面向精益生產的學習工廠建設

□ 王 瑞 □ 張為民，2

1.同濟大學中德學院 上海 200092

2.同濟大學機械與能源工程學院 上海 200092

1 學習工廠概述

目前，學習工廠在國外是一個熱點課題。德國的許多高校都開發建立了自己的或與企業合作的學習工廠。美國近些年以生產工程教育合作組織為代表，在國內推廣了學習工廠的模式，并取得了顯著的成績。目前，美國已有40多家大學和100多家制造企業加入學習工廠的學習模式，幾年來已有10 000多名學生在學習工廠中創造了1 200多個制造業的產品或者項目［1］。學習工廠的模式在2006年獲得美國國家工程院的最高榮譽戈登獎，并于2014年起在制造領域最頂尖的學術會議國際生產工程科學院（CIRP）會議上作為一個單獨的主題而存在。在2016年的CIRP會議上，還為此成立了一個協同工作小組。2017年CRIP會議關于學習工廠的報告顯示，學習工廠和相關的學術文獻數量大幅度上升。圖1所示為CIRP會議報告中學習工廠相關學術文獻數量的趨勢，圖中的學習工廠和教學工廠曲線反映的是這兩個關鍵詞在學術文獻中出現的頻次趨勢。因為學習工廠與教學工廠在本質上是近義詞，所以筆者在本文中所述的學習工廠包括了教學工廠。

▲圖1 學習工廠相關學術文獻數量趨勢

對于學習工廠一詞，目前學術上仍沒有統一的定義。學習工廠領域的先行者Abele［2］提出，它是一個以教學為目的，向學生或在職人士提供真實生產制造過程的場所，在這個場所可以配合不同的教學主題對于不同領域進行實踐練習。

慕尼黑工業大學的 Müller［3］提出：經常參與學習工廠的學生們，通過不斷的實踐鍛煉，可以實現對自身實際職業能力的不斷提升，達到對自身的改善。

斯圖加特大學的 Riffelmacher［4］在其著作中闡述了學習工廠包括產品選擇、場地建設和教學主題等在內的指導方法。Steffen等［5］提出將學習工廠的屬性分為運營方式、目標群體、裝備和教學模式，并提出使用形態分析法對各個模式進行路線的選擇。波鴻魯爾大學的Kreimeier等［6］對德國高校的學習工廠進行了闡述，并對其教學方法作了總結，探討了如何在實際加工環境中貫徹學習工廠的教學模型［7］。

結合上述描述，學習工廠可以定義為以項目為導向，基于制造業的產品周期，整合相關專業課程與實踐環節的學習過程，并付諸實踐，其目標是應用基本理論與知識，通過交流、構思、設計、制造及團隊工作，互相學習和自我學習，進行跨學科交流與合作，研究市場與消費者的需求，創造新型產品，解決各種技術與工程問題、商務問題，培養高質量的現代工程師。

因項目導向的特點，在發展中，學習工廠已不再局限于教學或培訓的用途。利用學習工廠的軟硬件設施，結合不同的項目特點，可將其作為高校的科研工具或企業的咨詢工具。以波鴻魯爾大學為例，該校的學習工廠被用來完成多個與德國教育部合作的科研項目，如優化加工中的能源效率問題等。

學習工廠如今涉及眾多主題，表1為根據德國生產技術科學協會2015年出版的學習工廠項目手冊總結的德國各高校學習工廠項目。以波鴻魯爾大學為例，其學習工廠主要包括三個主題：流程改善、資源有效利用、管理與組織。流程改善包含了精益生產和工業工程的許多內容，通過實踐的方式培訓員工。資源有效利用是提高競爭力的重要途徑，除了典型的時間、成本和質量指標，能源和物料效率成為新的指標，學習工廠為此提供了環境。管理與組織主要關注人的因素，注重員工之間的團隊合作，包括跨部門的合作。

表1 德國各高校學習工廠項目

2 精益生產概述

精益生產，源于豐田生產方式，由美國麻省理工學院組織世界上17個國家的專家、學者，花費5年時間，以汽車工業這一開創大批量生產方式和準時制的典型工業為例，經理論化后總結得出?！熬北硎揪肌⒕_、精美，“益”表示利益、效益等，精益生產就是及時制造，避免故障，消除一切浪費，向零缺陷、零庫存進軍［8］。

數十年來，實施了精益生產的制造企業在產品設計開發、生產制造、信息管理及客戶服務等方面獲得了巨大成功。一些專家指出，中國企業與世界先進企業之間的差距，主要不在于生產設備等硬件層面，而是在于管理和生產方式等軟實力，實行精益生產是解決中國企業發展問題的一個良好對策［9］。

