基于制造企业的生产流水线的改造研究解读.docx
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基于制造企业的生产流水线的改造研究解读
毕业论文
论文题目：
院校名称：
浙江工商大学
专业：
工商企业管理（专）
班级：
姓名：
学号
指导教师：
职称
定稿日期：
2014年4月21日
摘要
设计流水线将任务专业化，每个人只需关注自己精通的部分工作；通过规范化的设计任务，减少了不创造价值的审批环节；具有通用性的设计任务提高了设计过程的质量，减少不必要的设计任务和设计中的重复迭代。
本文围绕某汽车公司研发需求，实现设计流水线的管理理念，并在该公司车身研发项目中得到了实施和应用，进而检验了所提出的设计流水线理论方法的可行性和实用性。
关键词：
：
流水线；公司；设计流水线
ABSTRACT
Pipelinedesigntaskspecialization,everyonecanfocusonsomeoftheworkyourselfproficient;throughstandardizeddesigntasks,reducingtheapprovalproceduresdonotcreatevalue;versatilityofdesigntaskstoimprovethequalityofthedesignprocess,reduceunnecessarydesigntasksanditerativedesign.Thispaperfocusesonthedevelopmentofacarcompanyneedstoachievedesignpipelinemanagementphilosophy,andhasbeenimplementedandappliedresearchanddevelopmentprojectsinthecompany'sbody,andthentestthefeasibilityandpracticalityoftheproposedpipelinedesigntheoryapproach.
KeyWords：
pipeline;company;designpipeline
前言1
1设计流水线概念模型2
2设计流水线对象模型3
2.1人员3
2.2知识3
2.3任务4
2.4工位4
3设计流水线的关键技术5
3.1设计流水线的适用范围5
3.2设计流水线的技术框架6
4设计流水线在车身设计中的应用8
4.1设计过程要素建立8
4.2车身设计流水线建立8
4.3车身设计项目调度9
4.4软件应用10
总结13
参考文献14
致谢15
前言
设计流水线的概念就是科尔尼公司通过对全球汽车工业的产品研发发展趋势的分析，结合中国汽车企业的现状，借鉴生产流水线理念提出的：
关键的出路是建立“现代化流水线”式的产品开发管理能力。
“流水线”式产品开发流程的特征，就是规范化的产品开发流程，通过流程的标准化来有效地控制开发的节奏以提高效率；通过对产量的考核，来有效地提高资源的利用率；通过对工作的外包，来最大地优化资源配置，并有效地将配套供应商提供的各个设计“部件”组装成最终的产品。
设计流水线是以现代化流水线作业为范本而构建的产品开发“工厂”，是一种新的产品研发管理模式。
生产流水线将生产过程划分为在时间上相等或成倍比的若干工序，工件按一定的速度，顺次流过各个工位进行加工。
类似的，设计流水线中，设计项目被转化为一种稳定的“节拍”设计任务；设计任务均衡的从一个部门转入下一个部门，每个部门的每一个人都能够连续工作，形成均衡的产品开发任务流。
通过这种模式源源不断低成本地推出符合市场要求的新产品，而这正是面临巨大市场压力的诸多企业所追求的目标。
但是设计过程与制造过程存在着很大的区别，产品设计过程具有复杂性（包括设计任务复杂性和任务之间关系的复杂性）、不确定性（可变性和不精确性）、模糊性（信息不充分和唯一性）的特点。
因此需要研究设计流水线和制造生产线的异同点，建立适合于研发过程的流水线模型、过程分解的方法，并以此为基础提出形成均衡任务流水线设计方法，以及流水线的有效应用。
1设计流水线概念模型
设计流水线：
