（管理科学与工程专业论文）大规模定制企业生产调度优化问题研究.pdf

大规模定制企业生产调度优化问题研究 摘要 市场竞争的激烈化和客户需求的个性化使得制造业进入大规模定制生产阶段。和传 统的大规模备货生产相比，采用定制化策略的大规模定制生产存在成本和交货期的挑 战，如何对客户的定制需求实现低成本快速反应是它面临的基本课题，而生产作业调度 计划则是保障企业实现低成本快速反应的一个关键问题。因此，本文主要以大规模定制 生产调度为主要研究方向，以优化调度设计为主要内容，结合智能优化技术对大规模定 制生产调度问题进行优化，希望有助于调度理论在大规模定制生产中的实践。 本文首先基于对大规模定制基本内容和其生产实现方式的探讨的基础上，对大规模 定制生产作业系统进行了再造，提出了基于定制点分离思想的零部件快速加工作业系统 和面向客户定制的快速组装作业系统。接下来，基于对大规模定制生产调度的物料和产 能双重限制特征，以及作业系统分类基础上，对大规模定制生产调度优化问题进行了数 学建模研究，提出了零部件加工调度时基于作业族的思想设置机器调整缓冲时间，以及 组装生产调度引入客户指定物料限制的思想。 基于对作业调度遗传算法的改进，本文采用m a t l a b 对大规模定制生产作业调度问题 进行了设计。最后本文对大规模定制环境下调度优化设计进行了仿真研究，仿真结果证 明本设计较好的解决了大规模定制生产调度的物料和产能双重限制问题，有助于准确安 排交货期和减少生产成本。 关键词：大规模定制；生产调度；优化；遗传算法 硕士学位论文 1 i _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ ! ! _ _ _ _ _ _ _ _ = = _ | = ，= | e e = = = j 自= e _ _ _ _ - t - - - _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ j - e = = _ 一 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yc a m et om a s sc u s t o m i z a t i o n ( m c ) p r o d u c t i o nb c c a t l s eo ft h e i n t e n s em a r k e t c o m p e t i t i o n a n di n d i v i d u a lc u s t o m e r d e m a n d c o m p a r e d w i t ht h e m a k e - t o s t o c ks t r a t e g yo fr u a s sp r o d u c t i o n ( m p ) ，m a s sc u s t o m i z a t i o na d o p t e dt h e m a k e - t o o r d e rs t r a t e g y ，a n di th a st h ec h a l l e n g e so fc o s ta n dd e l i v e r yt i m e ，s oh o wt o r e s p o n s et h ec u s t o m i z a t i o nd e m a n d so fc l i e n tq u i c k l yw i t l ll o wc o s ti sab a s i ct a s ko fm c a n dt h es c h e d u l i n gp r o b l e mi sc r i t i c a lo n et oa c t u a l i z el o wc o s ta n dq u i c kr e s p o n s et ot h e c u s t o m i z a t i o nd e m a n d s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rt o o km cs c h e d u l i n gp r o b l e ma st h em a i n r e s e a r c hd i r e c t i o na n di t s o p t i m i z ep r o b l e ma st h ec o r ec o n t e n ti nn l a s sc u s t o m i z a t i o n p r o d u c t i o n ，s y n t h e t i c a l l yu s e dt h eo p t i m i z et e c h n i q u eo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( a i ) 。 