制造系统工程第四章

4．质量（Q）
产品的质量，应该从产品设计和产品制造两方面考 虑。 产品设计之初就不合理(例如结构欠佳，提出过高和 不必要的技术要求等)，会给制造和装配带来很大的困难， 即使勉强制造和装配出来了，用户对这类“天生”有缺 陷的产品也很难满意。不合理的产品设计可以通过性能 评价、仿真技术等给予剔除和修正。 而在制造过程中的产品质量，可以用许多不同的尺 度来评价。在制造阶段，产品的质量是指生产工艺满足 产品设计参数(技术特征、性能、技术要求等)的程度，产 品的质量实质上就是产品各种技术特征和性能的集合， 它主要包括两个方面的要求：构成产品结构和外形的几 何特征以及产品所用材料表现出的物理和化学性能。
(4)制造系统的决策框架模型 综前所述，制造系统的决策框架模型的数学描述为：
4.3 制造系统总体决策分析方法
4.3.1 层次分析法
层次分析法（AHP）是美国著名运筹学家、匹兹堡大学A. L. Soaty于70年代初提出的，其实质是将决策主体对复杂系统 的评价思维过程层次化和数学化。该以决策主体的定性分析 和逻辑判断为主要依据，建立判断矩阵并通过一系列数学方 法计算出各种侯选方案的重要度，从而选择重要度最大的方 案作为最优方案。层次分析法体现了人们决策思维的基本特 征：分解、判断、综合。
......
图4-2 制造系统总体决策框架模型示意图
制造系统总体决策框架模型的数学描述如下 对前面所说的制造系统决策目标，一般情况下由各个 方面的复杂因素所组成，因此用向量来进行描述，称为决策 目标向量。如环境问题包括废弃物污染，噪声污染，粉尘污 染，废气污染等等。因此可将各目标看成是由各因素组成的 向量，如E可看成由e个因素组成，即：
3．柔性（F）





（l）机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机 器随产品变化而加工不同零件的难易程度。 （2）工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材 料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化时 改变相应工艺的难易程度。 （3）产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非 常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对 老产品有用特性的继承能力和兼容能力。 （4）维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产 正常进行的能力。 （5）生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行 的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为 重要。 （6）扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系 统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。 （7）运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产 一系列产品的能力和同样的产品换用不同工序加工的能力。
4 制造系统总体决策框架及分析 方法
4.1 制造系统总体决策目标
C
T
Q
F
E
在考虑制造决策问题时，通 常追求的目标是：尽可能低的制 造成本，尽可能快的市场响应， 尽可能高的产品质量，尽可能好 的制造系统柔性和尽可能小的生 态环境影响，即通常应考虑五大 类决策目标：成本（C）、时间 （T）、质量（Q）、柔性（F） 和环境性（E），从而可以构造 出图4-1所示的制造系统五角形 制造决策目标框架。
最高层 Hs：引进生产线
中间层
A1：价格 C
A2：质量 Q
A3：生产率 (即时间T)
A4：柔性 F
A5：环境影响 E
最底层
B1：生产线1
B2：生产线2
图4-4 生产线决策问题的层次分析模型
B3：生产线3
对此决策问题而言，上述五个决策目标应重点考 虑价格、质量和生产率。为简化此决策问题，可建立 如图3-5所示的简化模型。
1．成本（C）





（l）系统设施和设备成本：建立制造系统需要基础设施 (场地、水、电、气供应、房屋等)，制造设备和贮运装置 等，这些方面的投资费用都将以折旧费的形式计入系统或 产品的成本中。 （2）材料成本：包括制造产品所需要的原材料、工具 消耗和系统所用的辅助材料(冷却剂、润滑油、清洗剂等) 消耗。 （3）劳动力成本：运行系统的直接劳动，也包括开发 系统或产品付出的劳动。 （4）能源成本：有些制造系统耗能很少，能源所占成 本的比例低，甚至可以忽略不计；而有些制造系统却耗能 很多，甚至成为制造系统或产品的主要成本因素。 （5）维护和培训成本：为保证系统的正常运行所进行 的维护、修理工作和需要的维护人员、备件等，以及为适 应新设备和新技术的必要培训。 （6）其他杂项成本。
X ( x1 , x 2 ,..., x m ) Y ( y 1 , y 2 ,..., y n ) . . .
（3）技术经济模型的构成 根据上述描述，联系决策变量和决策目标之间的技术经 济模型为：
Ti Ti ( X , Y ,...); i 1 ~ t Q j Q j ( X , Y ,...); j 1 ~ q C k C k ( X , Y ,...); k 1 ~ c Fl Fl ( X , Y ,...); l 1 ~ f E m Em ( X , Y ,...); m 1 ~ e
T (T1 , T2 , Tt ) Q (Q1 , Q 2 , Q q ) C (C1 , C 2 , C c ) F (F , F , F ) 1 2 f E ( E1 , E 2 , E e )
最高层 Hs：引进生产线
中间层
A1：价格 C
A2：质量 Q
A3：生产率 (即时间T)
最底层
B1：生产线1
B2：生产线2
B3：生产线3
图4-5 经简化的层次分析模型
2、建立判断矩阵 Hs A1 A2 … Aj … An 参与层次分析的 A1 A11 a12 … a1j … a1n 人员应是对研究对象 A2 a21 a22 … a2j … a2n 富有经验并有判断能 力的专家，他们应能 . . . . . . . 对每一层次中各要素 . . . . . . . . . . . . . . 的相对重要性作出判 断。合理构成判断矩 Ai ai1 ai2 … aij … ain 阵是层次分析法的关 . . . . . . . 键。 . . . . . . . 判断矩阵是以对 . . . . . . . 上一层的某要素而言 An an1 an2 … anj … ann 将本层次诸要素之间 进行两两比较来确定 其中Hs为上一层的某要素，A1~An为本层次 的，其形式如下： 的诸要素，aij为对于Hs而言，Ai与Aj的相对重要
5．环境性E 制造系统的环境性是广义的，包含了许多内 容。可大致归类如下： 1)生态环境影响 制造系统及产品在整个生命周 期中对生态环境造成的影响，如制造过程中产生 的废气、废液、废物、产品寿命结束后的处置对 生态环境的影响等。 2)资源综合利用 制造系统对自然资源特别是不 可再生资源的综合利用和优化利用能力，包括生 产制造过程可能要用到的原材料、能源、土地和 水资源等的优化利用。 3)职业健康 制造系统在其运行过程中可能对劳 动者职业健康造成的损害。 4)安全性 制造系统及其产品在运行或使用过程 中因故障等原因产生的危害和不安全性。
4.2 制造系统总体决策框架模型
制造系统的决策变量 技术经济模型 制造系统的决策属性
X=(x 1,...,x n) Y=(y 1,...,y n) . . . . . . . . .
......
C(X,Y,...) T(X,Y,...) Q(X,Y,...)
......
F(X,Y,...) E(X,Y,...)
：
E ( E1 , E2 , , Ee )
同理其他各决策目标可表示为：
T (T1 , T2 , , Tt )
Q (Q1 , Q2 , , Qq )
C (C1 , C2 , , Cc ) F ( F1 , F2 , , F f )
（2）决策问题中的决策向量的构成 一个决策问题可看作由若干类决策变量组成，每类决策 变量又包含各个方面具体的决策变量，因此将每类决策变量 看作一个决策向量，每一个决策向量又包含着若干个决策变 量，构成了各决策向量中的元素。于是整个决策问题的决策 向量可用如下决策向量组描述：
应用层次分析法进行决策的步骤如图4-3所示
决策问题 构造层次 结构模型 建立判断 矩阵 层次单排 序
一致性检 验
是 决策结果 通过 否
一致性检 验
层次总排 序
Байду номын сангаас
是
通过
否
图4-3 应用层次分析法进行决策的步骤




