□ 王 瑞 □ 張為民，2

1.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院 上海 200092

2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 200092

1 學(xué)習(xí)工廠概述

目前，學(xué)習(xí)工廠在國(guó)外是一個(gè)熱點(diǎn)課題。德國(guó)的許多高校都開(kāi)發(fā)建立了自己的或與企業(yè)合作的學(xué)習(xí)工廠。美國(guó)近些年以生產(chǎn)工程教育合作組織為代表，在國(guó)內(nèi)推廣了學(xué)習(xí)工廠的模式，并取得了顯著的成績(jī)。目前，美國(guó)已有40多家大學(xué)和100多家制造企業(yè)加入學(xué)習(xí)工廠的學(xué)習(xí)模式，幾年來(lái)已有10 000多名學(xué)生在學(xué)習(xí)工廠中創(chuàng)造了1 200多個(gè)制造業(yè)的產(chǎn)品或者項(xiàng)目［1］。學(xué)習(xí)工廠的模式在2006年獲得美國(guó)國(guó)家工程院的最高榮譽(yù)戈登獎(jiǎng)，并于2014年起在制造領(lǐng)域最頂尖的學(xué)術(shù)會(huì)議國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）會(huì)議上作為一個(gè)單獨(dú)的主題而存在。在2016年的CIRP會(huì)議上，還為此成立了一個(gè)協(xié)同工作小組。2017年CRIP會(huì)議關(guān)于學(xué)習(xí)工廠的報(bào)告顯示，學(xué)習(xí)工廠和相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量大幅度上升。圖1所示為CIRP會(huì)議報(bào)告中學(xué)習(xí)工廠相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量的趨勢(shì)，圖中的學(xué)習(xí)工廠和教學(xué)工廠曲線反映的是這兩個(gè)關(guān)鍵詞在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻次趨勢(shì)。因?yàn)閷W(xué)習(xí)工廠與教學(xué)工廠在本質(zhì)上是近義詞，所以筆者在本文中所述的學(xué)習(xí)工廠包括了教學(xué)工廠。

▲圖1 學(xué)習(xí)工廠相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量趨勢(shì)

對(duì)于學(xué)習(xí)工廠一詞，目前學(xué)術(shù)上仍沒(méi)有統(tǒng)一的定義。學(xué)習(xí)工廠領(lǐng)域的先行者Abele［2］提出，它是一個(gè)以教學(xué)為目的，向?qū)W生或在職人士提供真實(shí)生產(chǎn)制造過(guò)程的場(chǎng)所，在這個(gè)場(chǎng)所可以配合不同的教學(xué)主題對(duì)于不同領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的 Müller［3］提出：經(jīng)常參與學(xué)習(xí)工廠的學(xué)生們，通過(guò)不斷的實(shí)踐鍛煉，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自身實(shí)際職業(yè)能力的不斷提升，達(dá)到對(duì)自身的改善。

斯圖加特大學(xué)的 Riffelmacher［4］在其著作中闡述了學(xué)習(xí)工廠包括產(chǎn)品選擇、場(chǎng)地建設(shè)和教學(xué)主題等在內(nèi)的指導(dǎo)方法。Steffen等［5］提出將學(xué)習(xí)工廠的屬性分為運(yùn)營(yíng)方式、目標(biāo)群體、裝備和教學(xué)模式，并提出使用形態(tài)分析法對(duì)各個(gè)模式進(jìn)行路線的選擇。波鴻魯爾大學(xué)的Kreimeier等［6］對(duì)德國(guó)高校的學(xué)習(xí)工廠進(jìn)行了闡述，并對(duì)其教學(xué)方法作了總結(jié)，探討了如何在實(shí)際加工環(huán)境中貫徹學(xué)習(xí)工廠的教學(xué)模型［7］。

結(jié)合上述描述，學(xué)習(xí)工廠可以定義為以項(xiàng)目為導(dǎo)向，基于制造業(yè)的產(chǎn)品周期，整合相關(guān)專業(yè)課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)過(guò)程，并付諸實(shí)踐，其目標(biāo)是應(yīng)用基本理論與知識(shí)，通過(guò)交流、構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造及團(tuán)隊(duì)工作，互相學(xué)習(xí)和自我學(xué)習(xí)，進(jìn)行跨學(xué)科交流與合作，研究市場(chǎng)與消費(fèi)者的需求，創(chuàng)造新型產(chǎn)品，解決各種技術(shù)與工程問(wèn)題、商務(wù)問(wèn)題，培養(yǎng)高質(zhì)量的現(xiàn)代工程師。