指产品设计按照一定的设计步骤，顺序地通过各个工位，并按照一定节拍连续不断的完成设计任务的一种设计活动组织形式。
工位：
是指流水线上沿着信息流动路径上的一个特定位置，在这个位置上由一个设计人员完成一项或多项设计过程要素，是组成设计流水线的基本单位。
设计过程要素：
是指完成产品设计所需的全部工作的一小部分，由一个或多个设计任务组成，每个过程要素有其特定的要素时间，并且按照一定的顺序执行。
设计流水线的主要技术指标包括：
设计周期（Cycletime，C）是指一个设计项目从设计流水线的第一个工位（设计人员）开始进行设计到最后一个工位（设计人员）完成设计退出整个过程的平均设计时间。
其值越小越好。
节拍时间（TaktTimeTT）：
是指流水线中一个工位完成其作业消耗的时间。
建立流水线的一个目的就是要使每个工位的节拍时间尽量相等，以达到平衡。
如果某些作业消耗的时间比需求节拍长，那么就正在形成瓶颈；如果某些作业消耗的时间比需求节拍短，那么将无法充分利用这些资源。
实际工作时间（InProcessTimeIPT）：
指设计人员完成分配到该工位的设计过程要素所用的时间之和。
利用率（Utilization，UT）指设计人员实际工作时间与全部工作时间之比。
流水线平衡效率（Eb）：
是衡量流水线平衡状态的一个定量指标。
2设计流水线对象模型
设计过程中涉及到设计人员、设计活动、设计知识等元素，与制造过程中各对象进行类比：
设计人员类似于加工设备为设计过程的主题，设计与工件一样是流水线的客体，设计活动则是主体对客体的行为；将设计知识分为两部分：
一部分是人员自己具有的知识，作为人员的一部分提供人员设计能力和完成任务效率；另一部分是外部知识（包括存在于其他人员脑海里的隐性知识和存储在信息化系统、文档等介质中的显性知识），知识作为资源支持人员设计工作，同时会影响人员设计能力。
2.1人员
在设计流水线中人员（Actor）是最基本的对象之一，作为流水线中的主动对象，针对设计需求进行产品设计，类似于生产流水线中的加工设备。
除语义网络中定义的标识、类型、时间区间基本信息外，它还包括姓名（name）、性别（gender）、地址（address、Email）等人员的基本属性。
在设计过程中，为了便于协同和管理，通常会将几个人分为一组（group，每组通常可以完成某一功能的产品设计，类似于生产流水线中的加工中心。
Group具有层次结构，Group的父子之间的关系定义为SubClassof，最底层的Group与Actor关联，定义相互之间的关系为Ismember。
由于每个人（Actor）有多项技能，针对不同的技能每个人可以担当（play）不同的角色（Role）。
2.2知识
不同的设计需求和设计过程需要不同的设计知识，设计是否成功，往往取决于设计知识的含量。
根据知识存储形态，可以分为两类：
一种是存储于人脑中的知识（以PK表示）；一种是固化在各类媒介载体中的知识，包括文档、制度、方法、流程、产品等有形或无形的媒介载体（以MK表示）。
PK构成了人员的能力体系，正是具有了这些知识，设计人员才能够进行某类产品的设计；MK为设计人员以外的知识，企业通过计算机软件系统，如PLM（ProductLifecyclemanagement）系统、OA（OfficeAutomatic）系统、档案管理系统等进行存储，便于设计人员查找参考，本文将MK看做设计过程中的资源，同其他资源如材料、设备、工具软件（CAD，CAE等）一样，在本文中这些资源默认均为可获得的，满足设计需求。
将知识根据知识领域（或根据活动及应用需要）进行分类，可以划分成许多不同领域，例如：
机械知识、电子知识、控制知识。
每个领域又有其对应的子集，对这些子领域继续细分，直到获得不可或不必再分的知识领域为止，本文称其为知识单元（KnowledgeUnits，KU）。
这里KU的涵义为：
在一个很小领域内的一部分知识，它可以不用另加定义就为人们所理解和认知，并可以和其他的知识单元区分开来。
因此，可把KU看作构成组成知识的基本单位。
2.3任务
对于一个复杂产品的设计，需要将其分解为一组具有先后关系的设计任务。
在特定输入参数的驱动下，一个设计任务产生相应的输出参数，而多个任务可由一组或几组设计人员协同执行，通过这些设计任务的完成来实现最终产品的设计。
