電腦輔助生產工程（Computer-Aided Production Engineering, CAPE）
透過應用電腦輔助生產工程（CAPE），可以建立一套標準作業（standard work）資料庫，並進一步用於規劃、研究與改善工作執行方式。
這是一種運用數位技術來建模、視覺化與模擬工作流程執行假設的方法。
我們希望做到的，是先利用 3D 模型來驗證設計，再進一步理解零組件應如何製作與組裝，無論是在現場（on-site）或在場外（off-site）。
範例
在倫敦的另一個專案中，一項極為關鍵且高度複雜的工作範圍必須在一座鐵路車站內執行。以下為專案團隊所記錄的案例，說明在 CAPE 流程中如何發現兩項重大設計問題。
2004 年 4 月，Fleet Sewer 團隊被指派執行以下工作：
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移除隧道內的 crash deck（該構件於前一次鐵路佔用期間安裝）
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穿越仍在運行中的 Thameslink 鐵路隧道拱頂，安裝一座 支撐平台（Support Deck）
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接地（earthing）並將平台分成 7 個區段進行接地連結（bonding）
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安裝 2 支鋼板主梁（plate girders），重量分別為 65 噸與 105 噸
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最後安裝 5 支 M 型鋼梁（M-Beams），每支重 30 噸
所有這些作業都必須通過鐵路主管機關與業主 Rail Link Engineering 的審查，並且必須在 Thameslink 主封鎖（Blockade）之前，於 51 小時的鐵路佔用期間內完成。
在當時，多數人認為在可用時間內完成如此規模與複雜度的工作，幾乎是不可能的。
失敗的後果
若專案失敗，後果將不堪設想。
僅僅 延誤 4 小時，鐵路營運公司所需承擔的延誤成本即約 40 萬英鎊 (£400,000)；
而若導致主要 Blockade 期間的工程必須延後完成，成本將可能更為驚人。
執行成果
最終，工程僅用 37 小時即完成。
業主全程深度參與該流程，在進行核准時，幾乎沒有提出任何問題或澄清需求，這在很大程度上歸功於 3D 原型所提供的清楚性與透明度。
團隊對所有作業細節皆已充分準備，並透過 ProjectFlow SPS|PM 進行生產控制，因此在鐵路佔用開始時，所有文件與核准程序皆已完成。
藉由 ProjectFlow SPS|PM 與 3D 原型，團隊清楚理解整體流程，每位成員也都明確知道自己的角色。
透過 3D 原型，團隊發現了 兩項設計錯誤，若未能及早修正，極可能導致整個工程被迫中止。
4D 模擬與進一步優化
接著，團隊使用 4D 模型 來視覺化工程的實際執行方式，並藉此找出進一步壓縮工期的機會。
如果你無法在數位世界中把它建造出來，
你就無法在實體世界中把它建造完成。
在 Stanford CIFE 研討會中分享此案例後，該簡報內容成為後續發表於 《Engineering News-Record（ENR）》 的文章基礎。
First-Run Studies（首次執行研究）
最後，由於實體世界往往與數位模型存在差異，首次執行研究（first-run studies）——這一名詞由 Glenn Ballard 所提出——可用來驗證我們的假設。
在一般建築領域中，常需要製作各類 實體樣板（mock-ups）（例如外牆系統樣板），這些都提供了極佳的機會來進行 first-run studies。
例如：
一項焊接作業實際上需要多長時間？
要如何才能真正掌握？
安裝一個緊固件究竟需要多少時間？
有些人會對這個問題嗤之以鼻。真的嗎？你必須知道安裝一個緊固件需要多久。
如果你要安裝成千上萬個緊固件，每一個多花 30 秒或 2 分鐘，在 五萬次的重複中被放大後，差異就極其巨大。
理解這種**細粒度（granular）**的細節是至關重要的。
CAPE 也支援**環境、健康與安全（EHS）**的風險緩解架構，透過提供方法來識別流程中的風險，並建立消除或防護風險的框架。
可以很確定地說，目前多數努力仍然集中在工人的行為，以及「改變行為就是關鍵」這樣的信念上。
這與一種更為系統化的 EHS 方法形成對比；該方法聚焦於：