因項(xiàng)目導(dǎo)向的特點(diǎn)，在發(fā)展中，學(xué)習(xí)工廠已不再局限于教學(xué)或培訓(xùn)的用途。利用學(xué)習(xí)工廠的軟硬件設(shè)施，結(jié)合不同的項(xiàng)目特點(diǎn)，可將其作為高校的科研工具或企業(yè)的咨詢工具。以波鴻魯爾大學(xué)為例，該校的學(xué)習(xí)工廠被用來(lái)完成多個(gè)與德國(guó)教育部合作的科研項(xiàng)目，如優(yōu)化加工中的能源效率問(wèn)題等。

學(xué)習(xí)工廠如今涉及眾多主題，表1為根據(jù)德國(guó)生產(chǎn)技術(shù)科學(xué)協(xié)會(huì)2015年出版的學(xué)習(xí)工廠項(xiàng)目手冊(cè)總結(jié)的德國(guó)各高校學(xué)習(xí)工廠項(xiàng)目。以波鴻魯爾大學(xué)為例，其學(xué)習(xí)工廠主要包括三個(gè)主題：流程改善、資源有效利用、管理與組織。流程改善包含了精益生產(chǎn)和工業(yè)工程的許多內(nèi)容，通過(guò)實(shí)踐的方式培訓(xùn)員工。資源有效利用是提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，除了典型的時(shí)間、成本和質(zhì)量指標(biāo)，能源和物料效率成為新的指標(biāo)，學(xué)習(xí)工廠為此提供了環(huán)境。管理與組織主要關(guān)注人的因素，注重員工之間的團(tuán)隊(duì)合作，包括跨部門(mén)的合作。

表1 德國(guó)各高校學(xué)習(xí)工廠項(xiàng)目

2 精益生產(chǎn)概述

精益生產(chǎn)，源于豐田生產(chǎn)方式，由美國(guó)麻省理工學(xué)院組織世界上17個(gè)國(guó)家的專家、學(xué)者，花費(fèi)5年時(shí)間，以汽車(chē)工業(yè)這一開(kāi)創(chuàng)大批量生產(chǎn)方式和準(zhǔn)時(shí)制的典型工業(yè)為例，經(jīng)理論化后總結(jié)得出?！熬北硎揪?、精確、精美，“益”表示利益、效益等，精益生產(chǎn)就是及時(shí)制造，避免故障，消除一切浪費(fèi)，向零缺陷、零庫(kù)存進(jìn)軍［8］。

數(shù)十年來(lái)，實(shí)施了精益生產(chǎn)的制造企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造、信息管理及客戶服務(wù)等方面獲得了巨大成功。一些專家指出，中國(guó)企業(yè)與世界先進(jìn)企業(yè)之間的差距，主要不在于生產(chǎn)設(shè)備等硬件層面，而是在于管理和生產(chǎn)方式等軟實(shí)力，實(shí)行精益生產(chǎn)是解決中國(guó)企業(yè)發(fā)展問(wèn)題的一個(gè)良好對(duì)策［9］。

為此，中國(guó)很多高校的機(jī)械學(xué)科也都開(kāi)設(shè)了關(guān)于精益生產(chǎn)的課程，但一般只涉及理論層面，在實(shí)踐方面少有涉獵，這導(dǎo)致了學(xué)生雖然在課堂上得到了理論知識(shí)，但在未來(lái)的工作中卻難以將其應(yīng)用。麥可思機(jī)構(gòu)對(duì)2012屆部分高校社會(huì)需求與培養(yǎng)質(zhì)量的調(diào)查顯示：2012屆工學(xué)本科畢業(yè)生教學(xué)中最需要改進(jìn)的地方為實(shí)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠，比例達(dá)到44%。精益生產(chǎn)中的一些重要概念，如看板、價(jià)值流、拉動(dòng)式生產(chǎn)等在傳統(tǒng)課堂上對(duì)于學(xué)生而言是比較生澀難懂的，而前面所提到的學(xué)習(xí)工廠則能很好地應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題。因此，筆者以精益生產(chǎn)為主題，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的、可在相對(duì)小的空間內(nèi)運(yùn)行的學(xué)習(xí)工廠。

