敏捷制造：内涵与关键
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1 敏捷制造产生的背景及内涵
产品制造模式的发展，经历了少品种少批量、少品种大批量之后，朝多品种小批量方向发展。制造厂商之间的竞争是全球性的，并且消费者的需求日趋表现为主体化、个性化和多样化。大批量生产模式虽能降低成本，产品质量易于保证，但在快速响应市场方面有其固有的缺陷。单项先进制造技术，如CAD、CAM、CAPP、MRP等，可以提高产品质量，缩短产品设计和制造周期，但在快速响应市场方面并没有实质性的改观。巨额投资与实际效益形成了强烈反差，其中以国内外应用FMS的教训最为深刻。由此，人们意识到根本问题不在于具体制造技术和管理方式本身，而是制造的生产组织模式和管理者的思维习惯仍束缚于大批量生产模式的旧框架之中。先进制造生产模式的研究就是在此背景下产生的，其主要目的是实现基于时间的市场竞争策略。
一般认为，先进制造生产模式有柔性生产、智能制造、精益生产、并行制造和敏捷制造等几种。美国Lehigh大学和通用汽车公司在1988年提出了敏捷制造概念，目前在制造业和管理领域备受关注。1994年底出版了由美国国防部委托Lehigh大学组织100多家公司在联合研究基础上编写的“21世纪制造企业发展战略”报告。该报告提出要在2006年前通过敏捷制造夺回美国在世界制造业中的领先地位，其中还列举了到2000年实现的4个设想方案［6］。1992年，在Lehigh大学建立了美国敏捷制造企业协会(AMEF)，现改为敏捷化协会(Agility Forum)。该协会每年召开一次有关敏捷制造的国际会议。1993年，美国国家自然科学基金会和国防部联合在New York,Ilinoi,Texas等洲建立了三个敏捷制造国家研究中心，分别研究电子工业、机床工业和航天国防工业中的敏捷制造问题［2］。从1994年开始，由AMEF牵头开展了“最佳敏捷实践参考基础”研究，近百家公司和大学研究机构分别就敏捷制造的6个领域(集成产品与过程开发／并行工程、人问题、虚拟企业、信息与控制、过程与设备、法律障碍)进行了研究与实践相结合的深层次工作。随着研究的深入，美国一些大公司应用敏捷制造哲理取得了显著成效。日本和欧共体也开展了与敏捷制造有关的研究计划。目前，敏捷制造已在电脑制造、汽车与航空业等领域的有一定的实践基础，理论体系也已初具雏形。
国家863／CIMS主题从1993年就开始了对敏捷制造的跟踪研究，并结合我国企业状况，进行了大量的调查研究。三期863计划规划了下世纪初先进制造技术的发展，其中包括了敏捷制造方面的一系列研究项目。国家自然科学基金委员会(NSFC)“八五”期间已开始资助先进制造技术基础相关领域中的项目，从1995年下半年起，更组织了有关专家深入讨论“先进制造技术基础”优先领域的研究战略，以指导我国“九五”期间直至2010年先进制造技术的发展。自95年起，NSFC每年均资助了敏捷制造方面的研究项目。
敏捷制造是一种全新的制造概念，它的三大要素是集成、快速和具有高素质的员工。虽然尚无权威的定义，但在以下几个方面取得了共识：1、敏捷制造是一种组织模式和战略计划，是一种制造系统工程方法和现代制造模式。2、敏捷制造思想的出发点是基于对未来产品和市场发展的分析，认为未来产品市场总的发展趋势是多元化和个人化，因此对制造技术的要求应尽可能做到产品成本及产品类型与产品数量无关。3、强调高素质的员工，即要造就一支高度灵活、训练有素、能力强且具有高度责任感的员工队伍，并充分发挥其作用。4、敏捷制造的实现需要多个相关企业的协同工作，最终目标是使企业能在无法预测、持续变化的市场环境中保持并不断提高其竞争能力。5、敏捷制造通过动态联盟或称虚拟企业(Virtual Organization)来实现。6、实现敏捷制造的一种手段和工具是虚拟制造(Virtual Manufacturing),虚拟制造指在计算机上完成该产品从概念设计到最终实现的整个过程。
