Управление производством

Процессная и поточная организация: как совместить?

Процессная и поточная организация: как совместить? Илья Иванников, Игорь Данилов, эксперты IPL Consulting
1 января 2019

 - Почему этот вопрос всегда актуален?

Производственные структуры большинства действующих отечественных машиностроительных предприятий были сформированы достаточно давно, совсем при другой конъюнктуре рынка или ещё при госплане. За последние десятилетия несоответствие производственных возможностей предприятий и ассортимента выпускаемой ими продукции, требуемой рынком, стало весьма значительным и продолжает нарастать, причем эта тенденция свойственна большинству стран.
Отдельные проекты техперевооружения, которые смогли позволить себе предприятия, и переход на более совершенные технологии не могут в полной мере скомпенсировать эти несоответствия. Поэтому при распределении заказов по наличным мощностям, то есть при формировании оперативных производственных планов предприятиям приходится решать задачи в условиях имеющихся ограничений: производительности оборудования, его количества или недостаточной численности производственного персонала для организации работ в двух— или трехсменном режиме. Одновременно с этим требуют решения экономические задачи использования невостребованных производственных мощностей, удержания объемов незавершенного производства, производственных запасов, так как во многих случаях расти им просто больше некуда.
Всем этим на предприятиях занимаются в оперативном порядке и в результате, там просто не хватает времени и ресурсов на проведение системных изменений в организации производственных процессов. Эта патовая ситуация практически не меняется уже третье десятилетие. Возможно ли сдвинуть ее с мертвой точки, предоставив предприятиям необходимые ресурсы? Вполне очевидно, что в этом случае радикально изменилось бы техническое оснащение как в качественном, так и в количественном отношении. Однако от функционального принципа организации производства вряд ли смогло бы отказаться подавляющее большинство предприятий.
Про функциональную организацию производственной структуры и предпочтительную ей организацию непрерывного единичного потока написано и сказано немало. Но мы в этой статье не сопоставляем эти два принципа. Мы предлагаем рассмотреть шаги по переходу от функционального принципа организации производства к организации единичного потока исходя из того, что для многих предприятий, безусловно, подобный переход принесет серьезный положительный экономический эффект. Отказавшись здесь от перечисления известных аргументов в пользу Lean Manufacturing, мы постарались приоткрыть проблематику перехода к единичному потоку с точки зрения задач оперативного управления (составления производственного расписания).
В качестве объекта анализа и рекомендаций рассмотрим машиностроительное предприятие, механообрабатывающее производство которого состоит из нескольких производственных подразделений (цехов), в их состав входит несколько десятков единиц оборудования и рабочих мест, там ежемесячно выпускается несколько сотен видов продукции (ДСЕ). Производственная организация подразделений выполнена по функциональному признаку, вынуждающему работать с относительно высокими значениями производственных партий и, как следствие, с высоким уровнем незавершенного производства.
Для комплексного описания производственной структуры, организации и управления широко применяется термин «производственная система».

- Плюсы и минусы производственных систем 

Принципиальный облик производственной системы (ПС) определяется способом объединения операционных элементов (станков, рабочих центров) в организационную единицу (участок, цех), организацией производственного маршрута, методами управления широким номенклатурным рядом. Двумя альтернативными и определяющими вариантами принято считать следующие:
— Процессная (или функциональная) организация, где группируются станки одного типа операций (токарные, шлифовальные) для работы со всей номенклатурой предприятия по всем маршрутам, что более соответствует единичному и мелкосерийному типу производства.
— Продуктовая (поточная) организация, в которой станки группируются по единству (близости) маршрутов обработки, что обычно соответствует одной номенклатурной группе. Соответствует массовому и крупносерийному типу производства.
На практике чаще всего встречается смешанная производственная система с поточной организацией сборочных процессов и процессной организацией изготовления деталей.
Сравним преимущества продуктовой (поточной) и процессной организаций с сопоставимыми загрузкой и производительностью оборудования (см. Таблицу).


