Chapter 0x06 生产系统结构与战略
Apr 15th, 2020
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Apr 15th, 2020
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生产线布置解决的是生产系统的结构形式问题。
首要目标:
使厂房、设备、工作地、物流等的配置及供应达到最佳安排，使物料流动最快、费用最小、搬运量最少、搬运时间最短。
次要目标:使操作者、管理者获得操作上、安全上、生理上和心理上的满足感。
三类基本布置:工艺式、对象式和固定式。
在固定位置投入材料、设备、劳动力后，通过生产过程转换就输出成品。
一般大型设备的制造，如水压机等冲压设备的制造，以及大型航空航天产品的装配、大型轮船制造等都属于固定式布置
按照生产工艺性质布置车间、工段或小组，同种类型的工艺设备集中在一起。
优点 : 易于充分利用生产设备，比较灵活，能适应不同品种的产品，适合小批量生产;
缺点 : 搬运路线长，搬运量大;在制品多，管理复杂，不适合大批量生产。
类似型号产品集中在一个制造单元里，每个单元能在一定范围灵活产出多种产品。多设备环形布置，投资更高，但保持一定柔性的前提下，能维持较高的产出。
要求工人能同时操作不同设备，移动距离短，同一制造单元能加工的产品种类比流水线多， 多设备操作可减少工作倦怠。
单元制造是JIT生产/精益生产的重要模块，需要企业具有高素质、操作过多种设备的工人队伍，对员工能力要求较高。
又称产品式布置，将生产某种产品的设备集中在一起形成生产线，不同生产线的工艺过程封闭，不用跨其它生产线就能独立产出产品。
优点 : 物流运输少，缩短生产周期，简化管理;
缺点 : 产品改变时，难以快速变化，不适合多品种小批量
生产。
单元制造(cellular manufacturing)，也称柔性制造单元(flexible manufacturing center, FMC)，是从组成技术发展而来。
基本思路是把完成一组相似零件的所有或极大部分加工工序的多种机床组成机床群，操作工人为多面手，以此为一单元。
在单元制造下，一个工人可以同时操控不同类型的设备，移动距离短，统一制造单元能加工的产品种类比流水线更多。
柔性制造系统(FMS)
柔性制造系统 (Flexible Manufacturing System ，FMS) 基于单元制造发展而成。
在相似零件组的加工工序相同时，利用传送带或梁性搬运装置、工业机器人将基本机器群连结起来并保持一定柔性。
单元制造集成了某一组相似零件的制造，而柔性制造系统集成了多个相似零件组，集成度更高。
虽然FMS称作“柔性”制造系统，但实际上，它针对产品族 作了进一步的定置与整合，提高了制造效率，但生产的产品种类数(柔性)反倒下降了。
产品种类上最“柔”的是Job Shop(单件小批)和项目型生产，但效率最高的是自动化生产线。其余类型处于中间。
美国学者约瑟夫·哈林顿认为(1973):
第一，企业的各经营环节(设计、管理、制造等)不可分割，需统一考虑;
第二，整个经营过程实质上是一个信息的采集、加工和传递的处理过程。
因此他提出了计算机集成制造(computer integrated manufacturing，CIM)的概念
计算机集成制造:借助计算机软硬件，综合运用现代管理、制造、信息、自动化、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、管理三要素及其信息流与物流有机集成并优化运行，以实现产品高质、低耗、上市快，从而使企业赢得市场竞争。
实现上述目标的制造系统，称为计算机集成制造系统。(computer integrated manufacturing system，CIMS)
计算机集成制造系统一般包括四个子系统:
管理信息分系统-MIS
技术信息分系统-CAD、CAPP、NCP等