a t t e m p t e dt om a k ec o n t r i b u t i o n st op r a c t i c es c h e d u l i n gt h e o r yi nm a s sc u s t o m i z a t i o n p r o d u c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s e so f b a s i cc o n t e n ta n di t sf u l f i l lp a t t e r no f m c ，t h ep a p e rr e f o r m e d t h em a n u f a c t u r es y s t e mo f m c ，a c c o r d i n gt ot h ec o d p ( c u s t o m e ro r d e rd i s c o u p l i n gp o i n t ) ， s u g g e s tt od i v i d e dt h es y s t e mi n t ot w op a r t s ，o u ei st h ep a r tp r o c e s ss y s t e ma n dt h eo t h e ri s f a s ta s s e m b l ys y s t e m 缸e dt oc u s t o m i z a t i o nd e m a n d s t h e r ea r em a t e r i a ll i m i t sa n dc a p a c i t y l i m i t si nm c p r o d u c t i o n ，b a s e dt h ec l a s so f m cp r o d u c t i o n ，t h ep a p e rm o d e l e dt h es c h e d u l i n g p r o b l e mo f m cp r o d u c t i o n , p u tf o r w a r dt h a tt h eb u f f e rs h o u l db et a k ei n t oa c c o u n ta c c o r d i n g t ot h em e t h o d so f j o bf a m i l yw h e ns c h e d u l i n gt h ep a r t sp r o c e s s ，a n dt h em a t e r i a ll i m i t so f c u s t o m i z a t i o ns h o u l db ec o n s i d e rw i t i ic a p a c i t yl i m i t st o g e t h e rw h e ns c h e d u l i n gt h ea s s e m b l y p r o d u c t i o n t h ep a p e ri m p r o v e dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，t h e n 。b a s e do nt h ep l a to fm a t l a b d e s i g n e dt h es c h e d u l i n go p t i m i z ep r o b l e mo f m c a tl a s t , t h ep a p e rs i m u l a t e dt h ed e s i g no f m cs c h e d u l i n go p t i m i z e ，t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h em o d e lo fm cs c h e d u l i n go p t i m i z e p r o b l e mi sl o g i c a la n ds o l v e dt h ed i p l e xl i m i t s , m a t e r i a ll i m i t sa n dc a p a c i t yl i m i t s ，o fm c p r o d u c t i o n ，i tw a sh e l p f u lt oe x a c t l yd e i c i d et h ed e a d l i n eo fd e l i v e r ya n dl o w e rt h ec o s to f p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：m u s sc u s t o m i z a t i o n ；p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ；o p t i m i z e ；g e n e t i ca l g o r i t h m 大规模定制企业生产调度优化问题研究 图1 1 论文框架示意图 插图索引 图2 1 大规模定制生产的基本实现方式。 