（管理科学与工程专业论文）基于支持向量机的大规模定制下的质量预测.pdf

摘要 大规模定制是适应现代化科技发展和用户多样化个性化需求的一种新的生 产模式 在这种生产模式下 产品设计质量控制工具和生产过程质量控制方法都 有别于传统的大批量生产方式 鉴于大规模定制的复杂性和其自身的特点 其中 的质量问题也是一个综合的问题 质量预测仿真的方法和在线质量控制是解决大 规模定制质量问题的良好途径 论文研究如何在大规模定制生产过程小样本 贫信息的条件下实现质量特性 的准确预测 进而为生产过程的波动情况的物理仿真提供必要的支持 为预测控 制提供解决思路 本文在分析大规模定制生产方式特点的基础上 探讨研究了实 施大规模定制的关键技术及质量控制系统框架 介绍分析了现有的质量预测方法 及其不足之处进而引入了支持向量机方法 通过深入研究支持向量机的基本理论 及特性 从理论上论证了支持向量机学习算法的可靠性 将支持向量机与大规模 定制下的实际问题相结合 建立了基于支持向量机的大规模定制下的小样本质量 预测模型 得出了在样本满足平稳性同时选取的参数又比较合理的前提下 模型 就可以得到良好的预测效果的结论 并通过与灰色g m 1 1 预测的比较与研究证 明了支持向量机在拟合精度和泛化能力上具有的优越性能 采用支持向量机方法进行质量预测 解决了在大规模定制生产模式下应用神 经网络技术进行质量预测样本量无法满足要求和容易出现过拟合现象以及应用 灰色建模预测精度不高无法充分利用历史数据的问题 具有广阔的应用价值 关键词 大规模定制质量预测统计学习理论支持向量机灰色预测 a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o ni san e wm o d e o fp r o d u c t i o n w h i c hm e e t sm o d 锄 t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n ta n d n e e d so fc u s t o m e r s i ns u c ham o d eo fp r o d u c t i o n t 1 1 e q u a l i t yc o n t m lm e t h o d so fp r o d u c td e s i 印a n dp r o d u c tm 砌j f a c n 玳a r ed i f f e r e l l t 舶m 缸 a d i t i o n a lm e t h o d so fm a s sp r o d u c t i o n g i v e nt h ec o m p l e x i 哆o f m a s sc u s t o m l z a t l o n a i l di t sc h a r a c t 硎s t i c s m ep r o b l e mo fq u a l 竹i sc o m p r e h e n s i v e q u a l i t yi o r e c a g t l n g a i l ds 曲u l a t i o l l 砌i n eq u a l i t c o n 仃o l a r eg o o dm e t h o d st os o l v e 血ep r o b l 锄o t q u a l i 够i i lm a s sc u s t o m i z a t i o n t h ep u 印o s eo ft h j sp 印e ri st or e a h z et h ea c c u r a t eq u a l i t yf o r e c a s t i n gi n t h e m a n u f a c t i h 证gp r o c e s su n d e rt 1 1 ec o n d i t i o no fs m a l l s a n l p l e a n dp r o v l d en e c e s 8 町 s u p p o r tf o rt h ep h y s i c a ls 油u l a t i o n 锄dq u a l i t yp r e c o n 仃0 1 b a s e do na n a l y z m g t h e c h a r a c t 商s t i c so fm a s sc u s t o m i z a t i o nm a i l u f a c t u 血吕r e s e a r c ho nt h ek e y t e c l l i l o l 0 9 1 e s 锄dq u a l i 哆c o n t r 0 1s y s t e mo fm a s sc u s t o m i z a t i o ni sm a d e t h ee x i s t i n gm e t h o d st o r q u a l i 田f o r e c a s t i n g a r ei m r o d u c e d 锄dt h es h o r t a g e so ft h 锄a r ea n a l y s e d i h e r e l i a b i l i t yo fs