设计过程的描述主要来源于对所设计产品本身结构和功能的分析，产品越复杂设计过程也就越复杂。
通过对设计过程进行分解可以降低其复杂度，进行有效地控制。
设计任务之间存在着复杂的关系，包括：
蕴含关系（IsPartof）：
当设计过程进行细分为多个子任务时，父任务与子任务之间形成了蕴含关系；
顺序关系（Sequence）：
一个设计任务的开始以另一个设计任务的结束为前提时为顺序关系；
并行关系（Parallel）：
两个（或多个）任务同时运行又不受到干扰时，两者（或多个任务）之间为并行关系；
藕合关系（Overlap）：
两个（或多个）任务之间存在着信息依赖，任务的输出互为对方的输入时，两者（或多个任务）之间为藕合关系。
2.4工位
工位是设计流水线中特有的对象
3设计流水线的关键技术
3.1设计流水线的适用范围
流水线的建立是有基础的，也就是说流水线并不是适用于所有情况，它是有范围的，设计流水线亦是如此。
新产品按照其与现有产品相比的创新程度技术特性可以分为三类：
派生产品、换代产品和创新产品。
1）派生产品（Derivativeproduct），主要指对现有产品采用各种改进技术，使产品在功能、性能、质量、外观、型号有一定改进和提高的产品。
派生产品在汽车行业是常见的一种产品开发模式，通常是在现有的平台（底盘、轴距等）基础上，进行全新车身外壳、内外饰、二级技术的研发与整合。
派生产品对企业的重要性在于能确保企业近期的现金流，通过不断改进和延伸现有产品线，企业能够快速地将派生产品推向市场。
对于同一平台的产品，其开发过程基本相同，适用于流水线式的管理方式。
2）换代产品（Next-generationproduct），主要是指产品的基本原理不变，部分地采用了新技术、新材料、新的元器件，使性能有重大突破的产品[}ms}。
此类产品的开发由于原理、整个产品的基础仍是基于已有产品或平台，其开发过程通常变化不大，适用于流水线式的管理方式。
换代产品开发目前是电子类产品（计算机、手机、相机等）的常用开发方式。
根据摩尔法则微处理器的计算能力每十八个月增长一倍。
而英特尔公司的微处理器通过不断更替的换代产品（从286，386，486、奔腾、奔腾2、奔腾3、奔腾4到现在的双核）保证了利润的持续增长。
在汽车行业中，常用于新材料（内外饰、护板等）或有选择地升级技术，也曾用于车型大改型之间的升级。
但随着当今竞争日趋激烈、技术开发周期架空、顾客的信息越来越灵通，不论在汽车行业，还是许多基于平台行业（如家电、重型机械等），这种方式的可行性越来越低。
3）创新产品（Breakthroughproduct），主要指采用科学技术的新发明所生产的产品，一般具有新原理、新结构、新技术、新材料等特征。
与现有的产品比较，在某些方面没有任何共同之处，是一种完全从零开始的产品，是汽车或其它成熟行业最少见的产品开发形式，设计流水线亦不能适用此类产品开发。
从产品研发创新程度看，设计流水线适用于派生产品和换代产品以及产品平台的研发。
从产品开发生命周期看，流水线式的产品开发管理模式主要适用于产品从系统设计到详细设计、测试完成阶段，如图3-1所示。
产品整个生命周期从需求开始，经过概念设计、系统设计、详细设计、测试到生产、使用、报废回收，对一个企业管理来说，通常产品需求和概念阶段通常是作为预研项目单独管理，当概念设计之后证明其可行性后，产品开发项目立项，开始正式的项目研发、生产管理。
图3-1产品研发生命周期
3.2设计流水线的技术框架
建立设计流水线的目的是把设计过程中的设计人员、任务、知识等按照流水线的形式进行组织，多个产品在流水线上同时进行设计，设计人员在自己的工位上执行着不同的设计，设计信息（包括需求、参数、设计数据）沿着信息流从一个工位传输到另一个工位，随着设计产品的向前传送，产品的设计不断完善，把所有的操作累加起来就能够实现完整的产品设计。
在设计流水线上，随着设计流水线的移动产品的设计信息在通过每个工位上设计活动完成整个设计的一部分，设计信息沿信息流平稳地移动，如图3-2所示。
图3-2设计流水线结构示意图
设计过程要素是设计流水线建立的基础，通过过程要素的定义将每个产品唯一的设计活动通用化，使其适用于批量的产品设计，另一方面设计过程要素是设计流水线平衡的基础。
