附錄B　生產運營技術

近來很多生產力的提升都是由於生產運營技術的應用。在服務業中，生產力的提升主要是由於軟技術——信息處理。在製造業中，生產力的提升主要是由於軟技術和硬技術（機器）的結合。由於本書的讀者大都在MIS課程裡瞭解到了服務業的信息技術，因此本附錄只關注製造業。

B.1　製造業的技術

最近幾十年產生的一些先進技術對許多行業的製造工廠產生了廣泛和深刻的影響，這些先進技術是本附錄討論的主題，它們被劃分為兩類：硬件系統和軟件系統。

硬件技術促進了工藝自動化，它們承擔了原先由人工完成的勞動密集型工作。重大的硬件技術進步的例子有數控機床、加工中心、工業機器人、自動材料處理系統以及柔性生產系統。這些都是可以用於製造過程的計算機控制設備。基於軟件的技術輔助了製造產品設計以及生產活動的計劃分析等工作。這些技術包括計算機輔助設計和自動製造計劃及控制系統。下面我們將對每項技術進行詳細的闡述。

1.硬件系統

數控機床 （numerically controlled，NC）由這些部分構成：①一臺典型的用來折彎、切割或者磨削的各種類型零件的常用機床；②一臺用來控制機器執行各道工序的計算機。NC首先於20世紀60年代在美國航空公司裡運用，並由此擴展到其他許多行業。在許多模型中，反饋控制循環測定工作中機器車床的位置，不斷將實際位置與程序設定的位置做出比較，並在需要的時候做出修正，這被稱為自適應控制。

加工中心 （machining center）代表了比數控系統自動化程度更高和複雜性更大的水平。加工中心實現了機器的自動控制，它們還附帶了各種工具，這些工具能根據每項操作的要求進行自動切換。另外，機器上配置了一種裝置，能夠在機器加工一個零件時自動卸下一個完成的零件並裝上一個待加工零件。為了使讀者對加工中心有一個直觀的印象，我們在圖B-1a中加入了關於加工中心的示意圖。

工業機器人 （industrial robot）用來替代工人進行一些危險、骯髒和枯燥的重複性勞動。機器人是一種安裝了末端受動器的受程序控制的多功能機器。末端受動器可能是能拾起東西的夾子、扳手、焊接槍或者噴霧器。圖B-1b展示了機器人模仿的人類行為。現在人們已經設計出了更先進的功能，如視覺、觸覺以及近距離協作等。此外一些型號的機器人還可以按照設定的三維圖形軌跡做一系列運動。當工人把機器人的手臂末端按要求移動時，機器人就會把這個軌跡存在存儲器裡並根據命令重複這一動作。新的機器人系統可以執行質量控制監控，然後通過搬運機器人，把部件傳遞給下游的機器人。正如專欄B-1所言，勞動力的節約證實採用機器人的合理性。

圖B-1　CNC加工中心示意圖

資料來源：J.T.Black，The Design of the Factory with a Future（New York：McGraw-Hill，1991），p.39，with permission of The McGraw-Hill Companies.

L.V.Ottinger，“Robotics for the IE：Terminology，Types of Robots，”Industrial Engineering，November 1981，p.30.

|專欄B-1|

評估機器人投資的公式

許多公司在決定是否購買機器人時，使用下面的公式計算回收期：

式中　P——以年為單位回收期；

　I——機器人及其附件所需的總投資額；

　L——每年機器人替代的勞動力成本（每個工人的工資和福利×每天的輪班次數）；

　E——機器人每年的維護費用；

　q——加速（或減速）因素；

　Z——每年折舊。

例：

I=50 000美元

L=60 000美元（2個工人×每個班次20 000美元；經常費用為每個班次10 000美元）

E=9 600美元（2美元/小時×4 800小時/年）

q=1.5（機器人工作速度是一個工人的1.5倍）

Z=10 000美元

那麼：

自動物料處理系統 （automated material handling system，AMH）提高了運輸、存儲以及檢索原材料的效率。例如計算機控制的輸送機和自動化的存儲及檢索系統（AS/RS），在該系統中，計算機指揮自動裝載機挑選和放置物品。自動導航設備（AGV）系統是工廠裡埋在地下的用來指揮無人駕駛設備到達不同地點的電纜。AMH的優點包括快速移動原材料，降低庫存量，減少存儲空間，減少生產損壞以及提高勞動力生產效率。

這些單獨的自動化部分能夠組合起來形成製造單元（manufacturing cell）甚至柔性生產系統（f lexible manufacturing system，FMS）。一個製造單元可以由一個機器人和加工中心組成。機器人接受編程自動從加工中心插入和移除零件，這樣就形成了無人監管操作。FMS是一個全自動生產系統，其中包括能自動裝卸零件的加工中心、一個用來在機器間移動零件的自動導航設備系統，以及其他用於無人監管生產的自動器件。在FMS中，一個全面的計算機控制系統用於運行整個系統。

