制造柔性的概念框架及其度量

引言
    隨著自動化、組織管理特別是信息技術的發展及其應用。與產品、制造過程組織和系統運行管理等方面相關的制造柔性變得越來越重要。人們對制造柔性的類型^[2，5]、相關的實現技術和評測方法^[3-5]、制造柔性與生產率和產品交貨期間的關系^[5-8]等方面做了大量研究，提出了相關的結構框架^[3，5]、分析評測和投資決策模型^[6，7]。但由于制造柔性的涉及面廣，各種制造柔性的實質、目標和實現方法各不相同。它們之間及其與制造系統綜合性能間存在錯綜復雜的關系，到目前為止甚至對究竟什么是制造柔性還沒有一個公認的定義，缺乏對各種制造柔性進行概括的概念框架，對制造柔性的偏面認識及低效管理，甚至造成柔性制造系統的運行性能還不如傳統制造系統的情況^[7]。
    本文從理論上研究了制造柔性的基本概念，討論了現有各種制造柔性的特點及其對制造系統綜合運行性能的影響，提出了一個可用于對各種制造柔性進行概括的概念框架、最后對制造柔性的度量方法進行了初步探討，旨在加深對制造柔性的認識以指導實踐。
1 制造系統及制造柔性
    以系統論的觀點，任何系統的功能都可以抽象為一個利用系統資源，在滿足系統約束和目標的前提下，將從系統環境中獲得的輸入轉換為輸出的過程。為了生存和發展，任何系統都應當具備某種對系統內外各種變化的適應能力，系統柔性就是指這種適應性l—制造系統的功能模型如圖1所示，其中制造資源包括操作人員、機床設備、刀夾量具和計算機軟件硬件等，制造約束包括時間、成本和質量等方面的要求，制造目標為獲取最大利潤，制造過程包括市場、采購與供應、產品設計、制造、裝配和銷售等生產經營和支持活動。

    制造柔性是指制造系統及系統元件對產品多樣性和系統內外各種變化及不確定性的適應能力。系統內部的變化包括機床故障、動態變化的加工時間和工件隊列長度、不同的產品混合比、加工廢品和人員缺勤等，而外部不確定性包括原材料短缺、緊急訂單、原材料和產品的價格波動、競爭對手的決策和客戶喜好的變化，還包括技術進步和新的組織管理原則等。制造柔性和產品及其制造過程直接相關，涉及產品開發、加工制造、生產組織與控制等方面。是產品設計人員、制造工程師和生產管理者們所共同關心的問題。
    基于上述制造系統的功能模型，從系統功能實現的角度，可以定義以下三種最基本的制造柔性：
    (1)范圍柔性，指系統輸出可以在某個范圍內變化的能力，可變范圍越大，柔性越高。例如在滿足獲取相應利潤的前提下，生產批量如能隨市場需求作動態變化，則系統具有批量柔性。(2)反應柔性，指通過對系統轉換過程作必要的調整以響應系統內外各種可能變化的容易程度，表現在時間和成本方面所需的開銷，這種開銷越大，柔性越高。例如產品改變時，必須更換相應的刀、夾具及控制程序，顯然具有多種加工能力的加工中心比普通機床更容易實現所需調整，因而具有更高的機器柔性。它是一種反應柔性。(3)狀態柔性，指在系統輸入或內部狀態發生變化時，系統仍能滿足給定約束并實現轉換的能力，反映了系統抵抗干擾維持原有功能的能力，也可看作系統對狀態變化的敏感程度，這種抗干擾能力越好，敏感度越低，則系統柔性越高。例如機床出現故障時，可通過調度將工件安排到別的機床，從而以不同的路徑完成工件加工，這種路徑柔性即是一種狀態柔性。
2 各種制造柔性及其特點
    有關研究文獻[2，5]對各種制造柔性的含義、目的和實現技術等已作了很多研究。為便于討論，這里首先對制造系統中主要的制造柔性按其涉及的范圍歸納加固2所示并簡述如下。
