基于準時制生產模式的飛機制造企業生產可視化研究

周顯峰，馬 克，黎小華，李汶一

(成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

1 準時制生產模式

20世紀50年代，大野耐一和豐田英二等在深入研究福特建立的大規模生產方式后發現，大規模生產方式并不適用于日本，逐步提出了所謂的豐田生產體制，并最終發展為“豐田生產方式”[1]。在其后的幾十年里，由豐田生產體制延伸出的豐田生產系統(TPS)(見圖1)在豐田公司得到不斷豐富和完善。

圖1 豐田的精益生產屋

準時制生產(JIT)作為豐田生產方式兩大支柱之一，其核心是“準時化生產系統”或者“看板系統”，即在所需要的時刻，按所需要的數量生產所需要的產品(或零部件)的生產模式，其目的是加速半成品的流轉，將庫存的積壓減少到最低的限度，從而提高企業的生產效益。

經過大野耐一、豐田英二等人的持續努力，準時制生產在豐田內部及其所有協作環節內全部付諸實施，并取得全面成功，在生產率、產品質量以及市場需求變動的反應方面取得了非凡的成就[2]。

2 航空制造業的挑戰及準時制實踐

2.1 航空制造業的特點及其面臨的挑戰

航空制造業是高端裝備制造業的典型代表，是一個國家制造業實力的綜合體現。在我國，航空制造業被列入國家戰略性高科技產業，是國家重點發展的產業之一。航空產品本身具有產品復雜、制造流程復雜、制造要求高和供應鏈體系規模龐大等特點，其制造過程通常面臨如下挑戰。

1)多品種、變批量、混線式生產。生產組織、計劃、控制和協調工作困難，對資源精確配置的要求高，準時交付充滿挑戰。

2)不穩定的訂單輸入。航空產品通常按訂單生產；但訂單受市場、客戶需求波動的影響較大，對制造過程快速響應能力要求高。

3)產品技術狀態變更頻繁。新研項目技術狀態變更頻繁，對構型管理、MRP運算及生產計劃管理的協調控制困難，并容易對正常批產項目帶來沖擊。

4)產品生命周期長，支持服務要求高。為滿足客戶對產品全壽命周期使用的高要求，必須做好產品生產過程及售后服務保障過程(如備品、備件生產與儲備)協調、管控。

5)規模龐大的航空產品供應鏈網絡。由于航空產品本身的復雜性，通常配套的供應鏈網絡規模龐大，而供應鏈的管理難度通常隨著供應鏈的規模增大而急劇增大，當前航空制造業供應鏈管理的主要挑戰是由于缺乏一體化的供應鏈信息集成平臺，導致信息不透明，信息溝通困難。

6)缺乏統一的生產過程可視化平臺。大量異構、非標準化信息系統的實施，導致難以構建統一、集成的生產過程可視化平臺，生產過程透明度差，管控能力薄弱。

2.2 波音公司的準時制生產模式實踐

從20世紀90年代開始，以波音公司為代表的航空制造業也在其航空產品制造過程中學習和借鑒了豐田生產方式，特別是準時制工具，以推進生產制造過程的持續優化和改善。

波音公司在充分學習、調研以日本豐田為代表的日本本土企業精益生產理念后，在波音公司逐步推行波音版的“豐田生產方式”，建立了波音公司的精益生產體系，命名為“波音生產系統(Boeing Production System, BPS)”(見圖2)，該系統與豐田公司的豐田生產系統非常相似，也是以準時制、自動化為支柱，并以“通過消除浪費、降低成本”為主要目標[3]。

圖2 波音公司的精益生產屋

進入21世紀以來，波音持續推進BPS工程。波音在開發TBS(Tailored Bussiness Stream)的過程中，從豐田生產系統的模型中進行了分離。TBS把商用飛機產品分為3種流，即標準化配置、可選的標準化配置及可選定制配置，以取得更簡化、更可用和更具成本效率的流程與解決方案。同時，作為對設計、生產每一架獨特的飛機的替代，波音公司現在把每一項工作也分為3種：基本和穩定的、可復用的(包括可選配置)及客制化的。

在信息化建設方面，圍繞波音精益生產方式的推進，波音從業務流程再造(BPR)的總體思路出發，按照精益生產原理對生產流程進行重新梳理和優化，重構統一、集成的企業級數字化平臺；將原先飛機制造復雜的生產流程分類簡化，并固化在一體化的信息系統中予以支持；建立單一產品數據源(SSPD)，解決飛機制造過程數據的唯一性、完整性和有效性等問題；同時，以管理全球供應鏈，實現業務集成、透明管控為目標，建立了跨企業組織、跨流程的集成可視化平臺。

