先进制造模式

课程绪论

• 本章作为课程的开始，
  • 首先介绍制造业的发展历程；
  • 然后从三个方面介绍现代制造的特点；
  • 最后针对现代制造的特点介绍我们应该为此研究什么。
    • 这些研究内容中的管理方法部分即为本课程的主要内容——先进制造模式。

第1章 绪论

• 1 制造业的发展历程
• 2 现代制造的特点
• 3 先进制造的主要内容

1 制造业的发展历程

• 制造是将原材料改变成适用的产品。

• 制造活动贯穿了人类的历史。

• [此处需结合PPT中从石器时代到航天时代的图片理解]

• 如今，制造的概念：

  • “小制造”（manufacturing）
    • 指传统的机械制造，
    • 重点是加工（fabrication）和装配（assembly）；
  • “大制造”（也叫生产，production）
    • 指产品全生命周期中，从供应市场到需求市场整个供应链中的所有活动。
  • 本课程中的制造一般指“大制造”。

• 制造业在国民经济中的地位：

  • 参考数据：我国经济结构的变化（GDP比重）：

	第一产业	第二产业	第三产业
1952年	50.95%	20.88%	28.16%
1980年	30.17%	48.22%	21.60%
2015年	8.39%	40.84%	50.77%
2023年	7.12%	38.28%	54.60%

• 近年来，第三产业迅速发展。

• 由此带来思考：

  • 这是否意味着第二产业会快速萎缩？
  • 第二产业最终会消失吗？

• 制造业在国民经济中的地位（续）：

  • <1> 制造业将长期存在。
    • 美国第三产业GDP占比在上世纪40年代已超过50%，如今才达到80%；而美国第二产业GDP占比近年来长期保持17%-19%，还需要大量国际贸易来补充。
    • 也存在德国这样制造业GDP占比长期超过40%的发达国家（近年来下降到20%以下）。
    • 我国目前是世界上唯一一个工业门类齐全的国家，提供了全世界35%的工业品。
  • <2> 制造业仍是我国经济的中坚力量。
    • 尽管2015年我国第三产业GDP占比超过50%，但其中房地产、金融、IT分别约占10%、8%、5%，传统服务业（批发零售15%，运输、旅游、文化各4%左右）的占比仍然低于制造业（约35%）。
    • 我国也将发展制造业放在十分重要的地位，其在经济增长、就业、科技创新、国家安全和国际竞争力等方面都具有不可替代的作用。
  • <3> 我国制造业还在进一步发展之中。
    • 国务院印发的《中国制造2025》将制造业的发展计划做到了2049年。中国制造业的规模仍在增加，同时产品的层次也在不断提升，由“中国制造”转型成为“中国智造”、“中国创造”。目前，我国已经超额完成《中国制造2025》的阶段性计划。
    • 制造业是实体经济的基础，实体经济是我国发展的本钱，是构筑未来发展战略优势的重要支撑。要坚定推进产业转型升级，加强自主创新，发展高端制造、智能制造，把我国制造业和实体经济搞上去，推动我国经济由量大转向质强，扎扎实实实现“两个一百年”奋斗目标。
      • ——习近平2019年9月16日至18日在河南考察时的讲话
    • 我们坚持发展实业，从过去洋火、洋皂、洋铁等靠买进来，到现在成为工业门类最齐全的世界制造业第一大国，这条路走对了。我们要继续把制造业搞好，掌握关键核心技术。
      • ——习近平2025年5月19日至20日在河南考察时的讲话

• 制造业的发展历程——技术角度：

  • 第一次工业革命（蒸汽驱动）、第二次工业革命（电力驱动）、第三次工业革命（电子和IT技术）、第四次工业革命（信息物理融合系统）。
  • 思考： 制造业的技术发展趋势是什么？
  • 机器拥有越来越高的智能，因此能够取代越来越多的人类工作。

• 制造业的发展历程——管理角度：

  • 从市场需求（生产方式）角度划分：
    • 1920年前——单件（定制）生产时代；
    • 1920-1960年——大批量（大规模）生产时代；
    • 1960年至今——个性化（大规模定制）生产时代。

（1）单件（定制）生产时代

• 需求的特点： 规模小，速度慢，缺少统一的标准。
• 参考： 《水浒传·第四回》——鲁智深订购禅杖。
• 生产的特点：
  • 客户定制需求，
  • 付定金，
  • 等候生产。
• [此处需结合PPT中古希腊士兵装备图片及电影截图理解]

（2）大批量生产（大规模生产）时代

• 需求的特点： 需求数量大；

• 生产的特点： 许多产品在接到用户订单之前，厂家就预先大批量生产，再由经销商零售给客户。

• 重要标志：

  • 标准化技术
  • 流水线技术

• 大规模生产的重要标志——标准化：

  • 为在一定的范围内获得最佳秩序（质量、效率），对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动，称为标准化。

• 产品标准化简史：

  • 公元前250年，秦国的武器生产就具有统一的尺寸标准。
  • 1789年，美国人伊莱·惠特尼首先在制锁中使用了具有互换性的零件，后来推广到武器生产中。
  • 1834年，英国制定了惠物沃思"螺纹型标准"，并于1904年以英国标准BS84颁布。
  • 1914年，美国人亨利·福特发明了移动式汽车装配流水线。
  • 1943年，苏联T-34坦克许多种部件开始严格要求标准化，包括履带、附加油箱、扶手等。
  • 1947年，国际标准化组织（ISO）成立。
  • 1978年，中国加入了国际标准化组织，标准化工作全面展开。
  • 2008年，中国当选ISO常任理事国。2015年，张晓刚正式就任ISO主席。中国在国际标准化组织中的影响力不断增强。

• 大规模生产的重要标志——流水线：

  • 1913年，亨利·福特发明了移动式汽车装配流水线，极大提高了生产效率。应用流水线的一个前提则是零件的标准化。
  • 参考电影片段：“摩登时代”。
  • 效率对比：
    • 1908年：514分钟/车
    • 1913年：1.19分钟/车

（3）个性化（大规模定制）生产时代

• 随着生活水平的提高，人们的个性化需求变得越来越明显。

• 举例： 我们开始考虑“撞衫（Dress Same）”问题。

• 举例： 2021年一年之内，我国上市手机新机型达到483款。

• 相关案例——个性化的市场需求体现在福特与通用的早期竞争上。

  • 美国汽车市场曾一度是福特公司的天下：
    • 1908年，福特公司首次推出T型车；
    • 1913年，福特公司完成了部分汽车零件的标准化，建成了世界上第一条流水装配线，采用典型的大规模生产策略迅速战略市场。
  • 1908年，通用汽车公司成立，先后联合或兼并了别克、凯迪拉克、雪佛兰、奥斯摩比、庞蒂克、克尔维特、悍马等公司。但在初期，各个子公司各自为战，一直处在福特公司的阴影之下。
  • 直到1920年，通用汽车公司利用品牌多的优势，采用差异化战略，推出年度车型，不断满足消费者的新需要，并制定了分布较广的价格区间：雪佛兰（450-600$）、庞蒂克（600-900$）、别克（900-1700$）、奥斯摩比（1700-2500$）、凯迪拉克（2500-3500$）。
  • 1927年，通用汽车靠丰富的车型击败了福特，坐上业界头把交椅。

• 近年来，个性化需求再次兴起，同时人们对产品的需求量依然很大。

  • 如何调和个性化需求和大批量需求之间的矛盾？
  • 细致分析各个产品制造环节，抓住每个环节的主要需求。
  • 例如汽车可以内在零件统一生产，外在装饰按要求定制。
  • 将大规模生产与定制生产融合起来称为大规模定制。

• 大规模定制产品举例：

  • [此处需结合PPT图片：定制涂装的赛车、图案各异的T恤、带有各种装饰扣的洞洞鞋]

2 现代制造的特点

• （1）高效化
  • ——产品的需求量依然很大。
  • ——实现手段：自动化。
• （2）柔性化
  • ——个性化需求越来越明显。
  • ——实现手段：智能化。
• （3）集成化
  • ——产品越来越复杂。
  • ——实现手段：信息化。

（1）高效化与自动化

• 效率是制造业一直追求的目标，自动化是其实现的手段。

• 案例： 战争物资消耗日益增大，

  • 1941-1945年苏联卫国战争约消耗170亿发子弹，击伤击毙德军1300万；
  • 2002-2005年美国对阿富汗战争消耗60亿发子弹，只消灭抵抗分子1500余人。
  • 随着人口的增加和生活水平的提高，人类对各种物资（石油、电力、纸张等）的消耗也与日俱增。

• 利用技术实现的自动化——制造：

  • 参考视频：“盒饭自动生产线”。

• 利用技术实现的自动化——设计：

  • 参考视频：“Solidwork自由曲面”。

• 利用技术实现的自动化——管理：

  • 举例：自动签到机。
  • 举例：电子巡更系统。
  • 举例：电脑管控软件。
  • 举例：2019年，亚马逊使用人工智能在线评价和管理物流员工。

• 利用管理方法实现的“自动化”：

  • 消除浪费、精简流程、完善制度、基层自治等（第3章介绍）。

（2）柔性化与智能化

• 我们期望机器能够帮助人进行更多的工作，但赋予机器智能是一项具有难度的挑战。

• 利用技术实现的智能化：

  • 初级的智能（技能）化
    • 不必要求机器像人类一样思考，只要代替人类工作就行。
    • 例如能够代替工人精准地控制车刀。
    • 思考： 如何加工这根轴？如何用车床加工端面？如何用车床加工外圆面？如何用车床加工中间那部分曲面？
  • 进一步的智能（复杂技能）化
    • 要求机器能够取代传统技术工人的部分需要复杂动作的工作。
    • 参考视频：“家具加工设备”。
  • 当前的突出表现
    • 机器能够根据不同的情况做不同的工作。
    • 例如，混流汽车装配线可以在一条生产线上装配多种不同型号的汽车（参考视频：“汽车混流装配线”）。
  • 所谓“智能”的要求一种在提高。
  • 在未来我们对机器设备的智能化还有更高的要求，这是人工智能（AI）领域研究的问题。

• 利用管理方法实现的“智能化”：

  • 科学管理、灵活的组织结构、不断学习的企业文化等（第4章介绍）。

（3）集成化与信息化

• 我们能造的东西越来越大、越来越复杂，信息化是实现生产管理的手段。

• 举例： 现在大部分家用汽车的零件超过1万个，而大型工程机械的零件可能超过10万个。

• 参考视频： “波音飞机的组装”。

  • 大型客机需要450万零件，来自10个国家的1000家企业的1.5万家工厂。
  • 人工管理产品信息以及产品的制造过程信息变得越来越困难。

• 利用技术实现的集成化：

  • 举例：波音公司的装配管理系统与供应链管理系统。
  • 巨型露天矿斗轮挖掘机Bagger 293：高95米，长215米，占地面积约为2.5个足球场。
  • 中国的振华30起重船：长297.55米，船宽58米，单臂固定起吊12000吨，单臂全回转起吊7000吨。吊装6000吨的海底隧道接头，安装精度需控制在厘米级。
  • [此处需结合PPT图片：C919国产大型客机，山东舰首艘国产航母，AG600鲲龙大型灭火/水上救援水陆两栖飞机，深海一号全球首座十万吨级半潜式能源站]

• 利用管理方法实现的集成化：

  • 更全面地考虑问题、部门协同、跨企业协作等（第5章介绍）。

• 现代制造三组特点之间的关系：

  • 高效与柔性——在成本一定的情况下，高效与柔性经常存在着矛盾，协调两者之间的矛盾是现代制造研究的重要课题；
  • 集成与高效、柔性——良好的集成能够有效地支持高效、柔性。一方面，大型系统实现集成才能实现整体上的高效；另一方面，集成能够提高重组的效率和质量，从而支持系统通过不断重组实现柔性。

• 在各种先进制造模式中，通常都要兼顾上述三组特点，但也有倾向性；本课程按倾向性对各种先进制造模式进行分章介绍。

• 讨论： 除了课上介绍的三组特点外，现代制造还有什么其它特点？

3 先进制造的主要内容

• 总体思想： 使用先进制造理论来解决现代制造的需求。

• 参考企业发展的马车模型（两个轮子）：

  • 先进管理方法和先进工程技术缺一不可。
  • 工程技术较容易买到，管理方法却不适合直接抄袭，需要与工程技术应用水平匹配，还要考虑国家、地域、企业自身的文化。

• 先进制造模式即为适合制造企业的成套的先进管理方法和技术。

• 本课程介绍

  • （1）主要针对高效化需求的
    • 精益生产、约束理论等；
  • 除了应用自动化技术外，从管理角度提升人的工作效率同样具有很大的提升空间。
  • （2）主要针对柔性化需求的
    • 柔性制造系统、可重构制造系统等；
  • 从技术角度实现机器的智能化是当前的研究热点，这需要计算机、机械和自动化技术的综合应用。
  • （3）主要针对集成化需求的，
    • 计算机集成制造系统、企业资源计划等。
  • 在当前阶段，人们主要利用网络和大型管理软件来实现信息化，以此支持集成化。

第2章 制造系统的体系结构

• 明确制造系统所关注的问题，才能有针对性地去解决问题。
• 制造系统很复杂，所关注的问题很多，
  • 因此本章从局部到整体分4个层次介绍。
  • 分别是
    • 单元级制造系统、
    • 车间级制造系统、
    • 企业级制造系统、
    • 跨企业与全球制造系统。

1 单元级制造系统

基本概念：

• 单元级制造系统是广义上的概念，
  • 在企业里可能被称作
    • 工作中心（work center）（设备的一种分组方式，重柔性）、
    • 制造单元（work cell）/生产线（line）（设备的另一种分组方式，重效率） 、
    • 班组（team）（人的分组）等。
• 单元级制造系统是制造企业的基层管理单位，
• 管理者通常是兼职的一线生产人员。

单元级制造系统的基本结构：

• 工作站、运输装置、缓冲区、装工件站和卸工件站。

[此处需结合PPT中的结构示意图理解：中心是运输装置，四周连接着工作站、装工件站、卸工件站和缓冲区]

单元级制造系统举例：

• 在某机械制造企业的某工作中心，

• 工作站指各种机械加工设备。

  • [此处需结合PPT中机械加工设备的图片理解]

• 在汽车制造企业的自动化装配线（制造单元的一种），

• 工作站指各个加工位上的若干工业机器人。

  • [此处需结合PPT中汽车装配机器人的图片理解]

对于机械加工车间：

• 缓冲区指仓库，通常由金属货架和铁丝网构成。
  • [此处需结合PPT中货架仓库的图片理解]
• 经常直接使用空地作为缓冲区、装工件站和卸工件站。
  • [此处需结合PPT中车间空地堆放物料的图片理解]
• 轻型物料的运输装置传统上以运输车、叉车等人力辅助设备为主；
• 近年来开始重视机动小车的使用。
  • [此处需结合PPT中叉车和人力车的图片理解]
• 重型物料需要使用吊车。
  • [此处需结合PPT中吊车的图片理解]
• 稍远距离的运输（例如汽车装配线）使用机动运输车。
  • [此处需结合PPT中机动运输车的图片理解]

单元级制造系统的类型：

• 存在两种类型：
  • 一种是按设备的功能划分，即将功能相同或相近的设备放在一起，通常称为工作中心或班组。
    • 特点：设备与零件之间无严格对应关系。
  • 一种是按工件的加工需求划分，将一个或形状相似的一组零件所需的设备放在一起，通常称为制造单元、生产线或流水线。
    • 特点：设备与零件之间有严格对应关系。

单元级制造系统的两种类型图解：

• 工作中心、制造单元。

1. 工作中心：

• 按设备的功能分组；
• 同一零件需要多个工作中心加工；
• 运输路线较长。
  • [此处需结合PPT示意图理解：零件A和B需要在工作中心1、2、3之间交叉往复流动]

2. 制造单元：

• 按零件的工艺需求分组，
• 同一零件只需一个制造单元加工，
• 运输路线短，但容易造成设备空闲。
  • [此处需结合PPT示意图理解：零件A只在制造单元2内部流动，零件B只在制造单元1内部流动]

思考：哪种类型的单元级制造系统更好？

• 工作中心和制造单元各有优缺点，适合于不同的车间、企业。
• 讨论：家电、轿车、起重机厂分别适合哪种方式？
• 当前主流研究认为基层的单元级制造系统首先注重效率，而在车间级制造系统再考虑柔性，所以将传统的工作中心改造成制造单元是一个研究热点。

2 车间级制造系统

基本概念：

• 传统上车间（workshop）按厂房划分，
  • 即一个厂房为一个车间。
• 当前，车间更多地指具有相对独立的生产任务、进行独立成本核算能力的行政单位，可能包含多个厂房。
• 在国内，很多车间被称作事业部（division），
  • 无法人资格，但相对独立运营。

车间级制造系统的基本结构：

• 分为两个层次，
  • 一是生产层，包括
    • 若干单元级制造系统；
  • 二是管理层，
    • 除了车间主、副负责人外，通常还包括
    • 生产管理（计划、调度、成本核算）、
    • 资源管理（设备、耗材、人事）、
    • 质量管理、技术支持等岗位。
  • 对于机械制造企业，一个车间的管理层通常不足10人，占车间职工的10%左右。

车间级制造系统举例：

• 机械加工车间的外观。
  • [此处需结合PPT中蓝色厂房外观图片理解]
• 机械加工车间的内部。
  • [此处需结合PPT中车间内部机床排列图片理解]

车间的类型：

• 流水车间（flow-shop），
  • 产品种类较单一，不同产品的工艺路线相同或类似；
• 作业车间或机组车间（job-shop），
  • 产品种类较多，工艺路线复杂；
• 装配作业车间（assembly job-shop），
  • 存在装配关系的作业车间；
• 可重入作业车间（re-entrant job-shop），
  • 具有工件多次进入同一组流水线的特点。

1. 流水车间

• 产品种类单一，
• 工艺路线单一，批量大。
• 举例：某冷冻机厂成套事业部两器工段。
  • [此处需结合PPT中的工艺流程图理解：弯管/冲片/弯头 -> 穿片 -> 胀管 -> 干燥 -> 盘圆 -> 氩弧焊 -> 手工焊 -> 氦检 -> 试压 -> 铆接 -> 氩弧焊 -> 修整 -> 包装]
• 汽车装配车间属于流水车间。
  • 生产线形式的车间可看作是流水车间。
  • [此处需结合PPT中汽车生产线图片理解]

2. 作业车间

• 产品种类多，批量小，
• 工艺路线复杂。
• 举例：某机械加工车间。
  • [此处需结合PPT中的流程示意图理解：产品1、2、3在工作中心1到5之间复杂的交叉流动]
• 举例：某重型水电零件加工车间，零件通过吊车、叉车在各个机床间移动，移动路线通常非常复杂。

3. 装配作业车间

• 存在装配关系的作业车间。
• 举例：某制冷机装配车间。
  • [此处需结合PPT中的流程图理解：原料1-4分别进入工作中心1、3，然后汇聚到2、4，最后进入工作中心5进行装配，产出产品1、2]
• 举例：制冷机装配车间，产品不动，人员带着装配设备移动。

4. 可重入作业车间

• 工件多次进入同一组设备。
• 举例：某液晶面板生产线。
  • [此处需结合PPT中的流程图理解：清洗->SP&CVD->涂胶->曝光->显影->光检->显检->刻蚀->刻检->去胶->O/S，流程中有多次回路]
• 主要以半导体产品的生产为背景，
• 同时具有大批量与单件生产的特点。

讨论： 相对于几十年前，如今流水车间增多了还是作业车间增多了？为什么？

3 企业级制造系统

基本概念：

• 工厂（factory）——用于生产的一组大型建筑物。
• 企业（enterprise）——一般是指以营利为目的运用各种生产要素向市场提供商品或服务，实行自主经营、自负盈亏、独立核算的具有法人资格的社会经济组织，可能包含多家工厂。
• 公司（company）——企业存在三类基本组织形式：独资企业、合伙企业和公司。公司制企业是规模以上企业的主要组织形式。

企业级制造系统的基本结构，包含两个层次：

• 一是生产层，包括
  • 若干车间（加工、装配等）。
• 二是管理层，
  • 除了企业主、副负责人外，通常还包括
  • 经营部门、计划部门（生产管理部）、
  • 销售部门、采购部门（物资供应部）、
  • 研发部门（设计院和工艺部）、
  • 装备部门（固定资产部）、
  • 质量部门（质检部）、库存部门、
  • 财务部门、人事部门（人力资源部）等部门。
• 对于机械制造企业，管理人员能占职工总人数的30%以上。
• 制造系统规模越大，管理工作就越复杂，管理层所占的比例也越大。

企业级制造系统的运行流程：

• 细线——信息流，
• 粗线——物料流。

[流程图描述：]

1. 客户需求 -> 销售部门 (产品描述) -> 设计部门 (设计图纸) -> 工艺部门 (工艺卡片) -> 计划部门
2. 计划部门 -> 分发采购计划、加工计划、装配计划
3. 采购部门 (进货) -> 入库 -> 毛坯库
4. 毛坯库 (领料) -> 加工部门 (受加工计划和动态控制) -> 入库 -> 配件库
5. 配件库 (领料) -> 装配部门 (受装配计划和动态控制) -> 入库 -> 成品库
6. 成品库 -> 发货
7. 销售部门 反馈 完成数量 给 计划部门

企业级制造系统举例：

• 大连重工·起重集团的泉水基地。

制造企业的分类：

• 按产品是否可数分为
  • 连续型生产
    • 特点：...
    • 例：石油、化工、冶金
  • 离散型生产
    • 特点：...
    • 例：机械、电子、轻工
  • 混合型生产
    • 特点：...
    • 例：食品、造纸
• 如果考虑到产品的附件生产和包装，则多数企业难以严格区分，为混合型生产。所以，通常我们只按企业的主要生产过程进行分类。

离散型制造企业的分类：

• 离散型制造系统可按生产方式进一步详细划分，
• 从偏连续型生产到偏离散型生产排序，得到
  • 按库存生产（make-to-stock，MTS），
  • 按订单装配（assemble-to-order，ATO），
  • 按订单生产（make-to-order，MTO），
  • 按订单设计（design-to-order，DTO 或 engineer-to-order，ETO），
  • 按订单研制（research-to-order，RTO）。

1. 按库存生产（MTS）的特点：

• 存在成品库存，
  • 即无订单时
  • 也要提前生产储备。
• 产品生产周期较短，
• 产品种类较单一。
• 代表性行业：家用电器。

2. 按订单装配（ATO）的特点：

• 零件或部件按库存生产，成品接到订单后再装配；
• 产品生产周期居中，产品整体上相似，但局部存在细小差异的型号较多。
• 代表性行业：家用汽车、个人计算机等。

3. 按订单生产（MTO）的特点：

• 接到订单后再开始生产，
• 仅可能存在
  • 一定的原料库存。
• 产品生产周期长，
• 产品种类多。
• 代表性行业：中型机械、服装（批量大）等。

4. 按订单设计（DTO）的特点：

• 接到订单后开始设计，
• 设计结束后才开始生产（无库存）。
• 产品生产周期长（含设计时间），
• 产品种类繁多，
• 并且新产品很多。
• 代表性行业：大型机械产品（重工、起重、飞机、船舶）、模具、建筑等。

5. 按订单研制（RTO）的特点：

• 与按订单设计类似，
• 区别在于设计产品
  • 所需的时间通常可估计；
• 而研制产品存在失败的可能，
• 需要反复实验，所需的时间不确定。
• 代表性行业：高新技术行业（电子芯片研发、生物制药、专业软件开发等）。

4 跨企业与全球制造系统

分为两个层次：

(1) 跨企业制造

• 指制造过程涉及到多个企业，需要统一管理或进行协同。
• 主要包括两种形式：集团公司、企业联盟，
• 前者合作关系静态、紧密，后者动态、松散。

(2) 全球制造（Globe Manufacturing）

• 指在世界范围内实现企业柔性与敏捷化的一种制造概念,通常也是跨企业制造。
• 也包括两种形式：跨国集团公司、跨国企业联盟。

跨企业级与企业级制造系统的不同点：

• （1）子成员利益不完全一致。
  • 导致子成员掌握的信息不对称。
  • 相关的理论参考
    • 博弈论（Game Theory）中的
    • 合作博弈与不完全信息博弈。
• （2）对子成员的控制手段不够直接。
  • 需要利用市场规律和相关法规、政策等。

