制造柔性的概念困惑分析与关系模型的构建_关系模型论文

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       一、引言

       随着市场竞争的不断加剧，多品种、新产品和客户定制已经成为当下竞争的焦点所在。单品种、大批量的生产方式已不是主流生产方式，以多品种、小批量、快速调整为特征的柔性制造方式已经广泛应用。相应的，国内外学者对柔性制造能力-制造柔性(manufacturing flexibility)给予广泛关注，并对其进行了持续研究。早期学者们主要从技术视角研究制造系统如何引进柔性制造设备以实现整个系统的柔性，从上世纪八十年代初开始，生产运作领域的专家开始从管理的角度思考制造柔性的概念、影响因素和作用价值(Gerwin，1982；Buzacott，1982；Zelenovich，1982；Slack，1983；等)。

       经过多年的研究，制造柔性可以帮助制造企业获得竞争优势这一判断已经达成广泛共识(例如Gerwin，1993；Upton，1994；Slack，2005；等)，但是制造柔性本身却未被很好地理解[1]。Vokurka和O'Leary-Kelly[2]认为“尽管对制造柔性的研究已经有了很多收获，但是对制造柔性所包含的复杂内容的理解还是很零碎的，未能形成系统的知识体系”。Beach等评论道：“从文献中很难获得一个统一的柔性类型或维度体系的分析视角。”[3]Oke评论制造柔性的概念时，有如下论述：“柔性至今还是一个谜团，学者们甚至不能回答与这个概念相关的最基本的问题，例如：什么是柔性?一个企业在什么时机应该构建柔性?怎么测度柔性?制造柔性又应该如何构建?”[4]

       基础概念存在的困惑使得柔性制造理论体系存在先天性的缺陷，严重阻碍了制造柔性研究向更高水平前进，同时也降低了相关理论研究成果对于实践工作的指导价值。本文将研究内容聚焦在解析制造柔性基础理论存在的困惑和构建基础性关系模型两个方面，以期夯实制造柔性理论基础。

       二、制造柔性概念困惑辨析

       作为从管理视角探讨制造柔性的先驱者之一，Slack(1983，1987)没有给制造柔性下一个清晰的定义，直至2005年，他还认为给“制造柔性下一个唯一、简单、统一的定义是天真的，或者说是错误的”[5]。另一位先驱者Gerwin(1982)起初也未给制造柔性下定义，但1987年，他在有限的相关理论基础上，通过与生产设备的制造商和使用者代表进行座谈，并基于Mandelbaum(1978)提出的“面对不确定性的社会系统运用柔性作为应对性反应”这一假设，提出确定制造柔性的范畴应该去分析制造经理们面对的诸多不确定性[6]。他将柔性定义为“有效应对环境变化的能力”。Gupta和Goyal给出的定义是：制造柔性是制造系统应对变化的环境或由环境引起的不稳定性的能力(Gupta和Goyal，1989)，这一定义被广泛引用。

       通过对文献中所使用的制造柔性定义进行分析发现，学者们在以下两点达成共识：一是制造柔性是制造系统的一种能力；二是制造柔性刻画的是制造系统变化的能力。但同时，学者们对制造柔性的概念也存在很多困惑。通过分析文献，本文认为困惑的主要原因有两个方面：一是部分学者忽视柔性的实体依赖性；二是部分学者错误判断柔性与环境变化不确定性的关系。另外，清晰柔性与变革力的差异，明确柔性变化具有的被动性与主动性的双重特性，以及确认柔性的灵活性与均衡性维度，对于消除制造柔性概念困惑具有重要意义。

       (一)柔性的实体依赖性

       制造柔性是制造系统的一种能力，这一判断已经获得广泛共识，而能力是依赖于实体而存在的，因此探讨制造系统中某个事物的柔性，其前提是这个事物具有实体属性。作为制造系统的构成部分，机器、人员、物流系统都具有实体性，可以探讨各自的柔性相关问题，人员柔性(Chen，1992；Sawhney，2006)和机器柔性(Browne，1984；Chen，1992)等已经得到了广泛关注。但文献中经常提到的产品组合柔性(Slack，1987；Gerwin，1982)和数量柔性(Azzone和Bertele，1989)所针对的产品品种组合和产品产量并不具备实体属性，它们是制造系统的两个功能，因此不能将二者的变化定义成特定种类的能力。它们的变化是制造柔性发挥作用的结果，而不是制造柔性本身。