图2 2 大规模定制生产作业系统 图3 1 调度优化算法分类图 图3 2m r p 流程图2 5 图3 3 组装生产物料限制图2 9 图4 1 遗传算法基本流程图3 3 图4 2 传统算法和遗传算法对比示意图3 5 图4 3 单点交叉示意图3 8 图4 4 双点交叉示意图3 8 图4 5 遗传突变示意图。3 9 图4 6 染色体解码示意图4 2 图4 7 组装调度编码示意圈4 2 图5 1c a r 6 调度问题基本遗传算法求解性能分析图4 5 图5 2 c a r 6 调度问题改进的遗传算法求解性能分析图4 5 图5 3m cf t 0 6 问题改进遗传算法求解性能分析图4 6 图5 4m cf t 0 6 问题最优解甘特图4 7 图5 5m c 组装调度问题改进遗传算法求解性能分析图4 8 图5 6m c 组装调度问题最优解甘特图。4 9 v l 硕+ 学位论文 插表索引 表2 1 不同生产制造模式特征比较7 表4 1 调度问题编码范例 i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 名：私寸勿彳日期删年9 月亏汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 ，不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 碳十幻日期；枷饵 日期：切彩年 夕月；口日 9 月珈日 ， 硕士学t f ) = 论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 ，1 9 1 3 年，以美国福特汽车公司流水线大规模生产t 型车为标志着大规模生产到来， 在此后的半个多世纪，大规模生产是世界制造业的主导模式，它以规模经济、高效率和 低成本为特征，使制造业获得了前所未有的速度发展，为人类社会制造了巨大的物质财 富，为人类文明和社会进步做出了巨大的贡献。 但是随着市场发展，市场竞争加剧，商品的供应越来越丰富，在要求低成本的前提 下，客户不在被动的选择已有商品，客户需求趋于多样化和分散化，客户产品定制化的 需求日益突出。大规模生产的机会将越来越少。因此，大规模定制生产( m a s s c u s t o m i z a t i o n ，m c ) 作为一种新型的生产模式应运而生。 所谓大规模定制简单说来就是以大规模批量生产的高速度、低成本以及定制生产所 具有的个性化、多样化进行生产。作为一种理想的先进生产模式，大规模定制为制造企 业提供了一条多样化和低成本的解决思路，因此是很多企业努力追求的目标。但是大规 模定制生产本身就是一个矛盾的结合体，在其具体实施过程中，制造企业面临了多方面 的难题，究竟怎样才能做到按照大规模的效益进行定制产品的生产，即定制产品要想大 规模生产的成本那样低，定制产品的交货期要像大规模生产那样短，定制产品的质量要 像大规模生产的质量那样稳定，然而产品却是按照客户的个性化需求定制的，很多学者 从多角度进行了研究，其中作业计划系统是一个重要的研究内容。 在传统的大规模生产方式中，企业根据市场预测安排生产，采用的生产战略为备货 生产型( m t s ) ，生产不由客户驱动，其作业计划易于实施，而在大规模定制生产中， 企业根据订单安排生产，其生产战略为定制生产( m 1 o ) ，因此大规模定制生产在生产 过程中存在成本和时间上的劣势，大规模定制生产面l l 缶的最大挑战是成本和交货期。如 何对客户的定制需要制定出合适的作业调度计划，及时对客户需求做出反应、提供较低 成本定制化的产品是大规模定制企业必须解决关键问题“1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大规模定制研究现状分析 自从s t a n l e yd a v i s ( 1 9 8 7 ) 在其著作 f u t u r ep e r f e c t 中给出大规模定制( m a s s c u s t o m i z a t i o n ，m c ) 的定义后，国内外大量文献对此进行了广泛的研究。 根据笔者的整理，目前国外研究文献的研究领域主要集中于以下几个方面：首先是 对大规模定制的定义研究，如a l v i nt o m e r 、s t a nd a v i s 、k o f l e r 、p i n e 、b o y t o n 和 v i c t o r 、h a y 、s i l v e i r a 等人的研究1 ；其次是对大规模定制的定位问题的研究，如w j s t b r o o k 和w i l l i a m s o n ，l a m p e l 和m i n t z b e r g ，以及g i l m o r e 和p i n e 等人的研究叭”；大 大规模定制企业生产调度优化问题研究 规模定制成功的关键要素，如l a uj 、h a r t 以及k o t h a 等人的研究“”；实施大规模定制 的必备条件，如g o o l e y 、w o m a c k 以及f u l k e r s o n 等人的研究“；大规模定制在特定 行业的应用，如f e i t z i n g c r 和l e e 、m a r i e t t a 等人的研究1 “。 