為此，中國很多高校的機械學科也都開設了關于精益生產的課程，但一般只涉及理論層面，在實踐方面少有涉獵，這導致了學生雖然在課堂上得到了理論知識，但在未來的工作中卻難以將其應用。麥可思機構對2012屆部分高校社會需求與培養質量的調查顯示：2012屆工學本科畢業生教學中最需要改進的地方為實習和實踐環節不夠，比例達到44%。精益生產中的一些重要概念，如看板、價值流、拉動式生產等在傳統課堂上對于學生而言是比較生澀難懂的，而前面所提到的學習工廠則能很好地應對這個問題。因此，筆者以精益生產為主題，設計一個簡化的、可在相對小的空間內運行的學習工廠。

3 面向精益生產的學習工廠

筆者所設計的面向精益生產的學習工廠，在同濟大學中德先進技術制造中心進行了一次運行，其中用到的理論方法主要為價值流程圖。價值流程圖是精益生產中的一個重要工具，它是一張包含著數據的流程圖［10］，對生產制造過程中的周期時間、停機時間、在制品庫存、原材料流動、信息流動等情況進行描摹和記錄，有助于形象化當前流程的活動狀態，從而對價值鏈和各環節的浪費有一個全局觀察。價值流程圖是精益改善的基礎，應用范圍廣泛［11］。通過對生產流程的分析，構造現有的價值流程圖，同時引入生產線平衡、看板拉動及持續改善等精益生產思想方法，可以縮短非增值時間和產品周期，降低生產成本［12～15］。

筆者設計的學習工廠分為以下幾個模塊。

（1）第一輪模擬。用樂高玩具車為產品，采用傳統的推動式生產方式。

（2）價值流程分析。使用價值流程圖對第一輪模擬的情況進行分析，繪制當前狀態圖。

3) 為了保證閥門泄漏等級達到Class VI，該閥門采用金屬支撐的軟密封結構，即在軟性材料的旁邊有金屬限位平面。閥芯軟密封環通過螺紋壓緊在閥芯體上，閥芯和閥座之間通過斜錐面密封，有效密封寬度4 mm左右。該閥門閥芯頭部帶18 mm左右延伸段，該結構優點：

（3）價值流程設計。在當前狀態圖的基礎上，通過引入精益生產方式優化企業流程，繪制將來狀態圖。

（4）第二輪模擬。使用優化后的方案進行第二輪模擬，并比較與第一輪模擬交貨時間的區別。

3.1 第一輪模擬

在第一輪模擬中，首先將要模擬的企業流程劃分為如圖2所示的幾個工作站，每個工作站由兩名操作員負責。除了圖中所示的工作崗位以外，還安排了兩名負責運輸產品的運輸專員，他們的職責是隨時等待各工作站的呼叫，并將所需的產品帶到下一個工作站。為了對第一輪模擬的成果進行價值流程分析，以發現其中存在的浪費現象，還需要一兩名學生作為價值流程專家，負責觀察整個生產線的模擬流程，并繪制價值流程圖。

為直觀地展示第一輪模擬的概況，用一張簡化的價值流程圖標明生產過程中物料流和信息流的流動，并詳細介紹各工作站的內容。第一輪模擬采用推動式生產，其價值流程圖如圖3所示。

顧客工作站的任務是下達樂高玩具車的訂單至生產計劃工作站。生產計劃工作站從顧客手中接過訂單后向供應商預定與訂單相應的零件。供應商工作站從生產計劃工作站獲取零件預訂單后，將所需的樂高玩具車零件通過呼叫運輸專員的方式將零件送到訂單處理工作站。訂單處理工作站接到顧客訂單和從供應商處得到的零件后，將零件和訂單一起放入物料盒，并通過運輸專員送至裝配工作站。裝配工作站是本次模擬工作量最大的崗位，操作員需要將從訂單處理工作站得到的零件組裝成完整的樂高玩具車，并按照顧客訂單的要求對車燈的顏色進行調整。在裝配完成之后，操作員需將樂高玩具車放回包裝盒，并和顧客訂單一起送到貼標簽工作站。貼標簽工作站操作員使用標簽機將帶有訂單號的標簽貼到產品包裝盒上。貼完標簽后，操作員呼叫運輸專員，將產品和訂單送至質檢工作站。質檢工作站操作員需要對完成的產品進行質量檢驗，檢查是否正確完成了裝配及車燈配置是否符合顧客訂單的要求，合格的產品送至包裝工作站。包裝工作站操作員將產品裝入空的樂高包裝盒內，使用細繩打結并送至發貨工作站。發貨工作站為第一輪模擬流程中的最后一個工作站，操作員將從包裝工作站得到的產品連同顧客訂單卡一起放入物料盒中，并通過運輸專員發貨至顧客工作站。

在第一輪模擬結束后，參與者們分析總結第一輪模擬的成果。表2為第一輪模擬訂單的累計時間對比。

▲圖2 第一輪模擬工作站

表2 第一輪模擬訂單累計時間對比

由表2可知，在30 min的模擬時間內，原定目標是完成五個訂單，而實際上只完成兩個。模擬過程中，裝配工作站前堆積了大量庫存，這一方面是由于裝配工作站的兩名操作員之前沒有對該樂高玩具進行過裝配，熟練程度不夠；另一方面是因為裝配在整個流程中相對于其它環節時間較長，生產節拍不一致。