与制造过程中工作要素所不同的是，设计过程中处理的对象是无形的信息、知识，因此资源、人员的定义并不是像制造那样根据有形产品的实物形状来确定设计过程要素及对应的人员专业类型，而是要根据处理的信息、知识属性来分组确定。
首先，将设计过程中的活动从特定产品中分离出来独立建立模型，使得不同的设计过程可以共用一系列通用的可替代产品。
通过建立设计任务模型，定义其输入/输出信息、约束等特征属性，规范设计活动类似于生产流水线的零件规范化；然后通过分析，将模型中的信息特征和知识属性相似的模型组合起来形成适用多个项目通用的设计过程要素的基本模型；通过复杂网络技术进行模式识别和评价模型，对设计过程要素进行调整。
流水线平衡问题一直是生产组织中长期关注的问题，并对企业生产工序的正常运作起着关键的作用。
平衡流水线就是指分配工作到各道工序上的决策活动，通过对人力、资源和工作任务的恰当分配，使整个流水线达到平衡状态。
其目的是使得所涉及的流水线所需设计人员（工作站）数量最少，同时使各设计人员（工作站）作业时间尽量相等。
通过定量分析人员与任务、任务与任务之间的依赖关系，考虑设计过程中的不确定性和任务迭代，应用模糊理论确定设计任务的具体工作时间；提出了设计流水线的平衡问题，确定线平衡目标、建立数学模型；应用改进的遗传算法解决流水线平衡问题的优化问题。
在设计流水线上进行实际产品的设计时，由于其产品类型、结构配置以及人员能力等通常具有一定的差异性，如何安排不同产品的开发顺序，将密切关系着设计流水线的使用效率、流水线上各设计人员负荷，从而对企业产品研发效率、研发成本造成影响。
4设计流水线在车身设计中的应用
4.1设计过程要素建立
在建立设计流水线之前，首先要将产品设计过程进行通用化，建立设计过程要素库。
企业基于已有设计经验，经过有经验的工程师对相关项目进行分解，并基于设计知识单元进行设计任务的组合获得设计过程要素。
由此获得的某公司车身详细设计的设计过程要素如图4-1所示。
好的设计过程要素除了尽量减少迭代，还可以与设计人员、产品结构相对应，并且固化下来作为流水线建立的基础库。
一个设计过程要素仅由一个人员进行设计，且可以固化起来并与产品的设计结构相关联。
图4-1车身设计过程要素
4.2车身设计流水线建立
根据企业计划，某车身设计部在五年内的计划为5个全新车型研发项目、10个改型车以及5个在原有基础上的小改车型项目，其优化目标期望设计周期在（119，142，155）范围内。
为了计算方便，本文假设汽车设计中车身、底盘、内外饰等几大系统的设计是完全并行进行的，因此只考虑车身设计以及在设计过程中对车身设计有重要影响程度的相关任务，比如CAE分析、工艺性分析等。
在进行设计流水线的平衡之前，首先根据五年规划中可能车型研发需要，选择相应的设计过程要素，并建立组合AON网络。
经分析得出的结果为估计五年内需要9个车身设计相关工位。
与企业目前实际情况相比，企业车身部参与设计项目人员为10人，包括造型、工艺、CAE评审等需要14人。
仅从车身设计上看，在相同时间内项目上实际设计人员比所需人员高出一倍，而这些人员通常是由于当多个项目并行时，项目任务造成拥塞，不得不增加更多的人来分流设计人员在某一时期内的任务过重，其他时间则会被闲置下来。
4.3车身设计项目调度
完成了五年内适用于某公司乘用车全新设计、大改、小改车型设计的流水线，其最高设计周期为102天。
在实际研发项目中，项目经理会针对短时间内的项目进行详细计划，定义不同产品的开发顺序和具体的任务分配。
这时，不仅要考虑任务的顺序约束关系，还要考虑企业中人员能力，根据能力分配其能够胜任的工作。
对三个项目（新车型研发、大改车型和小改车型）中的各个任务进行调度，以保证设计时间最短。
由于对于不同类型的车型，其所包含的设计过程要素会有所不同，如新车型一般包含最全的设计过程要素，对于改型车由于是基于以前的设计很多设计借用已有车型所以设计过程要素会减少。
不同车型在不同工位上的设计任务的估计时间如图4-2所示，对这些任务的分配情况进行优化分析，确定最优任务分配方案。
应用优化算法得出每个工位的任务分配情况，如图4-3所示，图中仅显示三个项目在工位上的分配情况，针对此三个项目流水线工位上设计人员的评价设计时间闲置率为0.0279。
