环境。通过计算机的广泛应用，减少对中层管理的需要；通过减少管理层次，提高信息的传递效率；扁平组织还能为用户提供更好的服务。英国管理学会(BIM)最近作了一个题为“扁平组织”的调查研究，表明，90%的英国企业正在进行组织结构精简和扁平化。

    美国Dell公司所以能在PC领域异军突起，很大程度上得力于扁平式企业运行结构：几十个部门平行地分布在同一个层面上，今天有订单传到营运中心，营运中心马上通知原材料商供货，第二天原材料就进入生产线，一下线就被装入集装箱运往销售，从而大大缩短了产品上市的周期。

     在员工多达27万的美国通用电气公司，被压缩的管理层次多达十几个。公司总裁要求在公司任何地方从一线职工到总裁本人之间不得超过5个层次，有的地方还向三级、二级管理靠拢。

     在美国杜邦公司，1993年5月宣布大改组，原有的的五个公司被分为20个规模较小的业务部门，公司最高领导直接与各业务部门经理进行联系，减少了中间层次。从而使杜邦公司走出了1992年亏损39亿美元的困境。

     (2)独立自主的基层组织

　　一些大中型企业通过分厂制、模拟法人、部门承包、划小核算单位等方法进行权力下放。如美国IBM，AT&T这样的大公司也通过划小经济核算单元和企业分解等达到提高管理效率的目的。在环境迅速变化的时代，生产过程变得难以预测，因此，分布式的快速决策变得更有意义。

　　 全能制造系统的要点是建立一个高度分布的制造系统的体系结构。它是由一系列标准的、半标准的、独立的、协作的和智能的模块组成。全能体(Holon，或称子整体)这个词是从希腊语holos(意思是整个、全部)加上字尾“on”转化而来的，意思是全能的整体可分解为局部的全能体。全能体是一定程度独立自主的单元，执行任务时无须向上级请示。同时，全能体又是上一级的控制对象以及全能群体的有机组成部分。

    独立制造岛也是一种独立自主的基层组织，它包括了加工一批相似零件所需的设备和人员，包括了零件工艺设计、作业计划、数控编程、制造、生产管理等功能。这种组织使得企业能够简化管理和减少管理层次。

6、三维总体集成

    制造系统三维结构模型中的三个轴向的集成实际上是紧密相关的。如，没有X和Y向的集成，如独立制造岛，面对细化的组织结构、庞大的企业信息，Z向的集成，即管理层次的减少是难以取得好的效果的。又如，并行工程中的开发组成员有较大的权力和责任，这包括了X向集成和Z向集成的两部分内容。

    制造系统的集成不是集中式控制，而是一种集成分布式控制。 集成分布控制结构的特点是：一方面系统是集成的，各子系统的工作为了完成总系统的目标，它们应当“从属”于总系统；另一方面系统是分布的，各子系统必须是高度“自治的”，有较好的局部反馈控制能力，出现问题就地解决。这样它们能在不同环境下自主地工作，具有较大的柔性和快速响应能力。

7、结论

     本文采用了制造系统的三维结构模型用于描述制造系统的优化。

     在X轴描述了企业中的从设计思想到产品的售后服务的信息流过程和从原材料到产品的物流过程。X轴向的集成包括：并行工程；信息流的集成；减少生产深度，将企业的主要力量放到企业的“核心产品”和“核心技术”上；全面质量管理等。

    在Y轴描述了多品种生产企业中的不同产品的信息。Y轴向的集成包括：多样化和专业化的统一等；相似工程等。

    在Z轴描述了企业的管理信息流。Y轴向的集成包括： 减少管理层次；独立自主的基层组织等。

    制造系统的三维结构模型为系统的整体优化提供了系统的方法。

参考文献

[1]祁国宁、顾新建， 计算机集成制造系统方法论，上海科技文献出版社，1996.3

[2]罗振壁，灵捷制造──21世纪制造企业的战略，机械工程学报，1994,第4期

[3]张曙，全能制造系统，中国机械工程，1996，第2期

[4]韩君己、顾新建、祁国宁. 现代制造系统与技术，上海科技文献出版社，1996.3

[5]Warnecke，H.，J.， Revolution der Unternehmenskultur. Das Fraktale Unternehmen， Springer Verlag， Berin， Heidelberg，2.Auflage，1993

[6]张曙，独立制造岛在中国工业企业中的应用，工厂建设与设计，1993，第1期

[7][美]D.琼斯等，改变世界的机器，万国学术出版社，1991

[8]汪应洛，新世纪的生产系统——精简、灵捷、柔性生产系统，中国机械工程，1995，第5期

[9]蔡建国，相似工程，机电一体化，1997,第1期

[10]巩滨，美国汽车零部件工业的现状与展望－供求模式的改变带给零部件配套厂的挑战和机遇，中国机械工程，1997，第1期

[11]刘海云、方齐云, 权变策略，湖北人民出版社，1997

作者通讯方式：浙江大学生产工程研究所（310027）

Email：xjgu@cmee.zju.edu.cn