動態制造環境下生產單元組織行為建模研究

趙東方等

摘要：基于生產單元制造環境的復雜性，分析了生產單元內外部動態制造環境；在此基礎上對動態制造環境下生產單元組織行為進行建模，從知識庫、行為協議、反應協議對生產單元個體、團隊、組織三個層面描述組織行為。最后，以某摩托車發動機生產單元為研究對象，對所提生產單元組織行為建模方法進行應用。仿真結果證實了所提組織行為建模方法應對動態制造環境波動的有效性。

關鍵詞：動態制造環境；組織行為；組織行為建模

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2015.10.29

中圖分類號：F273； TP3919 文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2015）10-0136-05

Abstract：As the manufacturing environment complex in manufacturing cell， the dynamic manufacturing environment is analyzed， including the internal and external environment. Then， organization behaviors model in dynamic manufacturing environment is proposed to describe the organization behaviors， including individual， team， and organization behaviors. Lastly， research is done in use of an organization behaviors model method based on a real motorcycle engine manufacturing cell. The results verify the organization behaviors model can reply the fluctuation of dynamic manufacturing environment.

Key words：dynamic manufacturing environment； organization behavior； organization behavior model

生產單元因具有柔性化設備布局、復雜化生產管理和多樣化組織成員，可顯著提升生產效率。但與傳統的大規模制造相比，其制造環境復雜多變。首先，由于客戶需求多樣化、個性化等原因生產單元外部制造環境存在較多不確定性[1～3]；其次，由于生產單元內部受人員、資源、訂單、工藝等因素的約束，其生產、組織等活動具有較多不確定性 [4～6]。雖然通過市場需求預測、客戶分析及柔性化制造等措施能緩解不確定因素造成的影響，但市場和單元內存在許多隨機因素[7～9]，生產環境的動態性等特征難以消除。組織模式及組織行為作為組織柔性的重要組成部分，可以應對生產單元動態制造環境，成為提升單元效益的有效途徑。

近年來許多學者致力于組織模式及組織行為的研究，提出在提升制造柔性的同時通過靈活的組織模式和多樣化的組織行為提升單元績效[10～14]。組織模式研究中Sherehiy等學者研究了工作組織結構和勞動力的敏捷性關系，研究結果認為員工自主決策權對組織有重要影響[8]；Min Zhang等學者開發了一個大規模協同定置平臺，并研究了組織扁平化對大規模定置功能的影響[15]。組織成員行為研究中，陳雪芳等人研究了敏捷制造組織，強調組織成員具有學習行為和更高的決策行為[11]；孟飚等人研究了多能工精益組織，組織成員具有多種行為方式，根據制造環境的狀態可以靈活安排生產任務[12]；Madureira等學者研究了自組織調度系統中使用集體智慧進行排產的協商行為[7]；Qiu J J 等人基于仿真方法研究了生產單元員工維修行為，結果表明協作維修行為優于不協作[16]；張曉冬等人研究了生產單元成員學習效應方式下組織合作行為，結果表明自主合作行為組織柔性高[17]。上述研究成果雖然可以靈活應對制造環境波動，但多數研究基于數學方法開展，難以體現組織成員的自治性和主動性；另外，現有研究中動態制造環境和組織行為單一，沒有全面分析生產單元動態制造環境和組織行為。

針對上述問題，本文提出了一種動態制造環境下生產單元組織行為建模方法，該方法具有以下特點：第一，全面分析影響生產單元效益的動態制造環境。第二，面向生產單元制造過程分析組織行為，并對組織行為構建模型。基于此，在對生產單元內外動態制造環境進行分析的基礎上，應用復雜適應系統理論（Complex Adaptive Systems，CAS）并結合智能主體技術對動態制造環境下生產單元組織行為進行建模，從知識庫、行為協議、反應協議描述生產單元個體、團隊、組織層面行為，為生產單元組織柔性的提升提供機理；最后將所提動態制造環境下生產單元組織行為建模方法應用于某摩托車發動機生產單元，分析不同動態制造環境下組織行為對生產單元的影響。

1生產單元動態制造環境分析

生產單元作為復雜制造系統，可抽象描述為將任務和資源等在一定約束條件下轉化為產品的一系列過程，該過程是資源、人員、環境等的動態集合，具有動態平衡性。因此，生產單元狀態總是隨時間t發生變化，狀態方程可表示為

