精益5S现场管理对提升员工生产效率问题的研究

■ 夏佳钰 龚其国

中国科学院经济与管理学院 北京 100190

0 引言

精益生产现场管理源于日本丰田汽车公司的生产体系，强调通过消除浪费、优化流程、提高生产效率来实现卓越品质和更快交付。其核心理念是通过全员参与、持续改进的方式建立起高效、灵活、适应性强的生产系统。丰田精益生产作为一种先进的生产管理理念，在降本提效方面表现出显著的优越性。这一理念已经在全球范围内得到了广泛应用，并在很多行业展现出了显著的效果。此外，工业4.0 和精益生产的协同作用能够有效地将现代数字技术与精益理念结合，为企业实现智能制造提供稳定、灵活的管理流程[1][2][3]。

在精益生产的持续改进过程中，首要任务是进行现场改善，从而有效地管理产品质量、提升效率以及确保生产安全性。在今井正明所著的《现场改善》一书中，提出企业改善的对象为质量、成本和交付（Quality, Cost,and Delivery, QCD），而QCD 同时也是现场改善的结果[4]。其中5S（具体释义见下文）是实现精益高效的QCD目标所必不可少的改善活动，被视为制造业公司实施现场改善不可或缺的步骤[5]。在丰田精益生产方式中，5S 是指对生产现场的人员、机器、材料、方法等生产要素进行有效管理的一种企业管理办法，是丰田现场管理中的首选环节。

本研究将首先对精益生产现场管理的理论和实践进行综述，探讨现场管理对实现精益生产、提升企业效益的重要性。此外，通过对精益现场管理的重要途经——5S 改进活动进行模型化，以定量、定性结合的方式说明其对员工生产效率的促进作用，同时为企业管理者理解丰田精益生产现场管理提供更深入的阐释，促使企业在实际生产过程中更好地实行精益改进。

1 文献综述

1.1 关于精益生产的文献综述

在丰田的生产方式中，精益意味着消除非增值活动（浪费），改善意味着持续改进，意图通过低成本的微小改进不断消除浪费。有大量学者对精益生产进行了广泛的理论和实践研究，证明了精益生产的有效性[6]。Primo 等学者通过案例研究说明了精益生产模式对小批量、高复杂性的制造项目的按时交付具有积极作用[7]。Arya和Choudhary研究了丰田精益模式在印度某家小规模工业企业的改善效果，结果显示丰田改善策略能够大幅减少产品的交货时间，并且5S能够使员工养成保持工作场所清洁的习惯[8]。在Kumar 等人的案例实践中，采用“5 Why”作为方法论的精益改善实现了降低库存水平、缩短交货时间和周期时间、消除返工、提高生产率和改进产品质量的卓越成果[9]。

现场管理和改善是丰田精益生产中的重要一环。从狭义上理解，现场是企业制造产品或提供服务的地方。日本著名企业家，丰田生产方式的创始人大野耐一曾经说过：“解决问题唯有依靠生产现场……报告的数据可以编造，现场才是展现问题的地方，因为现场有事实，有数据。”大野耐一强调了“现场”对制造企业的重要性，从而提出管理人员需要重视“现场”，并依据对“现场”的认识与了解来指定决策。

然而，尽管精益生产具有诸多潜在优势，企业在实践精益生产时所面临的困难也显而易见，研究者们已经认识到实施精益改进的成功率非常低[10][11]。根据一项针对精益生产改进结果的研究显示：有50%以上的业务改进计划在长期运行中失败，高达70%的计划未能实现期预期收益[12]。相关研究显示了软精益（soft-lean）与精益生产模式的成功实践之间的正向关系[13]。与强调改进方法、技术、工具的硬精益（hard-lean）相对，软精益注重管理层和员工的参与和承诺，包括培训、学习和团队合作等活动。相关研究论证了组织文化概况与领导风格和精益制造实施水平间的相关性[14]。Chaple等[15]学者采用长期短期记忆网络（Long Short Term Memory, LSTM）模型推导出管理时间、监督能力和高级管理能力的欠缺是阻碍企业实施精益的最大障碍。