制造自动化分系统-CAM
计算机辅助质量管理分系统-CAQ。
这四个系统实现从 “订单-设计-工艺-计划-制造-装配-运输” 的一系列物质运动和信息交流的计算机集成制造系统CIMS。
进一步的发展，又包含了决策管理系统以及业务处理系统等。
按单生产（make-to-order, MTO)
拿到客户订单之后再开始生产
按单生产是在实际需求发生之后才开始的，其生产过程开始于和市场最接近的下游生产节点的需求拉动，因而称为拉式(pull)生产
备货型生产(make-to-stock, MTS)
企业根据需求预测提前生产持有一定量存货，顾客到达之后立即购买产品
备货型生产发生在顾客需求实际出现 之前，完全由一计划推动，因而称为推式(push)生产
若将CODP选在零部件完工处，那么企业维持的是零部件库存;
若将装配点位置选在半成品完工处，则企业维持的就是零部件+半成品库存;
极端地，若将CODP选择在成品完工处，则整个生产线都是备货型生产。
三种方案的库存水平完全不同。如果顾客能够忍受较长时间的等待，那么企业应该让CODP更靠上游，反之就应该让CODP更靠下游。其最优位置的确定，在实践上仍然是一个难点，往往根据企业实践和经验来确定。
成功的生产战略要保证产品在某些特性上取得竞争优势，以此赢得客户订单。
赢得订单标准
两类产品特性
订单资格要素(order qualifier)
订单资格要素是指允许一家企业的产品参与市场竞争的资格筛选标准，一般包括:品种、质量、数量、价格、服务、交付。
产品达到该标准，企业可使顾客满意，从而存活于市场，此时的产品水平为顾客满意水平，称产品达到了立足市场标准(market qualifying criteria，MQC)。
产品只达到MQC时，企业在非对抗环境下，可以立足于市场。但是，一旦遇到竞争，将不能保证赢得订单。
订单赢得要素(order winner)
订单赢得要素是指企业的产品区别于其他企业产品或服务的评价标准，达到该标准的产品将不仅能使用户满意，而且使用户感到快乐从而夺取其他竞争对手的订单，称产品达到赢得订单标准 (order winning criteria，OWC)。
只有达到OWC，企业才能显出优于其他产品的性能，获取竞争优势。
赢得订单标准OWC是企业竞争存活的条件之一，产品竞争战略就关注以什么要素赢得竞争优势。
产品生命周期和OWC决策
产品从进入市场、市场成长、市场成熟、市场饱和直到退出市场的全过程称为产品生命周期(product life cycle，PLC)，市场对产品的要求并非一成不变。
赢得订单标准OWC(包括立足市场标准MQC)在产品的全寿命周期内会变化。
曾经达到OWC水准的产品，变成仅仅满足MQC水准，甚至连MQC都达不到而被淘汰，直到出现新的产品，在新的需求标准下又展开新一轮的竞争。
在进行产品的OWC决策时，根据PLC不同时间点的不同特点，预测市场对OWC的综合要求。
产品竞争的基本方法，就是在赢得订单要素上取得优势。
在长期的企业实践中，人们总结出了一些常用的产品竞争战略，称为通用竞争策略，包括:
成本领先战略
也称为低成本战略，是指企业通过有效途径降低成本，使其全部成本低于竞争对手的成本，甚至达到同行业中最低，从而获取竞争优势。
有五种途径实现低成本战略:
简化产品型成本领先战略
改进设计型成本领先战略
材料节约型成本领先战略
人工费用降低型成本领先战略
生产创新及自动化型成本领先战略
差异化战略
差异化战略是使自己的产品与竞争对手的产品有明显区别，形成与众不同的特点而夺取竞争优势;
核心是取得某种对顾客有价值的独特性。
产品差异化、服务差异化
人事差异化:通过聘用和培训比竞争者更为优秀的人员以获取差别优势。员工优秀点:胜任、礼貌、可信、可靠、反应敏捷、善于交流; e.g. 海底捞:通过人事差异化达成服务差异化。
形象差异化:塑造不同的产品形象以获得差别优势。塑造形象的工具:名称、颜色、标识、标语、环境、活动等; e.g. 柒牌中华立领......
