工厂精益设计的框架及实施方法，本文主要内容关键词为：精益论文,框架论文,工厂论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
0 引言
精益生产源于日本丰田管理方式（简称TPS），它的核心思想是消除浪费、持续改善[1]。它融合了单件生产方式及大规模生产方式各自的优点，同时避免了前者高成本的不足及后者低柔性的缺点。丰田公司正是凭借这种独特的管理方式取得了骄人的业绩。2006年，英国《金融时报》评出的全球企业500强中，丰田汽车公司位列第九，市场价值达到1967亿美元，比通用、福特和戴姆勒·克莱斯勒三者市值总和的2倍还要高；2009年3月美国《时代》杂志的调查结果显示，在美国轻型车市场上丰田的市场份额为18％、本田是10％，至于通用则稍稍领先，占22％。但2000年时丰田公司在美国的市场占有率仅为9.3％，该杂志预测到2010年，通用的份额很可能再次减半至11％，接近本田，而丰田就将成为美国汽车市场的领军公司。可见精益生产是一种被实践证明了的科学管理理念，并逐渐被越来越多的企业所学习和借鉴。我国在20世纪80年代末开始学习丰田，生产方式，一汽集团、上海大众、东风汽车等企业先后进行了精益生产的应用与推广[2]。在20多年的摸索实践中，部分企业取得了明显的成绩，但不少企业在应用精益生产的实践中存在误区，影响了精益思想在我国广泛和深入的推广。
在实践中，多数情形下精益生产仅仅被看作是企业改善的工具或手段，即对原有生产系统、物流系统、设备布置等进行改善，同时精益生产的应用也被局限于在企业生产环节。这种意识及应用上的误区，从根源上讲是没有把握精益生产的内涵，没有抓住“消除浪费、持续改善”这一精益思想的精髓，这些都影响了精益思想工厂改善功能的更好发挥。消除浪费根本途径就是消除浪费产生的根源，所以本文提出精益设计的概念，并对其框架及实现方法进行了阐述。
1 精益设计及实施意义
精益生产从本质上讲是一种理念、一种精神[3]，它的应用范围不应仅仅局限于企业的生产环节，否则改善所带来的效果提升有限，因为这种改善是在企业的生产过程中已经出现浪费问题的情形下进行的，所以不能从根本上消除浪费，只能起到“亡羊补牢”的效果。若想从源头消除浪费，应将精益理念应用到工厂设计环节，从工厂设计阶段开始就尽可能杜绝浪费的发生。本文提出精益设计的理念，希望企业在精益生产的应用中，摆脱误区的束缚，将精益设计的理念应用到企业管理的实践中。
精益设计（Lean Design for Factory）就是将精益理念应用到工厂的设计阶段，将精益理念、工厂设计、优化理论、系统工程等领域的知识进行融合，借助信息技术、优化算法，实现工厂的科学设计，进而从工厂的设计阶段就尽可能消除企业将来运作过程中可能发生的浪费根源，避免带有明显缺陷的工厂设计方案被付诸实施。
实施精益设计是实现精益生产的基础，它为工厂后期顺利推行精益生产创造了条件。否则，一个不是按精益理念设计的工厂，要实现精益生产是比较困难的。
同时，从工厂设计阶段进行消除浪费的工作，可以大大提升改善成功的概率。即精益思想应用的时间越早，实施改善活动的柔性就越大，改善活动成功的概率越大，系统所能得到的改善效果越显著[4]。图1显示了精益思想在不同阶段的引入可给企业带来的效益变化趋势。
图1 企业各阶段改善的收益—成本关系
另一方面，早期导入精益设计的理念可以弥补设计院在工厂设计过程中某些方面的不足，当前设计院对工厂的设计仅涉及到工厂布局、场地规划、设备平面布置等粗线条的活动，而对于设备加工能力匹配问题、物流成本问题、中间在制品问题及人员配备等问题没有给予足够的考虑，也没有考虑设计方案对市场及企业战略的适应性。设计方案中存在的问题，经过实际运行逐渐显现，有些问题会给企业造成巨额浪费，精益设计的实施可以弥补设计院对工厂设计工作的不足。
2 精益设计的体系及内容分析
2.1 工厂精益设计框架
精益设计的核心思想是将精益理念应用到工厂设计阶段，它将精益思想与传统的工厂设计相结合，并融合价值工程、人因工程、并行工程等先进的管理理念，强调在工厂布局、物流系统、工艺流程、信息系统等环节的设计阶段导入精益理念，实现从源头上消除企业的浪费，避免仅从某一局部去改善已经出现问题的生产环节。
