面向智能制造的工業(yè)工程和精益管理

齊二石 霍艷芳 劉洪偉

天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津，300072

0 引言

面對百年未有之大變局，我國把智能制造作為制造業(yè)未來發(fā)展的主攻方向，智能轉(zhuǎn)型成為支持制造業(yè)從高速增長模式向高質(zhì)量發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要途徑。很多大型制造企業(yè)紛紛進(jìn)入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程，有些企業(yè)在智能制造方面投入巨大，但實(shí)際效果不如預(yù)期，其原因是沒有練好內(nèi)功[1]。企業(yè)管理競爭力不強(qiáng)，技術(shù)與管理不平衡，“大技術(shù)、小管理”是我國企業(yè)普遍存在的問題，快速提升企業(yè)管理能力是當(dāng)前智能轉(zhuǎn)型亟需解決的關(guān)鍵問題之一。

過去100年，工業(yè)工程(industrial engineering，IE)/精益管理(lean management，LM)以其強(qiáng)大的整合能力，推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。面對當(dāng)今的現(xiàn)實(shí)需求和新一代信息技術(shù)帶來的發(fā)展機(jī)遇，IE/LM與新技術(shù)的融合進(jìn)一步豐富了IE/LP(lean production)的理論體系，帶來了全新的生命力[2]，在智能化浪潮中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。在德國，精益被列入構(gòu)成未來智能工廠的四大模塊之一。為迎接“工業(yè)4.0”時(shí)代，德國企業(yè)界和管理學(xué)界提出了“管理4.0”這一新的管理體系，認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，必須先實(shí)現(xiàn)管理4.0[3]。在我國，精益也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)國家制造戰(zhàn)略、加快轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)與保障，就企業(yè)而言，需要首先通過精益管理積累起與智能制造匹配的管理基礎(chǔ)，以標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建互聯(lián)互通的橋梁，支持?jǐn)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[4-6]。

然而，目前無論是在理論界，還是在實(shí)業(yè)界，關(guān)于IE/LM對智能制造作用的認(rèn)識(shí)并不統(tǒng)一。如何認(rèn)識(shí)IE/LM與智能制造的關(guān)系，如何評價(jià)IE/LM對智能制造的作用，如何正確發(fā)揮IE/LM的作用，尚未有清晰的解答。為此，本文通過梳理分析美日德等先進(jìn)國家工業(yè)化過程中的規(guī)律性特征，明確IE/LM對企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的具體作用，并針對我國制造業(yè)的現(xiàn)實(shí)水平，探討智能制造滾滾大潮中IE/LM應(yīng)該承擔(dān)的歷史使命，從實(shí)施基礎(chǔ)準(zhǔn)備、實(shí)施方案選擇以及實(shí)施后的融合發(fā)展等角度深入分析IE/LM與智能制造的關(guān)系，為我國企業(yè)實(shí)施智能制造轉(zhuǎn)型提供戰(zhàn)略思考和初步的解決思路。

1 美日德等發(fā)達(dá)國家發(fā)展路線的啟迪

18世紀(jì)以蒸汽機(jī)為代表的英國工業(yè)革命，開創(chuàng)技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展的先河。后來，歐洲的德國、法國在電氣革命中占據(jù)領(lǐng)先位置，開創(chuàng)了歐洲制造業(yè)統(tǒng)治世界的局面。18～19世紀(jì)的市場特點(diǎn)是“資源稀缺”，只要在產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、材料等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，企業(yè)就一定賺錢，效益就好。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，以歐洲移民為主的美國，不僅繼承了前輩的技術(shù)創(chuàng)新基因，更是通過創(chuàng)造另外一種工程技術(shù)，即解決效率、質(zhì)量、成本(集成起來稱為效益)的工業(yè)工程，實(shí)現(xiàn)了對歐洲的超越。最典型的案例是，汽車誕生于德國，卡爾·本茨在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝上貢獻(xiàn)非凡，可德國的汽車生產(chǎn)組織模式卻是作坊式的，效率低下。大西洋另一端的美國密西根一位名叫亨利·福特的企業(yè)家發(fā)明了大批量流水生產(chǎn)線的新型生產(chǎn)組織方式，創(chuàng)造出比卡爾·本茨高幾十倍、幾百倍的生產(chǎn)效率。亨利·福特憑借工業(yè)工程的原理和德國的創(chuàng)新技術(shù)，在汽車市場的競爭中取得了成功。工業(yè)工程支撐美國取得了一戰(zhàn)和二戰(zhàn)的勝利。美國人用兩個(gè)拳頭——技術(shù)創(chuàng)新與以工業(yè)工程為特征的管理創(chuàng)新打垮歐洲同行，獲得了制造業(yè)世界霸主的地位。

