制造模式的发展与变革

随着制造技术及相关的信息、自动化、管理等技术的发展，人类的生产制造模式也在不断变化。制造模式已从20世纪初期美国福特汽车公司创立的基于流水线的大批量生产模式、二战后日本以丰田公司为代表的精益生产方式、20世纪80年代的计算机集成制造和90年代的敏捷制造（Agile Manufacturing），发展到当今的大批量定制（Mass Customization）、网络化制造、服务型制造、云制造、绿色制造等先进制造模式。每一种新的制造系统模式的出现，都代表着一个制造时代，在世界制造史中有着举足轻重的作用（李伯虎，2003；杨海成，祁国宁，2003）。

1.计算机集成制造/现代集成制造CIM

CIM是一种组织、管理与运行企业的理念。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机（硬、软件），使企业产品全生命周期——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。

CIMS是一种基于CIM理念构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。20世纪90年代提出的CIMS总体结构轮图的内核是用户，外面一层为人员、小组和组织。其结构如图1.6所示。这表明了人们对CIMS的认识的变化，突出了人的重要性。

随着制造系统环境的变化，有的提出了先进制造系统新模式，如敏捷制造、分形企业、生物制造、大批量定制生产等；有的则根据先进制造系统新模式对CIMS的思想、方法和体系结构进行修正，以适应变化了的形势，如基于Intranet/Internet的CIMS、基于精益生产的CIMS、“以人为中心”的CIMS等。

CIMS的“C”是Computer，容易使人望文生义，以为CIMS只是计算机之间的集成，因此，我国提出采用Contemporary（现代）代替Computer，即现代集成制造（Contemporary Integrated Manufacturing，CIM）的概念。

现代集成制造系统（CIMS）技术的定义是：将现代信息技术、现代管理技术与制造技术相结合，在全球化制造环境下集成产品全生命周期各阶段与企业内外部相关的活动和资源，实现优化运行，使企业敏捷响应多变的市场，提高企业创新能力与综合竞争力。

图1.6　CIMS总体结构轮

2.敏捷制造

敏捷制造的理念是1991年美国国防部为解决国防制造能力问题而委托里海（Lehigh）大学亚柯卡（Iacocca）研究所拟定一个中长期制造技术规划框架时提出来的。亚柯卡研究所与工业界、学术界及国防部的代表组成的研究小组通过分析研究，提出了“21世纪制造企业战略”研究报告。该报告的重要论点是提出了敏捷制造（Agile Manufacturing/Agile Competition）的概念，强调通过组织动态联盟（Virtual Company/Virtual Organization）这种合作与竞争的生产模式来适应当今持续多变、无法预料的市场变化。

敏捷制造理念是吸收了多种管理思想和制造理念而发展起来的一套适应多变的企业环境的制造理念，其核心思想是：为了适应变化的市场和取得竞争优势，企业不能仅仅依靠自身的有限资源，而必须以一定的机制利用其他企业的资源和技术，以适当方式组合产品开发、生产制造和市场销售等要素，实现综合资源动态优化配置，共同获利。敏捷制造特别强调企业的可重组性、可重用性和范围可变性，使制造系统能快速、以合理的成本和方式来适应多变的市场需求。

当然，敏捷制造并不是一种全新的理念，而是以全球范围内的资源动态优化配置以及企业的市场敏捷反应为目的，以建立企业竞争优势为主线，并以借鉴和发展有关制造理念为基础的综合理念。

敏捷制造理念认为，以信息技术为基础，在全球一体化或地区一体化的金融环境以及政治环境中，通过临时联合那些能适应环境变化的企业，组成动态联盟，共同承担风险，分担义务，共享成果，迅速开发新产品，响应市场需求（见图1.7）。敏捷制造系统是敏捷制造理念的工程应用系统，以多种形式实现竞争环境下的敏捷性，主要包括：满足个性化需求、快速反应、低成本、生产系统的快速重组与资源的重用等。