全球制造系统的特点：

• 以上两个特征更加明显。

博弈论案例1：囚徒困境

• [此处需结合PPT中囚徒困境的漫画理解：坦白交代 vs 保持沉默]

博弈论案例2：枪手博弈

• 三个枪手内讧，相互射击至仅一人存活。
• 假设
  • 枪手甲：命中率80%
  • 枪手乙：命中率60%
  • 枪手丙：命中率40%

火枪手	最佳策略	存活几率
甲	乙对我威胁大，先干掉他	被乙丙合射 $40\mathrm{\%}\times 60\mathrm{\%}=24\mathrm{\%}$
乙	甲对我威胁大，先干掉他	被甲射 $100\mathrm{\%}-80\mathrm{\%}=20\mathrm{\%}$
丙	甲对我威胁大，先干掉他	$100\mathrm{\%}$（无人射丙）

• 现实案例：多家公司竞争市场份额。实力最强的公司被其它公司联合针对。

博弈论案例3：智猪博弈

• 一个猪圈里有一头大猪和一头小猪。猪圈的一边有个踏板，每踩一下踏板，在远离踏板的猪圈的另一边的投食口就会落下少量的食物。如果有一只猪去踩踏板，另一只猪就有机会抢先吃到落下的食物。
• [此处需结合PPT中智猪博弈的漫画理解]
• 现实案例：新产品开始出现时，小公司按兵不动；待大公司卖力宣传新产品后，小公司借势推出同类产品。

第3章 精益生产与约束理论

• 制造模式是制造系统设计的总体指导思想。
  • 先进制造模式总是较新的研究领域，
  • 因此处于“百家争鸣”的状态。
• 从本章开始到第5章，
  • 重点介绍精益生产、柔性制造系统、计算机集成制造系统等最具代表性的几种制造模式，
  • 同时简单介绍若干种有一定影响的学说，
  • 对制造模式的研究现状进行全面地综述。

1 精益生产概述

• 1 精益生产概述
• 2 准时制生产与看板系统
• 3 全面质量管理
• 4 全员生产维护
• 5 持续改进流程
• 6 约束理论
• 7 其它相关理论与方法

1 精益生产概述

• 精益生产（Lean Production，LP），也曾译作精良生产，
  • 源自丰田汽车公司的生产方式（Toyota Production System，TPS），是历经数十年逐步发展起来的一种先进制造模式。
  • 其所包含的内容十分丰富，已成为一种管理哲学理念。
• Lean直译为“使变瘦”，
  • 体现了精益生产力争精简掉所有无用工作，消除一切浪费的思想。
  • [此处需结合PPT中的剪影图片理解]

1.1 精益生产的发展历程

• 1906年，丰田佐吉成立了丰田织机公司。由于市场竞争的压力及需要，改善（Kaizan）这种哲学思想应运而生。
  • 丰田佐吉：“没有任何机器或生产流程是不可以被改善和提高的。”
• 1933年，丰田自动纺织机公司自动化部开始生产汽车，由丰田佐吉的儿子丰田喜一郎管理。
• 1937年，丰田社长由丰田佐吉的女婿丰田利三郎接任。
  • 同年，丰田喜一郎成立丰田汽车有限公司，初期产品严重积压，后因日本军方采购才清空库存。丰田喜一郎认识到按订单生产的重要性。
• 1941年，由于汽车销售成功，丰田喜一郎成为丰田社长。
• 1943年，精益生产理论的重要贡献者大野耐一就职于丰田汽车公司，此时丰田的生产效率仅是美国的1/8至1/9。
• 上世纪30年代后期，因物资紧张，日本政府禁止生产民用汽车；
• 1945年，日本战败，驻日美军彻底禁止生产轿车，只允许生产卡车；但丰田没有放弃对轿车的研发。
• 1947年，禁令放开，丰田重启轿车生产。大野耐一根据超市的补货模式，提出拉动式生产； （思考：为何美国没有率先采用这种模式？）
  • 同时，由于生产流动过程的不平衡，丰田公司开始在生产线上悬挂使用标识进行生产指挥，称为“准时制生产”。
• 1950年，丰田公司经营陷入困境，靠三井财阀资助和大量裁员维持。丰田喜一郎引咎辞职，社长由丰田佐吉的徒弟石田退三接任。
  • 同年，因朝鲜战争，丰田获美军46亿美元的订单，再次发展起来。
• 1955年，丰田推出独自研发的第一代皇冠汽车。
• 1957年9月，丰田汽车首次出口美国，但遭到很多质量方面的投诉，并算不成功，草草收场。当时美国是世界最大的汽车产销国。
• 1961年，丰田社长由三井财阀派来的中川不器男担任。
• 1965年，丰田喜一郎的堂弟丰田英二从福特引进合理化建议制度（渠道、评估、奖励、推广），使丰田向现代化企业迈进。
• 1966年，丰田在美国推出卡罗拉，获得初步成功。
• 1967年，丰田英二获得公司内多数人的支持，接任丰田社长。
• 1974年，丰田财团成立；1981年，丰田工业大学成立；1982年，丰田国际经济研究所成立。丰田英二为丰田公司的发展做出了巨大的贡献，被评价为丰田公司历史上最关键的人物。
• 上世纪70年代，以丰田汽车为代表的日本汽车以售价低廉取胜，销量一度压倒美国汽车。
• 1980年，丰田汽车在美国与通用汽车（GM）合资，建立新联合汽车厂（NUMMI），并将丰田生产方式植入这个原本绩效很差的工厂。经过整改，使得该工厂一举打破了所有通用汽车工厂成本、交货及质量的历史记录。
  • 通过日美合作，丰田生产方式也吸收了美国生产技术和管理的优点，进一步改进提高。
• 1982年，丰田喜一郎的长子丰田章一郎出任社长。
  • 丰田章一郎注重品质管理。通过开展“质量管理圈”（也译作QC小组）活动，按产品将各部门员工组成新的小组，明确质量责任，跨部门共同研究质量问题，明显提高了产品质量，改变了日本汽车廉价劣质的形象。
• 1983年，丰田在北美推出了高端车系“雷克萨斯（Lexus）”，历经十几年，销量逐渐超过了“宝马”、“奔驰”等品牌。
• 1985年，美国麻省理工学院（MIT）启动了国际汽车研究计划（IMVP）。
• 1990年，根据IMVP研究成果，沃麦克（James. P. Womack）和琼斯（Daniel. T. Jones）出版了《改变世界的机器》 一书，深入分析了日本和美国汽车工业的差异，唤醒了美国商界、投资界以及学术界对“精益思维” 重视。
• 1996年，根据IMVP第二阶段研究成果，沃麦克和琼斯又出版了《精益思想》，对精益生产方法进行了较详细的介绍。
  • 据统计，此时美国企业人均汽车产量为6辆每年，而丰田达到55辆每年。
  • 之后，众多美国公司纷纷采用丰田公司的“精益模式”。
• 1995年，奥田硕出任社长，将丰田经营方针由保守改为攻势，大力提拔新人，管理制度逐渐西方化。
• 1999年，张富士夫出任社长，非常注重实践，进一步完善了“丰田生产方式”。
• 2005年，渡边捷昭出任社长，人称“成本杀手”、“拧干毛巾里的最后一滴水”，三年时间让丰田的制造成本降低了30%。
• 2008年，丰田的年汽车销售量超过通用汽车，成为全球最大的汽车制造商。
• 2009年，丰田章男（丰田章一郎长子）出任丰田社长；
  • 同年，丰田汽车因质量问题陆续从全球各地召回1462万辆汽车。
• 2011年，丰田的年汽车销售量被通用汽车反超；
• 2012年，丰田再次夺回销量冠军；
• 2018年，丰田的销量冠军让位于德国大众。
• 全球汽车市场竞争加剧。
• 2021年，中国汽车出口量增加100%，位于世界第三；
• 2023年，中国汽车出口量超过日本，成为世界第一。
• 精益生产理论随着中国制造的发展继续进化。

精益生产成功的历史背景：

• 战后日本资源匮乏，市场规模小，
  • 迫使日本汽车企业更加注重客户需求，
  • 更加注重降低成本；
• 而美国沿用传统上的大规模生产，
  • 产品产量大，但品种较单一。
• 当市场需求从“大批量生产”时代转向“个性化生产”时代，日本汽车的优点便凸显出来。
• 1973年的第一次“石油危机”更使日本汽车的节能优势变得重要起来。

1.2 精益生产的核心思想

• 精益生产的核心思想：消除浪费，创造价值。
• 《精益思想》一书提出的精益思想五原则：
  • 1、顾客确定价值（customer value）；
  • 2、识别价值流（value stream mapping）；
  • 3、价值流动（value flow）；
  • 4、需求拉动（pulling）；
  • 5、尽善尽美（perfection）。

精益思想五原则图示 [此处需结合PPT中精益思想五原则的循环图理解：顾客角度而非主观角度认识价值 -> 识别价值流（价值尺度审视企业，识别增值与浪费） -> 价值流动（价值应连续流动，以更好创造价值） -> 需求拉动（以下游需求为主导，其能否真正增值） -> 尽善尽美（持续应用精益思想，不断优化） -> 循环]

1、客户确定价值：

• 案例1： 我国坦克部队删减过时训练项目。
  • 哪怕做到世界第一，
  • 当市场不需要时，
  • 也要舍得放弃。

2、识别价值流

• 精益生产的主要分析工具（识别价值流）——价值流图（Value Stream Mapping，VSM，丰田公司原称作物理信息流图）。
• [此处需结合PPT中的价值流图示例理解]

3、价值流动和需求拉动：

• 案例2： 仓储与销售合一——超市出现
• 案例3： 机械加工车间的缓冲区设置
  • 两者之间的关联：
    • 产品种类变多，不能依靠库存，
    • 关键是减少中间环节，提高流动效率。
• 案例4： 本田摩托将测试和入库合二为一
• 案例5： 银行大堂经理提供综合服务
  • 工作种类也变多，分工转为合并，部门界限开始模糊。
  • 讨论： 为何以前的制造企业注重分工，现在又喜欢合并工作？

4、尽善尽美：

• 案例7： 政府审批的“万里长征图”被简化
  • 2013年，广州市要跑20个厅局、53个处室，盖108个章，799个审批工作日的投资项目审批被简化，审批流程最多被缩短90%。
  • 同时期，我国中央政府和全国各地政府都开展简化政府审批流程工作，部分类型的项目允许先执行后审批，通过追究责任进行控制。

模糊部门界限、简化流程的具体方法：

• 小组工作法（Team Work），是丰田公司“质量管理圈”（Quality Control Team，也译作QC小组）活动经验的进一步推广，是应用于企业各个领域的一种通用方法。
• 小组工作法的特征：
  • 职责下放，普通工人参与管理（管理上的合作）；
  • 共同协作，发挥小组集体的智慧（技术和方法上的合作）；
  • 工作充实，模糊小组内分工，提倡一专多能（工作上合作）。

1.3 精益生产的应用情况

• 目前，精益生产理论的主要内容包括

  • 生产管理理论：
    • 准时制生产（Just in Time, JIT），
    • 具体方法：看板系统（Kanban system）；
  • 质量管理理论：
    • 全面质量管理（Total Quality Management，TQM）；
  • 设备管理理论：
    • 全员生产维护（Total Productive Maintenance，TPM）；
  • 现场管理理论：
    • 持续改进流程（Continuous Improvement Process，CIP）。

• 精益生产理论还在不断发展之中，许多公司结合自己公司的特点提出精益生产的改进模式，例如：

  • 美国通用电气（GE）公司提出的 精益六西格玛（Lean Six Sigma，LSS）管理；
  • 美国通用汽车（GM）公司提出的 竞争制造系统（GM Competitive MFG System）；
  • 美国联合技术（UTC）公司提出的 获取竞争优势（Achieving Competitive Excellence，ACE）管理；
  • 波音公司提出的 月光车间（Moonshine Workshop）。

• 此外，应用精益生产的企业还有很多，

  • 有本田、尼桑、马自达、SMC、日立、索尼、松下等绝大多数日本制造企业；
  • 还有IBM、戴尔（Dell）、摩托罗拉（Motorola）、安赛乐（Acelor）、威乐（Wilo）、奥迪（Audi）、大众（Volkswagen）、SASS、高露洁（Calgate）等众多欧美企业；
  • 以及长春一汽、湖北东风、洛阳易初、上海大众等众多中国企业。
  • 上述企业都结合自身情况对精益生产的内容进行补充和改进，提出自己的精益生产模式，例如德国威乐的WPS（Wilo Production System）、一汽红旗的HPS（Hongqi Production System）。

• 精益生产在中国：

  • 1978年，一汽集团将精益生产引入中国，开始与奥迪合作。在80年代，一汽又多次邀请丰田专家来华讲座，并派人出国学习，但应用效果与国外还有较大差距。

  • 80年代后期，一汽与马自达合作，引入日本技术建立变速箱厂，全面系统地应用精益生产模式，效果很好。在90年代初将经验向全集团推广（思考：为何这次成功了？）。

  • 1984年，天津夏利；1988年，沈阳金杯；1990年，天津津丰、天津丰田；1998年，四川丰田。

  • 还有自1997年伊始，在珠三角工业带，精益生产几乎在所有的日资企业中，如奥林巴斯、理光、佳能、松下等，得到了广泛地推行，并取得了不错的效果。

  • 精益生产在中国逐步得到传播。

  • 思考： 为何早期应用精益生产的企业以汽车、家电行业为主？

  • 2000年左右，在激烈的市场竞争压力下，随着精益生产理论的成熟，国内的制造商们逐渐了解到精益方法不只是一种生产体系，还是一种商业体系（大制造）。

  • 因此，精益方法最终在汽车制造业之外（无论是国企、名企还是外资公司)传播开来。也出现了爱波瑞、理则、JPS等以推行精益生产为主的管理咨询公司。

  • 中国的精益生产学习自此从被动模仿走入了主动探索的阶段。

  • 应用精益生产比较有名气的企业有北京SMC、广州日立、上海大众、湖北东风、洛阳北方易初（参考视频：“蓝色作业流”）、华为、海尔、长虹、福耀玻璃等。

  • 当然也有很多国内企业盲目跟风，应用失败，匆匆收场或流于形式。

• 丰田成功实施精益生产的历史背景：

  • 日本企业的年功序列制。

• 随着社会经济条件的变化，

  • 上世纪90年代中期之后，日本企业的年功序列制逐渐崩溃，转向西方的绩效主义发展(相关概念：关键绩效指标（Key Performance Indicator，KPI））。
  • 新的管理方式是否适合日本企业发展，目前还难以盖棺定论。
    • 相关案例1：1998年，一位在夏威夷渡假的丰田老员工看到一辆故障的丰田车停在街头，立刻动手进行检查和修理。
    • 相关案例2：2009年，丰田汽车因质量问题陆续从全球各地召回1462万辆汽车。
  • 讨论： 与绩效主义对比，年功序列制有何优点？

2 准时制生产与看板系统

• 准时制（Just in Time，JIT）生产

  • 指在所需要（just）的时刻，按所需要（just）的数量生产所需要（just）的产品或零部件的生产模式。
  • 其目的是加速半成品的流转，将资金的积压减少到最低的限度，从而提高企业的生产效益。

• 看板系统（Kanban system）

  • 是实现准时制生产原则的主要方法。
  • 其针对订单到达的不确定性，通过下游向上游动态地发出信息，拉动式地控制生产。

• 什么是拉动式生产？

  • 推动式生产系统：上游输送原料推动下游。
  • 拉动式生产系统：下游反馈信息拉动上游供料。
  • [此处需结合PPT中的图1 Push system和图2 Pull system理解]

2.1 看板的含义

• 错误理解： 给人看的木板？

• 正确含义： 在看板系统中，“看板”特指表示出某工序何时需要何数量的某种物料的卡片（card），又称为传票卡，是传递信号的工具。

• 卡片式看板（也称为板式看板）举例：

  • [图片展示了看板盒和看板卡片的使用]
  • 产品名称标签袋
  • 看板卡片由下而上插入，当卡片到达黄色盒子时提醒准备下一轮采购，到达红色盒子时，马上进行采购。
  • 每列10个看板盒组每个盒子可以装1张看板卡片，也可以装2张、5张，数量自定。本型号共8列看板盒组。

2.2 看板的类型

• 看板系统的分类：

  • （1）典型的看板系统为双卡片系统。

    • 存在两个缓冲区和两类卡片：
    • 生产指示卡片（Product Order Kanban，POK），
    • 领取卡片（Withdrawal Kanban，WK）。

  • [此处需结合PPT中的双卡片系统流程图理解]

  • 典型的双卡片看板系统的工作流程：

    • 工作站$j+1$（图中的$W{S}_{j+1}$）为生产下游环节，工作站$j$（图中的$W{S}_j$）为上游生产环节，两个工作站之间有一定距离，存在专门的搬运工运输工作站$j$的成品作为工作站$j+1$的原料。
    • <1> 工作站$j+1$开始生产时从入口缓冲区（图中的Input Buffer of $W{S}_{j+1}$）取用一定数量的原料，将与原料一起领取看板（WK）在指定位置（称为领取看板箱，图中的WK Post ($j+1$)）挂起来。
    • <2> 两个工作站之间的搬运工定期检查领取看板箱，如果存在领取看板，带着这些看板来的工作站$j$的出口缓冲区（图中的Output Buffer of $W{S}_j$），领取同等数量的成品送往工作站$j+1$作为原料，领取看板也一起送回。
    • 同时，搬运工在返回前，在工作站$j$的生产看板箱（图中的POK Post ($j$)）内挂上与领取成品同等数量的生产指示看板（POK）。
    • <3> 工作站$j$的生产工人定期检查生产看板箱，如果存在生产指示看板，则取用原料，生产同等数量的产品；产品生产完毕后方可摘下同等数量的生产指示看板。
    • 工作站$j$取用原料的同时，不要忘记将与原料在一起的领取看板取下，挂到工作站$j$的领取看板箱中（图中未画出），用以提醒工作站$j-1$供料。
    • 以此类推，多个工作站可形成一个拉动式的物料供应链。

  • （2）当工作站距离较近时，

    • 生产工人兼职搬运工人时，可采用单卡片系统。
    • 只存在一类卡片：
      • 生产指示卡片（Product Order Kanban，POK）。
    • 只有一个缓冲区，见到看板即开始生产。
    • [此处需结合PPT中的单卡片系统图理解]

最大看板数量设计问题

• 思考： 为什么每个工作站开始生产时总是能够领到原料？会不会有原料供应不足的情况？

• 答案： 看板系统中存在着一定数量的库存，每个工作站的原料数量达不到规定的库存数量时，就有挂起看板催促上游生产补充原料。

• 因此，在每个缓冲区，现存的物料数量与悬挂的看板数量之和总是一个定值，我们称之为最大看板数量（即最大库存数量）。

• 显然，若最大看板数量过大会导致库存积压，过小会导致供应不足，需要精心设计。

• 如何设计最大看板数量？

  • 基本的经验公式为
  $$K\ge \frac{\lambda L}{C}(1+\alpha )$$
  • 其中
    • $K$ 为最大看板数量，
    • $\lambda$ 为订单达到频率，即日订货量，
    • $L$ 为生产提前期，即单个产品的生产周期，
    • $C$ 为货箱容量，可理解成加工批量，
    • $\alpha$ 为安全系数，实际的看板系统常取10%~20%。

• 例题1： 已知某看板系统订单到达频率为15个每天，生产提前期为3天，货箱容量为10，若安全系数取10%，则此系统最大看板数量为多少合适？

  • 解：
    • 由于
    $$K\ge \frac{\lambda L}{C}(1+\alpha )=15\times 3/10\times (1+0.1)=4.95$$
    • 所以最大看板数量取5。
    • 注：结果取大于公式计算结果的最小整数值。

• 最大看板数量的设计问题扩展：

  • 前面提供的最大看板数量的设计公式只是最基本的经验公式。
  • 最大看板数量本质上是产品的最大库存数量。究竟预留多少库存合适，有很多引入概率理论的更复杂也更细致的方法计算，具体可参考库存控制（Inventory Control）相关领域的研究。
  • 另外，在多阶段生产过程中，不同阶段的最大看板数量可以不同；根据不同的市场需求情况，最大看板数量也需要动态调节，这称为可变看板（alternative Kanban）系统或动态看板（dynamics Kanban）系统。
  • 上述看板系统的扩展研究大家可根据课程提供的线索在较新的文献中找到更多的资料。

• 讨论： 拉动生产为何要利用看板卡片进行控制，而不是由基层管理者直接下达生产命令？

  • 推动生产为何不使用看板卡片？

2.3 看板的形式

• （1）卡片式看板（板式看板），举例：[PPT图示：带有红绿灯的货架]
• （2）场地式看板（箱式看板），举例：[PPT图示：货架和周转箱]
  • 场地式看板系统中使用货架上的空闲货位数量代表悬挂的看板数量，即
    • 最大看板数量 = 装满产品的货位数量 + 空闲的格子货位（悬挂的看板数量）=货架的总货位数量。
  • 例题： 若某场地式看板系统使用一个最大10个货位的货架作为指示物，某时刻货架上的7个位置放有成品货箱，此时相当于悬挂了几个看板？
  • 答案： $10-7=3$个。
• （3）电子看板，举例：[PPT图示：LED显示屏显示生产数据]
• （4）网上看板，举例：[PPT图示：计算机软件界面]

2.4 看板的适用范围

• 看板系统的应用层次:

  • 传统上看板系统通过直接目视传递信息，
  • 因此
    • 主要应用于单元级、车间级制造系统；
    • 形式为卡片式、场地式和电子看板。
  • 近年来，网上看板（Web-based Kanban/ Mobile Kanban）可实现车间、企业之间传递信息。
  • 看板系统开始应用于企业级、跨企业级制造系统。

• 用不用看板系统？

  • 尽管看板系统在丰田等多家企业获得成功应用，但不是所有企业都适用看板系统。
  • 应用看板系统，需要
    • （1）考虑行业特点；
    • （2）对比其它方法；
    • （3）实施相应的管理制度。

• （1）考虑行业特点

  • 看板系统的特点：短期控制自动实现，但相对地只能进行简单的控制，例如先到先服务（First Come First Serve, FCFS）。
  • 问题： 适合哪种车间？
    • 适合：流水车间（产品单一），
    • 不适合：作业车间（产品种类多）。
  • 看板系统的实现手段——通过库存调节生产。
  • 问题： 适合哪种企业？
    • 适合：按库存生产（家电，有成品库存）、按订单装配（汽车、计算机，有半成品库存），
    • 不适合：按订单生产（中型机械，可能有原料库存，但也种类繁杂）、按订单设计（大型机械，无库存）、按订单研制（高科技、制药，无库存）。

• （2）对比其它方法

  • 尽管看板系统在丰田汽车公司取得成功，拉动式生产系统一定比推动式生产系统好吗？
  • 推动式和拉动式生产的代表性方法有
    • 推动式：MRP、MRPII（做计划决定投料时间）；
    • 拉动式：看板系统；
    • 推拉混合式/挤式：TOC、CONWIP。
  • 学术界还存在许多与看板系统形式类似的系统，统称为看板类系统（Kanban-like system）。
  • 代表系统：CONWIP（Constant Work in Process）
    • 为推与拉混合式系统，
    • 也使用卡片（看板）控制生产。
    • 看板系统：每个库存点各自拉动前面紧邻的工作站。
    • CONWIP系统：最后一个库存点直接拉动最初的工作站，其余环节推动控制。
    • 注意：这不是CONWIP唯一的模式，可以根据仿真结果灵活地设置推与拉的混合模式。
    • 问题： 那由哪个环节拉动最好？除了实验还有没有更直接地判断方法？

• 约束理论（Theory of Constraint，TOC）认为瓶颈工序没能力响应非瓶颈工序的拉动，一味配合非瓶颈的拉动反而会影响瓶颈工序的生产速度。

  • 约束理论的建议措施：瓶颈工序拉动其它非瓶颈工序。
  • 诸多方法（推、拉、推拉混合），该用哪个？
    • 参考TOC提到的原则：瓶颈环节拉非瓶颈环节，其余环节推后续环节。
    • 提出的方案可以通过计算实验进行评价。