有趣的是，被美國人在二戰(zhàn)中打敗的日本和德國，不僅毫不猶豫地學(xué)會(huì)了美國的工業(yè)工程，還將其改造成自己的管理理論和方法，用“技術(shù)創(chuàng)新+管理創(chuàng)新”兩拳頭武裝自己，在制造業(yè)競爭中迅速崛起，達(dá)到世界一流。日本的豐田生產(chǎn)方式(Toyota production system，TPS)在20世紀(jì)80年代后期被驚奇的美國人概括為精益生產(chǎn)(后發(fā)展為精益管理)，并成為風(fēng)靡全球的助力企業(yè)競爭力快速提升的利器。

產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、材料的技術(shù)創(chuàng)新與效率、質(zhì)量、成本的管理創(chuàng)新的結(jié)合，成為當(dāng)今國際一流制造強(qiáng)國(美國、日本、德國)的最明顯特征，如圖1所示。圖2按照時(shí)間線給出了美日德三國工業(yè)化100多年來的IE發(fā)展歷程與各國GDP增長之間的關(guān)系。

圖1 發(fā)達(dá)國家制造業(yè)發(fā)展路線示意圖

圖2 發(fā)達(dá)國家工業(yè)工程演進(jìn)與GDP增長的關(guān)系

綜合圖1、圖2可以得到一些有啟迪性的結(jié)論。首先，盡管這些國家制造業(yè)發(fā)展起點(diǎn)不同，經(jīng)歷了不同的轉(zhuǎn)型升級階段，但在過剩市場競爭轉(zhuǎn)型升級時(shí)，都不約而同地經(jīng)歷了使用IE/LM的發(fā)展階段，并且在這些國家工業(yè)化的過程中，IE始終相伴左右，其應(yīng)用層次與國家工業(yè)化之間存在著顯著的相關(guān)性。IE作為工業(yè)化過程的助推器，每每在經(jīng)濟(jì)發(fā)展出現(xiàn)乏力之時(shí)，都會(huì)與新興技術(shù)結(jié)合，在不斷創(chuàng)新、發(fā)展自己的同時(shí)，推動(dòng)工業(yè)化水平向更高層次邁進(jìn)。其次，就IE本身的發(fā)展過程而言，美國作為IE的起源地，始終保持IE研究與應(yīng)用的領(lǐng)先地位外，其他國家無一例外都經(jīng)過了“模仿—改進(jìn)—融合—?jiǎng)?chuàng)新”的道路，從最初的單純模仿到結(jié)合本國國情進(jìn)行本土化改造，形成適合本國的生產(chǎn)制造模式。再次，從IE應(yīng)用的水平看，上述三國都是遵循相同的基本路線，即從解決個(gè)體效率的基礎(chǔ)IE應(yīng)用到面向制造系統(tǒng)效率改善的精益生產(chǎn)，再到面向整個(gè)企業(yè)和供應(yīng)鏈協(xié)同的智能制造，實(shí)現(xiàn)不斷提升。這一過程中，IE與技術(shù)創(chuàng)新相生相成，推動(dòng)制造模式和工業(yè)化水平的不斷提升。美國按照工業(yè)工程→精益生產(chǎn)→信息化與CIMS→互聯(lián)網(wǎng)和云制造的路線發(fā)展，日本經(jīng)過了工業(yè)工程→豐田生產(chǎn)方式→全面精益生產(chǎn)→信息化的過程，德國則經(jīng)歷了效率工程(標(biāo)準(zhǔn)化)→工業(yè)工程(道維斯計(jì)劃與方法時(shí)間測量(method-time management，MTM))→精益生產(chǎn)、流程改善→信息化→智能制造、工業(yè)4.0的發(fā)展路線。同理，我國的一汽、濰柴、華為等領(lǐng)先企業(yè)通過創(chuàng)新性的IE/LM應(yīng)用始終保持行業(yè)的優(yōu)勢地位。由此，我們可以得到這樣的結(jié)論：從“放任式管理”到“科學(xué)管理/工業(yè)工程”，到“豐田生產(chǎn)方式/精益管理”，再到“智能制造/數(shù)字化管理”是企業(yè)管理創(chuàng)新的基本路線，IE/LM是智能制造的理論基礎(chǔ)和方法基礎(chǔ)。

事實(shí)證明，管理的有序性、不可超越性，決定了只有夯實(shí)IE/LM的基礎(chǔ)，才可能實(shí)現(xiàn)智能制造等高端制造。沒有現(xiàn)場改善的基礎(chǔ)，任何先進(jìn)的管理技術(shù)應(yīng)用都難以奏效。制造業(yè)發(fā)展是“技術(shù)+管理+人”的系統(tǒng)競爭過程，從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0，任何一次技術(shù)的重大突破、轉(zhuǎn)型升級都注定與生產(chǎn)模式的變革、管理技術(shù)的創(chuàng)新相伴而行，它們共同推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)向更高層級邁進(jìn)，如表1所示。

表1 技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新與工業(yè)化階段的關(guān)系

2 企業(yè)實(shí)施IE/LM的幾點(diǎn)思考

2.1 馬車模型[7]