图1.7　优势互补、共同参与全球竞争

3.精益生产

“精益”的英文是“lean”，原意是“瘦的”，在精益生产中转意为“简化的”“精节的”“精益的”等。其基本原理可以归纳为：以“简化”为手段，以“人”为中心，以“尽善尽美”为最终目标。精益生产中的简化包括以下4个方面：简化企业的组织机构，简化产品的开发过程，简化零部件的制造过程，简化产品结构。

精益生产的核心以“人”为中心。这里所说的“人”包括整个精益生产系统所涉及的人，如本企业各层次的员工以及协作单位、销售商和顾客等。在精益生产系统中，协作单位、销售商和顾客都是系统的有机组成部分。

精益生产所追求的目标是尽善尽美，不断地降低成本、减少废品、降低库存与增加产品品种。日本人将这一过程称为“改善”。准时制造（Just in Time，JIT）是日本丰田汽车公司发明的管理方式。其特点是生产计划系统只给最终装配线下达生产计划任务，由装配线开始一级一级地向前分解，从部件、零件、在制品、毛坯，直至原材料。后道工序只在必要时才到前道工序领取必要数量的在制品，且前道工序生产的在制品数等于被取走的在制品数。如图1.8所示。

图1.8　准时制造系统的控制流程

准时制造的核心就是消除来自库存和生产运作过程中的浪费。准时制造系统是一个“拉动”系统，即上一道工序的加工品种、数量和时间由下一道工序的需求确定，零部件供应商的交货品种、交货数量和交货时间根据生产组装线的进度和需求来确定。

“看板”是实现准时制造的主要工具，通常情况下可以将看板分成“领取看板”和“生产指示看板”两类。在领取看板上记载着后道工序应该从前道工序领取的产品种类和数量；生产指示看板也称准备看板，指示前道工序必须生产的产品品种和数量。

4.大批量定制

随着以计算机技术为主导的现代科学技术的迅猛发展和社会生活的不断进步，世界市场发生了重大的变化。这些重大的变化，使得曾一度在20世纪占主导地位的大批量生产越来越不适应市场的需求，而能以大批量生产的效率和成本快速向客户提供定制产品的大批量定制（Mass Customization，MC）很好地迎合了市场的需求。1997年年底，美国乔治·华盛顿大学的一个专家小组对新兴技术的发展做了预测，提出了2001—2030年的85项重要技术，其中包括大批量定制技术。

大批量定制的基本思想是：将定制产品的生产问题通过产品结构和制造过程的重组转化为或部分转化为批量生产问题。对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对生产厂家而言，该产品则是采用大批量生产方式制造的成熟产品。

按照客户需求对企业生产活动影响程度的不同，即客户订单分离点（Customer Order Discoupling Point，CODP）在企业生产过程中位置的不同，可以进一步将大批量定制分成按订单销售（Sale-to-Order，STO）、按订单装配（Assemble-to-Order，ATO）、按订单制造（Make-to-Order，MTO）和按定单设计（Engineer-to-Order，ETO）4种类型。

大批量定制的核心策略是增加库存生产的比例，将CODP尽可能向生产过程的下游移动，减少为满足客户订单中的特殊需求而在设计、制造及装配等环节中增加的各种费用。在具体实现方面，即根据市场预测，按照大批量生产方式生产中性的基型产品或零部件，在此基础上，根据客户订单的实际要求通过对基型产品或零部件的重新配置和转型为客户提供个性化的定制产品，从而实现大批量生产和传统定制生产的有机结合。面向大批量定制的集成的产品和过程模型如图1.9所示。

图1.9　面向MC的集成的产品和过程模型

大批量定制在时间维优化的关键是有效地推迟CODP。企业不是采用零碎的方法，而必须对其产品设计、制造和运输产品的过程以及整个供应链的配置进行重组。通过时间维的优化，企业能够以最高的效率运转，能够以最小的库存满足客户的订单要求。