其中ER（）為資源集合，ET（）為任務集合，P（）為產品集合，O（）為組織集合，C（）為生產單元，Cst為約束條件。上述狀態表示生產單元從初始狀態1到最終狀態t的轉變過程。在某一時刻i生產單元狀態趨于穩定，但隨著內外部信息、能量和物質等交互作用，生產單元根據制造環境等轉變為另一種平衡，其模型如圖1所示。

造成上述過程的原因為：一方面，由于客戶需求、采購、銷售、資源等的不確定性，導致生產單元外部制造環境復雜多變，生產管理部門難以準確預估制造環境波動。實際生產中雖然可以通過客戶需求預測、采購周期評估、供應商評估、安全庫存、市場分析等手段有效預測客戶需求、資源等波動，然而市場經濟中總存在隨機不確定性干擾，產生預測失效等情況。另一方面，由于單元內部計劃、工藝、資源、設備、人員、產品質量等的不確定性導致內部制造環境具有波動性。生產單元加工中，通常采用質量控制、預防性維修、安全庫存等手段預防制造環境波動，但由于生產單元的復雜性，消除所有可能產生的波動將付出過高成本。因此，對生產單元動態制造環境的分析顯得尤為重要，以便通過多樣化的組織行為靈活、快速地應對制造環境波動。

由于產品制造受多種因素影響，本文將制造環境分為內部和外部制造環境。外部制造環境為生產單元和單元管理部門之外的廣義制造環境；內部動態制造環境主要指存在于生產單元及組織內部的各項影響因素。

（1）外部動態制造環境。

基于生產單元處于制造業底層，政治環境、社會環境、法律環境等在短期內對其影響甚微，本文暫且不考慮上述環境。這里只考慮對生產單元短期影響較大的市場環境和技術環境，依據其形成因素的不同，外部動態制造環境可以細分為客戶需求波動、新技術、新產品威脅波動、同行競爭波動、采購波動、銷售波動等。

由于生產規模擴大導致市場產能過剩，產品加工從以制造為中心向以客戶為中心轉變，多品種、小批量、定制化產品增加，客戶需求難以預測；科學技術的快速發展，新產品、新技術層出不窮，對生產單元造成一定的沖擊；企業生產規模的擴大和產能過剩，企業之間通過一系列措施提升競爭力，如價格戰、核心技術升級等，使得同行競爭加劇；采購管理和銷售同樣存在不確定性，尤其在多品種、小批量生產模式下，客戶需求難以預測。

（2）內部動態制造環境。

企業文化、企業制度不直接影響生產單元，本文暫且不予考慮該環境。根據生產單元產品設計、制造管理等過程，將內部動態制造環境分為設計波動、排產波動、資源波動、人員波動、設備波動及產品波動。其中，設計主要包括產品設計、工藝設計等活動，設計變動會導致制造過程變動；排產主要為訂單生產順序、投產數量等，排產的變動直接導致單元生產任務的改變；資源主要為生產資源、托運工具及其他輔助性工具，對任務進展有重要影響；人員為生產單元加工主體，包括成員狀態、技能、經驗等因素，對生產單元產品質量和進度具有直接影響；產品波動主要表現為產品異常或正常，產品狀態的穩定性對生產單元造成一定的干擾。

外部動態制造環境波動不僅影響生產單元制造過程，同時也導致生產單元內部制造環境波動，如圖2所示。

2動態制造環境下組織行為建模

由于生產單元的復雜性，組織成員既有一般操作

行為也有復雜決策等行為。基于此，本文將組織行為定義為：生產單元中個體、團隊及組織在動態制造環境中所具有的多種行為能力。個體作為組織的細胞是基本操作核心；團隊是若干個體依據一定規則或功能組成的團體負責某種產品加工或其他行為如質檢等工作；組織是單元中所有個體的集合，負責生產全面管理工作。

依據實際制造情況，生產單元中個體、團隊及組織所處層級、職能等不同，其組織行為具有明顯的差異性。根據CAS理論，采用刺激—反應結構模型從個體、團隊和組織三個層面構建組織行為模型，如圖3所示。

圖3中，模型由感受器、驅動器、知識庫、行為協議、反應規則和生產單元組成。其中，感受器為制造環境感知、接收模塊，將動態制造環境信息（如資源狀況、設備狀態等）傳輸給行為主體；驅動器將行為、組織狀態等信息傳輸到生產單元使組織行為產生效用；知識庫、行為協議和反應規則模擬個體、團隊和組織根據動態制造環境實現組織行為的過程；生產單元模擬動態制造環境。知識庫、行為協議和反應規則是模型的核心，對模型的實現起關鍵作用，其構建原理為：