制造企業(yè)猶如一駕馬車(圖3)，由兩個(gè)輪子、一匹馬和駕駛者(人)所組成，同時(shí)集成了韁繩、車軸、車轅等子系統(tǒng)。

圖3 馬車模型

(1)馬車模型中的“兩個(gè)輪子”是技術(shù)創(chuàng)新與管理創(chuàng)新。馬車要跑得快，必須兩個(gè)輪子一樣大，如果一個(gè)大、一個(gè)小，馬車肯定跑不快，甚至原地打轉(zhuǎn)。我國制造企業(yè)如果僅在技術(shù)、裝備上領(lǐng)先國際，會(huì)因?yàn)樾?、質(zhì)量、成本等管理創(chuàng)新要素上不去而在競爭中敗下陣來。只有管理與技術(shù)雙輪驅(qū)動(dòng)，才能支撐這駕馬車在工業(yè)化的道路上順利前行。

20多年前，一汽-大眾買下德國大眾的全套生產(chǎn)系統(tǒng)，其廠房、環(huán)境幾乎完全相同，企業(yè)總經(jīng)理、車間主任等重要崗位都是德國大眾的人，只有員工是中國人。然而一汽-大眾生產(chǎn)的車在質(zhì)量等方面還是比不上德國大眾原裝進(jìn)口車。其原因在于當(dāng)時(shí)一汽-大眾的另一個(gè)輪子——管理創(chuàng)新的能力低于德國大眾。近幾年，一汽-大眾意識(shí)到問題所在，將精益生產(chǎn)管理推動(dòng)得如火如荼，也因此，他們在產(chǎn)能過剩的情況下仍然在同業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

(2)馬車模型中的“馬”代表企業(yè)的動(dòng)力。馬是否有活力即企業(yè)是否有活力，取決于企業(yè)文化的質(zhì)量和這種企業(yè)文化下企業(yè)出臺(tái)的一系列政策、機(jī)制等。一個(gè)企業(yè)如果死氣沉沉、沒有活力，那一定是機(jī)制、文化、政策出了問題。所以，企業(yè)文化是企業(yè)的“源動(dòng)力”。

(3)馬車模型中的“人”是企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者、管理者、工程師和生產(chǎn)者的集合。精益管理的成功實(shí)施，一定會(huì)最終培養(yǎng)、鍛煉出一大批精益人才，這是企業(yè)真正的，也是最大的財(cái)富。

2.2 IE/LM的基本特征

2.2.1創(chuàng)新性(不可復(fù)制性)

產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、材料等技術(shù)都具有可復(fù)制的特征，所以創(chuàng)新出來的技術(shù)必須申請專利，用法律來保護(hù)，防止被別人盜用。

管理創(chuàng)新不具有復(fù)制性，必須與本企業(yè)相結(jié)合，進(jìn)行本土化自主創(chuàng)新。日本豐田的TPS、德國大眾的管理體系、美國福特的公司管理方法都是結(jié)合本國文化和本企業(yè)實(shí)際形成的創(chuàng)新性管理成果，不需要專利來保護(hù)，而且還歡迎同行來參觀學(xué)習(xí)。近年來，我國制造企業(yè)有成千上萬的人去日本豐田學(xué)習(xí)，日本豐田公司熱情接待，還想方設(shè)法進(jìn)行講解。但多數(shù)情況下我國企業(yè)還是無法實(shí)現(xiàn)TPS那樣的中國生產(chǎn)系統(tǒng)，其原因在于文化不一樣、人的行為不一樣。同樣，我們從20世紀(jì)80年代就開始學(xué)習(xí)美國、德國的制造模式，但事實(shí)證明，完全的自動(dòng)化、無人化不符合國情，結(jié)果只能是花費(fèi)了巨大精力、財(cái)力，卻收效甚微。導(dǎo)致這個(gè)問題的原因是沒有注意到TPS制造模式不僅包含技術(shù)要素，更包含有文化屬性和不可復(fù)制的管理要素。近年來，隨著我國管理實(shí)踐的不斷深入，包括一汽、華為、海爾、中車在內(nèi)的眾多制造企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到文化對管理理論與技術(shù)引進(jìn)效果的重要作用，開始有意識(shí)地在管理創(chuàng)新實(shí)踐中融入中國文化，形成了自己獨(dú)特的管理模式，一汽的JMS、中車的動(dòng)車模型都是其中的代表，為這些企業(yè)在激烈的市場競爭中帶來了新的活力，奠定了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2.2累積性

企業(yè)的競爭力與企業(yè)對技術(shù)和管理的投入成正比，只有二者有效匹配，技術(shù)投入才能發(fā)揮價(jià)值。我國許多企業(yè)在技術(shù)投入上肯花錢，在管理投入上卻謹(jǐn)小慎微，所以很難與美日德企業(yè)抗衡。這種重技術(shù)輕管理的思想屬于“農(nóng)民意識(shí)”，還未進(jìn)化到工業(yè)化的層級。

