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[提要]世界范围内市场竞争的不断加剧和全球能源供应紧张，迫使制造企业要以最少的资源消耗、最短的制造周期生产出质量最好的产品，并以最快的速度送到订货者手中。在这样的条件下，现有的MES系统因其本身固有的缺陷，越来越无法满足企业生产的需要。本文基于精益的思想，分析了现有的MES系统的弊端，提出了精益MES的概念，构建了精益MES的功能模型及信息模型，最后提出了实现精益MES的关键技术。
[关键词]精益；生产；MES；功能架构
[作者简介]孟笑扬(1979—)，女，焦作大学经济管理学院。(河南焦作 454003)
“精益”的概念起源于日本丰田汽车公司的准时生产方式(JIT)，它强调“人是生产诸要素中的首要因素”，注重调动员工的积极性和创造性，在此基础上消除一切不必要的浪费，持续改进、不断完善，追求零库存、高柔性和零缺陷，运用kanban、平准化等技术实现流动式柔性生产。
制造执行系统(MES)是在企业资源计划(ERP)的基础上发展而来的，它位于上层计划管理系统与底层的工业控制系统之间，分为生产调度管理、人力资源管理、生产质量管理等11个功能模块，能够通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，能够对此及时地做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行分析和处理。
但是在企业精益化的趋势下，现有的MES系统所暴露出来的问题也越来越明显，比如在进行生产调度时采用“推式生产”，容易产生计划安排和实际生产的差异，也容易造成车间内部在制品的积压，提高了企业的生产成本；忽视了现场管理中人的重要作用；质量管理手段落后等等。而这些方面恰恰是精益生产的优势所在。因而，本文考虑将精益生产与MES系统结合起来，提出精益MES的概念，并对其功能架构进行研究。
一、现有MES系统的功能及其缺陷
美国先进制造研究机构(AMR)于20世纪90年代提出了三层企业集成模型，它将MES系统定位于企业计划层与控制层之间的执行层。MES系统一方面把从上层取得的计划信息(如生产信息、工艺报表等)在系统内进行识别、分解，然后将信息传递给底层控制器，操纵设备、指导人员进行生产；另一方面，从底层控制器取得反馈，将采集到的实时生产数据、设备状态、产品加工信息等储存到系统中，经过统计分析处理，再回传给上层计划层，从而保证计划层与控制层的信息通畅。
MES系统大致可以分两种：传统的MES(T—MES)和可集成MES(I—MES)，前者具有较强的行业专用特征；后者具有模块化、可重构、可扩展等特性。
现有的MES系统主要在如下几个功能模块中存在不足：
(1)生产调度管理模块。MES系统的生产调度是一种典型的推式生产调度，但由于生产的不确定性，实际生产情况往往与计划存在很大差别，因而这种调度方式会造成大量的在制品积压，以及某些工序的待料停工。
(2)人力资源管理模块。MES系统中将人看作设备的延伸，操作者只能被动地接受系统的命令，无法主动地与系统进行沟通，因而限制了工人主观能动性的发挥。另外，缺少对操作工人必要的激励。
(3)工序级生产计划模块。MES系统把从上层ERP系统获得的车间级生产计划分解为工序级详细生产序列计划，安排到各个工作地。但是生产条件和工人水平往往存在较大的差异，而这些差异会造成生产的波动，使得实际生产情况很难与计划相吻合。因而需要对此模块进一步地细化。
(4)资源分配和状态管理模块。MES系统中，资源分配和状态管理的含义是：“对资源状态及分配信息进行管理，包括机床、辅助工具、物料、劳动者等其他生产能力实俸以及开始进行加工时必须具备的文档和资源详细历史数据，还包括为满足生产计划的要求而对资源所作的预留和调度。”而这些的前提是系统对资源的配置是合理、有效的，因而需要采用相应的方法予以辅助。
