制造系統精益設計的績效評價體系構建

寶斯琴塔娜，齊二石

（1.天津大學 管理與經濟學部，天津 300192；2.內蒙古財經大學 商務學院，呼和浩特 010051）

0 引言

制造系統精益設計績效評價與其他功能性的制造系統所關注的內容有較大差異，所以其評價指標體系選擇應不同。制造系統精益設計績效評價是對所設計的制造系統在滿足顧客需求情況下，是否達到浪費最少的情況進行評價。自2009年由天津大學齊二石教授提出精益設計的概念以來，國內一些學者開始對精益設計如何引入到生產系統領域進行了理論與實踐[1-4]研究。但所構建的方案是否達到精益設計的目標方面的研究幾乎空白，很多學者僅僅通過設備利用率的提高、生產均衡率的提高、產能的提高等方面與改善或重建之前的方案進行比較分析的基礎上提出基本實現了精益化[5]。所應用的評價指標缺乏系統性，大部分停留在定性研究或案例考察，缺少可操作性和科學性，沒有突出精益設計的功能性特點。

本文從精益設計的核心思想出發，通過對現有相關理論的分析與歸納，提出制造系統精益設計方案的特點，結合其功能性特點及現有制造系統績效評價文獻的歸納、整理，提出一套較系統的制造系統精益設計的績效評價指標體系，為指導企業精益設計方案評價提供科學的、可操作性強的評價依據。

1 基于平衡記分卡的制造系統精益設計評價指標構架

1.1 平衡記分卡方法

平衡記分卡理論是20世紀90年代初，由Kaplan和Norton在題為“未來組織績效衡量方法”的研究中，提出來的一種績效評價體系框架。它從企業戰略角度出發，包含財務性指標、顧客滿意指標、企業內部業務管理指標、學習創新和成長指標四個方面的內容。后來Brown[6]提出了財務指標（如EVA）、加工/運作績效（如周轉時間、出錯頻率）、顧客滿意度、員工滿意度和股東滿意度五種指標組成的改進型平衡計分卡評價體系；也有人從顧客滿意、價值測定、顧客忠誠以及財務績效等方面進行了制造系統績效評價[7-9]；Norreklit[10]基于因果關系鏈確定了平衡計分卡，測定制造系統績效評價。

平衡記分卡的基本原理是以組織的共同愿景與戰略為核心，運用平衡的哲學思想，將組織的愿景與戰略轉化為組織運作直接相關的顧客、財務、內部流程和創新與學習四個方面的具體目標，根據這些具體目標確定出相關績效評價指標的過程。

1.2 制造系統精益設計評價指標構架

精益設計是根據市場需求和科技進步的發展現狀、態勢，創新設計產品，根據精益思想進行合理的工藝設計，獲得新的廠內價值流，再進行合理的工廠設計、設施設計和生產組織改善的過程。而對制造系統精益設計的評價應從精益設計功能特性入手，根據精益設計所包含的活動內容是否達到預期目標進行評價的過程。因此，制造系統精益設計評價指標的選擇應能夠較準確地反映精益設計相關活動內容。根據以上要求，構建了制造系統精益設計績效評價指標體系，如下頁圖1所示。

1.2.1 顧客視角

從顧客視角，顧客希望制造企業給他提供低成本、高效率、高質量的多品種產品。因此，制造系統精益設計績效從所提供產品生產的周期長短、產品生產成本、產品質量水平、所提供產品種類等四個指標可以體現。

交付時間，在制造系統中產品平均生產周期越短，產品即時交付可能性越大，因此交付時間在制造系統中主要由產品平均生產周期來體現。產品平均生產周期是指產品從原材料進入到生產完成所需時間。取決于工藝過程、生產效率、生產等待、生產過程中的傳送等因素具有直接聯系。在精益設計思想下，通過價值流優化設計、一個流生產等策略盡量消除不必要的浪費。一般其計算公式為：

圖1 制造系統精益設計指標體系

其中，tif代表第i產品生產最晚結束時間；tis代表第i產品生產最早開始時間。

產品生產成本，是各類產品生產所需的成本總和。計算表達式為：

其中，C代表各類產品生產總成本；Ci代表第i產品生產所需成本。

產品質量水平，是所生產出來的產品滿足顧客需求的程度。是顧客滿意的先決條件，它始于顧客需求，也終于顧客需求的滿足。對制造系統產品質量的衡量一般由廢次品率來表示。廢次品率計算公式為：