• （3）有无相应的管理制度和措施？

  • 思考：
    • 工人是否会按看板系统的规则操作？
    • 看板系统是否会增加工人的工作量？
    • 有没有监督工人是否违反规定的手段？
    • 遵守规则或违反规则带来的奖惩分别是什么？
    • 工人的利益是否和企业一致？
  • 参考信息：
    • 丰田的年功序列制和企业绩效工资；
    • 华为和宇通的股权激励。

3 全面质量管理

质量管理的发展历程:

• （1）产品质量检验阶段（20世纪30年代前）
  • 弗雷德里克·泰勒（Frederick Taylor）提出的科学管理理论，
  • 开始出现独立质检环节和专职质检员。
  • 事后把关，剔除不合格品，缺少原因分析。
• （2）统计质量检验阶段（20世纪40-50年代）
  • 1924年，休哈特（W. A. Shewhart）提出“质量控制图”；
  • 1944年，道奇（H. F. Dodge）提出“抽样检验表”；
  • 注意分析原因，事前预防，但质检范围局限在生产环节。
• （3）全面质量管理阶段（20世纪60年代-），
  • 1961年，美国通用电气公司的费根堡姆（A. V. Feigenbaum）提出“全面质量管理”的概念：
    • 能够在最经济的水平上，并考虑充分满足用户要求的条件下，进行市场研究、设计、生产和服务，把企业各部门的研制质量、维持质量和提高质量的活动构成一体的有效体系。
  • 后来，质量管理专家 朱兰（Joseph M. Juran）对全面质量管理的内涵进行了完善。

对全面质量管理理论作出重要贡献的学者：

• 美国专家戴明（W. Edwards. Deming）

  • 早年服务于美国政府与企业，推广统计学应用于人口普查、质量管理等领域。
  • 1950年开始，戴明长期与丰田等日本制造企业合作，为日本的全面质量管理奠定了基础，被称为“日本质量管理之父”。
  • 1980年，戴明提出的 戴明的14要点（Deming's 14 Points）推动了美国制造企业的全面质量管理改革。另外，他提出的 PDCA循环（戴明环）也很出名。

• 戴明的14要点：

  1. 树立改进产品和服务的长久使命。
  2. 接受新的理念。
  3. 不要将质量依赖于检验。
  4. 不要只是根据价格来做生意，要着眼于总成本最低。
  5. 通过持续不断的改进生产和服务系统来实现质量和生产率的改进和成本的降低。
  6. 做好培训。
  7. 进行领导。领导意味着帮助人们把工作做好，而非指手画脚或惩罚威吓。
  8. 消除恐惧以使每一个人都能为组织有效的工作。
  9. 拆除部门间的壁垒。
  10. 取消面向一般员工的口号、标语和数字目标。
  11. 取消定额或指标。
  12. 消除影响工作完美的障碍。
  13. 开展强有力的教育和自我提高活动。
  14. 使组织中的每个人都行动起来去实现转变。

• PDCA循环（戴明环）：

  • 1. Plan（计划）：发现问题，找出原因，为质量改进制定计划。
  • 2. Do（实施）：按预定计划组织实施。
  • 3. Study / Check（研究/检查）：计划是否能够运行，找出偏差。
  • 4. Action（校正/纠正）：采取措施纠正，进行改进。

• 日本专家田口玄一

  • 提出田口质量观（Taguchi Quality Philosophy），
  • 将质量控制的重点从“被动检验”转向“主动设计”。
  • 田口玄一的主要贡献：
    • （1）提出质量 = “社会损失最小化”，
      • 这里的 “社会损失” 不仅包括产品故障直接导致的损失（如维修成本、退换货费用），还包括间接损失（如用户因产品性能不稳定产生的不便、品牌信誉受损、甚至安全事故引发的社会成本）。
    • （2）提出了三大工具：
      • 田口损失函数（Taguchi Loss Function）——量化质量损失；
      • 稳健设计（Robust Design）：让产品 “抗干扰”；
      • 正交实验法（Orthogonal Array）：高效优化设计。
  • 设计决定质量举例： 螺栓防松装置。
    • (a) 用双螺母锁紧
    • (b) 用弹簧垫圈锁紧
    • (c) 用开口销六角槽形螺母锁紧
    • (d) 用双耳止动垫片锁紧

• 美国虽然是全面质量管理理论的诞生地，但该理论真正取得成功的地方却是在日本。

• 日本在推进全面质量管理过程中作出了创新探索提出开展“质量管理圈”（也译作QC小组）活动，以某种产品质量为线索将设计人员、工人和销售人员绑定在一起负责，明确奖惩，充分调动起员工改进质量的积极性，并且提出了“质量改进七种工具”。

• 上述理论逐渐成为精益生产理论体系的一部分，并发展成“小组工作法”，不仅用于于质量管理领域。

• 总结质量管理的发展历程：

  • （1）产品质量检验阶段，仅注重事后检验和处理；
  • （2）统计质量检验阶段，运用统计学方法，分析原因，注重预防；
  • （3）全面质量管理阶段，将预防工作从制造过程扩展到设计、运输与使用的全过程。

• 80年代之后，出现了利用计算帮助人们进行上述质量分析的软件系统，称为计算机辅助质量管理（Computer Aided Quality，CAQ）；

• 同时，也实现了一些质量信息的自动采集与存储，称为CIMS环境下的质量信息系统（Quality Information System，QIS）；

• 之后的研究将两者结合，出现了计算机集成质量系统（Computer Integrated Quality System，CIQS）。

• 上述三者都是利用计算机辅助完成质量数据的处理工作，仅集成化程度不同。

• 当前研究的热点——产品质量追溯系统：

  • 大量使用条码扫描打印技术提高工作效率，利用集成的计算机系统实现信息关联。

4 全员生产维护

• 设备管理的发展历程:

• 50年代初期，美国企业进入发展时期，工厂急于在短期内完成大量订货，使设备负荷过重，结果设备故障较前增加1/3。

  • 设备故障经常造成严重的停机损失和废品损失，
  • 因此需要配备许多高度熟练、高报酬的维修工，
  • 更重要的是因故障停工耽误生产进度，
  • 扰乱了生产计划，造成更大的损失。

• 上述诸多损失使得美国企业家不得不考虑完善设备修理和维护的体制，从而促进了设备的生产维护（Productive Maintenance，PM）研究。

• 生产维护（PM）主要有以下内容：

  • 1、事后维修（breakdown maintenance），
    • 设备出现故障了才停机进行维修（维修工）；
  • 2、预防维护（preventive maintenance），
    • 定期检查设备运转情况，预防出现故障（检修工/设备管理员）；
  • 3、生产维护（productive maintenance），
    • 在生产过程中主要保养设备，避免故障产生（设备操作者/工人）；
  • 4、改良维护（corrective maintenance）。
    • 改进设备设计的不合理之处，避免故障产生（设备设计师）。

• 由于事后维修造成的停产成本很高，

  • 预防维护、生产维护和改良维护三种预防性质的维护成为研究的重点。PM不仅是外聘维修工的工作，而是关联到企业内部的多个部门。

• 在此背景下，由美国产生的“PM”引入到日本后，

  • 逐渐发展成为由一切部门全体人员参加的“TPM”，成为精益生产理论的一部分。

• TPM= Total Productive Maintenance ，

  • 中文为“全员生产维护”，或译作“全体生产保养”，就是上自高阶层，下至第一线，全公司上下，所有部门、全员参加的生产保养。

• 全员生产维护的主要内容（8根支柱）： [此处需结合PPT中的神庙图]

  • TPM (顶端)
  • 安全环境管理
  • 管理间接部门活动
  • 品质保养
  • 设备初期管理
  • 技能教育训练
  • 计划保养
  • 自主保养
  • 个别改善

• 全员生产维护的核心思想：

  • 注重预防，发现潜在缺陷。

[此处需结合PPT中的冰山模型图]

• 故障（水面上的冰山一角）
• 潜在缺陷（水面下的大部分）：
  • 灰尘、污垢、原料黏附
  • 磨耗、偏斜、松动、泄漏
  • 腐蚀、变形、伤痕、裂纹
  • 温度、振动、声音等的异常
• 将“潜在缺陷”明显化并予纠正，就能避免故障。

5 持续改进流程

• 持续改进流程（Continuous Improvement Process，CIP），也译作不断改进过程，源于丰田生产方式中的改善思想。

• 丰田公司创始人——丰田佐吉：

  • “没有任何机器或生产流程是不可以被改善和提高的。”

• 持续改进流程的主要应用领域是现场管理。

• 这里的“现场”是狭义的现场，特指生产一线，即加工和装配车间内部；而管理的范围涉及到与生产相关的方方面面。

• [此处需结合PPT中的车间现场图片]

• 由于生产管理、质量管理和设备管理已成为专门的研究领域，因此目前现场管理的研究重点在于上述领域未涉及到的工具、夹具以及工作环境等细节方面。

• 根据经验，现场管理是实现周期短、容易见效的环节，经常作为实施精益生产的初步环节。

本节的主要内容：

• （1）现场存在哪些问题？
  • 八大浪费：<1>生产过多; <2>库存;
  • <3>不良修正; <4>加工；<5>搬运;
  • <6>动作；<7>等待；<8>管理。
• （2）如何发现现场存在的问题？
  • <1>三直三现原则；<2>作业日报；
  • <3>晨会制；<4>激励措施。
• （3）如何解决现场存在的问题？
  • <1>5S管理；
  • <2>现场IE（七大手法）。

5.1 现场存在的问题

• <1>生产过多的浪费

  • <1.1>直接危害为产品积压，
    • 有可能卖不掉造成损失；
  • <1.2>还会导致库存浪费；
  • <1.3>以及压缩工作空间，
    • 导致效率低下
    • 或品质下降。

• <2>库存浪费

  • <2.1>表面损失为
    • 占用场地厂房，
    • 管理人员增加，
    • 出入库的困难等；
  • <2.2>潜在损失还有
    • 资金占用、利息增加、
    • 产品失效的浪费等。
  • <2.3>最大的问题：掩盖了其它问题，称为意识损失。

• 库存问题的湖水岩石模型：

  • [此处需结合PPT中的湖水岩石模型图：水位代表库存水平，岩石代表各种问题]
  • 岩石包括：维修问题、效率问题、质量问题、交货问题。
  • 库存掩盖了问题。
  • 如果降低库存水平，就会发现问题。
  • 需要不断改进各种问题，
  • 不断降低库存水平，
  • 尽量避免库存浪费。

• <3>不良（不合格品）修正的浪费

  • 不合格品造成的损失可能有
    • ❤️.1>产品报废；
    • ❤️.2>修理、补救、赔偿损失（例如汽车召回）；
    • ❤️.3>隐性质量成本（声誉损失、流失客户等）。
  • 改进建议：
    • 全面质量管理。
    • 相关课程 ——《质量管理》。

• <4>加工的浪费

  • 包括<4.1>品质过剩，
    • 即产品质量大于客户需要的质量。
    • 案例1：在战场上仅能使用一次古罗马标枪；
    • 案例2：英国温泽市市政府大厅不起作用的柱子。
  • 案例——航空成本优化：
    • 1979年，美航空公司用红、蓝、白三色油漆绘制公司条纹标志，其余部分不涂油漆。导致飞机重量减轻400磅，降低了燃油消耗。
    • 1987年，美航空公司又从飞机上提供的晚餐沙拉中拿掉了一颗黑橄榄，每年节约7万美元。
    • 不是所有的习惯都有遵守的价值。
  • 加工过剩包括
    • <4.2>材料过剩
    • 案例：冲片方案设计。
      • 改善前：一块金属板，冲4排20个圆片；
      • 改善后：同样一块金属板，冲5排25个圆片。
    • 材料过剩的相关案例
      • 案例：金箔的重复利用。
      • 金箔、烟纸同步进给改为分开进给，
      • 金箔得以多次利用，节约原料成本。
      • [此处需结合PPT中的金箔进给示意图]
  • 加工过剩还包括
    • <4.3>工艺过剩
      • 案例：某电路板需要喷射助焊剂，新工艺定点喷射比传统工艺全面喷射节约原料60%。
    • <4.4>检验过剩
      • 建议解决方案：合理的抽样检验。
    • <4.5>设计过剩
      • 例如螺钉过多、过长，多余的倒角等。

• <5>物料搬运的浪费

  • 例如：
  • 物流路线设计不合理，
    • 搬运工要绕远路。
  • 解决方法：
    • 优化车间布局，
    • 变更工艺路线。
  • 相关课程 ——《设施规划》。

• <6>动作的浪费

  • 例如
  • 无用的工作习惯，
  • 多余的动作。
  • 解决方法：
    • 动作分析，制定标准动作。
  • 相关课程——《人因工程》。

• <7>等待的浪费

  • 例如：
  • 某设备因原料不足
    • 而停止生产。
  • 解决方法举例：
    • 能力平衡，
    • 合理调度。
  • 相关课程 ——《生产计划》。

• <8>管理的浪费

  • 虽然很多企业的直接管理费仅为成本的10%-30%，
  • 但管理不好会导致其它工作出现浪费，
  • 故有人将管理的浪费称为最大的浪费。
  • 管理的浪费主要表现为
    • 指挥错误、
    • 指挥不畅、
    • 人员冗余、
    • 办公经费浪费等。
  • 思考：是否还存在其它角度的浪费？

5.2 发现现场问题的方法

• <1>三直三现原则

  • （或称为三现主义，起源于日本制造企业）

  • 有问题直接到现场去，

  • 直接观查现物（正在生产的产品），

  • 直接分析现实（现象）。

  • 积极解决问题，

  • 不要拖延时间，

  • 不要推托给其它部门。

  • [此处需结合PPT中的手机三直三现App界面图]

  • 三直三现原则：

    • 直接现场，直接现品，直接现象。
    • 第一时间进入问题的中心，
      • 容易找到线索，
      • 分析出问题原因就变得容易；
    • 短时间找到症结，
      • 并实施策略解决故障；
    • 如果发生的问题我们不能解决，也可以让厂家知道根源，准备备品，为维修提供最直接的简便；
    • 节省了时间，缩短维修周期。

  • 三直三现原则的案例：

    • 某塑胶成型车间一成型机发生故障，产品出现严重飞边现象。
    • 管理员立即奔赴现场，经检查模具无问题，按下启动键，成型机在锁模过程中出现激烈“点动”，且时快时慢，伴随剧烈振动和巨大的声音。采用手动后，发现：锁模力不足，确认参数无问题，检查供油系统，发现一油阀供油力不稳定。
    • 据经验判断为该阀堵塞，影响供油畅通。最后问题解决。
    • 经验：基层管理人员需要懂得生产技术。

  • 如果按常规机器故障处理会是什么情况？

    • 1、联络维修，一般情况，需要2天时间，加上检查修理，2.5天较为正常，如果遇到维修厂商人员正好有其他事，时间更不可以控制。
    • 2、生产损失：按2.5天计，该机器24小时单产20000个，2.5×20000=50000个，每个价值0.5元，整个损失为25000元。
    • 3、维修费：

      	修理费	部件更换费	交通费	住宿费	总计
      报价	2000元/人天		500	380元
      工数	2人 × 2天		2人	2人
      总计	8000元		1000元	760元	9760元

    • 4、生产维修总计损失25000+9760=34769元。

  • 经验：不是所有的规定流程都合理。

  • 三直三现原则的案例：

    • 某跨国企业生产管理部门发出通知：因产品中编号为（AX0001234）的零件出现短缺（采购漏订货），XX生产线需要停线7天。请采购部务必在7个工作日之内从日本购回（空运）此零件。
    • 厂长看到通知后，对7天的停线心有不甘（损失太大），来到生产现场，查看了造成停线的零件。不看不知道，一看吓一跳，原来短缺的零件是一条包装箱用的瓦楞纸加强筋，并不是什么复杂零件。
    • 根据大家的直觉（经验），这样一个零件在本地应该可以买得到。厂长当场指示，采购部必须设法以最快的速度找本地供应商帮忙做出来，同时要求生产管理经理协调技术部安排此零件的本地化采购。处理的结果令人满意，第二天下午便恢复了生产。

  • 三直三现原则的本质思想：

    • 强调积极、主动地去解决问题，
    • 而不是以制度、流程、责任划分为借口逃避工作。

  • 相关案例：一些欧美国家过于强调制度，反而使得政府机构臃肿，办事效率低下。例如法国公职人员已占工作人口的21%，占总人口的1/12，但办事效率却经常遭受批评。

• <2>作业日报

  • 作业日报是交货期、品质、安全、成本管理等多个项目管理的工具；
  • 出现各种异常或问题时，作为原因追踪的资料；
  • 方便与上司和其他部门传递情报、交流信息；
  • 帮助管理者掌握现场的实际情况。
  • [此处需结合PPT中的作业日报样式举例图片]
  • 作业日报中的常见问题：
    • 内容太多，记录起来很费时间；
    • 需思考、回忆、判断内容太多，经常无异常，所以马马虎虎算了；
    • 自己不愿意写而让他人代写；
    • 没有人指导怎么填，所以随便填就行了；
    • 工作日报只是当成资料收集起来，上司也不看，也没有什么作用。
  • 问题解决思路：
    • 报告形式灵活，只记录有用的事情，避免形式主义；
    • 利用信息系统提高信息采集与记录工作的效率。
  • 相关案例：2020年，阿里巴巴取消一般员工的强制周报；Team Leader仍需要写月报，但是不超过1000字。

• <3>晨会制

  • 指利用上班前的5-10分钟时间，全体员工集合, 互相问候，当面交流信息和安排工作的一种管理方式。
  • 图为居然之家太原店的升旗仪式和早操。
  • 晨会的内容提示：
    • 发出号令，集合人员；人员报数点到（通过报数声音确认人员精神状态）；总结昨天的工作；传达今天的生产计划和基本活动，说明注意事项；公司指示事项的传达；人员工作干劲的鼓舞；宣布工作开始。
  • 晨会的目的：
    • 有利于团队精神建设；能产生良好精神面貌；培养全员文明礼貌；提高干部自身水平；提高工作布置效率；养成遵守规定的习惯。

• <4>通过激励措施

  • 调动员工发现现场问题的积极性。
  • 方法举例1：
    • 小组工作法，
    • 参考前面相关章节。
  • 方法举例2：
    • 进行充分的员工培训，
    • 并对学习结果进行公开的奖励或惩罚。
    • 参考方法：培训计划矩阵表。
  • [此处需结合PPT中的培训计划矩阵表图片]
    • 4分：代表这个员工已经开始进行本工位的培训了；
    • 8分：代表这个员工可以在无任何帮助的情况下独立进行操作了；
    • 12分：代表这个员工能够操作并且可以解决出现的问题了；
    • 16分：代表这个员工非常精通本工位并可以作为培训师来培训其他人了。
  • 参考案例：员工激励墙 [此处需结合PPT中的照片]
  • 幼儿教育案例：
    • 儿童激励表、儿童奖章和嵌入玩具的肥皂等。
    • 心得：精神和物质奖励并重。
  • 企业案例：
    • 全勤奖、优秀员工奖、
    • “XX日无事故奖”、“30年风雨同舟奖”等等。
  • 思考：企业能拿什么激励员工？
  • 参考星巴克的做法：
    • （金钱）年工作360小时以上的员工，包括兼职员工，都可折扣购买“咖啡豆股票”，第二年可兑现；
    • （荣誉）提高工作技能并通过考试可获得一星至五星的“黑围裙”；之上还有更高级的通过两年一次比赛而暂时保有的“咖啡色围裙”；
    • （亲情）内部称员工为“伙伴”，强调自我管理；
    • （保障）给工作两年以上的员工的父母买医保；
    • （发展）资助员工上在线大学；“伙伴识天下”项目为员工提供在各个城市的轮岗机会。
  • 星巴克员工的年离职率约为6%，而其它餐饮企业普遍高达15%-30%。

5.3 改进现场问题的方法

• 如何解决现场存在的问题？

• 方法体系1：

  • 目视管理：利用形象直观而又色彩适宜的各种视觉感知信息来组织现场生产活动，达到提高劳动生产率的一种管理手段。
  • 目视管理思想的典型应用就是看板系统和5S管理。

• 方法体系2：

  • 现场IE：工业工程专业知识在生产现场的应用。
  • 传统的代表性方法被称为“七大手法”。

• 5S管理

  • Seiri (整理)
  • Seiton (整顿)
  • Seiketsu (清扫) - 注：PPT原文此处为Seiketsu对应清扫，但标准5S中Seiso是清扫，Seiketsu是清洁。PPT后文有修正，此处保留PPT原文顺序
  • Seiso (清洁)
  • Shitsuke (修养)

• 1S——Seiri（整理）：

  • 主要工作为物品分类。
  • 需要整理的物品：在制品、设备、工具、工作台、计算机、文件柜、储存货架等等。
  • 整理的步骤：
    • <1>制定分类标准（通常按使用频率分类）；
    • <2>制作分类标签（通常使用颜色区分）；
    • <3>将需整理的东西贴标签，分类。
  • [此处需结合PPT中的插图：之前/之后]
  • 隔离和清除
  • 当它成为累赘时，把它扔掉。

• 2S——Seiton（整顿）：

  • 将所需的东西放置于它们恰当的地方（通过位置或标签帮助识别）。
  • 整顿项目包括：
    • 位置说明、储物箱、简单标识、设置数量限制。
  • 整顿的原则为“三定原则”：
    • 定品、定量、定位，
    • 即指定物品按照指定数量
    • 放到指定位置。
  • [此处需结合PPT中的插图：之前/之后]
  • 安置和识别
  • 任何人都会清楚和恰当的知道所有物品的安排，而且一旦出现异常情况会很容易的被识别出来。
  • 目视工具板
    • 目视管理机制：所有工具都放在可以直接看到的位置，
    • 方便取用且方便放回。
  • 目视工具板——实物案例（注意格子划分）：[此处需结合PPT中的实物图片]
  • 目视管理机制
    • 不仅局限于工具板，也涉及其它设备的摆放（注意墙上的标识）。[此处需结合PPT中的设备摆放图片]
  • 目视管理板，有的地方也叫作看板，
    • 因为也要求相应的人员根据管理板上提示，迅速做出反应。[此处需结合PPT中的电子显示板图片]
  • 目视管理板，举例：
    • 部品指零件或工具；
    • 支援者指维修工、清洁工之类的生产辅助人员。
    • [此处需结合PPT中的部品呼出/支援者呼出看板图片]
  • [此处需结合PPT中的熔接机配置/电极交换指示看板图片]
  • [此处需结合PPT中的仪表盘标记图片]

• 3S——Seiso（清扫）：

  • 清扫是检查的一种形式，
  • 保证所有设备和整个工作场所均干净整洁，
  • 清扫需要消除
    • 垃圾，
    • 灰尘，
    • 油污，
    • 废纸，
    • 空盒子。
  • 最重要的是将工具归位。
  • 清扫的关键在于维持整顿后制定的规则。
  • [此处需结合PPT中的插图：之前/之后]
  • 每日清扫
  • 一个整洁的工作环境会提高产品质量、安全和员工的工作自豪感，同时也会提升工作效率。

• 4S——Seiketsu（清洁）：

  • 也有意译作沟通，主要指前3项工作的标准化。
  • 通过小组会议和培训的形式沟通，将标准长期执行和保持，并不断提出改进措施。
  • [此处需结合PPT中的插图：之前/之后]
  • 开发防护措施在第一现场预防灰尘或废物的发生。
  • 如果不会被污染，又何必清洁它呢！

• 5S——Shitsuke（修养）：

  • 或译成素养、习惯化。
  • 指坚持执行5S的规章制度，
  • 以养成自觉执行的习惯。
  • 5S将前述4S工作
    • 习惯化，
    • 坚持遵守规则。
  • 提倡正面积极鼓励，
  • 保持人人心情愉快。

• 5S管理总结：

  • 1S：Seiri（整理），
    • 主要指物品分类；
  • 2S：Seiton（整顿），
    • 主要指分类后的物品按规则放置（三定原则）；
  • 3S：Seiketsu（清扫），
    • 主要指通过清扫检查并维持物品的放置规则；
  • 4S：Seiso（清洁），
    • 主要指对前面的规则进行标准化管理，并通过沟通传播优秀的改进措施；
  • 5S：Shitsuke（修养），
    • 指在思想上接受5S流程，习惯化，长期坚持。