(5)生产过程管理模块。MES系统通过各种仪器和设备从现场采集实时生产信息，实现对生产过程的监控，达到自动修正生产中错误的效果。然而这种靠仪器进行的监控仅仅是一种被动的监控——等待着错误发生，然后捕捉错误，再采取措施进行补救。对生产过程的控制必须变被动为主动，防患于未然。
二、精益MES的功能架构
精益MES以I-MES为基础，其功能涵盖了传统的生产调度管理、人力资源管理、工序级生产计划、资源分配和状态管理、产品跟踪和产品数据管理、生产过程管理、生产质量管理、生产设备管理、现场数据采集、文档管理、生产性能分析等方面。同时，精益MES强调精益的思想，弥补了现有MES系统的不足。
(一)精益MES功能模块。基于以上对MES系统缺陷的描述，精益MES需要在生产调度管理、人力资源管理、工序级生产计划、资源分配和状态管理、生产过程管理等5个方面对现有MES系统进行扩充和改进，改进后的精益MES系统应具有以下功能模块：
(1)推拉结合的调度模块。在生产调度方面，该采用“推式计划，拉式生产”的方式，即制定调度计划时按照“推式”，分配好各种资源。规定各工序产品投入和出产的时间；而在实际生产时，采用“拉式”，某道工序完成任务时，向系统发送一条完工信息，系统接到信息后通过电子kanban向其上道工序发出需求指令，这样通过工序间的拉动，实现流动生产。在这里，调度计划仅仅是一种参考而非指令，真正的指令是“电子kanban”。每经过一定的时间，系统必须对调度计划进行一次更新，以适应当时的实际生产情况。
(2)以人为本的人力资源管理模块。在人力资源管理方面，除了提供工人的基本信息和实时的工作状态信息外，还应该采用实时通讯技术实现生产现场与车间控制间的信息沟通；增加岗位评比功能，利用实时记录的工人工作信息进行统计分析，通过车间的电子看板展示出来，从而在一定程度上提高员工的积极性，并为年终评优提供数据依据。另外，为了提高生产效率。降低车间运营成本，企业必须培养能胜任多种工作的多能工。因此，MES系统应该为每个员工建立适合他们的培养计划，定期考核，并将工人掌握的工种记录下来，作为生产调度时人力资源分配的依据。
(3)工步级生产计划模块。引入精益生产的工作标准化方法，首先通过动作分析技术实现操作的标准化，详细规定各种加工的操作条件、操作内容和操作步骤等，并细化到具体的动作。然后利用秒表法或者预定时间标准法(PTS)确定标准化时间，并将以上信息录入MES系统数据库。最后在MES系统进行工序级生产计划分解时，自动从数据库中取出这些信息，加入到工艺卡片中，从而更好地指导工人进行高效率的生产操作。
(4)定置化的资源分配和状态管理模块。采用精益生产的定置管理方法，在MES系统进行资源分配前，先要根据动 作经济原则和工艺要求确定各类物品(如设备、原材料、刀具、卡具等)的摆放位置及状态，以保证作业者能迅速、准确且省力地拿到所需的物品。然后将这些物品信息以及它们对应的位置信息存入MES系统中。在系统进行资源分配时，根据上面记录的信息，综合考虑成本、时间等因素，完成对设备、人员、材料、辅具等的配置。一旦系统完成资源分配，就要严格按照事先确定的定置方法对现场进行定置管理。这样才能保证MES系统资源管理的合理性以及准确地在作业现场得到体现。
(5)目视化生产过程管理模块。在这方面。一个有经验的管理人员相比仪表设备具有更大的优势。因为使用人来管理，不但可以发现和解决生产过程中已经发生的错误，而且对正在或将要发生的错误也有更敏锐的预见能力。所以，首先需要在MES系统中引入精益生产的“目视管理”方法，将现场的问题直观化，然后在生产现场配置一定数量的现场管理人员来配合MES系统完成生产过程管理。为了达成这一目标，精益MES系统在功能上需要实现一个无线网络接口，以便现场管理人员通过终端(如掌上电脑等)与系统进行实时的交互。
(6)其它模块。精益MES系统中，设备管理、文档管理、生产性能管理、质量管理、产品跟踪/产品数据管理以及现场数据采集模块与现行MES系统基本相同，不再赘述。
