面向精益生产的学习工厂建设

□ 王 瑞 □ 张为民，2

1.同济大学中德学院 上海 200092

2.同济大学机械与能源工程学院 上海 200092

1 学习工厂概述

目前，学习工厂在国外是一个热点课题。德国的许多高校都开发建立了自己的或与企业合作的学习工厂。美国近些年以生产工程教育合作组织为代表，在国内推广了学习工厂的模式，并取得了显著的成绩。目前，美国已有40多家大学和100多家制造企业加入学习工厂的学习模式，几年来已有10 000多名学生在学习工厂中创造了1 200多个制造业的产品或者项目［1］。学习工厂的模式在2006年获得美国国家工程院的最高荣誉戈登奖，并于2014年起在制造领域最顶尖的学术会议国际生产工程科学院（CIRP）会议上作为一个单独的主题而存在。在2016年的CIRP会议上，还为此成立了一个协同工作小组。2017年CRIP会议关于学习工厂的报告显示，学习工厂和相关的学术文献数量大幅度上升。图1所示为CIRP会议报告中学习工厂相关学术文献数量的趋势，图中的学习工厂和教学工厂曲线反映的是这两个关键词在学术文献中出现的频次趋势。因为学习工厂与教学工厂在本质上是近义词，所以笔者在本文中所述的学习工厂包括了教学工厂。

▲图1 学习工厂相关学术文献数量趋势

对于学习工厂一词，目前学术上仍没有统一的定义。学习工厂领域的先行者Abele［2］提出，它是一个以教学为目的，向学生或在职人士提供真实生产制造过程的场所，在这个场所可以配合不同的教学主题对于不同领域进行实践练习。

慕尼黑工业大学的 Müller［3］提出：经常参与学习工厂的学生们，通过不断的实践锻炼，可以实现对自身实际职业能力的不断提升，达到对自身的改善。

斯图加特大学的 Riffelmacher［4］在其著作中阐述了学习工厂包括产品选择、场地建设和教学主题等在内的指导方法。Steffen等［5］提出将学习工厂的属性分为运营方式、目标群体、装备和教学模式，并提出使用形态分析法对各个模式进行路线的选择。波鸿鲁尔大学的Kreimeier等［6］对德国高校的学习工厂进行了阐述，并对其教学方法作了总结，探讨了如何在实际加工环境中贯彻学习工厂的教学模型［7］。

结合上述描述，学习工厂可以定义为以项目为导向，基于制造业的产品周期，整合相关专业课程与实践环节的学习过程，并付诸实践，其目标是应用基本理论与知识，通过交流、构思、设计、制造及团队工作，互相学习和自我学习，进行跨学科交流与合作，研究市场与消费者的需求，创造新型产品，解决各种技术与工程问题、商务问题，培养高质量的现代工程师。

因项目导向的特点，在发展中，学习工厂已不再局限于教学或培训的用途。利用学习工厂的软硬件设施，结合不同的项目特点，可将其作为高校的科研工具或企业的咨询工具。以波鸿鲁尔大学为例，该校的学习工厂被用来完成多个与德国教育部合作的科研项目，如优化加工中的能源效率问题等。

学习工厂如今涉及众多主题，表1为根据德国生产技术科学协会2015年出版的学习工厂项目手册总结的德国各高校学习工厂项目。以波鸿鲁尔大学为例，其学习工厂主要包括三个主题：流程改善、资源有效利用、管理与组织。流程改善包含了精益生产和工业工程的许多内容，通过实践的方式培训员工。资源有效利用是提高竞争力的重要途径，除了典型的时间、成本和质量指标，能源和物料效率成为新的指标，学习工厂为此提供了环境。管理与组织主要关注人的因素，注重员工之间的团队合作，包括跨部门的合作。

表1 德国各高校学习工厂项目

2 精益生产概述

精益生产，源于丰田生产方式，由美国麻省理工学院组织世界上17个国家的专家、学者，花费5年时间，以汽车工业这一开创大批量生产方式和准时制的典型工业为例，经理论化后总结得出。“精”表示精良、精确、精美，“益”表示利益、效益等，精益生产就是及时制造，避免故障，消除一切浪费，向零缺陷、零库存进军［8］。

数十年来，实施了精益生产的制造企业在产品设计开发、生产制造、信息管理及客户服务等方面获得了巨大成功。一些专家指出，中国企业与世界先进企业之间的差距，主要不在于生产设备等硬件层面，而是在于管理和生产方式等软实力，实行精益生产是解决中国企业发展问题的一个良好对策［9］。