另外，从总体上看，目前国内对大规模定制生产模式的研究可以分为两个部分：首 先是研究大规模定制下产品设计开发技术与产品建模理论，其次是研究大规模定制生产 的企业组织与运作管理，这两个部分是相辅相成的。一方面对面向大规模定制的产品设 计开发技术的研究是生产组织运作的基础，因为企业生产组织的核心就是企业的产品， 如何设计出适于大规模定制的产品结构并实现产品模型合理表达，是大规模定制应首先 考虑的问题；另一方面，如何进行产品的开发过程的组织以及产品的生产运作是实现大 规模定制的重要手段，设计方法学的理论和交付客户的定制产品都要通过先进制造理论 支持的环境来实现，其中李斌等人对大规模定制下装配线调度进行了研究“1 。 综合国内外对大规模定制生产研究的文献，可以看出，到目前为止较少有文献对大 规模定制背景下的作业调度问题进行系统性的研究。 1 2 2 生产调度问题研究现状分析 调度问题的研究始于2 0 世纪5 0 年代，在过去的几十年中，人们对调度问题进行 了大量的研究工作，自从上个世纪5 0 年代j o h n s o n 提出了解决i ，2 f c m a x 和部分特 殊的n 3 f c m a x 问题的优化算法起，调度问题的研究就受到应用数学、运筹学、工程 技术等领域科学家的重视，科学家们利用运筹学中的线性规划、整数规划、目标规划、 动态规划及决策分析方法，研究并解决了一系列有代表意义的调度和优化问题嘲。 2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，人们开始注意并重视调度复杂性问题的研究，提出了用于研究 算法有效性和问题难度的计算复杂度理论，许多调度问题被证明为n p 完全问题啪1 。2 0 世纪7 0 年代后期，经典调度理论取得了重要进展，并且作为一门应用数学学科已经基 本成熟，但是实际调度问题与经典调度问题还有相当的距离，人们经常会问到这样的问 题：调度理论的研究成果有多少已经应用到实际调度问题中，比如敏捷制造，实时系统， c 4 i ，空中管制，自适应容错和机器人等领域中的调度问题，这是一个很难回答的问题， 因为调度研究的分类经常是模糊不清的，并且某些调度研究是在很具体的层次上，通用 价值很小，有关调度理论没有在实践中大规模应用的原因有很多说法，一种比较有说服 性的说法是这样的：现有的调度理论和方法对于解决实际调度问题仍然是不够的，需要 重新考虑和进一步扩展，当然，严重阻碍经典调度理论研究取得重大进展和突破的关键 还是调度问题的n p 性质，实际调度问题往往都是非常复杂的，没有确定的物理和自然 规律可循。因此是非常难解的，并且大多是没有精确解的，因此，仅仅依靠经典调度理 论中基于解析优化的技术和方法，试图解决属于n p 完全问题的实际调度问题，不可避 免地会遇到难以逾越的障碍。随着7 0 年代后期调度理论研究的深入及各种交叉学科的 发展，又涌现出了许多新的生产调度理论与方法。 从2 0 世纪8 0 年代初开始，人们就一直在尝试并致力于解决实际调度问题，调度研 2 硕士学位论文 究由理论研究转向应用研究阶段，在这样的历史背景下，应用人工智能，计算智能和实 时智能研究成果，解决实际调度问题的智能调度方法就走上了历史的舞台，从大量的文 献所反映的情况看，智能调度方法是解决实际调度问题最有效的途径和最有前途的调度 方法之一，同时，基于反馈控制的实时调度算法也初步显示了解决实际调度问题的强大 威力，尽管目前还处于研究的初步阶段，但是随着研究的不断深入和应用的开展，相信 会取得重大的突破性进展，因此，可以说，智能调度方法和基于反馈控制的实时调度理 论和方法为解决实际调度问题展示了光明的前景。 另外，正如车间调度领域专家r e l l au z s o y 教授指出的那样，归纳目前调度领域分 成了两个阵营，一个是理论阵营，他们对理论非常感兴趣；另一个是实用阵营，认为理 论阵营的文章毫无价值，注重研究的实用性。在上述提及的各种方法中，实际应用的多 是基于规则调度或基于知识的启发式调度，因为生产的实际情况太复杂，且一些理论方 法计算比较复杂，显得无能为力，而由实际情况提炼出的规则和知识调度相对而言比较 简单且更接近于生产实际。但是仅由若干规则或经验知识进行调度又存在着调度结果不 一定是最优的问题m 。 1 3 研究目的与意义 本文的主要目的就是在对大规模定制生产的生产特征的分析的基础上系统地研究 其生产作业调度系统，在希望能有助解决通常生产作业计划系统所出现的种种问题，帮 助制造企业更好的提升其大规模定制化生产能力，在有效地降低其生产成本的同时帮助 企业提升其对客户需求的反应速度。从更具体的角度上看，作者希望通过本研究可以帮 。