管理基礎(chǔ)需要通過不斷累積而提升。累積的特征使得管理創(chuàng)新難以跨越式發(fā)展(技術(shù)創(chuàng)新可以)，必須一步一步地進(jìn)行。只有基礎(chǔ)打好了，才能蓋“高樓大廈”。所以，精益管理只有起點(diǎn)，沒有終點(diǎn)。管理理論和方法一般不隨時(shí)間的推進(jìn)而有先進(jìn)或落后之分，但管理方法實(shí)施的手段有所謂的先進(jìn)或傳統(tǒng)之分。制造企業(yè)的現(xiàn)場管理、勞動(dòng)定額、期量標(biāo)準(zhǔn)、物流系統(tǒng)、均衡生產(chǎn)、目視管理、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)等，這些基礎(chǔ)性的管理工作未達(dá)到一定程度時(shí)，實(shí)施信息化、智能制造等都是紙上談兵。從這一點(diǎn)看，我國的工業(yè)企業(yè)可能還要補(bǔ)上從2.0到3.0發(fā)展的課，然后才能向4.0發(fā)展[8]。

3 智能制造環(huán)境下的工業(yè)工程與精益生產(chǎn)管理

3.1 IE/LM先行筑牢智能制造基礎(chǔ)

智能制造是一種面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。智能制造的發(fā)展為企業(yè)感知變化、及時(shí)響應(yīng)、正確決策提供了新的可能。

智能制造不可能建立在低效的生產(chǎn)模式之上，精益生產(chǎn)是必須要走的第一步，而且是投資回報(bào)最高的一條路徑。通過IE/LM構(gòu)筑數(shù)字化、規(guī)范化的管理基礎(chǔ)，之后才是數(shù)字化，以此為基礎(chǔ)才可能實(shí)現(xiàn)智能化。盲目超前不會(huì)帶來效益，只會(huì)帶來浪費(fèi)，削弱企業(yè)競爭力。對于圖4所示的生產(chǎn)系統(tǒng)，如果不先行改善而直接上先進(jìn)系統(tǒng)，則無法從根本上消除系統(tǒng)生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)成本高、可能存在質(zhì)量缺陷等問題，其結(jié)果必然是失敗。應(yīng)用IE/LM的設(shè)施規(guī)劃技術(shù)調(diào)整該系統(tǒng)的生產(chǎn)布局(圖5)，可在不增加任何投資的情況下，將生產(chǎn)效率提升92%！這為后期的智能制造系統(tǒng)的實(shí)施奠定了良好的管理基礎(chǔ)，以此為基礎(chǔ)來實(shí)施智能制造，其效果會(huì)事半功倍。

圖4 改善前的生產(chǎn)與生產(chǎn)流程

圖5 改善后的生產(chǎn)布局示意圖

智能制造的核心是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。沒有數(shù)據(jù)的支持，任何資源都只是擺設(shè)。沒有及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，決策往往是無效的，甚至錯(cuò)誤的。如果企業(yè)管理基礎(chǔ)薄弱，數(shù)據(jù)總是處于變動(dòng)中，生成的決策無法正常執(zhí)行，都會(huì)導(dǎo)致智能制造系統(tǒng)的效力無法發(fā)揮，形成巨大浪費(fèi)，甚至造成不可彌補(bǔ)的巨大損失。很多企業(yè)在實(shí)施ERP或者ERP升級換型的過程中，花費(fèi)時(shí)間最多的就是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理。ERP系統(tǒng)運(yùn)行不起來的主要原因是無法獲得標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)沒有理順，卻大談“工業(yè)大數(shù)據(jù)”，注定是難以取得實(shí)效的。

精益生產(chǎn)管理正是數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)揮效益的基石。基于IE/LM的精益管理覆蓋產(chǎn)品整個(gè)生命周期，貫穿產(chǎn)品研發(fā)、工廠設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、分銷服務(wù)和退市回收的全價(jià)值鏈，并且致力于通過精益管理實(shí)現(xiàn)流程標(biāo)準(zhǔn)化、全面質(zhì)量管理和消除浪費(fèi)等，是企業(yè)信息化取得成功的基礎(chǔ)，也是智能制造的基礎(chǔ)和目標(biāo)。企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，精益管理為企業(yè)提供成熟的管理思想、理論與工具方法的支持?；诰婀芾淼於ǖ牧己霉芾?，智能制造系統(tǒng)才能獲得準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)，才可能實(shí)現(xiàn)對制造過程的可感、可控，從而有效支持企業(yè)決策和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)施智能制造，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程必須與精益生產(chǎn)或工業(yè)工程同步推進(jìn)。

3.2 IE/LM相伴支撐智能制造理性實(shí)施

中投顧問發(fā)表的《2016-2020年中國智能制造行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報(bào)告》顯示，僅16%的企業(yè)進(jìn)入智能制造應(yīng)用階段，52%的企業(yè)的智能制造收入貢獻(xiàn)率低于10%[9]。事實(shí)上，即使在工業(yè)4.0的發(fā)源地德國，對中小企業(yè)而言，工業(yè)4.0也是一個(gè)奢侈的口號(hào)[10]。

