基于MES的制造全過程物流精益管理研究

張彩芳，尹 超

(1.重慶工程職業技術學院 機械工程學院，重慶 400037;2.重慶大學 機械工程學院制造工程研究所, 重慶 400030)

基于MES的制造全過程物流精益管理研究

張彩芳1，尹 超2

(1.重慶工程職業技術學院 機械工程學院，重慶 400037;2.重慶大學 機械工程學院制造工程研究所, 重慶 400030)

論述了機械制造行業車間物流管理的研究現狀和成果。分析了制造全過程傳統物流管理存在的問題。提出了基于制造執行系統(MES) 的制造全過程物流精益管理的概念及其管理目標。建立了一種基于MES的制造全過程物流精益管理運作模式，該運作模式對制造企業的部門職責進行了重新界定，對制造全過程的物流運作流程進行了重組。描述了MES及其相關信息系統對制造全過程物流精益管理運作模式的支撐，為機械行業降低制造全過程的物流成本提供了一種切實可行的管理模式。

MES；制造全過程；物流精益管理；運作模式

0 引言

隨著市場競爭的不斷加劇，制造企業都在為降低成本，獲取更大利潤而不懈努力。作為企業的第三利潤源泉，物流引起了越來越多企業的重視。據有關資料統計，在目前的生產系統中，搬運費用占總費用的30%～75%，而對物流進行優化管理后，可以為企業節省15%～30%的費用。因此，近年來無論是企業外部物流(供應鏈管理)還是企業內部物流(車間物流)都成為了研究熱點。

企業內部物流——車間物流管理水平的高低，不但是企業管理水平的直接反映，也會直接影響制造企業的生產進度，產品質量，產品成本等，直接體現了一個企業的市場競爭力。車間布局問題是車間物流管理的首要問題。文獻[1]研究了一種基于產品原則的汽車后橋車間設施布置形式，其設備和人員按照加工或裝配的工藝順序布置，這種配置方式適用于專用生產線。文獻[2]在考慮工藝要求的基礎上，應用SLP(系統布置設計法)對車間設備布置進行設計，并根據設施優化分析原理以物流量最小為目標進行了優化。文獻[3]提出了一種基于多色圖理論的車間物流系統優化模型，對車間布置進行優化。文獻[4]研究了如何運用SLP原理對機加工車間的設備布局進行重新優化。文獻[1-4]都是從如何對車間優化布局的角度來研究車間物流的優化管理。

目前制造企業的市場環境越來越趨向于多品種、小批量的生產方式，同時制造企業車間設備比較重型化，因此，制造企業不可能針對不同的生產訂單都對車間進行重新優化布局，因此，車間的優化布局僅僅適用于車間的初始設計。車間布局完成后，往往很少重新進行調整。

車間優化調度是影響車間物流水平的另一個關鍵問題，近年來，車間優化調度也是一個比較熱門的研究方向，如文獻[5]提出了兩種關鍵優化技術來解決車間制造設備的負荷平衡以及對車間加工任務的合理分配，并建立了一種數學模型來求解最優加工任務安排計劃，實現在所有加工任務都能夠完成的基礎上，使盡可能多的機床具有加工任務。

基于上述制造企業內部物流管理的研究成果，本文主要研究在車間優化布局完成，車間加工任務優化調度后，如何對制造全過程的物流實現精益化管理。

1 制造全過程傳統物流管理問題

本文提到的制造全過程物流管理是指制造企業接受生產任務執行指令后，從原材料的領用開始，經過中間品的加工以及裝配，到最后加工出合格的成品過程中，對物料和半成品的配送、搬運、裝卸和存儲的管理。

本文研究的制造全過程物流管理是在生產設備已經合理布局，制造資源已經進行合理配置，車間生產任務已經優化調度的基礎上如何對制造全過程的物流進行管理。制造全過程物流管理就是對制造企業生產過程中的所有物料流的管理。

隨著市場競爭的日益激烈，我國制造企業逐漸對物流的優化管理越來越重視，但是，近年來，大部分制造企業將重點放在了對企業外部物流的優化管理(即供應鏈管理)，而忽視了企業內部的物流優化管理(即制造全過程物流管理)，因此制造全過程物流管理成為我國大部分制造企業的薄弱環節[6-7]。目前,在車間物流信息不透明的情況下,制造企業裝配型車間的典型物流管理流程如圖1所示。

圖1 制造全過程傳統物流管理流程

在傳統物流管理模式下，企業的物料流動時間(包括物料存儲時間)，占有了企業的75%左右的生產時間，因此，制造企業的物流還有很大的優化空間，制造企業物料流的優化管理將直接影響到企業的產品質量和機械設備的利用率，最終影響產品的成本和企業的市場競爭力。從圖1可以看出，制造全過程的傳統物流管理的缺點主要表現在以下幾點：

