面向航天离散制造车间MES综合评价研究

董 蓉，房亚东，高晓兵

(西安工业大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

制造业全球化发展、市场竞争日益激烈、产品生命周期逐渐缩短、多品种小批量生产所占比例增加等[1]，都给现代离散制造企业带来了巨大的挑战。航天离散制造业由于市场与客户的特殊性，也对车间生产管理提出了更高要求。制造执行系统(manufacturing execution system，MES)[2]作为车间制造运行管理的关键纽带，其运行状态和效率直接影响到整个车间的生产效率。评价机制作为一种有效的自我完善和监控机制对于MES乃至生产管理的进一步改进起到反馈和控制作用。通过对MES的综合评价可改善MES的效率，从而降低生产成本，提高生产效率。

目前关于MES综合评价的研究主要针对离散行业与流程行业。在流程行业的研究方面，沈清泓[3]提出了基于关键性能指标的MES评估体系，将其分为静态和动态两个部分，并应用于某石化企业；朱理等[4]提出了流程行业MES关键性能指标的定义和评价体系，给出了相应的规范化关键性能指标。在离散行业的研究方面，乐胜年等[5]从管理能力、生产能力和服务能力三方面构建了一套离散制造车间的绩效评价指标体系，并运用模糊层次分析法对其绩效进行了综合评价；张永弟等[6]针对多品种小批量生产类型的机加车间的主要特点，建立了一个3层树状性能分析指标体系模型，并给出了综合评价方法与模型。

当前离散制造行业的MES评价大都针对以批量生产为主的企业，对于航天离散制造型企业尚不多见。为了增强MES评价的针对性与实用性，本文将车间生产管理与软件应用相结合，提出面向航天离散制造车间的MES综合评价指标，并基于层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)与熵权法的组合赋权法和模糊综合评价方法对车间MES进行综合性能评价，最后通过在某航天离散制造车间的应用，验证所提出的综合评价体系的有效性。

1 航天离散制造车间生产管理特点分析

航天制造企业属于离散制造型企业，由于其产品结构复杂、生产工艺多样、生产现场繁杂等，使其既具备多品种小批量的生产特点，又具有自己的独特性。

1)多种型号产品同时生产，研制任务和批量生产任务并举，特别是研制任务、设计方案变化较频繁，对应的产品制造工艺、物料需求都将随之改变。

2)工艺过程复杂，涉及的生产环节多、制造难度大。由于航天产品的特殊性，使其产品零部件的加工工艺复杂、精度要求高，制造难度大。

3)由于研制与批产任务并存，生产过程中存在大量“插单”现象，使得生产过程中的生产批次、工序等的拆分、合并以及外协加工等情况经常出现，导致生产计划频繁变更，生产调度压力巨大。

4)产品质量要求高，生产过程对质量控制非常严格。航天产品质量要求非常高，出厂时的合格率必须是100%，且生产过程中对每道工序都要进行严格的检验，产品质量具有可追溯性。

这些生产特点大大提高了航天制造车间内生产运行管理的难度。为了有效应对航天制造过程的复杂性，需要对MES进行综合评价，通过不断改善和优化来适应航天制造企业的生产和发展。

2 面向航天制造企业的MES综合评价指标体系建立

生产车间的主要任务是合理组织现场的各种生产要素，使之结合起来形成一个有效的生产系统，并保持其处于良好的运行状态。车间MES的综合评价指标应与车间生产管理相一致，从生产管理的角度来考虑其指标的建立；除此之外，MES作为一个管理信息系统，也应该从软件应用的角度来考虑其指标的建立。因此，本文建立的MES综合评价指标包括以下两部分。

1)生产管理相关。

①基础数据管理：航天离散制造的复杂过程使得MES中的各种数据具有复杂性，可通过数据管理完整率及详细程度等指标来进行评价。

②生产计划管理：对于航天制造中多型号并举及生产插单现象普遍等特点，可通过生产计划完成率、插单处理时间、生产计划调整率、生产订单完成率等指标进行评价。

③生产调度管理：航天制造中复杂的生产过程，使得生产调度的难度大大增加，详细作业计划制定过程中约束众多，调度也非常频繁。其评价指标有详细作业计划编制效率、作业调度响应时间、生产过程数据录入完整率等。

④质量管理：航天制造过程中对质量的控制和要求是非常高的，其评价指标有产品质量跟踪率、合格品率、超差率、超差处理时间等。

⑤物料管理：航天制造过程的复杂性也造成了其生产过程中物料情况的繁杂，例如生产过程中在多道工序都出现了不同情况的在制品或超差品等，可通过物料可追溯性、物料异动信息完整性等指标进行评价。