其中，f1代表廢次品率；Qfi代表第i種產品的廢品數量；Qfi代表第i種產品的次品數量；Qi代表第i種產品的總生產數量。

產品種類，是企業所能夠提供相同或不同功能產品的種類。快速變化的市場環境和激烈的競爭，要求制造企業改變傳統少品種大批量生產的模式，提供小批量、多品種的產品，如果企業提高競爭力，必須能夠及時轉換生產線，能夠生產多品種產品。

其中，Vj代表第 j條生產線所能生產產品的種類；V代表制造系統生產產品的種類。

1.2.2 股東視角

從投資者或股東的視角來看，制造系統精益設計方案應不僅內部管理控制方便，同時具備較高的投資回報率，而投資回報率以企業所得利潤和投資成本來決定。利潤增長率從制造系統設計角度可以認為通過合理的設計方案降低投資成本和運作成本來提高利潤率，而前面已經涉及到了運作成本相關的生產產品成本，為了滿足所提出的評價指標的獨立性原則，因此這里的利潤增長率主要由投資成本來體現。投資成本可以體現在所需廠房面積大小和設備投資成本、人員所需數量等方面。具體公式為：

其中，CS代表總的投資成本；C1代表投資建廠成本；C2代表設備購置成本；C3代表人員成本。

1.2.3 生產/運作視角

生產/運作視角，主要為了使企業內部控制的簡便性而設計的內容。主要體現在單元化程度、物料搬運成本、平均在制品庫存量、設備負荷平衡率等方面。

單元成組性能，單元化制造因其能夠減少生產過程中的諸多搬運和等待浪費、節約生產所占空間、縮短產品交付時間以及具有較大柔性的特點在精益生產領域被廣泛的應用和認可。單元成組性能直接影響其柔性程度和管理的方便性，有關單元成組性能的評價指標中首次提出總結合能（Total Bond Energy，TBE），但與單元制造的設計目標沒有直接聯系，后來由有專家提出瓶頸元素的比例PE作為成組效率評價指標，現目前應用較多的有零件-機床關系矩陣中的瓶頸元素和對角塊矩陣中的“0”元素所占比例等指標。考慮到通常在單元構建模型的建立的原則中最重要的一項內容為盡量使得單元間物料搬運最小。因此，這里選擇加工工藝瓶頸元素所占比例作為單元成組性能進行評價，參考文獻[4]中的計算模型：

其中，PE代表瓶頸元素；i代表所需生產的產品，i=1'2'…'P；Oi代表第i個產品工序數量。

物料搬運成本，是制造系統布局精益設計中首要考慮的因素，是制造系統布局是否合理的重要衡量指標。復雜制造系統中，約有80%沒有完全達到設計要求，其存在的問題中60%可以歸結為初期規劃不合理或失誤，其中尤其需要解決生產能力不匹配和現場物流布局不合理等問題[11]。合理的布局設計可以有效降低物料搬運成本和時間，減少產品生產成本。物料搬運成本一般包括單元內和單元外物料搬運成本，其表達式：

其中：

mi、mj為設備編號，{ }mi'mj=1'2'…'M ；l'l'為單元內的位置編號，{ }l'l'=1'2'…'L ；c'c'為制造的單元，{c,c'=1,2,…,C}；dll'為單元內位置l和位置l'之間的距離；dcc'為單元c與c'之間的距離；Cmimj為單元內設施mi和設施mj之間單位距離搬運成本；Ccc'為單元c'c'之間的單位距離搬運成。

平均在制品庫存量，在精益設計理念下庫存是不增值的活動，盡量減少來實現“零庫存”。但因實際運作管理的要求，又使庫存成為很多企業的必備品。因此，通過合理的設計，盡量減少在制品庫存水平是精益設計中的重要內容。平均在制品庫存量的一般計算表達式為：