目前，有关敏捷制造的研究集中于企业的敏捷性、动态联盟、敏捷制造概念中的功能单元(如产品工艺过程设计)设计等几个关键技术。
2 企业敏捷性
2.1 企业敏捷性及其度量
敏捷性指企业能够通过复杂的通讯基础设施迅速地组装其技术、雇员和管理，以对于不断变化和不可预测的市场环境中顾客需求作出从容的、有效的和协调的响应的灵性［8］。简而言之，敏捷性指企业可重构(Reconfigurable)、可重用(Reusable)、可扩充(Scalable)地响应市场变化的能力，即RRS特性。企业敏捷性及其度量对于贯彻敏捷制造哲理有重要意义，目前，有多种不同看法。
AmosJW等从企业的组织管理角度考虑，用5个主要变量或要素来表示企业的敏捷性，即通讯连通性(C)、跨组织参与性(I)、生产灵活性(P)、管理相关性(M)、雇员使能性(E)［8］，可简称为CIPME特性。通讯连通性指企业内部跨团队、企业间组织界线的通讯和交流能力：跨组织参与性指跨企业参与经营活动的能力和水平；生产灵活性指企业制造系统的柔性及企业整个生产的及时性和实时性；管理相关性指企业主动调整其资源参与管理使敏捷变化得以实现的能力；雇员使能性是指企业内每个雇员能够根据企业的目标定义自己的义务，进而影响其工作领域以至整个企业决策的能力和水平，包括企业的组队速度和水平、雇员受教育的能力和企业授权状况等方面；CIPME度量主要从企业的基础结构方面来描述敏捷性。由于企业基础结构的相对稳定，因此CIPME也会在一段时间内相对稳定，即它是一套静态的敏捷性度量指标，反映了企业处于敏捷空间的某一位置时的敏捷性。此外，CIPME侧重于对企业敏捷化转变的手段进行度量。由于这5个变量涉及了企业中的人、组织、生产系统和基础设施等各个方面，涉及面全，代表性强，并可以量化，因此可为企业实现敏捷转变过程提供引导。若对CIPME的5个变量给予进一步的细化，可以使该体系更具可操作性。
RickDove提出敏捷性可以用成本(Cost)、时间(Time)、健壮性(Robustness)、自适应范围(Scope)四个指标来度量，可简称为CTRS指标。成本指企业完成一次敏捷变化的成本，与新产品上市的成本密切相关，也与产品过程的设计及实现相关。时间指企业完成一次敏捷变化所用的时间，与新产品上市的时间密切相关。健壮性是指完成一次敏捷变化结果的稳定性和坚固性，与新产品及其相关过程的质量有关。自适应范围指一个企业或个体在多大范围内可以通过自我调整来迅速适应环境变化，它是敏捷性的精华，并把柔性和敏捷性区分开来。CTRS综合度量指标侧重于衡量企业实现敏捷转变后的结果，因此是动态的，反映企业从敏捷空间1点移动到更敏捷1点所耗费的成本、时间、转变的坚固性和范围。CTRS指标相对来说能比较直观地反映企业的敏捷性，计算性好，易于仿真。如果该体系能进一步支持对企业敏捷转变的过程的度量，则会更具实用价值。
美国国家宇航敏捷制造中心与SiriusBeta公司的研究人员提出一种面向敏捷虚拟企业(Agile Virtual Enterprise,AVE)的敏捷性度量模型［1］。该模型引入了敏捷虚拟企业生命周期的概念，将敏捷性度量贯穿于敏捷虚拟企业生命周期的每一阶段。模型是用二维表来表示的，其中，横轴是以敏捷虚拟企业建立、运行直到解体整个生命周期中各阶段的关键决策点来划分的，共分为机遇定义、伙伴定义、组织的建立、运行、解体5个阶段。纵轴按敏捷虚拟企业所关心的基础结构划分，分为社会／文化、法律／表现形式和物理3个方面：横纵轴的每个交叉点在生命周期和基础结构上都可以进一步细化，每个方格(横轴和纵轴的交叉点)就是AVE生命周期中特定阶段关键决策的某方面性能的度量。该度量模型侧重于对企业完全敏捷性转变的过程进行度量。引入了敏捷虚拟企业生命周期的概念，使敏捷性度量可贯穿于AVE的建立、运行和解体的各个方面。模型给出了对企业基础结构的划分及初步细化，可以看出其涉及面是非常广的，包括法律、人文等社会因素。若能从中抽取若干与企业密切相关可量化计算的关键要素作为对企业基础结构的度量，则可使该体系更加简洁，并提高可操作性。