u p p o r tv e c t o rm a c l l i n e sl e a m 血ga l g o r i t i sd 锄o n s 仃a t e dt h r o u 啦 i 1 1 d e d t hr e s e a r c ho nm eb a s i cm e o r y 锄dc h a r a c t e r i s t i c so f s v mi sc o m b i n e dw i t h p r a c t i c a lp r o b l e m si i lm c t h eq u a l i t rf o r e c a s t i n gm o d e l b a s e do ns v mi se s t a b l i s h e d a i l dt h e 叫 e r i o rp e 墒m a i l c eo fs v m i sp r o v e dt h r o u 曲c o m p 撕n gw i t hg m 1 1 m o d e l s v mt h e o 珂i s 印p l i e di nq u a l i t yf o r e c a s t i n go fm a s sc u s t c 吼i z a t l o nt os o l v et n e d e f i c i e n c vo fa r t i f i c i a ln e l r a ln e t w o r ka n d 伊e yt h e o r y i tc o u l db ew i d e l yu s e dm n l a s sc u s t 0 1 i l i z a t i o n k e yw o r d s m 2 l s sc u s t o m i z a t i o 玛q u a l i t yf o r e c a s t i n g s t a t i s t i c a ll e 袖g t h e o r y s u p p o r tv e c t o rm a c b j n e s g r e yf o r e c a s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 谴玺葛芳签字日期 o 叩是年6 月j2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨鲞盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 榧葛药 签字同期 o 穗年石月辽同 导师签名 盘班毡蚴弓 签字日期 泖q 年舌月忑日 第一章绪论 1 1 研究背景与现状 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着经济全球化和经济一体化进程加快 现代化科学技术和信息技术迅猛发 展 客户需求日渐多样化 个性化 今天的市场己从传统的相对稳定型市场演变 为动态多变型市场 这将导致 市场扰动性 增强 对制造企业提出了柔性和快 速响应的要求 以生产为中心 满足单一 稳定市场的大批量生产方式已经不能 适应客户需求千变万化的市场 许多行业逐渐从大批量生产 m a s sp r o d u c t i o i l m p 转向大规模定制 m a s sc u s t o m i z a t i o l l m c 大规模定制这种新模式克服了部分 定制 和整体 大规模 只能取其一的 矛盾 同时获得过去不可兼得的定制和大规模 大规模定制是适应现代化科技发 展和用户多样化个性化需求的一种新的生产模式 是指以大规模生产的成本和速 度 为单个客户或特殊需求的市场定制生产任意数量的产品 在这种生产模式下 产品设计质量控制工具和生产过程质量控制方法都有别于传统的大批量生产方 式 大规模定制生产模式下 产品制造包括两部分 标准件的大规模生产和定制 件的独立生产 针对两种不同生产方式所采用的质量保证技术不尽相同 对于大 规模生产方式下的标准件生产 其产品质量控制己有许多成熟的技术和工具 而 对于定制件的独立生产由于没有其历史数据 无法使用传统的统计过程控制工 具 这就对大规模定制生产模式下的质量控制技术提出了挑战 i 综上所述 到目前为止 大规模定制生产的质量控制问题属于一个比较前沿 的课题 随着对这一问题研究的不断深入 一些学者提出了理论和方法 但这些 方法在很大程度上仍然停留在理论探讨方面实际应用却不是很好 在大规模定制 生产模式下应用神经网络技术进行质量预测样本量无法满足要求和容易出现过 拟合现象 应用灰色建模预测精度不高无法充分利用历史数据 对此本文提出了 应用支持向量机 s u p p o r tv e c t o rm a c h i i l e s 方法进行质量特性预测 从而为大 规模定制生产的质量预先控制理论和方法的发展提出一点建议 1 1 2 研究目的与意义 在全球化的市场成为现实的形式下 企业的竞争己从国内市场逐步转向全球 第一章绪论 市场 质量竞争力的高低直接决定着一个国家在世界经济中的地位 大规模定制与大批量生产模式下的质量管理存在着很大区别 如表1 1 所示 随着大规模定制生产模式的不断发展 给质量控制问题带来了很大困难 传统的 s p