Коммерчески правильно замотивированным практикующим менеджерам интуитивно понятно, что продуктовая (поточная) производственная система предпочтительнее. Однако в условиях большого разнообразия номенклатуры и, соответственно, небольшой серийности выпуска организовать «идеальный» поток на практике удается далеко не всегда, так как номенклатура механообрабатывающего производства на наших предприятиях достаточно велика.
Пример радикального решения проблемы разнообразия номенклатуры — автомобильная промышленность: собственно, в производственной структуре автоконцерна остается сборка и очень ограниченное число агрегатов и компонентов (двигатель, лицевые панели с небольшими вариациями модельного ряда) со строго поточной ПС. Подавляющий объем «начинки» автомобиля передан независимому производителю. Причем вместе с проблемами балансировки между процессной и продуктовой (поточной) производственной системами: условия поставки комплектующих формулируются по принципу «just in time» (точно в срок), они заставляют поставщика либо «продолжить» единичный поток на своем предприятии, либо работать с достаточно высоким уровнем запасов при широком номенклатурном ряде.
В этой статье мы анализируем проблемы управления, стоящие перед предприятиями дискретного типа производства (машиностроение, приборостроение как типичные отрасли) со сложным, многокомпонентным продуктом, состоящим из деталей, большинство которых требует прохождения многостадийного маршрута (последовательности операций обработки заготовки). И мы постарались сосредоточиться на наиболее сложных задачах.

-Управление расписанием

Будем придерживаться распространенной классификации задач управления по горизонтам планирования: долгосрочный план (балансировка объемов выпуска, мощностей и инвестиций), среднесрочный, условно годовой (календарное распределение плановых объемов выпуска с учетом ограничений по мощностям и другим критическим ресурсам) и оперативный (детальное календарное планирование на уровне отдельных операций).
Почти повсеместно первые две задачи оцениваются как решаемые удовлетворительно, то есть в срок, обоснованно и не подвергаются критике по применяемым методам. Задачи оперативного планирования (составления календарных операционных планов) спускаются на уровень в лучшем случае главного диспетчера, а чаще — цехового диспетчера и даже мастера. Потому ли, что они не важны? Или же потому, что они объективно сложны — и в силу математической сложности постановки, и в силу подверженности созданного календарного расписания неизбежным и разнообразным разрушающим факторам в виде постоянно возникающих оперативных изменений?
Здесь, думается, будет к месту процитировать высказывание Сигео Синго, одного из создателей Производственной системы Toyota Motors:

«Почему мы должны составлять расписание? Не планируйте, потому что мир динамичен, все постоянно меняется. Просто забудь о расписании…».

                                                                                                                                                                                                                                               Сигео Синго

Понятно, что это утверждение, которое может восприниматься как провокационное, на деле означает вовсе иное — критически пересматривайте свою производственную систему (в том числе) для того, чтобы минимизировать усилия по соблюдению критических сроков выпуска, переналадок, непроизводительных перемещений и пр., одновременно укрепляя надежность производственного процесса во всех смыслах.
Полностью соглашаясь с необходимостью критического взгляда на сложившуюся на предприятии производственную систему, сосредоточимся на практических путях такой трансформации. Но прежде — зафиксируем общее понимание проблемы.