助企业：可迅速完成产品的多样化生产，减少产品的交货期；组织均衡生产，稳定生产 秩序，扩大加工批量，提高生产效率；避免因定货变动，出现产品积压或短缺的风险， 减少库存占用和消除无效劳动和浪费，降低生产的成本 1 4 研究思路与框架 本文研究的基本思路为；以大规模定制环境为背景，通过对现阶段制造业生产特征 分析，提出了在大规模定制环境下建立新的生产调度优化系统的必要性；然后基于对大 规模定制基本内容和其生产实现方式的探讨的基础上，对大规模定制生产作业系统进行 了再造，为建立合理的生产调度优化模型做好铺垫；接下来，基于对大规模定制生产调 度的物料和产能双重限制特征，以及前文建立的作业系统分类基础上，对大规模定制生 产调度优化问题进行数学建模研究：通过优化算法的比选与改进，对大规模定制环境下 调度优化问题进行基于人工智能计算技术的优化设计；最后设计出一个合理算例进行仿 真研究，对算法的性能进行比较分析，对大规模定制生产调度模型以及其优化设计的合 理性进行检验。 因此，本文的主要研究框架如下： 3 大规模定制企业生产调度优化问题研究 图l i 论文框架示意图 1 5 本文的主要创新之处 本文在以往关于大规模定制生产方式研究成果的基础上，结合大规模定制产品物料 特征和定制产品生产特征，设计了大规模定制生产作业原型系统，在此基础上对其生产- 调度问题进行了建模研究，然后再对优化调度技术的比选基础上，构建了基于改进遗传：、 算法的大规模定制生产优化调度模型，并且对其进行了仿真研究，其主要创新之处在于： ( 1 ) 结合国内外研究的最新成果，对大规模定制生产作业系统进行了研究，基于 定制点分离思想提出了两阶段生产作业系统，该研究为研究和实践大规模定制实现模式 提供了帮助。 ( 2 ) 基于考虑大规模定制生产客户制定物料限制和生产交货期限制的约束条件， 本文对这种特殊制造环境下的生产调度优化问题进行了建模研究，提出了零部件加工调 度时基于作业族建立缓冲区的思想，以及组装生产调度引入客户指定物料限制的思想， 为在实践和研究该生产模式下的调度问题提供了指导和理论准备。 ( 3 ) 在对遗传算法的改进基础上，本文结合大规模定制生产调度的特点设计出了 基于改进遗传算法的优化调度模型，并且采用r n a t l a b 进行了实现，该方法直观可行，为 实践该优化调度设计提供了实际依据。 大规模定制环境下的作业调度问题作为一个很实际的课题，其研究具有较大的应用 价值，本论文将为大规模定制生产实现模式和其优化调度实现提供一定的实际指导和理 论借鉴意义。 4 硕士学位论文 1 6 本章小结 本章首先分析了大规模定制生产快速发展的研究背景，然后阐述了大规模定制国内 外研究现状和发展趋势，接下来科学界定了生产调度研究分类和基本优化技术，指出现 有研究的不足和缺陷，进而提出本文的研究思路和框架，本章最后归纳了本文的研究创 新点。 大规模定制企业生产调度优化问题研究 第2 章m c 生产作业系统建模研究 2 1 大规模定制概述 2 1 1 大规模定制的产生 1 9 世纪6 0 年代开始，大规模生产开始从一个生产范式和管理范式慢慢走向没落， 自从1 8 世纪引入大规模生产这个概念以来，其一直被当作一种生产范例，例如劳动分 工、通用零件、流水组装生产线。1 9 世纪7 0 年代开始，大规模生产企业之间竞争加剧， 同时，产品的多样性开始增加，相应的精益生产作为一种新兴生产范式( 稳定生产调度、 多模式生产线、客户驱动、生产率维护等) 以及管理范式( j i t 、广告牌、质量屋等) 逐渐取代了大规模生产。1 9 世纪9 0 年代以后，由于生产率的提高，市场竞争进一步加 剧，消费者需求凸显多样化、高质量、低成本的产品需求，这时候，在精益生产、大规 模生产和手工生产的基础上大规模定制作为一种新的生产模式被企业加以实现( 图 2 1 ) ，大规模定制旨在以接近大规模生产的成本和效率提供满足客户需求的多样化和个 性化的产品以及相应的服务，多样性、时间和成本是其3 大基本要素。 m 品 生 $ 量 产品多样性 圈2 1 制造模式发展示意图 随着生产模式的改变，所有制造业和服务业( 例如汽车制造业、r r 行业、电信业、 医疗服务、食品、银行金融等) 不再追求同质市场的标准化生产和服务，取而代之的是 应用新的技术和管理满足不同客户的差异化需求，例如敏捷制造、柔性制造系统f m s 、 计算机集成制造c i m 、供应链管理和客户关系管理等。企业不再是一味的追求研发、生 产、营销以及将产品以几乎所有人都可以承担的低价提供给消费者。企业现在追求将多 样化和可定制化程度高的产品提供给消费者，因此所有消费者都可以从中找到对应自己 需求的产品。表2 1 对手工生产、大规模生产、精益生产和大规模定制生产进行了比较。 6 硕士学位论文 表2 1 不同生产制造模式特征比较 特性 手工生产大规模生产精益生产 大规模定制 任何客户 否 是 是 是 任何产品是否否是 任何地点 否是是 是 任何时间否是是是 任何产量 否否是是 主要特征无法规避的高成尽可能低的成大规模生产的成大规模生产的成 本、个性化产品本、大众化产品本、产品生产针本、产品生产针 对每一市场细分对每特定客户 产品属性高多样性，低标低多样性，高标高质量标准化产高质量个性化产 准化产品准化，产品缺陷品、一定的多样品和服务，无约 期望控制 性 束可操作多样化 生产力手工劳动、技术采用工厂机械方消除价值链中非通过消除流程浪 性强式生产、以维护价值增加流程和费增加提供给客 额外供应、空间、操作( 流程浪费) 户的产品价值 劳动力、投资等 为成本 生产技术基于技巧的工艺特定用途设备，可编程柔性化自高柔性综合自动 低技术操作动生产设备生产设备( 快速 ( c