    (1)機器柔性：機器能完成多種加工操作的能力，利于實現小批量生產、降低庫存費用、提高機器利用率和縮短力加工周期；（2)物料運送柔性：物料運送設備能運送多種物料的能力，提高物料運送設備的可獲得性和利用率；(3)操作柔性：具有多種加工工藝的工件能以多種方式進行加工的能力，以便在機器出現故障時實現動態調度；(4)人員柔性：掌握多種操作技能的人員能在不同崗位上工作的能力；(5)路徑柔性：制造系統能通過多種路徑完成工件加上的能力，以便平衡機床負荷，增強系統在機床故障、刀具磨損等情況下系統運行的穩定忖和可靠性。(6)過程柔性：制造過程能同時生產多種產品的能力，又稱混合比柔性，通過提供多樣化的產品以提高客戶服務水平，(7)產品柔性：在產品中增加、去除或更換某些零部件的能力，以增強對市場產品需求的響應能力；(8)批量柔性：制造系統能在多種生產批量下獲得相應利潤的能力，以維持系統在各種需求水平下的獲利性；(9)擴展柔性：制造系統擴展其生產能力的能力，利于企業拓展新的市場，并使制造系統具有開放性；(10)生產柔性：制造系統在不增加重要制造設施的前題下制造多種產品的能力，使系統能完成多樣化的生產任務；(11)市場柔性：制造系統適應動態變化的市場環境的綜合能力，便制造系統能在多變的市場環境下求得生存與發展。
    各種制造柔性對系統綜合性能的影響表現在降低制造成本，提高產品質量，縮短交貨期，增強系統運行的可靠性，提高生產率和客戶服務水平等方面。企業實際所需的制造柔性與產品需求、制造過程特點、系統內外各種不確定因素、技術發展狀況和經營戰略等因素有關。從有關文獻[2，5]中至少可以列舉出50多種不同的制造柔性，制造柔性概念的寬泛性和復雜性，使得僅從功能實現的角度還不能建立完整的描述制造柔性的概念框架。下面從制造柔性涉及的對象及其時間特性等方面，對這些制造柔性及其特點作進一步討論。
    各種制造柔性除了涉及的范圍不同外，還具有以下特點：(1)絕對性和相對性的統一：機器柔性等作為系統的固有屬性。具有絕對性，而路徑柔性等作為—種決策屬性，與系統的運行環境密切相關，具有相對性，例如有時 FMS的運行效率可能還沒有剛性生產線高；(2)制造技術和生產組織管理方法的統一：機器柔性等制造柔性的獲得一方面需要數控技術、刀具和工件交換裝置及多功能夾具與托盤等制造技術，又需要掌握多種技能的操作人員和小組工作方式等組織實施和運行管理手段4(3)制造柔性的時間特性是靜態和動態的統一：由系統結構決定的柔性是靜態柔件，如車間設備布局、生產控制系統中的功能配置等，它決定了系統元件和功能的分布及相互關系，限定了系統重構時所需變化的可能性及范圍，例如網絡型扁平結構比金字塔型遞階結構的柔性要高；而需要通過動態的系統運行才能體現的柔性屬于動態柔性，不同的動態柔性所涉及到的變化的時間范圍及其對制造系統性能的影響程度也不同；(4)制造柔性涉及的二類對象及其組成的兩個方面：制造系統功能模型中的產品、制造過程和制造資源都有與其相應的制造柔性。另外制造柔性作為系統適應各種變化的能力，包括適應變化的范圍和容易程度兩個方面。
3 制造柔性的概念框架
    本文提出的制造柔性概念框架如圖3所示，它綜合了制造柔性的時間特性、所屬的三種最基本的制造柔性以及制造柔性和產品及其制造過程等方向的相關性，它既可用于對現有的各種制造柔性進行概括，又可作為定義新的制造柔性的基礎。