3.2 價值流程分析

操作員以圖3所示價值流程圖為基礎，結合自己在實際操作中的經驗，一起討論了在第一輪模擬中產生的浪費現象及其原因，如圖4所示。

參與者們經討論認為，庫存過多是本次模擬的六個訂單只完成了兩個的主要原因。每個工作站前都積累了庫存，其中裝配工作站積累的庫存最多。這些庫存在沒有調控的情況下通過推動式生產不斷往前堆積，嚴重影響了生產效率。

造成庫存數量過多的一個重要原因是低效率的交流方式，以及對運輸專員的過度依賴，這一方面造成了信息流和物料流的不同步；另一方面使運輸路徑不暢，在等待運輸的過程中造成了大量浪費。

生產節拍不一致也是造成浪費的一個重要原因，各工作站的節拍時間相差較多，沒有進行互相協調。

▲圖3 第一輪模擬價值流程圖

經過以上分析，針對第一輪模擬中出現的問題，提出使用精益方法和工具對整個流程進行優化，并在第二輪模擬中實施。

▲圖4 第一輪模擬浪費現象及原因

3.3 價值流程設計

參與者們通過價值流程分析確定了生產流程中的浪費現象，并使用價值流程設計的方法，得到如圖5所示的將來狀態圖。

經參與者的討論，將第一輪模擬中的工作站布置調整如圖6所示。從圖6中可以看到，幾個相鄰工作站的桌子被排列為一排，發貨和顧客工作站也被安排到一起，這樣一方面可以使物料通過先進先出（FIFO）的原則實現持續流動，降低不必要的庫存；另一方面可以調整第一輪模擬中的運輸專員，將他們安排到其它工作量較大的工作站，如裝配工作站。

此外，針對第一輪模擬中的庫存堆積狀況，參與者們根據顧客節拍平衡了各工作站的操作員分配，最明顯的是在裝配工作站，裝配被分為初裝配和最終裝配，其中初裝配工作站由三位操作員負責，對應樂高玩具車的三種零件。最終裝配工作站由兩位操作員組成，負責按照訂單要求對三種零件進行最終裝配，并調整車燈的顏色。

▲圖5 將來狀態圖

▲圖6 第二輪模擬工作站

在第一輪模擬的生產流程中，很大一部分浪費要歸咎于推動式的生產方式，所以有必要在第二輪模擬中根據顧客的需求進行生產。在這里引入了看板，從離顧客需求最近的包裝工作站開始，前面的工作站通過看板卡和信號看板來獲得顧客需求的信息，并根據這些信息進行生產。

3.4 第二輪模擬

第二輪模擬過程從顧客發出訂單開始，訂單處理工作站將裝有顧客訂單信息的看板卡置于物料盒送至發貨工作站，發貨工作站通過用于傳遞產品及看板卡的看板架將信息傳遞至最終裝配工作站，最終裝配工作站通過信號看板向初裝配工作站核準索取所需的三種零件。信號看板在這里的作用是只有需要生產且缺少某種零件時，才向前方工作站索取。在初裝配和訂單處理工作站之間配有一個看板架，初裝配工作站通過看板卡向訂單處理工作站索取相應的零件。

總之，在第二輪模擬中使用看板管理，將第一輪模擬中的推動式生產轉變為拉動式生產，一方面避免了不必要的庫存，另一方面使信息流和物料流實現了同步，做到了完全按照顧客的需求來進行生產。

對于兩輪模擬的結果，最直觀的是比較訂單完成量及交貨時間。兩輪模擬訂單的累計時間對比見表3。

從表3中可知，在第二輪模擬中，不僅完成了預定目標的六個訂單，并且交貨時間還大大提前了。

4 總結

在第二輪模擬中，一個核心問題就是生產要圍繞顧客的需求來進行，生產的節拍應盡可接近顧客節拍。為此，在優化方案中，參與者們首先針對庫存的積累情況平衡了生產節拍，在庫存堆積最嚴重的裝配工作站加入三名參與者，并將其分為初裝配和最終裝配兩個工作站，大大改善了生產效率。其次，將第一輪模擬中采用的推動式生產方式改為由看板控制的拉動式生產方式，顧客下達訂單后，與推動式生產方式相反，拉動式生產方式從后往前拉動式調動資源，只生產需要生產的部分，使生產的節奏與顧客的節奏同步，使信息流和物料流同步。

綜上所述，參與者們通過親身實踐，一方面投入到模擬的企業生產過程中，另一方面利用精益生產的理念和工具對企業流程進行了優化，并在減少浪費，提高效率上取得了明顯的效果。筆者認為，參與此次學習工廠建設的學生們通過分工合作，不僅提高了對理論知識的應用水平，而且鍛煉了各自的交流能力，同時還達到了所提出的對于能力培養的預期目標。

表3 兩輪模擬訂單累計時間對比