由于本文只考虑了三个项目且任务之间有先后约束关系，所以每个工位开始时间有所不同，在开始之前工位处于闲置阶段，若从更长周期的设计项目看，由图中可看到各个工位的任务几乎是连续的，使得各个工位的得到充分利用，可见使用设计流水线的方式管理设计项目具有更高的效率。
图4-2待分配项目的PeDSM
图4-3优化调度结果
4.4软件应用
设计流水线原型系统建立了与企业PLM系统的应用接口，通过接口获取PLM中已有数据：
产品设计知识（包括产品模型、BOM结构、相关文档等）、人员信息（包括组织结构、设计人员所属专业、设计能力、以及相关基本信息等）、任务知识（包括已有项目的项目基本信息、项目分解后的任务信息等）作为设计流水线系统的输入，和使用过程中相关信息处理的基础。
另一方面，设计流水线系统中创建和生成的相关信息需要返回企业PLM系统存储，包括：
人员能力水平信息，设计项目的基本信息（项目类型、项目周期估计等）、设计任务的基本信息（任务之间的约束、建议执行人员、交付物等）。
首先由管理委员会企业根据研发战略制定研发目标，即建立设计流水线的具体目标参数，图4-4所示分别为系统主界面和目标定义，此图即为流水线平衡实例的界面。
然后管理委员会可以借用以前的流程或系统中存储的设计过程要素与项目经理讨论建立流水线设计需要的设计过程要素及其约束、时间估计等信息；通过系统的计算得出5年规划的流水线，包括人员配置、任务分配等，如图4-5所示。
图4-4目标定义
图4-5流水线建立
图4-6项目任务优化调度
总体规划结束后，管理委员会将项目指派给项目经理，项目经理制定自己负责项目的项目计划，并根据具体情况优化配置人员和多个项目的起止时间。
首先根据设计流水线确定项目人员如图4-6（a）所示，同时项目经理需要对各个项目的任务进行分解，任务分解的好坏可以应用系统的模式生成模块中的分析功能对项目中的设计过程要素进行分析，以判断过程分解是否需要修改。
在进行完设计过程的分解后，通过系统生成或定义各能力需求矩阵、人员能力矩阵，最后生成调度优化结果。
如图4-6（b）所示为某企业三个车型的项目优化调度结果，通过此结果项目经理可以在企业PLM系统中建立甘特图以管理和监控项目实施（图4-6（c））。
项目规划完成后，项目经理发布项目计划，项目开始实施。
设计工程师通过登录B/S客户端，可以查看本人当前需要完成的工作任务、要提交的交付物、可供参考的数据库等，如图4-7所示。
图4-7工程师使用界面
总结
设计流水线系统的设计和开发是在本文所提出的相关理论、方法的指导下，结合我国制造业的产品开发现状，通过需求分析、系统设计、编码、集成、系统测试、评价等过程，最终形成的包含知识管理、人员管理、设计任务管理、项目管理、设计流水线、任务调度优化等功能的研发管理系统，系统覆盖了产品研发的整个过程，目的是在产品项目设计之前制定出合理的规划，在实际过程中进行有效的控制，使设计过程变成一个平稳的、有节拍的创新活动，并使设计工程师的工作负荷均衡化。
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致谢
我衷心感谢我的导师。
他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，俱深深地感染、激励着我，这些，将使我终生受益。
在我毕业论文的写作过程中，我的老师始终予我精心的指导和不懈的支持。
他循循善诱的教导给予我无尽的启迪。
在此谨向我的导师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
同时，我也要向身边的同学表示感谢，因为，论文中某些观点的提出和他们的讨论是分不开的。
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
我愿在未来的学习和研究过程中，以更加丰硕的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的老师和同学。
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