工厂物理学

        本书的作者是美国西北大学的 Wallace J.Hopp 教授和佐治亚理工学院的 Mark L.Spearman 教授，是生产运作管理领域的知名学者，他们运用自己深厚的物理学中方法论的背景，在多年实践经验和理论研究的基础上，深刻分析与阐述了作业管理中的内在规律，以独特的视角与思维方式对发生在制造企业中的现象和本质进行了透彻的分析和系统的总结，以类似于物理学中定律定理的方式给出了准确的定性描述或定量计算公式。书中不仅对生产管理的发展历史和现状、取得的成就和问题等进行了精辟的总结和分析，而且紧密跟踪当前最先进的方法和技术，并预测了今后的发展趋势。该书不同于一般的教科书，一方面涉猎范围极宽，广泛介绍了生产领域的概念、方法、技术及实践效果；另一方面对重点问题进行了极为深入细致的研究，探究了事物的本质，提出了独到的见解。该书的起点较高，适合作为“生产系统”和“动作管理”方面的研究生课程的主教材。对本科生教学，可以作为“生产运作管理”、“生产计划与控制”、“设施规划与物流分析”、“质量管理”等课程的主要参考书。

此书还获得了当年年度最佳工业工程出版物的荣誉。





什么是工厂物理学，为什么要研究工厂物理学？
简言之，工厂物理学（factory physics）是对制造系统基本行为的系统描述（a systematic description of the underlying behavior of the manufacturing systems）。理解这一点可以帮助管理者和工程师根据制造系统的自然趋势去进行以下的工作：
1. 识别改善目前系统的机会。
2. 设计有效的新系统。
3. 为协调不同领域的政策而做出必要的权衡。

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第一章 美国的制造业

本书的一个基本前提是：若想实施有效的管理，你必须先理解你管理的对象。但制造系统是一个可以从许多不同的角度1来看的复杂实体集，其中的许多视角的确产生了合理的管理理论，但是有一个视角是最最重要的，它提供了将其它所有角度组织到一起的框架，这就是历史的角度。
历史感对于制造经理之所以是根本性的基础有两个原因。第一，在制造业，和各行各业中一样，对一个想法或者说概念的终极检验就是时间的检验。尽管短期的成功可能是由于运气或者外部环境的因素，但是我们判断一个概念具有持久价值那就必须以长远的眼光来看。第二，因为实现商业成功的条件总是随着时间而改变，对管理者来说关键是做决策的时候要有面向未来的发展意识。
美国制造业的历史，从弱小的殖民地崛起开始，发展到二十世纪中叶不争的全球领导地位，又经历了十九世纪七十年代到八十年代的数次衰退期，随后进入九十年代复杂的全球环境下的再次振兴，这几乎可以说是一个引人入胜的传奇故事。遗憾的是，在本书中我们没有足够的空间，也没有这方面的专长来为读者提供一个全面的介绍。然而，我们侧重于结合本书后面章节的重要主题来重点阐述一些主要事件和趋势。我们希望读者能够对这些历史事件感兴趣从而自己去寻找更多相关的资料。以下三个人的著作是我们写这部分内容的出发点。Wren（1987）从管理角度提供了一个出色的全局性概览。Boorstin在《美利坚人三部曲》（1958，1965，1973）中对文化背景下的美国商业提供了许多颇具可读性的深刻观点。（14|15）Chandler（1977，1990）高度评价了发生在美国、英国和德国的大范围管理革命。以下我们整理了这些成果以及相关的内容。

第二章 库存控制：从EOQ到ROP
科学管理（Scientific management）的诞生使得运作管理（OM）这一现代学科的建立成为了可能。科学管理不仅使得管理学成为一个值得研究的学科，还因为它注重数量上的精确，从而使数学第一次成为一种管理工具。泰勒原初的工作公式是后来许多数学模型的先驱，设计这些数学模型是用来帮助工厂设计和控制人员在各个层面上进行决策的。这些模型都成为了商学和工学课程中的标准科目，整个学术研究的各个学科都是围绕着几个运作管理问题领域而纷纷建立起来的，包括库存控制、生产排程、能力计划、需求预测、质量控制和设备维护。这些模型以及促使这些模型建立的运作管理的焦点问题，现在已是商学的标准语言的一部分了。
在那些产生数学模型的诸多运作管理学科分支中，对工厂管理来说没有什么比库存控制更为核心的了，对运作管理来说也没有什么比库存控制更能体现美国式方法的了。在这一章中，我们来追溯美国库存控制所使用的数学模型方法的历史。我们这样做的原因有以下这么几个：
1. 我们所要讨论的库存控制模型是运作管理领域里最早的成果之一，并且现在仍被广泛的使用和借鉴。同时，它们是制造管理语言中的基本组成部分。
2. 库存几乎在所有的制造系统的物流工作中扮演着关键性的角色。这些历史上的模型中介绍的概念会在本书第二篇工厂物理学和第十七章库存管理中再次出现。
3. 这些经典库存理论的结果是其他许多现代制造管理技术的核心，例如物料需求计划（MRP）、精益生产（JIT）以及基于时间的竞争（TBC），它们因此将作为本书第一篇剩余章节的重要基础。（48|49）
我们从最早最简单的模型——经济订货批量（EOQ）模型开始，逐渐延伸到更为复杂的再订货点（ROP）模型。对于每个模型，我们都给出了一个启发性的例子，一个关于其发展的介绍和关于它所蕴含思想的讨论。