(二)精益MES系统的信息模型。基于上述功能模型，构建精益MES信息模型。精益MES系统的输入有2项，输出有9项，各模块具体的信息传递描述如下：
“现场数据采集”模块与底层控制系统相连，它通过人工或者自动的方式从底层控制系统采集现场的各种生产信息，并传递给相应的模块进行处理。
“定置化资源分配和状态管理”、“设备管理”、“文档管理”4个模块把从现场收集到的有关人力资源、生产资源、设备、生产记录等信息进行统计分析，然后将人力资源信息(包括工人的自然条件、掌握的技能情况、工作状态、疲劳程度、意见和建议等)、生产资源信息(包括各种设备和辅具的基本信息、存放位置、可用状态等)、设备的信息(包括设备型号、位置、加工精度、可靠性等)、文档信息(包括生产工艺、工艺卡片、作业标准等)传递给“工步级生产计划”模块，为计划的分解提供数据依据。同时将这些信息以图表的形式输出给系统使用者。
“目视化生产过程管理”、“产品跟踪/产品数据管理”、“精益质量管理”、“生产性能分析”4个模块将从现场收集的生产过程信息、产品信息、质量信息、生产统计等信息进行记录分析，并将分析结果实时地传递给推拉结合调度模块。其中包括生产过程中的延迟停顿、错误操作；产品的种类、数量、任务完成情况；产品关键尺寸信息、缺陷率；生产产量、生产费用等信息。同时将这些信息以图表、报表、标准等形式输出给系统使用者。
推拉结合调度”模块一方面与上层ERP系统连接，接收ERP下达的产品需求计划(通常为EXCEL表格或BOM文件)，另一方面接收现场采集的实时生产数据，不断修正自己的计划和调度，最后将生成的车间级生产计划传递给“工步级生产计划”进一步分解。
“工步级生产计划”模块将车间级生产计划进一步细分，分解计划前要综合考虑目前现有的人力、物料和设备等资源是否可以满足生产要求。如果条件满足，则通过控制器向底层控制系统发送制造指令；如果不满足，则向上级模块报警，请求修改生产计划。
(三)实现精益MES的关键技术。由于精益MES系统与现有MES系统功能上有所不同，因而在实现技术上也必然存在一些差别。为了实现精益MES，在现有MES系统的基础上，本文引入以下两项关键技术：
(1)工作标准化技术。所谓工作标准化，就是对各个岗位的工作制定相应的标准，并在工作过程中严格按标准执行。它是一种面向生产最底层的控制技术，它的引入可以使MES系统得到的结果更准确，同时也可以降低生产的不平衡性，是精益MES系统的基础技术。它包括动作分析和作业测定两个主要内容。
动作分析就是以一个完整的工作或一组操作为研究对象，将操作者全过程的作业动作拆分成最基本的动作单元，消除浪费、无用的动作，制定一个轻松、快捷、高效的动作序列组合，使其满足动作经济原则。将优化后的动作序列存入MES系统数据库，生成各项作业的作业标准，输出为各工序的工作卡片，以规范现场操作。
作业测定是指为达成某一作业的目的，以具体的时间值为尺度，对作业效率进行评价的分析手法，通常在动作分析后使用。运用作业测定技术可以为MES系统提供各项操作的准确时间，为MES系统的生产计划分解、调度、人员绩效考核等功能提供可靠的数据依据。
(2)MES kanban技术。kanban技术是精益思想下实现拉式生产的关键技术，通过kanban控制生产节奏可以有效地平衡各工序的生产，减少在制品积压和停工等待的发生。
MES kanban技术是精益MES实现推拉结合调度功能的基础，它通过生产kanban传递MES系统下达的生产任务号、生产时间、需要生产的产品数量等信息；通过生产情况kan，ban，完成MES系统对生产节奏的控制。并统计出各生产单位的投入产出和不良率；通过质量kanban向MES系统反馈实时的质量信息，使用6σ、质量图等工具对生产现场的质量进行控制；通过物料kanban传送物料需求信息，避免待料停工和物料堆积的现象。因此，引入kanban技术。可以有效地实现精益MES系统对生产现场的状况进行控制。