为此，中国很多高校的机械学科也都开设了关于精益生产的课程，但一般只涉及理论层面，在实践方面少有涉猎，这导致了学生虽然在课堂上得到了理论知识，但在未来的工作中却难以将其应用。麦可思机构对2012届部分高校社会需求与培养质量的调查显示：2012届工学本科毕业生教学中最需要改进的地方为实习和实践环节不够，比例达到44%。精益生产中的一些重要概念，如看板、价值流、拉动式生产等在传统课堂上对于学生而言是比较生涩难懂的，而前面所提到的学习工厂则能很好地应对这个问题。因此，笔者以精益生产为主题，设计一个简化的、可在相对小的空间内运行的学习工厂。

3 面向精益生产的学习工厂

笔者所设计的面向精益生产的学习工厂，在同济大学中德先进技术制造中心进行了一次运行，其中用到的理论方法主要为价值流程图。价值流程图是精益生产中的一个重要工具，它是一张包含着数据的流程图［10］，对生产制造过程中的周期时间、停机时间、在制品库存、原材料流动、信息流动等情况进行描摹和记录，有助于形象化当前流程的活动状态，从而对价值链和各环节的浪费有一个全局观察。价值流程图是精益改善的基础，应用范围广泛［11］。通过对生产流程的分析，构造现有的价值流程图，同时引入生产线平衡、看板拉动及持续改善等精益生产思想方法，可以缩短非增值时间和产品周期，降低生产成本［12～15］。

笔者设计的学习工厂分为以下几个模块。

（1）第一轮模拟。用乐高玩具车为产品，采用传统的推动式生产方式。

（2）价值流程分析。使用价值流程图对第一轮模拟的情况进行分析，绘制当前状态图。

3) 为了保证阀门泄漏等级达到Class VI，该阀门采用金属支撑的软密封结构，即在软性材料的旁边有金属限位平面。阀芯软密封环通过螺纹压紧在阀芯体上，阀芯和阀座之间通过斜锥面密封，有效密封宽度4 mm左右。该阀门阀芯头部带18 mm左右延伸段，该结构优点：

（3）价值流程设计。在当前状态图的基础上，通过引入精益生产方式优化企业流程，绘制将来状态图。

（4）第二轮模拟。使用优化后的方案进行第二轮模拟，并比较与第一轮模拟交货时间的区别。

3.1 第一轮模拟

在第一轮模拟中，首先将要模拟的企业流程划分为如图2所示的几个工作站，每个工作站由两名操作员负责。除了图中所示的工作岗位以外，还安排了两名负责运输产品的运输专员，他们的职责是随时等待各工作站的呼叫，并将所需的产品带到下一个工作站。为了对第一轮模拟的成果进行价值流程分析，以发现其中存在的浪费现象，还需要一两名学生作为价值流程专家，负责观察整个生产线的模拟流程，并绘制价值流程图。

为直观地展示第一轮模拟的概况，用一张简化的价值流程图标明生产过程中物料流和信息流的流动，并详细介绍各工作站的内容。第一轮模拟采用推动式生产，其价值流程图如图3所示。

顾客工作站的任务是下达乐高玩具车的订单至生产计划工作站。生产计划工作站从顾客手中接过订单后向供应商预定与订单相应的零件。供应商工作站从生产计划工作站获取零件预订单后，将所需的乐高玩具车零件通过呼叫运输专员的方式将零件送到订单处理工作站。订单处理工作站接到顾客订单和从供应商处得到的零件后，将零件和订单一起放入物料盒，并通过运输专员送至装配工作站。装配工作站是本次模拟工作量最大的岗位，操作员需要将从订单处理工作站得到的零件组装成完整的乐高玩具车，并按照顾客订单的要求对车灯的颜色进行调整。在装配完成之后，操作员需将乐高玩具车放回包装盒，并和顾客订单一起送到贴标签工作站。贴标签工作站操作员使用标签机将带有订单号的标签贴到产品包装盒上。贴完标签后，操作员呼叫运输专员，将产品和订单送至质检工作站。质检工作站操作员需要对完成的产品进行质量检验，检查是否正确完成了装配及车灯配置是否符合顾客订单的要求，合格的产品送至包装工作站。包装工作站操作员将产品装入空的乐高包装盒内，使用细绳打结并送至发货工作站。发货工作站为第一轮模拟流程中的最后一个工作站，操作员将从包装工作站得到的产品连同顾客订单卡一起放入物料盒中，并通过运输专员发货至顾客工作站。

在第一轮模拟结束后，参与者们分析总结第一轮模拟的成果。表2为第一轮模拟订单的累计时间对比。

▲图2 第一轮模拟工作站

表2 第一轮模拟订单累计时间对比

由表2可知，在30 min的模拟时间内，原定目标是完成五个订单，而实际上只完成两个。模拟过程中，装配工作站前堆积了大量库存，这一方面是由于装配工作站的两名操作员之前没有对该乐高玩具进行过装配，熟练程度不够；另一方面是因为装配在整个流程中相对于其它环节时间较长，生产节拍不一致。