3 準時制生產模式的實踐

成都飛機工業(集團)有限責任公司準時制生產模式的形成，是在不斷跟蹤學習豐田、波音等在持續推進精益生產方式方面的經驗，結合自身特點和實際需求不斷迭代和優化完善的過程。在持續學習、吸收業界先進經驗的基礎上，成飛在集成供應鏈業務領域確立了承接公司“構建世界一流的現代化航空制造企業”這一愿景，通過計劃拉動、物流驅動，構建基于準時制的生產管理體系，支撐集成供應鏈業務變革和準時制生產模式深化應用，最終構建“準時、經濟、敏捷、高效”的集成供應鏈這一戰略。

圍繞準時制生產管理體系的構建，成飛從期量數據、計劃體系、基于裝配計劃的拉動式生產和KPI指標體系建立等方面入手，在整個生產管理體系的構建中，以準時制為核心，結合公司的管理要求，以項目管理、生產流程為牽引，建立準時制生產管理規范體系，以確保整個準時制生產管理體系的有效實施。

3.1 基于MBOM的準時制生產計劃體系

豐田公司的主要產品是汽車，其生產計劃需要銷售和工廠運營部門的緊密合作，以實現自上而下和自下而上2種途徑的整合，將生產計劃貫穿在整個供應鏈流程中，進而生成并預測未來3個月的訂單周期計劃，以確保提供持續穩定的物流和運輸支持[4]。豐田生產計劃的典型特點是以汽車總裝線的排產計劃為基礎，以總裝線上汽車的“單件流”來拉動裝配物料配套，其核心是拉動、均衡的生產節拍和連續流。豐田公司典型的生產計劃體系如圖3所示。

圖3 豐田公司典型的生產計劃體系

從生產方式來看，成飛屬于典型的多品種、變批量(小批量)生產模式，其生產計劃管理體系的核心是生產計劃的編制體系，在航空產品制造過程中，由于產品本身的復雜性，其生產計劃的編制過程也充滿挑戰，通常ERP、APS系統的MRP運算是基于BOM完全展開的物料需求計劃，在航空產品制造行業則不一定可行，其主要原因是航空產品的BOM層級非常多，導致其MRP展開的層次過多，不便于后續計劃的跟蹤和調整。

在航空制造業，生產計劃的編制仍是以MRP運算為基礎，但通常MRP的運算會分層級運行，即首先會根據飛機裝配工藝分離面劃分的段位對MBOM進行一級展開(一級物料消耗)，形成段位計劃(含部裝、總裝及試飛)，在此基礎上，根據裝配、試飛專業廠編制的裝配工藝文件(Assembly Order，AO)對MBOM進行二級展開(二級物料消耗)，此時才會在MRP中掛接零件、組件、材料和成品等物料需求。在這種模式下，準時制生產計劃體系實質上是以裝配計劃展開的MRP為核心，以此拉動后續的零件、組件和成品的配套工作。基于BOM的多級MRP運算如圖4所示。

圖4 基于BOM的多級MRP運算

在計劃編制流程方面，生產管理部以公司年度經營計劃為輸入，編制公司年度生產計劃大綱和產品交付計劃，以經平準化調整的年度產品交付計劃作為多級MRP運算的輸入，一級MRP運算形成段裝、總裝和試飛計劃，確保裝配節拍、均衡化和裝配作業流連續性，二級MRP運算形成的零/組件物料需求計劃作為各專業廠編制年度、月度生產計劃的基礎。涉及材料采購的需求計劃，也以二級MRP運算結果為基礎，考慮零件生產提前期及采購提前期進行展開運算(見圖5)。

圖5 生產計劃編制層級圖

3.2 基于準時制的考核指標體系

為配合準時制生產模式的推行，成飛建立了一套基于準時制的考核指標體系(見圖6)。準時制指標選取主要側重于以裝配計劃拉動的零件配套、保障業務的過程和結果性指標，主要對生產過程配套、保障情況和采購執行情況進行評價。同時，準時制指標體系是一個多維度的指標體系，從計劃準時完成率、物料準時配套性和資源保障準時性等方面，對主線計劃執行過程及保障配套過程進行客觀、全面的評價。通過對各級指標目標值的設定，可以充分反映管理目標和管理意圖，以正確牽引和引導生產過程的持續改善。