3 面向精益生產(chǎn)的學(xué)習(xí)工廠

筆者所設(shè)計(jì)的面向精益生產(chǎn)的學(xué)習(xí)工廠，在同濟(jì)大學(xué)中德先進(jìn)技術(shù)制造中心進(jìn)行了一次運(yùn)行，其中用到的理論方法主要為價(jià)值流程圖。價(jià)值流程圖是精益生產(chǎn)中的一個(gè)重要工具，它是一張包含著數(shù)據(jù)的流程圖［10］，對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的周期時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、在制品庫(kù)存、原材料流動(dòng)、信息流動(dòng)等情況進(jìn)行描摹和記錄，有助于形象化當(dāng)前流程的活動(dòng)狀態(tài)，從而對(duì)價(jià)值鏈和各環(huán)節(jié)的浪費(fèi)有一個(gè)全局觀察。價(jià)值流程圖是精益改善的基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍廣泛［11］。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)流程的分析，構(gòu)造現(xiàn)有的價(jià)值流程圖，同時(shí)引入生產(chǎn)線平衡、看板拉動(dòng)及持續(xù)改善等精益生產(chǎn)思想方法，可以縮短非增值時(shí)間和產(chǎn)品周期，降低生產(chǎn)成本［12～15］。

筆者設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)工廠分為以下幾個(gè)模塊。

（1）第一輪模擬。用樂(lè)高玩具車(chē)為產(chǎn)品，采用傳統(tǒng)的推動(dòng)式生產(chǎn)方式。

（2）價(jià)值流程分析。使用價(jià)值流程圖對(duì)第一輪模擬的情況進(jìn)行分析，繪制當(dāng)前狀態(tài)圖。

3) 為了保證閥門(mén)泄漏等級(jí)達(dá)到Class VI，該閥門(mén)采用金屬支撐的軟密封結(jié)構(gòu)，即在軟性材料的旁邊有金屬限位平面。閥芯軟密封環(huán)通過(guò)螺紋壓緊在閥芯體上，閥芯和閥座之間通過(guò)斜錐面密封，有效密封寬度4 mm左右。該閥門(mén)閥芯頭部帶18 mm左右延伸段，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

（3）價(jià)值流程設(shè)計(jì)。在當(dāng)前狀態(tài)圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入精益生產(chǎn)方式優(yōu)化企業(yè)流程，繪制將來(lái)狀態(tài)圖。

（4）第二輪模擬。使用優(yōu)化后的方案進(jìn)行第二輪模擬，并比較與第一輪模擬交貨時(shí)間的區(qū)別。

3.1 第一輪模擬

在第一輪模擬中，首先將要模擬的企業(yè)流程劃分為如圖2所示的幾個(gè)工作站，每個(gè)工作站由兩名操作員負(fù)責(zé)。除了圖中所示的工作崗位以外，還安排了兩名負(fù)責(zé)運(yùn)輸產(chǎn)品的運(yùn)輸專員，他們的職責(zé)是隨時(shí)等待各工作站的呼叫，并將所需的產(chǎn)品帶到下一個(gè)工作站。為了對(duì)第一輪模擬的成果進(jìn)行價(jià)值流程分析，以發(fā)現(xiàn)其中存在的浪費(fèi)現(xiàn)象，還需要一兩名學(xué)生作為價(jià)值流程專家，負(fù)責(zé)觀察整個(gè)生產(chǎn)線的模擬流程，并繪制價(jià)值流程圖。

為直觀地展示第一輪模擬的概況，用一張簡(jiǎn)化的價(jià)值流程圖標(biāo)明生產(chǎn)過(guò)程中物料流和信息流的流動(dòng)，并詳細(xì)介紹各工作站的內(nèi)容。第一輪模擬采用推動(dòng)式生產(chǎn)，其價(jià)值流程圖如圖3所示。

