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制造及其系统的创新与管理的发展
2006年7月27日 14:13  来源:CIMS论坛

    摘要:从制造业面临的形势分析出发,介绍了先进制造战略、技术、制造系统与系统管理的最新研究成果。并指出在建立现代企业制度中,制造战略、产品开发、质量保证和优化动作是3个增强竞争力的基本技术。
    关键词:创新;制造;战略;系统;管理

    一、形势与制造战略

    在当代制造业的发展中,同时存在两大趋势:一方面是制造业面临重重困难;另一方面制造创新活动方兴未艾,孕育着重大突破[1~3]。从困难方面讲,主要存在四大问题[1]:一是产品的饱和和劣化,不少产品,如家电、汽车、钢铁等供大于求,部分生产能力闲置,如日本工厂的生产能力利用率只有74%;二是工业空洞(Industrial Hollowness)现象推动着制造产业的转移,一些行业被迫从发达国家向发展中国家转移。例如,1993年日本的制造业中海外制造生产的彩电为74%,微波炉为64%,收录机为50%;三是职业吸引力迅速降低。如日本年轻一代称制造为“3K”(脏、苦、危险)职业,优秀的工程师与生产一线工人后继乏人,将难于支撑一线生产;四是环境恶化到危及人类生存,资源的不合理使用,威胁着人类的发展。今天的能源消耗是1990年的6倍,自然资源拥有量可用时间大大缩短,如天然气和石油仅可用50年,铀可用75年,煤可用200年。灾害增多,环境污染到了非治理不可的程度。从另一方面讲,制造正在从创新中走向光明的未来。从1988年开始,经10年实践证明了以灵捷制造(Agile Manufacturing)为代表的制造的生产与管理战略创新的正确性。从90年代以来针对产品开发、质量控制与保证和生产一线的革新,以制造创新的科学理论、方法和工具支持的产品抗劣化和新兴产业的出现;以质量工程等技术为支撑的全制造保证(Total Mfg.Assurance)和基于约束理论(TOC)的最优化生产技术与系统,以及一线生产组织管理与技术的现代化与强化使企业可能扭转劣化趋势。同时,基于现代物理、化学与生物学成果的重大制造方法、技术、系统的创新,将创新从18世纪工业革命以来的世界记录。“珍惜改革开放20年,为我国制造业的发展争得历史性的机遇与发展时间”这是海内外学者、专家和教授的共同心声。纵观古今中外的制造历史,一个先进而有竞争力的制造业是国家经济发展和实力增强的基础。我们应尽快统一认识,制定先进可行的规划,以制造创新为突破口,振兴与发展我国的制造业。以下结合我们的研究进行相关的讨论。
    1. 灵捷制造——先进制造的核心战略及其发展
    虽然灵捷制造战略已为我国越来越多的人了解,但由于对其核心思想的理解不一,尚未形成共识,使工业界,经济与管理界及企业对它的利用举棋不定。多年的研究使我们对该战略的研究集中于2点:
    1)美国的意图是到2006年为止,它的侧重面是通过组织与管理的革新和已有先进技术的应用实现制造模式从“大量生产”向“多品种变批量”的灵捷化生产模式转变。在2006年以后,把它建立在创新了的产品系统与装备基础上,发展适应21世纪的新产品制造。为此现在要加紧制造创新。
    2)灵捷制造的核心思想是:以人为中心,调动与发挥人的主观能动性与创新性;充分利用信息和已有的信息技术;建立竞争——合作机制推动的Team组织与管理网络;对需求变化实现快速反应制造;坚持可持续发展的不断改进和创新[2~6]
    现在的问题是对灵捷制造揭示的共性问题认识不足,传统制造模式的惯性运动依然强烈,如对表1所示的美国制造生产规模的演变不了解,依然按照传统的观念行事。又如,一谈到制造,不少人只一味热衷于规模生产,而不顾顾客市场的需求,丢开产品劣化控制的创新,因此不能从本质上抓住我国当代制造的关键。如美国在近20年(1976~1995年),其新产品产值贡献率已达到国内生产总值的52%左右,而我国1997年才5.9%。显然产品的革新是中国制造工业振兴与发展的重大关键和当务之急。

表1 美国主要生产模式的演变[2~10]

时期

过去
(到80年代)

现在
(90年代~2006年)

将来
(2006年以后)

模式

大量生产,丰田生产方式(JIT)或精益生产(LP)

灵捷制造(AM)

高级灵捷制造,即新一代制造(NGM)

    为了发展新一代制造(NGM),从90年代中以后,美国政府与工业界联合投资了许多制造创新项目:

    总经费亿美元的项目,如:

    ATP(1995~2004年)(US$120M)