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消除 EHS 風險
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對風險進行防護（例如鋸台上的護罩，這是一種實體控制）
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使用個人防護裝備（PPE）
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教育、訓練與評估人的行為
而這些工作，都可以在 CAPE 研究中完成。
換言之，EHS 應該從專案的早期設計階段就開始，而不是等到施工現場才處理；因為許多設計決策，往往正是造成「不得不進行較不安全作業」的根源。
（圖）電腦輔助生產工程流程（Computer-Aided Production Engineering Process）
範例
這正是我們在 舊金山國際機場（San Francisco International Airport） 進行一項大型伸縮縫（expansion joint）安裝工程時所發生的情況。
首先，我們建立了一個 3D 模型，該模型顯示出建築設計存在問題。
具體而言，女兒牆（parapet）的高度不足以容納屋頂坡度——這個問題本身與伸縮縫安裝無關，但卻是透過 CAPE 研究才被識別出來的。
在問題解決後，我們進一步試圖理解伸縮縫的安裝流程。
其中一位工程師建立了一份流程圖，我們也發展了一個 4D 視覺化模型。
接著，我們對安裝流程進行了一些修改，然後正式展開 首次執行研究（first-run study）。
回頭來看，其實我們應該更早就識別這些問題；但在研究正式開始後，我們發現：
-
拆箱與丟棄包裝材料所花的時間，竟與實際安裝作業一樣多
（因此，在後續專案中，我們學會要求供應商避免過度包裝。）
在 CAPE 研究的流程設計／最佳化階段，幾乎總能找出改善產品或資產的方法。
事實上，我們有信心地說：幾乎所有建造作業都能從 CAPE 研究中獲益。
另一個範例
例如，Pacific Contracting 在美國加州 Palo Alto 的一座新醫療中心安裝百葉窗（louvers）時，發現只要對產品設計做出極小的改動，就能：
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將安裝成本與工期 降低 90%
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同時在未來進行維修作業時，為業主提供一個更安全的作業環境
如果沒有以能消除「百葉窗被推得過深、從另一側掉落」這類風險的方式來設計，極有可能導致嚴重的安全事故。
這些問題，可能發生在初始安裝階段，甚至是在未來的某次維修作業中。
本案例同時也說明了，美國一般建築產業的組織結構，如何導致在技術送審（technical submittal）流程中產生不必要的處理與返工。
為了讓總承包商能將施工文件轉交給分包商，往往需要耗費數小時的作業時間與數週的等待。分包商隨後要麼自行製作、要麼要求其供應商製作施工詳圖（shop drawings），再將這些圖說提交回總承包商；總承包商再提交給建築師（有時也會送交工程師）。
總承包商或施工經理負責在提交給建築師之前，先行協調各項工作。建築師與／或工程師審查送審文件後，可能在施工圖上蓋章表示「已審查」，也可能針對施工圖提出問題，甚至直接退件。
只要有任何疑問，或文件遭到退件，整個流程就必須重新開始。
不只是「標準作業」與「標準流程」是 CAPE 的產出之一，工作指引（work instruction）同樣也是。
在建築產業中，工作指引在訓練新進人員、以及向任何工人說明「如何最佳地執行一項作業」時，往往具有極高的價值，特別是在現場仍在運轉中的環境下作業時更是如此。
隨著目前所謂的勞動力短缺逐漸成為現實（也如同外界所「報導」的那樣），如果我們能夠運用作業科學（OS）把事情理順，實際上我們也許不需要像預期那樣多的人力；作為一個產業，我們反而可能透過採用新興技術，吸引年輕世代重新回到這個專業領域。
儘管本案例最終為所有利害關係人帶來了正向成果——
包括降低嚴重安全事故風險、為業主提升品質、讓總承包商更快完成工作、並為安裝承包商創造更多利潤——
但它也清楚揭示了生產工程（production engineering）的必要性與巨大機會。
而它同時也揭露了一個現實問題：
（續）設計導向與施工實務的斷裂
業界往往極端聚焦於產品設計（也就是「需要做哪些工作」），卻對流程設計（「這些工作要如何被執行」）幾乎沒有理解與投入。
如前所述，這無疑與建築與工程顧問公司（A&E firms）刻意避免介入施工方法與手段有關，這種避讓行為往往來自律師與保險公司的要求。