其中，ST代表平均單元規模；STi代表第i個產品在制品庫存量，i=1'…'n。

設備負荷平衡率，為了提高各類設備的利用率，減少產品生產過程中的無效等待，通過合理的設計將各類設備負荷平衡率提高，減少等待浪費。一般表達式為：

其中，Fmi為設備mi的負荷，mi=1'…'M ；Ttak為生產節拍時間；tpk為第p產品第k道工序生產所需時間，k=1'…'K；Dp為第p產品需求量'p=1'…'P。

因在精益環境下，產品以“一個流”原則進行生產，式中假設生產過程中的物料流動按單件流動來考慮。

1.2.4 持續改善視角

隨著市場的快速變化和科學技術的不斷發展，制造系統中所生產產品的工藝過程、生產線、車間布局等要不斷

其中：

φ1代表平均設備柔性；Fmi代表設備mi所能提供各種加工方法的數量，mi=1'…'M；Lmi代表整個加工任務所需的加工方法的數量。

平均生產線柔性的計算公式：改變來適應需求。而以靜態理念下所設計的制造系統的持續改善難度很大，費用很高，因此在制造系統精益設計的持續改善性能要求較高。持續改善性能，也可以稱為柔性，因此在本文中主要以平均設備柔性、平均生產線柔性、平均布局柔性來衡量。平均設備柔性的計算公式，可參考文獻[12]，具體公式為：

其中：

φ2代表平均生產線柔性；ra代表生產線a所能生產的產品種類，a=1'…'A；P代表制造系統內部所需生產產品種類。

制造系統布局柔性表示制造系統布局方案重構難度的大小。因此，可以重構成本和重構時間來進行計算：

其中：φ3代表制造系統布局柔性；Cc代表制造系統布局重構成本；CJ代表制造系統投建成本；Tc代表制造系統布局重構時間；TJ代表制造系統最初投建時間。

2 對制造系統精益設計評價指標的重要性判定

上文雖然對每個評價指標均提出了定量計算方法，但由于各項評價指標之間的量綱不統一，需要對各指標因素進行歸一化處理，對各因素的權重進行判定才能進行合理的評價。但不同指標在不同制造系統中的重要性不同，傳統方法由專家根據主觀經驗直接判定又缺乏準確性，導致績效評價結論的偏差。目前應用較廣泛的各指標重要性判定方法有AHP方法、熵權法、AHP-熵權法、模糊綜合評價法等多種方法。因篇幅的原因，這里對基于AHP層次分析法進行指標重要性判定方法進行簡單的介紹。

（1）建立層次結構模型

本文建立了由4個準則層、指標層13個指標組成的制造系統精益設計績效評價指標體系，如下頁圖2所示。

（2）構造判斷矩陣

判斷矩陣反映專家們對各指標相對重要性的判斷，是準則Bi對總目標的相對重要性和指標層Cj對準則Bi的相對重要性的度量數據表達的矩陣，是各層指標內部進行兩兩比較后獲得的判斷矩陣，A=(aij)n×n。滿足如下條件：①aij＞0 ；②

圖2 制造系統精益設計績效評價指標體系層次結構

（3）層次單排序

計算判斷矩陣的最大特征根λmax和對應的特征向量W=(w1'w2'…'wn)T，作為本層次元素對目標元素的排序權值。

（4）進行一致性檢驗

計算一致性指標C.I.：

C.I.為判斷矩陣階數)

計算一致性比例C.R.：

式中，R.I.為平均隨機一致性指標。表1中給出1-15維矩陣重復計算1000次的平均隨機一致性指標。

表1 平均隨機一致性指標

如果C.R.＜0.1，則判斷矩陣的一致性可接受，權重值合理。

3 結論

本文根據制造系統精益設計的功能性特點要求，基于平衡記分卡的思想，提出了由顧客視角、股東視角、生產/運作視角和持續改善視角四個方面組成的符合精益設計績效評價的指標體系，并提出了各評價指標的計算公式，給制造系統精益設計方案選擇提供了量化依據，使得精益設計方案選擇更加科學合理化。本文提出的制造系統精益設計評價指標是基于對長期與企業溝通過程中逐步總結和整理出來的可操作性較強的，適合于大部分制造企業的一般性精益性評價指標，因企業自身對不同環節的重視度不同可多增加一些其他指標進行績效評價。同時，因制造系統精益設計理論和方法在不斷的整理和完善，未來進一步和企業溝通與應用過程中不斷地修正和完善各類指標。

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（責任編輯/亦 民）