以可追溯性提升企业经济效率：优化目标

明确的目标是进行决策的基础，在生产领域也同样如此：

“合理的行动要以既定目标为指向，即要具备明确的意图。……没有目标……人们根本无法判断是否实现了行为优化，因为事先没有对优化进行定义。”

在PPS中，目标的确定也有着同样重要的意义。

从企业经济学角度来看，生产计划和生产控制的目标即为对生产过程的有效协同（简言之，即有效的过程协同）。在这里有效的定义遵循Bohr提出的资源使用（投入）和资源效用（产出）之间的关系比。也就是说效率描述的是相对必要的投入需要达到一定比例的产出值，从而也对某一生产过程的经济性进行了分级量化。效率则被视为检验达标以及实际市场满足度的尺度。设定值和实际值之间的比例关系表示资源情况，在这一过程中，对设定值的正负超出意味着同样的偏离。

依照企业经济原理实现企业管理效率有两种途径：一是在既定成本下实现最大收效（最大化原则），二是在既定效果下实现最低成本（最小化原则），总而言之就是尽可能地实现收效提高和成本降低。不管从哪个角度考虑，只要使收效和成本之间的关系最为有效即可。

一个企业面对最大化或者最小化原则有无穷多的可能性来进行规划，或者说来改变自身的收效和成本。生产管理的战略目标，即生产计划和生产控制的关注重点是追求企业产出和投入成本之间的高效比例。投入成本包括生产成本、运输成本、维护成本和储藏成本等。但是因为很难对各种不同的收效进行量化比较，所以在PPS体系中往往采用时间目标和数量目标来代替收益目标和成本目标。

用来完成协同生产的信息技术工具称为MES系统和ERP系统，两者的区别在于它们和生产之间的相关度不同，或者说两种体系中生产数据的时效性和具体性程度不同。在三个层次中（ERP系统、MES系统和生产）还会产生数据交流，这种数据交流在工业4.0出现之前非常有限。

ERP系统在企业中往往是主导系统（图2.2），它负责企业对外的交流沟通，并为管理报告实现汇总。ERP系统主要是一种企业管理应用，而MES系统则主要是在生产的各技术流程之间起到连接作用，它能够过滤信息，跟踪产品和生产过程。ERP系统会制订目标值，给出时间和数量的范围。MES系统按照这些数据进行工作。

图2.2 生产中的信息系统

来源：作者，参见Fleisch，2005；Kletti，2006；Günther等人，2008，第5页；Bauernhansl等人，2015，第35页；ZVEI，2015，第17页。

MES系统是一种应用软件，它能监管和控制生产过程中的企业内部数据，也就是我们所说的协同，因而被视为工业4.0的重要前提条件。它通常被用于复杂但可计划的环境中，这一环境具有下列特征：

• 许多个体类型

• 许多生产级别

• 许多产品种类

• 没有纯粹的单件生产

MES系统通常可以在数秒内对生产数据进行识别和记录，虽然对于机器操作人员和设备检测而言这已经达到实时标准，但却不满足以毫秒计算的机械操控的实时性。MES系统利用生产和仓储中的产品跟踪监管着每一个独立订单，也就是说它搜集生产数据，对它们进行评估，并将其显示或汇报出来。这些数据被存储在中央数据库中，ERP系统将利用这些数据来进行企业核算。

我们将要开发的算法的目的是在生产中实现企业经济最优化，而在现有的MES系统解决方案中效率的想法也被应用在技术层面上，在这一层面需要考虑数量和时间。从最大化原则来看，当既定投入获得最大的产出量时，生产过程就是高效的。相应地，依据最小化原则，当用最小投入获得既定产出量时，同样也是实现了高效生产。基于此，技术上的效率目标等同于生产效率目标，后者通过计算产出投入比来得到。在描述PPS系统的生产效率说明图中，我们目前使用的数量参数和时间参数为产出时间、准时度、产能利用率和库存。

产出时间通常是指完成一项生产任务所需要的时间，即从得到订单到生产结束之间的时间。在大多数MES系统中，产出时间这一参数被看作是计划（规定值）和实际生产（实际值）两者中最有可能实现一致的方面。

准时度是遵守既定交货时间的标志。虽然也是和时间有关的参数，但与产出时间不同的是，准时度并不关注一段时间的延续长短，而关注应该交付日期和实际交付日期之间的差异。生产计划和生产控制的一个重要目标就是要实现准时度，不仅是要避免因交付时间的拖延惹恼客户，同时也为了避免提前交付造成不必要的仓储成本。而交货数量不足在传统的客户—供应商关系中可能为供应商造成的损失包括额外支出（付款、加急送货和企业内的加急生产）、收益减少（价格让步、未交付的商品）或其他相关损失（客户流失、辐射效应等）。