(1)空間浪費大，物料資金占用大：傳統車間物流管理模式下，由于車間信息化水平低，車間信息與庫房信息無法共享，為了防止庫房供貨不及時以及缺貨影響生產進度，各個工位往往向庫房申請的物料量遠遠高于正常水平，造成各個工位物料存儲量大，占用了大量的車間面積，尤其對于體積比較大的物料更是如此。這種情況造成了車間占地面積大、資金占用大，增加了生產成本；同時大量物料的存儲，造成車間擁擠，物流不暢，也會增加事故發生的概率。

(2)物流運輸空載率高：傳統車間物流管理模式下，補貨過程往往是由車間各個工位根據物料使用情況不定時向庫房發出補貨申請單，由于庫房對各個工位物料使用信息無法及時獲取，庫房在補貨過程中往往依據各個工位不定時發來的補貨申請單進行臨時配料補貨，這樣就會造成運輸載體的滿載率不高，同時運輸載體返程過程往往是空載，造成運輸成本居高不下。

(3)重復搬運：傳統車間物流管理模式下，補貨指令往往都是紙質的甚至是一句話，補貨信息不清晰，補貨信息更新不及時，很容易造成重復補貨；補貨指令易出錯，易遺漏，很容易造成補錯貨，漏補貨；這些問題都會增加企業的物流成本，甚至影響生產進度。

(4)物流路徑不合理：由于各個工位補貨申請單的不定時，以及信息支撐手段的欠缺，庫房在補貨配送過程中，一般僅僅根據個人經驗進行配送路徑的選擇，不能采用最優的配送路徑，增加了物流配送成本。

(5)廢雜物回收不及時：各個工位為了保證生產進度，往往都在忙于生產，不能對各個工位的廢品和需返工品進行及時搜集和回收。造成需返工品不能及時返工，廢品不能及時報廢或及時向供應商退貨，進一步增加了企業成本。

2 物流精益管理模式

由于我國大部分制造企業長期以來對企業內部物流管理的不重視，企業內部物流信息化水平低下，物流管理水平較低，車間存儲物料占用大量資金，物流配送成本居高不下，大量的車間存儲物料造成車間占地面積較大，這些都造成了制造企業的產品成本居高不小，影響了企業整體競爭力的提高，成為企業進一步發展的大包袱。

因此，如何擺脫這個大包袱；如何優化制造全過程的物流管理；如何在保證生產順利進行的前提下，降低車間庫存量，降低車間補貨運輸和搬運成本；最終降低企業的產品成本和提高市場競爭力，已經被越來越多的制造企業管理層所重視。

2.1 制造執行系統(MES)

要實現對制造企業制造全過程的物流進行優化管理和降低物流成本，離不開企業車間層的信息化支撐。制造執行系統(MES)正好解決了這一問題[8]。美國先進制造研究機構ARM 將MES定義為“位于企業上層的計劃管理系統和底層工業控制之間的面向車間層的管理信息系統”[9]。MES是處于計劃層(ERP)和車間層操作控制系統(SFC)之間的執行層，主要負責生產現場的生產管理和調度執行。MES能夠將管理層的生產計劃、生產指令等管理信息和加工圖、工藝流程圖等生產指令信息下達至生產現場各個工位；同時MES又能夠實時采集和處理生產現場的生產數據并提交至ERP。因此，制造企業通過實施MES可以實現對制造全過程的可視化和數字化管理，為制造全過程的物流管理提供及時、全面的信息支撐。[10-11]

2.2 物流精益管理

對于制造企業來說，制造全過程的物流成本在產品總成本中占有很大的比重，因此，實現企業制造全過程的物流精益管理是企業降低成本提高市場競爭力的核心環節之一。制造執行系統可以為企業提供制造全過程的所有靜態和動態的數據，提供實時全面的物流信息集合，對制造全過程的物流追蹤、統計、分析、優化提供了豐富的數據基礎。目前，MES 在我國制造企業得到了越來越多的實施，也有越來越多的制造企業正在或準備實施MES，因此，本文提出了一種基于MES 的物流精益管理模式。

基于MES的物流精益管理模式旨在MES的實時物流信息支撐下，通過業務流程重組(BPR)和配送優化模型，最大限度地降低制造全過程的工位物料存儲量，消除一切搬運浪費，實現制造全過程的物料集中優化配送，達到制造全過程的物流平衡。

基于MES的制造全過程物流精益管理的精髓是“精益”，“精益”是指要盡可能的消除制造全過程的物流浪費(如工位物料積壓，錯誤搬運，空載率過大，配送路線重復等)，降低物流成本，實現效益最大化。