Предприятие (или его часть, например, цех) имеет структуру, которую можно описать как n станков, производящих k видов деталей (номенклатурных позиций). При этом каждый вид деталей проходит через m операций (станков). Задача оперативного планирования состоит в определении партий запуска и последовательности выполнения операций на каждом станке с учетом маршрута для каждой детали и с тем, чтобы общее время фактического производственного цикла было достаточным для своевременного выполнения заказа при соблюдении ограничений на доступную мощность оборудования и персонала.
Основная проблема, с которой борется планировщик, получивший допустимый (удовлетворяющий заданным ограничениям) вариант расписания, — достаточно длительное совокупное (по всем станкам) время ожидания подачи на обработку. Примерное графическое соотношение «состояний» станка при процессной ПС показано на иллюстрации ниже. Очевидно, что при продуктовой (поточной) ПС время ожидания будет кратно меньшим и приемлемым. Но пока в сходной ситуации типового мелкосерийного, многооперационного производства рассматриваем только проблематику процессной ПС. Задача составления расписания запуска-выпуска при фиксированных длительностях перемещений, переналадок и операций сводится к минимизации времени ожидания (простоя), что приводит и к сокращению производственного цикла.
Для уровня цеха (цехов) механообработки машиностроительного предприятия типичной примем размерность в 80 станков и 300 видов деталей.
Для нашего случая — дискретного производства «квантом» решения является последовательность запуска деталей на данном станке, а собственно решение — все последовательности запусков на всех станках. Допустимое решение — удовлетворяющее ограничениям (мощности, сменности, директивных сроков).
Такие задачи относятся к комбинаторным и заключаются в рассмотрении всех или части комбинаций из возможных и поиске наилучшего (например, по критерию минимума простоев) решения из имеющихся допустимых.
Вообще считается, что «вручную» задача может быть, но совсем нелегко, решена для матрицы 2х2, практически не решается точно в случае «три станка» и «три вида продукции». Для большей размерности требуются машинные вычисления.
Число комбинаций для одного станка равно n! составляет в нашем случае 80!, для всех станков — 80!*300 (в степени 300). Вычислительная сложность этой задачи такова, что она не может быть строго решена за приемлемый срок вне зависимости от мощности компьютеров. Иными словами, необходим паллиативный подход. Практика выработала множество допущений, которые в разы позволяют сократить размерность задачи и даже сделать вычислительную сложность приемлемой. Эти допущения называют на профессиональном сленге «эвристики», то есть интуитивное озарение, по-своему логичное, но не имеющее доказательного основания. Общепринято, что эвристики работают, так как ими начали пользоваться задолго до изобретения компьютера. Однако авторы этих допущений не могут гарантировать, что полученные решения будут лучшими. На деле все еще драматичнее. Ведь обычно руководство предприятий не занимается напрямую решением цеховых задач — это не его уровень. Исключение — ситуации, когда проблемы в конкретном цехе привели к срыву плана. Но это будет ситуативное реагирование, не более. Не системное. К тому же, реально формируют расписание один или два специалиста, обретающие очень большое влияние при практическом отсутствии какой-либо критики.
Как и любая сложная задача, составление расписаний давно привлекает внимание исследователей — как теоретиков, так и разработчиков алгоритмов. Современный рынок предлагает широкий спектр прикладного программного обеспечения для оперативно-календарного планирования, «упакованного» как в специализированные автономные ИТ-приложения, так и в интегрированные системы корпоративного класса (ERP). Последние, конечно, предпочтительнее, поскольку позволяют подготовить данные для вычислений с приемлемым процентом ошибок данных и за приемлемое время. Но у всех (знакомых нам) ИТ-решений есть общие черты: они не раскрывают применяемые базовые алгоритмы и допущения («эвристические правила»). Аргументация разная — «очень сложно понять пользователю», «коммерческая тайна». Принимается…, но инструмент остается «черным ящиком», что не добавляет пользователю уверенности в его преимуществах.