       柔性的实体依赖性使得不是所有可变化的事物都能冠以柔性之名，而文献中诸多学者在研究中并未注意到这一点，多种以能够变化的事物为主体的柔性被提出，例如拓展柔性等，这使得柔性类别变得混乱，进而导致柔性内涵变得混乱。

       (二)柔性与环境变化不确定性

       柔性与环境变化不确定性之间的对应关系是制造柔性研究中的关键关系。Mandelbaum(1978)认为“面对不确定性的社会系统运用柔性作为应对性反应”。Gerwin(1987)接受这一关系假设，并针对制造系统所面对的不确定性去识别制造柔性种类。Swamidass和Newell(1987)给出了环境不确定性-制造柔性-企业绩效的路径关系，并用经验数据予以证明。这一关系假设被后来的学者广泛接受，但是这一假设从开始就缺乏依据和经验的支持[7]，Pagell和Krause(1999)的实证数据对上述关系判断提出了直接的挑战，无论是案例研究还是大样本统计研究，都未发现环境不确定性与制造柔性之间有关系。两位学者在2004年按照“复制研究”(为了检验已有研究结论的有效性而进行的按照原有研究模式进行的重复研究)的标准流程又一次对这一关系进行了检验，并且扩大了样本量和样本的多样化水平，数据处理结果依然显示环境不确定性和制造柔性之间没有显著统计关系[8]。再次回顾Swamidass和Newell(1987)的经验数据处理结果时发现，在样本量为27的情况下，环境不确定性与制造柔性之间的路径系数为0.33，p值为0.09，R[2]值为0.11，二者之间的显著关系是被勉强接受的，样本量过小使得这一路径系数的可信度不高，并且路径系数已经接近不显著的水平。因此，环境不确定性与制造柔性之间的真正关系并非早期学者判断的那样。

       研究者对制造柔性的存在价值是应对环境变化这一判断达成广泛共识，但需要注意的是，早期的研究者(Mandelbaum，1978；Swamidass和Newell，1987；Gerwin，1987；等)混用了“变化”和“不确定性”二词，没有严格区分二者的概念内涵差异。不确定性与变化的含义并不相同，不确定性是变化的一个特征属性，除此之外变化的特征属性还包括大小、频率、速度和新颖度等(Correa，1994)。制造柔性与环境变化不确定性之间的关系不等同于与环境变化之间的关系。为了能够应对环境变化，制造系统会在环境发生变化之前进行相应能力的储备，制造柔性具备一定的“事前构建”的特征[9]。如果环境变化的不确定性程度很高，事前储备的制造柔性发挥价值的机会就存在高度不确定性，在这种情况下，制造柔性很可能成为“浪费”。因此，理论上制造柔性与其针对的环境变化的不确定性之间存在负向关系。然而，制造能力不能应对企业面对的所有环境变化，所以制造柔性与企业环境整体变化不确定性之间的关联性不会太强。

       (三)制造柔性与制造变革

       制造柔性体现的是制造系统变化的能力，衡量柔性大小的重要指标是其能够支撑的系统变化的范围。柔性的范围属性在研究初期就得到了广泛认可(Slack，1983；Browne，1984；Sethi和Sethi，1990；等)，范围属性的存在使得柔性所支撑的系统变化是有边界的。也就是说，并非所有的系统变化都在柔性变化范围内，系统变化所体现的能力也并非全部是柔性，对于这一细节学者们未给予重视。

       制造柔性构建的“事前性”使得在构建系统功能时要充分考虑构建成本及其发挥作用的价值与可能性。一个有效的操作方案是针对现有产品，构建“完全功能”，而对于未来预测的产品，根据其战略价值和不确定性程度构建“部分功能”，“部分功能”需要在必要时进行进一步构建以达到“完全功能”，新产品才能得以生产。文献中通常将“完全功能集”描述为“执行柔性”，而将“部分功能集”描述为“潜在柔性”(Upton，1993)。如图1所示。

