基于价值流图的农机生产流程优化

熊宗慧，胡平平，曹东升，何志琪

（1.新疆大学 机械工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830047； 2.新疆大学 机械工程学院机械工程博士后流动站，新疆 乌鲁木齐 830047）

农业机械装备是提高农业生产效率、实现资源有效利用、推动农业可持续发展的重要的工具。近年来，农机生产模式逐渐发生改变，成本、质量和交货期成为决定农机企业生死存亡的关键因素，上述因素取决于设备是否合理配置、产线是否平衡、物料是否及时配送［1］，因此优化农机生产流程，有利于实现企业精益化管理。价值流图（value stream mapping，VSM）可帮助企业有效地识别生产过程中的价值活动，消除浪费，促进精益生产［2］。周健等［3］提出价值流图析的客户定制产品系统，帮助企业快速响应客户需求［3］。高留艳等［4］利用价值流图，改善胶轮生产线，缩短生产周期。Busert 等［5］将价值流技术与信息流控制方法结合，优化生产流程。Behnam 等［6］将VSM 与层次分析法结合，促进服装企业精益化生产改革。Balaji等［7］将VSM与工业互联网结合，持续监控设备参数，降低了人员对专业知识的依赖程度。国内外学者发现，近年来价值流图被越来越广泛地应用于生产线优化，但将价值流与仿真技术相结合，并应用在多品种小批量混流生产的农机制造流程优化中的较少。

以M农机制造车间生产流程为例，分析生产线现状，绘制价值流现状图，在此基础上提出改善策略，并进行仿真优化，实现生产资源的合理配置，缩短生产周期，提升快速响应市场的能力。

1 生产现状及问题分析

M 公司是一家综合性农牧机械企业，涉及产品设计、制造、销售等业务，主要生产玉米收获机、耕种机械、农产品加工机械等。随着农机制造行业竞争日益激烈，在市场经济形式萧条的影响下，企业利润被压缩。因此，提高企业生产能力、保证及时交付产品，是企业立足和发展的关键。通过调研分析可知，该农机企业的主要问题出现在零部件的生产环节。本文主要以该企业的农机制造车间生产流程为例展开研究。

1.1 M农机制造车间生产现状分析

该企业的订单流程如图1 所示。顾客下单后，由销售处理订单，汇总订单并发送至运营部，根据订单总数及理念销量数据，制定生产计划。采购部核对物质，制定采购计划进行采购；研发部编制产品物料清单（bill of material，BOM）及技术资料，发送至生产部，生产部综合考虑生产计划、产品BOM、技术资料，制定月和周生产计划并安排生产。

图1 订单流程Fig.1 Order business process

1.2 产品数量分析和工艺路线分析

M农机制造车间主要生产内部装配车间农牧产品的零配件，利用产品数量（product quantity，PQ）分析研究上一年的产品，结果如图2 所示。由图可知，Y2600、Y3150和Y8300产品数量最多，分别占比均为24.76%，Y4B次之，占比为16.28%。对主要产品进行PR分析，Y2600、Y3150、Y3000和Y2400的工艺流程相同。结合产品占比考虑，将Y2600、Y3150 和Y2400这3种产品划分为产品族展开研究。

图2 主要产品PQ分析Fig.2 PQ analysis diagram of the main product

该产品族具体流程为：厚板件经等离子切割后，将其配送至物料区等待折弯和剪板；使用激光切割薄板件，将其送至物料区等待折弯和剪板；型材完成锯、车、铣后，被送至物料区，与加工成型后的薄板件、厚板件、标准件和外购件组装，再进行检验和动平衡加工，整个加工过程完成。使用秒表测时法，分别记录各工序平均操作时间，车间工艺数据见表1。

表1 车间工艺数据Tab.1 Workshop process data sheet

1.3 价值流图分析

根据M公司价值流动及现场收集的数据，按照标准绘制M 公司加工流程现状价值流图，如图3 所示。图中，FIFQ 为先进先出。根据计算价值流图增值时间（value added Time，VAT）、非增值时间（non-value adding time，NAT）和增值比（value added ratio，VAR）［8］如下：

图3 现状价值流Fig.3 Current value stream

式中：（TCT）k为第k个工序的生产周期时间；()k表示k至k+1 个工序的间隔时间。其中，增值时间为446 min，非增值时间为94.6 h，增值比为7.29%。

分析数据的时间较长，存在人员等待、设备闲置、物料运输等浪费，导致非增值时间过长，从信息流和工艺流角度分析具体原因。计算产线平衡率，5 d 交付50 件产品，生产节拍P=每天可用工作时间/客户需求节拍=（9×2×60×5）/50=108 min。由于车间作业环境及高强度作业影响，生产节拍宽放系数取7%，生产线节拍为［100.115.56］ min，则计算产线平衡率ER如下：