企業(yè)的根本目標(biāo)是贏利，提高效率、降低成本、改善質(zhì)量、贏得競爭優(yōu)勢是企業(yè)永恒的主題。智能制造不是目的，而是手段，其核心目的是幫助企業(yè)提升競爭力，因此絕不能搞面子工程。所以即便企業(yè)已經(jīng)具備較好的管理基礎(chǔ)，具備智能制造系統(tǒng)發(fā)揮作用的前提條件，在選擇實(shí)施智能制造的策略時(shí)也需要開展有效的投資分析和系統(tǒng)規(guī)劃，選擇對企業(yè)最有利的實(shí)施方案。麥肯錫的調(diào)研顯示，在工業(yè)4.0的大潮里獲益最多的是根據(jù)企業(yè)自身管理、業(yè)務(wù)、戰(zhàn)略情況有取舍地融合工業(yè)4.0技術(shù)的企業(yè)[11]。

一個(gè)真正的智能工廠，應(yīng)該是精益、柔性、綠色、節(jié)能和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，能夠適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)。智能工廠不是無人工廠，推進(jìn)智能工廠絕不是簡單地實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人。以減少多少人作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上會(huì)讓企業(yè)深陷泥潭，投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)成本不但沒有下降、反而大幅上升：因?yàn)殡m然操作人員減少了，但設(shè)備維護(hù)人員增加了；技術(shù)投資帶來的折舊、能耗和財(cái)務(wù)成本大幅上升，難以收回投資，甚至拖垮企業(yè)。更遑論現(xiàn)實(shí)中，機(jī)器在很多時(shí)候并不能達(dá)到人的效能，比如汽車制造的總裝和質(zhì)檢環(huán)節(jié)。脫離實(shí)際的“技術(shù)崇拜”、過度追求生產(chǎn)自動(dòng)化讓有著明星光環(huán)的特斯拉公司在Model 3項(xiàng)目上邁入“產(chǎn)能地獄”，拖累公司幾近破產(chǎn)。直到將總裝環(huán)節(jié)挪入“帳篷工廠”，重新定義超級工廠模式，即以一定程度的半自動(dòng)化和人工裝配取代部分全自動(dòng)化，才再次“王者歸來”。2019年，特斯拉將這種模式復(fù)制到上海生產(chǎn)基地，其可行性被再次驗(yàn)證。類似地，南京某工廠有一條裝配線，一開始設(shè)置的自動(dòng)化率是90%，后來自動(dòng)化率調(diào)整為70%并增加若干人工工位后，整體質(zhì)量和效率反而更優(yōu)[12]。

自動(dòng)化與數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智能制造投資最大的部分，必須慎重對待。投資前需要明確轉(zhuǎn)型升級的目的和投資回報(bào)率，以競爭力提升為根本目標(biāo)展開系統(tǒng)分析，研究使系統(tǒng)運(yùn)行效率最高、成本最低的方案，通過人-機(jī)系統(tǒng)的有效配置充分發(fā)揮智能資源的作用，在更高的技術(shù)平臺(tái)上更好地服務(wù)顧客。實(shí)施智能制造時(shí)，IE/LM是其合理布局的基本原則，依靠IE/LM從精益的角度去系統(tǒng)評估先進(jìn)設(shè)備投入的必要性、進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、開展項(xiàng)目規(guī)劃、制定項(xiàng)目實(shí)施方案與實(shí)施路線、開展預(yù)實(shí)驗(yàn)等管理決策與優(yōu)化活動(dòng)是智能制造項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。

3.3 IE/LM融合賦能智能化轉(zhuǎn)型升級

IE/LM不僅是智能制造的基礎(chǔ)，更是智能制造的加速器。通過與智能制造技術(shù)的裂變?nèi)诤?，?chuàng)造出新的生產(chǎn)模式、管理模式與生產(chǎn)技術(shù)，通過乘法效應(yīng)推動(dòng)企業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道，持續(xù)保持競爭優(yōu)勢?！肮I(yè)工程+新技術(shù)”的復(fù)合技術(shù)形態(tài)能為企業(yè)實(shí)現(xiàn)雙向賦能、增能、使能[6]。

IE/LM的創(chuàng)新性源于IE與專業(yè)工程技術(shù)之間與生俱來的強(qiáng)大融合能力。自IE誕生以來，每次大的產(chǎn)業(yè)需求迭代都與重大IE創(chuàng)新相伴[6]，不斷吸收先進(jìn)技術(shù)的最新成果，推動(dòng)IE從一個(gè)能級躍升到更高能級，在更高更廣的平臺(tái)上發(fā)揮更大作用。從最初主要采用工程學(xué)、物理學(xué)的技術(shù)方法、實(shí)驗(yàn)方法研究現(xiàn)場效率與成本的優(yōu)化，到20世紀(jì)40年代吸收運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科思想與方法，研究企業(yè)整體競爭力的改善，IE的研究領(lǐng)域已擴(kuò)展到復(fù)雜工業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)系統(tǒng)[13]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，IE的數(shù)據(jù)分析與處理能力顯著增強(qiáng)，管理范圍也跨出企業(yè)邊界而關(guān)注供應(yīng)鏈、價(jià)值鏈、產(chǎn)業(yè)鏈的管理。當(dāng)今，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、數(shù)字孿生等新技術(shù)賦予了IE更強(qiáng)的分析、處理和解決問題的能力，反過來進(jìn)一步增強(qiáng)了新技術(shù)的威力。精益與智能的有機(jī)融合正在形成新的精益智能模式，這一模式既可以使智能化的靶點(diǎn)對正關(guān)鍵需求，又可以使智能化過程全面提質(zhì)、增效、降成本。