综上所述，精益MES系统的开发和应用是企业向精益化发展的必然趋势。要构造精益MES，就必须在生产调度管理、人力资源管理、生产过程管理、资源分配和状态管理、工序级生产计划等模块对现有MES进行扩展和深化，在其中集成精益的思想和方法，使之适应精益生产的需求。本文通过对现有MES系统架构的研究，提出了精益MES的概念，构建了精益MES的功能模型和信息模型，实现了MES系统与精益思想的集成。
[关键词]精益；生产；MES；功能架构
[作者简介]孟笑扬(1979—)，女，焦作大学经济管理学院。(河南焦作 454003)
“精益”的概念起源于日本丰田汽车公司的准时生产方式(JIT)，它强调“人是生产诸要素中的首要因素”，注重调动员工的积极性和创造性，在此基础上消除一切不必要的浪费，持续改进、不断完善，追求零库存、高柔性和零缺陷，运用kanban、平准化等技术实现流动式柔性生产。
制造执行系统(MES)是在企业资源计划(ERP)的基础上发展而来的，它位于上层计划管理系统与底层的工业控制系统之间，分为生产调度管理、人力资源管理、生产质量管理等11个功能模块，能够通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，能够对此及时地做出反应和报告，并用当前的准确数据对它们进行分析和处理。
但是在企业精益化的趋势下，现有的MES系统所暴露出来的问题也越来越明显，比如在进行生产调度时采用“推式生产”，容易产生计划安排和实际生产的差异，也容易造成车间内部在制品的积压，提高了企业的生产成本；忽视了现场管理中人的重要作用；质量管理手段落后等等。而这些方面恰恰是精益生产的优势所在。因而，本文考虑将精益生产与MES系统结合起来，提出精益MES的概念，并对其功能架构进行研究。
一、现有MES系统的功能及其缺陷
美国先进制造研究机构(AMR)于20世纪90年代提出了三层企业集成模型，它将MES系统定位于企业计划层与控制层之间的执行层。MES系统一方面把从上层取得的计划信息(如生产信息、工艺报表等)在系统内进行识别、分解，然后将信息传递给底层控制器，操纵设备、指导人员进行生产；另一方面，从底层控制器取得反馈，将采集到的实时生产数据、设备状态、产品加工信息等储存到系统中，经过统计分析处理，再回传给上层计划层，从而保证计划层与控制层的信息通畅。
MES系统大致可以分两种：传统的MES(T—MES)和可集成MES(I—MES)，前者具有较强的行业专用特征；后者具有模块化、可重构、可扩展等特性。
现有的MES系统主要在如下几个功能模块中存在不足：
(1)生产调度管理模块。MES系统的生产调度是一种典型的推式生产调度，但由于生产的不确定性，实际生产情况往往与计划存在很大差别，因而这种调度方式会造成大量的在制品积压，以及某些工序的待料停工。
(2)人力资源管理模块。MES系统中将人看作设备的延伸，操作者只能被动地接受系统的命令，无法主动地与系统进行沟通，因而限制了工人主观能动性的发挥。另外，缺少对操作工人必要的激励。
(3)工序级生产计划模块。MES系统把从上层ERP系统获得的车间级生产计划分解为工序级详细生产序列计划，安排到各个工作地。但是生产条件和工人水平往往存在较大的差异，而这些差异会造成生产的波动，使得实际生产情况很难与计划相吻合。因而需要对此模块进一步地细化。
(4)资源分配和状态管理模块。MES系统中，资源分配和状态管理的含义是：“对资源状态及分配信息进行管理，包括机床、辅助工具、物料、劳动者等其他生产能力实俸以及开始进行加工时必须具备的文档和资源详细历史数据，还包括为满足生产计划的要求而对资源所作的预留和调度。”而这些的前提是系统对资源的配置是合理、有效的，因而需要采用相应的方法予以辅助。
(5)生产过程管理模块。MES系统通过各种仪器和设备从现场采集实时生产信息，实现对生产过程的监控，达到自动修正生产中错误的效果。然而这种靠仪器进行的监控仅仅是一种被动的监控——等待着错误发生，然后捕捉错误，再采取措施进行补救。对生产过程的控制必须变被动为主动，防患于未然。
二、精益MES的功能架构