2.2 企业组织的敏捷性再造
这方面的研究较多，实际上并没有统一的敏捷企业模式，应根据国情和厂情来决策。一般应从上述的影响企业敏捷性的指标入手来实现企业的组织再造。“21世纪制造企业战略报告”中对美国2006年的敏捷制造企业提出了一种构成模式，认为敏捷制造企业包括竞争的基础和特性、制造企业要素、企业内含的技术使能和非技术使能子系统。要求从机械的多层次结构向敏捷的平面式分布结构转变，并减少不必要的层次结构。按多面手-多能组-可重换企业(Plug Compatible Enterprise)动态联盟来逐步实现组织的创新。其中，可重换企业的显著特点在于，它并不追求企业功能的完整性(“大而全”或“小而全”)而强调自身优势的组建和发挥。在保持企业和资源“可相接”的前提下，通过从不同公司选择合适资源以承担复杂的任务，亦即所谓外包加工(Out-Sourcing)。每个员工和所有的生产设备以及生产过程都应具有一定的敏捷性，能适应未知的各种变化需求。
RickDove认为影响企业敏捷性的决定因素是商务实践，而不在于先进制造技术的采用或其它因素 ［4］。商务实践是企业工作方式及其理由，美国敏捷制造协会提出了其中的关键内容，并建立了一个参考模型。
国内的研究者多是从我国国情来考虑敏捷制造企业模式的。我国制造企业存在的不利因素是适应市场变化的能力差、新产品开发能力欠缺、员工素质低下、冗员过多等等。有利因素在于公有制企业较多，并且长期处于计划经济体系下，便于自上至下组建动态联盟，另外，国家863／CIMS主题的研究奠定了一定的理论和实践基础，因此，相对于国外制造企业，应更易于比较，并基于CIMS体系结构提出敏捷制造企业组织模式。如文献［3］提出的一种基于CIMS的一种敏捷制造企业模式，认为应以高素质员工系统为核心，以动态联盟、虚拟制造、并行工程为三大支撑系统。
较多的学者认为，企业组织的敏捷性再造，应从增强企业的柔性、企业员工素质的提高、企业制造的单元化等方面入手。
3 动态联盟及其实现
组建动态联盟是实施敏捷制造战略的关键。动态联盟是指为了赢得某一机遇性的市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织／公司的优势资源，综合成单一的靠网络通读联系的阶段性经营实体。动态联盟具有集成性和时效性两大特点。它实质上是不同组织／企业间动态集成，随市场机遇的存亡而聚散，在具体表现上，结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门(以互利和信任为基础，而非上级意识)，也可以是不同国家的不同公司。动态联盟的思想基础是共赢(Win-Win)。联盟体中的各个组织／企业互补结盟，以整体优势来应付多变的市场，从而共同获利。
动态联盟的建立基础和运作特点不同于现有的大公司集团，前者是面向机遇的临时结盟，是针对产品过程的部分有效资源的互补综合，后者则一般是各企业所有资源的永久简单迭加。关于动态联盟及其实现方式，在以下几个方面的看法已趋一致：
(一)动态联盟是利用已有的企业组织和技术基础来实现的，不需要高额投资作为前提。
(二)动态联盟需要相应的技术支撑，否则是不可想象的。