• 案例：现场混乱的车间。[此处需结合PPT中的图片]

• 案例：现场整洁的车间。[此处需结合PPT中的图片]

• 案例：现场整洁，并应用目视管理的车间。[此处需结合PPT中的图片]

• 5S管理的扩展：

  • （1）新5S管理：
    • 美国联合技术公司（UTC）提出，补充了很多内容，更适合飞机制造行业。
  • （2）6S-10S管理：
    • 一些学者和企业管理者在5S基础上，不断扩充内容，而提出的改进版管理方法，主要包括
    • 6S管理：5S+安全（Security）,
    • 7S-10S：节约（Saving），学习（Study），服务（Service）、满意（Satisfaction）。
  • 上述部分内容已经超出了目视管理的范畴，
    • 但主要部分仍处于现场管理领域。

• 参考案例：

  • 某公司大力推广6S管理：员工上班时必须穿工装、佩戴胸牌；工作环境必须打扫得一尘不染。公司人事部门组织检查组一天数次随机抽查，一但发现就罚钱。
  • 该公司某实验室技术员反映：工装较厚重，工人工作时穿可起到一定的保护作用，技术员做实验时穿却很耽误工作；实验时需要铺开大量工具，检查组不分情况见到就罚钱，因此做实验时需要反复收拾工具，耽误了大量时间。
  • 讨论：应该严格按照公司的规定统一管理，还是应吸取各部门的意见灵活处理？如果有很多部门都反对公司的规定又该如何推行6S呢？

• 5S的目的是提高效率，不能拘泥于形式。

  • （右图）丰田章男的办公桌，看似凌乱实则适合其办公的5S。

• 现场IE（现场工业工程）：

  • 即工业工程专业知识在生产现场的应用，
  • 这也是工业工程专业最早的应用领域。
  • 代表性方法——“七大手法”：
    • <1>动改法（动作改进，形成标准动作）；
    • <2>防错法（通过能自动作用的手段，防止操作人员犯错，例如内存条、USB接口设计）；
    • <3>五五法（5W1H，自我提问，深入思考，全面分析问题）；
    • <4>双手法（研究双手同时操作方法，提高效率）；
    • <5>人机法（改进人与机器的配合，尽量同时工作）；
    • <6>流程法（记录工作流程，找出瓶颈环节进行改进）；
    • <7>抽查法（随机抽查工作内容，进行评价，判断是否需要改进）。
  • 注意：工业工程强调发现新问题，并通过创新解决问题，目前所涉及领域绝不仅限于“八大问题、七大手法”。

• 工业工程（Industrial Engineering ，IE）：

  • 一百多年前，科学管理出现，首先应用于当时迅速发展的工业界的生产一线，所积累的理论、方法和技术称为“工业工程”。
  • 工业工程是工程技术与管理科学相结合的综合性学科，研究领域不局限于工业界，因此有的专家提议改称“产业工程”。
  • 工业工程从业人员的主要工作是从多方面（现场、流程、工装、成本、绩效等）改进组织业务运行的现状，是改进小组的组织者和协调者，也是改进经验的传播者。

• 案例：泰勒的铁锹试验。

  • 1898年，弗雷德里克·温斯洛·泰勒在伯利恒钢厂改进铲矿砂工作。
  • 铁锹大小不一，效率有高有低，如何做到最经济最有效？经多次试验后，发现每铲重量约为21.5磅时，可以得到最经济，最有效的结果。改善后，原需400～600名工人完成的工作，140名工人即可完成。

• 工业工程专业于1993年首次在我国开办（天津大学、西安交通大学），目前已有160余所国内大学开设了工业工程本科专业，多数大型制造企业已设置了工业工程部门。

  • 工业工程专业的核心课程（参考）：
    • 工业工程基础、人因工程、设施规划、生产计划、质量管理。

• 精益生产方法回顾：

  • 再次观看易初摩托精益生产宣传片，
    • 参考视频：蓝色作业流。
  • 看看里面体现了哪些精益生产方法？
    • 准时制生产：流水线、电子看板、低库存；
    • 持续改进流程：自行改进工具、电扇节能；
    • 5S管理：悬挂单据、水杯规则摆放；
    • 现场IE：确定生产线节拍、平衡生产线、焊接、装配采用标准作业等。

• 精益生产思想早已进入服务领域，出现了

  • 精益医院、精益物流、精益营销等概念。

6 约束理论

• 发展历程：

  • 上世纪70年代，以色列物理学家戈德拉特博士（Dr．Eliyahu M. Goldratt）与其他几位学者合作，共同提出最佳生产时间表（Optimized Production Timetable，OPT）。
  • 这是一套提高产出、减少库存的企业分析方法。
  • 上世纪80年代初，戈德拉特将研究内容扩充，并利用计算机辅助计算，最佳生产时间表更名为最佳生产技术（Optimized Production Technology, OPT）。
  • 1984年，戈德拉特出版了《The Goal》一书，将OPT理论更名成约束理论（Theory of Constraints, TOC）。
  • 《The Goal》一书以小说的行文写成，描述一位厂长应用TOC在短时间内将工厂转亏为盈的故事。《目标》（THE GOAL）简单而有效的常识管理。
  • 因为该书所描述的是许多工厂都普遍存在的问题，因此该书出版之后，读者甚广，并译成13国语言（有中译本），成为全球的畅销书，销售量达到几百万册，TOC因而广泛流传。
  • 之后几年，戈德拉特继续出版了一系列关于TOC的书籍，卖得都很成功。
  • 在生产管理之外，TOC也应用到分销、供应链、项目管理等其它领域，获得很好的成效。

• 世界各国数以千计的企业运用TOC

  • 小至不足五十人的小厂，
  • 大至跨国企业：
    • 通用汽车公司（GM）、
    • 美国电话电报公司（AT&T）、
    • 明尼苏达矿务及制造业公司（3M）、
    • 美国国家半导体公司（National Semiconductor ）、
    • 英特尔公司（Intel ）、
    • 等等。
  • 后来，TOC推广至教育界，
  • 成为美国一些知名学府的MBA课程。

• 什么是约束理论？

  • 企业的运作是一个相互关联的资源链。
  • 例如：
    • 不能在采购原材料之前开工制造，
    • 也不可能在包装完成前交付运输。
  • 营销 -> 报价 -> 采购 -> 制造 -> 包装 -> 运输
  • 约束理论的核心观念是
    • 任何一个现实的系统至少存在一个约束。
    • 例如：某种设备不足；某类工人不足；库房不够用；销售市场小等等。
    • 不管约束是否被认知，
    • 它都将影响系统的产出。

• 约束指系统性能最薄弱的环节，与管理学中的木桶理论、短板效应等概念类似。

  • [此处需结合PPT中的木桶理论插图：木桶的盛水量取决于桶壁上最短的木板]
  • 传统管理的误区：
    • 企业中每一环节的改善都有助于系统的改善；
    • 整个系统的改善等于各环节改善之和。
  • 结果：
    • 各环节同时要求更多的资源，
    • 资源不足，只能实现局部最优化。
  • 约束理论的观点：
    • 系统的有效产出决定于链上的薄弱环节——约束。
  • 结论：从全局考虑，关注并改善约束资源。

• 约束理论的主要方法：

  • （1）财务分析方法：
    • 提出一系列新颖的评价指标。
    • 企业级指标：净利润、投资收益率、现金流量；
    • 车间级指标：有效产出、库存、营运费用。
    • 这些指标绕开干扰现象，
      • 直指企业的根本目标——现在和将来都能赚钱。
  • （2）生产控制方法：
    • 鼓-缓冲-绳子（drum-buffer-rope，DBR），
    • 是一种推拉结合式的生产控制方法。

• DBR方法如何控制生产？

  • 以一队行进中的队伍做比喻；
  • 特殊的比赛规则要求将队伍中的所有人用绳子串联起来，最后一名到达终点的队员成绩为全队成绩。
  • [此处需结合PPT中的跑步队伍插图：投料 -> 产品加工 -> 发货]
  • 在规则限制下，
    • 所有人最好保持同一速度、同一节拍前进，
    • 任何一人的意外均影响全队的速度。
    • 因此需要有人控制整个队伍的节奏。
  • 由鼓手控制节奏。
  • 由于最慢的人无法有效响应其他人的拉动，最好给他留出足够的空间（缓冲）自由发挥，而由别人去配合最慢的人。
  • 最慢的人（约束）成了实际上的鼓手，决定了全队的速度。

• DBR方法的应用步骤：

  • <1>识别约束（找到“鼓”）
    • 约束为周生产速度最低的6号生产环节，
    • 6号生产环节即作为控制生产节拍的“鼓”。
    • [此处需结合PPT中的生产流程图：原料->1(60)->2(80)->3(70)->8(95)->成品(周50); 料->4(80)->5(75)->6(50)->7(120)]
  • <2>处理约束（增加“缓冲”）
    • 利用6号环节前的时间缓冲保证瓶颈的利用率，
    • 利用装配和发货前的时间缓冲保证交货的及时性。
    • 时间缓冲指比实际需求更早地安排生产，即将生产计划提前。
    • [此处需结合PPT中的生产流程图，增加了“缓冲”方块]
  • <3>服从（连接“绳子”）
    • 其它一切环节服从（同步）于瓶颈。
    • [此处需结合PPT中的生产流程图，增加了虚线连接（绳子），根据D点生产状况投放]
  • <4>解除约束，
    • 上述方法作用也有局限。
    • 根本措施：增加瓶颈的生产能力。
  • <5>寻找新的约束，
    • 回到第一步，持续改进
      • (process of ongoing improvement)。
    • 回顾：精益生产之持续改进流程。

• 总结约束理论：

  • TOC的运用层次主要在企业级制造系统，
    • 属于“运营管理”研究领域，对思维的启发意义大于实际应用效果。
    • （下图）人民邮电出版社出版的一套相关书籍

• 约束理论

  • 源于学者对企业的分析，
  • 由理论方法指导实践活动的典型代表，
  • 由整体提高带动底层改进的典型代表。
  • 优点：
    • 考 虑全面，应用范围广。
    • 学术界普遍认为TOC方法比MRP与看板系统更完善。
  • 缺点：
    • 应用难度大。
    • 瓶颈分析需要详细的生产数据支持。

• 生产控制方式的对比：

  • 推式的代表：MRP MRPII;
    • 特点：按部就班、注重计划。
  • 拉式的代表：看板系统;
    • 特点：积极应对、快速反应。
  • 推拉结合式的代表：TOC CONWIP
    • 特点：全面分析、考虑周全。
  • 除了推式系统外，拉式和推拉结合式系统中都需要控制生产速度，看板系统、CONWIP和TOC都属于负荷控制（Workload Control，WLC）领域的研究。负荷控制仅是重要的生产管理问题之一，还存在更复杂的生产计划与调度（Production Planning and Schedule）问题。

7 其它相关理论与方法

• 尽管精益生产的理论体系已经十分全面，但在先进制造模式的研究领域，目前仍是“百家争鸣”的状态，有很多与精益生产相似或相近的理论采用不同途径进行阐述：

  • 精益生产的原型：(1) 丰田生产方式；很多企业学习精益生产并结合本公司特点提出的改进方法：(2) 竞争制造系统、(3) 精益六西格玛、(4) 获取竞争优势、(5) 波音公司的精益生产和 (6) OEC管理；
  • 从不同角度阐释精益思想：(7) 自我管理小组、(8) 阿米巴经营和 (9) 分形企业；
  • 以及更全面的生产控制方式 (10) 控制论和 (11) CONWIP；
  • 还有从其它角度提升效率的 (12) 成组技术和 (13) 独立制造岛。

• (1) 丰田生产系统（Toyota Production System，TPS）：

  • 日本丰田公司所采用的生产系统，后来逐步发展成精益生产理论。
  • 由于精益生产理论覆盖范围太广，有时也将丰田生产系统单独提出，特指丰田汽车公司汽车装配线上应用的新技术和新管理方法，例如快速换线技术等。

• 快速换线（Single Minute Exchange of Die，SMED），直译为“十分钟内换模”，有的文献译作快速换模或快速换产，由新乡重夫（Shigeo Shingo）于上世纪50年代在丰田公司提出。

  • 这种技术是在混流生产线（后面章节介绍）还未普及的情况下，丰田公司主要通过现场管理等手段摸索出的一套应对多批少量、降低库存、提高生产系统快速反映能力的有效技术。

• 新乡重夫，日本工程师，质量管理专家，丰田生产体系的创建人之一。

  • 在上世纪50年代，当新乡重夫亲眼目睹换型时间居然高达4小时的时候，他的反应“必须让流动顺畅起来”。
  • 基于新乡重夫的丰富经验，他开发了一个可以分析换模过程的方法，从而为现场人员找到了换型时间之所以长的原因，以及如何相应减少的方法。
  • 后来，以他的方法为基础，在个别案例中换型时间降到了十分钟以下，因此被“十分钟内换模”（SMED）。

• 快速换线（SMED）分析方法的步骤：

  • 第一步：观察当前的流程；
  • 第二步：区分内部和外部的作业要素；
  • 第三步：将内部作业转移到外部；
  • 第四步：减少内部作业；
  • 第五步：减少外部作业。
  • “内部作业”必须停产操作的换线动作，
  • 而“外部作业”可以在换线前提前完成。

• 快速换线（SMED）的常用技巧：

  • 法则一：并行操作；
  • 法则二：双脚勿动，指通过提前摆放工具减少工人走路的机会；
  • 法则三：特殊道具；
  • 法则四：剔除螺丝，指仅采用必要数量的螺丝固定；
  • 法则五：一转即定，指通过合理设计减少螺丝松紧时间；
  • 法则六：标准化（包括设备和动作标准化）；
  • 法则七：事前准备（核心思想）。

• (2) 竞争制造系统（GM Competitive MFG System）：

  • 1980年，通用汽车（GM）公司与丰田汽车公司合资建立NUMMI工厂。
  • 半年后，NUMMI工厂的优异成绩让通用汽车高层意识到精益生产的重要作用，开始以轮岗方式在NUMMI工厂锻炼管理人员，之后又在全集团推广，提出了一系列改进的精益生产实施方案。
  • 竞争制造系统是一种改造的更适合通用汽车公司的精益生产模式，与丰田的原版模式相比，有如下特点
    • 1、更强调系统和流程的标准化（技术优势）。
    • 2、单元级制造系统更多地采用工作中心方式（产品种类繁多）。
    • 3、适当保留库存（产量大）。
    • 4、更多地质量分析来预防质量问题的发生（理论优势）。
    • 5、供应商的关系相对较为松散（美日企业组织结构差异）。
    • 6、员工主要通过活动参与技术与管理改进（美日企业文化差异）。
  • 当时的丰田社长丰田英二认为通过日美合作，不仅通用汽车公司的管理得到提高，丰田公司也收获颇丰。美国在技术和管理上的先进之处也反过来影响了丰田生产方式，补充了精益生产理论体系。

• (3) 精益六西格玛（Lean Six Sigma，LSS）：

  • 通用电气公司（GE）首先将精益生产与六西格玛管理的结合，提出的新理论。
  • 核心思想是
    • 消除浪费、
    • 降低变异。
  • 变异泛指
    • 一切预想之外可能导致产品质量不稳定的因素。

• 精益六西格玛——精益生产+六西格玛。

  • 精益生产（Lean Production，LP）：
    • 参考前面相关章节。
  • 六西格玛（Six Sigma或6σ）:
    • 1986年由美国摩托罗拉公司的比尔·史密斯提出的概念。最初为质量标准，后逐渐发展成质量改善方法和管理体系。
    • 从开始实施的1986年到1999年，摩托罗拉公司平均每年提高生产率12.3%，不合格品率只有以前的1/20。

• 六西格玛管理随着应用继续发展，

  • 并吸收全面质量管理的理念（例如戴明的十四要点），逐渐从质量标准扩展成一种质量改善方法，进而成为一种管理方法，被多家其它公司学习，包括通用电气、戴尔、惠普、西门子、索尼、东芝、华硕等。
  • 其中，最为重视六西格玛的是通用电气（GE）公司，在上世纪90年代大力推行六西格玛管理。之后，通用电气又将六西格玛管理与精益生产理论结合，提出精益六西格玛。
  • 相关方法——群策群力（Work-Out），通用电气（GE） CEO 杰克·韦尔奇（Jack Welch）在 20 世纪 80 年代末启动了“群策群力”计划。这是一种让员工参与企业管理的有效方式，目的是打破官僚主义的壁垒，鼓励员工表达想法，快速解决组织中的问题和流程障碍，从而提高企业的运营效率和竞争力。通过这种方法，通用电气获得了诸多改进的创意，在企业变革等过程中发挥了巨大的作用。

• σ为统计学里的标准差符号：

  • 1σ＝690,000失误/百万机会，
    • 每天有三分之二的事情做错的企业无法生存；
  • 2σ＝308,000失误/百万机会，
    • 意味着企业资源每天都有三分之一的浪费；
  • 3σ＝66,800失误/百万机会（当时大部分企业的标准），
    • 意味着平平常常的管理，缺乏竞争力；
  • 4σ＝6,210失误/百万机会，
    • 意味着较好的管理和运营能力，满意的客户；
  • 5σ＝230失误/百万机会，
    • 意味着优秀的管理、很强的竞争力和比较忠诚的客户；
  • 6σ = 3.4失误/百万机会（接近于零缺陷，理想中的状态），
    • 意味着卓越的管理，强大的竞争力和忠诚的客户。
  • 《论语》：“取其上者得其中，取其中者得其下，取其下者，无所取焉！”

• 除了制定严格的质量标准外，

  • 六西格玛方法在解决问题方面定义了
  • 外部质量（用户满意的质量）和内部质量（为保障外部质量而实行的检测标准，通常严格得多）；
  • 其中，内部质量又分为显性质量（能够直接检测到的问题）和隐性质量（无法直接检测，需进行数据分析、计算机仿真或特殊实验才可能发现），并认为质量管理的重点在于解决内部质量中的隐性质量问题（目前仍无法完全解决）。

• (4) 获取竞争优势（Achieving Competitive Excellence，ACE）：

  • 也常直接称为ACE管理，是美国联合技术公司（UTC，原名联合航空运输公司，主营航空航天和建筑业电气制造）提出的运营体系，于1999年全面推行，获得了显著成效。
  • 针对飞机制造业的特点，ACE管理使用“过程改进与消除浪费”、“解决问题”和“决策”三大类十二大工具，从“客户价值和满意度”、“业务表现”、“过程、产品及服务优势”和“领导、文化和环境”四个方面来考察企业的竞争优势，并将竞争优势分为合格化、铜牌、银牌和金牌四个等级。
  • ACE体系大量吸收了以精益生产为主的其它先进制造理念并自行改进，包括新5S管理、标准工作、质量控制过程图（QCPC）等等。

• (5) 波音公司的精益生产（Boeing's Lean Production）：

  • 波音公司是世界上最大的民用和军用飞机制造商，同时设计并制造旋翼飞机、电子和防御系统、导弹、卫星、发射装置以及先进的信息和通讯系统。
  • 由于产品集成化程度高，同时质量要求也很高，因此提高装配工作的效率和质量是波音公司管理的重点。波音公司注重应用集成产品团队（Integrate Product Team，IPT）方法，将来自不同专业领域（如设计、制造、采购、测试等）的人员集合在一起，共同负责产品从概念设计到交付使用，甚至到产品生命周期结束的全过程（类似于小组工作法，更适合飞机制造行业）。
  • 相关概念——联合工作队（Joint Task Force，JTF），为了特定目标由不同部门人员临时组成的工作团队，在多家制造企业有广泛的应用。与联合工作队相比，集成产品团队以产品全生命周期改进为目标，成员合作更加长期、紧密。

• 波音精益生产的特色工具——

  • 月光工场（Moonshine Workshop）：
  • 指工厂的工人在下班后，对工作中遇到的问题进行自主改进，一说起源于“月光威士忌”。
  • 月光工场鼓励热爱改善的员工不断去展示他们的创造力和想象力，强调“以智取胜”和“行胜于言”，在公司内部提供低价、快速、灵活的精益改善所需要的工作台、货架、小车、工装、夹具、设备等。

• 月光工场的成功案例：

  • 传统方法需要先将飞机座椅安上轮子，推进集装箱。将集装箱吊至与舱门平行，再通过人工一件件推进机舱，卸下轮子后再安装，需要12小时。
  • 为了提高效率，月光车间人员参考了滑雪索道、屋顶材料装卸机、甜菜装卸机和其它农业机械，最后参考干草搬运机设计了专用机械，工时缩短到2小时。

• 理解月光工场：

  • <1>以智取胜，
    • 不蛮干，多思考，应用新的工具和方法解决问题；
  • <2>行胜于言，
    • 不拖延、等待，多动手试验，直接利用身边的材料。

• (6) OEC管理（Overall Every Control and Clear）：

  • 中国海尔集团依据自身特色对5S管理和ISO9000体系的概念延伸，也称为“海尔之剑”。
  • 其核心思想包括“日事日毕”、“日清日高”与“人单合一”等，强调积极主动、不断改进与责任明确，与精益生产思想具有很多相似之处。
  • 1985年，青岛电冰箱总厂厂长张瑞敏当众砸毁76台有问题的冰箱。
  • 2015年，“海尔”被世界品牌实验室评为全球白电第一品牌。
  • 2018年，海尔集团CEO张瑞敏被中共中央、国务院授予改革先锋称号。

• (7) 自我管理小组（Self-management Team）：

  • 1990年，瑞典ABB公司提出并开始推行，主要流行于欧美企业，例如微软、宜家、星巴克等。
  • 自我管理小组与精益生产中的小组工作法类似，但小组目标灵活、成员灵活、更强调自我评价与管理。
  • 在形式上，自我管理小组更强调成员之间的地位平等，大家平等地参与决策，因此更符合欧美文化特点。

• (8) 阿米巴经营（Amoeba Management）：

  • 阿米巴，原指一种单细胞动物，身体形状常变化，又叫变形虫。
  • 阿米巴经营由日本企业家稻盛和夫提出。
  • 他使用这种经营理念创建了京瓷和KDDI两家世界500强企业。
  • 阿米巴经营
    • 将企业划分为“小集体”，像自由自在的重复进行细胞分裂的“阿米巴”。
    • 以各个“阿米巴”为核心，自行制订计划，独立核算，持续自主成长，让每一位员工成为主角，依靠全体智慧和努力完成企业经营目标。
  • 阿米巴经营与小组工作法、自我管理小组、分形企业的思想有相似之处，并且更偏重于企业文化的建设。
  • 阿米巴经营除了注重提高工作效率外，也十分注重提高企业组织结构的柔性。
  • 国内已有很多企业借鉴了阿米巴经营模式。

• (9) 分形企业（Fractal Enterprise）：

  • 1993年，德国学者Warnecke提出，
    • 作为欧洲对精益生产理论的响应。
  • 分形企业理论起源于分形几何学，
    • 主要思想包括
      • 企业组织结构的自相似，
      • 单元内部的自治性等，
      • 并以此特性应对外界环境的动态变化。
  • 分形企业理论中的部分思想与阿米巴经营、精益生产中的小组工作法都有类似之处。
  • 分形（Fractal）
    • 指具有以非整数维形式充填空间的形态特征。
    • 1973年，曼德布罗特（B. B. Mandelbrot）在法兰西学院讲课时，首次提出分维和分形几何的概念。
  • 代表性的分形图形：
    • Sierpinski地毯，从一等边三角形开始进行迭代操作，最终所得的极限图形。
    • 著名的巴黎埃菲尔铁塔正是以它作为平面设计图原型。由于分形图形多具有审美感，因此诞生的分形艺术（fractal art）。
  • 计算机生产的分形图形 ——通过递归算法选代函数产生。
  • 分形企业的特点：
    • <1>自组织性，强调发挥基层员工的积极性，实现基层自治，提高基层管理的效率，降低管理成本。
      • 参考：小组工作法、自我管理小组、阿米巴经营等。
    • <2>自相似性，便于任务分解和部门协作，降低组织重构的成本，间接提高组织结构的柔性。
      • 参考：军队的三三建制、Google军团。
    • <3>动态特性，可根据市场需求改变组织结构，提高组织柔性。
      • 参考：制造企业的项目经理制。