因此企业需要不断调整和适应精益生产文化和生产管理模式以应对持续改进的艰巨压力。深入研究这些问题有助于更全面地理解精益生产的实际应用情境，为企业如何保持持续改进动力提供关键见解。

1.2 关于生产复杂性的文献综述

在企业的流水线生产过程中，每一个工作站的工人都需要完成相应的产品工序，并按加工顺序移交至下一个工作站。据统计在现代制造中装配工作量占整个产品研制工作量的20%至70%，装配时间占制造时间的40%至60%[16]。产品的装配速度不仅取决于科学的技术设计，与此同时，工人作为流水线中主要的工作人员，其工作效率能够极大程度地影响整条生产线的生产速度。

有大量文献针对装配流水线生产系统如何平衡生产线柔性和生产效率进行了相关研究。部分学者研究了制造系统中复杂性的定义和建模。Zeltzer 等将装配复杂性的定义为所有技术和人机工程学因素的总和，复杂的生产流程和繁多的生产任务要求工人在生产中集中精神，需要思考的工作同时也容易增加工人的生产压力并容易产生生产错误[17]。复杂性模型通常可定义为客观复杂性和主观复杂性。Gullander 等学者的研究强调了主观复杂性的重要性，主观复杂性取决于员工能力、工作信息和生产环境，决定了员工的工作表现[18]。Yuan 等学者从物理负荷和认知负荷两个方面对装配复杂性进行分类，分别考虑工艺深度的复杂性、操作过程的复杂性和认知过程的复杂性[19]。本研究在后续的研究中主要探讨精益5S 现场管理对员工认知复杂度的影响。

在过往研究中，员工的认知复杂性通常由系统的信息和熵(随机性)来建模，并分为静态/动态复杂性和主观/客观复杂性。在过往的文献研究中，特别是混装流水线的相关文献，学者通常采用信息熵（information entropy）来衡量员工工作的认知复杂度[20][21]，见式(1)：

其中M表示员工在生产作业中可选择工具的数量，p(xi)表示每种工具的使用频率，信息熵H(X)的单位为Bit。

若系统中每一种情况发生的可能性相等，那么式(1)可简化为：

此时H(X)大小只与M有关。

根据Hick-Hyman’s Law，员工在面对复杂度H的选择环境时，其生产时的平均反应时间（Reaction Time）与环境复杂度呈线性正相关关系[22][23]，如式(3)所示：

其中a,b> 0，H为生产现场的环境复杂度。式(3)表明生产环境越复杂，员工在生产时所需的决策和反应时间越长。

因此，车间工作人员，特别是在流水线上需要对工作台上部件进行快速挑选和组装部件的流水线员工，其平均反应时间与当前的环境复杂度成正比。由此可得，从员工角度出发，丰田精益生产方式中的5S不仅从现场改善的角度优化了工作环境，同时也能够从信息负载层面极大程度地改善工人的生产效率。

本研究从减少现场冗余物品，从而减少员工决策时间的角度，对实行5S前后的工作台复杂度进行了建模。

2 5S对员工生产效率的影响分析

5S改进活动起源于日本，主要包含以下5点：

（1）整理（Seri）：区分现场需要和不需要的物品，并且处理掉后者；

（2）整顿（Seiton）：将整理后需要的物品进行整齐有序的摆放；

（3）清扫（Seiso）：保持机器和环境卫生的整洁；

（4）清洁（Seiketsu）：工人自身也要做到干净整洁，并且持续执行以上3步；

（5）教养（Shitsuke）：保持自律，通过建立标准养成持续5S的习惯。

上述5个步骤的名称来源于日语名称的罗马拼音转译，均以“S”开头而简称5S管理。

5S中的“整理”和“整顿”两个步骤，能够使得工作现场的环境更简洁有序。“整理”，是去除现场不需要的物品，（《现场管理》一书中将其定义为30 天内用不到的物品以及减少同一种物品数量），而“整顿”则代表其现场保留下来的物品进行规范的放置。在《做事的科学：细节与流程》中，作者将“整理”这一步骤看作是消除废物产生的变动性，将“整顿”看作是消除混乱秩序产生的变动性。