事实上，“21世纪制造企业发展战略”报告所描述的2006年美国敏捷制造企业模式中，提出了20个技术使能子系统。一般认为，现有企业在向敏捷化转变过程中，应着重解决以下技术问题：(1)计算机集成制造(CIM)技术：将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，敏捷制造也可以认为是CIMS发展的新阶段。(2)网络技术：利用企业网实现企业内部工作小组之间的交流和并行工作，利用全国网、全球网，共享资源，实现异地设计和异地制造，及时地、最佳地建立动态联盟。(3)标准化技术：信息交流的前提要有统一的规则，产品数据交换标准STEP、电子数据交换标准EDI以及超文本数据交换标准SGML等的完善和贯彻是标准化工作的主要内容。(4)模型和仿真技术：对产品生命周期中的各项进行模拟和仿真，实现虚拟制造。(5)并行工程技术：通过组成多学科的产品开发小组协同工作，利用各种计算机辅助工具等手段，使产品开发的各阶段既有一定的顺序又能并行，在产品开发的早期及时发现设计和制造中的问题。此外，企业资源管理计划系统(ERP)、人工智能、决策支持系统、集成平台技术等也是支持敏捷制造和动态联盟的重要技术。
(三)动态联盟的实现不单是技术方面的问题，更重要的是观念和组织上的转变、企业运作模式和社会协作体系(包括相关律法)的建立。
首先是观念的更新。动态联盟的思想基础是共赢，为此，企业经营者必须明确自身的定位和目标：企业优势(Core Competence)、经营范围、所追求的利益等。为了获得他人的帮助，必须抛弃“独利”的思想。非本身范围的利益必须爽快地让给合作伙伴。做到“有所为，有所不为”。
其次，人的因素对于动态联盟的实现有重要意义。“树立”以人为中心的思想，培养一批适应不同工种、掌握多种知识和技能的“多面手”。要求每个部门和每个员工都善于利用各种有益的信息来迅速作出合理的决策。愿意并善于和别人合作。要求每个员工都能把自己当作公司或企业的一部分，有强烈的主人翁意识(Ownership)。建立企业的员工教育系统，提高员工在知识、技能、观念三方面的素质。
敏捷制造模式下的管理对象不仅是本企业，而且包括上下游企业合作伙伴、客户等。这会带来许多新问题，如合作企业的知识产权、跨组织项目工作组的绩效考评等。要求减少管理层次、增加小组工作单元的权限，以快速跟踪客户需求，实现管理信息的敏捷传递。建立员工、客户、供应商、联盟伙伴等卓有成效的合作系统。强化工作小组的权限，亦即前述的放权系统。一切管理工作都必须为TQCS(时间、质量、成本、服务)目标服务，实现准时(JIT)、保质(JIQ)、优质服务(GIS，GoodInService)。
社会环境方面的支持也很重要。如果说CIMS的实施是厂长的行为，那么动态联盟的实施同时还是一项政府或部门行为，是一个部门或至少是某些政治家之间的联合行为。社会环境方面的工作大致包括以下一些内容：加速信息技术在企业的推广，建立企业内部的局域网和企业间的广域网：加速标准的实施：制定全国统一的企业间合作和进行委托加工的法律条文的制定，等等。
(四)面向敏捷制造的系统组织结构。
制造系统的敏捷性虽然依赖于诸如人、技术和社会环境等许多因素，但是从设计制造系统的角度来看，系统能否具有敏捷性与系统的组织结构关系极大。作为组织结构的映射的信息结构以及在系统资源的集成和重组过程中的信息的流动机制，也是构建敏捷制造系统的核心问题［7］。关于敏捷制造的系统组织结构，一些学者提出了“单元制造”的概念。
