复杂产品生产管理优化的研究综述和展望

张建辉，王 素，张文旭，张文焘

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300130；2.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津300130；3.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

1 引言

制造业是实体经济的核心部分[1]，为我国经济迈向国际领先地位打下坚实的基础。我国加入世贸组织后，制造业的国际竞争力大幅度提升[2]，工业结构不断优化，技术和创新能力稳中求进[3]，出口贸易的规模领先于其他发达国家，为2017年制造业的总体经济带来很高的利益。然而我国取得举世的成就并不代表制造业居于首位，仍然在高端技术领域、生产管理、资源利用率、创新能力等方面和发达国家有很大的差距[4]，比如航天、海洋装备等。复杂产品的生产为国家达到工业化的目标提供了切实的保障[5]，提升复杂产品的生产管理水平，是我国制造业一直努力的方向。

学者在复杂产品定义上有所不同，文献[6−7]最先给出复杂产品的定义：复杂产品为在研发过程中需要的跨学科知识多，需要的量少，高科技制造的这一类产品。国内学者从不同的角度研究复杂产品的特点以及制造业的生产情况，文献[8]认为复杂产品是研发制造的成本高、产品内部的子系统相互联系而组成的产品。文献[9]认为复杂产品应该从不同的方面定义，包括：客户的产品需求，产品的结构组成、产品技术，生产流程、管理等七个维度。不同的产品会根据不同的产品特性描述出其复杂性，使其满足生产要求。但是，如何提升复杂产品的生产效率，如何获的良好的管理策略，如何增强制造业的核心竞争力是需要管理层人员应该着重考虑的问题。

2 不同角度的生产管理优化

为了满足日益增长的社会需求，研究大型企业的生产管理方式，提高产品的生产质量，在国际竞争中是非常有价值的[10]。查阅近年的相关文献，然后从以下不同的角度阐述生产管理的研究现状和研究方法。

2.1 生产流程角度的生产管理优化

流程需要知识、信息、物料的持续流动，在生产流程优化过程中，所有工艺活动的改进都是有意义的，都要符合期望效果，在满足内外部需求的情况下最大可能的消除浪费，保证获得最大利润的同时更关心客户对产品的满意度，以连贯的组织方式，用最低的生产成本来实现制造业低风险、低材料浪费的生产目标[11]。复杂产品在生产过程中既有制造又有管理[12]，优化过程非常繁杂，存在难以控制的现象，缺乏系统性的框架，因此如何在多目标条件下，在信息不确定、数据较差的情况下，综合制造业的实际情况，寻找最优生产管理方案成为现在学者研究热点。

管理系统即考虑制造业生产的实际情况又能利用现有资源共同改善，降低损耗；生产管理的目标是让各生产工序流程节点以高效率、低成本、高质量的完成。为了提高生产能力，近年来，学者们把各管理方法运用到产品制造业中，不断挖掘产品生产的问题，如准时生产，物料需求计划，约束理论等。文献[13]探索满足不同客户的需求，融合管理理念和管理方法，注重提高效率，认为资源是促进生产的关键，把精益生产的概念有效的和企业的管理模式融合，持续改进生产流程，提出使用视觉管理的指示方法，要求作业人员自主的完成生产活动的有关指令，管理部门批准的指令成为全体员工遵守的标准，为生产中的设备、服务、技能要求等方面提出有效的改进措施。文献[14]通过对工序的测定，运用Ven⁃sim系仿真识别流程的瓶颈进行管理优化。文献[15]把约束理论、准时生产、物料需求计划三个管理理念结合利用计算机设计出生产流程动态系统，有效的消除瓶颈，提高了制品库存利用率。文献[16]重点分析流程中出现的问题，从生产—产品—现场—库存四个方面采用5why分析法寻找影响系统效率的因素，在通过多种方法持续优化生产流程，虽然在JL公司有一定的改进效果，但流程管理方面需要进一步探索。文献[17]分析生产流程中存在的瓶颈问题并持续的改善，把计算机仿真Arena融入流程管理中，通过仿真分析，仿真模拟为生产需求提供可实施的优化方案。