员工在现场工作台上的生产过程中，需要在多种生产工具中找到当前所需的并进行生产操作。如果工作台上有大量杂物并且现场物品的摆放十分杂乱，那么对于员工来讲在现场快速地选取其所需部件一定是较为耗时耗力的。首先，员工需要在现场众多杂物中判断是否有其当前所需的工具，并由于现场混乱无序的物品摆放，员工需要从不同的放置工具的地点来逐个找寻所需工具的位置。因此，员工工作台上当前工具数量的多少以及工具是否有序摆放都会对员工的认知负载产生一定程度的影响。

基于上述例子，本研究将员工的认知复杂度定义为现场物品的多样性HD和物品放置的混乱度HC，假设现场的物品数量为n，能够放置物品的区域有k个，k≥n，且同一个区域只能够放置一个物品。

那么，设物品的多样性HD的公式为：HD=log2n，HD大小和现场物品的数量有关。物品放置的混乱度HC则与现场物品是否有序归置有关。5S 改进前物品放置的混乱度HC为：HC=log2k，HC大小由现场工具可放置的地点数量k决定。此时由于现场物品没有明确的归档，因此“物品-地点”的对应关系有k种。

在实行5S之后，“整顿”步骤要求员工将现场的生产工具进行合理有序的归置摆放，“物品—地点”的对应关系是唯一的，此时员工只需要明确自己所需的物品是那种以及是都在现场，就能够根据记忆在特定位置找到该工具，此时k= 1，HC=log21 = 0。

在定义了现场物品的多样性HD和物品放置的混乱度HC的基础上， 本研究将现场复杂度H定义为：

根据上述定义，接下来对员工实行5S前后的员工信息负载进行建模分析。在实行5S前，工作台现场的生产工具没有明确的规整，现场物品中往往会有组多杂物，且摆放混乱，此时员工的认知负载为：

假设现场的原物品数量为n，其中θn数量的工具在日常的使用频率总和为p(p≥θ)。以二八定律为例，当θ= 0.2，p= 0.8 时，现场工具中使用频数排名前20%的工具，其使用次数总和占了日常生产事件的80%。这意味着现在有很多物品或者是工具的使用频率极低，在现场不仅占用了工作生产空间，也增加了员工的信息负载，并由此增加了产品的生产周期，降低了企业效率。

首先考虑5S中“整理”这一步骤，此时企业需要将现场不需要的物品及时清理掉，为员工的现场工作提供简洁的工作环境。“整理”后员工生产时的平均认知负载如式(6)所示：

在“整理”这一步骤中，企业通过改进活动将现场物品数量降为θn，剩余(1 -θ)n样物品则进行另外收纳，例如额外设置专门的地点用于存放日常工作中极少使用到的生产工具。但此时由于还没有物品对进行有序归置，且出于简化模型的考虑，仍假设“物品—地点”的对应关系数量仍k。

在此基础上，企业实行“整顿”这一改进活动，员工的现场认知负载为：

此时生产现场明确划定了各个工具的摆放区域，方便员工在需要使用某个工具时只需要去对应的收纳位置即可，而不需要额外花费时间在杂乱的工具堆中进行寻找。因此相较于H2，式(3)中H3的防止混乱度大小为1，员工的信息负载只与生产所需的工具数量相关。

根据前文对5S实行前后员工认知负载的定义，接下里对5S活动的改进行具体分析，如式(8)至(9)所示：

式(8)和式(9)分别表示生产现场实行“整理”和“整顿”之后信息负载的减少量。其中p,θ∈(0, 1)，k≥1，易得H1-H2> 0；θn, (1 -θ)n> 0，易得H2-H3> 0。说明将现场生产活动中使用频率极少乃至不需要的杂物清理，并进行有序归置，显然能够降低员工工作过程中的认知负载。