    由于实施灵捷制造战略,促使美国经济从90年代起呈现“赤字—平衡—节余”的变化。
    2. 基于灵捷性的制造创新

    从世界范围看,它们主要表现在:①产品设计、制造原理与方法创新的科学理论、方法与工具;②快速反应制造技术;③全寿命经济学与成本工程;④新一代制造机器与工模具的创新;⑤可重组制造系统的创新;⑥质量控制与全制造保证;⑦组织与管理的创新;⑧最优生产技术。

    而这些创新中,观念的创新是先导,如TCS观念的建立与落实。其次,是看准项目,集中人力物力进行创新。
    3. 经济可承受性研究
    防务战略的转变和投资的矛盾,促使决策层提出这一问题。我们对它进行了定性、定量的研究和应用,它是对价值工程的拓展。
    1)西方各国已采取的提高经济可承受性的措施:
      对国防工业进行战略改组,建立军民一体化的国防工业基础;
      改革国防采办管理,提高采办效益;
      优化发展战略,开发降低成本的技术,大力采用降低费用的方法。
    2)国内研究经济可承受性的贡献。
    全面定义了经济可承受性。经济可承受性是通过各相关领域的规划与协同,对研究对象的投资与效益、功能与成本费用进行系统分析、规划、改进、创新,旨在提高研究对象价值和投资效能及控制投资的思想方法和社会技术方法。

        A=IV

(1)

        I=B/K

(2)

        V=F/C

(3)

    式中:A—经济可承受性;I—项目投资/经费;V—价值;B—投资的效益/收益;K—投资效益系数,K为实数,希望K>1;F—产品/装备功能/性能;C—成本。从这一定义与模型可知:
    ①经济承受能力不是常数,它与投资和价值相关联,是可变的。
    ②可以从投资效益,投资效益系数,功能和实现功能的成本几方面发挥主动性和创造性提高A。它将推动宏/微观投资决策和DFX技术的发展。
    ③投资的决策和经费的应用是一个复杂的问题,只有通过投资和价值分析,科学地规划、设计、实施、评价、改进和优化的一系列工业工程方法,才能用好管好投资,促进技术创新。
    3)在科研管理中的决策与评价的应用。
    经济可承受性已应用于项目决策的研究中,例如,在X项目决策中应用后,该项目的研制工作按期结束,不超过计划投资并达到了预期的效果和功能。其中A的因素在决策中成为主要的指标,其权重达0.75。此外,可以象价值工程一样,把它应用于微观的分析与决策,预计将推动DFA的发展(Design for Affordability,为经济可承受性的设计)。

    二、快速重组制造系统

    1. 产生的依据与定义
    1) 背景
    为适应“多品种变批量”生产要求,制造系统应能随产品的进化与革新快速重排与重组。
    经济可承受性要求少/无投资的可重复利用的制造系统。
    制造技术解法的革新要求制造系统有可调整,可变动的制造过程,制造功能和制造能力。
    要求建立快速重组制造系统的支持条件,如:机床设备可移动性安装的原理与方法、质量与设备故障的可诊断性等。
    环境保护要求可持续发展。
    2) 定义
    一种能按市场需求变化,以重排、重复利用、革新元素或子系统方式可快速调整制造过程,功能和生产能力的可变集合的制造系统。
    2. 科学基础与主要特征
    1) 科学基础
    工作流的变流理论。
    制造系统的建模、规划和仿真设计。
    模块化的机床及其系统的设计。
    开放系统结构原则与系统可靠性测度新理论。
    产品进化与革新的生物化规律及遗传算法。
    质量跟踪与故障诊断。
    快速生产装备。
    全寿命经济学。
    2) 主要特征
    可变性 对产品、制造技术和过程的进化与革新的响应能力。
    模块化 基于功能、结构、过程和生产能力的有限基本可重组单元/元素的组合。
    可集成性 新装置或新模块的可嵌套性及其规则。
    可诊断性 对产品的质量与设备及过程运行可靠性的可跟踪和可溯源性。
    订货化 可按订单驱动。
    经济可承受性 价值与投资的综合优化。
    灵捷性 强竞争力与可获利的能力。
    快速化 短的响应时间。

    3. 系统管理科学的发展

    在本世纪20年代以前,工业工程与管理科学是统称“科学管理”的学科。以后两者有所侧重,并列发展。工业工程发展为美国五大工程之一,管理成为管理科学与工程管理,但至今仍相互关联。
    1. 科学化是管理人员的根本职责
    1) 把社会科学与自然科学一体化是管理科学化的过程。
  马克思在其经济学——哲学手稿中指出:“自然科学往后将会把人类的科学总结在自己的下面,正如同关于人类的科学把自然科学总结在自己下面一样。这将成为一门科学,我们称这种自然科学与社会科学成为一门科学的过程为自然科学与社会科学的一体化。”