顧客工作站的任務(wù)是下達(dá)樂(lè)高玩具車(chē)的訂單至生產(chǎn)計(jì)劃工作站。生產(chǎn)計(jì)劃工作站從顧客手中接過(guò)訂單后向供應(yīng)商預(yù)定與訂單相應(yīng)的零件。供應(yīng)商工作站從生產(chǎn)計(jì)劃工作站獲取零件預(yù)訂單后，將所需的樂(lè)高玩具車(chē)零件通過(guò)呼叫運(yùn)輸專員的方式將零件送到訂單處理工作站。訂單處理工作站接到顧客訂單和從供應(yīng)商處得到的零件后，將零件和訂單一起放入物料盒，并通過(guò)運(yùn)輸專員送至裝配工作站。裝配工作站是本次模擬工作量最大的崗位，操作員需要將從訂單處理工作站得到的零件組裝成完整的樂(lè)高玩具車(chē)，并按照顧客訂單的要求對(duì)車(chē)燈的顏色進(jìn)行調(diào)整。在裝配完成之后，操作員需將樂(lè)高玩具車(chē)放回包裝盒，并和顧客訂單一起送到貼標(biāo)簽工作站。貼標(biāo)簽工作站操作員使用標(biāo)簽機(jī)將帶有訂單號(hào)的標(biāo)簽貼到產(chǎn)品包裝盒上。貼完標(biāo)簽后，操作員呼叫運(yùn)輸專員，將產(chǎn)品和訂單送至質(zhì)檢工作站。質(zhì)檢工作站操作員需要對(duì)完成的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，檢查是否正確完成了裝配及車(chē)燈配置是否符合顧客訂單的要求，合格的產(chǎn)品送至包裝工作站。包裝工作站操作員將產(chǎn)品裝入空的樂(lè)高包裝盒內(nèi)，使用細(xì)繩打結(jié)并送至發(fā)貨工作站。發(fā)貨工作站為第一輪模擬流程中的最后一個(gè)工作站，操作員將從包裝工作站得到的產(chǎn)品連同顧客訂單卡一起放入物料盒中，并通過(guò)運(yùn)輸專員發(fā)貨至顧客工作站。

在第一輪模擬結(jié)束后，參與者們分析總結(jié)第一輪模擬的成果。表2為第一輪模擬訂單的累計(jì)時(shí)間對(duì)比。

▲圖2 第一輪模擬工作站

表2 第一輪模擬訂單累計(jì)時(shí)間對(duì)比

由表2可知，在30 min的模擬時(shí)間內(nèi)，原定目標(biāo)是完成五個(gè)訂單，而實(shí)際上只完成兩個(gè)。模擬過(guò)程中，裝配工作站前堆積了大量庫(kù)存，這一方面是由于裝配工作站的兩名操作員之前沒(méi)有對(duì)該樂(lè)高玩具進(jìn)行過(guò)裝配，熟練程度不夠；另一方面是因?yàn)檠b配在整個(gè)流程中相對(duì)于其它環(huán)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)節(jié)拍不一致。

3.2 價(jià)值流程分析

操作員以圖3所示價(jià)值流程圖為基礎(chǔ)，結(jié)合自己在實(shí)際操作中的經(jīng)驗(yàn)，一起討論了在第一輪模擬中產(chǎn)生的浪費(fèi)現(xiàn)象及其原因，如圖4所示。

參與者們經(jīng)討論認(rèn)為，庫(kù)存過(guò)多是本次模擬的六個(gè)訂單只完成了兩個(gè)的主要原因。每個(gè)工作站前都積累了庫(kù)存，其中裝配工作站積累的庫(kù)存最多。這些庫(kù)存在沒(méi)有調(diào)控的情況下通過(guò)推動(dòng)式生產(chǎn)不斷往前堆積，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。

造成庫(kù)存數(shù)量過(guò)多的一個(gè)重要原因是低效率的交流方式，以及對(duì)運(yùn)輸專員的過(guò)度依賴，這一方面造成了信息流和物料流的不同步；另一方面使運(yùn)輸路徑不暢，在等待運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中造成了大量浪費(fèi)。

生產(chǎn)節(jié)拍不一致也是造成浪費(fèi)的一個(gè)重要原因，各工作站的節(jié)拍時(shí)間相差較多，沒(méi)有進(jìn)行互相協(xié)調(diào)。

▲圖3 第一輪模擬價(jià)值流程圖

經(jīng)過(guò)以上分析，針對(duì)第一輪模擬中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出使用精益方法和工具對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化，并在第二輪模擬中實(shí)施。

▲圖4 第一輪模擬浪費(fèi)現(xiàn)象及原因

3.3 價(jià)值流程設(shè)計(jì)

參與者們通過(guò)價(jià)值流程分析確定了生產(chǎn)流程中的浪費(fèi)現(xiàn)象，并使用價(jià)值流程設(shè)計(jì)的方法，得到如圖5所示的將來(lái)狀態(tài)圖。

經(jīng)參與者的討論，將第一輪模擬中的工作站布置調(diào)整如圖6所示。從圖6中可以看到，幾個(gè)相鄰工作站的桌子被排列為一排，發(fā)貨和顧客工作站也被安排到一起，這樣一方面可以使物料通過(guò)先進(jìn)先出（FIFO）的原則實(shí)現(xiàn)持續(xù)流動(dòng)，降低不必要的庫(kù)存；另一方面可以調(diào)整第一輪模擬中的運(yùn)輸專員，將他們安排到其它工作量較大的工作站，如裝配工作站。