令h(θ,p)为员工实行5S 改进活动前后的认知负载之差，则可得

根据前文分析，显然h(θ,p) > 0。根据Hick-Hyman’s Law，5S 改进活动因此也能够降低员工的决策时间，提升产品生产效率。

结论1：企业实行5S 能够明显减小现场员工的认知负载（信息熵），并根据Hick-Hyman’s Law可推出员工能够由此减少在现场选取工具的决策时间。

根据前文所述的模型定义，进一步通过参数θ和p来定义生产现场的冗余度δ。5S改进的目的是为了减少现场的物品冗余，将使用频率高的物品留在现场的同时减少现场的浪费。因此企业会对现场物品根据使用频率降序排序，将使用频率很低的物品清理出现场。因此可以得出p≥θ，即企业实行5S 后保留了使用频率总和为p的前θn个物品，令冗余度。

接下来对h(θ,p)求偏导，具体求导情况见式(11)至(12)：

当θ∈(0, 0.5]时，与p呈非负的线性相关关系。

结论2：在θ∈(0, 0.5]，p∈[θ, 1)的区间范围中，实行5S 前后员工认知负载的差值h(θ,p)随着θ的增大而减小，随着p的增大而增大。可概括为，信息熵之差h(θ,p)随着冗余度的增大而增大。

综上所述，从员工认知复杂度的角度来看，实行5S能够有效的降低员工的决策时间，并且在θ∈(0, 0.5]条件下，原现场物品的冗余度越高，5S 的改善效果则越显著。

3 5S持续改进的重要性分析

随着制造业的不断发展以及顺应市场个性化需求的趋势，企业往往需要投入大量的人力和物力来提升生产的柔性化程度。而高柔性化程度不仅意味着企业市场竞争力的提高，同时也对员工的生产效率提出了巨大的考验。在过往的研究中，学者们引入生产线换线成本来综合考虑并最小化批量化和多样化生产之间的成本，其中包含经典的EOQ模型。但是对于企业员工来讲，更多的生产线产品意味着更复杂的生产工序以及更频繁的任务转换工作。

本研究已经从认知复杂度的角度通过信息熵衡量了员工在生产过程中的信息负载以及5S 改进活动对员工生产效率的影响，得出了在现场物品管理越混乱，5S对员工生产效率的提升作用越明显这一结论。在5S 改进活动中，整理（Seri）和整顿（Seiton）保证了现场没有呆滞物料产生的成本浪费，降低了混乱现场造成的员工时间浪费。清扫（Seiso）和清洁（Seiketsu）则使得现场保持机器设备的规整和员工的清洁，保证员工生产环境的干净明亮，降低现场安全事故的发生概率。而5S改进活动中的最后一步，也是体现精益生产方式持续改进精神的一步——素养（Shitsuke），即代表了企业在完成现场改善活动后，需要不断保持并维护改善成果，使得员工养成5S 的习惯，及时清除生产过程中带来的混乱，具备现场管理的意识。接下来考虑在高柔性化程度生产线上实施持续的5S精益改进活动对员工带来的影响。

假设在某一完成5S 改进活动的生产线上能够生产多种产品。对某一特定产品来说，令每生产一个批量的时间为一个周期，每个周期生产的产品数量为q，员工生产单位产品需要的平均时间为a+bH，在周期t= 1 时，员工的生产成本为：q(a+bH)。

在每完成一个批量的生产后，现场生产线都会产生一定的冗余和混乱，例如生产过程中产生的残次品以及未及时归位的生产工具。这些物品在生产工作台上不及时清理，就会产生物品混放的结果，给后续的生产带来干扰。在不失一般性的情况下，假设每一周期的生产过程会产生大小为h(h> 0)的信息负载。因此，在周期t(t> 1)员工的生产成本为：q[a+bH(1 +(t- 1)h)]。