工厂精益设计应包括原有工厂车间的设计改善及新建工厂精益设计两个方面，这里重点介绍精益设计在新建工厂中的应用，对于原有工厂的设计改善仅是在第一阶段将重点放在对工厂现行运行状况的数据整理与获取方面，后面的步骤基本一致。
精益设计的理论框架主要包括组建工厂设计联合小组、知识库的形成及知识库指导下的精益工厂设计方案的确定，见图2。
图2 工厂精益设计流程
2.2 精益设计的内容介绍
2.2.1 组建联合设计小组
为了更好地实现精益设计，需要组建精益设计联合小组，工厂设计联合小组成员应包括掌握精益理念的知识人员、工厂设计人员、企业领导者，同时还有必要加入企业的供应商并考虑消费者的意愿。他们之间相互交流、沟通并形成工厂精益设计知识库，指导工厂精益设计的实现。
2.2.2 确定工厂精益规模
确定科学的工厂规模是进行工厂精益设计的重要前提之一，它是合理地预测工厂所需空间、安排车间布局以及确定设备数量、布置方案及预留空间的重要依据。工厂规模主要取决于市场规模和市场上已有的供给量。如果市场容量很大，超过了工厂的“经济规模”，原则上讲，工厂可以按“经济规模”进行设计。否则，应根据当时的市场需求，“滚动发展”到“经济规模”。同时工厂规模需要适应企业战略规划，满足“一次规划，分步实施，滚动发展”的要求。
2.2.3 精益工厂构建方案
这一阶段要综合运用精益生产、系统工程、人因工程、企业管理等学科知识，借助并行技术、信息技术等手段，确定理论上符合精益理念要求的设计方案。主要包括如下内容。
生产线布置。基于精益思想的生产线布置要有这样几个特征：物流流动的一个流及同期化，员工的多工程化及多能工化，设备的整流化。U型生产线布置是精益生产的一个产物，其特点是生产线的出口和人口在同一个位置，利用这个特点灵活地增减现场的作业人员，同时这样也便于实现准时制生产的基本想。另外，U型生产线上工作站间距离较近，工人可以操作更多的机器，能够充分发挥团队合作精神[5]。
物流系统设计。按照精益生产的观点，物流活动是不增值的环节，因此精益物流系统设计的目标是在满足生产要求的情况下尽量减少物流成本，努力将物流服务过程中的浪费和延迟降至最低程度。
设备布置。要充分考虑各生产环节之间的关系，在实现产能要求的基础上，尽量做到各设备单元产能均衡，体现精益一个流的思想。同时设备的选择不以最先进为标准，应把体积小、投资少、具有柔性等指标放在首位[6]。
人员配备。传统的生产系统实行“定员制”生产，但这种方式在多品种、小批量的生产方式下，加大了企业成本压力、降低了企业的反应速度。“少人化”技术，能实现随生产量变化，弹性地安排作业人员。实现“少人化”的条件是要有训练有素、具有多种技艺的作业人员，即“多能工”[7]。
此外，设计工作还应包括工厂公共设施规划、信息系统设计等方面，应根据工厂的具体需求及企业的实际有选择地进行。
2.2.4 精益方案的评价
仿真技术是近几年兴起的一门技术，它可以较为准确地反映生产系统对环境变化的反应，并向决策者提供可视化的界面。通过仿真分析提供的各方案的物流成本、中间在制品量、设备利用率等指标数据，结合人因、生产柔性等指标，运用当前各种优化评价算法，可对设计方案做出科学决策。
2.2.5 浪费分析
消除浪费、持续改善是精益生产的精髓，通过对各方案的比较，可以对工厂各设计方案的运行状况有一个清晰的认识，综合运用价值流程图、约束理论、鱼刺图等工具，能发现系统运行过程中各非增值环节，如产能匹配、在制品库存等问题，对设计系统进行相应调整、优化，通过反馈机制实现原方案的改善。
2.2.6 确定精益设计方案
在设计系统的浪费问题得到解决后，企业的决策者就可以依据相应的判别准则选择工厂精益设计方案。企业的需求不同，所选的指标及指标的权重应有所区别。选择精益设计方案不是目的，关键是执行并在执行过程中实施标准化工程，不断消除工厂中的浪费。
3 工厂精益设计的方法
3.1 常见工厂设计方法的介绍
常见的工厂设计方法主要以从之表和相关图为设计依据或输入变量进行考虑，其中定性方法主要有缪赛提出的系统布置设计（SLP）方法、Reed的工厂布置方法；定量化方法主要有作业单位两两交换法、CRAFT法、图论法、混合整数规划（Mixed Integer Programming，MIP）等，目前也有学者将智能化算法，如模拟退火、遗传算法应用到工厂设计当中[8]。这些方法都从某种程度上为决策者进行科学的工厂设计、快速的选择设计方案起到了积极的作用，但这些方法也都有一定的不足。定性方法对主观经验依赖性大；定量方法对数据有严格的要求，应用过程中需对系统做出各种必要的假设。在系统规模较小，生产过程较简单的情况下，数学方法较适合，但在对复杂系统进行设计、评价时，若当部门较多、部门形状非矩阵形等情形下，各部分之间关系复杂、数据庞杂，数学方法难以取得理想的效果，同时在相关图的确定及量化等方面有待进一步完善。