4個大加工中心中的一個（見圖B-2），這是俄亥俄州Cincin-nati Mtlacron工廠的FMS的一部分。

俄亥俄州Cincinnati Mtlacron工廠的FMS就是一個很好的例子，它已經運營了30多年了。圖B-2是這個FMS的示意圖。在這個系統裡，零件被運送到標準化的夾具上（這些設備被稱為“提升機”），它被安裝在由自動導航設備引導的可移動的貨盤上。工人裝卸工作站的標準化夾具上的工具和零件，如圖中右邊所示。這種裝卸大都在一個班次中完成。這個系統實際上可以實現無人監管。

在這個系統中有兩個區域用於儲存工具（區域7）和零件（區域5）。這個系統是用來設計辛辛那提米蘭製造的大型鑄造工具的。鑄造在4個CNC加工中心完成（區域1）。當這個加工中心完成一個零件時，零件被送到零件清洗平臺（區域4），在那裡得到清洗，接著零件被送到自動檢測平臺（區域6）做質量檢驗。這個系統可以生產成百上千中的不同零件。

圖B-2　Cincinnati Milacron柔性製造系統示意圖

資料來源：工廠的宣傳手冊。

2.軟件系統

計算機輔助設計 （computer-aid design，CAD）是藉助計算機的能力進行產品和工藝設計的一種方法。CAD包含幾種自動化技術，如檢驗產品外觀特徵的計算機圖形設計軟件（computer graphic）以及評估工藝特徵的計算機輔助工程（computer-aided engineering，CAE）。Rubbermaid用CAD提升ToteWheels的精度滿足檢查行李的要求。CAD還包括與製造工藝設計相關的技術，如計算機輔助工藝過程設計（computer-aided process planning，CAPP）。CAPP設計作為計算機控制加工機床指令的計算機程序，設計排列通過加工中心的零件次序以及工藝次序（諸如清洗和檢測）的程序。這些程序被稱為工藝計劃（computer plans）等。複雜的CAD系統還能做即時屏幕測試，替代早期的原型定位測試和修改。

CAD已經被用來設計各種產品，從計算機芯片到馬鈴薯切片。例如Frito-Lay公司用CAD來設計它們的雙維度、有褶飾邊的O’Grady馬鈴薯切片。設計這樣一個切片的問題在於，如果切得不合理的話，就可能外焦內潮，太脆（比如放在包裡的時候碎了），或者呈現出一些其他不適合做鱷梨醬蘸片的特徵。然而，通過運用CAD，運用數學方法產生適當的角度和褶皺數量；O’Grady模型通過了在Frito-Lay公司壓碾機上的壓力測試，併成功擺上了雜貨商的貨架。

CAD還可用於設計定製泳衣。穿著者的尺寸被輸入到CAD程序中，同時輸入顧客要求的款式。通過與顧客協作，設計者對照屏幕上顯示的人體模特修改泳衣設計。一旦設計確定下來，計算機打出模版，就可以進行裁剪和現場縫製了。

自動製造計劃和控制系統 （automated manufacturing planning and control systems，MP & CS）是簡單的基於計算機的信息系統，它用來輔助計劃、排序計劃以及監控制造運營。它們不間斷地從工廠現場獲取關於工作狀態、原材料到達等信息，同時，它們發佈生產及訂貨的指令。複雜的生產計劃控制系統包括訂單錄入處理、車間現場控制、採購以及成本會計核算等。

B.2　計算機集成製造（CIM）

所有這些自動化技術都集合到計算機集成製造 （computer-integrated manufacturing，CIM）中。CIM是製造過程的自動模式，其中生產三大主要功能：產品與工藝設計、計劃與控制以及製造過程本身都被自動化技術所替代。此外，口述和書寫交流這些傳統的一體化機制都被計算機技術所取代。這些高度自動化及一體化的製造也被稱為工廠全面自動化 （total factory automation）和未來工廠 （factory of future）。

所有CIM技術是通過網絡及一體化數據庫聯繫在一起的。例如，數據整合把CAD系統同由數控零件程序構成的計算機輔助製造 （computer-aided manufacturing，CAM）聯結起來，同時生產計劃與控制系統能夠和自動物料處理系統聯繫起來輔助部件選擇清單的生成。因此，在一個完全一體化的系統裡，設計、測試、製造、裝配、檢測和物料處理不僅是自動的，而且是相互協調一體的，並且和製造計劃及排序計劃功能相協調。

1.技術投資評估

像柔性生產系統或者計算機訂單處理系統這樣的現代技術意味著巨大的資本投資。因此，一個工廠在獲取某項技術之前要仔細評估它的財務及戰略收益。由於獲取新技術的目的不僅是降低勞動力成本，還有提升產品質量和增加產品種類、縮短產品提前期、增加作業的柔性，因而評估這樣的投資特別困難。相比勞動力成本而言，一些收益是無形的，因此驗證過程就很困難。此外，技術的飛速發展使新技術在若干年後就被淘汰，這使成本-收益評估變得更加複雜。