2.3 物流精益管理目標

基于MES的制造全過程物流精益管理主要內容就是“物的存儲”和“物的流動”。因此，基于MES的制造全過程物流精益管理的目標就是實現庫存精益化管理和配送精益化管理。

(1)庫存精益化管理 制造全過程傳統物流管理模式下，由于缺乏信息系統提供的實時物流信息，一般由車間各工位不定時向庫房發出物料申請單，這種情況下，為了避免物料供應不及時影響生產進度，裝配車間的車間庫存儲備量一般需要支持車間8～16小時的生產，造成車間庫存成本居高不下。在車間實施MES的基礎上，采用庫管部管理車間庫存，由庫房主動為車間各個工位補貨，在MES強大的實時物流信息支撐下，期望能將車間庫存儲備量降低到可以支撐2～4小時的生產，可以大幅降低車間庫存成本和車間使用面積，同時各個工位不用自己考慮物料補貨問題，可以將更多的精力用于生產安全、生產質量和生產進度。

(2)配送精益化管理 在企業實施MES的基礎上，通過BPR，把傳統的由工位不定時發出補貨申請變為由庫房依據各個工位的實時庫存信息，主動進行補貨，這種情況下，庫房可以在相應配送優化模型的支持下，選用最優配送路徑，保障運輸的滿載率。同時在MES強大實時信息支撐下，可以避免漏搬運和錯誤搬運事件的發生。

3 運作模式

基于MES 的制造全過程物流精益管理模式需要在企業實施了MES的基礎上才能運行。在MES強大的實時物流信息支撐下，實現對制造全過程的物流精益化管理，還需要對傳統的制造全過程物流管理流程進行重組，重組后的流程將充分利用MES中強大的物流實時信息，使MES中實時物流信息的價值得以最大化體現。一種基于MES的制造全過程物流精益管理運作模式如圖2所示。

圖2 基于MES的物流精益管理運作模式

本文提出的基于MES的制造全過程物流精益管理運作模式是在MES和ERP集成環境下，對制造全過程物流流程進行了重組，并對車間各個工位和物流中心進行了重新的職責界定，在MES實時全面的物流信息和優化模型的支持下實現對物流的精益化管理。以下將從部門職責劃分、業務流程重組和信息支撐系統三個方面詳細介紹基于MES的制造全過程物流精益管理運作模式。

3.1 部門職責劃分

(1)車間的職責：車間只負責安全生產，保證生產質量和生產進度，以及通過按鈕將物料使用信息實時錄入MES。車間各個工位的考核標準為安全事故率、產品合格率、生產進度和終端信息錄入的及時性。

(2)物流中心的職責：傳統物流管理模式下的庫房和運輸隊合并為物流中心，物流中心負責保障車間各個工位的物料供應不能中斷；負責物料的配送、物料在庫房和工位的存儲；負責物料的采購；成品的及時入庫以及廢舊品的回收。物流中心的考核指標為車間物料缺貨率、車間庫存量、車間擁擠程度、物料配送成本以及企業庫房管理等。

進行職責重新劃分后，車間和物流中心更能發揮各自的專業特長，主要體現在以下兩點：①由物流中心管理庫存，車間將全部精力用于生產，可以同時保障生產和物流的精益化管理。②由物流中心來管理車間庫存，將物料的供應環節縮短，物流中心對車間的物料使用情況和存儲情況全面實時掌握，減少了牛鞭效應的產生，可以降低每次的補貨量，減少車間庫存量和車間的占用面積。

3.2 業務流程重組

利用MES對企業制造全過程進行信息化管理，必須要對制造全過程的業務流程進行優化與重組，才能保證MES的成功實施和達到預期應用效果。業務流程重組作為一種以系統觀和變革觀為基礎的指導方法，在流程上追求合理性、目的性和整體協調性，在組織、信息和資源上追求全方位的改造[7]。

基于MES的制造全過程物流精益管理運作流程相對于傳統車間物流運作流程進行了系統性的變革。主要體現在以下幾個方面：

(1)補貨流程：制造過程中各個工位的補貨申請已經不再需要各個工位負責，而是物流中心通過MES系統的補貨報警自動獲取。各個工位不用進行補貨查詢和補貨申請，而是專職負責生產，這樣既保證了生產安全性、生產質量和生產進度。通過MES系統的自動統計分析以及實時發出補貨報警，可以保證補貨的及時性和準確性，避免了缺貨引起的生產中斷。