第三章 MRP运动
到20世纪60年代早期，许多公司都开始使用数字式计算机来进行日常的会计活动。考虑到制定计划和进行库存控制的复杂性和单调性，尽力把计算机也延伸到这些功能活动中就是很自然的事情了。这个领域的早期试验者之一就是IBM，在那里约瑟芬·奥利基和其它人开发了物料需求计划（material requirements planning，MRP）。尽管早期发展很慢，但是当1972年美国生产与库存控制协会（APICS）发起了“MRP运动”来推动MRP的使用时，MRP开始取得巨大的发展。从那时候开始，在美国MRP就开始变成基本的生产控制范式。到1989年，MRP软件以及运行支持的销售额就超过了10亿美元。
因为它是这么的普遍，使得训练有素的制造经理都必须精通一些MRP是怎么运行的。因此，在这一章里面，我们会描述MRP范式和接踵而至的制造资源计划（manufacturing resources planning，MRP II）范式，以及它的现代版本，企业资源计划（enterprise resources planning，ERP）。同时我们将突出MRP所代表的基本思想和它所留下的一些没有解决的困难。

第四章 准时制的革命
在二十世纪七八十年代，当一些美国制造商正致力MRP运动的时候，一些完全不同的东西正在日本产生。像美国在十九世纪所做的那样，日本人正在发展一种前所未有的制造形式，它将带来一个经济急速增长的时代。这个带给日本巨大成功的制造技术就是我们所说的准时制（JIT）。他们在制造管理的历史上写下了重要的篇章。
准时制的起源毫无疑问正是源自日本的文化、地理和经济史。长期以来由于空间和物资的有限，日本人都很倾向于节约。这使得严格的原料控制策略在日本比在“浪费之乡（Through away society）”的美国更容易被接受。东方文化要比具有还原主义（reductionist）科学渊源的西方文化更加的系统化。那些贯穿于独立工位的措施，像多技能的流动工人和全面质量管理在这样的环境中显得更为自然。地理因素对日本的实践也有一定影响。比如一天多次从供应商处运送原材料的策略对于工业空间集中的日本来说要比具有广阔地域的美国更容易实施。其他许多促使日本成功的结构性因素也发挥了作用。但是由于一个制造企业无法控制这些因素，所以在这里我们就不考虑它们了。（151|152）
更重要的是JIT实践本身。大部分JIT思想直接来源于丰田汽车公司经理大野耐一的工作。据大野耐一说，丰田在1945年开始了自己的创新之路，当时董事长丰田喜一郎提出要公司“三年内赶超美国。否则，日本的汽车工业将不复存在。”（大野1988，3）在当时，日本的经济被战争严重破坏，劳动力只有美国的九分之一，汽车制造处于很低的水平。显然，丰田不可能在三年内赶超美国，但是丰田的努力最终达到了丰田喜一郎的目的，还引发了制造管理自二十世纪二十年代科学管理运动以来的又一次彻底变化。
大野耐一，1943年从丰田纺织公司转入丰田汽车，他认识到能够与美国竞争的唯一办法就是减少两国之间巨大的产量差异。他认为这只能通过消除浪费以降低成本来达到。与美国的汽车公司不同，丰田不能依靠大规模生产设施的规模经济来减少成本。日本汽车的市场实在是太小了。所以，丰田的管理者们认定他们的制造策略必须是小规模多品种生产。
从生产控制的角度来看，最要的挑战是保持产品多样的同时能够做到维持平稳的产品流。不仅如此，为了避免浪费，生产就必须在较低的库存水平下进行。大野耐一描述了在丰田产生的这个系统，说明了这一挑战所依赖的两大支柱：