千萬不要認為新的自動化技術一定可以節約成本。即使當某項技術自動化的收益確定無疑的時候也有可能不值得采用該技術。例如，許多分析家預測一體化CAD/CAM系統能夠解決所有制造問題，但許多公司都在這些系統的投資中遭受損失。這是由於在新產品或者重新設計的產品的生產設備以及工藝改進後的設備系統將很多高技術的勞動力排除到製造過程之外，但研磨少量複雜產品的時間可能比研磨機床編制程序的時間要少，並且編程員的單位時間成本要比研磨機操作工要高。另外，要把專家多年積累研磨的知識和經驗全部轉化為計算機程序也並不是件容易的事情。CAD/CAM一體化軟件在質量和成本上已經逐步提升到一定的水平，現在甚至常被採用在一些種類多而批量小的製造環節中。

2.技術投資的收益

通常採用新的製造技術帶來的收益既有有形的，也有無形的。有形的收益能用傳統的財務分析模式進行有效的投資決策，如折算現金流。詳細的收益歸納如下。

降低成本：

（1）勞動力成本。機器人取代工人，或者用較少的工人操作半自動化的設備。

（2）物料成本。更有效地使用現有物料，或者允許使用的物料差異範圍較大。

（3）庫存成本。允許JIT庫存管理的快速設備調整。

（4）質量成本。自動檢測和減少產品產出變動。

（5）維護成本。自動調整的設備。

其他收益：

（1）產品種類增加。由柔性生產系統產生的範圍經濟。

（2）產品性能提升。原先手工無法生產的產品的生產能力（如微處理器）。

（3）週轉週期變短。加快調整和切換。

（4）產量擴大。

3.採用新技術的風險

儘管採用新技術有很多收益，但在採用新技術時也伴隨著風險。必須充分估計這些風險並在採用之前予以剔除。以下是一部分風險。

技術風險

較早採用新技術可以在競爭中處於領先的位置，但在採用未經測試的技術時也存在風險，這些問題可能導致工廠生產的中斷，同時採用新技術也存在技術淘汰的風險，特別是獲取新技術的固定成本及升級換代成本特別高的電子技術的發展日新月異。此外，未來的替代技術可能更有成本效益，令現今技術的收益失去優勢。

運營風險

企業運營中採用新技術的過程也會存在一些風險。新技術的安裝通常會干擾企業的生產，至少在短期內是這樣。這種干擾由企業的機構重組、人員的重新培訓等產生。在更深的層面上，生產工藝中會產生延遲和出錯，對各種資源的需求也變得不確定和非常突然。

組織風險

公司可能缺乏相應的組織文化和高層管理來化解新技術帶來的短期干擾與不確定性。在這樣的組織裡，當短期內試驗失敗時公司的員工或管理者就可能很快放棄新技術，或者對企業原有陳舊低效的工藝進行簡單的自動化改進而避免大幅改動，因而企業也就不能獲得新技術帶來的效益。

環境或市場風險

曾經發生過很多這樣的案例，一家公司投資某項新技術，結果若干年以後發現環境變化或市場因素令這些投資變得一文不值。例如，在環境問題上，汽車公司總是在投資生產電動汽車的新技術上踟躕不前，因為它們無法確定聯邦政府和州政府未來的尾氣排放標準、降低燃油汽車生產量的趨勢以及電池技術的進步潛力。市場風險的典型例子是貨幣兌換率和利率的波動。

本章小結

B-1　理解運營技術的應用是如何影響製造的

·技術在大多數國家的生產力增長中起到主導作用，它為較早採用併成功實施的企業帶來了競爭優勢。

·儘管這裡所討論的製造和信息技術本身都是威力巨大的工具並且都能單獨採用，但它們如果配合一體使用，可以令收益呈現指數增長。典型的例子就是CIM技術。

·增加現代技術採用的收益並不全是有形的，並且許多收益要在長期才能顯現，因而通常使用的成本會計核算方法和標準財務分析不能充分顯示出類似CIM這種技術的潛在收益，因此我們在評估這些投資時應該考慮到戰略收益。此外，許多現代技術的資本成本是相當高的，我們必須仔細評估與這些投資相關的各種風險。

·對於許多企業而言，採用柔性生產系統及複雜決策支持系統需要大量的投入。這些投資甚至超出一箇中小型工廠的能力範圍。但是，當技術不斷提升並被廣泛採用的時候，它們的成本就會降低，令小型企業也有能力去採用這些技術。鑑於這些技術的綜合性、整合性，高層管理者及員工在這些技術的成功實施中的作用十分關鍵。

討論題

1.機器人需要培訓嗎？請解釋其中的原因。

2.在工業銷售中的理論“你不是銷售產品，而是銷售公司”適用於製造技術嗎？

3.列出3種本書探討過的可以用來評估技術方案的分析工具（除財務分析以外）。

4.世界上最大的地面裝飾公司Atlanta-based Interface公司在加拿大Ontario的Belleville子公司將它的大部分利潤歸功於“綠色製造”或者說是“生態效率”。你認為這些名詞的含義是什麼？這些實踐是如何降低成本的？

5.列舉兩個最近的產品和工藝技術革新的例子。

6.數控機器和加工中心有什麼不同之處？

7.兩個大型汽車製造商都計劃投入大量資金開發電動汽車新產品和工藝技術。簡述它們投資這些技術的原因，討論這些投資的潛在收益和風險。