      

       图1 柔性制造系统功能构成示意图

       随着环境发生变化，制造系统需要做出的变化可能超出制造柔性范畴所包含变化的边界，那么此时就涉及了制造变革。系统功能总集范围内的变化是柔性范畴内的变化，功能总集之外功能的构建应划归为“变革”的范畴，这既包括新功能的构建也包括旧功能的去除，如图2所示。柔性和变革力是两个既相互区分又紧密联系的概念。

      

       图2 制造柔性和制造变革关系示意图

       (四)柔性变化的被动性与主动性

       Gerwin所认为柔性是有效应对环境变化的能力[6]。这一概念将柔性的价值界定为应对环境变化，其中暗含了变化的被动性。在这之前很多学者在给出制造柔性的概念内涵时也认为这种变化是被动的(Mandelbaum，1978；Zelenovich，1982；Garrett 1986；等)，是为了适应环境变化而做出的变化。

       柔性变化的被动性是在“大环境小系统”的情景下产生的。在这种情景下，系统环境对系统功能具有决定性作用，而系统功能对系统环境的影响很小。系统环境发生变化要求系统功能随之调整，否则系统就会因为不能适应环境而趋向灭亡。系统的变化是完全被动的。然而“大环境小系统”并不是现实中存在的唯一情景。随着市场的不断细分，以及单个企业的不断发展壮大，在一个细分市场中，一家大型企业的力量已经足以对细分市场的各个构成要素产生作用。此时环境与企业互相作用、互相影响，展现出协同发展的情势，企业会主动地变化去影响环境[10]。

       许多学者已经指出柔性可以用于主动地创造竞争优势(Upton，1997；Chang等，2003；Oke，2005；Sawhney，2006)。制造柔性本身只描述了制造系统变化的能力，这种变化既可以是“被动的”也可以是“主动的”。

       (五)柔性的灵活性与均衡性

       柔性的范围属性已被广泛认可。Slack(1983)在描述制造柔性时识别出柔性的特征除了包含范围外，还包括时间和成本两个方面。Sethi和Sethi[11]将状态间转换所耗用的时间和成本特征归类成柔性的“灵活性”。柔性的“范围”和“灵活性”就成为学者们测度柔性的主要指标。在此基础上，Upton(1994)又总结出另一个重要的柔性作用过程特征变量—“均衡性”。柔性的“均衡性”是指制造系统状态转换后，生产效率水平和生产精度水平的保持程度。此后“范围”、“灵活性”和“均衡性”被广泛地接受为衡量柔性的关键维度。

       灵活性体现了系统从一个状态转换到其它状态的困难程度，Slack(1983，1987)称其为“转换难度”，并用时间和成本来测度它。时间消耗和成本消耗之间存在着权衡关系，为了缩短转换所消耗的时间，可以增加辅助转换的专用设备，这增大了转换的成本消耗。

       均衡性所考虑的是系统从一种功能转换到另一种功能后，功能是否受到损害，主要涉及生产的精度和效率，这直接影响了产能、质量和计划交货期的满足。

       综合以上分析可以看出：制造柔性是制造系统的一种能力，它刻画的是制造系统变化的能力，范围、灵活性和均衡性是这种能力的关键维度。制造柔性是有界的，它与制造变革既相关区别又相互联系。制造柔性支撑的变化既可以被动应对环境变化也可以主动影响环境变化，但目的都是为了在竞争中获得竞争优势。制造柔性“厌恶”环境变化的不确定性。

