動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為建模研究

趙東方等

摘要：基于生產(chǎn)單元制造環(huán)境的復(fù)雜性，分析了生產(chǎn)單元內(nèi)外部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境；在此基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為進(jìn)行建模，從知識(shí)庫、行為協(xié)議、反應(yīng)協(xié)議對(duì)生產(chǎn)單元個(gè)體、團(tuán)隊(duì)、組織三個(gè)層面描述組織行為。最后，以某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)單元為研究對(duì)象，對(duì)所提生產(chǎn)單元組織行為建模方法進(jìn)行應(yīng)用。仿真結(jié)果證實(shí)了所提組織行為建模方法應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境波動(dòng)的有效性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)制造環(huán)境；組織行為；組織行為建模

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2015.10.29

中圖分類號(hào)：F273； TP3919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-8409（2015）10-0136-05

Abstract：As the manufacturing environment complex in manufacturing cell， the dynamic manufacturing environment is analyzed， including the internal and external environment. Then， organization behaviors model in dynamic manufacturing environment is proposed to describe the organization behaviors， including individual， team， and organization behaviors. Lastly， research is done in use of an organization behaviors model method based on a real motorcycle engine manufacturing cell. The results verify the organization behaviors model can reply the fluctuation of dynamic manufacturing environment.

Key words：dynamic manufacturing environment； organization behavior； organization behavior model

生產(chǎn)單元因具有柔性化設(shè)備布局、復(fù)雜化生產(chǎn)管理和多樣化組織成員，可顯著提升生產(chǎn)效率。但與傳統(tǒng)的大規(guī)模制造相比，其制造環(huán)境復(fù)雜多變。首先，由于客戶需求多樣化、個(gè)性化等原因生產(chǎn)單元外部制造環(huán)境存在較多不確定性[1～3]；其次，由于生產(chǎn)單元內(nèi)部受人員、資源、訂單、工藝等因素的約束，其生產(chǎn)、組織等活動(dòng)具有較多不確定性 [4～6]。雖然通過市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)、客戶分析及柔性化制造等措施能緩解不確定因素造成的影響，但市場(chǎng)和單元內(nèi)存在許多隨機(jī)因素[7～9]，生產(chǎn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性等特征難以消除。組織模式及組織行為作為組織柔性的重要組成部分，可以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)單元?jiǎng)討B(tài)制造環(huán)境，成為提升單元效益的有效途徑。

近年來許多學(xué)者致力于組織模式及組織行為的研究，提出在提升制造柔性的同時(shí)通過靈活的組織模式和多樣化的組織行為提升單元績效[10～14]。組織模式研究中Sherehiy等學(xué)者研究了工作組織結(jié)構(gòu)和勞動(dòng)力的敏捷性關(guān)系，研究結(jié)果認(rèn)為員工自主決策權(quán)對(duì)組織有重要影響[8]；Min Zhang等學(xué)者開發(fā)了一個(gè)大規(guī)模協(xié)同定置平臺(tái)，并研究了組織扁平化對(duì)大規(guī)模定置功能的影響[15]。組織成員行為研究中，陳雪芳等人研究了敏捷制造組織，強(qiáng)調(diào)組織成員具有學(xué)習(xí)行為和更高的決策行為[11]；孟飚等人研究了多能工精益組織，組織成員具有多種行為方式，根據(jù)制造環(huán)境的狀態(tài)可以靈活安排生產(chǎn)任務(wù)[12]；Madureira等學(xué)者研究了自組織調(diào)度系統(tǒng)中使用集體智慧進(jìn)行排產(chǎn)的協(xié)商行為[7]；Qiu J J 等人基于仿真方法研究了生產(chǎn)單元員工維修行為，結(jié)果表明協(xié)作維修行為優(yōu)于不協(xié)作[16]；張曉冬等人研究了生產(chǎn)單元成員學(xué)習(xí)效應(yīng)方式下組織合作行為，結(jié)果表明自主合作行為組織柔性高[17]。上述研究成果雖然可以靈活應(yīng)對(duì)制造環(huán)境波動(dòng)，但多數(shù)研究基于數(shù)學(xué)方法開展，難以體現(xiàn)組織成員的自治性和主動(dòng)性；另外，現(xiàn)有研究中動(dòng)態(tài)制造環(huán)境和組織行為單一，沒有全面分析生產(chǎn)單元?jiǎng)討B(tài)制造環(huán)境和組織行為。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為建模方法，該方法具有以下特點(diǎn)：第一，全面分析影響生產(chǎn)單元效益的動(dòng)態(tài)制造環(huán)境。第二，面向生產(chǎn)單元制造過程分析組織行為，并對(duì)組織行為構(gòu)建模型?；诖?，在對(duì)生產(chǎn)單元內(nèi)外動(dòng)態(tài)制造環(huán)境進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論（Complex Adaptive Systems，CAS）并結(jié)合智能主體技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為進(jìn)行建模，從知識(shí)庫、行為協(xié)議、反應(yīng)協(xié)議描述生產(chǎn)單元個(gè)體、團(tuán)隊(duì)、組織層面行為，為生產(chǎn)單元組織柔性的提升提供機(jī)理；最后將所提動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為建模方法應(yīng)用于某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)單元，分析不同動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下組織行為對(duì)生產(chǎn)單元的影響。