4 面向我國制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的智能精益管理體系架構(gòu)

綜上，智能制造是未來發(fā)展的必然選擇。在企業(yè)邁向智能制造的過程中，無論是在實(shí)施前的管理基礎(chǔ)構(gòu)建、實(shí)施過程規(guī)劃，還是運(yùn)行階段的管理優(yōu)化與控制，始終需要IE/LM提供全面支持。IE/LM是信息化的基礎(chǔ)，IE/LM+IT又是智能制造的基礎(chǔ)，不可跨越發(fā)展。在不同階段，開放的IE/LM在為企業(yè)提供管理思想與技術(shù)支持的同時(shí)，不斷融合新技術(shù)，催生出新的“IE/LM+新技術(shù)”的復(fù)合管理模式與技術(shù)，如訂單驅(qū)動(dòng)的精益生產(chǎn)模式升級為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧精益模式正成為發(fā)展趨勢[6，14-18]。在基礎(chǔ)IE/LM技術(shù)、數(shù)字化IE/LM技術(shù)、智能制造管理技術(shù)的共同作用下，支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、快速柔性響應(yīng)。圖6初步給出了面向我國制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的智能精益管理體系架構(gòu)。

圖6 制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的智能精益管理體系架構(gòu)

在新的智能精益制造系統(tǒng)中，精益管理為智能制造提供了成熟的管理思想、體系與方法工具，強(qiáng)調(diào)全過程持續(xù)改善，通過采用自動(dòng)化和準(zhǔn)時(shí)化等方法，消除各種形式的浪費(fèi)，不斷提升價(jià)值流動(dòng)效率。新的數(shù)字化、智能化技術(shù)為精益管理提供數(shù)字化手段，促進(jìn)精益管理升級創(chuàng)新。二者互相促進(jìn)，推動(dòng)企業(yè)不斷打破物理因素限制，實(shí)現(xiàn)對變化的及時(shí)響應(yīng)和實(shí)時(shí)優(yōu)化，加速企業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。圖7所示為智能精益制造系統(tǒng)運(yùn)行圖。

圖7 智能精益制造系統(tǒng)運(yùn)行圖

5 基于智能精益的成組制造單元改造實(shí)例

本節(jié)以D公司智能精益成組制造單元改造實(shí)例說明智能精益管理體系的應(yīng)用模式。

D公司是一家航空制造企業(yè)，其核心產(chǎn)品的生產(chǎn)需要集成大量高性能、高精密組件，這些組件又由若干類高精密零件構(gòu)成，零件制造的精度與穩(wěn)定性對產(chǎn)品性能至關(guān)重要。如A產(chǎn)品的X面功分焊接件和差器焊接件的差分性能決定著A產(chǎn)品的精度和靈敏度。傳統(tǒng)上，采用單面、單工序、螺釘裝夾、定位孔找正方式實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的加工，待齊套后組合焊接，電性能測試合格后完成交付。但制造系統(tǒng)運(yùn)行不連續(xù)、過程質(zhì)量波動(dòng)大、廢品率高等問題，造成單元系統(tǒng)內(nèi)人員、設(shè)備、工藝、環(huán)境、信息等全要素質(zhì)量控制相對被動(dòng)，無法消除人工擾動(dòng)與系統(tǒng)不穩(wěn)定性，無法滿足現(xiàn)代高精密智能制造的質(zhì)量過程控制要求。與此同時(shí)，該產(chǎn)品的需求持續(xù)增加，2023年的預(yù)計(jì)交付量將達(dá)到2021年的2倍，接近2020年交付量的3倍，產(chǎn)能和生產(chǎn)柔性壓力劇增。同時(shí)，產(chǎn)品生產(chǎn)周期將縮短至2016年的25%、2020年的40%，生產(chǎn)效率要求顯著提高。

本項(xiàng)目應(yīng)用豐田工作法(Toyota business practice，TBP)將兩臺(tái)傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行集成單元智能化改造，使之具備系統(tǒng)防錯(cuò)、智能控制和高度自動(dòng)化的功能，減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自主加工，顯著提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