大批量定制在空间维优化的关键是有效地扩大相似零件、部件和产品的优化范围，并充分识别、整理和利用这些零件、部件和产品中存在的相似性。显然，在一个地区或行业推广大批量定制可以比仅在一个企业实施大批量定制取得更好的效果。最理想的模式是在全球范围推广实施大批量定制。事实上，制造的全球化和专业化分工的目的也正是促使大批量定制在全球范围的逐步实施。

5.绿色集成制造系统

环境、资源和人口是当今人类社会面临的3大主要问题。特别是环境问题，其恶化程度与日俱增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。绿色制造（Green Manufacturing）又称环境意识制造（Environmentally Conscious Manufacturing）、面向环境的制造等，特别是近年来，国际标准化组织提出了关于环境管理的ISO 14000系列标准后，学者们对绿色制造的研究更加活跃。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。图1.10对近年来与绿色制造相关或相类似的概念进行了大致归类。

图1.10　“绿色制造”与相关概念的关系

绿色集成制造系统（Green Integrated Manufacturing System，GIMS）是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。绿色集成制造系统综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术，将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境，以及信息流、物料流、能量流和资金流有机集成，并实现企业和生态环境整体优化，从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小，使企业赢得竞争，取得良好的经济效益和社会效益。

6.网络化制造

20世纪90年代，随着互联网的迅速发展，一种新的经济模式——网络经济正逐渐成为现代经济的主流之一。互联网由于其互联性、交互性和时空压缩性，对经济全球化、市场全球化等产生了巨大的影响，位于不同地点的人和设备通过网络和计算机集成起来，快速、准确地交流信息，人们的生活将因此而发生根本的转变，传统的制造业也将因此而发生巨大的变化，将产生一系列的新技术、新设备和新方法，网络技术将对产品设计、制造直到销售及售后服务的各个环节产生巨大影响。在这种背景下，一种新的制造模式——网络化制造正在形成。

网络化制造是制造业利用网络技术开展的产品开发和设计、制造、销售、采购和管理等一系列活动的总称。(www.xing528.com)

面对网络经济时代制造环境的变化，传统的组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模式已不能适应，需要建立一种市场需求驱动的、具有快速响应机制的网络化制造模式，这将是当前乃至今后若干年内制造业所面临的最紧迫的任务之一，是制造企业摆脱困境、赢得市场、掌握竞争主动权的关键。

网络化制造是传统制造业在网络经济中必然采取的行动，例如，制造企业将利用互联网进行产品的协同设计和制造；通过互联网，企业可以与客户直接接触，客户将参与产品设计；由于在互联网上信息传递的快捷性和制造环境的激烈变化，企业间的合作越来越频繁，企业的资源将得到更加充分和合理的利用；利用互联网，企业内部的信息和知识将高度集成和共享，企业的管理模式将发生很大变化。

面对网络空间这一全新的生存空间、网络经济这一全新的经济形态，制造企业需要用全新的眼光、从全新的角度、依据全新的理论、采用全新的方法来研究和制订企业的网络化制造战略，利用网络技术，进行企业内和企业间、企业与用户间的信息和知识集成，开辟新的生存空间和发展渠道，提高企业的创新能力。企业的网络化制造战略和方法是技术推动和需求拉动的结果。推动的技术主要是互联网技术，拉动的需求主要是经济的全球化和市场竞争的激烈化。图1.11描述了网络化制造战略和方法的体系框架。

图1.11　网络化制造战略和方法体系框架

7.分形企业

分形企业是借用分形理论中的基本概念描述的一种新的生产方式。分形（Fractal）是1975年由曼德布罗特（Benoit Mandelbrot）提出并命名的一个新的概念，它指的是一类貌似无规律、复杂混乱，但又具有自相似性的体系。分形理论认为，真实世界中的复杂系统是由许多稳定的、具有很好协同性的子系统组成的，这些子系统具有自相似和自组织的特点。分形企业的自相似性包括企业组织结构的自相似即以过程为中心建立企业的组织，以及目标自相似即单元的目标与企业的目标相一致。