c 方法是建立在产品的大批量生产基础之上 而在大规模定制生产模式下定制 件的生产环境中 无法保证获得统计所需的样本数据用于精确估计 即使采集到 了足够的样本 也许生产过程也就随之结束 这也就失去了预防质量控制的意义 大规模定制生产环境下影响现场质量控制的因素更多 而且关系也更复杂 本文 旨在通过支持向量机技术对大规模定制生产模式下定制件生产初期的质量指标 进行预测 有效地为控制产品质量提供支持 该方法能够适应这种柔性的生产模 式 使在大规模定制生产模式下生产出高质量 低成本的产品 表1 1 大规模定制与大批量生产质量管理的区别 鉴于大规模定制的复杂性和其自身的特点 其中的质量问题也是一个综合的 问题 由于传统的质量控制技术不适用于大规模定制生产模式 而现有的一些针 对大规模定制生产的质量控制技术还不是十分成熟 缺乏一个系统的科学方法 由此 如何基于支持向量机技术 面向大规模定制生产 利用质量特性预测对产 品进行质量控制 具有一定的理论意义和实践价值 1 大规模定制下的产品质量控制问题已成为一个亟待解决的问题 基于 支持向量机的质量预测技术将会为大规模定制下的质量预先控制提供一个新的 解决思路 2 从应用角度来看 基于支持向量机的大规模定制下的质量预测研究将 进一步推动大规模定制生产模式在我国企业的应用 同时也有助于提高我国在质 2 第 章绪论 量控制方法上的研究水平 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大规模定制研究现状 从近年国内外研究动态来看 对大规模定制及其管理的研究己引起各国学 者 专家的高度关注 如定制需求识别与不同定制特征系统分类 大规模定制功 能实现及技术方法 如成组技术 产品族及模块化设计 延迟制造 大规模定制 生产计划等 成功实施大规模定制的因素分析等 这些研究取得了很多重要的 理论突破和应用研究成果 也对大规模定制的组织运营和质量控制产生了积极的 影响 大规模定制思想最早是由创陋nt o m e r 在 f 帆l r es h o c k 一书中提出 以大 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运营设想 即从大 规模生产标准产品转变为有效地提供满足单个客户想法和需求的产品与服务 2 大规模定制采用柔性过程和柔性组织结构 以提供个性化的产品和服务 使整个 制造过程敏捷化 而这种产品和服务的价格又必须能与标准的大规模生产相竞 争 目前 国内外学者从不同角度对大规模定制作了大量的研究 在理论和应用 研究上取得了很多进展并得到应用 在国外 一些学者对大规模定制的含义 基 本原理 竞争优势以及与其它生产方式的关系进行了研究 更多的学者则就其中 的某一些方面进行了研究 如a j a yj o n e j a 和n e v i l l el e e 利用参数和模块化柔性 工具对装配线的装配时间问题进行了优化 j i a l l i 1 1j i a o 和m i t c h e um t s e i l g 研 究了一种开发大规模定制产品家族结构的方法 以及如何进行定制化的问题 4 j r e b c c ad u r a y 等从运作的角度对大规模定制进行了分类 5 j g i o v a l l id as i l v e r a 等 对大规模定制进行了综述性分析 指出未来的研究方向应为如何将现有的组织结 构和生产过程转化为大规模定制系统 即研究的重点为应用性研究 6 m a r g a r e t a e a s 铆o o d 以m o t o r o l a 生产的蜂窝电话和半导体为例说明企业应如何 成功的实现大规模定制 并强调生产过程重组的重要性 7j 国内开展关于大规模定制这方面的研究是近几年的事情 2 0 0 0 年以后开始 公开发表相关论文 并翻译出版了两本专著 8 9 研究工作基本处于介绍 引进 阶段 研究的主要问题可以分为四类 关于大规模定制的一些基本问题的介绍 如大规模定制的含义 产生背景 竞争优势 定制的类别和方法 实现的方法 大规模定制与大规模生产的区别等 大规模定制下的延迟技术 p o 咖o n 锄e m t e c l l i l o l o g y 问题的研究 大规模定制的应用研究 大规模定制下的供应链管理 3 第一章绪论 研究 包括大规模定制下供应链的设计 驱动模式 管理系统和建模研究等 随着大规模定制生产模式的推广 其质量控制也成为亟待解决的问题 樊树 海等人在 大规模定制下的质量保证研究 一文中分析比较了大规模生产模式 持续改进生产模式以及大规模定制生产模式中各自质量保证技术的异同点和侧 重点 重点研究探讨了大规模定制下的质量保证技术 并提出相应的解决思路 肖粤翔 何桢在 大规模定制下的质量控制系统框架设计 一文中 提出了建立 在 技术和i n t 锄e t 之上的质量控制系统 喻秋涛 樊树海在 灰色预测在 m c m o c 中的应用一文中 分析了大规模定制生产质量控制中灰色预测算法的 简单快速的优点和精度不高的缺点 并提出改进大规模定制生产灰色质量控制的 思路 12 1 综上所述 国内外对于大规模定制的研究主要集中体现在对大规模定制的特 征 运营模式 实施关键技术等理论和方法的研究 大规模定制下的质量控制属 于较为前沿的课题 