    2) 自然科学与社会科学是一条不能打断、分割的链条,管理工作应该是适应这种统一。
    德国著名的物理学家认为:“科学是内在的整体,它被分解为单独的整体不是取决于事物的本身,而是取决于人类认识能力的局限性,实际上存在着从物理到化学,通过生物学和人类学到社会学的连续链条,这是任何一处都不能被打断的链条。”
    3) 建立自组织机制是管理科学化的关键。
    德国著名物理学家哈根指出:“一个系统从无序转化为有序的关键并不在于系统是平衡和非平衡,也不在于离平稳态有多远,而是由组成系统的各子系统,在一定条件下,通过它们之间的非线性,互相协同和合作,自发产生稳定的有序结构,这就是自组织结构。”
    管理工作的根本目标是建立起竞争——合作的非线性突变机制,使组织成为更高有序性的结构。
    2. 当今管理人员面临的挑战
    远见卓识,富于创新精神,有经营战略头脑和战术实施能力,善于团结人是我们时代呼唤的一大批社会主义市场经济的管理家和企业家的特征。他们面临的挑战有:
    1) 未来形成于今天,有什么样的明天,在很大程度上取决于今天的决策者的决策。他们应该是:
① 有知识与洞察力,远见卓识,善于从实际出发进行决策的。
② 能组建一支有效的队伍和能适应变化的组织模式。
③ 能建立发展的经营战略使组织/企业永葆强的竞争力。
④ 能通过教育与培训计划,使不同层次的人员适应新技术和时代变化的新需要,提高他们的竞争力。
    2) 变化是机会,变化是创新的源泉。创新是不断寻求新技术、新科学、新理论、新方法/新工艺、新管理机制与制度和不断自组化的创新。
    3) 竞争战略、策略的制订、实施程序的设计和对实施效果的准确及时信息的获取与评价,对未来的改进和预测。
    例如,某机床厂由于追求无竞争力的高新产品而投入巨额贷款,使企业频于灭亡。××上马决策中市场需求的草率估计是导致企业建成之日就是市场竞争失败者的根源。因此,管理人员应该有正确的决策理论与方法指导,知道目前正在做什么市场与外部环境有什么变化和目前应该做什么
    4)提高思维能力是提高竞争力的首要条件。管理人员,特别是高层管理人员应该有思维的敏捷性、超前性、创新性和求实精神。
    3.不同时代的管理特征
    不同时代的管理特征见表2。
    从表2我们可以得到以下结论:

表2 从世界范围看不同时代的管理特征

时代特征

数量时代
(二战前后)

质量时代
(60~80年代)

多样化时代
(80~90年代)

和谐时代(21世纪初)

市场需求与
顾客期望

是否买得起,追求价格低

是否愿买,追求质量好

追求能否及时买到多样化的商品

个性化。通过网络把生产者与消费者联系起来,消费者参与生产设计、制造装配过程,逐步形成生产者与消费者融合关系

价值取向,
目标战略、
策略

以数量求价值
规模经济型
降低单件成本
环境服从生产
尽快发展解决温
饱与短缺问题

以质量
求价值
速度型经济
关心环
境减少
污染
提高舒
适性与
满足感
生产与
发展并
重,争取富裕
水平

以方便、快速反
应的合作,求价值
便宜快
捷型经济
恢复生
态环境,
创造好的生活环境
提高舒适性,关心
可持续发展

以顾客的个别需求与品味满足为目标的订货化取代大量生产单一品种,实施多品种变批量制造。
合理制造与消费型的知识(信息)经济
产业间协调发展的合理制造
虚拟商场,中间商消失,
生产者与消费者直接联系
是可持续发展的绿色制造

管理和组织

机械自动化流水线生产方式
等级(层次)式组织

基于NC的程序控制自动化
班组式塔形组织管理

由JIT与LP向灵捷制造过渡
网络管理Team组织形式

模块化生产的高级灵捷制造方式,如RMS与NGM
国际/全球化网络、可任意扩展或收缩的动态联盟组织,网络资源配置与合作管理

 

注重发展战略

注意提高质量与市场反馈
按JIT(丰田)方式或LP方式运行

注意多样化与及时供货

脑力劳动型劳动者为主,
企业成为网络中分子,可任意组合网络,
以知识和创意为核心的高附加价值产品与服务

人力资源管
理与要求

分解技术,细化分工,
加强控制
较低素质的人力
人劳动的强化,侧重某一方面

大量裁员
职业培训提高素质
组织重
新就业

技术创新
高素质人才
组织创新强化培训与继续教育

新技术发展和网络的迅速扩展冲击,使人们工作环境与内容彻底改变
要求提高素质、多面手
终身教育

    1)正确认识形势,珍惜难得的机遇与时间,尽早规划与启动制造创新工程是发展经济和增强国力的根本性问题。
    2)在建立现代制造企业中,战略、产品开发、质量的全保证与创新和强化生产一线的改进是制造企业创新,增强竞争力的核心问题。

 
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