第五章 问题在哪里
到二十世纪八十年代，美国制造业已经有了不祥的征兆。生产力增长速度的降低，在诸多市场上所占份额的下降，普遍感觉到许多美国商品质量比国外的差，持续的巨额贸易赤字以及许多其他令人担忧的趋势每天都在提醒我们：美国已不再占据曾经无可争辩的制造业霸主地位。美国制造业的衰退给我们敲响了警钟，表明我们已经进入了一个全球化竞争的时代。从这一点来看，企业长期的成功就需要在各个方面，如产品开发、市场营销、人力资源管理、财务和运作管理上都要有世界一流的表现和持续的改进。日本在二十世纪八十年代的成功给我们的主要一个启示就是运作管理可以是（必须是？）一个有效的现代制造业经营战略的一部分。
从二战期间到二十世纪九十年代所使用的传统美国运作管理实践大致可以被分为三种思想：
1. 科学管理。它是一种对制造系统合理的、逻辑推断的、定量的、模型导向的观点。早期的科学管理在20世纪初产生了库存控制、排程、预测、综合计划以及其他许多制造职能的定量化方法。
2. 物料需求计划。它的特征是用集中的计算机化的计划方法来进行生产控制和集成。随着更多的功能加入到系统中，最初的物料需求计划（MRP）逐渐发展成为制造资源计划（MRP Ⅱ），进而又发展为企业资源计划（ERP）。
3. JIT（准时制）。以低库存、对制造环境的流程导向为特征。最初对日本看板方法的重视逐渐扩大到了更为广阔的精益生产的观点。JIT也是全面质量管理的一个推动力，后者曾是JIT内容的一部分，但后来逐渐发展成为一个独立的运动。
尽管这些思想都提供了很好的方法，但是没有哪一种可以持续不断地将企业提升到更高的水平，从而足以在下个世纪的激烈竞争环境中继续繁荣发展。在这一章里，我们将寻找为什么它们未能提出解决竞争力问题的综合方案的原因。在本书的第二篇和第三篇，我们将基于这些反面观点，并结合前面四章所提出的正面观点来制定一个综合的运作管理方法与步骤。

第六章 制造科学
制造管理者们经常感到困惑。大量的书籍、短期课程、软件包、录像带、网站，以及其他推动竞争制造哲学和工具的资料足以将即使是最有经验的专家淹没。更可怕的是，就像我们在第一篇中看到的那样，制造管理的主要方法（如，经典库存控制、MRP和JIT）彼此之间不能完全兼容并且存在严重的个体缺陷。
很多制造管理者认识这个领域是通过大量的管理术语（如，MRP、MRPⅡ、ERP、JIT、CIM、FMS、OPT、TQM、BPR）和继承专家思想或者经验。Micklethwait和Woolridge（1996）在他们的有启迪作用的书《巫医》（The Witchdoctors）中描述了这种倾向。
尽管一些制造管理术语经常反映事实的核心，但是它们真正的本性是提供一种简单的方法来应对所有的问题。因此，它们很少提供关于哪种方法适用以及何时适用的权衡观点。这些经常导致一种心理上以为是“流行管理”的不幸结果。雇员们，被一个接一个“革新”打击之后，产生了愤世嫉俗的观点“这也会销声匿迹”。但是，很多管理者依然勇敢地坚持他们的信念，坚信总会有人在某些地方会有个一永劳逸解决所有运营问题的方法。所以导致的结果就是，介绍时髦词汇的书籍与咨询业繁荣发展，但是制造管理真正的进步却很少。
当然，部分的混淆是由一些厂商或者顾问在营销其产品时过分夸张产生的。模糊的核心被炫目的推销材料包围，是经理们确切比较各种系统的要求难以实现。但是，我们认为问题的根源比这个还要深。我们相信，这种大尺度的混淆是我们缺乏下面所要讲的制造科学（science of manufacturing）的直接后果。

第七章 工厂动力学基础
上一章里，我们认为制造管理需要一门制造科学。在这一章，我们通过检视产线的一些基本行为，来充实这门科学。
为了引出即将重点讨论的种种量度（measure）与机制（mechanic），我们从一个实例开始。HAL是一家生产印制电路板（PCB）的计算机公司，它的产品卖给其他企业，在上面安装组件，然后送入个人电脑的组装线。生产PCB的基本工艺如下：
1. 层压。铜和玻璃纤维层被压制在一起形成核心（空板）。
2. 机加工。核心被修整到一定尺寸。
3. 印制电路。通过感光和蚀刻过程，电路被印制在空板的铜层上，赋予“个性”（独特的产品特性），使其成为面板。
4. 光学检验与修补。电路被光学检验缺陷，如果缺陷不严重则修补。
5. 钻孔。在板上钻孔连接多层板的不同部分的电路。要注意多层板在印制完电路形成层后返回层压。单层板通过层压一次不需要钻孔和镀铜。
6. 镀铜。多层板在铜镀液过滤，在钻孔中沉淀铜，从而连接不同板上的线路。（213|214）
7. 加保护层。在面板上加层保护性的塑料膜。
8. 定尺寸。加工面板到最终尺寸。在大多数情况下，复合PCBs在一个单独的面板上加工制造，在定尺寸阶段形成单独的板。依据板的尺寸，很少有两个板从一个面板中制造出来的，或最多20个。
9. 线尾检测。对板的功能进行电器检测。
HAL的工程师监控着PCB产线的产能与性能。他们对产能的最高估计总结在表7.1，其中给出了每个工站的平均加工速率（每小时生产的板数）和平均加工时间（小时）。（要注意的是因为PCB通常成批加工，许多工艺由并行设备作业，所以加工速率不是时间的倒数。）这些都是平均值，用来说明HAL生产的不同型号与不同工艺路线的PCB（如，一些板子也许要经过两次层压）。它们也可以说明“扰动”，如机器故障、换模时间、作业员效率等现象。这样，加工速率就估计出在无限投料的假定下每道工艺每小时可以产出多少板子。加工时间表示典型的板子在每道工序加工的平均时间，包括扰动引起的等待时间但不包括排队等待加工的时间。