目前还主要停留在框架构想阶段 具体应用方面主要利用的 还是常规的质量管理技术 因此 基于支持向量机的质量预测技术有助于大规模 定制质量控制理论和方法上的创新 并形成有实用价值的研究成果 1 2 2 有限样本预测学习方法概述 经典的模式识别方法 各种统计方法以及近些年来出现的各种神经网络算法 都被应用于估计数据中固有的相关性 试图建立一个能预测未来数据的模型 虽 然 这些应用在一些特殊的领域取得了一定的进展 并且提出了一些新的概念和 方法 但是 这些方法有其固有的算法缺陷 由于不知道数据的分布密度以及有 限的训练数据 常常导致了病态的训练结果 预测效果往往不尽人意 人们迫切 需要关于预测学习算法共同的概念和理论框架以及更高效的预测学习方法 到目 前为止 几乎所有的预测学习算法都可以归结为以下三类 l 副 1 传统的统计预测方法 这类方法是在参数结构形式已知的前提下 通过训练数据 预测各参数的值 例如 最小二乘法 应用这些预测方法除了需要很强的先验知识外 还需预先知 道模型的结构形式 但是 在处理大量的实际预测问题时 常常不知道背景知识 面对一大堆采样来的数据 也不知道模型的结构形式 由于传统统计学研究的前 提是样本数目趋于无穷大时的渐进理论 而参数预测方法几乎都是建立在这一前 提基础之上的 因此只有当采样数据趋于无穷时 参数方法的训练结果才趋于真 实的模型 由于实际样本数目是有限的 很难满足这一前提 2 经验非线性预测方法 8 0 年代发展起来的人工神经网络和柔性统计方法就属于这一类 虽然 这 4 第一章绪论 些新的方法克服了参数预测方法的部分弱点 能够依照需要 假设数据内在相关 性而构造非线性模型 然而 这些非线性方法缺乏统一的数学理论基础 通常是 从生物学的理论和一些学术流派中得到灵感 对于诸如神经网络中的结构选择和 权重的初值设定 仍需要借助于经验 得到的模型通常是局部最优解 而非全局 最优 3 统计学习理论 早期的统计学习理论 s t a t i s t i c a ll e 舭血g t h e o 拶 是从6 0 年代发展起来的 直到9 0 年代 它一直是作为一种针对有限样本的函数预测问题的纯理论分析工 具 虽然 早期的统计学习理论提出了v c 维 v 却n i l c e o n e n l i s 理论 为衡 量预测模型的复杂度 提出了有效的理论框架 但是 它仍然是建立在经验风险 最小化原则基础之上 即 以训练的平均误差为最小的模型作为期望的最终模型 所以 早期的统计学习理论一直停留在抽象的理论和概念的探索之中 直到9 0 年代初期 v c 维理论还没有得到很好的应用 9 0 年代中期 v 却1 1 i k 和他的a t tb e l l 实验室小组提出了s v m 算法 进一 步丰富和发展了统计学习理论 使它不仅是一种理论分析工具 还是一种能构造 具有多维预测功能的预测学习算法的工具 使抽象的学习理论能够转化为通用的 实际预测算法 1 2 3 支持向量机的发展历史和现状 作为s v m 的奠基者v v r a p l 浊早在6 0 年代就开始了统计学习理论的研究 19 7 1 年 v v a p i m 和a c h e r v o n e n l i s 在 t h en e c e s s a r ya n ds u 衢c i e l l tc o n d i t i o l l sf o r t h eu n i f o n n sc o n v e 玛e n c eo f a v e r a g e st 0e x p e c t e d a l u e s 一文中 提出了s v m 的 一个重要的理论基础一v c 维理论 1 9 8 2 年 在 e s t i m a l i o no f d e p e i l d e l l c e sb a s e do ne m p i r i c a ld a t a 一书中 v v a p n i k 进一步提出了具有划时代意义的结构风险最小化原理 堪称为s v m 算 法的基石 1 9 9 2 年 b o s e r g u y o na 工l d 卸t l i k 在 at r a i n i l l g a l g o r i t h mf o r o p t i m a l m a r g i nc 1 a s s i f i e r s 一书中 提出了最优边界分类器 1 4 j 1 9 9 3 年 c o n e s 和 a p i l i k 在 t h es o rm a r g i l lc l a s s i f i e r 一书中 进一步探讨了非线性最优边界的分类问 趔15 1 9 9 5 年 v v a p l l i k 在 t h en a t u r eo f s t a t i s t i c a ll e a n l i n gt h e o 拶 一书中 完整地提出了s v m 分类 1 9 9 7 年 v v a p n 汰 s g o k o w i c h 和a s m o l a 发表的 s u p p o r tv e c t o rm e t h o df o rf u l l c t i o na p p r o x i n l a t i o n r e g r e s s i o ne s