    首先從制造柔性的時間特性來看，除靜態的結構柔件外，動態柔件包括運行、戰術和戰略三個層次。以與產品和資源相關的制造柔性為例，(1)運行層，系統運行時工件隊列長度和產品混合比變化所需的機器柔性，以及處理簡單的機床故障、刀具磨損和資源競用時需要的路徑柔性；(2)戰術層，市場產品需求波動時所需的批量柔件，以及處理加工設備較大故障時所需的操作柔性；(3)戰略層：為滿足新產品市場需求所需的市場柔性，以及當出現新的加工技術和設備時所需的擴展柔性。其次從制造柔性所涉及的對象來看，產品柔性和操作柔性與產品相關，人員柔性、機器柔性和物料運送柔性與制造資源相關，而路徑柔性和過程柔性等與制造過程相關。最后從系統功能實現的角度，所有制造柔性均可歸為范圍柔性、反應柔性和狀態柔性之一。不考慮時間特性的制造柔性在這個概念框架中的二維投影如圖4所示。
4 制造柔性的度量
    制造柔性的度量涉及兩方面的問題：(1)現有制造系統的柔性有多大?(2)為適應未來的某種變化需要多大的柔性?制造柔性度量的困難性在于首先各種制造柔性的性質不同，其次制造柔性的兩個方面也屬于不同性質的問題，很難將它們統一起來進行定量的綜合評判，當涉及到未來的變化時更難于獲得精確的數據。目前提出的一些度量方法和模型^[6-8]有的只適用于投資評估等個別情況，有的雖有良好的數學基礎，但過于理論化而難于應用。
    為了減小制造柔性度量的復雜件并便于實際應用�？蓪η笆龈拍羁蚣苤腥�類最基本的制造柔性分別采用不同的方面進行度量。具體來講，(1)范圍柔性，用某種制造柔性可適應的變化范圍來度量。例如批量柔性可用系統能獲利的最小和最大生產批量來度量；(2)反應柔性，用適應某種變化所需時間或費用來度量。例如機器柔性可用不同操作間轉換所需時間或費用來度量，過程柔性可用不同產品混合比間轉換所需時間或費用來度量；(3)狀態柔性 SF(State Flexibility)。狀態柔性與系統對某種變化的敏感度STC(Sensitivity to Change)成反比，即SF＝1／STC。如果適應變化可以不需任何費用(C＝0)或者發生這種變化的概率很小(P＝0)，都可以認為系統對這種變化的敏感度為零，因而可設STC＝ C *P。設 X表示某種變化，則與此相關的費用 C和概率尸都應當是X的函數。例如當涉及到三種狀態A、B、 C時，則存在9種狀態變化的組合，即AA、AB、AC、BA、BB、BC、CA、CB和CC，顯然， 其中，n是可能變化的數目，i是變化的序號，C(X_i)
和P(X_i)分別是與變化 X_i相關的費用和概率。當系統中狀態變化連續時，可以得到一個更為一般的公式，即：是變化的上下界。
    這里關鍵在于如何確定與未來某種變化相關的成本和可能性。對與產品相關的柔性來講，式中的成本主要指由于產品變化所造成的與產品設計和材料等相關的成本，而發生的概率應當根據材料技術的發展、客戶喜好的變化、競爭對手的策略以及對產品功能變化的預測等綜合而定。對過程柔性來講，式中的成本主要包括由于加工過程所需的設備更新造成的成本，而發生的概率可依據制造過程中的各種不確定性因素而定。
5 結論
    隨著精益生產、并行工程和敏捷制造等制造新概念的出現，加上柔性制造技術作為單純的自動化技術，其實際應用并沒有取得人們預期的效果，近年來對制造柔性的研究和應用沒有得到足夠重視。作為一種使能技術和制造哲理，柔性制造的概念與這些新的制造概念并不矛盾，如制造柔性同樣強調技術、管理和人的綜合作用，強調小組工作方式和信息技術的作用，其特點在于從多方面、多層次強調系統對各種變化的適應能力。通過對制造柔性概念框架及其度量體系的討論，希望能加深人們對制造柔性的認識以指導實踐。