       三、制造柔性关系模型构建

       为了能够更加全面的认识制造柔性，学者们通常会采用分类研究的方法将制造柔性进行细化，从中识别出制造柔性相关变量，进而探讨相关变量间的关系，构建理论模型。

       (一)制造柔性分类及相关变量识别

       文献中有价值的分类方法主要有两种：纵向分类方法和横向分类方法。

       1.纵向分类

       纵向分类涉及被研究系统的大小，从低到高，既可以研究制造系统单个资源的柔性(微观的)，也可以研究整个制造系统的柔性(宏观的)。Buzacott(1982)和Gerwin(1982)识别出资源柔性(机器和人员)和生产系统柔性，发现生产系统柔性因生产类型和管理方法的不同而存在差异。Gerwin(1987)给出了五个可以用来分析和测度柔性的层次：单个机器系统，能够完成制造功能的制造系统，能够生产出一个产品或一组类似产品的制造系统，一个工厂，一个企业的所有工厂。Gupta(1993)识别出4个层次：机器，单元，工厂，公司。Mair(1994)对本田进行了案例研究，并区分出三个层次的柔性：工人、机器和班组的柔性，工厂层次的柔性，整个企业网络层次的柔性。

       纵向分类方法经常被采用，它将将复杂的大制造系统分解成简单的小制造系统，然后研究小制造系统的柔性，这有利于研究者降低研究难度，获得有价值的研究成果。低层次简单制造系统是学者们普遍选择的研究客体。

       理论上讲，纵向分类方法只是改变了系统的大小，分析的对象一直是制造柔性，不会识别出新的相关变量。但需要注意的是，纵向分类方法将制造系统细化到一定程度时，识别出的就不再是完整的制造系统，而变成制造系统的构成要素，如机器、人员、物流系统等。制造系统的变化依赖于这些构成要素的变化而产生，因此学者们惯性的将这些构成要素也冠以柔性之名，并定义成特定类别的制造柔性。制造系统要素并非制造系统，因此，严格意义上，其柔性不属于制造柔性的范畴，应该将它们定义为制造系统要素柔性。制造系统要素构成了制造系统，相应的制造系统要素柔性构成了制造柔性。

       2.横向分类

       横向分类的目的是为了限定分析的范围(Harrison，1993)。它从价值链的角度将研究限定在一个独立的制造阶段，然后向前拓展至供应商，向后拓展至分销商和服务商。Lynch和Cross(1991)提出了制造柔性的两个构成：内部柔性和外部柔性。Kumpe和Bolwijn(1988)聚焦于采购柔性，并认为与供应者的运营进行有效整合是获得制造柔性的最有效途径之一。一些学者向下游拓展柔性的概念，提出客户服务的柔性，例如技术支持，培训等(Silvestro，1993)。横向分类方法在早期并未被广泛重视，相关研究不多，但近年来，针对供应链柔性的研究不断增加。从供应链的视角分析上下游节点企业的制造柔性之间的配合问题具有现实意义。当市场竞争由单体竞争逐渐演化成为供应链之间的竞争时，处于同一链条上的上下游单体企业的制造柔性需要相互配合，以实现整个链条的最优制造柔性。对于单个企业而言，自身制造柔性是内部制造柔性，上下游企业的制造柔性属于外部制造柔性。其上游供应商的制造柔性应该定义成供应商制造柔性，而其自身制造柔性又是下游企业的供应商制造柔性。

       文献中还经常出现按变化主体进行分类的方法。变化主体分类方法通常先识别出需要或者可以变化的主体，然后将其冠以柔性之名。Browne等(1984)分析并给出了八种柔性类型：机器柔性，产品柔性，流程柔性，操作柔性，路线柔性，产量柔性，拓展柔性，生产柔性。Azzone和Bertele(1989)按照制造系统的变化分类：生产柔性，产品柔性，操作和技术柔性，组合柔性，产量柔性，拓展柔性。Chen等(1992)认为整个系统的柔性包括：机器柔性，流程柔性，路线柔性，人力资源柔性，物料处理柔性，程序柔性，产品柔性，产量柔性，组合柔性，拓展柔性，基础条件柔性。Sawhney按照系统输入、处理和输出3个环境中所涉及的变化，给出了11种柔性：组合柔性，新产品/修改柔性，交货柔性，人员柔性，设备柔性，路线柔性，物料处理柔性，输入质量柔性，拓展柔性，供应商柔性，产量柔性[12]。

       按照变化主体进行分类的方法存在一些问题。一是按变化主体分类并不是严谨的分类准则；二是部分学者将能够变化与具备柔性对等起来，没有注意到柔性的实体依赖性，将很多制造系统属性变量描述成制造柔性种类；三是部分学者在分类时将制造系统构成要素柔性视作制造柔性。