1生產(chǎn)單元?jiǎng)討B(tài)制造環(huán)境分析

生產(chǎn)單元作為復(fù)雜制造系統(tǒng)，可抽象描述為將任務(wù)和資源等在一定約束條件下轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的一系列過程，該過程是資源、人員、環(huán)境等的動(dòng)態(tài)集合，具有動(dòng)態(tài)平衡性。因此，生產(chǎn)單元狀態(tài)總是隨時(shí)間t發(fā)生變化，狀態(tài)方程可表示為

其中ER（）為資源集合，ET（）為任務(wù)集合，P（）為產(chǎn)品集合，O（）為組織集合，C（）為生產(chǎn)單元，Cst為約束條件。上述狀態(tài)表示生產(chǎn)單元從初始狀態(tài)1到最終狀態(tài)t的轉(zhuǎn)變過程。在某一時(shí)刻i生產(chǎn)單元狀態(tài)趨于穩(wěn)定，但隨著內(nèi)外部信息、能量和物質(zhì)等交互作用，生產(chǎn)單元根據(jù)制造環(huán)境等轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N平衡，其模型如圖1所示。

造成上述過程的原因?yàn)椋阂环矫妫捎诳蛻粜枨?、采購、銷售、資源等的不確定性，導(dǎo)致生產(chǎn)單元外部制造環(huán)境復(fù)雜多變，生產(chǎn)管理部門難以準(zhǔn)確預(yù)估制造環(huán)境波動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)中雖然可以通過客戶需求預(yù)測(cè)、采購周期評(píng)估、供應(yīng)商評(píng)估、安全庫存、市場(chǎng)分析等手段有效預(yù)測(cè)客戶需求、資源等波動(dòng)，然而市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中總存在隨機(jī)不確定性干擾，產(chǎn)生預(yù)測(cè)失效等情況。另一方面，由于單元內(nèi)部計(jì)劃、工藝、資源、設(shè)備、人員、產(chǎn)品質(zhì)量等的不確定性導(dǎo)致內(nèi)部制造環(huán)境具有波動(dòng)性。生產(chǎn)單元加工中，通常采用質(zhì)量控制、預(yù)防性維修、安全庫存等手段預(yù)防制造環(huán)境波動(dòng)，但由于生產(chǎn)單元的復(fù)雜性，消除所有可能產(chǎn)生的波動(dòng)將付出過高成本。因此，對(duì)生產(chǎn)單元?jiǎng)討B(tài)制造環(huán)境的分析顯得尤為重要，以便通過多樣化的組織行為靈活、快速地應(yīng)對(duì)制造環(huán)境波動(dòng)。

由于產(chǎn)品制造受多種因素影響，本文將制造環(huán)境分為內(nèi)部和外部制造環(huán)境。外部制造環(huán)境為生產(chǎn)單元和單元管理部門之外的廣義制造環(huán)境；內(nèi)部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境主要指存在于生產(chǎn)單元及組織內(nèi)部的各項(xiàng)影響因素。

（1）外部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境。

基于生產(chǎn)單元處于制造業(yè)底層，政治環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、法律環(huán)境等在短期內(nèi)對(duì)其影響甚微，本文暫且不考慮上述環(huán)境。這里只考慮對(duì)生產(chǎn)單元短期影響較大的市場(chǎng)環(huán)境和技術(shù)環(huán)境，依據(jù)其形成因素的不同，外部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境可以細(xì)分為客戶需求波動(dòng)、新技術(shù)、新產(chǎn)品威脅波動(dòng)、同行競(jìng)爭波動(dòng)、采購波動(dòng)、銷售波動(dòng)等。