• 相关理论——混沌分形学：

  • 基本思想起源于20世纪初法国数学家庞加莱，发展于60年代后；至1975年，“混沌学（Chaos）”正式出现于科技文献中，是非线性科学的重要成就之一。
  • 混沌学起源于对一些复杂物理现象的观察，主要研究非线性系统随时间的演化行为，揭示长时间行为对系统初值非常敏感的依赖关系。
  • 混沌状态不是完全无序的，可能包含丰富的内部结构，例如出现无穷层次结构的“奇怪吸引子”，具有自相似性。
  • 在非线性科学中，混沌与分形具有不同的起源，但它们都是非线性方程所描述的非平衡过程和结果。混沌是时间上的分形，而分形是空间上的混沌。

• (10) 控制论（Cybernetics）

  • 在1948年，数学家维纳（N. Wiener）在《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》中指出: 调节机器的功能与生物体的功能间有着深刻的相似性，并证明了生物组织机制与工程技术中的调节原理是相似的，可以用共同的数学模型来描述。
  • 维纳特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。“Cybernetics”一词最初来源希腊文“kybernetes”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术的意思。在柏拉图的著作中，经常用它来表示管理的艺术。

• 控制论的产生与发展：

  • 1943年到1948年是控制学科的问世阶段。
  • 60年代前是经典控制理论时期，研究的是单输入单输出系统。
  • 60年代出现关于实现多变量的最优控制的现代控制理论。工业控制论、生物控制论及经济控制论得到迅速的发展。
  • 70年代出现大系统理论。主要研究的是：大型企业的综合自动化与计算机控制系统，大型的信息处理系统，空间技术的控制系统，生态系统，生物调节和控制系统等。

• 控制系统案例——温调系统负反馈机制：

  • [此处需结合PPT中的体温调节系统图：调定值-体温调节中枢-散热器官/产热器官-体温-皮肤温度感受器/深部温度感受器]
  • 负反馈控制是生物系统的一个很重要的自稳定控制机制。负反馈是检出系统实现状态与期望状态（目标）的偏差（目标差），并自动出现某种减少目标差的反应，使得系统的实现状态逐渐逼近其期望状态的过程。例如，人或其它高等动物机体的体温调节系统就是一个负反馈控制系统。

• 制造系统的负反馈机制：

  • [此处需结合PPT中的制造系统反馈图：广义制造系统包含设计、计划、制造子系统、销售，与顾客和外部环境交互]
  • 在企业和市场之间有一条反馈回路，即市场调研。企业内部的经营管理活动也需自觉地形成一条反馈通路。为了生产一定质量与数量的产品，必须不断地检查质量是否符合设计要求，进度是否符合作业计划。如果获得的信息提示现场生产偏离了预定目标，管理部门立即发出指示信息，使之恢复至预定目标。

• 相关概念——工业动力学（Industrial Dynamics）：

  • 工业动力学是系统动力学在工业企业管理中的应用，它综合应用了控制理论、组织理论和计算机模拟等方法，由美国麻省理工学院福雷斯特（Forrester J. W.）于1980年出版的《工业动力学》一书而奠基。
  • 研究的主要问题包括：生产和分配系统、用户—生产者—雇佣系统、市场动力学、牛鞭效应等。

• (11) 持续在制品（Constant Work in Process，CONWIP）

  • 1990年，美国佐治亚理工学院的斯皮尔曼（M. L. Spearman）教授提出，之后一些美国、日本学者加以改进。CONWIP是一种推拉混合式的生产控制方法，研究重点在于拉动环节的选择。
  • 斯皮尔曼教授参与编著的《Factory Physics》（工厂物理学）是工业工程领域的典教材，目前清华大学出版社已出版英文影印本，网络上有西安交通大学学生的中文译本。
  • 这本书里有关于CONWIP的详细论述。

• (12) 成组技术（group technology，GT）

  • 成组技术的发展历程：
    • 基本思想产生于上世纪20-30年代（大规模生产时代）。
    • 50年代由前苏联学者米特洛凡诺系统地提出，
      • 开始苏联推广应用，
      • 随后又推广到欧洲、美国和日本。
    • 60年代引入中国，曾译作成组加工或成组工艺。
    • 目前全世界各国都有应用，但细节方法各不相同，其中的分类编码系统已有数百种。

• 成组技术的两个部分：

  • 一是在产品设计阶段划分零件族，
    • 通常情况下零件种类远远大于设备数量，
    • 不可能为每种零件都划分一个制造单元，
    • 只能将工艺路线相同或相似的零件合成零件族。
    • 主要方法有直观分析法和分类编码法。
  • 二是在生产管理环节划分制造单元，
    • 尽量让每个零件族对应一个制造单元，
    • 不同制造单元之间允许存在少量公用设备，
    • 但应尽量减少公用设备的数量。
    • 主要方法为生产流程分析法，其中按处理手段又可分为矩阵变换法和数学规划法（可参考《设施规划》相关书籍）。

• 直观分析法：

  • 主要考虑零件的相似性。
  • 零件的相似性首先是零件结构上的，
  • 其次是工艺特征上的，并且两者存在关联。

• 分类编码法——VUOSO分类编码系统的编码图例：

  • [此处需结合PPT中的图1、图2、图3及其编码结果]
  • 图1 轴承端盖：2322
  • 图2 轴：0176
  • 图3 齿轮：4606

• 分类编码系统的应用：

  • 构思 -> 编码 -> 检索 -> 图册
  • 检索结果
    • <1>现有零件图完全合用；
    • <2>现有零件图需作局部修改后即可适用；
    • <3>现有零件图无法满足需要，只能另行设计。

• 矩阵变换法：

  • 使用关联矩阵表达零件与机床之间的对应关系。
  • 通过矩阵变换（整行或整列移动）获得对角矩阵，
  • 按对角矩阵分块，每块即成为一个制造单元。
  • （详见《设施规划》相关书籍。）
  • [此处需结合PPT中的矩阵变换示意图]

• (13) 独立制造岛（Alone Manufacturing Island，AMI）

  • 我国同济大学的张曙教授于上世纪80年代与德国波鸿鲁尔大学的生产系统教研室共同提出，并在南京机床厂、北京第二机床厂和上海机床齿轮厂进行试点。

• 独立制造岛的特点：

  • <1>以成组技术为基础，
    • 每个独立制造岛只面向一个零件族。
  • <2>数控机床与普通机床并存，
    • 充分利用现有资源；
  • <3>以软件取胜，
    • 利用计算机系统辅助完成岛内的各种生产计划和管理工作。
  • <4>综合治理、权力下放，
    • 强调“以人为中心”，模糊岛内工人工作范围，同时由一线工人兼职完成岛内管理工作，调动工人积极性，降低管理成本（参考“小组工作法”）。
  • 独立制造岛是在我国改革开发初期学习苏联、欧美和日本的先进制造技术进行综合，并结合自身特点设计的一套制造模式。

本章总结——精益生产类理论的发展趋势：

• 1、持续改进与创新
  • 精益生产的核心思想需要长期坚持下去。
• 2、拥抱数字化转型
  • 适应大数据、人工智能时代制造业的新特点。
• 3、以人为本
  • 注重人与智能机器的协作；注重工人的福祉（经济、社会、环境）。
• 4、培养高素质人才
  • 人才是精益生产实现的基础保障。

第4章 柔性与可重构制造系统

• 1 柔性制造系统

• 2 可重构制造系统

• 3 大规模定制

• 4 其它相关理论与方法

• 回顾现代制造的特点：

  • 高效、 柔性、 集成。

• 柔性制造系统与可重构制造系统

  • 都是通过先进技术实现“柔性+高效”的典型；

• 大规模定制既指制造系统的一个发展阶段，

  • 也指这个阶段所用的一种先进制造模式，
  • 是从系统设计角度实现企业柔性的代表方法。

• 最后，本章还介绍与制造系统柔性有关的若干种理论与方法。

1 柔性制造系统

基本概念：

• 刚性制造系统（Dedicated Manufacturing System，DMS）
  • 产品种类和工艺路线单一，
  • 生产效率高，成本低，
  • 但缺少柔性，市场需求变化时重构成本高。
• 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）
  • 具有复合加工能力，
  • 不需重构就能同时处理多种不同类型的产品，
  • 通过高技术保持高生产效率，
  • 技术要求高，实现成本高。

柔性制造系统的“柔性”体现在哪些方面？

• （1）物理上的柔性
  • （1.1）加工系统的柔性
  • （1.2）运输系统的柔性
  • （1.3）控制系统的柔性
• （2）逻辑上的柔性
  • （2.1）任务分配的柔性
  • （2.2）工艺路线的柔性
  • （2.3）搬运路线的柔性

（1.1）加工系统的柔性

• 代表性的柔性加工设备：

  • 加工中心（machine center，MC）
  • 一种具有复合加工能力数控机床，
  • 通常拥有多把刀具，有自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）。

• 相关概念：

  • 数控机床（Computer Numerical Control，CNC）。
    • 由编程控制实现自动化加工的机床。
  • 辨析： 加工中心都是数控机床（非数控不足以完成如此复杂功能），
    • 而数控机床不一定有复合加工能力（存在只有单一加工能力的数控车床、数控铣床等非加工中心数控机床），
    • 因此，数控机床不一定是加工中心。

• 典型的加工中心外观：

  • [此处需要幻灯片中的加工中心外观图片]
  • 特点：换刀装置、计算机控制、机床护罩、双托盘装置
  • 对比传统机床

• 加工中心举例： 车铣加工中心，

  • 既是车床（刀具固定，零件旋转），
  • 也是铣床（零件固定，刀具旋转），
  • 还能完成镗、钻、铰、攻螺纹等多种工序。
  • [此处需要幻灯片中的车铣加工中心图片]

• 加工中心的主要优点：

  • 零件一次装夹就能完成多道工序的加工，
    • 从而极大节约装卸时间，
    • 同时保障很高的定位精度。
  • 思考： 精度有什么用？
  • [此处需要幻灯片中的潜艇螺旋桨和零件图纸图片]

• 加工中心的技术特点：

  • <1> 刀具管理系统

    • 管理多把不同的刀具，应对不同的加工需求。

  • 特点：高硬刀头、圆柱刀柄、标准接口

  • [此处需要幻灯片中的成套刀具图片及对比传统刀具图片]

  • 自动换刀装置——

    • 盘式刀库
    • 多种刀具安置在一个圆盘上，通过圆盘旋转和机械手换刀。
    • [此处需要幻灯片中的盘式刀库图片]

  • 自动换刀装置——链式刀库

    • [此处需要幻灯片中的链式刀库图片]
    • 还有许多其它类型的刀库，介绍略。

  • 刀具监控装置——

    • 监控内容： 刀具位置、温度，刀具磨损程度等。
    • 监控方法： 位置传感器，压力传感器，图像传感器，振动传感器，温度传感器等。
    • [此处需要幻灯片中的传感器装置图片]

  • 刀具监控装置——

    • 通过各种传感器，
    • 计算机实时分析刀具状况。
    • [此处需要幻灯片中的BRANKAMP监控界面和波形图图片]

  • <2> 高自由度工作台和刀架

    • 传统刀架与工作台举例：

    • 传统刀架只有1个平动自由度；

    • 传统工作台有1至3个平动自由度。

    • [此处需要幻灯片中的传统铣床图片]

    • 传统工作台举例：

    • 回转工作台，具有1至2个转动自由度。

    • [此处需要幻灯片中的回转工作台图片]

    • 加工中心所用高自由度工作台举例：

    • 万能工作台，

    • 拥有6个自由度。

    • 右图为万能工作台的一种机构设计方案。

    • 参考视频："万能工作台"。

    • [此处需要幻灯片中的万能工作台机构图]

    • 不仅工作台，加工中心的刀架也具有高自由度：

    • 虚拟轴机床（Virtual Axis Machine Tools），又称作并联机床（Parallel Kinematics Machine Tools），使用并联机器人实现刀具的复杂运动，具有刚度高、响应速度快及运动精度高等特点。

    • [此处需要幻灯片中的并联机床图片]

  • <3> 多轴联动技术

    • 这里的“轴”指坐标轴。

    • 传统机床上的零件和刀具只能在X、Y和Z三个坐标轴上相对运动，因此称为“三轴”机床；

    • 加工中心在此基础上增加A、B或C其中一个或两个方向上的转动，升级成“四轴”或“五轴”机床，可加工复杂曲面；

    • 较新的加工中心额外提供了三个增量轴，能够方便地与传统六轴进行叠加，成为“九轴”机床；若以这些轴标识的运动能够同时且配合地进行，称为“联动”。

    • [此处需要幻灯片中的坐标轴示意图]

    • 多轴联动技术可以叠加多种运动，适合加工复杂曲面。

    • 举例： 九轴五联动是加工螺旋叶片类零件的必备条件。

      • 参考视频：“九轴五联动加工”。

    • 2004年，大连机床集团自行研发了国内首台九轴五联动车铣复合加工中心。

    • [此处需要幻灯片中的螺旋叶片加工图片]

（1.2）运输系统的柔性

• 代表性的柔性运输设备：

  • <1> 自动导引车，也称作无人搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）。

  • [此处需要幻灯片中的AGV应用场景图片]

  • AGV分类：

    • 有轨式AGV（左下图），
    • 无轨式AGV（右下图）。
    • 参考视频："自动导引车"。
    • [此处需要幻灯片中的有轨和无轨AGV图片]

  • <2> 工业机器人

    • 实现多种零件的自动装卸工作，
    • 注意这种机器人通常只有
    • 手（机械手）、眼（传感器）和脑（计算机或其它自控装置）。
    • [此处需要幻灯片中的机器人与人对比图片及机器人工作场景图片]

  • 一种传统的搬运机器装置被称为

    • 托盘自动交换装置（Automatic Pallet Change，APC），
    • 其通过编程能在固定的几个位置之间移动托盘。
    • 目前被适应范围更广、功能更强大的工业机器人逐步取代。
    • 两者的主要区别在于工业机器人能够通过传感器识别不同的托盘，并采取相应的不同搬运措施。
    • [此处需要幻灯片中的工业机器人搬运托盘图片]

  • <3> 自动化仓库

    • 举例： 旋转货架。

    • [此处需要幻灯片中的水平和垂直旋转货架图片]

    • 举例： 立体货架

    • 参考视频："立体车库"。

    • [此处需要幻灯片中的立体货架图片]

    • 自动化搬运装置的综合应用：

      • 自动轨道，
      • 机器手，
      • 立体货架。

    • 参考视频："自动化立体仓库"。

    • 在烟草、医药、机械等行业应用较多，目前国内已有几千家建成并投入使用。

    • [此处需要幻灯片中的自动化仓库综合系统模型图]

  • 新案例——可移动货柜与AGV分拣员：

    • 2017年，上海苏宁奉贤仓库使用200组AGV搬运货柜实现分拣（参考视频：“仓库机器人”）。
      • 几千平米的仓库仅保留2-3名人类分拣员。
    • 2019年1月，菜鸟联盟等多家物流企业开始大量使用AGV代替人工分拣包裹工作。
    • [此处需要幻灯片中的AGV搬运货架图片]

（1.3）控制系统的柔性

• 利用各种计算机系统控制柔性加工和运输设备。
• 控制系统即包括单元级的控制软件：
  • 例如制造数据采集与状态管理（Manufacturing Data Collection & Status Management，MDC）和分布式数控（Distributed Numerical Control，DNC）等。
• 又包括车间级的控制软件：
  • 例如制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES），美国AMR研究中心在ERP出现后不久提出的概念。
• 这些软件的能够支持物理和逻辑上的柔性的实现（例如加工刀路控制、柔性调度等），并且越来愈多地应用了人工智能技术。

（2.1）任务分配的柔性

• 刚性制造系统
  • 一种零件由固定的设备和工人完成。
  • 主要目的在于简化管理、提高工作效率，但容易造成能力浪费。
• 柔性制造系统
  • 一种零件可由多个不同的设备和工人完成。
  • 可根据实际生产负荷灵活调配，对管理水平要求较高。
• [此处需要幻灯片中的任务分配示意图（普通车床/数控车床，班组A/班组B）]

（2.2）工艺路线的柔性

• 刚性制造系统
  • 工艺路线固定。
  • 主要目的在于简化设计和管理工作。
• 柔性制造系统
  • 工艺路线在一定范围内根据实际负荷灵活调节。
  • 对工艺和管理人员的水平要求较高。
• [此处需要幻灯片中的工艺动作分析图和路由网络图]

（2.3）运输路线的柔性

• 刚性制造系统通常采用固定的运输路线。
• 柔性制造系统可根据临时制定的工艺路线和任务分配方案，由AGV优化选择搬运路线，减少搬运距离，避免局部交通堵塞。
• [此处需要幻灯片中的AGV运输路线示意图]

柔性制造系统案例

• JCS-FMS-2的系统结构配置：

  • [此处需要幻灯片中的JCS-FMS-2系统结构平面图，包含计算机系统、FMS控制与调度系统、加工中心、AGV小车、立体仓库等]

• 柔性制造系统举例1： [此处需要幻灯片中的柔性加工单元示意图]

• 柔性制造系统举例2： [此处需要幻灯片中的柔性制造系统实物图]

• 柔性制造系统举例3： [此处需要幻灯片中的大型柔性制造车间图片]

• 柔性制造系统举例4： 2015年上海国际机床机器人及智能工厂展览会 [此处需要幻灯片中的展会现场图片]

• 柔性制造系统举例5： 2016年河南森源集团的钣金柔性焊接设备 [此处需要幻灯片中的钣金柔性焊接生产线图片]

• 相关概念——柔性装配系统（Flexible Assembly System，FAS）：

  • 用于装配车间，主要设备为机器人，其余与柔性制造系统类似（参考绪论章节的“汽车柔性装配线”视频）。
  • [此处需要幻灯片中的汽车装配线图片]

柔性制造系统的特点

• 主要特点：柔性 与 自动化。
  • 多数情况下FMS特指应用先进技术的单元级制造系统。
• 优点与缺点：
  • （1）产品质量高而稳定；
  • （2）减少在制品库存量；
  • （3）设备利用率高，占地面积小；
  • （4）减少直接劳动工人数；
  • （5）投资高、风险大，开发周期长；
  • （6）管理水平要求高。

柔性制造系统的发展历程

• 上世纪50年代，美国麻省理工学院（MIT）诞生了第一台三坐标数控铣床以后，机电一体化及数控（NC）的概念出现了。
• 1963年美国MALROSE公司制造了世界上第一条多品种柴油机零件的数控生产线，为FMS的雏形。
• 英国MOLIN公司最早正式提出FMS的概念，并在1965年取得了发明专利，1967年该公司正式建成FMS。
• 1984年，我国开始研制FMS。
• 1986年，我国从日本引进第一套FMS，编号为JCS-FMS-2。
• JCS-FMS-2的实物照片： [此处需要幻灯片中的照片]
• JCS-FMS-2的系统结构： [此处需要幻灯片中的系统结构框图]

应用柔性制造系统出现的问题

• 案例： 北京第一机床厂在“七五”期间，花了几百万美金引进了两条柔性制造系统（JCS-FMS-2），但很长时间没有充分利用。
• 分析原因： 主要不在于车间本身，而是相关部门与系统的配合问题，例如：
  • 上线毛坯尺寸不能差别太大，需要精密铸造；
  • 每加工一种新零件，需要进行数控编程、工装设计，需要工艺部门CAPP系统支持；
  • 每加工一种新零件，需要工具车间补充刀具；
  • 能否得到加工任务，还需要得到生产车间调度员的MRP计划支持，如果生产车间调度员认为用FMS加工不仅工时费用高，而且准备时间长，还不如派给普通机床。

柔性制造系统的发展现状

• 尽管FMS的相关技术日渐成熟，

  • 但其应用范围长期以来却很小，
  • 最近十年随着国内企业设备更新换代，才有一些较大规模的使用。
  • （目前国内加工中心使用比例：小厂20%-40%、大厂40%-60%）
  • 影响应用推广的主要原因是系统的应用成本过高，
  • 仅在需要精密加工的制造领域才值得使用。

• 当前，柔性制造系统的主要问题：

  • 柔性与成本之间的矛盾。

• 当前，柔性制造系统面临成本过高的限制，

  • 那么柔性制造系统该如何发展？

• 分析问题：

  • 市场需求虽是复杂多变，但也不是每天都变，
  • 柔性制造系统却是随时可以改变加工能力。
  • 如此看来，系统具备的柔性>>实际需要的柔性，
  • 能否牺牲部分柔性换来降低成本？
  • 新的发展：可重构制造系统。

总结柔性制造系统

• 柔性制造系统是通过先进技术实现“柔性+高效”的典型。
• 成本过高是柔性制造系统最大的缺点。
• 与看板系统对比：
  • 看板系统主要针对同类型产品的需求数量波动，对产品需求的多样化无能为力，其上述特点称为灵活性或敏捷性；
  • 柔性制造系统则主要应对产品需求的多样化，同时由于其加工的高效率，对产品的需求数量波动也能很好的应对，此特点称为柔性。

2 可重构制造系统

• 刚性制造系统：成本低，但缺乏柔性；

• 柔性制造系统：有柔性，但成本高。

• 有没有折中的方案？

  • 新发展：可重构制造系统（Reconfigurable Manufacturing System，RMS）：
  • 一个重构周期内是刚性制造系统，
  • 通过定期重构实现柔性生产能力。
  • RMS兼顾DMS和FMS两者的优点，因平衡而优胜。
  • 成本：FMS > RMS > DMS；
  • 柔性：FMS > RMS > DMS。

• 可重构制造系统源于

  • 产品的模块化设计（block-based design）思想 ；
  • 这里的模块指产品的一部分，
  • 具有相对独立性、互换性和通用性的特点。
  • 参考案例：模块化设计的家具。[此处需要幻灯片中的家具图片]

• 模块化设计的主要形式包括：

  • <1> 系列产品
    • 是指在某个确定的应用范围内按照一定的规律划分其参数等级，用相同的方法实现相同功能的技术对象（整机、部件或零件），这些技术对象应该用尽可能相同的制造方法进行制造。例如系列化手机产品。
    • 系列产品方便迭代升级，支持快速设计，同时保持产品质量稳定。
    • [此处需要幻灯片中的系列手机图片]
  • <2> 组合产品
    • 是指用不同的结构块（或称积木块）通过合理的组合而实现不同功能的技术对象（整机、部件或零件）。例如汽车、个人计算机等产品，参考“按订单装配”生产方式。
    • 组合产品可以通过不同的组合实现多样化的功能。
    • 可重构制造系统主要继承了组合产品的思想。

可重构制造系统的发展历程

• 1916年，福特公司的汽车发动机元件中出现了模块元件；
• 1977年，日本在开发FMS时引入“模块结构”概念；
• 1991年，福特公司提出了模块化轿车的概念；
• 但这些都没有形成完整的理论体系。
• 直到1996年，美国密执安（Michigan）大学工程研究中心（ERC）在美国国家科学基金（NSF）和25家公司的资助下开展有关可重构制造系统的研究。1997年，密执安大学的Y. Koren和U. Heisel等人首次正式提出可重构制造系统的概念。
• 1998年，美国国家研究委员会（NRC）将可重构制造系统列入《2020年制造挑战的设想》中的10大关键技术，而且位列10大关键技术之首。其他各国也先后展开相关的研究。
• 我国北京机床厂、北京理工大学、沈阳自动化所等产学研机构也对可重构制造系统开展了深入研究，取得了一系列成果。

可重构制造系统的基本概念

• 重构周期（reconfigure cycle）：
  • 柔性制造系统随时可调整，可重构制造系统一段时间重构一次。重构的间隔时间称为重构周期。
• 构型（configuration）：
  • 可重构制造系统在一个重构周期内稳定保持一套生产配置方案，称为系统的一个构型。
• 斜升时间（rump-up time）：
  • 由于重构会影响生产，可重构制造系统重构后总是需要一段时间回复到最佳状态。斜升时间指系统运行开始后达到规划或设计规定的效率、质量、成本的过渡时间。