第八章 变动性基础由里特定律（TH = WIP/CT）得出，周期时间长在制品水平高，或者周期时间短在制品水平低，可能达到相同的产出。当然，周期时间短在制品水平低的制造系统更优，是什么原因导致这种不同呢？大量实例表明，答案是变动性。
当运行在最佳情形（best case）下，第七章的硬币制造系统会以= 4（临界在制品数量）的在制品水平实现最大产出（0.5件/小时）；但是当处于实际最差情形（practical worst case）时，它要求27件在制品以实现90%的产能（57件在制品实现95%的产能）；当处于最差情形（worst case）状态，甚至连90%的产出都不可能实现。为什么存在这么大的差别呢？那就是变动性！ 0W
作为工厂的一部分，Briar Patch制造厂有两个非常相似的工站。它们都是由一台机器组成，该机器以4件/小时的产出运行；它们都是为了满足相同的需求，平均工作量为69件/天（2.875件/小时）；而且它们都存在定期的随机停机。然而，对于Hare X19机器的工站，停机不会频繁发生，一旦发生便会持续很长时间；对于包括Tortoise 2000机器的另一个工站，停机会更加频繁而时间会相应更短。两种机器都能达到75%的利用率（即机器正常工作的时间）。因此，这两个工站的产量都是4×0.75= 3件/小时。既然产量相同且满足相同的需求，那它们是不是应该有相同的绩效——周期时间、在制品数量、提前期、客户服务水平？不是。事实证明，在所有这些绩效指标上，Hare X19都要比Tortoise 2000差。为什么？答案依旧是变动性！
变动性存在于所有的制造系统中，并且对绩效会产生很大的影响。（248|249）由于这个原因，测度、理解和控制变动性的能力对于有效的制造管理是至关重要的。这一章，我们将介绍描述制造系统变动性的基本工具以及直觉的知识。下一章，我们将深入探索变动性降低系统绩效的方式以及对其进行控制的方法。

第九章 变动性的腐蚀性作用
9.1 引言
前一章里我们开发了刻画、评估加工时间变动性与流动变动性的工具。本章中，我们将使用这些工具描述有变动性的制造系统的基本行为。
像在第七章那样，我们将主要结论陈述为工厂物理学定律。这些定律有些是一直成立（如，物料守恒定律），而其他的则在大多数情况下（most of the time）成立。从表面上看，似乎不够科学。然而，我们指出物理学定律，如牛顿第二定律maF=和能量守恒定律，也只是近似地成立。尽管已经被更为深奥的量子力学和相对论代替，它们依然很有用。工厂物理学定律也是如此。
9.1.1 变动性可能是好的吗？
第七章和第八章（与这一章的标题）可能会给人留下变动性是有害的印象。利用精益制造（Womack 和 Jones 1996）的行话，一个人可能会受到吸引将变动性和muda（浪费）1 等同起来并做出变动性应该被清除的结论。
但是我们必须仔细而不至于忘记公司的基本目标。就像我们在第一章里所观察到的，亨利·福特是一个对于减少变动性极度极度狂热的人。顾客可以得到他想要的任何颜色的车，只要是黑色（black）的。（287|288）车型罕有变化，型号也很少。通过稳定产品和保持生产过程的简单有效，福特开创了一次重大的革命——使汽车量产成为可行的。但是，在二十世纪三四十年代，当阿尔弗雷德·P·斯隆的通用汽车提供了更多的产品型号时，福特汽车公司失去了大量市场占有率，濒临破产。当然，更多的产品型号意味着通用汽车的生产系统中更大的变动性，更大的变动性意味着通用汽车的系统不能运行得像福特那样有效率。然而，通用汽车做得比福特好。为什么？