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单元制造分区技术工作的瓶颈中心：
综合性能和成本模型
凯特林大学商学院，第三大道1700号，Flint，MI48504 USA
Received 3 April 2006；accepted 1 March 2007
Available online 24 March 2007
摘要：
这篇文章的目的是以一个整合的方式通过保留现有功能的布局转换通过分区达到相应的单元制造布局中探讨绩效和成本问题。决策框架提供了系统的方法使从业者进行这样的转换。总成本模型是在单元系统中开发研究性能和财务方面。缩短时间和单元的操作特性的关系也需要考核。从一个小型制造企业的一个简单案例分析得出小型制造企业习惯于评估模型实际特点和研究结果。
copy; 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.
关键词：单元制造；功能布局；成本绩效模型；减少生产准备。
- 简介
在过去几年的课程中，相对于传统制造模式单元制造已经成为一种基于功能专门化的新型制造模式。根据Miltenburg (2001),像生命周期短的产品，用户的需求量增加和不断改变的客户需求这些因素，由于成本和质量的竞争，驱使生产更加偏向于单元制造生产系统而不是传统生产系统。单元制造使在总体工艺中不同的机器(单元)的结合与频繁的生产活动(Wemmerlov and Hyer, 1987)中获利。他代表了一个重大的技术创新，将大多数无关联的部分用深厚的绩效和生产力效益组织结合起来，(Shafer and Charnes 1993; Farrington and Nazemetz, 1998; Shambu et al.,
2000; Shayan and Sobhanallahi, 2002; Suresh and Slomp, 2005). Canel et al. (2005)根据定量的优点通过调查单元制造下哦图片模糊和单元制造的变化断定其优越的性能。
单元制造认为是解决当前大多数制造问题的方法，这个观点受到研究人员的高度重视。Wemmerlov and Hyer (1989)在美国23公司的调查显示，大约百分之30的受访者报告由于单元制造的启用没有显著的性能收益，约旦和弗雷泽认为管理者看起来主要关心实现单元制造的全部潜力。另外，一些研究人员像(Flynn and Jacobs, 1986, 1987; Morris and Tersine, 1990; Shafer and Meredith, 1993)对单元制造的优越性能超过功能布局抱有怀疑。这些研究人员发现单元制造使生产有更长的等待时间，更多的工作进程，更长的总流动时间，尽管单元制造在准备和移动时间上展示了优越的表现。因此，产业不仅面临着单元制造的实施所带来的矛盾与多样化，而且学术界也同样面临着对单元制造的适用性缺乏普遍的共识。
目前单元的形成方法部分的对上诉的担忧负责由于他们错误的认为单元制造的关键是减少生产建立时间。建立时间经常需要一些活动像重设机器，加载和定位工具、模具和夹具，测量，清理，试运行，空闲时间等等。减少建立时间在获得单元制造的收益中扮演着举足轻重的作用。(Flynn and Jacobs, 1987).
尽管学者认为单元制造提供了建立时间潜在的经济减少，经济可行性所带来建立时间减少的状况，和因此在实现单元制造中任然没有解决。任何单元制造的实施都不能单纯的靠理论来证明。因此，不仅研究单元制造和功能布局作为减少建立时间是很重要的，而且开发财务模型从客观上去证明从功能布局到单元制造的转变。(Fernihough et al., 1994).