По материалам исследований Университета Гронингена


На другом полюсе находится гуманитарный аспект применения машинных алгоритмов. Прежде всего, алгоритм использует совсем не ту модель, с которой работает планировщик на практике. Алгоритм имеет целью составление расписания, планировщик — решение производственных проблем. Отсюда разные критерии эффективности полученного решения, разные «технологии работы»: (квази)оптимизация в случае машины против согласования, переговоров, компромиссов — у человека. Но, в конечном счете, машинное решение, несомненно, полезно, если будет применено для поддержки решения планировщика (например, как имитационная модель). Поскольку, в отличие от алгоритма, планировщик проясняет, обсуждает и совместно решает проблемы, использует неформальную власть (доступ к информации, доступ к сетям, право организовывать, власть эксперта и даже личную власть).
Практика показывает, что в реальном применении «машинное» и «традиционное» производственные расписания (пооперационные графики производства) не отличаются принципиально, что показано на примере далее.
К сожалению, нам не удалось найти примеры в российской практике и приходится сослаться на исследование, проведенное в компании Nederlandse Spoorwegen — основном пассажирском железнодорожном перевозчике Королевства (пример считаем вполне релевантным). Как видно из приведенной таблицы, лучшее по формальным критериям решение оказалось всего лишь обещанием разработчика алгоритма, но на реальном примере алгоритм не показал заявленных параметров. К тому же использовал «пробел» в постановке задачи — активно применял дорогостоящий альтернативный элемент — такси. Ограничение на альтернативу не было значимым в формальной постановке, но фактически воспринималось планировщиком как важное.
В качестве промежуточного резюме: человеческий фактор необходим в сложном планировании, поэтому и постановка задачи, и применяемые ИТ-приложения должны быть ориентированы на принятие решений человеком. И с ИТ-инструментом должен работать непосредственно планировщик, а вовсе не ИТ-служба предприятия, что мы часто встречаем в нашей практике.
Если человеческим фактором пренебречь, то задача трансформируется от решения проблемы к исправлению ошибок, закрепляется несоответствие между ментальной математической моделями, исчезает возможность действительно сравнивать варианты решения. 

- Фокусированная производственная система 

Итак, почему мы должны планировать? Очевидный ответ: «Потому что мы можем влиять на время простоя станка, время ожидания детали и время переналадки, меняя последовательность запуска».
Почему, в таком случае, Тайити Оно, президент Toyota Motors и признанный гуру в организации производства, заявляет:

«Планирование — это пустая трата; не добавляет ценности. Разве мы не можем избавиться от такой необходимости?».

                                                                                                                                                                                              Тайити Оно


Для нашего случая мелкосерийного многономенклатурного и со сложным маршрутом производства — не можем. Но должны двигаться, в конечном счете, в сторону сокращения размерности задачи.
Процессная ПС с группировкой станков по типу операций отличается от продуктовой ПС с группировкой по семейству номенклатуры. В обоих случаях применяется одинаковый состав станков, но с разными критериями группировки.
Задача трансформации, таким образом, представляется в виде переконфигурирования наличного парка оборудования.
В качестве образа исходной структуры хорошо подходит матричное представление «станки-детали», где цветом показано применение данного станка для производства данной детали.


В строгой конечной постановке эта задача кажется неподъемной, в том числе и по вычислительным ограничениям. Но она станет существенно более реальной, если подходить к ней системно, разбив на ряд последовательных вполне приемлемых по трудоемкости подзадач. Необходимо отметить, что приведенная далее последовательность действий не включает в себя мероприятия по снижению времени переналадок до уровня, при котором количества переналадок не увеличивают время производства всего пула планируемых заказов. Это отдельная задача, которая выходит за рамки статьи.

- Выделение единичных потоков, поиск ячеек

Для каждой номенклатурной единицы фиксируется цепочка станков в соответствии с технологическим маршрутом. Очевидно, что детали одной номенклатурной группы будут иметь идентичные или очень близкие маршруты, и их группирование в единый поток естественно. Но поскольку наш типовой номенклатурный ряд в разы шире, чем станочный парк, целесообразно включить в формируемый поток и иные семейства деталей с похожими наборами типов операций (и станков).
Полученную группировку станков, реализующую схожие (но не строго идентичные) наборы операций и, соответственно, маршруты, называют «ячейка». Ячейка не обязательно обеспечивает исполнение всех операций технологического маршрута, но большую его часть. Ячейка в нашем случае обеспечивает обработку нескольких семейств деталей. Но, вероятнее всего, не все детали попадут в такие ячейки, то есть будут обрабатываться, как и ранее, в схеме процессной ПС. Тем не менее, будет достигнута главная утилитарная задача — снижение количества рассматриваемых различных вариантов для составления лучшего расписания.
В результате трансформации наша исходная матрица будет иметь блочную структуру, в которой монотонный блок — отдельная ячейка.