实际的产品生产中，生产线是动态的，是随着时间不断地波动变化的[18]，在具有多种约束条件的情况下，优化生产排程问题能够解决生产调度问题[19]。文献[20]研究生产中的工序的综合调度问题，结合设计结构矩阵和算法构建数字化虚拟的编码方式，利用算法对比试验结果，设计针对装配顺序的遗传算子进一步提高装配质量。文献[21]研究复杂产品智能服务的新模式，通过对生产状态和生产过程的指标分析，进行动态化的预测，运用建模仿真和数据分析来预测和评估生产状态，如图1所示。文献[22]根据产品的再制造条件和时间的不确定性，提出了概述处理生产管理领域的商业模式，总结了采购物流、再制造业务、生产设计、生产−库存、计划生产控制等六条生产管理框架，建立再制造系统，利用算法处理复杂数据进而提高了生产率。文献[23]总结出生产过程的三个阶段，其一原材料的提取，其二转化产品的初级过程，其三最终产品的制造过程。但对于复杂产品生产，精密仪器或大型设备的利用率决定产品的经济成本，归结于生产流程优化为基础，生产设施和设备的有效利用，来满足企业低成本的需求。以钢铁的生产为例，通过数学建模分析开发了求解程序，最大限度的减少生产中断的频率来实现流程的连续性。文献[24]认为生产优化包括提高生产线的效率、生产力、利用率和可靠性等因素，认为任何企业都应该提高生产力，都应该针对现有的流程布局设计和流程管理进行持续的改进。

图1 实时多源数据驱动的生产过程优化Fig.1 Real−Time Multi−Source Data−Driven Optimization of Production Process

流程改进是实现高效管理的前提，是在现有的流程中对薄弱环节改进，让低效率的工序能够通过管理生产和供应计划达到内部资源的协调。而持续的流程改进是基于管理概念做出的适合企业实际情况的过程，是有目的的活动，其优势是提高生产力、提高生产质量、降低运营成本等。一方面是顺应制造业内部的经济利益，改进流程和创建新的流程让企业运行变得更加灵活，提高了企业之间的竞争能力。另一方面是满足客户和产品之间的期望和需求变化，减少系统本身损害利益的行动和操作，增加生产系统有效的活动，提高顾客和产品之间的满意度。流程优化需要多部门协调规范的运行，从企业效率的角度出发，根据企业的实际情况和客户需求提出可行性方案，增强企业管理创新意识、员工自身素质等，最大限度的提高企业的收益。

2.2 复杂性本质角度的生产管理优化

根据产品自身复杂的特点，顺应复杂产品多层次、多耦合的不确定性变化[25]，学者们从产品设计方面入手，满足产品的功能需求进行创新设计[26]，对现有的设计方法进行改造。文献[27]提出在设计问题上，首先通过数学建模详细的对问题进行描述，然后把复杂系统分成多个子系统进行学科分析，例如船舶的设计，当船东提出作业船舶的需求时，船舶设计单位要根据船舶的各种性能分解成子系统，通过画图、建模、仿真等然后投入建造。而在对复杂产品问题分析时，文献[28]认为解决复杂产品一类的问题，很大一部分是初始阶段对复杂问题的分析，即分析系统内部的目标状态和系统当前状态的差距[29]，再根据系统当前状态的不良效应和产品预测时的目标状态进一步确定问题所在。在驱动复杂产品的创新设计时，利用问题流和提取关键冲突的方法进行问题解决，经研究发现，问题流网络创建和冲突的解决具有不可操作性的特点[30]，也缺少复杂产品设计中问题的分析过程[31]。在此研究基础上，文献[32]运用物元模型对复杂产品的问题规范化的描述，在架桥机的创新设计中应用问题流、多冲突网络等方法成为复杂产品的设计亮点。随后，文献[33]构造问题网络，优化其求解路径消除系统的多冲突，在立体车库的设计中验证解决问题的有效性，解决复杂产品设计阶段的问题为之后的生产建造提供可借鉴的方法研究。