由于生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致市場(chǎng)產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品加工從以制造為中心向以客戶為中心轉(zhuǎn)變，多品種、小批量、定制化產(chǎn)品增加，客戶需求難以預(yù)測(cè)；科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮，對(duì)生產(chǎn)單元造成一定的沖擊；企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和產(chǎn)能過剩，企業(yè)之間通過一系列措施提升競(jìng)爭力，如價(jià)格戰(zhàn)、核心技術(shù)升級(jí)等，使得同行競(jìng)爭加??；采購管理和銷售同樣存在不確定性，尤其在多品種、小批量生產(chǎn)模式下，客戶需求難以預(yù)測(cè)。

（2）內(nèi)部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境。

企業(yè)文化、企業(yè)制度不直接影響生產(chǎn)單元，本文暫且不予考慮該環(huán)境。根據(jù)生產(chǎn)單元產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造管理等過程，將內(nèi)部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境分為設(shè)計(jì)波動(dòng)、排產(chǎn)波動(dòng)、資源波動(dòng)、人員波動(dòng)、設(shè)備波動(dòng)及產(chǎn)品波動(dòng)。其中，設(shè)計(jì)主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等活動(dòng)，設(shè)計(jì)變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制造過程變動(dòng)；排產(chǎn)主要為訂單生產(chǎn)順序、投產(chǎn)數(shù)量等，排產(chǎn)的變動(dòng)直接導(dǎo)致單元生產(chǎn)任務(wù)的改變；資源主要為生產(chǎn)資源、托運(yùn)工具及其他輔助性工具，對(duì)任務(wù)進(jìn)展有重要影響；人員為生產(chǎn)單元加工主體，包括成員狀態(tài)、技能、經(jīng)驗(yàn)等因素，對(duì)生產(chǎn)單元產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度具有直接影響；產(chǎn)品波動(dòng)主要表現(xiàn)為產(chǎn)品異?；蛘?，產(chǎn)品狀態(tài)的穩(wěn)定性對(duì)生產(chǎn)單元造成一定的干擾。

外部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境波動(dòng)不僅影響生產(chǎn)單元制造過程，同時(shí)也導(dǎo)致生產(chǎn)單元內(nèi)部制造環(huán)境波動(dòng)，如圖2所示。

2動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下組織行為建模

由于生產(chǎn)單元的復(fù)雜性，組織成員既有一般操作

行為也有復(fù)雜決策等行為?；诖?，本文將組織行為定義為：生產(chǎn)單元中個(gè)體、團(tuán)隊(duì)及組織在動(dòng)態(tài)制造環(huán)境中所具有的多種行為能力。個(gè)體作為組織的細(xì)胞是基本操作核心；團(tuán)隊(duì)是若干個(gè)體依據(jù)一定規(guī)則或功能組成的團(tuán)體負(fù)責(zé)某種產(chǎn)品加工或其他行為如質(zhì)檢等工作；組織是單元中所有個(gè)體的集合，負(fù)責(zé)生產(chǎn)全面管理工作。

依據(jù)實(shí)際制造情況，生產(chǎn)單元中個(gè)體、團(tuán)隊(duì)及組織所處層級(jí)、職能等不同，其組織行為具有明顯的差異性。根據(jù)CAS理論，采用刺激—反應(yīng)結(jié)構(gòu)模型從個(gè)體、團(tuán)隊(duì)和組織三個(gè)層面構(gòu)建組織行為模型，如圖3所示。

圖3中，模型由感受器、驅(qū)動(dòng)器、知識(shí)庫、行為協(xié)議、反應(yīng)規(guī)則和生產(chǎn)單元組成。其中，感受器為制造環(huán)境感知、接收模塊，將動(dòng)態(tài)制造環(huán)境信息（如資源狀況、設(shè)備狀態(tài)等）傳輸給行為主體；驅(qū)動(dòng)器將行為、組織狀態(tài)等信息傳輸?shù)缴a(chǎn)單元使組織行為產(chǎn)生效用；知識(shí)庫、行為協(xié)議和反應(yīng)規(guī)則模擬個(gè)體、團(tuán)隊(duì)和組織根據(jù)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境實(shí)現(xiàn)組織行為的過程；生產(chǎn)單元模擬動(dòng)態(tài)制造環(huán)境。知識(shí)庫、行為協(xié)議和反應(yīng)規(guī)則是模型的核心，對(duì)模型的實(shí)現(xiàn)起關(guān)鍵作用，其構(gòu)建原理為：