分形企业的优化目标是：时间、柔性、质量、成本、生态和社会性。组织结构的自相似性强调自主，目标的自相似性强调自律。分形企业通过自律和自主的统一实现了效率和柔性的统一。分形企业在自相似的基础上具有自组织性的特点，具体表现为自监控、自调控、自确定、自治和自优化等。

分形企业将制造系统看作是具有自相似过程和结构的集成系统，是非线性发展的、不能精确预测的、内外边界模糊的系统。传统企业可以为自己确定一个有限的目标，可以容忍一定的废品率、最低限度的库存、系列范围很窄的标准产品等。分形企业则把目标确定为不断完善，追求尽量低的成本、无废品、零库存、“一个流”生产和产品品种无穷多样，从而可以促使人们不断探索、不断奋斗，创造出难以想象的奇迹。图1.12的左面是一个分形体的自相似结构，右面描述了分形企业的特点。

图1.12　分形企业的特点

8.生物型制造系统

生物型制造系统（Bionic Manufacturing System，BMS）概念最早由Norio Okino在1988年提出，后来被作为智能制造系统的一个组成部分。

近几年来，制造系统的规模、复杂性和动态性有很大的变化。传统的集成式的信息系统已无法适应这种变化，因为生产过程中的随机因素很多，如订货规格和交货日期中途可能有变更、生产线临时出现故障、发货运输周期受到交通阻塞的影响等。传统的系统优化理论无法解决当今制造系统的高度非线性化的问题，因此，迫切需要有一种能包含混沌、模糊等概念的精确的模型，用来解决多维的非线性联立方程、非线性最优化问题和组合优化问题。BMS可望解决上述问题。

BMS要求每个生产环节都具有自发性、自律性和自相协调能力，出现问题就地解决，每个基层单位都有自主权和主动性，但又能够顾及整体，保证总体设计上相互协调一致。BMS的基本单元称作基元（Modelon），采用面向对象方法定义。上下级与平行级的基元之间可以通过消息板（Message Board）交换信息。消息板与专家系统中的黑板机制相类似，只是取消了集中的控制机构。一个基元启动后，激活相关的基元，通过消息板对话，谋求问题的解决。BMS强调的是自发驱动（Spontaneity）、自律决策（Autonomy）、自由结合（Connection Free）、可转换性（Transformability）和柔性（Flexibility）等。

BMS具有类似于生物系统的功能，如自组织、自恢复、自生长和进化等功能。BMS能为各层次提供方法学的支持。通过对产品全生命周期的系统化，使制造系统能快速满足需求，并能与自然界协调一致。

BMS的主要研究内容如下：

（1）BMS的核心系统。生物型产品模型（Biological Product Model，BPM）是BMS的核心部分。

（2）面向DNA的设计系统。采用生物型产品模型研究进化型（Evolutingtype）设计。

（3）生物型信息处理功能。研究类似于生物系统的信息处理功能，研究重点放在生产阶段。

（4）产品生命周期反馈。主要研究产品的遗传性和进化性。

（5）与宏观生态系统的协调。采用模拟等方法对包括产品报废处置和回收在内的产品全生命周期进行研究。

9.可重组制造系统

可重组制造系统是一种能按市场需求的变化和设计规划的规定，以重排、重复利用和更新元素或子系统的方式，实现以较低的重组成本快速调整制造过程的功能和生产能力的可变制造系统。

研究制造系统可重组性的主要目的是有效地解决现有制造系统存在的3个主要问题，即解决提高生产效率与系统柔性之间的矛盾；缩短制造系统重组所需的周期，迅速达到规定的产量和质量；充分利用已有的资源，减少重组制造系统所需的费用。