复杂高端装备的产品需求对产品的制造精度提出高指标，产品的制造精度对产品性能、产品外观有很大的影响，美国特别重视轿车的质量控制，在90年代初期就可以让轿车车身的生产达到很高的制造精度。文献[34]研究数字化方法控制复杂产品在生产工艺中的制造精度问题，利用偏差流仿真建立偏差流模型，为产品在生产制造的各工序工艺过程中的偏差测量提供精确的数字化控制方法，如图2所示。文献[35]以产品质量管控为重点研究内容，结合数字孪生和车间生产管理，开发了质量管控平台，对车间工位布局进行模型仿真，利用Markov预测模型对质量数据进行准确的预测。文献[36]提出全三维模型驱动制造，定义工艺链制造模型，完整表达出航天产品零部件的属性信息，构建知识集成化的智能模型，保证产品生产的准确度和较高经济指标。

图2 复杂产品精度控制框架Fig.2 Precision Control Framework for Complex Products

随着技术水平的提升，仿真软件和大数据普遍用于生产研究，依据不同作业人员的需求建立系统关联需求的网络模型[37]，让生产向着智能化的方向发展，更多学者倾向于把生产和大数据结合，并把这种新模式用于分析产品全生命周期各工艺阶段的生产管理。文献[38]对复杂产品生产车间的工艺准备、装配任务、车间任务的执行、现场状态监控、设备监控等方面建立现场数据管理模型，对作业人员和生产资源充分利用，构造算法建立多个现场的数据库形成动态生产控制流程。

复杂产品在设计、生产等方面大多数采用大数据分析、数据化管理、计算机辅助制造等智能方法，能帮助制造业对各类资源进行准确的分类，解决生产流程中的问题，特别是针对航空、汽车、船舶这些大型精密仪器的产品生产和组织管理，数字化的管理为后续进行复杂产品工艺阶段的智能管理打下基础[39]。

2.3 管理创新角度的生产管理优化

探索我国复杂产品创新失败的原因，其中管理创新中存在阻碍的原因占45.97%[40]。日本的某船舶制造企业，短时间内生产效率提升了71%，其中生产管理优化的占51%，可以看出管理的创新优化对企业来说是至关重要[41]。产品创新是一个充满复杂性、动态化的系统性质的创新，是需要持续性优化的过程[42]。由于复杂产品的管理是不能进行有效预测的，因此生产过程中需要长期实践，需要综合产品相关的技术、软件以及企业中的产品制造文化等方面的结合[43]。

随着科学技术的进步，复杂产品的管理方式随之变化，出现从某个产品的工艺到全生命周期管理模式的发展，这是以产品的数据管理为基础而形成的管理技术，可以对市场的需求作出敏捷的反馈[44]。学者在制造业的管理中提出相适应的生产管理方案，实现了产品设计到生产过程的持续改进，文献[45]探索更能适应复杂产品创新的新想法，在“实时开发”的情况下进行管理创新，获取更多关于决策、观点、对未来流程发展的实时数据，让创新更具有科学性。文献[46]采用回顾性和实时分析结合的方法，解决了英国水产业市场普遍存在的问题和关键的时间问题。

开发和实施一种新的、有效的产品流程对企业来说有至关重要的竞争优势，科学技术带动产品的功能需求，企业越来越注重寻找应用在复杂产品上更有效的新方法、新工具。

学者强调了复杂产品的整体性，即跨学科知识系统的再结合，研究具有新结构的机构，管理知识的整合过程，提高创新能力，从而获得创新机会[47]。文献[48]研究复杂航天产品的生产，通过查找数据进行结构化的管理和分析，利用产品数据管理系统，在管理理论的基础上引入数字化管理—数字孪生方法，解决方案和物理实体一对一的映射，设计了基于数字双元装配过程管理与控制系统，对复杂产品装配进行全面的、层次化的管理。文献[49]认为传统的复杂产品系统是低效率的，目前研究复杂产品不仅要充分理解产品的整体结构，还需要产品模型和工具的支撑，需要创新来克服产品的局限性，因此开发了一组Python语言算法来解决复杂机电系统的问题。