(2)配送流程：將原來的接收一個配送任務就馬上進行配送的流程進行重組，所有配送計劃由MES系統依據補貨報警信息、系統設置的經濟補貨量參數、產成品入庫信息、廢品回收信息和配送優化模型對配送任務進行優化。重組后的配送流程在MES的支撐下，即考慮了返程的配送任務，又由MES系統自動生成了最短配送路徑，可以大大降低配送成本。

3.3 信息支撐系統

基于MES的制造全過程物流精益管理離不開企業的信息化支撐環境，除了MES系統還需要與MES集成的ERP系統和控制層的SFC系統。參考文獻[12]的相關內容，設計MES、ERP和SFC對物流精益管理的支撐關系如圖3所示。

圖3 物流精益管理的信息化支撐環境

SFC系統主要負責車間操作層的所有信息的初始采集；MES系統可以從SFC系統集成全面實時的物料跟蹤信息以及工位成品庫存信息。MES系統依據工位安全庫存參數、補貨點參數和工位最高庫存量參數自動向物流中心提供補貨報警信息；MES系統可以向物流中心提供成品積壓報警信息和廢品回收報警信息；物流中心可以通過MES系統實時查詢車間物料使用情況；物流中心可以利用MES系統的配送優化模型對配送任務進行優化設計。當MES系統有工位補貨報警信息時，會主動傳遞到ERP系統的庫存模塊，通知物流中心的庫房開始備料。

4 結論

基于機械制造企業內部物流管理的已有研究成果，主要研究了在車間優化布局完成，車間加工任務優化調度后，對制造全過程的物流精益化管理。在分析了制造全過程傳統物流管理的缺點(如車間庫存量大、車間占用面積大、配送路徑不合理以及配送空載率高等)的基礎上，提出了基于MES的制造全過程物流精益管理模式，闡述了該模式的理念和管理目標，并提出了一種基于MES的制造全過程物流精益管理運作模式，并分別從部門職能劃分、業務流程重組以及信息支撐系統三個方面進行了闡述?；贛ES的制造全過程物流精益管理模式的運用，可以使企業的MES系統在物流管理方面發揮極大的價值，協助制造企業大幅降低制造全過程的物流成本，從而提高企業的市場競爭力。

[1] 朱華炳，范仁杰，唐自玉，等.汽車后橋車間物流系統分析及其方案優化[J].組合機床與自動化加工技術,2004(11)：108-110.

[2] 張新敏，韓天源.齒輪車間物流分析與設備布置[J].機械設計與制造，2005(4)：124-125.

[3] 霍潁，朱華炳.基于多色圖理論的車間物流系統建模[J].組合機床與自動化加工技術，2009(6)：105-108.

[4] 向號，李明，嚴興全.基于SLP的生產車間物流優化設計[J].煤礦機械，2007，28(12)：28-30.

[5] 高曙.制造系統中物流的優化方法[J].機床與液壓，2003(6)，236-238.

[6] 王漢敏,葛茂根,張淼.面向MES的機械產品裝配過程物料配送系統研究[J].組合機床與自動化加工技術,2012(9):98-101.

[7] 陸潁，郭亞軍，高峻峻.大型鋼鐵企業業務流程再造方法應用研究[J].工業工程與管理，2006(3)：46-52.

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[11]鄧汝春，郭孔快，基于精益供應鏈的制造執行系統MES的研究[J].工業工程與管理，2012，17(10)：114-120.

[12]肖迪，黃培清．基于無線網絡的制造業物料配送系統的設計[J]．計算機應用研究，2007(12)：223-225．

(編輯 趙蓉)

Research on Logistics Lean Management in the Whole Process of Manufacturing Based on MES

ZHANG Cai-fang1,YIN Chao2

(1.Mechanical Engineering College, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 400037,China;2.Institute of Manufacturing Engineering, College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, P.R. China)

The research status and achievements on workshop logistics management for machinery manufacturing industry are summarized. The problems in the traditional logistics management for the whole process of manufacturing are analyzed. The concept and the management goals of logistics lean management in the whole process of manufacturing are presented. An operation mode of logistics lean management in the whole process of manufacturing based on MES is established. The operation mode redefine the department responsibilities of manufacturing enterprise, reorganize the logistics operation process in the whole process of manufacturing. The support of MES and other related information system for the operation mode of logistics lean management in the whole process of manufacturing is described. An practical and feasible management mode which can reduce the logistics cost in the whole process of manufacturing for mechanical industry is provided.

MES; whole process of manufacturing; logistics lean management; operation mode

1001-2265(2014)06-0143-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.039

2013-10-31；

2013-11-29

國家高技術研究發展計劃(2012AA040914)

張彩芳(1977—)，女，石家莊人，重慶工程職業技術學院，講師，主要從事機械制造及其信息化等方面研究，(E-mail)hbcqzcf@163.com。

TH165；TG65

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