根据构成决策系统的目标、侯选方案等要素建立多级 递阶的层次模型； 对同属一级的要素以上一级的要素为准则进行两两比 较，根据评价尺度确定其相对重要度，据此建立判断 矩阵。建立判断矩阵是进行决策至关重要的一步； 通过一定的计算，确定本层次各要素相对于上一层次 某要素而言的相对重要度，即进行层次单排序； 通过检验判断矩阵的一致性来保证结果的可靠性，若 不一致则需返回（2）步重新修正判断矩阵；若为可接 受的一致性矩阵，则继续； 通过综合重要度的计算，对各种方案进行层次总排序。 对总排序的计算结果进行一致性检验，若不一致则重 新修正判断矩阵；若一致性可接受，则完成决策。
min C C ( X , Y ,...) min T T ( X , Y ,...) max F F ( X , Y ,...) max Q Q( X , Y ,...) Ti Ti ( X , Y ,...); i 1 ~ t min E E ( X , Y ,...) Q j Q j ( X , Y ,...); j 1 ~ q 制造系统的五大制造决策目标集合组成了制造系统规 X Y C k C k ( , ,...); k 1 ~ c 划、设计、试验和运行的目标函数，由制造的决策变量 F F ( X , Y ,...); l 1 ~ f l l 到制造的决策目标映射的技术经济模型则为制造系统的 E m E m ( X , Y ,...); m 1 ~ e科学化、系统化的评价和决策提供了依据和条件。五大 决策目标既各自相互独立，又相互紧密联系，因此应该 X ( x1 , x2 , xm ) 以系统的观点去看制造系统的总体决策框架模型，从而 Y ( y1 , y2 , yn ) 抓住系统的主要特征和内在联系。制造系统的总体决策 其中： 框架模型可以在系统的决策过程中提供量化的分析结果， 从而为决策提供辅助技术支持。
2．时间（T）
制造系统中，时间要素是指： （l）制造系统对于产品的设计和生产过程变化 (品种、批量、要求的交货时间等)反应的快慢程 度。为了使制造系统具有较强的生存能力，一般 都希望从产品的订货、设计、制造到产品出厂的 整个过程时间要短；当生产过程发生变化时，系 统的反应要快，响应时间要短。 (2) 制造系统能以多快的速度制造出产品，即 系统的生产率如何。生产率的要求将直接或间接 影响制造系统内其他要素的选择。高的生产率一 般都会使生产成本降低，但高的生产率要求使用 专用机床、传输线和专用自动化控制，这些又会 使制造系统的柔性降低
例1：某企业拟引进一条新的生产线，有三种类型可以选 择。要对此问题作出决策，可根据制造系统决策框架模型， 确定引进生产线要考虑的主要因素，即决策目标因素。从系 统的角度引进生产线应考虑成本（价格）、质量、生产率、 柔性和环境影响，即制造系统的五大决策目标均应考虑，于 是可建立层次分析模型如图3-4所示
下面对层次分析法作进一步详细的介绍 1、建立决策层次模型 层次模型的最高层为决策总目标，是决策所要解决的 问题。对于制造系统总体决策问题，该层就是要达到的总 决策目标。 最高层的下层是由实现目标必须考虑的准则和每个准 则所包含的具体指标组成，称为中间层。中间层一般有一 层或多层。对于大多数制造系统总体决策问题，中间层的 第一层就是各决策目标向量。 最底层为待排序的各类事物组成，如待比较的方案、 侯选措施等。对于制造系统总体决策问题，最底层就是决 策向量及组成决策向量的决策变量。