产能利用率这一参数描述的是被利用的产能相对所拥有的产能所占的比例。许多MES系统都将利用率最大化，试图在成本一定的情况下实现更多的产值。不过只有当多余部分的产品以正利润得以销售时，这种想法才是正确的。如果在这种情况下，需求始终大于供应，那么这种做法会导致生产中的资源出现瓶颈。因为机器的损坏和使用时限与它的使用强度有关，那么在有可能出现瓶颈的情况下，生产计划和生产控制的最高目标就不应该是最大利用率，而是与发展规划相符的利用率。

库存这一参数主要描述的是被储存的物料、成品以及半成品。不过出于上文提及的原因，在大多数MES系统中对库存的量化都被数量值和时间值所替代。在生产中，我们会遇到加工过程中的持续库存、各个连续加工过程中间的同步库存和为销售市场准备的保障性库存。在上述三种库存类型中，生产的起止时间内都包含了产品进出仓库的时间，它们也是为实现生产目标服务的。

在生产中发生的同步库存可以对生产起到分类和利用产能的作用。分类作用体现在它可以改变仓储货物进出的顺序，以提高交付准时度，还可以在生产控制层面组合或拆分产品数量，从而为不同机器实现最优化的批量分配。利用产能作用则体现在，当产能出现瓶颈时，仍然可以保留库存，以防止材料供应出现缺口。其实连接缓冲器就具备同样的功能，它们能将带有不同投入和产出的加工过程连接起来。

为销售市场提供的保障性库存是以客户为导向的，它通过存放成品来实现灵活供货或者缩短供货周期的作用，尤其是可以通过存放比较廉价的半成品或者还需要根据客户的具体要求进一步加工的标准产品来实现降低仓储成本的作用。

当然我们会对持续库存、同步库存和保障性库存这三类库存的优势和库存成本这一劣势进行权衡，包括资金占用量、保险成本、损耗以及仓储本身的成本。不过大多数MES系统把库存仅看作是附属条件；只有在应用以库存为导向的PPS系统时或者在下文描述的看板管理和BOA系统中才会试图减少库存，以降低库存成本。(https://www.xing528.com)

从企业经济角度来看，库存、产能利用率、准时度以及产出时间之间的理想关系从理论上讲可以根据相应的反馈数据而实时得到。工业4.0将力图朝这一目标迈进，途径就是通过来源于现实的实时反馈快速对生产计划进行调整。这一反馈是和对产品生产进行的跟踪密切相连的。

随时随地的产品跟踪、产品识别以及可追溯性是实现工业4.0的透明度的关键。MES系统在操作层面上完成产品跟踪。因为我们也会用到材料或生产过程的“可追溯性”或者“可追随性”这样的概念，所以在这里把“产品跟踪”作为目标。企业范围之外的外部可追溯性被视为与内部可追溯性类似。

通过产品跟踪，每一个订单的质量和过程信息以及相关的PPS参数都得以记录、计算，并被可视化。有关制成品及其生产历史的资料和材料成分组合都可以被获取：

“可追溯性让我们有可能去追踪被观察者的形成过程和地点。”

通过MES系统进行的连贯的产品跟踪让我们又可以衡量每个订单的时间值和数量值，这同时也是在生产网络中实现企业经济优化的前提条件。

“因为企业只能管理可以被他们衡量的东西。”

产品跟踪要求实现广泛的横向融合，这也和工业4.0的理念有着紧密的联系，因为所有和生产过程有关的信息都伴随着产品——大多数情况下借助于射频识别（RFID）技术。为了保证能实现产品跟踪，不仅需要利用RFID一类的识别系统收录产品信息，还需要利用相应的MES系统来处理这些信息。为了实现完整的可追溯性，生产中的机器需要和处理PPS的系统有双重接口。为了能够实现过程完结，也就是运行过程的自动中断，就必须要求数据能被传输出去。因此，产品跟踪实际包含很多相互关联的方面：

•产品和材料可追溯性：产品可追溯性被看作是最有价值的组件的直至终端用户的供应可追溯性。材料可追溯性指的是零件清单上各个零件的可追溯性，它和产品的可追溯性直接相关。利用材料可追溯性可以发现哪些问题部件被安装在了哪台设备里，或者哪种短缺材料影响到哪个生产订单。本书也对表示在客户处的交付状态的可追溯性的外部可追溯性进行了阐述，以用于确定已经交付的问题产品。

•在检测和过程可追溯性中，我们将产品与相应的检测结果和过程数据联系起来，获取检测和过程数据可以帮助我们利用检测结果、机器状态、报错信息和生产参数来了解产品。过程可追溯性包括记载了生产流程的图表记录或者文本记录，因而可以得出所用辅助工具对产品质量造成的影响。这一可追溯性当然还包括指导生产过程（步骤）的预先文件中的信息（配方、操作说明、检测计划等）。