「承包商應對施工方法、手段、技術、作業順序與程序，以及合約範圍內各項工作的協調，負全部責任並擁有控制權；除非合約文件另有針對上述事項的具體指示。」
—— AIA A201
有效的 CAPE 需要所有相關角色的參與與協調，不僅包括產品設計者，也包括工作流程設計者——
涵蓋製造、運輸、安裝，以及任何為了最佳化產品與流程決策所需的相關人員。
話雖如此，即便已接近專案尾聲，仍然存在大量改善流程設計的機會。
生產工程的核心，在於辨識瓶頸，並運用科學方法來解決問題。
這裡所說的「科學」，指的是作業科學、材料科學，以及各工程領域的專業知識。
我們所提供的，是一套方法論，用以整合專案團隊的能力、經驗與專業知識，
透過嚴謹的流程，最佳化資產全生命週期的表現。
生產工程（Production Engineering）框架
（圖示說明）
生產工程位於多個工程與科學領域的交會核心，包括：
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作業科學（Operations Science）
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材料科學與工程（Materials Science & Engineering）
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施工技術（Construction Technologies）
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人體工學／運動學（Kinesiology）
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電機工程（Electrical Engineering）
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機械工程（Mechanical Engineering）
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結構工程（Structural Engineering）
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化學（Chemistry）
圖名：生產工程框架（Production Engineering Framework）
在另一個案例中，我們與一座**預鑄場（precast yard）**合作，以提升產出量並縮短循環時間。我們辨識出多項改善機會，包括：
（1）柱件尺寸的標準化；
（2）修改柱模，使鋼筋籠能更快速安裝並更容易完成模板就位；
（3）在混凝土配比中加入塑化劑，以加速養護並減少後續修整作業。
到這裡，你可能會問：CAPE 與「製造與組裝導向設計（DfMA）」或「生命週期導向設計（DfX）」有何不同？
答案是：DfX 著重於訂定零件數量、製造與組裝容易度等設計標準；而 CAPE 則提供一套結構化流程，用以實際達成這些目標。
理想情況下，生產工程應該在專案交付流程越早期越好開始執行，因為此時對成果的影響力最大。
（續）設計早期的影響力
舉例而言，在概念設計早期階段所能選擇的方案，遠比在施工現場、當一名技師因無法安裝所需構件而陷入困境時要多得多。
第 8 章〈設計永遠不會完成〉將進一步探討此議題。
下圖展示了一條**「成熟度路徑圖（maturity road map）」**，說明標準作業與 PPC 的導入歷程：
從「文件化標準作業」，進展到「以 LRM 為基礎的 PPC 控制標準作業」，再進一步整合其他技術。
（圖中階段說明）
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文件化（Document）
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控制（Control）
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自動化（Automate）
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最佳化（Optimize）
（成熟度軸線：Maturity）
在概念設計早期階段可選擇的方案，遠比在施工現場技師陷入困境時要豐富得多。
PPC 與專案控制的關係是什麼？
許多人會詢問：PPC（Project Production Control）與傳統專案控制（Project Controls）以及 CPM 的關係為何？