（1）知識(shí)庫。知識(shí)庫是對(duì)人、組織、環(huán)境和任務(wù)等生產(chǎn)單元知識(shí)的抽取，由二元組K={Sk（），Gk（）}表示。其中Sk（）為專用知識(shí)庫可表示為Sk（）={s1，s2，s3，s4，…}，主要包括員工、環(huán)境、任務(wù)和組織等知識(shí)庫，存儲(chǔ)員工、動(dòng)態(tài)制造環(huán)境、組織能力和任務(wù)種類等知識(shí)。Gk（）為通用知識(shí)庫，可表示為Gk（）={g1，g2，g3，g4，…}，表示個(gè)體、團(tuán)隊(duì)和組織可能具有的行為知識(shí)，主要包括操作、質(zhì)檢管理、設(shè)備管理和物料管理等知識(shí)庫，存儲(chǔ)組織及成員所具有的行為能力。

（2）行為協(xié)議。行為協(xié)議為組織、團(tuán)隊(duì)及個(gè)體所具有的行為，由三元組B={Ib（），Tb（），Ob（）}表示。其中Ib（）主要為個(gè)體具有的行為協(xié)議，可表示為Ib（）={ib1，ib2，ib3，ib4，…}，主要包括維修、操作、質(zhì)檢、學(xué)習(xí)等行為。Tb（）表示團(tuán)隊(duì)行為協(xié)議，可表示為Tb（）={tb1，tb2，tb3，tb4，…}，如質(zhì)量監(jiān)控、異常監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、成員合作等行為。Ob（）表示生產(chǎn)單元組織所具有的行為協(xié)議，可表示為Ob（）={ob1，ob2，ob3，ob4，…}，包括組織學(xué)習(xí)、組織協(xié)調(diào)、物料管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、異常管理、工藝管理等行為。組織行為中個(gè)體行為協(xié)議為較簡單和機(jī)械性的行為，團(tuán)隊(duì)和組織行為協(xié)議較復(fù)雜。

（3）反應(yīng)規(guī)則。反應(yīng)規(guī)則為個(gè)體、團(tuán)隊(duì)及組織成員根據(jù)制造環(huán)境刺激所做出的反應(yīng)，由三元組R={Ir（），Tr（），Or（）}表示。其中Ir（）表示個(gè)體反應(yīng)規(guī)則，可表示為Ir（）={ir1，ir2，ir3，ir4，…}，

包括維修、操作、質(zhì)檢、學(xué)習(xí)等規(guī)則；Tr（）表示團(tuán)隊(duì)反應(yīng)規(guī)則，可表示為Tr（）={tr1，tr2，tr3，tr4，…}，包括質(zhì)量監(jiān)控、異常監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、成員合作等規(guī)則；Or（）表示組織反應(yīng)規(guī)則，可表示為Or（）={or1，or2，or3，or4，…}，包括組織學(xué)習(xí)、組織協(xié)調(diào)、物料管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、異常管理、工藝管理等規(guī)則。

根據(jù)上述描述，分別對(duì)知識(shí)庫K、行為協(xié)議B、反應(yīng)協(xié)議R封裝成類，各類之間通過接口傳遞信息。當(dāng)個(gè)體行為協(xié)議無法滿足制造需求時(shí)，動(dòng)態(tài)制造環(huán)境信息傳入團(tuán)隊(duì)層，團(tuán)隊(duì)根據(jù)制造信息匹配行為協(xié)議；當(dāng)團(tuán)隊(duì)行為協(xié)議無法滿足制造需求時(shí)，組織行為協(xié)議將產(chǎn)生控制作用。