式中：ti为各工序作业时间；TCT为瓶颈工序作业时间；n为工序数。

1.4 问题分析

结合农机供应链理论，以农机制造企业为核心，从信息流和工艺流两方面分析该企业的价值流动。

1.4.1 信息流方面的问题

（1） 销售部使用MDS软件汇总订单信息，运营计划部使用U8软件处理业务，目前2个软件不能相互转换，造成订单数据需重复上传，产生不必要的浪费。

（2） 根据历年数据预测订单，客户需求具有不确定性，所以预测结果存在较大误差。

（3） 运营部一次下达整年计划，后续加单或客户撤销订单情况频发，生产部不能及时调整产能，造成生产过剩或生产不足。

综上，为解决上述问题，需调整生产计划下达频率、促进员工业务软件的使用规范，以及提高订单预测准确度。

1.4.2 工艺流方面的问题

（1） 产线不平衡，各工序加工时间存在差异，作业量分配不均，生产线平衡率仅为57.3%，仍有提升空间。

（2） 换模时间长，该产品族的生产由3 种板材加工完成，加工中需多次换模，尤其折弯工序需针对不同板厚及板材型号更换模具，如摆放混乱，易增加作业人员寻找模具时间。

（3） 在制品过多，由于预测不准确导致，采购过量堆积在板料区，影响物流运输，同时设备加工不考虑前后工序需求，导致生产过量，在制品堆积。

综上，产线不平衡、换模时间过长和在制品积压是该生产车间亟待解决的问题。

2 优化方案设计

根据分析结果，结合精益思想，使用“5W1H”提问法和ECRS分析法、快速换模法等方法优化方案。

2.1 培养员工业务能力，提高信息传递及预测准确性

对各部门员工开展数字化软件操作培训，规范软件使用标准，实现信息共享，精简操作流程，提高工作效率。销售部和运营部考虑农机贴补及国家政策，采用智能算法完成预测，确保预测准确性。经改进，将销售部处理订单时间缩短至2 d，将运营部业务处理时间缩短至1 d。

另外，企业按订单制定总生产计划，生产部根据总计划制定月和周计划，无法应对紧急加单的情况。因此，运营部需考虑细化生产计划，制定年度计划时，综合考虑订单波动对季度和月份生产计划的影响，提高计划制定和下达频率，有利于生产部分解计划，确保按时完成任务。

2.2 合理设置库存模式，减少等待浪费

加强库存控制信息化管理，将销售、生产和采购相结合，实时反馈物料流转情况，及时补货和采购［9］。此外，供应商根据生产计划定时送货，避免发生因板材过多阻碍生产，或板材过少影响生产的情况。考虑车间面积，计算库存量，并控制加工数量。库存量q的方程式如下：

式中：z为服务水平系数；μl为平均提前期；μd为平均日需求量；σ2d为日需求量的标准差；σl为提前期下的标准差。

2.3 改善工艺，平衡生产线

生产中主要存在产线不平衡、换模时间过长、在制品堆积等问题，针对上述问题，采用ECRS 分析法及快速换模法（single minute exchange of die，SMED）换模进行优化。在提升作业熟悉度、确保物料及工具放置的便捷性和加强各部门协作的条件下，调整上述生产路线的10 道工序。折弯工序需多次换模，使用SMED 法［10］优化折弯工序，减少换模时间，提高作业效率。锯床切割及车削作业时间过短，且区域距离较近，可将其组合。1台动平衡机器可满足生产能力，因此取消1 个动平衡工位，将员工调配至铣削组，减轻作业压力。检验作业较简单，且在装配完成后开始，可重新规划装配及检验人员作业内容，先将检验人员并入装配小组，减轻装配压力，平衡生产线。

2.4 实行拉动式生产

农机车间采用推动式生产时，生产部将指令发送至各工序，工人按任务加工，不考虑前后工序生产需求。拉动式生产从市场需求出发，借助工序零部件加工，确保在适当的时间加工适当数量的产品［11］。同时在折弯物料区及装配物料区设置超市模式，控制生产，减少等待浪费。

3 优化结果分析及仿真验证

3.1 优化结果分析

根据优化策略，结合实际情况，绘制未来价值流图，如图4 所示。由图4 可知，生产中，TVAT=409 min，TNAT=61.9 h，TVAR=9.91%，根据式（4）可得ER=90%。

图4 未来价值流Fig.4 Future value stream map

生产线优化前后对比见表2。由表可知，生产周期短到了3.43 d，产线平衡率提高了32.7%，增值比提高了2.62%，优化效果明显。

表2 生产线优化前后对比Tab.2 Comparison table before and after production line optimization

3.2 仿真验证

利用Flexsim 软件建立生产线模型，设置模型参数，仿真时间为5 400 min，结果输出见表3。

表3 模型仿真结果Tab.3 Model simulation results

由表3可知，优化后一周内生产72件，满足客户订单需求，加工效率提升了44%，加工周期为3.67 d，与未来价值流结果基本一致，保证了价值流图分析方法的客观性。经优化后，可较大地提升生产线稳定性和连续性，使得整体生产系统更流畅。

4 结语

以农机制造车间生产线为例，将价值流图方法与Flexsim 仿真技术结合，采用价值流图识别生产中的问题，通过仿真软件模拟运行，验证优化方案的客观性。结合精益生产方法，从信息流和工艺流角度提出改善方案。优化后的生产线周期缩短了31.4%，生产线平衡率为32.7%，非增值时间缩短了34.5%，增值比提高了2.62%，较大地减少了生产浪费。价值流图能帮助企业确定优化的方向，再结合对应方法提出改善策略。文中采用精益生产与仿真技术结合的方式，优化生产流程，在日后研究中，可考虑使用智能算法进行改善。