在先前对单元制造的研究中很少存在上诉问题，大部分有关单元制造的文献都在用不同的运算法则下讲诉“单元格式”的设计组成部分和机械单元的问题(Needy et al.1998)。这些方法都不能用完整的方式解决单元制造的性能和财务问题。另外，单元的形成重点转变为减少建立时间，像他的关系和单元经济的实施和背景。
单元制造和功能布局系统的比较性能存在的大部分工作室基于仿真的。(Flynn and Jacobs, 1986, 1987; Morris andTersine, 1990; Shafer and Charnes, 1993; Canel et al., 2005). Durmusoglu (1993)是其中一个研究从车间到单元制造系统转变中的模型经济问题。然而，这个研究使用了仿真模型并且只着重极端水平的减少建立时间。另外，这个研究在模型上不比较单元制造系统和最高效的功能布局系统之间的综合性能，他所考虑的唯一成本是库存成本(循环库存，安全库存和WIP)。
Gupta and Tompkins (1982)指出需要开发一个分析模型去计算比较单元制造系统和功能布局系统的性能。仿真模型和分析模型的利与弊是有不同的几个重要的方面(Buzacott and Shanthikumar, 1992)。仿真模型能更好的描述更复杂的制造环境。仿真模型的另一个优点是能够开发“现在”和“将来”的制造模型。另一方面，分析模型更趋向于更好尺寸要求的数据，透明度和灵活性。仿真模型通常需要更大量的数据和一到三个数据级的努力、制定和实施。他们不仅难以被客户所理解，也缺乏快速敏感性分析。
根据Suri et al. (1993),即使某些分析模型的假设可能对制造结构有所限制，这些模型还是趋向于非常有效的并且给出了合理的估计。分析模型的主要战略意义是能够进行快速的决策分析和获得更大的决策优势。单元制造系统和功能布局系统的分析模型的性能比较发展至今包括Suresh (1991, 1992).这些模型趋向调查分割功能布局工作中心去实施单元制造的影响。这个分析研究由Boucher and Muckstadt (1985)重点描述一个估计，主要成本，存货成本（循环库存，安全库存和WIP）的程序，减少作业车间到成组生产系统的转变的联系。然而，没有一个分析研究实施单元制造系统的完整的性能和财务问题。一些研究人员强调需要分析研究减少建立时间对功能布局系统和单元制造系统的相对性影响和数学模型对单元实施的经济影响(Wemmerlov and Hyer, 1987; Adiletal., 1993; Surietal., 1993; Jordan and Frazier, 1993).
本研究表明，公司现存的功能布局系统转变为单元制造系统的目的通常遵循如图1的分层法。在传统的功能布局系统公司操作中经常遇到性能问题。这些性能问题通常转变为交货期常，产品过剩，产品质量较差，机器利用率低和对需求量上升时的应对不足。在这些问题的驱动下，公司开始进行调查，如果一个备用的制造系统，分区的单元制造系统能够表现出更好的性能。然后成本就会成为是否决定使用这个新的系统关键的元素，也就是最具有成本效益的方式来优化操作单元，根据Needy et al. (1998),这不仅是设计出一个具有吸引的单元制造系统，而且是更具有成本效益。
Hyer (1984) and Wemmerlov and Hyer (1989)在实证研究中证实了大部分企业实施GT/CM程序的目的是对他们面对的特定的或者组织性能问题做出回应，而不是作为一般的改进手段。案例研究(Rehman and Diehl, 1993; Howard and Newman, 1993)中的活动和作者在当地公司中的经验证实计划按层次转换过程。因此，对于公司从功能布局系统到单元制造系统的转变中成本问题和随后的性能问题是典型的两个重要的考虑因素。根据Suresh (1992)，功能布局系统到单元制造系统的转变典型的附带多种服务器中心的分割。在这篇文章中，分割术语是针对机器和正式实施的单元制造。
该研究的目的是在现存的功能布局分区转换为单元制造分区中以集成的方式分析性能和和成本问题。此外，该研究对帮助从业者有布局功能到单元制造系统的转变提出了一个系统的框架。最后，这项工作对最低成本特性的单元制造系统开发了总成本模型。当地的制造企业的实际操作习惯于用案例研究去测试模型。这个研究是其中一个首先在功能布局系统到单元制造系统的转变中尝试开发集成分析模型的。
- 单元制造和功能布局系统的性能