集中化战略
也称为聚焦战略，是指企业的经营活动集中于某一特定的购买者集团、产品线的某一部分或某一地域市场;核心是瞄准某个特定的用户群体、某细分的产品线或某个细分市场。
产品线集中化战略
顾客集中化战略
地区集中化战略
低占有率集中化战略
三种竞争战略的关系
低成本和差异化，本身就是竞争优势的表现。
但集中化只是一种战略形式，是为了获得竞争优势而采用的手段或途径。在这种策略下，还必需通过集中攻取某特定市场而获得低成本优势，或因集中而获得别具一格的特点(差异化)从而表现出竞争优势。
战略目标 | 低成本 | 差异化 |
整个产业范围 | 成本领先战略 | 差异化战略 |
特定细分市场 | 成本集中化/成本聚焦 | 别具一格差异化/差异化聚焦 |
生产战略也称为制造战略，即在企业总体发展战略指导下，根据所选定的目标市场和产品特点，构造生产系统时遵循的指导思想，以及对生产系 统所做的决策、规划和计划。
决策过程 : 产品竞争战略→生产系统要求→生产 系统战略构造
生产战略将决定生产系统的战略性构造，实现企业在生产领域的竞争优势，支持企业发展战略。
生产战略关注的订单赢得要素
1) 交付(Delivery) : 及时性、准确性
2) 成本(Cost) : 高性价比
3) 质量(Qualification) : 质量标准
4) 优异(Performance) : do things others cannot
5) 弹性(Flexibility) : 数量/批量弹性
6) 创新(Innovation) : 新产品、种类变化
单件小批型
主要生产客户定制化的产品，产品种类多、差异大，需求难以预测，如特殊金属零部件、特殊加工件、特种设备等。
生产效率低，但品种柔性一般较好
项目型生产可看做是单件小批类型的极端情况
批量流水型(批量型)
产品种类相对较少，产品差异在一定时间内变化不大，相比单件小批生产，需求更容易预测。
如服装、医药生产、通用件制造等。
节拍流水型(流水线)
人工节拍流水线(operator-paced line，OPL)
生产批量比单件小批和批量流水型生产系统大，物流和产品种类相对比较稳定，生产效率取决于线上工人的人数和团队配合与操作熟练程度。
e.g. 肯德基、麦当劳这类快餐店
机器节拍流水线(equipment-paced line，EPL)
批量进一步加大，物流和产品种类更加稳定，产品种类较少且更标准化，需求更易预测。
e.g. 各类自动化生产线、装配线 : 汽车、家电、家具、电子装备、计算机和通讯设备等。
人工节拍比机器节拍的批量调整相对容易一些。
流程型
生产标准产品，产品种类在较长时间变化不大，需求容易预测。
e.g. 冶炼、化工、制药、食品和饮料、造纸、电力等过程工业的生产。
没有哪种生产类型能同时在 物流连续性(效率) 和 应变能力(柔性) 两方面都达到最高水平。
单一生产类型只能满足有限的功能要求
效率与柔性难以两全，称为生产系统的“结构-功能”悖论。
只能用特定类型生产系统应对特定类型的需求，不存在能应对所有种类需求的所谓“万能”生产系统。
建造和管理生产系统的难点
1) 没有任何一种生产系统能在订单要素的六个方面都达到最优(结构-功能悖论);
2) 没有任何一种管理方法能适合上述所有种类的生产系统。
在对角线的两端，匹配关系比较明确