精益MES以I-MES为基础，其功能涵盖了传统的生产调度管理、人力资源管理、工序级生产计划、资源分配和状态管理、产品跟踪和产品数据管理、生产过程管理、生产质量管理、生产设备管理、现场数据采集、文档管理、生产性能分析等方面。同时，精益MES强调精益的思想，弥补了现有MES系统的不足。
(一)精益MES功能模块。基于以上对MES系统缺陷的描述，精益MES需要在生产调度管理、人力资源管理、工序级生产计划、资源分配和状态管理、生产过程管理等5个方面对现有MES系统进行扩充和改进，改进后的精益MES系统应具有以下功能模块：
(1)推拉结合的调度模块。在生产调度方面，该采用“推式计划，拉式生产”的方式，即制定调度计划时按照“推式”，分配好各种资源。规定各工序产品投入和出产的时间；而在实际生产时，采用“拉式”，某道工序完成任务时，向系统发送一条完工信息，系统接到信息后通过电子kanban向其上道工序发出需求指令，这样通过工序间的拉动，实现流动生产。在这里，调度计划仅仅是一种参考而非指令，真正的指令是“电子kanban”。每经过一定的时间，系统必须对调度计划进行一次更新，以适应当时的实际生产情况。
(2)以人为本的人力资源管理模块。在人力资源管理方面，除了提供工人的基本信息和实时的工作状态信息外，还应该采用实时通讯技术实现生产现场与车间控制间的信息沟通；增加岗位评比功能，利用实时记录的工人工作信息进行统计分析，通过车间的电子看板展示出来，从而在一定程度上提高员工的积极性，并为年终评优提供数据依据。另外，为了提高生产效率。降低车间运营成本，企业必须培养能胜任多种工作的多能工。因此，MES系统应该为每个员工建立适合他们的培养计划，定期考核，并将工人掌握的工种记录下来，作为生产调度时人力资源分配的依据。
(3)工步级生产计划模块。引入精益生产的工作标准化方法，首先通过动作分析技术实现操作的标准化，详细规定各种加工的操作条件、操作内容和操作步骤等，并细化到具体的动作。然后利用秒表法或者预定时间标准法(PTS)确定标准化时间，并将以上信息录入MES系统数据库。最后在MES系统进行工序级生产计划分解时，自动从数据库中取出这些信息，加入到工艺卡片中，从而更好地指导工人进行高效率的生产操作。
(4)定置化的资源分配和状态管理模块。采用精益生产的定置管理方法，在MES系统进行资源分配前，先要根据动 作经济原则和工艺要求确定各类物品(如设备、原材料、刀具、卡具等)的摆放位置及状态，以保证作业者能迅速、准确且省力地拿到所需的物品。然后将这些物品信息以及它们对应的位置信息存入MES系统中。在系统进行资源分配时，根据上面记录的信息，综合考虑成本、时间等因素，完成对设备、人员、材料、辅具等的配置。一旦系统完成资源分配，就要严格按照事先确定的定置方法对现场进行定置管理。这样才能保证MES系统资源管理的合理性以及准确地在作业现场得到体现。
(5)目视化生产过程管理模块。在这方面。一个有经验的管理人员相比仪表设备具有更大的优势。因为使用人来管理，不但可以发现和解决生产过程中已经发生的错误，而且对正在或将要发生的错误也有更敏锐的预见能力。所以，首先需要在MES系统中引入精益生产的“目视管理”方法，将现场的问题直观化，然后在生产现场配置一定数量的现场管理人员来配合MES系统完成生产过程管理。为了达成这一目标，精益MES系统在功能上需要实现一个无线网络接口，以便现场管理人员通过终端(如掌上电脑等)与系统进行实时的交互。
(6)其它模块。精益MES系统中，设备管理、文档管理、生产性能管理、质量管理、产品跟踪/产品数据管理以及现场数据采集模块与现行MES系统基本相同，不再赘述。
(二)精益MES系统的信息模型。基于上述功能模型，构建精益MES信息模型。精益MES系统的输入有2项，输出有9项，各模块具体的信息传递描述如下：
“现场数据采集”模块与底层控制系统相连，它通过人工或者自动的方式从底层控制系统采集现场的各种生产信息，并传递给相应的模块进行处理。