此外，針對(duì)第一輪模擬中的庫(kù)存堆積狀況，參與者們根據(jù)顧客節(jié)拍平衡了各工作站的操作員分配，最明顯的是在裝配工作站，裝配被分為初裝配和最終裝配，其中初裝配工作站由三位操作員負(fù)責(zé)，對(duì)應(yīng)樂(lè)高玩具車(chē)的三種零件。最終裝配工作站由兩位操作員組成，負(fù)責(zé)按照訂單要求對(duì)三種零件進(jìn)行最終裝配，并調(diào)整車(chē)燈的顏色。

▲圖5 將來(lái)狀態(tài)圖

▲圖6 第二輪模擬工作站

在第一輪模擬的生產(chǎn)流程中，很大一部分浪費(fèi)要?dú)w咎于推動(dòng)式的生產(chǎn)方式，所以有必要在第二輪模擬中根據(jù)顧客的需求進(jìn)行生產(chǎn)。在這里引入了看板，從離顧客需求最近的包裝工作站開(kāi)始，前面的工作站通過(guò)看板卡和信號(hào)看板來(lái)獲得顧客需求的信息，并根據(jù)這些信息進(jìn)行生產(chǎn)。

3.4 第二輪模擬

第二輪模擬過(guò)程從顧客發(fā)出訂單開(kāi)始，訂單處理工作站將裝有顧客訂單信息的看板卡置于物料盒送至發(fā)貨工作站，發(fā)貨工作站通過(guò)用于傳遞產(chǎn)品及看板卡的看板架將信息傳遞至最終裝配工作站，最終裝配工作站通過(guò)信號(hào)看板向初裝配工作站核準(zhǔn)索取所需的三種零件。信號(hào)看板在這里的作用是只有需要生產(chǎn)且缺少某種零件時(shí)，才向前方工作站索取。在初裝配和訂單處理工作站之間配有一個(gè)看板架，初裝配工作站通過(guò)看板卡向訂單處理工作站索取相應(yīng)的零件。

總之，在第二輪模擬中使用看板管理，將第一輪模擬中的推動(dòng)式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓌?dòng)式生產(chǎn)，一方面避免了不必要的庫(kù)存，另一方面使信息流和物料流實(shí)現(xiàn)了同步，做到了完全按照顧客的需求來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。

對(duì)于兩輪模擬的結(jié)果，最直觀的是比較訂單完成量及交貨時(shí)間。兩輪模擬訂單的累計(jì)時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表3。

從表3中可知，在第二輪模擬中，不僅完成了預(yù)定目標(biāo)的六個(gè)訂單，并且交貨時(shí)間還大大提前了。

4 總結(jié)

在第二輪模擬中，一個(gè)核心問(wèn)題就是生產(chǎn)要圍繞顧客的需求來(lái)進(jìn)行，生產(chǎn)的節(jié)拍應(yīng)盡可接近顧客節(jié)拍。為此，在優(yōu)化方案中，參與者們首先針對(duì)庫(kù)存的積累情況平衡了生產(chǎn)節(jié)拍，在庫(kù)存堆積最嚴(yán)重的裝配工作站加入三名參與者，并將其分為初裝配和最終裝配兩個(gè)工作站，大大改善了生產(chǎn)效率。其次，將第一輪模擬中采用的推動(dòng)式生產(chǎn)方式改為由看板控制的拉動(dòng)式生產(chǎn)方式，顧客下達(dá)訂單后，與推動(dòng)式生產(chǎn)方式相反，拉動(dòng)式生產(chǎn)方式從后往前拉動(dòng)式調(diào)動(dòng)資源，只生產(chǎn)需要生產(chǎn)的部分，使生產(chǎn)的節(jié)奏與顧客的節(jié)奏同步，使信息流和物料流同步。

綜上所述，參與者們通過(guò)親身實(shí)踐，一方面投入到模擬的企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，另一方面利用精益生產(chǎn)的理念和工具對(duì)企業(yè)流程進(jìn)行了優(yōu)化，并在減少浪費(fèi)，提高效率上取得了明顯的效果。筆者認(rèn)為，參與此次學(xué)習(xí)工廠建設(shè)的學(xué)生們通過(guò)分工合作，不僅提高了對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用水平，而且鍛煉了各自的交流能力，同時(shí)還達(dá)到了所提出的對(duì)于能力培養(yǎng)的預(yù)期目標(biāo)。

表3 兩輪模擬訂單累計(jì)時(shí)間對(duì)比