敏捷性要求制造系统具有一定的柔性，系统组织的柔性决定于两个因素：系统由相对独立的柔性组织单元组成，这样才能做到增加系统柔性而尽量不增加复杂性；各柔性组织单元在一定条件下可以按一定的优化规则重新组合。单元化制造概念中，要求资源为所有产品、所有企业共享。从制造角度考虑，有以下几个单元提法：(1)成组制造单元，基于成组技术原理，使相似零件族在由不同机床构成的制造单元内加工，以减少物流，缩短时间。(2)虚拟制造单元：将制造资源视为共享的资源库，而要加工的产品或工件是多种多样的，并且在不断地变化。在待加工的对象改变时，就要在资源库选择合适的资源，形成制造单元。虽然构成单元的资源是存在的，但单元的具体实体在物理上并不存在。虚拟制造单元是一种生产管理和控制的技术和方法。(3)作业单元：为实现一定“作业目标”的对象集合，例如：定货、销售、设计、装配等。作业单元必须有一定的作业目标。(4)流程单元：流程是实现一个“完整”的生产经营任务全过程，是由作业单元组成的有序集合(如生产经营某一个产品)，具有目标性、完整性、有序性、并行性等几个特点。
4 敏捷制造概念中的产品工艺设计
产品制造过程离不开工艺过程设计理论的支持。产品工艺过程(包括机加工艺、装配工艺、检验工艺等)设计是联系设计和制造的桥梁和纽带，它不仅是制造企业准备工作的首要步骤，而且是企业各部门产品信息交汇的重要环节。工艺规程不仅是指导生产的法规性文件，而且也为企业生产管理和计划调度提供原始信息。敏捷制造的实现必须获得工艺设计理论及其应用系统的充分支持。而直至目前，工艺设计理论仍束缚于传统的经验、技艺和方法的总结。工艺设计辅助系统的实现方法总体上没有超越传统的计算机辅助工艺过程设计系统(CAPP)的范畴，即派生式或创成式CAPP专家系统。理论也不成熟，不能为以敏捷制造为代表的先进制造生产模式的实现提供充分的支持。
敏捷制造概念中的工艺设计理论与方法，应包括以下功能：
1.分布式工艺决策、柔性动态和快速简易的工艺规划理论及其专家系统：支持广义集成的并行式工艺决策方法。重点考虑如何将工艺设计系统分解为若干个功能有限的子系统，借助于网络，驻留于多台计算机终端，工作于不同的部门，并连接形成一个具有柔性的功能更强的开放型系统。实现与工艺设计有关的人员和技术的集成以及设计／制造的异地化。
2.支持制造资源动态重组和优化配置的工艺设计理论与应用系统，实现加工过程局部仿真。
3.网络环境中的CAPP系统开发平台(或称CAPP开发工具)。
4.敏捷、动态、多方案输出的并行式工艺设计系统：一方面，在详细的工艺设计之前，如何快速地进行针对产品设计的简略工艺规划，为CAD系统提咨询数据：另一方面，为适应市场需求和制造环境变动。提供多种工艺备选方案，生成适应性工艺。
5.广义工艺设计及其集成：从单纯的机械加工工艺过程延伸到零件的毛坯设计、非机械加工、作业调度、工装夹具的配套设计、质量检测以及部件装配等与产品设计、制造有关的相关环节。重点考虑与相关系统的集成。
敏捷制造概念中的工艺设计理论目前研究者甚少。对于工艺设计如何支持产品设计并即时考虑生产条件和市场需求，亦即并行式工艺设计理论，已有人提出过相关的概念(如可选工艺规划、柔性工艺规划、非线性工艺规划和动态工艺规划等等)，并做了不多的研究。主要是根据系统底层状态和提供的信息生成适应性最优工艺。并行式工艺设计理论可以为敏捷制造概念的实施创造条件，但它只是从一个侧面(主要是支持产品设计和制造过程下层环节)考虑对传统工艺设计理论及辅助设计系统的更新和扩充，并且研究得并不深入。与CAD、CAM集成的工艺设计理论、应用系统和集成标准仍然是研究热点，但就发展趋势而言，支持敏捷制造、智能制造、精益生产等先进制造生产模式的工艺设计理论和系统将是未来的研究方向。
5 结束语
敏捷制造完整的理论体系尚未建立，应用前景虽然诱人，但真正实施面临许多困难，主要是：国家范围的工业制造信息网络的建立需要大量投资，企业间难以做到相互信任和充分合作。预计敏捷制造未来的发展体现在两方面：敏捷制造的参考模型、使能技术和各种辅助工具；典型制造行业的应用示范。以敏捷制造为代表的先进制造生产模式将是21世纪企业取得竞争优势的必要条件。我国学术界开展此方面的研究和实践实乃大势所趋。