答案是：取決於你的目標。
如果你的目標是評估一份排程的「健壯性（robustness）」，那麼……
……將工作任務直接納入 PPC 系統（見下方案例）。觀察這個策略如何實際運作是很有意思的。
專案控制人員幾乎總是這樣回應：「我們正在更新排程，完成後就會立即提供。」然而，仍然有大量專案至今尚未提供他們承諾過的最新 CPM 排程。
別誤會我，這些專案可能已經完成多年，甚至超過十年，但仍然沒有一份可用、正確更新的 CPM 排程可供使用！
如果你想要壓縮工期、降低成本等等，那麼就應該以專案控制排程中的里程碑作為生產控制的基礎。
如前所述，既然生產速率決定排程日期，那麼 PPC 就能提供即時的專案狀態（但這也意味著，規劃人員與排程人員可能需要一條新的職涯路線——例如轉而部署與使用 PPC）。
案例——機械設備重建（Machinery Rebuild）
Boldt 公司在 2005 年 Fierach 研討會中發表了一個非常優秀的案例研究，題為
〈將 CPM「推式」排程應用於精實「拉式」技術工具的成果〉（該工具為 SPS Production Manager）。
該工程內容為一系列紙漿與造紙機的重建工程，而這是第一個案子。
與所有停機或大修專案相同，時間是最關鍵的要素——一項能持續生產產品與創造營收的運轉資產，在停機期間是完全沒有產出的。
有趣的是，這類專案往往吸引各層級高階主管的高度關注：
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業務副總急著要恢復生產；
-
財務長希望現金能重新流入而非流出；
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法務長則隨時準備收拾潛在的法律問題。
該專案一開始是由一名規劃師建立的 CPM 排程。工程一展開，排程立刻「被推爆（pushed out）」，使 Boldt 的客戶處於極不滿意的狀態。
透過與可靠性相關的生產分析數據，精實領域的先驅、也是 PPC 的早期採用者之一 —— Paul Reiser（Boldt） —— 立刻意識到問題所在。
策略轉換與成果
作為示範，在專案的某一區段，放寬了 CPM 的使用，並要求實際執行工作的團隊編制一份更新後的生產排程。
這份生產排程隨後被用作生產規劃的基礎（而生產規劃本身，正是讓工作在流程中順暢流動的引擎）。
專案其餘部分隨即全面採用這一做法。
結果：專案準時交付，高階主管非常滿意。
在後續另一個專案中，一名第三方規劃／排程人員再次嘗試建立 CPM 排程。這一次，基於前一次成功的經驗，Boldt 邀請專案現場的工地主任提供排程輸入。
最終結果是：CPM 排程被完全捨棄，並由工地主任與領班編制出一套全新的排程，且透過 PPC 進行控制。
值得注意的是，該專案採用 兩班制施工，而 PPC 同時也作為班次間交接的管理機制。
毫不令人意外地，該專案創下新的世界紀錄：
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先前最佳紀錄：25 天
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原定目標：24 天
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實際完成：23 天，且零工安事故
一位資深副總裁兼業主如此形容：
「作為專案執行計畫中、資本投資流程的最後一個單一步驟，這次重建堪稱理想成果。
從舊壓榨段拆除，到全新段落完成——整個紙到紙（paper-to-paper）流程僅用 23 天，
展現了 NASCAR 式的細節掌控、節奏管理與團隊合作。
這項成果已被整個造紙產業公認為一件傑出的工程成就。」
供應流程控制（Supply Flow Control）
供應流程控制（SFC） 是一種特定的生產控制配置，用來確保所有為了工程設計、製造、異地組裝、運輸，以及將一組明確定義的材料、零件、次組件或組裝件，依據專案目標準時流入某一地點（製造廠與／或組裝工廠，或實際安裝現場）所需的工作，都能被妥善完成。
理解 SFC 角色的最佳方式，是認知到在任何製造工廠或施工現場，同時存在兩種流程，如下所示。
第一種流程是組裝流程，如我們所熟知的，通常以 甘特圖或長條圖 表示，並且在時間軸上由左至右推進。
第二種流程則是材料與零件的供應流程，這些材料與零件將抵達現場、被加工，並完成組裝／安裝（若在製造工廠完成，則之後會運送給客戶）。
（圖示標題：Supply Flow and Assembly Flow／供應流程與組裝流程）
多數專案專業人員都了解，現場的進度只可能與資訊、材料與零件的供應速度一樣快。