考虑到在功能布局制造系统中几个部分类型的组织。这个制造系统包括了几个工位，其中一个工位由不同的几个单元（机器）并联而成。这个由不同的服务器并联工位被假设为不影响性能和在图二中显示为“瓶颈工位”。这个组织希望能确定现有的功能布局系统，分区制造系统和单元制造系统中哪一个能够改善瓶颈工位的性能。如图二所示，瓶颈工位对应的单元制造系统由c个单独机器单元组成，且每个单元分别处理特定的部件类型。
假设工位为随机分布中的泊松分布模型。处理时间为指数分布
（Tdelta; tq）。T为准备时间，t为平均每个岗位的准备时间，delta;为建立减少因素。由于工艺资源的限制，同时也假设工位为最优状态下，
q=q*(在两个系统中最大限度地减少最小尺寸)。这将会确保单元制造系统和最高效的功能布局系统之间的性能比较。
图二显示了单元制造系统和功能布局系统的代表性。功能布局系统是一种使用多服务器的模型，即M/M/c模型，其中的一个工作可以到达任何可以处理得到服务器（机器）。单元制造系统则是单独的服务器M/M/1队列，每个机器专门用于不同的部件工艺。单元制造系统的结果等同于经过分区化的功能布局系统。像无线人口资源这种标准队列假设，到达率小于服务率，先到先处理（FCFS）和稳定平衡的存在是假设的存在。为了帮助评估竞争系统，FT和WIP将作为性能指标，分析模型包括下列符号：
c 相同机器数量
D 所有零件年总需求量
d 所有零件每小时总需求量
di 部分零件每小时总需求量
q 批量达标质量单位
qi 部分批量达标质量单位
N 部分种类数量
T 平均建立时间
t 单位平均工时
delta; 建立减少因素
y 产量（有效产量）
PCc 通常生产能力
PCm 最大生产能力
假设大部分种类到达率平均值为泊松分布。lambda;i=di（qi/y）。此外，假设一类产品的需求相等且划分一个共同批量大小的机器，总的到达率任然符合泊松分布。表达式（1）-（4）用于评估到达时间和服务时间。
平均到达率=lambda;=sum;lambda;=sum;di/(qi/y)=d(q/y) (1)
当 lambda;FL=d(q/y) (泊松分布)， (2)
lambda;CM=d/((q/y)c) (泊松分布)， (3)
和平均服务时间=micro;-1FL=micro;-1CM=（Tdelta; tq/y）
(指数分布) (4)
、
需要注意的是，在上述表达式中d是减少设置时间系数，对于单元制造来说，0le;delta;le;1（当delta;=0，意味着设置时间完全减少，当delta;=1，意味着设置时间没有减少）。对于功能布局，d为1。此外，y为生产产量或部分有效产量。
使用排队论的结果，性能计算的表达式在表1意味着等待时间（FT系统）和顾客数量（WIP系统）。利用上述表达式，Suresh (1991, 1992)表明了作为一项规则，对于给予一个给定的时间，一个确定最小（阈值）等级的建立缩减，需要在单元制造系统在超越最好表现的功能布局之前完成。如果这样的“门槛”设置建立时间缩减是可行的，企业可能会基于性能措施决定由功能布局系统转换为单元制造系统。如图1等级框架所示，下一个逻辑问题是应该解决这种转变带来的经济学问题，为了回答这个问题，总成本模型需要再次开发，该模型的制定使用符号表2所示。
- 单元制造系统的财务模型
一旦单元制造系统的性能相对功能布局的优势已经确立，那么操作单元的成本问题就成为了关键问题。图1显示了操作单元中重要的决定变量，批量（q），设置减少（d）和缓冲区大小（z）。本节开发的总成本模型有四种不同的成本类型影响着操作单元的成本。
在任何成本模型中，人们可能会被各种成本所误导，像总投资成本，制品成品，材料处理成本，车间重组成本，安装成本，能源成本等。但是，如Needy et al. (1998)所示，成本模型试图使所有成本看起来更加高昂无论是在收集数据的能力和适当的使用这些数据的决策中。我们考虑四种在成本模型中不同类型的成本--安装成本，库存制品成本，质量成本，减少设置成本因为这些成本模型是现成的或者可以很容易的计算出来的。另外，这些成本会对单元制造系统的操作有更大的影响。每个变量最合适的值是有助于操作单元最具成本效益。且受确定的最小化总成本函数所约束。
- 不同成本类型的表达式
4.1、安装成本
安装可以定义为作为一项改变特定的机器或者工作中心（从A的结尾到B的开始）的工作。根据Needy et al. (1998)，单元制造系统预计减少安装和时间以达到完成在制造单元中共享操作相似的部分，提供一个设计夹具能适应整体的所有部分的一个能力，并促使工艺或方法的改进。假设每年安装成本直接依赖
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