实践中，设计院在进行工厂方案设计时，多采用专家意见法，设计过程中的主要依据是设计人员的经验及工厂提出的要求。这种方法主观性强，标准不易统一，且静态的设计模式难以反映各部分之间的相互关系，同时设计方案的实际运行状况难以显示，适应环境变化战略调整的能力也不具备。
鉴于此，本文将仿真技术应用到工厂的精益设计当中，仿真技术可使工厂设计具有柔性化和可视化的特征[9]，同时可以解决部门多、工艺复杂的设计问题，能更好地在设计阶段发现问题、消除浪费。
3.2 仿真方法在工厂精益设计中的应用优势
常见的仿真软件如eM- plant，VisFactory，eMWorkplace及通用软件Flexsim等都可以与精益理念结合，实现工厂精益设计。这些软件的主要优点如下。
（1）直观、可视。仿真软件通过一个三维的、直观的、可交互的仿真模型，使决策者清晰地了解各工厂设计方法的运行情况，成为科学决策提供信息服务的依据。
（2）能处理复杂设计方案。通过参数的调整、实体的改变，仿真模型可以较理想地处理各种部门较多、工艺复杂的设计方案，避免传统量化方法在处理复杂、多维问题方面的不足。
（3）良好的柔性。可以实现对诸如产品调整、订单变更、机器故障等各种动态的、难以预测的状态进行仿真。通过对各种例外情况的分析，实现工厂设计方案的科学决策。
（4）较强的数理统计功能。仿真软件可以在工厂设计方案仿真过程中，提供各关键指标的统计数据、图表，为设计者进一步分析原有企业或设计模型存在的问题提供了便利。
（5）合理的时间、费用消耗。通过实体参数的调整及仿真速度的控制，仿真模型可以在较短的时间内模拟工厂一个季度、一年及更长时间的运行情况，可以分析企业近期及中期的经营状况。在工厂设计者节约大量时间的同时，仿真建模分析的成本比其他方法要经济。
总之，精益设计较之工厂传统设计具有较大优势，两者之间的比较见表1。
4 仿真在精益工厂设计中的应用程序
应用仿真进行精益工厂设计主要包括5个步骤，见图3，项目前期需要成立联合工作小组，进行有效的信息交流，保证数据收集的完整性、准确性[10]。具体各步骤如下。
图3 仿真在工厂精益设计中的应用
（1）确定企业需求。不同行业的企业、不同发展阶段的企业对工厂设计有不同的需求。有的企业可能迫切需要找出原设计方案的瓶颈及在生产环境改变下企业可能遇到的生产问题；有的企业可能需要迫切解决产能问题；有的企业可能急需改善在制品积压的问题。工厂精益设计是个系统问题，涉及的因素、环节多，只有通过与工厂内部设计工作小组进行紧密的交流，才能明确企业的需求，有的放矢地进行精益设计工作。
（2）数据收集。按照企业进行精益设计的需要，收集各种相关数据，确定模型中参数、变量的分布情况，确定各个对象之间的关联性。数据整理过程中要保证数据的完整、可靠和及时性，这一过程同样需要保持与工厂设计小组进行密切交流，必要时实地进行工作研究或参照同类型、同规模企业的数据。
（3）模型的建立。模型建立应体现精益理念，同时要紧紧围绕企业的需求。只要可以满足企业需求，模型应尽量简化，这样可减少工作量，同时也能减少因不必要的干扰而引起的误差[11]。
（4）模型调试及确定。根据整理的数据及各个对象之间的关联，通过连线将各个对象按照一定的流程逻辑关系联系在一起。仿真模型的运行及调试是一个动态的复杂过程，只有通过反复的试验运行，才能取得合理的结果。
（5）方案的确定。在常态及适当扰动的情形下，运行仿真模型并进行分析，结合企业的当前需求及长期战略规划，采用恰当的指标进行工厂设计方案的选择。
5 结论
企业在导入及应用精益生产的过程中，应牢牢把握精益思想的内涵。精益工厂设计的提出及应用可以打破精益生产理论在实践应用中存在的误区，同时为企业进行改善活动、提高企业管理水平提供了一个新的角度。从工厂设计环节开始应用精益思想消除浪费环节，能够在相对可控的前提下，避免浪费的发生，改善活动的成功率及成效也会显著提升。精益设计在实践中的广泛应用，一定能为我国企业提升绩效、消除浪费提供一个理想的平台。