定制性要求极高的建筑、大型船舶等单件小批/项目型生产，基本都采用固定式布局;而流程型的标准产品，如汽油、食品生产，都采用对象式布置。
中间状态的运营系统类型，选择可能比较多
大飞机零部件生产，采用了单元制造、柔性制造系统布局，但在飞机总装总装生产中，又广泛采用了基于对象布置的 连续移动式(蠕动式) 或者 脉冲移动式(脉动式) 生产线。
区别 : 生产系统类型主要考虑市场需求和竞争的战略决策;系统布局形式主要考虑物流成本和效率。
由于 “结构-功能”悖论，当产品特性要求生产系统在相悖不和的两类功能指标:效率和柔性上都达到较高水平时，这种匹配关系就很难维系。
一些高级制造系统，如CIMS、JIT，实现高效率的同时，还能保持相当的应变能力，在一定程度上解决了“结构-功能”悖论，被称为世界级制造系统(world class manufacturing，WCM)。
JIT:准时制(just in time)生产，即在必要的时间生产必要数量的正确产品，是 日本丰田公司创立的先进制造方式 ， 主张持续改进和追求零库存 ，很大程度上也解决了生产系统“结构-功能”悖论。
CIMS和JIT的对比
角度 | JIT | CIMS |
成本方面 | 投资较小 | 依赖大投入的高端信息和制造技术 |
风险方面 | 投资成本小所以风险也小 | 投资成本大导致风险高 |
动态改善 | “轻量级”投资的生产系统和“持续改进”的核心理念使得较优 | 不及JIT |
创新能力 | 不及CIMS | 大量运用高技术使得其创新能力较强 |
在大量生产的同时实现多品种变化，且能根据顾客需求进行产品的模块化配置，就实现了大规模定制(mass customization)生产。
大规模定制生产系统要求对产品按其功能进行划分并采用模块化设计，顾客可以根据自身需求对 模块进行选择和组合从而构成“不同”的产品。
大规模定制是生产系统表现出的一种能力，其本身不一定必须由JIT或CIMS来实现，但大规模定制生产系统，都具有世界级制造的特点:
快速反应
创新
持续改进
精益生产方式等
个性化(individuation)制造:用户参与产品设计，根据其性格、喜好、脾气、文化背景等因素 ，为自己设计制造“独一无二”的产品。
个性化生产比大规模定制生产更进一步，将用户个人的特性、喜好融合在产品设计和制造中，在理论上能产出无穷多种类的产品，而每种产品只为一个顾客所制造。
典型行业 : 定制服装生产。
在人类社会掌握制造技术之后直到标准化、互换性等概念诞生之前，每件产品都是“个性化”的;
但从手工业时代的所谓“个性化”造物，到后工业时代的“个性化”制造，是更高水平的历史循环。
参照同行业其他组织的做法选择系统类型 : 行业中领先者的“the best practice”，即“最佳实践” 。
中国一次能耗占全球20%，2013年单位GDP能耗为0.74吨标准煤/万元，为世界平均水平2.5倍。
2010年，中国单位GDP能耗约是德国和日本的5倍，美国的3倍。
2015 vs. 2010 : 下降16%
2020 vs. 2015 : 下降15%
人均GDP达到15000美元以前，人均能源消耗还会增长
温室效应
环境破坏
有害物质
人均寿命
尾气
Currie and Walker，宾州和新泽西州电子收费缓解收费站拥堵，减少尾气排放。
婴儿早产率:降低10.8%
婴儿体重过低的比率:降低11.8%
悬浮颗粒物
秦岭-淮河分界南北空气不同?