t i i i l a t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n g 一文中 详细介绍了基于s v m 方法的回归算法和信号处理方 法 由于s v m 算法的潜在应用价值 吸引了国际上众多的知名学者 近几年出 5 第一章绪论 现了许多发展和改进的支持向量机算法 值得 提的是 1 9 9 8 年 s m o l a 在他的 博士论文中详细研究了s v m 算法中各种核的机理和应用 为进一步完善s v m 非线性算法做出了重要的贡献 在统计学习理论基础之上发展起来的s v m 算法 是一种专门研究有限样本 预测的学习方法 与传统统计学相比 s v m 算法没有以传统的经验风险最小化 原则作为基础 而是建立在结构风险最小化 s t m c t u r a l 硒s km i n i i n i z a t i o n s r m 原理基础之上 发展成为一种新型的结构化学习方法 它能很好的解决有限数量 样本的高维模型的构造问题 而且所构造的模型具有很好的预测性能 s v m 算 法有很多成功的应用都说明了这种基于v c 维理论而发展起来的结构化学习方 法的潜在优势 更重要的是 作为s v m 算法基础的v c 维理论和结构最小化原则也为进一 步完善传统的统计预测方法和经验非线性预测方法提供了理论基础和统一的理 论框架 如何在此框架下重新构建各类预测方法 解决许多原来难以解决的问题 进一步发展和完善s v m 算法是当前函待解决的一个问题 国际上已有许多学者 为此做了大量的工作 s v m 在模式识别领域已经有了一些应用 如手写体数字识别 人脸识别与 人脸检测 以及文本分类等各种领 此外 s v m 还很好地应用于时间序列分析 和回归分析等领域的研究 例如 m r r b e l ll a b 和微软研究所等已成功地将s v m 算法应用于动态图象的人脸跟踪 信号处理 语音识别 图象分类和控制系统等 诸多领域 1 3 本文结构及主要内容 本文对大规模定制生产模式下的质量预测技术展开研究 将支持向量机理论 引入大规模定制产品质量控制中 采用支持向量机方法进行质量特性预测从而在 保证预测精度的同时 减少对样本容量的需求 进而为生产过程的波动情况的物 理仿真提供必要的支持 为大规模定制生产过程的质量控制提出新的方法 此外 目前国内外对大规模定制模式下这类问题的研究还比较少 在理论体系上还不够 完善 希望本文的研究能够提供一些参考作用 本文具体将从以下几个方面进行 研究 1 在分析大规模定制生产方式特点的基础上 探讨了实施大规模定制的关 键技术及质量控制系统框架设计 简单介绍了现有的质量预测方法 2 深入分析了支持向量机的基本理论及特性 将支持向量机方法应用到大 规模定制质量预测中 反映产品生产过程的实际情况及下一个时刻的产品质量指 6 第一章绪论 标的发展趋势 为大规模定制下的质量预先控制提供新的解决方法和思路 3 提出了相应的应用策略 并与传统基于灰色建模的预测方法进行了比较 结合生产案例进行了应用研究 验证了应用策略的有效性 图1 1 本文内容结构框架 7 第二章面向大规模定制的质量预测研究 第二章面向大规模定制的质量预测研究 在消费者导向的时代 如何对市场环境的急剧变化做出迅速的反应 及时地 掌握用户的需求 有效地生产和提供令客户满意的产品服务 是当今企业不容忽 视的使命 为满足客户需求和赢得市场竞争 制造商不得不生产定制和个性化的 产品 同时还要保证该产品上市快 低成本和高质量的要求 大规模定制为制造 商提供了满足这些需求的一条生产途径 2 1 大规模定制生产模式的发展历程及其特点 大规模定制生产模式源自为适应激烈市场竞争而引起的生产组织模式的变 革 大量的实践证明 该模式能很好地满足当今信息时代多元细分 快速多变的 个性化市场的要求 因而成为目前企业的重要生产模式之一 大规模定制思想也 和其他的科学理论一样 不是一开始就有的 而是经历了一定的发展过程才形成 的 2 1 1 大规模定制生产模式的演变和发展 人类最早的生产方式是手工单件生产 其主要特征是使用手工工具 以手工 劳动和手工技艺为主 由掌握一定技能的工匠利用一定的工具将原材料手工制作 成产品 工业革命开始后 机器全面取代了手工工具成为主要的生产工具 进入 2 0 世纪后 福特等人在泰勒的科学管理思想的影响下 对美国的制造业模式进 行了革命性的改造 创造了流水线 从而产生了基于标准化的大规模生产模式 这种新的专业分工 通过标准化产品来获得规模经济 差不多整个2 0 世纪 大 规模生产模式的采用者获得了巨大的利益 那些较早采用大规模生产模式的企 业 很大一部分都成为了工业巨头 如福特 通用汽车 美国钢铁公司 i b m 杜邦等等 大规模生产技术不仅被大型制造商所采用 其原理或思想也被银行和 保险业等大型服务行业所模仿应用 如服务行业票据的处理 就像生产中的零部 件那样从一个工作人员手中流向另一个工作人员 在大规模生产模式中 是依靠忽略小的细分市场和利用库存调节来市场稳定 需求的 生产过程的稳定性是其能否成功运用关键 虽然大规模生产模式到目前 为止仍居统治地位 但是随着市场环境和竞争情况的不断变化 该模式存在的缺 陷逐渐暴露出来 只是一些管理者没有认识到这一点 因为大规模生产在相当长 8 