与一般的制造系统相比，可重组制造系统的主要特点是：制造系统的生产管理和控制软件具有高度灵活的重构性；制造装备便于更新组合，具有适应新需求的复用性；生产规模具有敏捷的可调整性。由于可重组制造系统的设计是高度自动化的，硬件是模块化的，因此，能很快地设计和重构低成本的生产系统。

可重组制造系统的特征为定制化、快速化、模块化、系列化、人机一体化、可集成性、可复制性、可变性、可诊断性、敏捷性、规模可调整性和可负担性。

模块化制造系统（Modular Production System，MPS）实际上也是一种可重组制造系统，这是一种针对一般技术难度的消费品的新型制造系统，是一种在标准化和模块化系统基础上建立的“柔性”制造系统。模块化制造系统通过对标准化的制造系统基本模块进行重组而快速得到面向新产品的制造系统。

模块化制造系统由于其建立方便、模块的适应范围宽等特点，为制造系统的重组提供了一种新的思路。通过建立租赁公司，向有关企业提供各种加工机器基元、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹具以及可配置的控制系统，企业可以在几天内迅速建立起支持新产品生产的系统。当不再生产该产品时，可以容易地拆除有关的模块化制造系统，将各模块退还给租赁公司。当然，在这种情况下还需要有一些设计和制造模块的公司。

自治分布式制造系统是日本正在研究的一种可重组制造系统。图1.13表示了一个设想中的机械制造厂，它包括一个可移动机床的超级柔性制造系统，一个自动化的仓库及自动引导小车。图1.14中的无管道柔性工厂可以针对不同的产品，采用可移动的反应罐及可移动的管道，使反应过程更容易被改变。自治分布式制造系统与传统的批量生产工厂相似，但要灵活得多。在一个传统的工厂里，产品改变时通常要求增加如管道清洗等低效率的工作，因而对产品的改变与化学反应过程的改变难以适应。

图1.13　一种自治分布式制造系统

图1.14　无管道柔性工厂

10.全能制造系统

全能制造系统（Holonic Manufacturing Systems，HMS）又称合弄制造系统或全息制造系统。全能制造系统是基于全能组织的制造系统，其要点是建立一个高度分布的制造系统体系结构。全能制造系统是由一系列标准的和半标准的、独立的、协作的和智能的模块组成。全能体（Holon）这个词是从希腊词holos（意思是“整个，全部”）加上词尾“on”转化而来的。全能体是一定程度独立自主的单元，执行任务时无须向上级请示。同时，全能体又是上一级的控制对象以及全能群体的一部分。一个制造全能体可以是运输、加工、存储等单元。人也是全能体的一部分。全能制造系统由全能体以自组织的方式组成，其结构是不固定的，是动态的和暂时的。

全能组织的优点在于它能够构建非常复杂的系统，能够高效地利用资源，对来自内部和外部的干扰保持高度的灵活性，对环境变化有很强的适应能力。全能组织并不是完全独立的组织，它们有一定的自主性，能够在没有上一层组织的协助下，在其所处的特定层次上处理问题并对环境的变化做出反应。整体也能接受来自上层的指导，在某种意义上受上层整体的控制。自主的特性保证了整体是稳定的，能够在干扰下生存，而对上层整体的服从又确保了更大整体的有效运转。

全能制造系统的功能和结构概念来源于生物学、心理学和社会科学等学科，人是全能制造系统的核心部分。

全能制造系统的主要特点有：全能体之间具有暂时的递阶层次关系；自动化规模可大可小，可以扩展；能够迅速地自组织以适应市场对产品、产量和交货期的要求；全能制造系统的目标不是取代人的技能，而是支持人的技能得到更充分的发挥；组织结构从传统的、固定不变的“机械型”向更适合市场竞争的“生物型”转变；全能制造系统的精髓是加强基本单元的独立自主性和相互协调机制。实现全能制造系统的前提是：精简一切不必要的环节、过程和结构，将企业的各种活动进行要素化和标准化，全面实行模块化。