（1）知識庫。知識庫是對人、組織、環境和任務等生產單元知識的抽取，由二元組K={Sk（），Gk（）}表示。其中Sk（）為專用知識庫可表示為Sk（）={s1，s2，s3，s4，…}，主要包括員工、環境、任務和組織等知識庫，存儲員工、動態制造環境、組織能力和任務種類等知識。Gk（）為通用知識庫，可表示為Gk（）={g1，g2，g3，g4，…}，表示個體、團隊和組織可能具有的行為知識，主要包括操作、質檢管理、設備管理和物料管理等知識庫，存儲組織及成員所具有的行為能力。

（2）行為協議。行為協議為組織、團隊及個體所具有的行為，由三元組B={Ib（），Tb（），Ob（）}表示。其中Ib（）主要為個體具有的行為協議，可表示為Ib（）={ib1，ib2，ib3，ib4，…}，主要包括維修、操作、質檢、學習等行為。Tb（）表示團隊行為協議，可表示為Tb（）={tb1，tb2，tb3，tb4，…}，如質量監控、異常監控、設備監控、成員合作等行為。Ob（）表示生產單元組織所具有的行為協議，可表示為Ob（）={ob1，ob2，ob3，ob4，…}，包括組織學習、組織協調、物料管理、設備管理、質量管理、異常管理、工藝管理等行為。組織行為中個體行為協議為較簡單和機械性的行為，團隊和組織行為協議較復雜。

（3）反應規則。反應規則為個體、團隊及組織成員根據制造環境刺激所做出的反應，由三元組R={Ir（），Tr（），Or（）}表示。其中Ir（）表示個體反應規則，可表示為Ir（）={ir1，ir2，ir3，ir4，…}，

包括維修、操作、質檢、學習等規則；Tr（）表示團隊反應規則，可表示為Tr（）={tr1，tr2，tr3，tr4，…}，包括質量監控、異常監控、設備監控、成員合作等規則；Or（）表示組織反應規則，可表示為Or（）={or1，or2，or3，or4，…}，包括組織學習、組織協調、物料管理、設備管理、質量管理、異常管理、工藝管理等規則。

根據上述描述，分別對知識庫K、行為協議B、反應協議R封裝成類，各類之間通過接口傳遞信息。當個體行為協議無法滿足制造需求時，動態制造環境信息傳入團隊層，團隊根據制造信息匹配行為協議；當團隊行為協議無法滿足制造需求時，組織行為協議將產生控制作用。

3仿真實例

31仿真平臺構建

針對前述理論，應用離散事件仿真軟件Flexsim構建某摩托車生產單元模型。其中知識庫、行為協議和反應協議通過Visual C++實現，將各個模塊進行獨立封裝，然后動態鏈接到Flexsim實現對其調用，從而模擬動態制造環境下生產單元組織行為，模型如圖4所示。

當前該生產單元有9臺數控機床（編號為M1～M9）和6名操作工（編號為H1～H6），生產XT、GT和K40三種產品，人機關系及工藝路線如表1所示。

經調研該生產單元受內、外部動態制造環境影響，主要表現在客戶需求變動、人因失誤波動、設備波動、產品質量波動、原材料質量波動等方面。另外依據環境波動程度可將動態制造環境分為微幅波動（方案A）、中幅波動（方案B）和大幅波動（方案C）具體如表2所示。

方案A中生產單元個體成員可以完成各操作任務，團隊和組織合作、協調等行為較少。但隨著制造環境波動程度增加，團隊和組織合作、協調等行為增加，尤其是方案C中需要多種合作、決策等行為完成任務。

該生產單元中所有員工為多能工，可以操作單元內所有設備。該模型中個體是否向團隊和組織發送請求行為取決于任務的復雜程度和緊急程度等因素。

32 仿真實例分析

仿真周期為3個月，每一仿真周期運行30次，每個動態制造環境波動程度仿真10個周期，取各仿真周期各項指標平均值，結果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可知，隨著制造環境波動的增加，生產單元人員利用率和設備利用率都產生波動，但人員利用率波動小于設備利用率波動。為比較不同波動層次對生產單元的影響，對人員平均利用率和設備平均利用率比較，如圖7和圖8所示。

經計算人員平均利用率方面，方案C比方案A降低127%，方案C比方案B降低88%，方案B比方案A降低42%；設備平均利用率方面，方案C比方案A降低278%，方案C比方案B降低246%，方案B比方案A降低42%。