n c ，f s m 、 原型系统、f m s 、 a s r s 、c a d 、c i m ，e d l 、柔 c a m 、c t m ) 性加工装配) 销售市场富人阶层定制大量市场 通过消费者调查大规模定制市场 确定的细分市场 2 1 2 大规模定制的定义 大规模定制的想法最早可追溯自t o f f l e r ( 1 9 7 0 ) 在未来的冲击( f u t u r es h o c k ) 中所提出之概念，书中首次提出了一种以接近于标准化大规模生产的成本和时间，提供 满足客户特定需求产品和服务的生产方式的设想，他认为大规模定制在技术上已是可行 的，而当民众越来越富裕，他们会希望获得更加多样化的产品或服务，而这也将迫使大 规模定制的技术持续的发展，且会成为未来的趋势。 s t a nd a v i s ( 1 9 8 7 ) 在未来的理想生产方式( f u t u r ep e r f e c t ) 一书中将这种生产 方式称为“m a s sc u s t o m i z a t i o n ”，即大规模定制。d a v i s 认为着公司能较竞争者定制更多 产品，则竞争优势会更强。他首先对大规模定制提出广义的定义，其认为大规模定制是 7 大规模定制企业生产调度优化问题研究 厂商藉由高度敏捷的生产、弹性及整合的能力，提供每一位顾客量身订做的产品与服务， 藉此确实符合每位顾客的独特需求。 k o t l e r ( 1 9 8 9 ) 以营销管理的观点提出大规模定制的观念，作者认为大规模定制是 范畴经济( e c o n o m i e so f s c o p e ) 的应用，透过单一作业的模块化，可以以便宜与迅速的 方式生产多样化的产品与服务以满足顾客所需“1 。 j o s e p hp i n eh ( 1 9 9 3 ) 将大规模定制的观念带入生产管理的领域中，并对大规模定 制的内容进行了完整的描述：大规模定制生产方式是一种面向客户个性化和竞争全球化 而产生的新型生产方式，通过产品结构和制造过程的重组，运用现代信息技术、新材料 技术、柔性制造技术等一系列高新技术，把产品的定制生产问题全部或部分转化为批量 生产，以大规模的生产成本和速度，为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产 品作者认为透过弹性的作业及信息科技可以达成范畴经济，即以单一生产，在不牺牲生 产上的效率、效能及成本的前提下，更廉价、更快速的提供各种产品与服务，主要目的 就是为了提供多样化的产品或服务，让每位顾客能以合理的价格找到其需要的产品或服 务。 b o y t o n ，v i c t o r ，a n dp i n e ( 1 9 9 3 ) 以产品处理矩阵( p r o d u c t - p r o c e s sm a t r i x ) 来阐述 大规模定制的观念，其认为大规模定制是可以因产品需求动态变化但维持生产的稳定变 化稳定的生产策略，也就是说以一系列稳定的作业来生产大量差异化的产品与服务，并 强调大规模定制的达成需要持续对于作业不断的改进且提升，并以策略性组织设计、知 识创造及长期的流程经验与集体k n o w - h o w 来反应快速且不可预期的市场需求；k a y 则 提出大规模定制是以信息科技导向的生产及传送系统，在大量生产的成本下，有效的满 足个别顾客的需求。大规模定制是一个整体的概念，包括产品、组织结构、配送及生产、 营销等方面。作者并提出大规模定制的观念性定义，如下列所示：大规模定制( m a s s c u s t o m i z a t i o n ) = 专注顾客( c u s t o m e r - f o c u s e d ) 精益生产( l e a np r o d u c t i o n ) x 持 续多样化( c o n t i n u o u sv a r i e t y ) x 短周期时间( s h o ac y c l et u n e ) 扁平且充分授权的 管理文化( f l a t & e m p o w e r e dm a n a g e m e n tc u l t u r e ) 嗡”1 。 s i l v e i r a 等人( 2 0 0 1 ) 认为大规模定制的生产观念强调藉由弹性程序以高产量且合 理的价格来提供顾客定制化的产品以及服务“。 幺1 3 大规模定制的特征- 2 1 3 1 以顾客需求为导向 在传统的大规模生产方式中，是先生产而后销售，因而大量生产是一种推式( p u s h ) 的生产模式。而在大规模定制中，企业乃以顾客提出的定制化需求为起点，因而大规模 定制是一种以需求来拉动( p l l l l ) 的生产模式。 2 1 3 2 以信息技术及弹性制造技术为骨干 大规模定制必须对顾客的需求作出实时响应，因此需要现代信息技术作为基础架 8 硕士学位论文 构。因特网与电子商务的迅速发展，使企业能够实时地获取顾客的订单；弹性制造系统 则确保企业能迅速生产出高质量的定制化产 2 1 3 3 以模块化设计，标准化零组件为基础 由模块化设计、零组件标准化，可以批量的方式生产模块和零组件，减少定制化产 品中标准化的部分，从而缩短产品的交货前置期和减少产品的定制化成本。 