Для небольших размерностей задачи значительный массив ячеек может быть сформирован вручную визуальным анализом матрицы. При большей размерности матрицы «число видов деталей х число видов станков» действенным будет простой метод последовательной сортировки строк («по станкам») и столбцов (по номенклатуре»). При еще большей размерности можно применять вариации алгоритмов многих задач линейной алгебры, так называемого симплекс-метода, который в своей основе имеет ту же сортировку строк и столбцов.

- Что делать с прочей номенклатурой?

Как правило, при проведении подобных группировок будут проявляться частные случаи отклонений от четко выявленных закономерностей производственных маршрутов: при исключении из рассматриваемой номенклатуры некоторых деталей организация производственных ячеек будет явной и технологически обоснованной. В таких случаях важно сохранить системность и постараться решить отдельные задачи иными методами: пересмотром технологии, покупкой дополнительного несложного оборудования и т.д. Целесообразность такого подхода оценивается выигрышем в суммарной загрузке (сокращении простоев) исходной и новой ячеек.


Вариантов выделения ячеек, скорее всего, будет достаточно много, среди них следует отобрать несколько (5-7), наилучших по интегральному критерию загрузки оборудования и длительности производственного цикла.

- Проверка работоспособности

Следующая задача — проверить применимость новой ПС на реальных масштабах производства (статистических данных по объемам выпуска в разрезе номенклатуры). Следует определить и рассмотреть «поведение» ПС на статистически значимом интервале вариаций объемов и номенклатуры. Уже на этом шаге не обойтись без машинного расчета на имитационных моделях. Возможности моделирования, как правило, имеются в ИТ-приложениях, поддерживающих задачи составления расписаний1.
В модели должны найти отражение следующие производственные аспекты:
— Местонахождение элементов (рабочих центров) производственных ячеек и организация перемещений между элементами,
— Схема обслуживания единиц оборудования производственным персоналом, включая требования по профессиональным навыкам и должным технологическим компетенциям.
По построенной модели производятся следующие действия и определяются данные:
— Анализ причин простоев.
— Определение ресурсов с наименьшей производительностью, ограничивающих скорость производственного потока.


В модель вносятся изменения, соответствующие принятым решениям по расширению «узких мест».
Так как штучное время выполнения операций различных ДСЕ на одном и том же виде оборудования может составлять различные значения, то в модели производственной ячейки следует распределить выполнение относительно коротких операций на одни единицы оборудования, выполнение средних — на другие, выполнение длительных — на третьи. Речь не идет о технологической «привязке» операций производственного маршрута изделия к конкретной единице оборудования. Фактическое выполнение операции может и должно быть произведено на первом освободившемся производственном ресурсе. Здесь речь идет исключительно о модели.
При распределении должны приниматься во внимание статистические данные о количестве быстрых, средних и длительных операций.
— Сравнение различных вариантов, выбор одного из вариантов.
— Определение такта работы производственных ячеек. В модели, приведенной на рисунке, тактом является одна единица времени;
— Переформатирование производственных маршрутов в маршруты, операции которых выполняются в производственных ячейках с нормативным временем выполнения, выраженным в целых значениях такта работы производственной ячейки. В модели, приведенной на рисунке, тактом является одна единица времени, штучное время быстрых операций приравнивается к одному такту, штучное время средних по длительности — к трем тактам, длительных — к семи тактам работы производственной ячейки;
— Определение, необходимых уровней незавершенного производства и запасов между организованными производственными ячейками. В некоторых случаях придется отойти от организации единичного подхода, определив единицей потока отдельных ДСЕ партию, значение которой более чем единица;
— Формирование методики планирования запуска производства ячейки и правила чередования номенклатурных позиций в плане запуска.
При получении неудачных результатов моделирования выделяются технологические операции, которые явились причиной, и перед технологами предприятия ставится задача разделения операции на более элементарные, более близкие к стандартным.
В качестве практического примера: длительная операция по токарной обработке габаритного изделия (колесной оси тележки ж\д вагона) была разделена на черновую обработку на одном станке и последовательно — чистовую обработку на следующем станке. В качестве альтернативы рассматривался вариант с распараллеливанием двух станков, но он оказался хуже, в том числе по износу инструмента и числу несоответствий. Другой пример выравнивания такта — ускорение операции по перемещению изделия между станками. Замена ручного манипулятора роботизированным оказалась эффективной из-за сокращения времени ожидания в целом, несмотря на существенные инвестиционные траты.
По результатам моделирования принимается окончательное решение о проведении технических и организационных мероприятий по реорганизации производственной инфраструктуры.