從上述分析可知，動態制造環境對生產單元設備利用率影響大于人員利用率。其原因為：動態制造環境中組織行為能應對環境變化，使得人員利用率波動相對較小。

4結論

本文分析了生產單元內外部動態制造環境，在此基礎上從知識庫、行為協議、反應協議對動態制造環境下生產單元組織行為進行建模，描述個體、團隊、組織三個層面組織行為，致力于提出一種通用的動態制造環境下生產單元組織行為仿真建模方法，為生產單元組織柔性的提升提供機理。該方法應用于某摩托車生產單元，結果表明，生產單元組織行為可以有效應對動態制造環境變化，從而減少動態制造環境對生產單元的影響。

本文所提組織行為模型能夠實現動態制造環境下生產單元組織行為分析，從而為組織柔性和績效提升提供科學決策依據。同時組織行為模型各模塊封裝成類，因此模型具有較好的擴展性。后續研究將不斷充實組織行為，提高行為模型的智能性和合理性。

參考文獻：

[1]Genchev S， Willis G. A Note on Manufacturing Flexibility as a Firm-specific Dynamic Capability[J]. Manufacturing Letters， 2014， 2（4）： 100-103.

[2]Guo Q， Zhang M. A Novel Approach for Multi-Agent-Based Intelligent Manufacturing System[J]. Information Sciences， 2009， 179（18）： 3079-3090.

[3]Green Jr K W， Inman R A， Birou L M， et al. Total JIT （T-JIT） and Its Impact on Supply Chain Competency and Organizational Performance[J]. International Journal of Production Economics， 2014， 147： 125-135.

[4]Oke A. Linking Manufacturing Flexibility to Innovation Performance in Manufacturing Plants[J]. International Journal of Production Economics， 2013， 143（2）： 242-247.

[5]Mahdavi I， Aalaei A， Paydar M M， et al. Production Planning and Cell Formation in Dynamic Virtual Cellular Manufacturing Systems with Worker Flexibility[C].2009. 63-667.

[6]JingSheng Li， Aimin Wang， ChengTong Tang. Production Planning in Virtual Cell of Reconfiguration Manufacturing System Using Genetic Algorithm[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2014， 74（14）： 47-64.

[7]Madureira A， Pereira I， Pereira P， et al. Negotiation Mechanism for Self-Organized Scheduling System with Collective Intelligence[J]. Neurocomputing， 2014， 132： 97-110.

[8]Sherehiy B， Karwowski W. The Relationship between Work Organization and Workforce Agility in Small Manufacturing Enterprises[J]. International Journal of Industrial Ergonomics， 2014， 44（3）： 466-473.

[9]Li W， Hu L， Murata T. Production Planning in Dynamic Cellular Manufacturing System Using Optimization of Cell Reconfiguration Planning Time Horizon with Uncertain Demand[C].2011.466-470.

[10]Schlick C， Reuth R， Luczak H. A Comparative Simulation Study of Work Processes in Autonomous Production Cells[J]. Human Factors and Ergonomics in Manufacturing & Service Industries， 2002， 12（1）： 31-54.

[11]陳雪芳， 張潔. 敏捷化智能制造單元及其關鍵技術[J].組合機床與自動化加工技術， 2005， （6）， 13-16.

[12]孟飚， 范玉青， 林楠. 模塊化精益生產組織改造評估與決策[J]. 計算機集成制造系統， 2006， 12（7）： 1141-1145.

[13]李軍， 關健， 陳娟. 組織學習、動態能力與企業戰略變化關系的實證研究[J]. 軟科學， 2012， 26（3）： 57-63.

[14]董伯麟， 王治森， 王向陽. 人機協同車間數字化制造模式的研究[J]. 合肥工業大學學報， 2008， 31（9）： 1403-1407.

[15]Zhang M， Zhao X， Qi Y. The Effects of Organizational Flatness， Coordination， and Product Modularity on Mass Customization Capability[J]. International Journal of Production Economics， 2014， 158： 145-155.

[16]Qiu J J， Zhao C C， Zhang X D， et al. A Comparative Simulation on Corrective Maintenance Strategies in Cellular Manufacturing Considering Worker Collaboration[C].2014. 202-207.

[17]張曉冬，郭栓銀，陳進，等.基于組織學習的生產系統人人合作方式的仿真研究[J].管理工程學報，2013，27（3）： 103-109.

（責任編輯：王惠萍）