2 1 3 4 以快速及时反应为目标 在传统的大量生产方式中，企业与顾客是一对多的关系，企业以不变应万变。而在 大规模定制中，企业与顾客是一对一，面对面的关系，企业所面临的是千变万化的需求， 所以企业必须快速满足不同顾客的需求。因此，大规模定制企业必须是由快速反应的虚 拟组织所组成，这种快速反应不仅展现在弹性的生产设备与多能的员工，并且具体表现 在组织结构的扁平化上。 2 1 3 5 以竞争的供应链管理为手段 在未来市场经济中，竞争不再单纯是企业与企业之间的竞争，而是供应链与供应链 间的竞争。大规模定制企业藉由与其供货商建立起竞争与合作的关系，共同满足顾客的 需求嘲。 2 2 大规模定制生产的实现思路与模式 2 2 1 大规模定制生产的实现思路分析 t u ，v o n d e r e m b s e ，n a t h a n ( 2 0 0 i ) 在研究中提到，大规模定制的生产方式使企业 以接近于大规模生产的成本来设计、生产大量且差异化的产品，并实时的传送给顾客以 满足顾客的需求。因此，大规模定制生产需要解决的主要问题是满足消费者的个性化需 求与大规模生产之间的矛盾“1 。解决此矛盾的基本思路是：通过产品结构和制造过程的 重组，运用现代信息技术、新材料技术、先进制造技术等一系列高新技术，把产品的定 制生产问题全部或者部分转化为批量生产，以大规模生产的成本和速度，为单个客户或 小批量多品种市场定制任意数量的产品跚。 2 2 1 1 必须实现大规模生产线制造向敏捷制造的转化 所谓敏捷制造就是指生产流程能够对变化的需求作出快速响应，并据此快速调整， 组合生产线，从而生产出适应不同需求的产品。这种多品种、变批量的灵活生产能力正 是大规模定制的核心所在。根据维度的不同，目前敏捷制造的实现方式可以分为内部敏 捷制造和外部敏捷制造两种。内部敏捷制造强调企业通过自身的改造去发展这种灵活生 产的能力，其中最重要的地方就在于实现生产线中设备的模块化、标准化，使设备易组 合、易调整，而这很大程度上依赖于先进制造技术( a l t ) 的采用。例如，计算机数控 9 大规模定制企业生产调度优化问题研究 技术( c n s ) ，柔性制造技术( f m s ) ，计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) ，电子数据 交换( e d i ) ，计算机集成制造( c i m ) 等技术已经成为大规模定制的核心基础。外部敏 捷制造则是随着信息技术、通讯技术的发展而出现的概念，它是以虚拟企业( v i r t u a l e n t e r p r i s e ) 为基础的敏捷制造系统，其思想主旨就在于通过先进的信息、通讯技术把不 同区位的企业联接成一个虚拟的企业资源库，这样，任何一个企业就可以针对市场变化 从这个库中选择、利用相应的资源来实现敏捷制造。相比而言，外部敏捷制造既克服了 依靠自身调整速度较慢的问题，又减少了企业的投入。 2 2 1 2 大规模定制对企业人力赍源提出了更高的要求 在大规模生产线上，产品单一、型号有限，出于效率最大化的考虑，工人的位置被 常年固定在一个岗位上，这就造成了工人技能单一。与此相反，大规模定制的显着特点 就是多样化的需求与多样化的产品，生产流程不再一成不变，而是要根据产品的不同类 型作出灵活的调整、组合。这种情况下，工人的工作必然突破某一工种的限制，而要根 据不同的产品不断作出相应的调整，这就要求工人不再是知识局限的专业人才，而应是 具有多方面业务知识的全才。对于企业来说，要适应这种对人力资源要求的变化，唯一 长期可行的指导原则就是要不断对人员进行教育，不断提高人员素质，创立学习性组织， 并提供必要的物质资源支持人员的创造性和主动性。而且，这样做不仅适应敏捷制造的 需要，同时，出于有效激励的考虑，工人会由于自身价值得到提升和确认而创造出更大 的积极性和主动性。 2 2 1 3 大规模定制强调和重视来自消费者的多样化需求 实施大规模定制的成功与否，很大程度上取决于需求信息能否顺利实现向生产单元 的转化( i n f o r m a t i o nt r a n s f e r ) 。在理想状态下，大规模定制要求企业与消费者在从设计 到生产到销售的全过程中都进行密切的信息交流消费者直接参与定制过程这 种信息传递的最短路径也正是广义大规模定制的重要内容之一。但如前所述，很少有企 业能够做到这一点。因此，对于大多数企业来说，信息的转化是个复杂路径，具体来说， 般需要经过三个步骤，即确定可提供的需求菜单内容；收集消费者的选择信息；把选 择信息交付制造单元。 首先，企业要确定自己可以向消费者提供的菜单内容选项( 如各种尺寸、各种色彩 搭配等) 。这项工作主要是依据市场细分理论，对消费者以往需求的研究及未来发展趋 势的预测而确定的。 第二步骤是收集消费者的选择信息。如何迅速收集到消费者的真实信息，是制造出 与需求相吻合的定制化产品的重要保证。一个方法是通过训练商店的雇员或销售代理， 让他们代企业从事信息的收集工作。在相当长的时间内，这是最主要的途径，但由于存 在中间环节，这种做法势必会带来信息传递时滞和信息内容扭曲的问题。