天然试验场:
户籍制度
南北取暖制度不同
取暖方式
MIT和清华、北大(2013)的联合研究表明，烧煤取暖使中国北方的空气总悬浮颗粒物明显高于南方。
断点回归分析表明:因为中国北方煤炭取暖的空气颗粒物污染使人均寿命比南方减损达5.5岁。
2009年，《哥本哈根议定书》中国承诺:2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%。
十二五规划:2015年单位GDP能耗相对2010年要下降16%。
“十二五”节能减排成效
2011-2013年单位GDP能耗累计下降8.88%;
2014年，单位GDP能耗降低了4.6%。
“十二五”时期(2016)，全国单位GDP能耗降低18.4%，化学需氧量、二氧化硫、氨氮、氮氧化物等主要污染物排放总量分别减少12.9%、18%、13%和18.6%。
“绿水青山，就是金山银山”——习近平，2018(中共十九大)
“十三五”目标
到2020年，全国万元GDP能耗比2015年下降15%，能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内。
全国化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放 总量分别控制在2001万吨、207万吨、1580万吨、1574万吨以内，比2015年分别下降10%、10%、 15%和15%。
挥发性有机物排放总量比2015年下降10%以上。
碳排放达峰问题
2014.11.12日，习近平与奥巴马会谈时宣布:
中国的碳排放总量目标:2030年达到峰值，然后稳定或下降;
美国的碳排放总量目标:2025年，将在2005年的基础上，总体至少降低26%。
20世纪末，美国制造工程师学会提出了绿色制造 (green manufacturing)。
绿色制造综合考虑环境影响和资源利用效率，目标是:
尽量降低产品全生命周期过程(设计、制造 、包装、运输、使用到报废和回收处理)的环境影响
提升资源和废弃物的利用率
对废弃物进行无害化处理
目标：使系统的经济效益和全社会总体效益达到最优，实现制造业可持续发展。
绿色产品(green product)，也称为环境意识产品(environmental conscious product，ECP)， 就是在其全生命周期过程中，符合环保要求，对生态环境影响较少或者无害，生产及使用过程中的能耗低、资源利用率高，能够进行回收再利用的产品。
绿色产品设计，是在产品设计过程及其全生命周期中，满足基本功能要求、质量要求、成本要求的同时，将产品的环境属性要求(可拆卸、可回 收、可维护、可重用)融入到设计中，充分协调优化各设计要素，力图将产品及其制造过程的环境污染和资源消耗降到最低，产品及其部件做到可回收、可循环和可再利用。
绿色产品设计是实施绿色制造战略的基础和起点。
主要技术和方法包括:
面向可回收的设计
面向可拆卸的技术
生命周期评估技术等
绿色设计
绿色生产工艺
绿色材料选择
绿色包装技术
产品回收
绿色标准与管理体系
绿色制造是企业的一项长期战略，需从产品的全生命周期分析入手，考虑绿色技术的先进性和前瞻性，最终在全局高度达到绿色环保的目标;
全生命周期评估
前瞻性
全局性
影响因素 : 政治(环保法规、碳关税、碳交易政策)、社会(绿色生活、绿色出行、绿色消费等)
e.g. 全寿命周期评估:汽油车vs.纯电动汽车
汽油车全寿命周期能耗约3.2MJ/km;温室气体排放总量约236g/km (清华大学，2013年研究数据)。
纯电动汽车(煤电)全寿命周期能耗约2.3MJ/km; 温室气体排放约208g/km*。
但废旧电池回收的能耗、污染和排放没有计算在内。
全球化类型
信息全球化
交通全球化
经济全球化
政治全球化
全球化使得企业必须考虑自己在全球制造网络中的位置，结合自身的技术特长、发展愿景、优势劣势、竞争压力，制定企业竞争的全球战略。
全球战略又称全球化战略，一般是指跨国公司基于全球视野的考量，利用不同国家和地区的区位比较优势(如成本、技术、人力资源优势等)，把价值链上的各个环节和职能加以分散和配置，使它们有机地结合起来，实行综合一体化经营，努力降低生产经营成本，以期获得长期、稳定的 全球竞争优势，实现最大化的全球效率。
总目标 : 在分布于多个国家的业务基础上取得最大经济收益，而不是仅局限于国际业务活动中一时一地的得失。
优点在于能集中力量在全球范围内建立公司统一的竞争优势，表现在:
1) 将生产经营设施安排在最有利的国家内，对他们的战略行动统一协调;
2) 位于不同国家的业务联动，及时转移技术开发、管理创新的成果，更充分地利用公司的核心竞争力;
3) 可以选择在最有利的地区挑战竞争对手，便于公司建立持久的竞争优势。
是在目的国寻找销售代理，纯粹通过贸易出口，使自己的产品杀入新市场
外资企业初次进入中国
第二类是通过收购当地的业务关联企业，以自身的技术和管理优势对所收购企业做运营提升，借助其原有销售渠道迅速占领当地市场
联想收购IBM个人电脑业务(2004，美国)、服务器业务(2017)
三一重工收购普茨迈斯特(2012，德国)
吉利收购沃尔沃(瑞典)
通过在当地投资建厂，以自身能力构造全新的本地生产系统，制造和销售自己的产品
曹德旺福耀玻璃进入美国(2014，俄亥俄州)
丰田在墨西哥建厂(2016)
后两类方式，能提升东道国的国内生产总值，促进其经济发展，因而是各国政府比较欢迎的方式。
2017年11月10日，特朗普访华，中美2535亿美元大单中，有800亿美元以上，涉及西弗吉尼亚州的页岩气、电力和化工生产项目投资。
制造业价值链可粗分为三大环节
产品研发与设计 : 原始设计制造商(original design manufacturer，ODM)
生产加工 : 原始设备制造商(original equipment manufacturer，OEM)
品牌与销售 : 原始品牌制造商(original brand manufacturer，OBM)。
三者的利润率呈现U型曲线(也称“微笑曲线”)的形式。
1820年前后，中国制造业产值世界占比第一(约20%)，此后一路下滑，1950年前后达到最低。
2010年，中国制造业产值达到1.923万亿美元，占全球制造业总额的19.4%，重新成为世界第一制造业大国。
整体而言，中国制造业目前处在产业链中低端，但已经有越来越多的领域逐渐形成了分享中高端超额利润的能力，如重型装备制造、轨道交通、航空航天、生物技术、量子通讯、军工产品等。
优势 : 产业门类最为齐全。
中国政府在2015年发布了《中国制造2025》，提出了花三十年建设制造强国的“三步走”战略。
第一步，围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等关键环节，以及先进制造、高端装备等重点领域，加快制造业转型升级、提升技术水平与核心竞争能力，到2025年从制造大国迈入制造强国行列。
第二步，到2035年达到世界制造强国阵营中等水平。
第三步，到新中国成立100年时，综合实力进入世界制造强国前列。
根据19大最新的“两步走”战略安排，2020年全面建成小康社会，2035年就要进入创新型国家前列。那么制造业的总体战略可能要比老“三步走战略”提前15年。
2017年10月，中共十九大将“三步走”战略浓缩为“两步走”
第一步，在2020年全面建成小康社会基础上，2035年“基本实现社会主义现代化”，跻身创新型国家前列。
因此，制造业的总体战略可能要比老“三步走”提前15年。
第二步，到本世纪中叶建成富强民主文明和谐美丽的“社会主义现代化强国”。
但是，生产系统并不一定会严格对应某单一生产管理方式，在同一个生产系统中，不同生产管理方式可能会共存。 考虑一个按单装配的生产线，当接到顾客订单后，该生产线才启动装配过程，为客户提供成品，因此从装配点开始，企业采用的是拉式的MTO模式。而在装配点之前，企业必须提前储备所需的原材料、零部件甚至半成品，因而形成了企业库存。可见在装配点的上游，生产线采取的是推式的MTS模式。 若装配点下游的各生产节点可以根据顾客的个性化需求对装配的成品做进一步定制（比如选配不同颜色、型号的配件进行组合），那么该装配点就称为客户定制分离点(customer order decoupling point, CODP) 客户定制分离点将已经完成的生产过程和按照顾客需求进行产品差异化定制的生产过程相分离，其位置决定了在多大程度上能够定制客户所需产品。 CODP越靠上游，产品定制能力越强，但交货周期越长；反之，则定制能力越弱，但交货速度越快。 客户定制分离点的位置并不是确定的。例如：
思考:快餐店的竞争战略与生产系统结构
中国未来排放预测轨迹:中国发改委能源研究所(ERI)基准情境、ERI能效、劳伦斯·伯克利国家实验室持续改善(LBNL CIS)、LBNL CIS加碳捕获封存、ERI低碳、LBNL加速改善、ERI加速低碳。中美协议相当于设定在了LBNL加速改善情境(早达到)和ERI能效/加速低碳(晚达到)之间。