第二章面向大规模定制的质量预测研究 的时间内取得了巨大的成功 并给它的采用者带来了稳定和丰厚的利润 进入新 的世纪后 大规模生产模式的缺陷暴露无遗 主要体现在如下几个方面 1 大规模生产模式要求输入具有一定的稳定性 而实际上输入的波动是不 可避免的 如劳动力成本持续上涨 而生产效率不可能持续保持同等的增长率 原材料也是如此 质量更好 价格更低的新材料层出不穷 生产工艺也是如此 技术更先进 效率更高的机器设备以及新的制作方法带来了生产工艺的不稳定性 等 这些都对生产过程的稳定性带来了巨大的冲击 2 大规模生产模式要求统一的市场 并且生产过程都是按照最初产品而统 一设计的 产品设计上任何细小的变化都会对生产系统带来巨大的冲击并伴随高 昂的调整费用 然而统一的市场正在日益分化 由于收入的分化 生产方式的日 益不同 科技的进步等因素使得顾客的需求日益多样化 这种多样化的趋势越来 越明显且其程度不断加剧 没有了统一的市场 生产过程的稳定性也就不存在了 3 大规模生产模式还要求需求保持一定的稳定性并且不断增长 众所周知 过去的卖方市场己经转变为买方市场 年销售量难以预测 也给企业制定生产计 划带来了困难 当市场不可预测时 大型工厂里就不可能低成本实现预计的高产 莺 4 大规模生产模式要求产品的寿命周期长 而产品的寿命周期受技术的影 响正在加速缩短 在最近几十年里 技术创新不断涌现 各种商品的寿命越来越 短 造成需求越来越不稳定 5 其它生产模式的影响 为了满足逐渐变化的内外部市场环境 企业界和 管理学者相继精益生产等生产组织模式 精益生产首先是由日本的丰田汽车公司 提出并获得巨大成功 是为了与美国的汽车大规模生产商进行竞争而产生的 它 可以在小批量生产条件下保证低成本 高质量 精益生产模式使汽车工业和许多 其他行业创造了新的工艺技术 进一步 柔性制造系统和计算机集成制造技术使 多品种生产更为经济 这些新的生产组织模式或理念对大规模生产模式产生了更 大的冲击 总之 大规模生产模式有着很大的局限性 如输入的不确定 变化的 顾客 变化的需求 饱和的市场 外来冲击 不确定因素以及产品和工艺技术的 冲击等等 它们以不同的方式扰乱了原来正常运行的生产系统 使系统失去了原 有的效率 稳定性和控制能力 因而大规模生产模式需要转向一种新的生产模式 事实上很多企业己经开始着手采用一种新的生产模式一大规模定制生产模式 早在1 9 7 0 年 预言家阿尔温 托夫勒 a l v i nt o m e r 就在其 未来的冲击 f 曲l r es h o c k 一书中对大规模定制生产模式做出了预告 而d v a s i s t n a l y e 1 9 8 7 年在 未来的完美 f u t u r ep e m c t 上描述了大规模定制的概念 但当时的技 术水准限制了大规模定制的产品 市场和相应的企业组织形式的出现 9 第二章面向大规模定制的质量预测研究 随着制造技术 信息技术 特别是i i l t e m e t 的普及和推广 管理理论与方法 的发展使得大规模定制生产模式成为可能 并且随着经济全球化带来的日益激烈 的竞争 企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基于客户需求的竞争 为顾 客提供定制化的产品和全面提高顾客的满意度 己经成为现代企业追求新的竞争 优势的一种必然趋势 大规模定制生产模式结合了定制生产和大规模生产两种生 产方式的优势 在满足客户个性化需求的同时 保持较低的生产成本和较短的交 货周期 大规模定制以其独特的优势在国外得到了迅速发展 丰田汽车公司在交易商 的展厅中设置c a d 系统 顾客可以根据所提供的各种模块设计自己的汽车 另 外 还有许多企业通过实施大规模定制而获得了巨大的竞争优势 例如生产牛仔 裤的李维斯 摩托罗拉 戴尔公司 d e l l 以及定制窗户的安盛公司等等 大规 模定制生产模式将逐步替代统治了制造业近一个世纪的大规模生产方式 成为 2 1 世纪的主流生产模式 2 1 2 大规模定制生产方式的特点 大规模定制是一种崭新的生产模式 它能够以几乎每个人都能付得起的价格 提供差异化的产品 通过把大规模生产和定制生产这两种生产模式的优势有机地 结合起来 在不牺牲企业经济效益的前提下 满足客户个性化的需要 大规模定 制的基本思想在于 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 大规模定制生产模式具有以下特点 16 1 以客户需求为导向 在传统的大批量生产方式中 先生产 后销售 因 此大批量生产是一种推动型的生产模式 而在大规模定制中 企业以客户的个性 化需求为起点 因而大规模定制是一种拉动型的生产模式 2 以现代信息技术与制造技术为支持 大规模定制经济必须对客户的需求 做出快速反应 这要求有现代信息技术作为保障 1 1 1 t 锄e t 网络技术和电子商务 的迅速发展 使企业能够快速地获取客户的定单 c a d 系统能够根据在线定单 快速设计出符合客户需求的产品 柔性制造系统 c a m 等技术保证迅速生产出 高质量的定制产品 3 以模块化设计 零部件标准化为基础 大规模定制充分利用了大批量生 产方式的优点 通过模块化设计 零部件标准化 可以批量生产各模块和零部件 减少定制产品中的定制部分 