5.1 問題與原因分析

通過梳理精密加工車間各零件的加工工藝和設(shè)備布局、物料流轉(zhuǎn)、質(zhì)量控制等基本信息，調(diào)取、分析了制造系統(tǒng)全流程要素圖，對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地觀察和系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，歸納了生產(chǎn)過程中存在的7類問題，依次是設(shè)備利用率(29%)、生產(chǎn)斷點(diǎn)(24%)、齊套性(18%)、一次交付合格率(11%)、物流布局(6%)、技能要求(6%)、工藝通用性(6%)。

課題組成員利用團(tuán)隊(duì)的力量，發(fā)動(dòng)頭腦風(fēng)暴，集思廣益，對前期板類零件配套生產(chǎn)過程進(jìn)行回顧總結(jié)，從人、機(jī)、料、環(huán)、法、測六個(gè)方面，分析每個(gè)影響交付的問題，確立真因，最終確定7個(gè)主要影響因素，如表2所示。

表2 真因素確認(rèn)表

5.2 制定對策

從進(jìn)一步提高加工設(shè)備自動(dòng)化功能來提升制造系統(tǒng)能力的視角出發(fā)，結(jié)合柔性制造系統(tǒng)基本架構(gòu)(圖8)通過分析底層系統(tǒng)的流程信息，明確后

圖8 制造系統(tǒng)能力提升的層級關(guān)系導(dǎo)向分析

續(xù)執(zhí)行改進(jìn)的目標(biāo)對象(系統(tǒng)設(shè)備人員在系統(tǒng)運(yùn)行之外，不予考慮)。具體的控制要素包括：工藝信息(工藝技術(shù)方案、數(shù)控程序信息流)，系統(tǒng)測量控制(數(shù)控機(jī)床控制手段、刀具在線測量方法、零件在線加工測量控制、機(jī)器人控制、工裝物流控制等數(shù)據(jù)信息流)，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)(工裝硬件、工裝運(yùn)行、機(jī)床與工裝集成、數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人集成、數(shù)控機(jī)床與刀具集成能量流)。

結(jié)合關(guān)鍵要因，考慮產(chǎn)品、產(chǎn)量、加工柔性、工藝、物流、自動(dòng)化、智能化等關(guān)鍵功能需求，通過整合確立關(guān)鍵對策表(表3)并具體實(shí)施。

表3 關(guān)鍵對策表

5.3 效果驗(yàn)證

2021年6月10日，在精密加工分廠和公司質(zhì)量管理部門支持下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)順利完成成組單元改造工程，并通過初期驗(yàn)證和局部改進(jìn)，達(dá)成了改進(jìn)目標(biāo)。6月下旬，分廠結(jié)合新的工藝標(biāo)準(zhǔn)，通過必要的培訓(xùn)和現(xiàn)場指導(dǎo)，將功分板零件加工作為成組單元功能集中的驗(yàn)證對象，開展了功分板系列20套(合計(jì)80個(gè)零件)24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)加工實(shí)驗(yàn)，最后的結(jié)果滿足精雕機(jī)自動(dòng)化加工單元生產(chǎn)要求，綜合生產(chǎn)效率提升50%以上，其中，正面加工時(shí)間縮短29%，反面加工時(shí)間縮短66.7%，功分器零件生產(chǎn)齊套性達(dá)到100%，極大縮短了向總裝廠的交貨周期。改造后的自動(dòng)化加工單元具備24 h連續(xù)生產(chǎn)能力，具備根據(jù)裝配需求快速加工2類產(chǎn)品8種零件的能力，產(chǎn)能水平滿足2023年產(chǎn)量預(yù)期能力要求。改進(jìn)后的產(chǎn)品加工質(zhì)量顯著提高，4種零件同步一次交驗(yàn)合格率達(dá)到99.2%，較改進(jìn)前提高13.2個(gè)百分點(diǎn)，質(zhì)量合格率提升15.3%，單元設(shè)備綜合效能(overall equipment effectiveness，OEE)水平也達(dá)到85%以上。

6 面向中國企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的智能制造管理關(guān)鍵技術(shù)

中外歷史經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，管理與技術(shù)雙輪驅(qū)動(dòng)是保持競爭力的源泉，不斷升級的IE/LM是推動(dòng)制造業(yè)不斷創(chuàng)新發(fā)展的規(guī)律性支撐技術(shù)，不可或缺。工業(yè)4.0時(shí)代，制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型給IE/LM提出了更高的要求。與此同時(shí)，新平臺(tái)、新技術(shù)、新需求也為IE/LM提供了新的發(fā)展機(jī)遇。如何與新技術(shù)有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)IE/LM新發(fā)展，在新環(huán)境下煥發(fā)新的活力、發(fā)揮更大的作用是全體IE人的共同責(zé)任。在對中國制造企業(yè)需求系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代信息技術(shù)為IE/LM提供的創(chuàng)新機(jī)遇，筆者認(rèn)為，為快速提升我國制造企業(yè)的管理水平、構(gòu)建智能制造的實(shí)施平臺(tái)、全面支持我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求，當(dāng)前我國IE/LM領(lǐng)域急需在以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)的突破。