       (二)制造柔性的关系模型

       按照变化主体进行分类的方法虽然存在问题，但学者们确实运用这种方法识别出与制造柔性高度关联的一些变量。这些变量中既包括制造柔性的前因变量，也包括制造柔性的结果变量。

       机器设备、生产加工人员、物流系统以及计划控制系统是制造系统的4个主要构成要素，相应的，机器柔性、人员柔性、物流系统柔性以及计划控制系统柔性是整个制造系统柔性的主要构成要素柔性。机器柔性是制造柔性存在的重要基础，机器功能的数量决定了产品的品种数量，机器功能间转换的灵活性和均衡性对生产成本、产品质量和生产效率具有重要影响。制造系统是典型的人机交互系统，柔性制造要求工人掌握多品种生产技能，并要求工人在多品种生产时具有较高的工作质量均衡性。柔性制造对物流系统提出了很多要求，相比原来单品种制造，物流系统需要具备足够的柔性，品种数越多，对物流柔性的要求越高。同时，制造系统的计划控制子系统所需处理的信息量越来越大，信息处理的速度要求越来越高，对计划控制柔性的要求也越来越高。

       机器柔性、人员柔性、物流系统柔性以及计划控制系统柔性是主要的制造系统要素柔性，它们是制造柔性的构成性影响要素，是影响制造柔性的重要前因变量。相关要素整合在一起形成制造系统的柔性，整合的过程也是重要的研究课题[13]。

       文献中提到的组合柔性和产品柔性的表述应该是产品多样化和产品创新，它们和客户定制都是重要的制造焦点。产品多样化是指同时生产多种产品，以满足不同客户的需要；产品创新包括对原有产品修改和新产品的引进，产品创新的速度和质量对客户满意度有重要影响；客户定制是指按照客户的个性化要求生产产品。产品多样化、产品创新和客户定制已成为当代制造企业的市场竞争焦点，相应的也成为制造焦点。它们不是特定种类的制造柔性，而是制造柔性的作用目标，是制造柔性的结果变量。

       从整个供应链的角度分析，上下游企业的制造柔性存在协作关系。供应商的制造柔性体现为供应给下游企业货品的多样化、快速创新和可定制性。在供应商制造柔性的支撑下，企业的制造柔性发挥作用，实现下游企业所需的产品多样化、快速创新和可定制性。

       本文将制造柔性相关变量间的关系进行整理，构建制造柔性关系模型，如图3所示。模型可以直观展现制造柔性的来源、作用价值及与供应链制造柔性之间的协作关系。

      

       图3 制造柔性关系模型示意图

       四、研究结论与展望

       本文研究主要获得以下结论：(1)制造柔性是制造系统的一种能力，它刻画的是制造系统变化的能力，范围、灵活性和均衡性是制造柔性的关键维度。(2)机器柔性和人员柔性等是制造系统要素柔性。(3)产品组合柔性和产品产量柔性所描述的事物是制造柔性发挥作用的结果，它们不属于制造柔性范畴，其命名方式存在问题。(4)制造柔性“厌恶”环境变化的不确定性。(5)制造柔性和制造变革既相互区别又相互联系。(6)制造柔性作为制造企业关键的能力，具有“被动地”应对环境变化和“主动地”创造环境变化的双重属性。

       本文识别出制造柔性相关变量，包括制造柔性的构成性前因变量和结果变量，并从供应链的角度考虑上下游企业制造柔性的相互关系，构建制造柔性关系模型。其中机器柔性、人员柔性、物流系统柔性以及计划控制系统柔性是制造系统柔性的构成性前因变量，产品多样化、产品快速创新和客户定制是制造柔性的结果变量。

       在未来的研究中，以下几个研究方向值得重视。一是机器柔性、人员柔性、物流系统柔性和计划控制系统柔性的自身构建及相互间协作关系研究；二是制造柔性构建的影响要素识别、时机选择和构建模式研究；三是制造柔性与其它制造系统能力(例如产能、成本和品质)之间的协作关系研究；四是柔性制造系统与研发系统、销售系统、采购系统之间的协作关系研究。

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