圖6 準時制指標體系構成

4 基于準時制的生產可視化方案

4.1 電子看板在準時制生產中的作用

電子看板在工廠首先定位為一個信息顯示系統，它使得工廠里的每一個人都能全面了解當前的生產業績，對問題作出快速反應。

在豐田，生產業績衡量通常取決于2個同樣重要的因素：對過程的考慮及取得的成果。業績的衡量致力于平衡供應鏈幾個平行的要素——產品供應的差異性、產品流的速度、預測結果的變化性以及可視化流程，即V4L架構(見圖7)。其中，L表示學習(Learning)，豐田模式使得學習不僅僅遵循于理論學習，也可以進行簡單的闡釋，其主要原則包括創造認知、創造能力、制定操作規范、產生系統層認知和產生教學的能力等；V4則指Variety(差異性)、Velocity(流速性)、Variablity(變化性)和Visibility(可視性)。豐田的V4L架構讓供應鏈實現了微妙的平衡，推廣開來，生產管理過程或者具體地針對生產可視化看板過程，V4L架構也具有重要的參考價值[5]。

圖7 豐田的V4L架構

在豐田的高岡廠，全部信息，包括生產目標、當日生產的汽車計劃/完成數、設備故障、人員短缺和加班要求等，都一一顯示在電子看板上。在豐田生產方式中，其核心基因可提煉為“理念、行動、觀點、改善和管理”等五大DNA。看板作為實現科學管理和持續改善的重要載體，可實現流程可視化、異常可視化和目標狀態可視化等功能。

在進行生產可視化系統的規劃過程中，成飛也參考了豐田的V4L架構及看板設計理念，在實現飛機制造過程基本可視化應用(流程可視化、異常可視化和目標狀態可視)的基礎上，擴展了持續改善層，結合ERP、MES等信息系統的整合應用和生產數據的深入挖掘，對供應鏈過程進行更全面、更系統、更精確的反映，并支撐供應鏈流程的持續改進。成飛可視化系統總共有5個層次，分為KPI可視化層、流程可視化層、場景可視化層、安燈應用層及決策支持層(見表1)。其中，KPI可視化層對應目標狀態可視化，流程可視化層和場景可視化層對應流程可視化，安燈應用層對應異常可視化，決策支持層對應持續改善。

1)KPI可視化層。該層可視為生產結果的可視化展示層，與生產活動直接相關的結果績效指標在這個層次上以圖表方式直觀展示。

2)流程可視化層。流程可視化層首先按照飛機制造的主要過程，對其主價值流進行顯性化，在此基礎上，提煉表征流程運行績效的相關指標進行可視化展示。

3)場景可視化層。按照飛機制造過程專業管控重點，對部裝、總裝、試飛等專業建立專業場景的可視化視圖，實現制造專業結果KPI可視化、主價值流流程可視化以及作業現場可視化應用。

4)安燈應用層。基于準時制生產對過程動態監控、動態預警和報警需求，建立能夠實時發現生產流程運行狀態及KPI指標異常的機制，形成可視化安燈應用，實現對制造過程的動態監控和報警應用。

5)決策支持層。基于成飛在生產信息化建設及應用方面近30年的數據積累及大數據分析、機器學習技術應用方面的具體實踐，建立生產過程智能分析、智能預測及預警應用機制。

表1 成飛生產電子看板應用層次表

4.2 生產可視化系統體系結構

成飛的生產可視化應用是建立在公司整體數字化體系架構中的，航空制造業數字化體系包括業務體系和應用體系，其建設和應用過程也是實現企業業務變革和管理創新的過程，涉及到商業模式、組織體系、業務流程、資源技能、工具及應用等方方面面的優化和整合。在體系化建設和應用推進中，應注意業務與IT的緊密融合，以業務變革推動IT應用體系構建，以IT應用體系保障業務變革的成功實施[6-7]。基于準時制生產模式的生產可視化應用系統定位為企業主體管控層應用，位于第4個層次(見圖8)。

圖8 生產可視化在企業信息化中的定位

生產可視化應用作為生產業務領域的可視化與輔助決策支持系統，依托公司數字化生產管理系統(ERP、MES)、生產大數據平臺及公司級物聯感知網絡，集成供應鏈平臺構建。

4.3 生產可視化系統業務架構

生產可視化看板按照“2個維度、3個視角、6個主題”的業務架構設計(見圖9)。2個維度指專業和項目。3個視角包括計劃管理視角、物流管理視角及空間實景視角，是將業務解耦并內聚后重新展現在用戶面前的視圖。其中，計劃管理視角偏重于展現計劃隨時間軸變化的進展情況；物流管理視角偏重于展現工廠物流動態及相關作業活動實況；空間實景視角是生產視頻實景與計劃流、信息流、價值流融合應用的一種融合應用嘗試。6個主題分別為計劃、成本、質量、資源、物流和問題。