3.2 价值流程分析

操作员以图3所示价值流程图为基础，结合自己在实际操作中的经验，一起讨论了在第一轮模拟中产生的浪费现象及其原因，如图4所示。

参与者们经讨论认为，库存过多是本次模拟的六个订单只完成了两个的主要原因。每个工作站前都积累了库存，其中装配工作站积累的库存最多。这些库存在没有调控的情况下通过推动式生产不断往前堆积，严重影响了生产效率。

造成库存数量过多的一个重要原因是低效率的交流方式，以及对运输专员的过度依赖，这一方面造成了信息流和物料流的不同步；另一方面使运输路径不畅，在等待运输的过程中造成了大量浪费。

生产节拍不一致也是造成浪费的一个重要原因，各工作站的节拍时间相差较多，没有进行互相协调。

▲图3 第一轮模拟价值流程图

经过以上分析，针对第一轮模拟中出现的问题，提出使用精益方法和工具对整个流程进行优化，并在第二轮模拟中实施。

▲图4 第一轮模拟浪费现象及原因

3.3 价值流程设计

参与者们通过价值流程分析确定了生产流程中的浪费现象，并使用价值流程设计的方法，得到如图5所示的将来状态图。

经参与者的讨论，将第一轮模拟中的工作站布置调整如图6所示。从图6中可以看到，几个相邻工作站的桌子被排列为一排，发货和顾客工作站也被安排到一起，这样一方面可以使物料通过先进先出（FIFO）的原则实现持续流动，降低不必要的库存；另一方面可以调整第一轮模拟中的运输专员，将他们安排到其它工作量较大的工作站，如装配工作站。

此外，针对第一轮模拟中的库存堆积状况，参与者们根据顾客节拍平衡了各工作站的操作员分配，最明显的是在装配工作站，装配被分为初装配和最终装配，其中初装配工作站由三位操作员负责，对应乐高玩具车的三种零件。最终装配工作站由两位操作员组成，负责按照订单要求对三种零件进行最终装配，并调整车灯的颜色。

▲图5 将来状态图

▲图6 第二轮模拟工作站

在第一轮模拟的生产流程中，很大一部分浪费要归咎于推动式的生产方式，所以有必要在第二轮模拟中根据顾客的需求进行生产。在这里引入了看板，从离顾客需求最近的包装工作站开始，前面的工作站通过看板卡和信号看板来获得顾客需求的信息，并根据这些信息进行生产。

3.4 第二轮模拟

第二轮模拟过程从顾客发出订单开始，订单处理工作站将装有顾客订单信息的看板卡置于物料盒送至发货工作站，发货工作站通过用于传递产品及看板卡的看板架将信息传递至最终装配工作站，最终装配工作站通过信号看板向初装配工作站核准索取所需的三种零件。信号看板在这里的作用是只有需要生产且缺少某种零件时，才向前方工作站索取。在初装配和订单处理工作站之间配有一个看板架，初装配工作站通过看板卡向订单处理工作站索取相应的零件。

总之，在第二轮模拟中使用看板管理，将第一轮模拟中的推动式生产转变为拉动式生产，一方面避免了不必要的库存，另一方面使信息流和物料流实现了同步，做到了完全按照顾客的需求来进行生产。

对于两轮模拟的结果，最直观的是比较订单完成量及交货时间。两轮模拟订单的累计时间对比见表3。

从表3中可知，在第二轮模拟中，不仅完成了预定目标的六个订单，并且交货时间还大大提前了。

4 总结

在第二轮模拟中，一个核心问题就是生产要围绕顾客的需求来进行，生产的节拍应尽可接近顾客节拍。为此，在优化方案中，参与者们首先针对库存的积累情况平衡了生产节拍，在库存堆积最严重的装配工作站加入三名参与者，并将其分为初装配和最终装配两个工作站，大大改善了生产效率。其次，将第一轮模拟中采用的推动式生产方式改为由看板控制的拉动式生产方式，顾客下达订单后，与推动式生产方式相反，拉动式生产方式从后往前拉动式调动资源，只生产需要生产的部分，使生产的节奏与顾客的节奏同步，使信息流和物料流同步。

综上所述，参与者们通过亲身实践，一方面投入到模拟的企业生产过程中，另一方面利用精益生产的理念和工具对企业流程进行了优化，并在减少浪费，提高效率上取得了明显的效果。笔者认为，参与此次学习工厂建设的学生们通过分工合作，不仅提高了对理论知识的应用水平，而且锻炼了各自的交流能力，同时还达到了所提出的对于能力培养的预期目标。

表3 两轮模拟订单累计时间对比