从而大大缩短产品的交货提前期和减少产品的定制 j 戎本 1 0 第二章面向大规模定制的质量预测研究 4 以质量为前提 定制要求企业的差错率只能为零 因为产品是定制的 客户退回的产品无法像大批量生产的产品 样还可以销售给其他客户 大规模定 制企业必须尽最大努力保证产品的质量 以满足消费者的要求 大规模定制经济 中 生产劣质产品的厂商将无法生存 5 以敏捷为标志 在传统的大批量生产方式中 企业与消费者是一对多的 关系 企业以不变应万变 而在大规模定制经济中 企业与消费者是一对一的关 系 企业面临的是千变万化的需求 因此 大规模定制企业是一种敏捷组织 这 种敏捷不仅体现在柔性的生产设备 多技能的人员 而且还表现为组织结构的扁 平化 6 以竞争合作的供应链管理为手段 在未来市场经济中 竞争不是企业与 企业之间的竞争 而是企业供应链之间的竞争 大规模定制企业必须与其供应商 建立起既竞争又合作的关系 共同来满足客户的需求 2 1 3 大规模定制生产模式的分类 大规模定制生产的实质是顾客驱动的企业生产过程 因此按照顾客需求对企 业生产过程影响程度的不同 即顾客订单分离点 所谓顾客订单分离点是指企业 生产过程中由基于预测的库存生产转向响应顾客需求的定制生产的转换点 在企 业生产活动物流中位置的不同 将大规模定制生产模式分为以下几类 l7 j 1 按订单装配的生产 a s s 锄b l e t o o r d e r a t o 指接到顾客订单后 经 过配置向顾客提供定制产品的一种生产方式 其装配和分销是顾客驱动的 在 a t o 中构成产品的所有零部件均是现有的 不生产新零部件 但需要有新的零 件设计和装配生产 2 按订单制造的生产 m a k e t o o r d e r m 1 o 指接到顾客订单后 根据企 业中已有的零部件模型加工制造和装配后 向顾客提供定制产品的一种生产方 式 其采购 制造 装配和分销是顾客订货驱动的 在m t o 中需要针对订单的 要求新生产一些零部件 新生产的零部件是从设计资源库中选择的 不需要新的 设计 3 按订单设计的生产 e n g i n e e r t o o r d e r e 1 d 指根据顾客订单中的特殊 需求 通过重新设计满足特殊需求的新零部件 变型其它零部件的方法 向顾客 提供定制产品的一种生产方式 从部分产品设计开始 直至采购 制造 装配和 分销都是顾客订货驱动的 在e t o 中需要针对订单的要求新设计并且生产一些 零部件 4 按订单研制的生产 r e s e a r c h t o o r d e r r 1 o 是一种定制化程度很高的 定制生产方式 即按顾客要求进行研究和开发 并组织生产过程的全部活动 第二章面向大规模定制的质量预测研究 2 2 实施大规模定制的保证 2 2 1 大规模定制实施关键技术 针对实施大规模定制生产模式的三个要素 即多样性 时间和成本 迎接这 些挑战的关键技术是产品族和产品平台设计 先进制造技术 电子商务 柔性生 产管理以及敏捷供应链 18 1 1 产品族和产品平台设计 在大规模定制生产模式下 制造商应该将产品开发和生产模式从传统的面向 单一产品改变为面向产品族 产品族 p r o d u c t i l y 是指共享通用技术并定位 于相互关联市场应用的一组产品 它是一种利用有限的开发 制造和服务来经济 地发展产品多样性的方法 产品族是在通用关键技术基础上高效开发的一系列派 生产品 这个关键技术基础被称为产品平台 产品平台 p r o d l l c tp l a t f o m l 是由 一组产品共享的一组子系统 如零部件 模块 接口和制造过程 利用它能够 高效地创造和产生一系列派生产品 通用性和模块化是产品族和产品平台的两个基本特征 1 通用性 c o i i l m o n a l i t y 大规模定制的策略是以低技术多样性 即复杂性 来实现高产品多样性 即 以尽可能少的零部件或模块产生所有客户需要的 或潜在需要的 派生产品 大 规模定制产品通常是改进产品而不是全新产品 即在产品族内对已有功能的选 择 增减或替换 显然 同一产品族内的产品是相似的 这种相似性表现在功能 特征 结构和零部件等方面 因此 通用性有利于实现大规模定制的高效率和高 成本效益 2 模块化 m o d u l 撕t y 模块化是由产品物理划分为零部件的方法而产生的 模块化产品是通过明显 的组件 b u i l d i i l gb l o c k 或模块 m o d u l e 的组合来满足总体功能的产品 即产 品总体功能可以划分为由不同模块或零部件实现的子功能 模块化结构表现为 一个模块实现一个或几个功能 模块之间的相互作用已较好地定义 并且一般是 以产品的主要功能为基础 模块化依赖于设计的两个特性 设计的物理体系结构 和功能体系结构之间的相似性 物理构件 组件或模块 相互之间的关联作用最 小化 模块化结构的作用是能够容易地交换模块 有利于变换功能 产生新的派 生产品 2 先进制造技术 先进制造技术及其系统 如柔性制造系统 计算机集成制造和网络化制造 是制造商以低成本和高效率制造出多样化产品 实现大规模的定制的重要工具 1 2 第二章面向大规模定制的质量预测研究 利用由自动物料处理系统连接和计算机系统控制的同一组机床 柔性制造系 统 f m s 