可重构制造系统的应用

• 可重构制造系统的定义尚未统一，因此所指范围较广，主要包括：
  • （1）设备、工作站级RMS：
    • 研究可重构产品，如可重构机床、可重构机器人等；
  • （2）单元、车间级RMS：
    • 研究逻辑重构方法，类似于成组技术，也称为快速重组制造；
  • （3）企业级RMS：
    • 研究网络化的企业组织结构、分形企业、业务流程重组等；
  • （4）跨企业级RMS：
    • 研究企业动态联盟、敏捷制造系统等。

（1）设备、工作站级可重构制造系统

• 主要研究可重构加工、装配、搬运和装夹设备。

• [此处需要幻灯片中的可重构硬件系统示意图]

• 概念区分——可重构机床与模块化机床（组合机床）：

  • 可重构机床
    • 要求重构后的机床功能无冗余性，
    • 目前尚无严格意义上的可重构机床。
  • 模块化机床（组合机床）
    • 由通用部件+专用部件组成，
    • 出厂时按用户需求配置专用部件，出厂后用户可以自行改装专用部件，但机床的重构设计上有冗余性。
  • 模块化机床经常被工业界当做可重构机床，但学术界并不认可。可重构机床是模块化机床概念的进一步发展。

• 概念辨析——重构的冗余性：

  • 无冗余性：参考“变形金刚”，变形后没有配件被扔下，所有配件都被用于新形态。
  • 有冗余性：参考多头改锥，总有锥头被闲置。
  • [此处需要幻灯片中的变形金刚和多头改锥对比图片]

• 模块化机床设计方案举例：

  • [此处需要幻灯片中的模块化机床组件图片]
  • 讨论： 为什么可重构机床会比柔性机床成本低很多？

• 除了可重构机床外，可重构产品的涉及范围很广。

  • [此处需要幻灯片中的可重构产品流程图]

• 其实最基本的可重构设计思想已经大量出现于现有产品中。

  • 例如很多产品具有两种形态：一种用于使用，一种用于运输或存储。
  • [此处需要幻灯片中的折叠剪刀和折叠椅图片]

• 在可重构产品中，可重构机器人是当前研究的一个热点：

  • 由许多自身带控制电机的立方体块组成的，在计算机控制下可快速重组成一种新的机器。
  • [此处需要幻灯片中的方块组合体图片]
  • 下图示意可重构机器人的爬行过程。 [此处需要幻灯片中的机器人爬行示意图]
  • 下图示意可重构机器人的爬楼梯过程。 [此处需要幻灯片中的机器人爬楼梯示意图]
  • 目前可重构机器人的研究还处于初级阶段，
    • 仅能让带有电机的可重构单元进行简单的组合。
    • 参考视频："可重构机器人"。
    • [此处需要幻灯片中的可重构机器人关节组合图片]

• 瑞士联邦理工学院仿生实验室于2015年发布的可自我重组家具：

  • 每个模块只有22厘米长，只需要10个模块组合起来就可以建造一系列家具。
  • 模块类似正方体的骰子，每个都有电池，还有3个电动机支持其运动和翻转，采用无线连接。
  • [此处需要幻灯片中的可重组家具图片]

（2）单元、车间级可重构制造系统

• 广义上，单元、车间级可重构制造系统的重构方式包括：

  • <1> 物理重构
    • <1.1> 设备重构，可重构机床重构或组合机床更换专用模块；
    • <1.2> 车间重新布局；
    • <1.3> 增、减或更换设备。
  • <2> 逻辑重构
    • <2.1> 重新制定任务分配规则；
    • <2.2> 重新设计工艺路线；
    • <2.3> 重新规划物流路线。

• 为什么要进行单元或车间级重构？

  • 例如，某工段为某种制冷机生产一种零件（简记作A零件），同时也为某种电暖气生产另一种零件（简记作B零件）。由于产品销售有季节性，两种零件的需求量也随季节变化，根据预测，如下：

单位：个	春	夏	秋	冬
A零件	3000	4000	2000	1000
B零件	2000	1000	2000	5000

*   两种零件都需要车加工和铣加工，单件工时如下
    *   A零件车加工0.1小时，铣加工0.5小时；
    *   B零件车加工0.4小时，铣加工0.2小时。
*   这样，每个季度该工段对车、铣加工的工时需求都不一样。

• 问题1： 某种组合机床，能够通过更换专用模块当作车床使用或当作铣床使用；该工段有5台这种设备，用于上述两种零件的车、铣加工。每台设备每季度的生产能力近似当作500小时。为了追求利润最大化，在各个季度，该机床应该分别有几台当作车床使用，几台当作铣床使用？

  • 问题1，分析春季：

    • A零件车加工负荷 $0.1\times 3000=300$ 小时，
    • A零件铣加工负荷 $0.5\times 3000=1500$ 小时，
    • B零件车加工负荷 $0.4\times 2000=800$ 小时，
    • B零件铣加工负荷 $0.2\times 2000=400$ 小时。
    • 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备先分配1台为车床，3台为铣床。再考虑B零件生产，最后1台为铣床才能多生产B零件。
    • 所以最终方案：1台车床，4台铣床，利润100万元。

  • 问题1，分析夏季：

    • A零件车加工负荷 $0.1\times 4000=400$ 小时，
    • A零件铣加工负荷 $0.5\times 4000=2000$ 小时，
    • B零件车加工负荷 $0.4\times 1000=400$ 小时，
    • B零件铣加工负荷 $0.2\times 1000=200$ 小时。
    • 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备分配1台为车床，4台为铣床。设备已全部分配，B零件无能力生产。
    • 所以最终方案：1台车床，4台铣床，利润120万元。
    • 由于和春季方案相同，所以本季度无重构。

  • 问题1，分析秋季：

    • A零件车加工负荷 $0.1\times 2000=200$ 小时，
    • A零件铣加工负荷 $0.5\times 2000=1000$ 小时，
    • B零件车加工负荷 $0.4\times 2000=800$ 小时，
    • B零件铣加工负荷 $0.2\times 2000=400$ 小时。
    • 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备先分配1台为车床，2台为铣床。再考虑B零件生产，剩下设备分配为车、铣床各1台。
    • 所以最终方案：2台车床，3台铣床，利润100万元。
    • 与夏季方案对比，有1台机床需重构。

  • 问题1，分析冬季：

    • A零件车加工负荷 $0.1\times 1000=100$ 小时，
    • A零件铣加工负荷 $0.5\times 1000=500$ 小时，
    • B零件车加工负荷 $0.4\times 5000=2000$ 小时，
    • B零件铣加工负荷 $0.2\times 5000=1000$ 小时。
    • 由于A零件单件盈利较多，所以优先满足零件A生产，5台设备先分配1台为车床，1台为铣床。再考虑B零件生产，剩下的设备分配为2台车床和1台铣床。
    • 所以最终方案：3台车床，2台铣床，利润80万元。
    • 与秋季方案对比，有1台机床需重构。

• 问题2： 假如该工段没有可重构设备，而是通过卖出旧设备，购进新设备的方式实现广义上的重构，假设更换一次设备耗资20万，那各个季度是否需要换设备吗？

  • 分析：
    • 春至夏无需更换；
    • 夏至秋保持原方案利润75万元，更换后利润100万元，所以值得更换；
    • 秋至冬保持原方案利润75万元，更换后利润80万元，所以不值得更换；
    • 冬至春需要新的预测数据，暂不考虑。

• 问题3： 假如该工段没有可重构设备，而是通过租用加工中心（柔性设备）同时实现车和铣加工，代替卖出和购买设备方式重构；计算相关成本和租金，每台加工中心每季度而外耗资3万元；是否值得租用加工中心，应租几台？

  • 分析： 柔性设备虽然有租用成本，但无重构成本，每季度中能力分配更均衡，实际收益仍得综合计算。
  • 问题3，分析春季：
    • A零件总负荷 $(0.1+0.5)\times 3000=1800$ 小时，
    • B零件总负荷 $(0.2+0.4)\times 2000=1200$ 小时，
    • 5台柔性设备总能力2500小时，
    • 所以可完成A零件3000个，B零件1166个。
    • 利润1133200元，刨去额外租金15万元，
    • 最终利润983200元，低于使用可重构设备。
    • 其余季节以此类推，课件略。
    • 也可考虑柔性设备、可重构设备和普通刚性设备混合使用，则问题变得更复杂。

（3）企业级可重构制造系统

• 属于管理学范畴，主要指企业在组织结构建设方面要模块化，具备灵活性，方便重构，以应对市场的快速变化。

• 相关理论：

  • <1> 网络化的企业组织结构；
  • <2> 企业业务流程重组；
  • <3> 分形企业；<4> 阿米巴经营（参考前面的“精益相关”章节）；
  • <5> 生物型制造系统；<6> 学习型企业；<7> 耗散结构理论（参考后面的“柔性相关”章节）。

• <1> 网络化的企业组织结构

  • 1965年，美国佛瑞斯特教授提出的构想。如今已有一些实际应用。
  • 传统的组织结构 $\to$ 扁平型的组织结构 $\to$ 网络化的组织结构
  • [此处需要幻灯片中的组织结构演变示意图]

• <2> 业务流程重组（Business Process Reengineering，BPR）

  • 既然有先进的企业组织结构，传统企业应如何改革？

  • 20世纪80年代，业务流程改善（Business Process Improvement, BPI），寻求对企业的业务流程的连续、渐进的改善。

  • 1990年，美国的Micheal Hammer提出业务流程重组（Business Process Reengineering, BPR） ，主张“推倒重来”，倡导“在一张白纸上重新开始”。

  • 美国的一些大公司，如IBM、科达、通用汽车、福特汽车等纷纷推行BPR，试图利用它发展壮大自己。实践证明，这些大企业实施BPR以后，取得了巨大成功。

  • BPR经典案例：

    • 北美福特汽车公司：采购与应付帐款业务处理业务，应用ERP系统的启示。
    • 业务流程重组前： 该部门员工总数500多人，工作效率低下，业务处理周期长。
    • 业务流程重组后： 该部门员工裁员到不足400人，工作效率却明显提高，业务处理周期仅为原来的1/5。

  • BPR前：

    • 在传统的办公系统中，文件和票据的传递、复制与审核耽误大量时间，也消耗了大量人力。（思考：为什么要这么多流程？）
    • [此处需要幻灯片中的传统流程图]

  • BPR后：

    • 在信息时代，业务流程重组总是与企业的信息化建设相结合（例如应用ERP系统）。
    • [此处需要幻灯片中的重组后流程图]

（4）跨企业级可重构制造系统

• 跨企业制造系统的两种形式：集团公司、企业联盟。

• 合作方式松散、动态的是：企业联盟。

• 可重构制造系统注重柔性，因此跨企业级的可重构制造系统以研究企业联盟并提高企业联盟的柔性为主，以便更好地支持集成，称为“企业动态联盟”。

• 企业动态联盟（Dynamic Alliance of Enterprises）：

  • 也称为动态组织联盟或虚拟企业（Virtual Organization）。
  • [此处需要幻灯片中的企业联盟示意图]

• 企业动态联盟的定义：

  • 指当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。

• 企业动态联盟的相关概念：

  • 业务流程外包（Business Process Outsourcing, BPO）、
  • 第三方物流（Third-party Logistics，TPL或3PL）、
  • 原厂设备制造（Original Equipment Manufacturer，OEM）。

• 业务流程外包：

  • 一部分职能部门的全部功能（比如事务处理、政策服务、索赔管理、人力资源、财务）都转移给供应商。外包供应商根据服务协议在自己的系统中对这些职能进行管理。

• 常见形式：

  • 劳务外包，
  • 物流外包（第三方物流），
  • 销售外包，
  • 制造外包（原厂设备制造）。
  • [此处需要幻灯片中的外包关系图]

• 案例——当当网的第三方物流：

  • 当当曾与国内104家“第三方物流企业”建立了合作关系，使当当在上市前仅融资4000万美元。但面对国内“碎片”化的物流行业，会出现物流品质失控的风险。
  • [此处需要幻灯片中的当当网仓库图片]

• 案例——美特斯邦威的销售外包：

  • 公司本身不卖衣服，而是由分散全国的1200多家加盟店销售。
  • [此处需要幻灯片中美特斯邦威网页截图]

• 案例——美特斯邦威的原厂设备制造：

  • 公司自身无一家工厂，产品全部由国内200多家服装厂OEM（代加工）。
  • [此处需要幻灯片中美特斯邦威供应商页面截图]

总结可重构制造系统

• 狭义上的可重构制造系统特指单元级制造系统，
  • 主要目的在于研究出一种柔性和成本都介于刚性与柔性制造系统之间的新系统，
  • 找到柔性与成本之间的平衡，因平衡而优胜。
• 广义上的可重构制造系统还覆盖了设备、工作站、车间、企业和跨企业级的制造系统，
  • 强调“可重构”性，即组织结构便于重构。
  • 重构是用来与推翻重建对比；重构比重建更注重利用原有资源，因此成本更低。

3 大规模定制

• 1970年，美国未来学家阿尔文·托夫勒（Alvin Toffler）在《Future Shock》一书中提出的一种新生产方式的设想：以类似于标准化和大规模生产的成本和时间，提供客户特定需求的产品和服务。
• 1987年，斯坦·戴维斯（Start Davis）在《Future Perfect》一书中首次将这种生产方式称为大规模定制。
• 1993年，B·约瑟夫·派恩（B. Joseph Pine II）在《大规模定制：企业竞 争的新前沿》一书中对大规模定制的内容做出了详细的描述与分析。
  • [此处需结合PPT中的不同颜色汽车图片理解]

大规模定制的演变逻辑：

驱动因素	导致结果	最终形态
市场竞争激烈	低成本、价格优势	-> 大规模
市场变化无穷	对市场做出迅速反应
客户个性化需求	产品多样化	-> 定制
		= 大规模定制

• 大规模定制（mass customization，MC）包括
  • 大规模生产（mass production）
  • 和定制生产（customization production），
  • 这是一个矛盾的概念。
• 为了处理这个矛盾，需要把顾客的
  • 共性需求（common demand）
  • 和个性化需求（personal demand）
  • 区分清楚，并分别用大规模生产和定制生产两种方式分别有针对性的解决（核心思想）。
  • [此处需结合PPT中的拔河与拼图图片理解]

典型案例——戴尔的笔记本电脑：

• 在销售方面，戴尔率先推出了配件选择功能，并通过在线销售平台实现。
  • ——与传统的笔记本销售相比，原本标准化的产品出现了定制选择。
• 在设计方面，戴尔选择的各种电脑配件优先注重兼容性和扩展性，为配件选择功能提供了支持。
  • ——与台式机组装销售相比，原本完全定制的配件在一定程度上实现了标准化，支持大规模采购。

典型案例——大规模定制家具：

• 一方面，家具的整体形式可根据客户需求定制；
• 另一方面，家具所使用的板材、连接件等都是标准化产品，通过大规模生产获得。

实施步骤

• 为了有针对性的选择生产模式，
  • 首先需要评价本行业的市场扰动。
  • 市场扰动就是市场的不稳定、不确定和缺乏控制能力的程度，为单位时间内需要企业关注的市场事件的数量和重要性。
• 继而，根据市场扰动的大小，
  • 选择合适的“客户订单分离点”。
  • 客户订单分离点是大规模生产和定制生产两种模式的分界点，即分离点上游使用大规模生产方式制造产品的通用部分，下游根据市场需求使用定制生产方式制造产品的个性部分。

案例：某公司制作的某类产品市场扰动图 [此处需结合PPT中的“蛇形图”图表理解，该图对比了1980年和1991年在产品生命周期、技术变化率、需求变化速度等维度的市场扰动度差异]

市场扰动度的评价标准：

扰动度分值	推荐模式
< 40 (低市场扰动度)	大规模生产仍有效
40 < 扰动度 < 60	可以采用大规模定制
> 60 (高市场扰动度)	应该采用大规模定制

客户订单分离点：

供应商 =========V========= 顾客 (V代表客户订单分离点)

• “推”的过程（客户订单分离点上游）：生产经营活动是根据预测进行的。
• “拉”的过程（客户订单分离点下游）：生产经营活动要根据顾客订单的实际要求而定。

不同类型企业的客户订单分离点：

[图表展示了不同生产模式下的分离点位置]

• MTS (按库存生产)：分离点在销售之后。
• ATO (按订单装配)：分离点在装配之前。
• MTO (按订单生产)：分离点在制造之前。
• DTO (按订单设计)：分离点在设计之前。
• RTO (按订单研制)：分离点在研发之前。
• 大规模定制就是通过各种手段将当前状态线设法延后到理想或目标状态线。

大规模定制的主要方法

——延迟策略（Postponement Strategy）：

• 最初是由Alderson于1950年在《营销效率和延迟原理》一文中提到。他将延迟定义为一种营销战略，即将产品形式和特征的变化尽可能向后推迟。
• 这一方法最初用于物流行业，由物流环节的最后一步完成产品的个性化定制，例如礼品包装与留言卡片、蛋糕上写名字等服务。
• 后来，延迟策略被引入大规模定制理论。企业开始主动地改变产品结构，以便更多地应用延迟策略。

延迟策略案例——贝纳通（Benetton）的成衣染色技术：

• 贝纳通是一家意大利公司，主营休闲服装。
• 传统工艺流程： 纺纱或采购纱线 -> 染色 -> 毛纱线完工 -> 成衣部件生产 -> 成品组装。
  • 近年来，服装市场的流行颜色很难预测，经常需要为某种颜色的衣服大量补货。
• 新工艺流程： 纺纱或采购纱线 -> 成衣部件生产 -> 成衣组装 -> 成衣染色 (被延迟) -> 成衣完工。
  • 为此贝纳通将染色环节延后，由此可以大量囤积无色衣服，从而极大地缩短了补货时间。

延迟策略案例——可定制图案的文化衫：

• 标准空白文化衫由制衣厂大规模生产，成批地发给零售商；而零售商自配印刷设备，根据客户需求，个性化地印刷图案，零售给顾客。

延迟策略案例——可定制的运动自行车：

• 用户可在线选择自行车配件的颜色和形状。
• 电商平台为产品的装配延迟提供了支持。

大规模定制可用于制造的各个阶段：

• 设计（design），
• 制造（production），
• 装配（assembly），
• 配送（supply chain），
• 销售（sale），
• 服务（service）。
• 其中，最重要的是设计阶段。
• 合理的产品设计是大规模定制在其它阶段应用的基础，因此目前各种设计类专业研究大规模定制理论的最多。

4 其它相关理论与方法

• 除了上述柔性制造系统、可重构制造系统和大规模定制外，还存在许多从柔性角度提高系统性能的先进理论与方法，包括 （1）混流生产线、（2）市场响应型自独立制造系统。
• 另外一些理论从智能和开放性角度实现系统的柔性，包括 （3）智能制造系统、（4）Holon制造系统、（5）自治系统、（6）多Agent系统、（7）工业4.0、（8）工业5.0、（9）LAF系统、（10）生物型制造系统、（11）学习型企业和 （12）耗散结构理论。
• 此外还有 （13）突变论用于描述制造系统的特殊变化，（14）极端制造、（15）可持续制造和 （16）绿色制造为制造系统的未来发展变化给出了新的方向，这些与提高制造系统的柔性相关，因此也放在这里一并介绍。

回顾单元制造系统的相关概念：

• 传统上的作业车间（例如机械加工车间），
  • 多由工作中心组成，零件与设备之间无严格对应关系。
  • 优点是具有柔性，缺点是效率较低。
  • 弥补缺点的措施：采用成组技术。
• 而传统上的流水车间（例如汽车装配车间），
  • 多由制造单元组成，零件与设备之间有严格对应关系。
  • 优点是效率高，缺点是缺乏柔性。
  • 如何弥补缺点？答案：采用混流生产线。

（1）混流生产线（mixed mode line）

• 也称为混流装配线。
• 最早出现于汽车行业，即一条生产线上可以生产多种不同型号的汽车，用以增加生产过程的柔性和应对能力。
• 主要实现方法：
  • <1>产品模块化；
  • <2>生产线模块化；
  • <3>生产线采用递阶结构。

<1>产品模块化

• 产品可拆分成几部分独立的部件，称为模块。
• 各个模块可以分开装配，互不干扰。
• 模块化产品的组装接口实现标准化，模块修改不影响产品的总装。
• 参考案例：个人计算机的组装。
  • [示意图展示了零部件企业自主创新 -> 模块1/2/j/k -> 快速装配/“傻瓜型”装配 -> 总线集成]
• 实际案例： 1996年，著名美籍华人汽车专家、福特公司的发动机部总工程师顾永平率先在汽车工业历史上实现了发动机的模块化。即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用，以尽可能少的规格部件，实现最大的灵活组合。

<2>生产线模块化

• 在产品模块化的基础上实行。
• 生产线分为通用模块（混流生产全部产品）和可变模块（单独针对某些产品）。
• 这种设计容易实现负荷均衡，增加了市场应对能力。
• 实际案例： 雪佛兰混流生产线。当前，多数主流汽车厂家都使用混流生产线。

<3>生产线采用递阶结构

• 传统的汽车生产线长度在1000至1500米，大量的零部件堆积在生产线的两旁，由许多供应商提供。
• 面对变化快、型号多、交货期则要求越来越高的市场需求，混流生产线将汽车分解成10至20个大的模块，每个模块又是由子模块组成，子模块由小模块组成，形成一种多模块的递阶结构。
• 传统的线状结构 变为 递阶结构（树状结构）。
  • [图示：从线性生产线转变为基于模块的树状/分支装配线，缩短了整车装配生产线]

（2）市场响应型自独立制造系统（MSM）

(market responsive self-contained manufacturing)

• 日本山崎马扎克（MAZAK）公司（主营数控机床）提出的概念，该系统采用几台数控机床，分别完成发动机5大件全部加工，进行“套件生产”，随即装配成一台发动机。
• 这种方法使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来，适用于新发动机研发，适合按订单设计生产方式。
• 该系统的主要目的也是应对市场需求的个性化与不确定性，原理类似于柔性制造系统。

（3）智能制造系统（IMS）

(intelligent manufacturing system)

• 早期定义上的智能制造系统指具备柔性能力的制造系统；
• 后来更进一步要求智能制造系统取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。
• 从目前最广泛的定义来看，智能制造系统并非特指某种制造模式，而是人工智能方法在制造领域应用的统称。
  • 主要特征：
    • 自组织能力（根据外界变化自动调整，自动完成任务）
    • 自律能力（符合预设规则，避免潜在风险）
    • 自学习能力（自动获取数据，提高工作技能）
    • 自维护能力（自动检测并修复故障）
    • 整个制造环境中的智能继承（局部获取的经验可以用于整体，旧系统积累的经验可以用于新系统）
  • 这些特征目前还没有完全实现。

人工智能（AI）：

• 是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，属于计算机科学的一个分支。
• 主要研究领域包括智能机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

（4）Holon制造系统（HMS）

(holon manufacturing system)

• Holon制造系统也译作霍伦、合弄、全能或子整体制造系统，源于日本东京大学于1990年4月所倡导的“智能制造系统”国际合作研究计划。
• holon通常译作子整体，是匈牙利作家、哲学家亚瑟·凯斯特勒（Arthur Koestler）把词整体（holos 或者说“the whole”）和部分（on 或者说“the part”）相结合而发明。它指一个维持自身独立性、同时又作为整体的部分发挥作用的实体（类似于“模块”的思想）。
• 主要特点： <1>自治性、<2>合作性、<3>智能性、<4>敏捷性、<5>柔性。
• 其核心思想与分形企业有些像，但又融合了可重构制造系统中的一些概念，特别是加入了人工智能领域的新技术，属于智能制造理论的一种。

（5）自治系统（AS）

(autonomous system)

• 自治系统原为通讯学科下通讯网络中的概念。数学和动力学中有同名称概念。
• 有学者借鉴上述思想，扩展到管理学领域，提出自治制造系统，强调制造系统自动化、智能化运行，也注重管理上的局部自治。
• 自治系统属于智能制造系统的一种，与物联网、人工智能技术密切相关，也和小组工作法、自我管理小组的思想有类似之处。

（6）多Agent系统（MAS）

(multi-agent system)