然而，真正未被充分理解的，是如何最好地調節「物料流」進入現場的方式——也就是：
每一次都能在正確的時間，將正確的材料，以正確的數量，送到正確的位置，並為專案創造最佳價值。
基於前述的各種原因，專案人員往往傾向於「等它出現」而不是「主動規劃它」，或者採取一種**「以防萬一（just-in-case）」而非真正的「即時（just-in-time）」**方法。
在目前既有的方法與支援系統下，這樣的選擇其實也不難理解。
我們對過去數十年的觀察結論是：
主流的供應流程控制模式，往往是一群拿著電話與試算表的「催料人員（expeditors）」組成的團隊，追蹤東西在哪裡，以及還需要做什麼，才能把它送到應該被製造、組裝或安裝的地方。
當然，也存在更先進的作法，例如使用 RFID 來定位那些「本來就不該在現場、卻找不到的東西」。
所幸的是，PPM（專案生產管理）與作業科學提供了一套用於控制供應流程的框架（請記住，control 不是 controls），其中包含了讓現場需求與供應同步的機制。
當現場的專案生產控制（PPC）與一套 SFC 解決方案相互連結，並結合恆定在製品（CONWIP）控制協定時，就能夠：
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控制供應流程中的 WIP（在製品）
-
同時管理供應流程與現場作業中所使用的產能
（側欄重點語句）
「PPM 與作業科學提供了控制供應流程的整體架構。」
（圖示標題：CONWIP Control Protocol／CONWIP 控制協定）
有效的排程方法（Effective Approach to Scheduling）
要有效地為一個專案進行排程，必須先認知到專案交付中有兩個基本要素。
第一，如前所述，排程本身只是一種預測，而且因為存在變異性，它一定會改變。
第二，排程其實代表的是對一個生產系統的需求，而真正發生投入轉換（資訊、資源、能量等）的地方，是生產系統本身。
排程只是預測我們希望發生什麼，或應該發生什麼；而生產系統則決定實際上會發生什麼。
最後，不同於產品開發與軟體專案，建造專案高度受到管制，許多利害關係人共同決定事情將以什麼順序發生。
這也引出了對「階段關卡（phase-gate）流程」與敏捷開發方法等概念的質疑。此外，作業科學的治理原則往往未被理解，甚至未被認知。
其中包括：
對生產力的錯誤追逐、
WIP（在製品）與產能使用（設備、人力與空間）之間的關係，
以及專案工期之間的關聯。
關聯式資料庫的出現、運算能力的提升、行動通訊與網路化分散式系統，使得即時、分散式的規劃能力成為可能。
物聯網（IoT）控制系統、人工智慧（AI）、機器學習（ML）與機器人流程自動化，正進一步強化這些能力，並重新定義排程是如何被建立的（如果排程還會被使用的話）。
那麼，如果現行的方法無法奏效，專案排程究竟該如何建立？
以下內容將說明一套以生產為基礎的專案排程方法論。
（圖示內容）
-
里程碑／階段排程（Milestone / Phase Schedule） → Should Do
-
標準作業資料庫（Standard Work Library） → How to Do
-
電腦輔助生產工程（Computer-Aided Production Engineering）
-
生產排程（Production Schedule） → Can Do
-
生產計畫（Production Plan） → Will Do
-
執行工作（Execute Work） → Did or Did Not Do
1. 辨識並定義主要里程碑（Identify and Define Master Milestones）
里程碑是一個具體的工作範圍，其中包含了在交付給下游客戶時必須滿足的條件
（這不同於傳統只聚焦於日期、以量測與預測進度為目的的思維方式）。
主要里程碑（Master Milestones）代表的是專案的主要階段。
主排程中所設定的里程碑數量，應限制在管理專案所需的最少數量（相關指引請參考此處）。
主要里程碑可分為三大類型：
-
法規性（Regulatory）
-
技術性（Technical）
-
商業性（Business）
理解每一種類型的里程碑及其屬性是非常重要的。
法規性（Regulatory）
法規性里程碑是指由地方政府或其他機構對專案所施加的法規要求所相關的里程碑。
其範例包括：環境影響評估、規劃許可，以及建築、營運與相關檢查所需的各類許可。
技術性（Technical）
技術性里程碑與資產的**設計、交付、停機（shutdown）以及啟動（start-up）**相關。
商業性（Business）
商業性里程碑屬於自行設定（self-imposed），與下列事項相關：
例如資產何時需要投入運轉或達到滿載生產；