可以根据需要生产一个零件族中所有的零件 从而制造出多种多样的 产品 例如 利用f m s 通用电气 g e 公司将定制电路箱的时间由原来的3 周缩短为3 天 计算机集成制造 c m 技术及其系统有机地集成制造企业的产品开发 生 产管理和产品制造的信息和过程 它支持从产品设计 虚拟产品展示 工艺设计 数控程序生成到驱动数控机床加工等全过程的无缝集成 使制造企业能够集成设 计 管理和制造等多方面的资源快速响应客户多样化和个性化的需求 例如 摩 托罗拉公司的实时c i m 工厂控制系统能够保证在3 小时之内制造出定制的寻呼 机 网络技术特别使互联网技术的发展 使制造企业及其合作伙伴 如供应商 分销商 设计伙伴等 能够通过互联网实现跨企业 跨地域的信息集成 进而实 现企业 组织 集成 以此为基础的网络化制造能够有效地集成各合作伙伴的核 心能力和资源 实现整个系统 如动态联盟和供应链 的综合优化 支持合作伙 伴协同地进行产品及其零部件的设计与制造 使整个系统能够快速响应多样化的 客户需求 这将是面向大规模定制的制造系统的主要发展方向 3 电子商务 e c o m m e r c e 大规模的定制产品的多样性缘于众多客户的需求多样性 众多的客户和小订 货批量 甚至单件 是大规模定制市场需求的主流和特点 要想以低的经营成本 实现大规模定制的产品营销和客户需求 或订单 获取 电子商务将是一种有效 的营销模式 大规模定制环境下的电子商务主要有以下智能 1 实现产品的多样化表达和虚拟产品展示 利用电子商务系统 制造企业可以将各种产品 包括虚拟产品 展示在几乎 无限容量的电子橱窗中 供客户选购 例如在d e l l c o m 上 客户可以定制近千 亿种不同配置的台式计算机产品 电子橱窗能够展示的产品种类远远大于任何一 家 砖头加水泥 b r i c k a 1 1 d m o i t a r 商店 在大规模定制环境下 绝大多数产 品是虚拟产品 只有在接到客户订单的情况下才投入生产 而 砖头加水泥 商 店无法展示虚拟产品 2 快速获取客户个性化的需求并及时响应 基于电子商务系统 客户可以方便地表达自己地个性化需求 这些个性化需 求信息可以立即被制造商获得 有些电子商务系统甚至可以支持客户与制造商地 直接交流 利用电子商务可以大大缩短交货提前期 因此 制造商可以将推动式 的面向库存的制造 m a k e t o s t o c k 变为拉动式的面向订单的制造 m a l e t o o r d e r 1 3 第二章面向大规模定制的质量预测研究 实现对客户需求的快速响应 3 降低大规模的定制的产品多样化销售成本 大多数企业的定制产品是面向最终消费者的 营销主要采用b 2 c b u s i n e s st o c u s t o m e r 模式 每个订单中的产品都是个性化的且批量小 甚至单件 如果 采用传统的营销方式 则每件产品的营销成本将非常可观 而电子商务的产品销 售多样化成本却几乎为零 利用b 2 c 模式的电子商务 面向众多的不同需求的 客户 每件产品的营销成本可能降低到接近大批量生产产品的水平 目前 许多实施大规模定制生产模式的企业将电子商务作为大规模定制产品 的主要营销手段 电子商务己成为实现大规模定制产品市场营销和与客户联系的 实际和有效的工具 4 柔性生产管理 与面向大规模定制的营销和制造相适应 面向大规模定制的生产管理也应该 是柔性的 基于产品族和产品平台及其通用性和模块化 柔性的生产管理可以通 过产品族配置管理 面向订单的装配和精益生产等关键技术来实现 1 产品族配置管理 产品族配置管理通过一套参数和规则 为一个产品族中不同型号产品选择标 准选件和附件 定制产品 产品族配置管理主要有两个方面的功能 保证产品族 结构模型的一致性并向应用系统提供产品族结构的多视图管理 根据一定的配置 条件 为客户或应用系统配置出产品族中的具体产品 产品族的配置管理是在产 品族结构管理功能基础上 为产品族结构模型的叶节点 枝节点建立配置项和结 构选项 并通过建立配置条件来实现配置管理 通过配置管理可以方便地生成该 产品族的所有产品品种 可以在保证销售灵活性的前提下 使由各种不同产品构 成的最终产品物料清单及工艺流程数量减至最少 消除大规模定制产品族数据管 理中的冗余 并且能够根据不同产品和特征来平衡需求和预测 缓解生产瓶颈 缩短提前期 从而提高产品族数据管理和生产管理的效率 降低生产成本 2 面向订单的装配 基于产品族和产品平台 产品零部件设计和制造常常是标准的 然后按照客 户选择的不同选项来组装生产定制产品 产品零部件的装配方法一般也是通用 的 这也是应用最为广泛的面向大规模定制的生产方法之一 采用面向订单的装 配 其交货提前期相对于面向订单的制造大大缩短 并且由于生产定制产品的绝 大多数零部件是标准的和通用的 可以大大降低定制产品的成本 3 精益生产 1 e a l lp r o d u c t i o n 近几年 精益生产被看成是制造车间实现大规模定制生产模式的一种方法 精益 的目标是在有效管理多样化声品生产的同时消除各种形式的浪费 包括 1 4 第二章面向大规模定制的质量预测研究 生产流程和信息中的浪费 就好像是j i t j u s t i 1 1 t i m e 准时制 和浪费管理的 结合 与面向订单的装配相配合 零部件的生产可以采用装