- Реорганизация производственной инфраструктуры

Этот этап, конечно, трудоемок, затратен, не способствует стабильности текущего производственного процесса. Но он означает переход на принципиально новую парадигму организации и управления производством. Переход на новую производственную систему кардинально поменяет прежде всего конкурентную позицию предприятия, позволив стать надежным поставщиком, выигрывающим к тому же по срокам выполнения заказов и операционным издержкам.
Техническая реорганизация может проводиться в плановом режиме, последовательно, во многом — собственными силами.  

- Оперативное управление в новой производственной системе

Сложность управления, то есть, в первую очередь, составления производственного расписания, в новой производственной системе существенно снизится. Перечислим требования к ПС, поддерживающей процессы управления совокупностью единичных непрерывных производственных потоков:
— Формирование номенклатурных планов производства с учетом поддержания установленных уровней запасов и незавершенного производства между организованными производственными ячейками;
— Обеспечение своевременности запуска производства в ячейках для выполнения производства в запланированные сроки;
— Для обеспечения непрерывности движения потока: алгоритм планирования производства должен формировать чередование различных ДСЕ в потоке производственной ячейки;
— Формирование печатных форм планов, отчетов выполнения и сопроводительной производственной документации: этикеток, сопроводительных ведомостей и др., включая технические средства и способы доведения до исполнителей нормативно-справочных данных, необходимых для выполнения производственных операций.
Используемое для моделирования ячеек ИТ-приложение в некоторых случаях может применяться и в режиме оперативного планирования. Но не это главное. Важно понимать возможности и ограничения предлагаемых информационных систем. Но еще важнее — найти правильный баланс между машинными расчетами и принятием окончательных решений человеком. Этот баланс — залог не только эффективного использования современного ИТ-инструментария, но и реального повышения эффективности и конкурентоспособности предприятия.

- В качестве резюме…

Материал этой статьи основан на реальном опыте решения задач по развитию ПС и систем управления на машиностроительных предприятиях, в том числе задач внедрения информационных систем управления производственными ресурсами, поддерживающими MRP-II методологию.
Предприятия, производственные процессы которых были выстроены по поточному способу: кабельное производство, типографии, производство упаковки и др. — статистически всегда давали заметно лучшие результаты, чем предприятия, производственный процесс которых организован с функциональным разделением и с работой достаточно большими партиями, а это, в первую очередь предприятия машиностроения и сложного приборостроения. Именно для предприятий со значительной номенклатурой производимых комплектующих и имеющих негативный опыт всевозможных проектов повышения своей эффективности авторы статьи сформулировали следующие выводы:
— Для предприятий машиностроения и сложного приборостроения проекты внедрения информационных систем следует рассматривать только как часть реорганизационных мероприятий, направленных на организацию непрерывного потока;
— Стопроцентная реализация потенциала повышения эффективности, заложенного в функциональные возможности информационных систем, для предприятий машиностроения и сложного приборостроения не является достаточной для существенного прироста результатов собственно предприятия, так как сама процессная (функциональная) организация производства является существенным и непреодолимым ограничением повышения производительности;
— Выбор информационных систем должен осуществляться не только и не столько с целью поддержки процессов управления оперативной деятельностью, сколько с целью обеспечения процессов реорганизации инструментом моделирования новых производственных и технологических процессов.