考虑员工的5S 维护成本，假设从期初开始，员工选择在完成t个周期的生产后，才根据5S 改进结果对现场进行清洁维护，由于现场的信息负载是由HC(1 +HD) =HC+HCHD计算得出，存在二次项，因此考虑t周期后的维护成本为：m(ht)2。

在上述基础上，考虑两种维护策略：（1）员工在生产周期T(T > 1)后进行整理、整顿等清洁维护；（2）在每一周期员工都进行5S维护。对两种策略的成本进行比较。根据模型假设，T周期后策略1和策略2的成本之差为：

易得C > 0。平均每期的成本之差为：

对NC求偏导，可得：

从求导结果可以看出，每周的清扫维护不仅能降低下一周期员工生产的负担，同时从长期来看，每周进行维护成本也低于集中维护一次的平均成本，这与精益生产中的乌龟法则相照应。保持稳定、整洁和安全的生产环境，在每一次生产过程后及时地整理清洁现场，并使得员工养成良好的清洁习惯，是5S 中的最后一步——“素养”，是精益生产方式持续改善的具体体现。

结论3：企业在生产过程中，对于出现的问题及时响应、马上解决的做法，从长期来看不仅能够避免问题累计出现严重后果，同时也能降低员工生产成本，从而提升生产效率。

上文的分析表明：及时频繁的5S维护策略能够在保持5S改善效果的前提下，同时减少员工的维护成本和生产成本。接下来本研究进一步考虑在不同的柔性生产方式下，两种策略产生的成本之差的变化。设某一产品的总需求为Q，总生产周期，可得：

求一阶导，可得：

根据求导结果可以得出，在总需求一定的情况下，批量q越小，即生产线要求的柔性化程度越高，员工频繁改进的策略效果越显著，也进一步反映出在频繁换线的生产线上，不及时的5S改进维护会导致后续的问题累计从而产生更大的成本。

结论4：在一定条件下，高柔性化程度生产线的生产过程对及时高效的5S 改进活动需求程度更高。频繁的更改生产产品以及小批量的生产方式，整洁、一目了然的生产工作现场能够大大提升员工的工作效率。

4 研究结论

精益是一个强大的管理系统，该理论创造以来几乎适用于所有的制造业和服务业，并在生产实践中不断丰富和完善。然而在相当大的一部分实践和研究中，实施精益的企业并没有达到理想的生产目标。因此本研究尝试对于精益工具之一的5S改进进行研究和讨论，分析其对企业生产的具体影响。

本研究以现场管理中的5S改进为例，以生产员工的认知负载为切入点，通过信息熵对5S管理的进行了模型化，量化分析了5S 的改善效果，主要研究结论如下：（1）通过物品多样性HD和放置混乱度HC两个指标量化了生产现场的给员工生产带来的信息负载，论证了5S改进活动对员工生产效率的提升作用，并得出生产物品的摆放越混乱，5S改进对员工生产效率的提升效果越显著这一结论。（2）本研究进一步考虑了5S 改进后对生产现场的维护，比较了两种维护策略的成本，结论表明及时、频繁的维护策略更能保证企业的生产效率，特别是在高柔性化程度的生产现场。

基于本研究结果，对企业的管理人员提供如下管理启示：（1）关注生产现场改善。在当今强调技术进步和科技创新的发展背景中，企业仍需要持续关注生产现场的改善以更好地应对管理挑战。在这一前提下，企业管理人员需要重视生产现场的实际运作，保证员工生产环境的整洁有序，从员工主观认知角度提升员工的生产效率，改善员工生产体验；（2）长期持续的维护和改善。改善活动不是一蹴而就的，企业和员工需要在后续持续维护和改善生产现场，防止小问题逐渐累积成为企业生产的重大负累。因此本研究建议管理人员需要制定长期的改善计划，并鼓励员工持续参与和优化现场管理的改进，从而保持生产现场的高效运作，避免潜在问题的积累。