“定置化资源分配和状态管理”、“设备管理”、“文档管理”4个模块把从现场收集到的有关人力资源、生产资源、设备、生产记录等信息进行统计分析，然后将人力资源信息(包括工人的自然条件、掌握的技能情况、工作状态、疲劳程度、意见和建议等)、生产资源信息(包括各种设备和辅具的基本信息、存放位置、可用状态等)、设备的信息(包括设备型号、位置、加工精度、可靠性等)、文档信息(包括生产工艺、工艺卡片、作业标准等)传递给“工步级生产计划”模块，为计划的分解提供数据依据。同时将这些信息以图表的形式输出给系统使用者。
“目视化生产过程管理”、“产品跟踪/产品数据管理”、“精益质量管理”、“生产性能分析”4个模块将从现场收集的生产过程信息、产品信息、质量信息、生产统计等信息进行记录分析，并将分析结果实时地传递给推拉结合调度模块。其中包括生产过程中的延迟停顿、错误操作；产品的种类、数量、任务完成情况；产品关键尺寸信息、缺陷率；生产产量、生产费用等信息。同时将这些信息以图表、报表、标准等形式输出给系统使用者。
推拉结合调度”模块一方面与上层ERP系统连接，接收ERP下达的产品需求计划(通常为EXCEL表格或BOM文件)，另一方面接收现场采集的实时生产数据，不断修正自己的计划和调度，最后将生成的车间级生产计划传递给“工步级生产计划”进一步分解。
“工步级生产计划”模块将车间级生产计划进一步细分，分解计划前要综合考虑目前现有的人力、物料和设备等资源是否可以满足生产要求。如果条件满足，则通过控制器向底层控制系统发送制造指令；如果不满足，则向上级模块报警，请求修改生产计划。
(三)实现精益MES的关键技术。由于精益MES系统与现有MES系统功能上有所不同，因而在实现技术上也必然存在一些差别。为了实现精益MES，在现有MES系统的基础上，本文引入以下两项关键技术：
(1)工作标准化技术。所谓工作标准化，就是对各个岗位的工作制定相应的标准，并在工作过程中严格按标准执行。它是一种面向生产最底层的控制技术，它的引入可以使MES系统得到的结果更准确，同时也可以降低生产的不平衡性，是精益MES系统的基础技术。它包括动作分析和作业测定两个主要内容。
动作分析就是以一个完整的工作或一组操作为研究对象，将操作者全过程的作业动作拆分成最基本的动作单元，消除浪费、无用的动作，制定一个轻松、快捷、高效的动作序列组合，使其满足动作经济原则。将优化后的动作序列存入MES系统数据库，生成各项作业的作业标准，输出为各工序的工作卡片，以规范现场操作。
作业测定是指为达成某一作业的目的，以具体的时间值为尺度，对作业效率进行评价的分析手法，通常在动作分析后使用。运用作业测定技术可以为MES系统提供各项操作的准确时间，为MES系统的生产计划分解、调度、人员绩效考核等功能提供可靠的数据依据。
(2)MES kanban技术。kanban技术是精益思想下实现拉式生产的关键技术，通过kanban控制生产节奏可以有效地平衡各工序的生产，减少在制品积压和停工等待的发生。
MES kanban技术是精益MES实现推拉结合调度功能的基础，它通过生产kanban传递MES系统下达的生产任务号、生产时间、需要生产的产品数量等信息；通过生产情况kan，ban，完成MES系统对生产节奏的控制。并统计出各生产单位的投入产出和不良率；通过质量kanban向MES系统反馈实时的质量信息，使用6σ、质量图等工具对生产现场的质量进行控制；通过物料kanban传送物料需求信息，避免待料停工和物料堆积的现象。因此，引入kanban技术。可以有效地实现精益MES系统对生产现场的状况进行控制。
综上所述，精益MES系统的开发和应用是企业向精益化发展的必然趋势。要构造精益MES，就必须在生产调度管理、人力资源管理、生产过程管理、资源分配和状态管理、工序级生产计划等模块对现有MES进行扩展和深化，在其中集成精益的思想和方法，使之适应精益生产的需求。本文通过对现有MES系统架构的研究，提出了精益MES的概念，构建了精益MES的功能模型和信息模型，实现了MES系统与精益思想的集成。