文献[50]从中国传统文化入手共分为五个阶段研究中国管理的现状及发展特点，第一阶段：1978 年中国进入改革开放新时期，中国企业普遍忽视管理理论的重要，尽管中国在这个时期经济开始崛起，但是管理哲学依旧落后。第二阶段（1978−1982）：中国经济在持续发展中，其经济改革被纳入经济商业基础设施管理中。第三阶段（1982−1994）：以一种包括商业经济学、社会学和商业伦理领域的学科的综合方式来处理管理领域的问题，初步管理模式形成。第四阶段（1994−2001）：中国开始探索国外先进的管理模式，管理成为企业的重中之重，成为国内经济走向繁荣的主要途径。第五阶段（2001−今）：中国经济不断发展，中国管理不断加强，中国开始走向现代管理的道路，帮助中国企业解决众多管理问题。

在智能互联（物联网等）时代，企业的可持续性对于企业来说非常重要，特别是面临复杂制造问题的高技术、低产量企业，资源配置方面需要高度灵活，能快速的对不断变化的市场环境做出反馈[51]。文献[52]研究了复杂产品商业模式的创新过程，提出网络商业模式的重要性，把企业和企业之间相互服务的商业模式作为研究的重点，定位在设施管理、供应商—客户之间的商业关系的创新，创造出有价值的合作关系，并不断的增强商业系统的创新意识。

复杂产品的高级功能大多是通过硬件和软件集成实现的，考虑到产品设计生产过程中出现的需求，企业更需要寻找方法和工具，以更有效的方式设计和生产新产品[53]。

合理的管理策略能影响企业的决策和活动行为，能进一步提升企业的发展水平。但是管理创新也会有局限性，有些学者对管理创新的研究存在相互矛盾的情况，生产优化只代表少数企业，因此需要结合更多的精密企业、大型企业深入研究，提高企业人员的管理创新意识，增强商业模式在企业中的应用。

3 以船舶为例的复杂产品生产管理优化

船舶生产作为复杂产品的典型案例，合理的生产计划和调度安排能有效控制动态化的作业生产模式[54]。其生产要符合日益变化的社会需求，满足船东经济节约型、绿色环保型等要求。但在庞大的船只体系如何优化管理流程是船舶企业一直探索的问题，船舶企业一直是以“发现问题、分析问题、解决问题”三步走为战略，明确各装备调试要求，采用有效的解决方案完成各结构智能化的功能要求，主要是在船体整体构造过程中，安插工艺优路线、新开发的工装项目、不同的调试试验方法等优化路径对生产流程进行优化，实现流水线的生产方式[55]，提升人力和设备资源的结合能力，缩短生产周期、减少生产成本，提高设备利用率，从而在提高了生产效率。

智能化发展是复杂产品发展的趋势，也是生产管理的趋势，文献[56]强调船舶的智能化制造、强调机器人在生产线上的优势、强调基于大数据下的生产管理平台的重要性。船舶生产过程中已经从初步设计、具体设计、仿真实验、建造、产品服务都涉及到智能模块化的管理。文献[57]在船舶涂装中利用分段涂装管理界面对涂装设计数据进行对接，提高了涂装的生产效率，使生产更加精准、管理更加高效。

文献[58]认为船舶分段制造需要协同控制，以缩短生产周期为目标，把任务分配、场地的资源利用以及车间设备等协同作业，并采用C++语言对车间工位建立数学模型。文献[59]根据现在船舶的管理现状，分析船舶车间生产管理的问题，建立车间管理信息平台，从车间的任务分配到产品集成，细化生产过程，提高了车间的生产规范性，如图3所示。

图3 根据现状问题建立管理体系Fig.3 Establishment of a Management System Based on Current Problems

学者们从船舶的不同工序入手，以船舶管理现状为基础，不断的引入管理创新方法，在进一步的探究中，需要建立有效的船舶生产动态的管理体系[60]，智能化的完成船舶的分段建造管理，对船舶系统相关的生产因素更加详细的通过数学建模的形式表达出来，整理生产数据，提高船舶生产效率，缩短船舶生产周期。

4 研究不足与展望

通过以上的文献分析，尽管目前学者提出不同管理模式下的产品生产，并取得很大的收益，但是由于复杂产品的生产管理受管理人员、管理方法以及技术层面的限制，优化模式依旧存在局限性，难于针对以航空、船舶为代表的复杂产品制造业的生产管理模式提供高效的流程管理创新过程，此外目前对制造业的生产管理模式研究也相对较少，综上所述总结出复杂产品制造业生产管理存在的问题：