6.1 精益現(xiàn)場管理與流程優(yōu)化

智能制造有效實(shí)施的基礎(chǔ)是建立標(biāo)準(zhǔn)化、精益化的管理體系?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)在改變企業(yè)經(jīng)營基礎(chǔ)的同時(shí)，也為企業(yè)流程的變革提供了可能。企業(yè)在實(shí)施數(shù)字化改造之前，必須首先梳理業(yè)務(wù)流程，按照先進(jìn)技術(shù)的要求優(yōu)化流程，并按照新流程的要求構(gòu)建適當(dāng)?shù)臋C(jī)制，保證流程的運(yùn)行效果。依托IE/LPM，通過IE與IT的有機(jī)集成，確定企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方案與路徑、發(fā)揮智能設(shè)備的效用是智能制造實(shí)施中面臨的重要課題。

6.2 多品種小批量生產(chǎn)模式下的精益物流管理

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用，物流與供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)也迎來了向智慧化轉(zhuǎn)型的革命。物流與供應(yīng)鏈的智慧化是新制造的核心與基石，全產(chǎn)業(yè)鏈的互聯(lián)互通與可感可視可控從根本上改變了制造業(yè)的商業(yè)模式與運(yùn)營理念，也為智能制造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。智慧物流與供應(yīng)鏈對智能制造的支撐作用主要體現(xiàn)在研發(fā)、生產(chǎn)管理、庫存管理、采購管理等方面，全方位幫助企業(yè)提升快速響應(yīng)訂單的能力。通過物流、信息流與資金流的整合、協(xié)同、互動(dòng)，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，在生態(tài)協(xié)同的基礎(chǔ)上真正提升企業(yè)運(yùn)營效率。

6.3 精益智能制造生產(chǎn)組織、計(jì)劃、調(diào)度管理與流程創(chuàng)新

智能制造環(huán)境下，面對客戶的個(gè)性化需求，制造企業(yè)必然面臨著敏捷化、柔性化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。面對瞬息萬變的不確定環(huán)境，企業(yè)的生產(chǎn)組織也需要作出相應(yīng)調(diào)整。大數(shù)據(jù)、人工智能、AR/VR、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)組織活動(dòng)相結(jié)合，形成了一系列新的生產(chǎn)組織范式與計(jì)劃調(diào)度技術(shù)，圍繞C2M(2B2S)、智能調(diào)度、云制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造等的研究方興未艾，為準(zhǔn)確預(yù)測、掌握甚至引領(lǐng)用戶需求，實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)提供了有效工具和手段。

6.4 面向智能制造的人機(jī)協(xié)同與人因工程

人機(jī)協(xié)同是智能制造管理中不能回避的問題，人因工程是高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐技術(shù)。工業(yè)革命的發(fā)展使人機(jī)關(guān)系發(fā)生了深刻變化。人因工程科學(xué)思想、設(shè)計(jì)方法論，以及信息化與工業(yè)化的深度融合，為人因工程的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。如何管理智能產(chǎn)品與裝備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同是智能制造管理下的新課題。智能裝備、可穿戴智能產(chǎn)品、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互等技術(shù)快速發(fā)展，人因工程與綠色制造技術(shù)、新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智慧城市和數(shù)字社會(huì)技術(shù)等國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的結(jié)合，對于提升中國制造核心能力與工業(yè)化水平具有重要意義。

6.5 工業(yè)工程在制造服務(wù)領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)、方法與應(yīng)用

全球經(jīng)濟(jì)時(shí)代，企業(yè)的競爭已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?yīng)鏈與供應(yīng)鏈的競爭，并進(jìn)一步向生態(tài)競爭轉(zhuǎn)變。面向產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)，依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)，轉(zhuǎn)變運(yùn)營模式，建立高度網(wǎng)絡(luò)連接、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的制造模式，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)向體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化，是智能制造時(shí)代企業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向。這些新興的智能制造服務(wù)優(yōu)化了制造行業(yè)的全部業(yè)務(wù)和作業(yè)流程，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力的可持續(xù)增長、高經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。智能制造服務(wù)結(jié)合信息技術(shù)和工程技術(shù)，將從根本上改變產(chǎn)品研發(fā)、制造、運(yùn)輸和銷售過程，全面提升制造服務(wù)領(lǐng)域的決策能力，進(jìn)而支撐智能制造的發(fā)展。

新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展為企業(yè)運(yùn)營提供了無限可能，基于海量的數(shù)據(jù)、無處不在的網(wǎng)絡(luò)，如何有效處理并正確決策是所有企業(yè)在新的競爭平臺(tái)上必須解決的新問題。除了以上提到的幾個(gè)問題，還有許多其他問題，如智能制造標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建、智能制造中的工作分析與人力資源管理、供應(yīng)鏈整合與協(xié)同、新的生產(chǎn)組織方式(如C2M)、智能制造中的信息管理，等等，也需要工業(yè)工程人協(xié)同智能制造推動(dòng)者共同努力，研究構(gòu)建適合我國國情的解決方案。只有如此，才能保證我國的智能制造戰(zhàn)略在正確的道路上不斷前行。