• Agent的概念由美国著名经济学家海曼·明斯基（Hyman P. Minsky）于1986年提出。Agent直译为代理，意译作智能体，可以是智能软件、设备或机器人等，能够实现一系列的自动操作，故又称为无人自动机，是人工智能领域中的概念。
• 多Agent系统主要研究Agent之间的协作方法，是Agent研究方向的重点课题，分布式人工智能方向的基本内容。
• 近年来，有学者将多Agent系统引入到制造领域，成为一种新的智能制造系统。

（7）工业4.0（Industrie4.0）

• 工业4.0也称作第四次工业革命，源于2011年汉诺威工业博览会，是德国政府提出的《高技术战略2020》中的十大未来项目之一。
• 工业4.0旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络-实体系统（物联网）。

物联网 (Internet of Things, IoT)

• 物联网是互联网的进一步发展和延伸。
• 物联网的层次：
  • （1）感知层（设备层）：使用传感技术获取数据；在当前阶段，物联网研究的重点在于获取信息。
  • （2）网络层（通讯层）：使用通讯技术传递数据。
  • （3）处理层和（4）应用层：使用信息技术分析和利用数据。
• 物联网+工业： 主要实现了生产数据的自动采集，结合机器人技术可进一步实现生产的高度自动化。（例如西门子的智能工厂、苏宁的可移动货柜）。

工业4.0的思想来源：

• 美国：工业互联网 -> 信息物理系统 (CPS)。
• 我国：2008年将“信息产业部”改组成“工业和信息化部”。

工业4.0带来的影响：

• 美国：2014年成立工业互联网联盟。
• 中国：2014年李克强总理访问德国，宣布中德开展工业4.0合作。借鉴德国工业4.0计划，是“中国制造2025”的既定方略。如今，“中国制造”向“中国智造”、“中国创造”转型。

（8）工业5.0（Industrie5.0）

• 2020年，欧盟又在工业4.0的基础上提出了调整版本——工业5.0，更加注重社会和生态价值，重点在于
  • <1>以人为本：改善人与机器合作，加强工人可以产生积极影响——无论是对生产力还是对他们的福祉。
  • <2>可持续性：构造循环经济，使工业行业更加环保。
  • <3>弹性：指提高供应链的弹性，通过大数据和复杂的数据分析方法，实时评估潜在风险。
• 以人为本相关概念——操作员4.0：指工业4.0下对操作员的要求，主要有数字技术素养、人机协作能力、复杂问题解决能力。
• 以人为本相关概念——协作机器人：
  • <1>安全性：轻量化，并应用冲击敏感（impact sensitive）技术，能在触碰人体后停止动作，无需护栏。
  • <2>人机协作：可手工移动示教，方便编程。
• 大数据制造的相关概念——数字孪生（Digital Twin）：
  • 一种利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射。
  • 简单来说，就是构建一个和物理实体一模一样的 “数字双胞胎”。
  • 数字孪生技术在工业5.0中受到重点关注。

（9）LAF系统

• 即“精简-灵捷-柔性”生产系统（Lean-Agile-Flexible system）。
• 中国工程院院士、西安交通大学教授汪应洛于1995年提出。

（10）生物型制造系统（BMS）

(bionic manufacturing system)

• 浙江大学教授顾新建、祁国宁等人提出。
• 人们选取了如敏捷（agile）、瘦（lean）、智能（intelligent）、子整体（holon）这些具有生物学意义的词汇，从不同角度描述先进制造系统模式。
• [PPT中展示了生物型制造系统的涉及范围，包括敏捷制造、分形企业、生物制造、学习型企业、全能制造、现代集成制造、精益生产等概念的关联]

（11）学习型企业（learning enterprise）

• 也称为学习型组织，其思想来源于系统动力学创始人美国麻省理工大学佛瑞斯特教授。
• 未来企业组织的理想形态——层次扁平化、组织信息化、结构开放化，逐渐由从属关系转向为工作伙伴关系。
• 彼得·圣吉是学习型组织理论的奠基人。代表作《第五项修练》。
• 主要内容：建立愿景、团队学习、改变心智、自我超越、系统思考。
• 学习型企业属于企业文化层次的概念。
  • 案例：苹果公司总部Apple Park，设有大量的开放空间和公共区域。

（12）耗散结构理论

(dissipative structure theory)

• 诺贝尔奖获得者、比利时化学家伊里亚·普里戈金（Ilya Prigogine）于1969年提出。
• 一个远离平衡的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。
• 这种非平衡态下的新的稳定有序结构，称为耗散结构。
• 物理学中的典型例子是——贝纳特流（Rayleigh–Bénard convection）。
  • [图片展示了贝纳特流形成的蜂窝状花纹图案]
• 在哲学上，耗散结构理论提出“非平衡是有序之源”的观点（动态平衡），纠正了传统的“平衡有序”观念。
• 应用于制造系统，主要强调企业适度的开放性，通过外界反馈信息进行自我调节（参考案例：华为的用人机制——人才流动性）。

（13）突变论（catastrophe theory）

• 由法国数学家托姆（R. Thom）于1969年提出，主要研究非连续的变化现象。
• 突变论常使用函数值存在剧烈变化的非线性函数表达突变现象。
  • 例如：双参量四次多项式模型：$f=\frac{1}{4}{x}^4+\frac{1}{2}a{x}^2+bx$
  • 突变点方程：$4a^3+27b^2=0$
• 相关典故：某欧洲民谣（丢了一个钉子...亡了一个国家）。寓意：在复杂系统中微小量变可能引起质变。
• 相关概念——黑天鹅事件：指难以预测，且不寻常的事件。
• 相关概念——灰犀牛事件：指影响巨大的潜在危机，却总是被人们忽视。

（14）极端制造（extreme manufacturing）

• 极端制造指在极端条件下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统，集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造等方面。
• 极端制造模式强调先进科学技术的应用，并研究与这些新技术相配套的管理方法（某领域专用管理方法）。
  • 举例：蚀刻工艺（微米级结构）、游轮曲轴（巨型设备）。

（15）可持续制造（sustainable manufacturing）

• 可持续制造是一种与环境友好的、洁净的、节省资源的先进制造技术。
• 主要研究内容：
  • 一是节能减排加工技术。
  • 二是再制造技术，开发利用废弃资源为原料。
  • 案例：汽车零件的再制造（“以旧换再”）。

（16）绿色制造（green manufacturing，GM）

• 又称环境意识制造。目标是使产品在全生命周期中，对环境的负作用最小，资源利用效率最高。
• 类似概念：清洁生产（Cleaner Production）。

本章总结——柔性制造类方法的发展趋势：

1. 人工智能助力：实现柔性化最终就是实现智能化。
2. 快速原型制造（3D打印）崛起：可能会取代目前以去除成型为主的制造模式。
3. 重视可持续发展：重视节约能源与原料，重视环境保护。

第5章 计算机集成制造系统

• 回顾：现代制造的特点：
  • 高效、 柔性、 集成。
• 增加制造系统柔性的一个目的就是支持实现集成，而集成能够实现整体上的高效，因此三者是紧密相关的。
• 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）是一个包含范围很广的概念，涵盖了ERP、MES、PDM和CAPP等制造企业主要使用的各种信息化软件，是实现制造系统集成的代表理论。
• 最后，本章还介绍与制造系统集成有关的若干种理论与方法。

1 概述

• 20世纪70年代以来，随着电子信息技术、自动化技术的发展以及各种先进制造技术的进步，制造系统中许多以自动化和柔性化为特征的单元技术得以广泛应用。
• 然而，人们同时发现，如果局部发展这些自动化单元技术，会产生“自动化孤岛”现象。
• “自动化孤岛”具有较大封闭性，相互之间难以实现信息的传递与共享，从而降低系统运行的整体效率，甚至造成资源浪费。因此，还需进一步加强制造系统的集成化水平。

[此处需结合PPT中的“自动化孤岛”漫画理解：各个部门像是在海上漂浮的孤立冰山，各自为战]

[此处需结合PPT中的“1+1=2?”漫画理解：两个人坐在同一条船上背对背划桨，暗喻缺乏协作导致效率低下]

[此处需结合PPT中的“自动化孤岛”示意图理解]

• 未经集成化处理的计算机应用，形成了多个“自动化孤岛”：
  • CAD, CAPP, CAE, CAM, ROBOT, FMS, FAS, 自动化立体仓库, MRP II, MIS, OA, DSS, Database, Network等各自独立。

将“自动化孤岛”集成在一起!

• 自动化单元如果能够实现信息集成，

  • 则各种生产要素之间的配置会得到更好的优化，
  • 各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥，
  • 各种资源浪费可以减少，
  • 从而获得更好的整体效益。
  • 这正是计算机集成制造系统的出发点。

• CIMS的基本概念：

  • CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的缩写，译为“计算机集成制造”。CIMS是英文CIM System 的缩写，译为“计算机集成制造系统”。

• CIMS的发展历程：

  • 起步阶段（20世纪70年代），出现将计算机技术引入制造行业的初步尝试，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、数控机床（NC）等技术的应用。
  • 概念形成与初步应用阶段（20世纪80年代），通过计算机软件将制造过程中的销售、计划、采购、生产等多个环节集成在一起，典型应用为物料需求计划（MRP）、制造资源计划（MRPII）等。同时，设计和制造部门的计算机应用进一步深化，出现计算机辅助工艺规划（CAPP）、柔性制造系统（FMS）等。
  • 广泛应用与深化发展阶段（20世纪90年代至今），CIMS不断融合先进的制造技术、信息技术和管理技术，实现了企业生产经营全过程的整体优化。典型应用企业资源计划（ERP）、产品数据管理（PDM）、物联网和工业机器人等。

• CIMS在中国：

  • 初步探索阶段（1980年代初期至中期），我国开始认识到计算机技术在制造业中的重要性，从国外引入一些CIMS相关的软硬件技术。
  • 研发与应用推广阶段（1980年代后期至1990年代），在国家863计划的支持下，我国加大了对CIMS的研发力度，并取得了一系列重要成果，先后获得“大学领先奖”（清华、华中科大）和“工业领先奖”（北京第一机床厂）。
  • 广泛应用与产业化阶段（2000年代至今），随着信息技术的飞速发展和我国制造业的转型升级，CIMS在我国得到了广泛应用，并逐步形成了产业化（规模、成熟、全面）。
  • [此处需结合PPT中邓小平同志的题词图片：“发展高科技 实现产业化”]

• CIMS的组成包含三个要素：

  • 人/机构、经营、技术。
  • （1）使用技术以支持经营；
  • （2）使用技术以支持人员工作和组织机构的运行；
  • （3）人/机构的设置支持经营活动；
  • （4）统一管理并实现经营、人员、技术的集成优化运行。

• CIMS的组成包括四大部分：

  • （1）经营管理子系统（例如ERP）；
  • （2）工程分析/设计子系统（例如PDM、CAPP）；
  • （3）制造子系统（例如CNC、AGV）；
  • （4）支持环境子系统（即数据管理/信息与通信子系统）。
  • [此处需结合PPT中的结构关系图理解：经营管理、工程分析/设计与制造三者之间通过支撑环境进行连接]

2 企业资源计划

• ERP的起源——订货点法：

  • 20世纪60年代制造业为了打破“发出订单，然后催办”的计划管理方式，设置了安全库存量，为需求与提前期提供缓冲，出现订货点法。
  • 公式：
  $$\mathrm{订}\mathrm{货}\mathrm{点}=\mathrm{单}\mathrm{位}\mathrm{时}\mathrm{区}\mathrm{的}\mathrm{需}\mathrm{求}\mathrm{量}\times \mathrm{订}\mathrm{货}\mathrm{提}\mathrm{前}\mathrm{期}+\mathrm{安}\mathrm{全}\mathrm{库}\mathrm{存}\mathrm{量}$$
  • [此处需结合PPT中的锯齿状库存变化图理解：当库存降至订货点时触发订货，在提前期内消耗库存至安全库存量时，新货到达]

• MRP（时断式MRP）：

  • 20世纪60年代后期（数据处理时代），企业的管理者们清楚地认识到，真正的需要是有效的订单交货日期（库存或提前期管理），产生了对物料清单的管理与利用，形成了物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）。
  • 与订货点法相比：
    • 考虑了相关需求，
    • 展开物料清单（Bill of Material，BOM），
    • 计算累计提前期（Cumulative Lead Time），
  • 增加了时间周期的划分。
  • （右图）60年代的电子管计算机
  • 思考： 为何此时的MRP是时断式？

• 物料清单（BOM）举例：

  • 复杂产品的BOM
  • 有成千上万个节点
  • 和十几层结构。
  • 人工管理很容易出错。
  • [此处需结合PPT中的自行车结构树状图理解：脚踏车 -> 车架/车轮 -> 细分部件]

• 累计提前期：

  • 完成某项活动的最长计划时间（关键路径）。
  • 累计提前期可以通过遍历该项物料的物料清单中各条路径来得到，即将各路径上所有低层项目提前期的最大累计值定义为该项物料的累计提前期。
  • 当时复杂的产品拥有数千个零件，MRP在计算累计提前期、辅助管理采购和生产方面起到了重要作用。
  • [此处需结合PPT中的节点时间计算图理解：A的累计提前期取决于其下属分支中最长的那一条路径]

• C-MRP（闭环MRP）：

  • 20世纪70年代（数据处理时代），MRP在计划执行过程中，加入了来自车间、供应商和计划人员的反馈信息，并利用这些信息进行计划的平衡调整。从而围绕着物料需求计划，使生产的全过程形成了一个统一的闭环MRP系统。
  • 与时断式MRP相比：
    • 增加了生产能力的反馈，
    • 形成闭环生产系统。
  • （右上图）70年代的晶体管计算机
  • （右下图）磁芯存储器
  • 计算机存储设备为闭环MRP的实现提供了技术基础。

• MRP II：

  • 20世纪80年代（信息技术时代），企业的管理者们又认识到制造业要有一个集成计划，综合管理各种制造资源（市场、资金、设备、人力、工具、库房等），而不仅仅是原料。于是制造资源计划（Manufacturing Resource Planning，MRP II）产生了。
  • 与闭环MRP相比：
    • MRPII功能更全面，制定计划所考虑的因素更多，
    • 主要增加了市场预测与财务/成本分析。
  • （下图） 80年代IBM推出的微机
  • 不再昂贵的价格让计算机得以大量应用。

• MRP III： MRP II 提出后一段时间，英国国际计算公司开发出一套改进的生产计划系统，称为第二代制造资源计划（记作MRP III）。除了包含MRP II 的内容之外，MRP III 还包含了准时制生产、并行工程和专家系统等一些先进管理思想和先进信息技术，但相对于MRP II 没有本质上的改变，因此这个概念并没有推广开来。

• ERP：

  • 20世纪90年代（网络时代），企业信息处理量不断加大，企业资源管理的复杂化也不断加大，信息的集成度要求扩大到企业的整个资源（客户关系、信息、文化等）的利用、管理，从而产生了新一代的管理理论与计算机系统。Gartner（高德纳）公司率先提出建立企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）。
  • 与MRP II 相比：
    • 狭义上的软件仍以MRP II 为核心，集成了更多内容。
    • 广义上的概念涵盖了企业所有应用的软件。

• ERP II：

  • 继ERP之后，2000年，Gartner公司又提出一个新的概念——ERP II （展望大数据时代）。
  • ERP II 与ERP相比：
    • 管理范围更加扩大（供应链管理），
    • 运用最先进的计算机技术（商务智能）。
  • 近年来，又有一些国内外公司跟风提出了ERP III，甚至ERP4、ERP5……其中提出的创新概念五花八门，但都没有推广起来。

• MRP - MRP II – ERP – ERP II 演进表

时期	系统/阶段	主要特征/功能
60、70年代	MPS，MRP，CRP	库存计划、物料信息集成 库存管理、工艺路线、工作中心、BOM
80年代	MRP II	销售管理、财务管理、成本管理 物流资金流、信息集成
90年代	ERP	多行业、多地区、多业务 供需链信息集成 法制条例控制、流程工业管理、运输/仓库/设备/质量/产品数据管理
21世纪	ERP II	协同商务 CRM/APS/BI、电子商务、Internet/Intranet

• [此处需结合PPT中的饼状图理解：2013年全球ERP软件市场份额，SAP占24%，Oracle占12%，用友占1%]

• ERP在中国：

  • （1）20世纪80年代初开始应用计算机，主要用于物料库存管理与生产计划，大多采用的是单机系统（相当于订货点法软件）。
  • （2）20世纪90年代以来，国家863高技术推广计划CIMS应用示范工程在很大程度上推动了我国制造业应用MRP II系统的进程。有覆盖十多个行业的200多家企业在实施CIMS应用示范工程。其中许多企业直接应用了MRP II，系统也多采用客户/服务器的网络结构（跳过了MRP阶段）。
  • （3）2000年左右，中国ERP市场呈现出以国外软件厂商为主导、国内软件企业纷纷参战的局面，市场繁荣而混乱。以SAP为龙头的外资ERP厂商拥有雄厚的资本和丰富的市场运作经验，其市场份额占比很高。
  • （4）2010年以后，越来越多的企业意识到ERP软件的适用性和售后服务的重要性，国产软件占领了越来越多的市场份额。龙头国产ERP逐渐占据大部分市场，小软件公司纷纷退出竞争。
  • [此处需结合PPT中的饼状图理解：2021年中国ERP软件行业市场竞争格局，用友40.00%，浪潮20.00%，金蝶18.00%，SAP 14.00%]

• 问题： ERP能够帮助企业做什么？

• 回答： 很多事情，多层次、多角度。

• 以饭店业务举例，销售人员的三个层次——

  • 第一层次，
    • 熟悉产品，
    • 这是基础要求。
    • 有的产品完全熟悉并不容易。

• ERP功能的第一层次：

  • 电子数据处理系统（electronic data processing system，EDPS），
  • 也称为办公自动化系统（Office Automation，OA）。
  • 使用计算机部分代替手工劳动，
  • 提高基本业务的处理速度。
  • 举例： PDA点菜系统。
  • 信息系统降低了基础业务的学习难度，提高了效率和质量。

• 销售人员的第二层次：

  • 协调生产。
  • 高级销售人员会综合客户、企业信息，做出决策。

• ERP功能的第二层次：

  • 管理信息系统（management information system，MIS）
  • 集成各种信息，
  • 进行综合处理。
  • 举例： 某饭店管理信息系统。
  • 信息的集成支持了多种管理工作。

• 销售人员的第三层次——

  • 客户顾问，老板顾问。
  • 最高级的销售人才也是行业专家。

• ERP功能的第三层次：

  • 决策支持系统（decision support system，DSS）
  • 能够进行
    • 数据挖掘，提供人工难以直接获取的决策信息；
    • 优化计算，从海量方案中找出较优的决策方案。
  • 这些需要大量应用先进计算技术。

• 数据挖掘经典案例——“尿布与啤酒” 现象：

  • 为了能够准确了解顾客在其门店的购买习惯，沃尔玛对其顾客的购物行为进行购物篮分析，想知道顾客经常一起购买的商品有哪些。
  • 于是沃尔玛委托软件公司Teradate（天睿）进行分析。
  • 一个意外的发现是“跟尿布一起购买最多的商品竟是啤酒”！产生这一现象的原因是：美国的太太们常叮嘱她们的丈夫下班后为小孩买尿布，而丈夫们在买尿布后又随手带回了他们喜欢的啤酒。
  • 数据挖掘发现了隐藏的有价值的信息（思考：沃尔玛超市应如何利用这个信息？）。

• 搭售案例：

  • 啤酒与小吃。
  • 通过改变商品的摆放位置提醒顾客购买常一起买的商品，从而增加销量。
  • 但超市的布局受到物理条件的太多限制，影响了这种方法的广泛应用。

• 搭售案例：

  • 图书推荐系统。
  • 最适合应用搭售分析结果的还是电子商城中的个性化推荐系统。

• 总结， ERP功能的三个层次：

  • 第一层次：电子数据处理系统（EDPS），
    • 也常称为办公自动化系统（OA），
    • 基层业务人员使用。
    • 例如：服务员的点菜工作。
  • 第二层次：管理信息系统（MIS），
    • 中层管理人员使用。
    • 例如：领班的协调上菜工作。
  • 第三层次：决策支持系统（DSS），
    • 高层管理人员使用。
    • 例如：店长的调整菜谱与店面布局工作。

3 制造执行系统

• 制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES），有的文献也翻译成生产实施系统。

  • 它是面向车间的生产过程管理与实时信息系统。
  • 它主要解决车间生产任务的执行问题。

• MES的发展历程：

  • 20世纪80年代末，美国先进制造研究机构（AMT）首先提出MES的概念；
  • 1992年，美国成立以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会——MES国际联合会（MESA International）；
  • 1997年，MESA发布修订后的6个关于MES的白皮书，对MES的定义与功能、MES与相关系统间的数据流程、应用MES的效益、MES软件评估与选择以及MES发展趋势等问题进行了详尽的阐述；
  • 1999年，美国国家标准与技术研究所（NIST）在MESA白皮书的基础上，发布有关MES模型的报告，将MES有关概念标准化。

• MES产生的背景：

  • （1）车间层生产管理系统本身发展的需要。
    • 在MES出现之前, 车间生产管理依赖若干独立的单一功能软件。例如车间作业计划系统、工序调度、工时管理、设备管理、库存控制、质量管理等软件来完成。
    • 这些软件之间缺乏有效的集成与数据共享，难以达到车间生产过程的总体优化。
    • 为了提高车间生产过程管理的自动化与智能化水平，必须对车间生产过程进行集成化管理，实现信息集成与共享。
  • （2）MRP II /ERP进一步发展的需要。
    • MRP II /ERP强调企业的计划性，好的计划应该建立在实时、准确、全面信息的基础之上。
    • MRP II /ERP无法及时获取车间生产现场的实时信息，造成“生产计划”与“生产信息”不同步，使得计划的合理性大打折扣。
    • 因此，必须把“生产”与“计划”实时关联起来。但MRP II /ERP本身无法直接与生产现场的控制层相联系（企业层与车间层集成），作为连接两者的桥梁，MES应运而生。

• MES填补了计划与控制之间的鸿沟：

  • MES完善了CIMS的三层控制结构：
  • [此处需结合PPT中的金字塔图理解：上层ERP(计划层)，中层MES(执行层)，下层控制/设备层]
  • DNC: Distributed Numerical Control，分布式数控；
  • MDC：Manufacturing Data Collection & Status Management，制造数据采集与状态管理。

• MES产生的背景：

  • （3）其它先进制造与管理模式发展的需要。
    • 精益生产：对生产现场实施“零库存”控制的需求；
    • 柔性制造系统：动态任务分配、动态工艺路线和物流路线。
    • 计算机集成制造系统：对车间层制造过程及管理自动化以及与其它分系统集成的需求。
  • （4）相关技术的发展为MES提供了技术支撑。
    • 计算机网络、数据库及计算机软件技术：大型分布式数据库、分布式对象计算、软总线及组件技术等；
    • 自动控制与传感检测技术：智能仪表、数字传感器、网络数控技术等；
    • 计算机辅助生产管理技术：生产计划与控制、设备管理、工具管理、质量管理与控制、过程管理及工作流技术等。

• MES的功能（参考）：

  • [此处需结合PPT中的八边形功能图理解：包含资源配置和状态跟踪、生产计划和调度、工序/细节调度、文档控制、产品跟踪和记录、性能分析、人力资源管理、维护管理、过程管理、质量管理、数据采集和获取]
  • 随着研究和应用的深入，MES的功能还在不断地扩充。

4 “互联网+”

• 通俗来说，“互联网+”就是“互联网+各个传统行业”。

• 例如：

  • “互联网+工业”、“互联网+销售”、“互联网+金融”、“互联网+医疗”、 “互联网+交通” 等等。
  • [此处需结合PPT中的“互联网+”树形示意图理解]

• “互联网+”的提出与发展：

  • 2012年11月，易观国际董事长兼CEO于扬首次提出“互联网+”理念。他认为在未来，“互联网+”公式应该是我们所在的行业的产品和服务，在与我们未来看到的多屏全网跨平台用户场景结合之后产生的这样一种化学公式。
  • 2015年3月，全国两会上，全国人大代表马化腾提交了《关于以“互联网+”为驱动，推进我国经济社会创新发展的建议》的议案。
  • 2015年3月5日，李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划。
  • 2015年7月4日，经李克强总理签批，国务院日前印发《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》。
  • 2015年12月16日，第二届世界互联网大会在浙江乌镇开幕。在举行“互联网+”的论坛上，中国互联网发展基金会联合百度、阿里巴巴、腾讯共同发起倡议，成立“中国互联网+联盟”。