圖9 生產可視化看板應用視圖

5 生產可視化看板應用實踐

5.1 多維度KPI指標體系

系統按照“2個維度、3個視角、6個主題”進行生產過程及成果KPI規劃和設計。從飛機制造流程入手，建立跨專業、跨組織的集成供應鏈流程KPI可視化視圖。該視圖結合集成供應鏈“準時、經濟、敏捷、高效”的運作目標及V4L架構，從項目管理維度、產品生命周期維度和企業維度等3個維度建立覆蓋飛機制造過程原材料采購、零組件生產、成品配套、裝配、試飛及技術服務全過程的準時制(準時性)、經濟性、敏捷性和高效性指標體系(見圖10)。

圖10 多維度KPI指標體系

5.2 多場景、多專業的流程可視化

成飛生產可視化系統基于飛機工藝分離面，對飛機制造全過程進行多層次、細粒度管控。在專業維度建立場景可視化視圖，為主生產區、部裝、總裝及試飛等專業建立地理的二維、三維模型，準確反映出各生產現場現狀，以地理模型為基礎，可與生產計劃、進展、物流等信息實現疊加顯示，直觀反映專業場景，并實現制造流程及生產實況可視化(見圖11)。

圖11 多專業、多場景可視化應用實例

5.3 電子安燈應用異常可視化

在豐田生產方式中，安燈的主要作用是及時暴露問題。在可視化看板系統中，電子安燈應用的主要原理則是基于預定義規則及預設的邏輯、響應規則對輸入的狀態進行分析和判斷，以可視化方式進行輸出(如三色燈顯示等)。電子安燈應用監控的對象通常為生產過程及成果性的KPI指標，也可用于對預定義流程的監控。一旦指標波動超過預定的閥值，則視為指標異常波動，或者流程運行過程出現異常路由狀態，則可通過電子安燈應用及時以三色燈的方式使該波動可視化。

基于該方式的安燈應用包括如下兩方面。

1)供應商績效分析。以歷史數據及經驗數據為基礎，建立以數據統計為基礎的供應商績效動態分析評價機制，主動預警供應商缺件、延遲交付和績效指標異常波動等事件。

2)生產現場問題管理。對生產現場問題進行分級、分類和重要度分析，識別關鍵問題并建立預警/響應機制，在實際運行過程中進行重點問題亮燈制度，實現問題的及時暴露、反應及處置。

5.4 基于大數據分析的生產預測、預警應用

基于大數據分析的生產預測、預警屬于生產可視化看板應用的最新領域，也是當前技術研究的熱點。數據的價值在最近幾年被頻繁提起，特別是大數據概念逐步深入人心之后。當前，業界已形成普遍共識，即大數據是人們獲取知識，創造新價值的源泉。大數據還是改變市場、改變組織機構等的新方法[8]。在制造領域，工業大數據是未來工業在全球市場競爭中發揮優勢的關鍵。當前，工業大數據分析是諸多學科都需要面對的重要技術挑戰，工業大數據分析一旦取得技術突破，利用工業大數據去深入分析制造過程，分析價值鏈過程，發現潛在的用戶價值，發現和管理不可見的問題，必將對制造業產生重大而深遠的影響[9]。

成飛在工業大數據分析及應用方面，通過深入分析挖掘持續積累幾十年的公司生產相關的各類業務數據，建立大數據分析模型，從歷史數據中尋找業務規律或變化趨勢，基于這些分析，以當前及歷史的實際生產情況作為輸入，通過建立的分析模型和預測模型，對未來生產情況(包含但不限于生產速率、生產周期、成本和質量指標等)進行預測。

生產計劃仿真及推演是基于工業大數據分析的典型應用場景。飛機制造過程生產計劃執行波動受到諸多因素影響，通過應用大數據分析模型及分析方法，可對波動因素、影響程度進行有效分析，在此基礎上建立仿真推演模型，以當前的計劃執行情況、已知/預測的資源約束條件為輸入，可實現對未來生產計劃執行情況、潛在波動趨勢的預測和推演。基于大數據分析的預測應用如圖12所示。

圖12 基于大數據分析的預測

6 結語

當前，我國航空制造業正加速推進以精益生產為代表的先進管理理念、工具運用，推進數字化、網絡化、智能化是先進管理理念、工具落地應用的必然選擇。基于準時制的生產可視化平臺是成飛準時制生產模式構建的重要內容之一，是公司適應新形勢，提升企業核心競爭力的重要能力平臺，其建設過程體現了“準時制”生產模式的成飛理解及具體實踐思路。