•在检测和过程可追溯性基础上建立了过程中断（运行过程的自动中断），即积极可追溯性。要想利用过程中断，必须在生产初始时刻对产品进行识别，还必须能够实时进行检测，并制定需要发生过程中断的检测标准。及时的数据收集，并对其进行处理和评估，使得我们可以安装反馈环和控制回路，失效模式及后果分析（FMEA），可制造性设计（DFM）和可测试性设计（DFT）都需要有这样的控制回路。反馈的结果有可能便是过程中断。

通过产品、材料、检测以及过程可追溯性得以描述的产品跟踪的目的在于提高效率，从而增强产品竞争力。产品跟踪间接实现了提升销量和降低成本，直接作用在于满足了法规和规范要求，降低了成本。

根据德国的产品责任法，如果问题产品造成了损失，即使生产商和供应商没有过错，也需要承担责任。依据商品保障法，生产商必须竭尽全力防止自家产品造成任何危险。若有问题发生，除了需要召回产品，赔偿损失之外，公司总经理也有可能需要承担责任，甚至受到刑事处罚。由于缺乏可追溯性而导致的问题产品召回不仅在法律上存在问题，还有可能导致更高的质量成本和由于形象受损引起的销量降低。

根据ZVEI的目标金字塔，与质量相关的成本有可能间接产生于：

1.缺少材料可追溯性：对于超过30%的产品而言，人们获取到的仓库库存信息与实际库存情况不符。这将导致错误的生产计划和错误的数量统计。对有问题的材料的使用往往太晚才被发现，甚至根本不被发现，从而生产出问题产品，最终导致不良品成本上升。

2.缺少检测可追溯性：因为不能发现错误，所以一再重复同样的错误。在缺少可追溯性的情况下，像汽车行业所要求的10～20ppm（ppm表示百万分之）的不良率几乎无法实现。

3.缺少过程可追溯性：导致某一错误的过程信息不能被获取。生产过程中使用的手段、工具无法被识别，从而也无法断定其对问题产品应该担负的责任。在这种情况下，自然也无法进行过程中断和过程改良。

4.缺少过程中断：如果能够在生产过程中即使发现实际值和规定值之间出现了偏差，就可以在超出临界值的那一刻中断产品生产过程。但如果缺少积极可追溯性，即使了解到生产过程中的数据也无法阻止生产继续进行。在具备生产中断的情形中，产品必须“通过质检”才可以进行下一步生产。这样也可以保证避免有意或无意地遗漏了某一生产过程。不过要想利用过程中断，必须要在生产初始时刻对产品进行识别，还必须能够实时进行检测，并制定需要发生过程中断的检测标准。

5.缺少过程改良：没有产品跟踪，就很难对生产条件进行优化。“持续的改良过程”只可能在具备持续的产品跟踪的前提下实现。相反，要是具备产品跟踪，就能更快地解决库存短缺等问题，避免出现生产停滞。如果产品质量出现问题或者甚至必须被召回，那么，可追溯性则是一个必要和有效的工具，它既可以从问题产品的生产历程中提供数据，以便查明原因，也可以在发生召回时有效判定客户群体，降低召回成本。为了确定召回涉及的客户群体，不但需要存储材料和生产过程的信息，还需要存储接收者的信息。

产品跟踪的目的在于：

1.通过产品和材料可追溯性降低成本：借助持续的产品跟踪，企业可以减少甚至取消人工操控。具备了自动化的产品和材料可追溯性，完全不必进行烦琐的盘点、人工计数和人工记录。

2.利用检测和过程可追溯性减少错误：对有问题的材料的使用往往太晚才被发现，甚至根本不被发现，从而生产出问题产品，最终导致不良品成本上升。借助检测和过程可追溯性我们可以降低不良品成本。当导致错误的生产数据、生产工具没能被收集到时，也可能产生较高的不良品成本。在不具备检测和过程可追溯性的情况下，若发生召回，则无法准确限定客户群体。借助过程中断，我们可以避免继续生产问题产品，或者说不良品，从而保证较高的一次通过率（First Pass Yield）。

3.提升销量和改进生产过程：改进生产过程，实现企业经济上的优化，继而实现销量提升是产品跟踪的长远目标。利用产品跟踪改进生产过程之后，我们可以减少问题产品和产品召回，树立更好的企业形象，从而在客户中获得更多的认可。改进生产过程还能够降低生产成本，从而为客户提供更具有价格竞争力的产品。此外，还可以从客户的角度出发来改进生产过程，为客户带来更多利益，使产品更具竞争优势，从而提升销量。

为了实现协同目标，我们需要考虑产品跟踪为客户带来的益处，以及由此产生的成本下降和错误减少（见第5章）。企业经济和技术方面的效率则已经通过协同系统中的算法得到了保障（见第3章和第4章）。为了确定算法，我们接下来将以中心连续（参见第2.1.2小节）和非中心的方法（参见第2.1.3小节）对已有算法进行介绍。