• “互联网+”的提出与发展：

  • “互联网+某行业”不是指两者简单的相加，而是指通过以互联网为代表的信息技术（包含大数据、云计算、人工智能等）改变并提升传统行业的运作形式，获取更大的效益。
  • 2015年，国务院印发《促进大数据发展行动纲要》，全面部署大数据发展工作。之后业内出现了“大数据+”的概念。这是实现“互联网+”深度应用的重要手段。
  • 2017年，政府工作报告中出现了“人工智能+”，同时强调要推动大数据等与实体经济深度融合，进一步推进了互联网+”的深度应用。

• “互联网+”与创业：

  • “互联网+”极大地促进了新行业的产生，
  • 其本质在于提供了换渠道功能。
  • 例如主要销售渠道的转变：
    • 上世纪70年代——产品（卖方市场）；
    • 上世纪80年代——渠道（传统的商业合作）；
    • 上世纪90年代——定位（个性化、传统媒体）；
    • 本世纪00年代——口碑（网络媒体）；
    • 本世纪10年代——强用户关系（微商）；
    • 本世纪20年代——强用户关系（直播带货）；
    • 未来——AI？。
  • 新渠道优于传统渠道，所以替换了传统渠道。

• “互联网+”与销售：

  • 传统上，商店是商品与用户之间的渠道。
  • 天猫（店铺）、京东（一站式）、拼多多（团购）、
  • 美团（服务）、苏宁易购（电器）、
  • 聚美（海外代购、保税仓）、唯品会（特卖）、
  • 网易严选（精选）、云集（会员）、小红书（社区）
  • 等电商模式不仅取代还扩充了传统销售渠道。
  • [此处需结合PPT中的超市货架与键盘购物车的对比图片理解]

• “互联网+”与金融：

  • 传统上，银行是资金与用户之间的渠道。
  • 扫码支付（取代货币）、
  • “余额宝”（取代传统的存款、理财）、
  • “花呗”、“京东白条”（取代信用卡）
  • 凭借方便快捷取代了银行的很多功能。
  • [此处需结合PPT中的“余额宝PK银行”及“拿去花”的漫画图片理解]

• “互联网+”与交通：

  • 出租车公司是出租车与用户之间的传统渠道；
  • Uber、滴滴、快滴的出现促进了“专车”、“快车”和“顺风车”等新业务的发展，以方便、低成本等优点对传统的出租车行业带来了一定的冲击。
  • 与之类似，“共享自行车”业务也冲击了传统自行车行业；“共享汽车”、“共享电瓶车”业务也在尝试开展。
  • [此处需结合PPT中的Uber和滴滴打车应用截图理解]

• 相关现象——“共享”模式飞速发展：

  • 目前国内已出现（物品类）共享单车、共享汽车、共享电瓶车、共享充电宝、共享玩具、共享雨伞、共享马扎、（空间类）共享车位、共享办公室、共享健身房、共享厨房、共享房间、共享床铺、共享狗窝、（服务类）共享金融、共享美食、共享医疗、共享教育、共享任务等千奇百怪的模式。
  • [此处需结合PPT中的共享电动汽车和共享马扎的图片理解]
  • 思考： 共享经济的优势是什么？

• 网络众包+工业

  • ——锤子科技发展历史：
    • 2011年底，创作者被邀参观小米科技，萌生做手机的想法；
    • 2012年5月28日，锤子科技正式成立，注册资本310万；
    • 2013年3月27日晚，创作者在北京发布了锤子ROM；
    • 2014年5月20日，首款“锤子”手机正式发布，取名为“锤子 T1”；
    • 2014年7月8日，第一批客户收到了锤子手机。
  • 互联网使得创业周期和难度大大缩减。
  • [此处需结合PPT中的罗永浩和锤子手机图片理解]

• 相关理论——长尾理论（the long tail）：

  • 是网络时代兴起的一种新理论，由美国人克里斯·安德森于2004年提出。
  • 成功案例： Amazon、Google。
  • [此处需结合PPT中的长尾理论模型图理解，图中展示了收益与主要部分、长尾部分的关系]

• “互联网+”与创业：

  • 新渠道的出现使以前许多无渠道的生意火了起来；一些针对小众、细致定位的需求被挖掘出来。
  • 案例： 老人吃药提醒器；
  • 案例： 偏心伞；
  • 案例： 远程控制门锁；
  • 案例： 刷步器。
  • [此处需结合PPT中的产品图片理解]

• “互联网+”与创业：

  • 创新的不仅是产品，也可以是服务。
    • 案例： 异性叫醒服务；
    • 案例： 文具控图片分享社区。
  • 服务这种商品更容易特色化，也更依赖渠道。
  • [此处需结合PPT中的相关漫画和收纳格图片理解]

• “互联网+”与医疗：

  • 医院是医生与患者之间的传统渠道；
  • 远程医疗、网上诊疗、网上药店开始逐步应用。
  • 注意： 新渠道不一定能够完全取代传统渠道。
  • [此处需结合PPT中的远程医疗场景和漫画图片理解]

5 其它相关理论与方法

• 除了上述计算机集成制造系统及其相关概念外，还存在许多从集成角度提高系统性能的先进理论与方法，包括
  • 强调企业内部协同的 （1）产品全生命周期管理、（2）并行工程；
  • 强调跨企业协作的 （3）协同制造、（4）全球制造系统、（5）企业动态联盟、（6）虚拟制造系统、（7）敏捷制造系统、（8）网络化制造、（9）分布式制造系统、（10）云制造系统；
  • 以及综合的 （11）面向21世纪的制造系统。

（1）产品全生命周期管理 (Product Life Cycle Management, PLM)

• 传统的市场营销学定义的产品生命周期为：导入、成长、成熟、衰退，这个已经不能概括产品生命周期的全过程。现在我们把这个四个阶段定义为：产品市场生命周期。

• 产品全生命周期管理则包含产品战略、产品市场、产品需求、产品规划、产品开发、产品上市、产品市场生命周期管理7个部分。为了与传统的产品生命周期的概念区分，因此称为产品的全生命周期。

• 进一步还有针对制造企业产品的全生命周期定义：[此处需结合PPT中的全生命周期管理流程图理解]

• 引入产品全生命周期管理的核心意义在于通过考察产品产生到消亡的全部阶段，更好地定义产品，并以此为基础更好地设计产品，让产品获得持续的市场生命力。

• 由此，出现了产品全生命周期设计（Life Cycle Design，LCD）、全生命周期成本核算（Life Cycle Cost，LCC）、全生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）和全生命周期仿真（Life Cycle Simulation，LCS）等相关概念，主要应用领域为产品的设计阶段。

• 而目前的全生命周期管理软件（通常简称为PLM软件）的主要功能类似于产品数据管理（PDM）的扩展版，集成了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）等设计工具，并支持新产品数据向生产的快速导入。

• 产品全生命周期设计（LCD）比起传统设计方法，更多地考虑产品的长期使用性能、制造成本等因素，目前其考虑最多的问题就是生态与环保问题，故有的文献将之称为生态设计（eco-design）。

• 案例： 啤酒产品的全生命周期设计不仅仅涉及啤酒酿造工艺和酿造设备的设计，还涉及啤酒的包装问题。

• 在瓶装啤酒中，包括啤酒瓶、瓶盖、标签等的设计，都需要考虑其安全性和环保性。

• [此处需结合PPT中的啤酒瓶图片理解]

• 案例，啤酒产品的全生命周期设计：

  • 啤酒瓶是灌装含气液体并多次重复使用的包装容器，应具备足够的坚固性，同时又要减小质量、易于清洗；
  • 瓶盖直接与啤酒接触，瓶盖材料和垫片材料应无毒性，并能保证在保质期内有足够的密封性能；
  • 标签纸要有足够的牢度，以免在运输过程中脱落，印制图案的油墨应不含毒性。
  • 显然，有关啤酒瓶、瓶盖、标签纸、印制油墨、黏结剂等问题都不是啤酒工艺设计师的擅长。

• 多学科的合作设计，可以从一开始就仔细谋划设计的各个方面，集思广益，做出最佳的选择。这样不但可以增加产品成功开发的机会，而且可以缩短设计周期。

（2）并行工程（Concurrent Engineering，CE）

• 源于并行设计方法：

  • 最早出现于产品设计领域；
  • 后来扩展到整个制造过程。

• [此处需结合PPT中的图1传统的“抛过墙”工作模式与图2并行工作模式的对比图理解]

• 并行设计（concurrent design）的相关研究很多，先后出现了一些不同的提法，例如同时工程（simultaneous engineering）和协同设计（co-design）等。

• 直到上世纪80年代中期，美国国防分析研究所（IDA）的R. I. Winner提出的研究报告给出了并行工程（Concurrent Engineering，CE）的定义：

  • 并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程及其支持过程）技能型并行、一体化设计的一种系统化的工作方式，这种工作模式力图使开发者从一开始就要考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户需求。

• 并行工程的概念才明确形成。

• 目前，并行工程的目的不仅是缩短产品设计时间，

  • 更重要的是融入了产品全生命周期设计思想，在产品的设计过程中考虑其它相关过程，包括加工工艺、装配、检验、质量保证、销售和维护等。通过系统考虑提高了产品质量，降低成本，并且更注重用户的需求。

• 根据上述思想，并行工程提出一些新的设计方法：

  • 例如面向制造的设计（Design for Manufacturing, DFM）、面向装配的设计（Design for Assembly, DFA）、面向成本的设计（Design for Cost, DFC） 、面向质量的设计（Design for Quality, DFQ）、面向环境的设计（Design for Environment, DFE）、面向拆卸的设计（Design for Disassembly, DFD）和面向回收的设计（Design for Recovering and Recycling, DFR）等等，这些统称为DFX技术，是并行工程的主要手段。

• 目前，并行工程体系的主要思想包括：

• <1>在设计阶段考虑产品全生命周期中的所有方面。

  • 将原本串行的工作在设计之初就并行开展，在某方面设计的初始阶段就能参考其它方面已获得的信息，避免因考虑不周全导致产品设计出现缺陷。
  • 这些需要考虑的设计方面包括：美学、耐用性、人机工程学、互换性、维修性、营销性、可制造性、可获得性、可靠性、可再制造性、安全性、进程计划性、可服务性、简单性、可测试性、可传送性、设备支持、人力支持、财力支持、与其它加工任务的冲突避免等。

• <2>重视客户的需求。

  • 传统上客户只能在设计初期提出需求，后面的阶段不再征求客户的意见；这种做法经常导致成品与客户需求相距甚远，导致频繁出现设计变更，带来大量损失。
  • 并行工程带来的另一个好处是开发设计与需求调研并行。这样，用户可以在产品的整个设计阶段参与产品的改进工作，这对于最终产品能够最大限度地满足用户需求具有非常重要的意义。
  • 快速成型技术（例如3D打印机）对上述工作的开展提供了有力的支持。

• <3>强调人们协同工作。

  • 强调在整个产品生命周期中各部分的工作要在进行过程中及时沟通，相互协商解决问题。
  • 在产品并行设计与开发过程中，矛盾与冲突的解决、问题的处理，要通过多功能工作小组之中的人们相互之间的协同来实现（参考波音公司的精益生产中提到的集成产品团队）。
  • 目前，对设计阶段的协同方法的研究比较多，主要从流程（项目管理）、协作（技术平台）和管理（数据管理）三个方面入手，统称为协同设计（co-design）。

• 协同设计案例：

  • 电子产品开发系统Altium Designer 6.0提供了现场可编程门阵列（FPGA）与印制电路板（PCB）的协同设计能力。
  • [此处需结合PPT中的软件界面操作图片理解]

• 案例——波音公司实施并行工程的效果：

  • <1>产品设计及其有关过程的并行进行，使产品开发周期减少20％～60％。波音777客机的研发采用并行工程,时间为4年半，比767客机缩短了一年。
  • <2>多功能工作小组（波音公司称为集成产品团队）一体化进行产品及其相关过程的设计，使制造成本降低30％～40％。1997年与波音公司合并的麦道公司的MD-11飞机采用并行工程的相关技术，全机零件减少了1473种，重量减少了432公斤，装配工时减少了3110小时。
  • <3>产品及有关过程的并行优化使产品报废减少75％。
  • <4>设计质量改进，使早期生产中工程变更的次数减少一半以上。
  • 除了波音公司，美国建筑公司John Deere应用并行工程后，开发新建筑的成本和时间分别下降了30%和60%。福特（Ford）、施乐（Xerox）、摩托罗拉（Motorola）、IBM和美国电话电报（AT&T）等公司也有应用并行工程的成功案例。

（3）协同制造 (Collaborative Production Commerce)

• 指充分利用网络技术、信息技术，将串行工作变为并行工程，实现供应链内及跨供应链间的企业产品设计、制造、管理和商务等的合作的生产模式，最终通过改变业务经营模式与方式达到资源最充分利用的目的。

• 协同制造包含三个层次：

  • 各个制造单元的协同（车间级）；
  • 企业内各个车间的协同（企业级）；
  • 基于供应链的协同（跨企业）。

• 当前的研究重点在跨企业级。

• 协同制造产生的背景：

  • 随着产品和制造过程复杂度的提高，单个企业越来越难以承受新产品开发和制造所需要的庞大的知识、技能和设备，仅靠单个企业的自身力量越来越难对付瞬息万变的全球市场。
  • 面对这种新形势，传统“大而全”、“小而全”的企业模式遇到了巨大的挑战。
  • 随着一个个封闭市场的开放、国际贸易集团力量的加强以及通信和交通的迅速发展，全球制造业的集成已成为不可避免的趋势。

• 协同制造参考案例：

  • 一架波音747飞机有450万个部件，
  • 来自近10个国家的1000多家企业的1.5万多家工厂共同参与了飞机的制造。
  • [此处需结合PPT中的波音飞机制造车间图片理解]

• 协同制造的核心思想：

  • 抓着本企业的优势所在，将优势工作放在本企业，其它工作寻找成本低廉的合作（举例：NIKE公司）。
  • [此处需结合PPT中的开发设计、制造、市场销售的流程及利润分配图理解]
  • 图示含义：开发设计(A)与市场销售(C)的利润总和大于70% ($A+C>70\mathrm{\%}$)，而制造(B)环节利润较低。

• 协同的对象包括：

  • <1>上游供应商;
  • <2>下游客户;
  • <3>其他合作伙伴;
  • <4>竞争对手。
  • 相关概念：横向价值链；
  • 相关方法：博弈论，参考“跨企业制造系统”章节。

• 协同的内容包括：

  • <1>面向产品结构的分解和合作，即将产品分为许多零部件，分工协作；
  • <2>面向产品价值链的分解和合作，即按产品设计、制造、装配、销售、维护等各环节进行分工协作；
  • <3>基于共同利益的合作，如资源共享、市场共享等（案例：美团与用户点评网合作）。

• 企业协同制造的发展趋势：

  • <1>一些企业朝紧密型（企业化）方向发展。
    • 这方面的典型例子是跨国公司和跨国集团。
    • 根据联合国的《1997年投资报告》的统计全球最大的100个经济体中，巨型跨国公司占51个，只有49个为国家经济体。
  • <2>另一些企业朝松散型（市场化）方向发展。
    • 主要表现为
      • 一是中小企业大量涌现；
      • 二是大公司正在纷纷地把各部门改组为更小、更有自主权的利润中心，如事业部。

（4）全球制造系统（Globe Manufacturing System，GMC）

• 广义上指在世界范围内实现跨企业协同制造的一种概念，体现了集成制造的思想，也包含了柔性和敏捷化制造的思想。
• 狭义上指通用汽车（GM）于1996年提出的一种先进制造模式，为了与广义上的概念区分，也记作GM-GMC。
  • GM-GMC是精益生产在通用汽车的应用与改进，在1998年合并入通用汽车新提出的竞争制造系统之中。

（5）企业动态联盟（Dynamic Alliance of Enterprises）

• 当市场出现新机遇时，具有不同资源与优势的企业为了共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的、建立在信息网络基础上的共享技术与信息，分担费用，联合开发的、互利的企业联盟体。
• 企业动态联盟也称为动态组织联盟或者虚拟企业（Virtual Organization），是一种跨企业制造系统的组织策略（参考“可重构制造系统”章节）。

（6）虚拟制造系统（Virtual Manufacturing System）

• 此名词存在两个含义：

  • 其一等同于虚拟企业、企业动态联盟的概念（参考前面“可重构制造系统” 章节）。
  • 其二指利用虚拟现实技术建立产品模型、设备模型或车间模型，辅助解决实际生产中设计与管理问题。目的主要在于缩短产品的研发周期，降低研发成本，增强新产品的市场竞争力。

• 虚拟现实技术的应用案例：

  • 传统客机研发都需要制造金属样机进行装配实验。
  • 1994年，波音777首次采用计算机虚拟模型进行装配测试，节约了成本，极大缩短了研发时间。
  • 相关概念后来发展成数字孪生，在工业5.0体系中受到格外重视。
  • [此处需结合PPT中的波音777虚拟模型及发动机数字模型图片理解]

• 增强现实装备可以方便地在虚拟产品模型中观察结构和模拟操作，高效地辅助分析问题。

• [此处需结合PPT中的VR/AR设备操作机械臂的图片理解]

（7）敏捷制造系统（Agile Manufacturing System, AMS）

• 1991年，在美国国防部的资助下，美国通用汽车公司（GM）和里海（Lehigh）大学的雅柯卡（Iacocca）研究所组织了百余家公司，由通用汽车公司、波音公司、IBM、德州仪器公司、AT&T、摩托罗拉等15家著名大公司和国防部代表共20人组成了核心研究队伍，开展面向21世纪制造业的制造模式研究计划。

• 1994年，研究团队提出了《21世纪制造企业战略》，其中出现了敏捷制造（agile manufacturing, AM）的概念。

• 上述定义的敏捷制造强调多个企业快速集成为一个大的制造系统，与精益生产强调的敏捷性（一个企业针对市场快速调整产品）含义不同。

• 敏捷制造系统的核心思想：

  • 提高企业对市场变化的快速反应能力，满足顾客的要求，除了充分利用企业内部资源外，还可以充分利用其它企业乃至社会的资源来组织生产。

• 该模式的重点放在利用企业的外部资源上，

  • 因此，其概念与
    • 企业动态联盟、
    • 虚拟企业
  • 非常类似。
  • 同时还特别强调了网络制造集成平台的应用。
  • [此处需结合PPT中的网络结构示意图理解]

• 敏捷制造系统的结构示意图

  • [此处需结合PPT中的示意图理解，图中展示了总公司、Internet、供应商SCM、国内外OEM客户、WEB服务器、MES服务器、MES软件平台、MES硬件平台、LAN（工厂）、设备管理、现场数据采集、过程监控管理、DB服务器以及各个MES应用模块（生产文档质量管理、产品跟踪记录、车间作业计划管理、绩效分析）]

（8）网络化制造系统（Network Manufacturing System）

• 网络化制造系统是指企业在网络化制造模式的指导思想、相关理论和方法的指导下，在网络化制造集成平台和软件工具的支持下，结合企业具体的业务需求，设计实施的基于网络的制造系统。

• 上述定义包含了两层要求：

  • 一是企业的组织结构为网络化的组织结构；
  • 二是应用网络制造集成平台。
  • [此处需结合PPT中的网络化系统拓扑图理解]

• 网络化制造系统涉及范围较广，与其说是一种制造模式，不如说是一种制造思想。

• 政府提供制造信息服务平台举例：

  • 美国企业网（Factory American Net）已经在美国政府资助的“制造系统的敏捷基础设施”项目中得到实施。
  • 德国Produktion2000框架方案旨在建立一个全球化的产品设计与制造资源信息服务网。
  • 欧盟“第六框架计划”的一个主要目标是研究利用Internet技术改善联盟内各个分散实体之间的集成和协作机制。

• 企业联合开发制造管理网络平台举例：

  • 波音在设计波音787客机中，通过全球协同网络环境，采用这一最先进的网络协同方式。
  • 空客公司于2004年组织欧洲多个国家的63个公司参加了VIVACE（Value Improvement Through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise）系统研究项目，经历了4年时间，构建了多学科协同研制的系统框架。
  • 2000年2月，通用汽车公司、福特汽车和戴姆勒-克莱斯勒、雷诺-日产公司终止各自的零部件采购计划，转向共同建立零部件采购的电子商务市场，实现采购环节的动态联盟(企业级团购)。

（9）分布式制造系统（Distributed Manufacturing System）

• 分布式系统原为地理学中的概念，指多个系统的集合，其中亚系统平行地相互作用。

• 近年来，被引入计算机学科，指建立在网络之上具有高度的内聚性和透明性的软件系统。

• 例如：Web（WWW、万维网）是架构在多台遵循统一协议（内聚性）服务器系统上，但对用户而言就像一个文档一样（透明性）。

• [此处需结合PPT中的Web与地球、齿轮的图片理解]

• 分布式制造的概念与分布式计算类似，

  • 是将一种产品制造所需要的资源分解成若干部分，由若干个地理位置不在一起的部门协同完成。
  • 研究的重点在于整个系统的信息管理与协调控制上。

• 分布式制造系统主要有两个层次：

  • 一是在企业级，销售、设计与制造部门地理位置分离，靠网络实现信息的沟通。
    • 例如小米手机总部和设计部门在北京，制造工厂在北京、南京和东莞，全世界多个国家有销售部门。
  • 二是在跨企业级，由多家企业共同实现大型产品的制造。
    • 例如波音飞机的零件来自来自10个国家的1000家企业的1.5万家工厂。

（10）云制造系统（Cloud Manufacturing System）

• 云制造是为了降低制造资源的浪费，借用云计算（Cloud Computing）的思想，利用信息技术实现制造资源的高度共享，建立共享制造资源的公共服务平台。

• 企业用户无需再投入高昂的成本购买加工设备等资源，通过公共平台来购买租赁制造能力。

• 云制造的主要研究领域在跨企业级。

• 云制造的思想借鉴了云计算（cloud computing）技术的思想。

• 云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。

• 云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。

• [此处需结合PPT中Internet云状拓扑图理解]

• 云制造思想的示意图：

  • 制造云、制造能力、制造资源、全生命周期制造应用、调用、聚合。

• 云制造案例——3D打印农场

  • 小型农场主在家中组建20-50台打印机的农场，将打印作为兼职工作；
  • 大型农场主则拥有500-1000台甚至更多的打印机，形成了规模化的生产，并建立了完整的销售团队和销售渠道。
  • 接到大订单时，大农场主会联系多个小型农场主共同生产。
  • 网红产品“胡萝卜刀”就是这样快速大量地出现在市场上的。
  • [此处需结合PPT中的胡萝卜刀和3D打印场景图片理解]

（11）面向21世纪的制造模式

• 即近未来的制造模式。
• 这是一个覆盖范围很广的概念：
  • 基本包含了上述所有制造模式的思想，并需要结合现代制造的特点（高效、柔性和集成）继续完善和改进。
• 类似概念：
  • 下一代制造系统（Next Generation Manufacturing System，NGMS）。
  • [此处需结合PPT中的未来城市概念图理解]

本章总结——集成制造类方法的发展趋势：

• 1、纵向集成深化
  • 利用ERP、MES和工业互联网追踪产品全生命周期，提高生产效率和质量。
• 2、横向集成拓展
  • 更加重视跨企业级的供应链、产业链集成；跨行业融合加速（例如服务型制造）。
• 3、技术融合加深
  • 当前主要是人工智能、物联网、大数据、云计算、区块链等新一代信息技术（IT）与制造融合，带来新的生产模式、商业模式和服务模式。

先进制造模式总结：

• “时势造英雄”，尽管先进制造理论众多，但谁能适应时代潮流，最终“一统江湖”，还需时间检验。
  • 作为学习者，关键在于弄清所处时代的主要问题，理解先进制造理论中解决问题的思想，才能灵活选用，永不过时。
• 历史借鉴：
  • 先秦诸子百家，只有儒家、道家、法家、墨家、名家、阴阳家、杂家、农家、纵横家、小说家十家后世留名，儒家一家独大。
  • [此处需结合PPT中的诸子百家人物图片理解]