3仿真實(shí)例

31仿真平臺(tái)構(gòu)建

針對(duì)前述理論，應(yīng)用離散事件仿真軟件Flexsim構(gòu)建某摩托車生產(chǎn)單元模型。其中知識(shí)庫、行為協(xié)議和反應(yīng)協(xié)議通過Visual C++實(shí)現(xiàn)，將各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立封裝，然后動(dòng)態(tài)鏈接到Flexsim實(shí)現(xiàn)對(duì)其調(diào)用，從而模擬動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為，模型如圖4所示。

當(dāng)前該生產(chǎn)單元有9臺(tái)數(shù)控機(jī)床（編號(hào)為M1～M9）和6名操作工（編號(hào)為H1～H6），生產(chǎn)XT、GT和K40三種產(chǎn)品，人機(jī)關(guān)系及工藝路線如表1所示。

經(jīng)調(diào)研該生產(chǎn)單元受內(nèi)、外部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境影響，主要表現(xiàn)在客戶需求變動(dòng)、人因失誤波動(dòng)、設(shè)備波動(dòng)、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)、原材料質(zhì)量波動(dòng)等方面。另外依據(jù)環(huán)境波動(dòng)程度可將動(dòng)態(tài)制造環(huán)境分為微幅波動(dòng)（方案A）、中幅波動(dòng)（方案B）和大幅波動(dòng)（方案C）具體如表2所示。

方案A中生產(chǎn)單元個(gè)體成員可以完成各操作任務(wù)，團(tuán)隊(duì)和組織合作、協(xié)調(diào)等行為較少。但隨著制造環(huán)境波動(dòng)程度增加，團(tuán)隊(duì)和組織合作、協(xié)調(diào)等行為增加，尤其是方案C中需要多種合作、決策等行為完成任務(wù)。

該生產(chǎn)單元中所有員工為多能工，可以操作單元內(nèi)所有設(shè)備。該模型中個(gè)體是否向團(tuán)隊(duì)和組織發(fā)送請(qǐng)求行為取決于任務(wù)的復(fù)雜程度和緊急程度等因素。

32 仿真實(shí)例分析

仿真周期為3個(gè)月，每一仿真周期運(yùn)行30次，每個(gè)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境波動(dòng)程度仿真10個(gè)周期，取各仿真周期各項(xiàng)指標(biāo)平均值，結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可知，隨著制造環(huán)境波動(dòng)的增加，生產(chǎn)單元人員利用率和設(shè)備利用率都產(chǎn)生波動(dòng)，但人員利用率波動(dòng)小于設(shè)備利用率波動(dòng)。為比較不同波動(dòng)層次對(duì)生產(chǎn)單元的影響，對(duì)人員平均利用率和設(shè)備平均利用率比較，如圖7和圖8所示。

經(jīng)計(jì)算人員平均利用率方面，方案C比方案A降低127%，方案C比方案B降低88%，方案B比方案A降低42%；設(shè)備平均利用率方面，方案C比方案A降低278%，方案C比方案B降低246%，方案B比方案A降低42%。

從上述分析可知，動(dòng)態(tài)制造環(huán)境對(duì)生產(chǎn)單元設(shè)備利用率影響大于人員利用率。其原因?yàn)椋簞?dòng)態(tài)制造環(huán)境中組織行為能應(yīng)對(duì)環(huán)境變化，使得人員利用率波動(dòng)相對(duì)較小。

4結(jié)論

本文分析了生產(chǎn)單元內(nèi)外部動(dòng)態(tài)制造環(huán)境，在此基礎(chǔ)上從知識(shí)庫、行為協(xié)議、反應(yīng)協(xié)議對(duì)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為進(jìn)行建模，描述個(gè)體、團(tuán)隊(duì)、組織三個(gè)層面組織行為，致力于提出一種通用的動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為仿真建模方法，為生產(chǎn)單元組織柔性的提升提供機(jī)理。該方法應(yīng)用于某摩托車生產(chǎn)單元，結(jié)果表明，生產(chǎn)單元組織行為可以有效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境變化，從而減少動(dòng)態(tài)制造環(huán)境對(duì)生產(chǎn)單元的影響。

本文所提組織行為模型能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)制造環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為分析，從而為組織柔性和績效提升提供科學(xué)決策依據(jù)。同時(shí)組織行為模型各模塊封裝成類，因此模型具有較好的擴(kuò)展性。后續(xù)研究將不斷充實(shí)組織行為，提高行為模型的智能性和合理性。

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（責(zé)任編輯：王惠萍）