治理層面，包括資金流程與核准程序（不論內部或外部）；
以及與主要里程碑移轉批量大小相關的政策（例如：所有工程工作須在實體生產前完成等）。
整體而言，
法規性里程碑通常透過協商來調整；
技術性里程碑則透過科學與工程的應用來變更；
商業性里程碑則透過商業規劃流程來修訂。
主要里程碑的辨識，最適合透過互動式工作坊來完成，在工作坊中，代表專案法規、技術與商業層面的各方利害關係人皆需出席。
在工作坊期間，每一位利害關係人需提出其對上述三種類型里程碑所要求的條件。
這些內容將被文件化，並建立**階段排程（phase schedule）**的基礎，作為設計與專案執行策略的依據。
2. 建立階段排程（Develop Phase Schedule）
階段排程用以決定：
（1）各主要里程碑之間的邏輯關係；
（2）為滿足每一里程碑交付條件所需的工作流程；
（3）與主要里程碑相關之工作的完成日期要求。
換言之，階段排程同時定義了主要里程碑之間的邏輯流程，以及達成某一主要里程碑所需的工作內容。
必須認知的是，資本專案存在多種不同的發包策略與其對應的交付流程，包括：
先設計後招標施工（design then bid and build）、
總價交鑰匙（lump-sum turn-key）、
設計-施工（design-build）、
設計-施工橋接（design-build bridging）、
EPCM、EPCI 等。
這些策略也可能影響所需的主要里程碑以及工作流程的安排方式。
（圖示說明）
A — 工程完成後再製作（Engineer Complete then Make）
工程 → 製作 → 安裝（多個工作包）
B — 快速施工（Fast Track）
工程、製作、安裝作業重疊進行
圖：專案交付策略之範例
目前也持續存在一項討論：
究竟應由工程或施工來建立工程工作的流程。
雖然許多人認為應由施工端來設定排程，或由施工來主導工程工作的進行，但這種作法所帶來的非預期後果必須被理解。
工程工作本身有其必須遵循的技術流程，而這個流程往往與製造工廠或施工現場的工作流程有著顯著差異。
由於大型資本專案中涉及大量**工程訂製（engineered-to-order）與依訂單製作（made-to-order）**的項目，長交期項目（long-lead items）必須在專案交付流程中儘可能早期即被辨識出來。
長交期項目對於高效率的專案生產系統具有高度對抗性。過長的交期會迫使系統必須進行預測，並導致所謂的「匹配問題（matching problem）」。
交期絕不可直接以表面數值接受，必須一律加以驗證，並在可能的情況下加以壓縮。
如同主要里程碑的辨識方式，階段排程（phase schedules）的制定也應透過一個跨代表性（cross-representation）的方式，納入所有負責監督與執行工作的利害關係人。
階段排程應以由營運單位（operator）所接受的設施完成點作為主要里程碑，並以此作為回推工作的基準。
如同主要里程碑的定義方式，**工作坊（workshops）**是建立階段排程最有效的方法。
（圖示說明）
法規需求 →
商業目標 → 主要里程碑（Master Milestones） → 階段排程
技術需求 →
3. 設計生產系統（Design Production System）
在發展階段排程的同時，整體的專案生產系統以及其所屬的次階生產系統也應同時被辨識或設計完成。
早期的工作包括：
辨識潛在的供應來源（包含供應商及其所在地）、
供應交期、
物流路徑配置等。
必須清楚理解，生產系統是依生產排程的需求而進行交付。
排程提供了生產系統必須回應的節拍時間（takt time），而生產系統的回應則表現在其**產出率（throughput）與循環時間（cycle time）**上。
4. 建立生產排程（Create Production Schedule）
理想情況下，所有供應應透過 CONWIP 或拉動訊號（pull signal）來進行控制。
生產排程為生產系統提供需求預測。
然而，由於長交期項目無法被拉動，包含設備與人力在內的產能構成要素必須事先被理解並加以安排，且必須建立預測機制。
生產排程並非以關鍵路徑法（CPM）為基礎，也不是用來預測或推估進度。
生產排程採用的是最後責任時點排程法（Last Responsible Moment Scheduling）。
在建立生產排程時，以下因素至關重要：
-
技術順序（technical sequence）
-
轉移批量（transfer batch）
-
生產批量大小（production-batch size）
註：
轉移批量可能大到足以使其不再需要遵循技術順序。
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