近年来，信息 技术的发展为建立企业与消费者之间的直接信息通道的建立提供了可能，目前，许多企 1 0 硕士学位论文 业( 如d e l l 和l e v i s 等) 都以互联网为工具通过网络来收集消费者信息。商务电子 化已经成为企业发展的一大趋势。 第三个步骤是把数据传输到制造单元。这种信息的流动一般需要借助于现代化的信 息网络如f a x ，i n t e r n e t 等来实现，因此，实现信息化是大规模定制的必然要求。待收 集信息传送到制造单元后，就可以贴上条码进入敏捷制造系统进行生产了。 除了以上关键之处外，还有十分重要的一点，那就是良好的供应链管理，主要是包 括：建立与供应商之间的信息交换网络；实现低库存与高速配送之间的平衡；在新产品 开发上寻求与供应商的合作和即时交货。能否实现这四点对于大规模定制的实现有着重 要的影响。 b e r m a n ( 2 0 0 2 ) 在探讨企业是否应该采取大规模定制的研究中指出，企业应该评估 下述几点事项是否有落实，若有的话，则较容易实施大规模定制，包括：市场是否有对 定制化产品的需求：企业是否建立有效率的订货系统以及物流系统，以便针对个别顾客 传送小批量的产品；企业所制造的产品使用模块化及标准化的零件：企业能否与供货商 以及核心顾客分享信息：企业是否实行j i t 的存货管理模式啪1 。 2 2 2 大规模定制生产的实现模式分析 关于大规模定制的实现在很多研究文献中被国内外学者所讨论，其中有三种经典的 的实现理论，首先是p i n e ( 1 9 9 3 ) 伽1 在u l r i c h i 和t u n g ( 1 9 9 1 ) 的基础上提出的“6 类模块化”理论，其次是g i l m o r e 和p i n e ( 1 9 9 7 ) o o l 提出的4 种大规模定制生产的基本 模式，还有就是b e r r y 、d u r a y 和w a r d 等人( 2 0 0 0 ) 根据客户参与程度和模块化使用 程度基础上提出的4 维度生产理论。 2 2 2 1 模块化定制理论 按字面解释，模块化通常就是建立产品模块，这些模块能够通过模块装配的不同组 合来进行产品定制。例如，锯床的一个模块可能包括许多的部件：发动机、变速箱、工 作台、刀具等。可以根据用户的需求，把这些模块进行不同的组合来定制不同型号的锯 床。 面向大规模定制的产品开发是实现大规模定制的一项关键技术，其核心是以较小的 技术多样性实现较大的功能多样性基于模块化思想的面向大规模定制的产品族管理则 是达到这一目的的有效手段。面向大规模定制的产品族将功能相同或相似、物理特征相 似的产品进行产品族的归并分类，在产品的整个生命周期实行产品族管理。以产品族的 方式对产品进行管理，可简化产品设计，缩短产品制造时间，降低产品设计、制造和管 理的成本，是支持大规模定制生产模式的有效方法。为有效地对企业已有的产品进行产 品族划分，实现产品的产品族管理，并在此基础上实现产品开发过程中的产品族规划。 将研究一种基于功能需求和设计参数相似性的产品族分类方法。 经巧妙设计的模块能让企业以最低的成本和最高的定制水平，去满足用户个性化的 大规模定制企业生产调度优化问题研究 需求。而且，当市场变化时，不需要推倒重来，只需要模块重构。为了应对多样化、个 性化市场的需求，企业光靠柔性制造是不够的。多样化，个性化的结果是使产品的品种 越来越多，而批量则越来越小。如果不去发现并归纳出构成众多产品品种的零部件之共 性，不去开展标准化( 包括标准化、系列化、通用化) 的研究，零部件的数量就会越来 越大，直到无法控制，模块化思想主要有以下6 种方法： 1 。共享构件模块化( c o m p o n e n t - s h a r i n gm o d u i a r j t y ) 在这种方法中，同一构件被用于多个产品，在增加多样性和个性化的同时实现了范 围经济。如g e 曾重新设计其断路开关箱，用1 2 7 5 个共享构件代替2 0 0 0 0 个独立零件， 形成4 0 0 0 0 种不同配置，降低了成本，缩短了交货期并满足了顾客的个性化需求。 2 互换构件模块化( c o m p o n e n t - s w a p p j n gn o d u i a r i t y ) 这种方法是共享构件模块化的补充，用不同构件与基本构件组合，形成与互换构件 相同数量的最终产品。如s w a t c h 手表在基本的表体上配置式样繁多的表壳造型，形成 千变万化的最终产品。 3 量体裁衣式模块化( c u t t o - f i tm o d u i a r i t y ) 这种方法与前两种方法相似，只不过这里一个或多个构件在具体使用中有所变化。 如松下的子公司国家自行车工业有限公司，在确定顾客需要的自行车型号和颜色之 后，精确测量顾客的身材，以确定自行车各构件的准确尺寸，生产出完全个性化的、使 顾客最感舒适的自行车。 4 混合模块化( 川xm o d u l 8 ri t y ) 这种方法可以使用上述任何一种模块化类型，它与其它模块化的主要区别在于构件 混合在一起后形成了完全不同的产品。例如，百事可乐公司设立了一种