⑥仓储管理：对与生产制造密切相关的原料库、中间库、成品库进行管理，评价指标包括库存周转率、库存信息完整性、仓库利用率等。

⑦制造资源管理：对制造运行的各种资源进行合理的配置和管理，评价指标包括设备负荷率、故障停机率、辅助工具损耗率等。

2)软件应用相关。

①软件应用：从客户使用的角度对MES的应用感受进行评价，其指标包括系统配套文档完整性、用户界面友好性、系统自动化程度、系统出错率等。

②系统集成与整合：从MES与其他应用系统的集成及其相关业务流程的整合程度来评价，其指标包括业务流程整合程度、功能模块的定制性、与其他应用系统的集成性等。

基于以上分析，建立的面向航天制造企业车间的MES评价指标体系如图1所示，从上到下依次为目标层、基准层与准则层(指标层)。

3 车间MES综合绩效评价方法

在综合评价过程中，包含两个关键问题，一是综合评价指标权重的确定，另一个是综合评价结果的确定。

图1 MES综合评价指标体系

1)综合评价指标权重的确定。

确定评价指标体系中权重的方法很多，主要分为两类：主观赋权法与客观赋权法[7]。主观赋权法是指依据经验主观确定指标间的相对重要性并赋予相应权重的方法，包括头脑风暴法、德尔菲法与AHP[8]等。客观赋权法是指通过科学的方法对决策数据进行整理、计算、分析后确定指标的权重，包括主成分分析法、熵权法、变异系数法等。本文采用AHP与熵权法相结合的组合赋权法对车间MES的评价指标进行权重确定，其优点是利用熵权法较强的数学理论依据弱化了AHP的主观随意性。该方法首先采用AHP计算得到各个指标的主观权系数，然后用熵权法计算得到各个指标的客观权系数，最后用熵权法得到的客观权系数去修正AHP得到的主观权系数，从而得到新的组合权系数。

2)基于评价数据的综合评价。

MES综合评价体系中的评价因素包括定量和定性2种。定性指标难以量化，其属性值有一定的模糊性，加上专家咨询的模糊思维，使得评价结果也具有模糊性。而模糊综合评价法以自然语言(语义变量)表达了信息的本质，并以数值计算方法处理了评价数据，从而为定性指标和定量指标的指标数据提供了一种统一的表达与处理模式，满足了车间MES综合评价需求。因此，本文采用模糊综合评价法[9]进行车间MES的综合评价。

4 应用实例

本节以某航天制造车间实施的MES为例对其进行综合评价。该车间生产的产品有多个型号，采用批量生产与研制混线的生产模式，生产工艺复杂，存在多次分批、合批情况，并且其质量要求高，每个订单都存在自检、互检和专检等多道检验。在进行车间MES综合评价时，首先确定MES评价指标体系中的权重。基于组合权重法获取权重λ=(0.015 6，0.010 6，0.074 7，0.046 0，0.072 6，0.069 5，0.013 2，0.068 0，0.105 8，0.099 5，0.105 0，0.058 8，0.027 8，0.065 5，0.025 9，0.013 0，0.024 4，0.006 1，0.025 3，0.007 7，0.002 1，0.006 6，0.005 5，0.005 9，0.008 2，0.007 8，0.014 9，0.013 8)。

表1给出了该车间在2016年8月～10月的生产数据及评价数据。

表1 2016年8月～10月生产数据及评价数据

依据表中给出的该车间3个月的生产数据和评价数据(A1～I3为MES综合评价指标体系中准则层的各个指标)，采用文献[9]中的模糊综合评价方法依次得到该车间2016年8月～10月的绩效模糊综合评判结果集为S8=[0.195 8，0.468 5，0.131 0，0.125 1，0.079 6]，S9=[0.191 7，0.517 8，0.131 6，0.101 5，0.057 4]，S10=[0.239 2，0.524 1，0.128 3，0.076 0，0.032 4]。根据最大隶属度原则，对该车间2016年8月～10月的综合评价依次为良、良、良。虽然评价结果都是良，但是其相对应的指标数值在逐月上升，说明该车间的综合生产能力比较稳定，且每个月都略有提升。

依照同样的方法，可以分别确定该车间2016年8月～10月对于基准层的评价指标的评价结果，见表2(A～I为MES综合评价指标体系中基准层指标)。

表2 2016年8月～10月基准层综合评价结果

根据MES综合评价结果可知，该车间生产绩效评价均较好，且基本稳定在“良”。从单一基准层目标来看，有些指标呈上升趋势，如基础数据管理与生产计划管理，也有些指标略有下降，如质量管理和制造资源管理，因此在以后的生产管理中，需要对相应生产过程及软件应用加强管理。

5 结束语

本文提出了基于AHP与熵权法的组合赋权法和模糊综合评价法的车间MES综合评价方法，对某航天制造车间实施的MES进行了综合评价。评价结果显示，该车间生产绩效综合评价表现良好，但个别生产过程需要加强管理，由此验证了本文所建立的MES综合性能评价体系的有效性。

[1] 孙柏林.未来智能装备制造业发展趋势述评[J].自动化仪表，2013，34(1):1-5.

[2] 企业控制系统集成第3部分 制造运行管理的活动模型：GB/T 20720.3-2010/IEC 62264-3:2007[S].北京：中国标准出版社，2010.

[3] 沈清泓.企业制造执行系统和关键性能指标评估技术研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[4] 朱理,苏宏业.基于关键性能指标的流程行业制造执行系统评价体系[J].计算机集成制造系统，2012，18(12):2643-2649.

[5] 乐胜年,喻道远,田裕惠，等.基于FAHP的离散制造车间绩效评价研究[J].中国制造业信息化,2012,41(21):1-5.

[6] 张永弟,杨光,岳彦芳.机械加工车间的MES性能分析与综合评价模型研究[J].制造业自动化，2009，31(5):53-55.

[7] 曾凡伟.基于层次-熵权法的地质公园综合评价[D].成都：成都理工大学，2014.

[8] IDRIS F，ABDULLAH M，IDRIS M A，et al. Integrating resource-based view and stake holder theory in developing the manaysian excellent model:a conceptual framework[J]. Singapore Management Review,2003(25):91-109.

[9] 叶珍.基于AHP的模糊综合评价方法研究及应用[D].广州：华南理工大学, 2010.