（1）模型创建存在模糊性，理论方面依据复杂产品系统的定义越来越模糊，在研究复杂产品时容易忽略一些复杂结构，难以开展后期的研究工作；技术方面依据复杂系统的管理模式存在多冲突性，在后期的研究中，忽略复杂系统的生产属性，缺乏管理案例的实证性，也缺乏好的创新管理策略。

（2）管理监测系统不完善，各系统不能形成一条完整的主线，不能够对资源的消耗情况进行及时的监测和评估；同时在获取丰富详细的数据来提高方法的准确性，以及如何消除主观评价的影响等方面的问题上也需要进一步解决[61]。比如船舶的生产和船坞的生产，船坞是船舶生产的根基，船坞的管理优化，意味着场地资源的高利用率，对生产中的人员、设备、物料、环境等方面的有效监控管理不仅能缩短生产周期还能减少生产成本，减少资源浪费。

（3）算法仿真复杂，利用大数据分析是科学有效的工具，通过编程得到的仿真模型是根据不同的产品进行程序设计的，而且在复杂船舶、航空产品中，只适用于其中某些工序的生产管理，因此更需要一套适用于生产管理的数据分析软件，特别是对复杂产品流程管理的过程中需要继续开展研究工作。

（4）创新意识不强，在制造业的生产管理中依靠旧的管理理念，现在很多复杂产品的设计单位和制造单位都开始引入创新管理方法，但是人员在研发、设计、生产中的创新观念的意识薄弱，缺乏管理理念和生产实际的结合。

（5）合作意识不强，复杂产品的生产是需要多个单位合作、多人员协调完成，但是涉及人员多，管理就会变得困难，一些学者设计了模块化的数据管理体系，通过计算机及时做到人员联络的反馈，但是实行的并不乐观，部门工作的繁多导致人员的合作意识依旧缺乏。

制造业生产管理的创新在设备、工艺、技术、和组织方式中起到十分重要的作用，对制造业的发展也有一定的积极意义。流程优化是实现高效管理的前提，生产管理要重视产品的属性，因此在复杂产品生产中应该明确产品的功能属性和流程的改进方向，并针对制造业的实际情况作出生产管理策略；建立全面的生产管理监测系统，提高场地资源数据利用的准确性；提升人员的合作意识和创新意识，协调好各部门工作的安排，有问题及时和管理人员反馈，管理人员可以设立“反馈机制”，做到信息及时更新，问题及时反馈，建设积极的工作氛围；同时管理单位的人员应该重视理论方法和企业实际情况相结合，多学习智能化管理方法，提升自身管理素养，提高各工序的生产效率，确保制造业的有效产出最大化。

5 结论

1998年Hansen和Rush在定义复杂产品系统创新以来，就指出产品创新是需要网络结构和创新模式共同演化的过程。首先通过解析复杂产品的管理现状，从不同的角度对复杂产品近期的文献做全面的分析，总结出不同角度下复杂产品的优化策略和实施案例，其次从具体产品案例入手优化复杂产品生产管理的问题，针对复杂产品流程创新的技术、理论及商业模式管理等做了进一步的研究，描述了产品（航天、汽车、船舶为代表）的生产特点，构造了车间布局、车间设备、装配质量等方面的智能优化模型，总结出不同角度下生产管理的优势和不足，并对复杂产品生产管理的发展进行总结和展望，将智能管理、技术改进和人员协调等融入到生产中，为复杂产品生产管理提供新思路。

未来的研究重点可以放在复杂产品生产管理的优化模型建立的过程中，通过具体生产案例实现动态化的生产流程创新管理模式。也就是说，从产品需求出发，根据复杂产品的特性，在设计、制造一体化的生产流程中分析其达到理想状态下的生产障碍，基于现有的流程优化理论、工程管理理论以及其他的理论方法对其过程分析和推理，建立模块化的管理体系，最后从产品根据自身的发展特点提高管理创新能力，选择合适的发展战略进行多层次、更深入、有针对性的生产流程管理优化模型框架和程序设计的创新。