信息技术中心：仿真试验与精益生产线

沙丁鱼

“智能化”是全球工业发展的总体趋势，而智能制造作为智能化水平的集中体现，承载了国家科技进步的宏伟战略，代表了工业过程转型升级的梦想与希望。在国富民强的愿景驱动之下，德国、美国、日本等各国相继推出智能制造升级战略；为比肩德、美等国的国家战略，实现“弯道超车”，中国适时提出《智能制造2025》，推动“互联网+”背景下的工业体系转型升级。智能制造是一个庞大的系统工程，需要找准切入点，抓住根本点，突出落脚点，才能保证事半功倍。

智能制造包括智能工厂和智能生产，两者皆需依托智能生产线来实现，而智能生产线需基于高质量、稳定性、高度柔性的精益生产线进行建设，特别是针对航空产品多品种、小批量的生产模式，若盲目推进智能制造，可能难以保障建设成效；若从精益生产线出发，在制造全过程精益化的基础上，逐步实现生产关键环节的智能化应用，既兼顾了智能生产线等长期愿景，又切合航空企业现状，所以建议将精益生产线作为推动航空智能制造的切入点。

精益生产线包含精益价值流分析、精益布局、物流线规划、制造资源配备等体系化举措，而航空独有的生产模式又要求精益生产线具有高度柔性，以适应航空产品离散、复杂多变的需求，所以需针对精益生产线的规划与布局进行充分论证，系统性思考生产线运作机理，全面推演其当前及未来的演进路径，才能在满足眼前急需的同时，争取长期的最优发展，这就需要将生产线规划与布局作为精益生产线建设之根本点。

精益生产线的规划与布局，为达到帕累托最优，需基于各类应用场景，针对各类复杂问题，预设应急预案，合理配备资源，兼顾问题解决与目标达成，在矛盾与发展之中达到完美平衡，所以需要将精益生产线各环节分析建模，通过模型解决多专业沟通障碍，并通过模型仿真在虚拟世界反复迭代，降低精益生产线的全过程实际运作风险；而精益生产线的转型升级，需针对关键设备及技术，经过充分试验论证，将关键设备及技术的管理模式、运营逻辑、实现流程、潜在问题进行全面展现，通过螺旋、迭代型完整性试验得出关键设备与技术之运作过程，并将其抽象建模，吸纳入生产线体系中，待求得全局最优解之后，再与实际对接固化，并以点带面推动精益生产线全面升级。因此，将仿真试验引入精益生产线规划与布局，可看作智能制造的落脚点。

精益生产线源于日本丰田生产方式，是以持续改善、消除浪费为基础的管理哲学，在连续无间断生产当中应用广泛，但在离散式生产过程当中却效果不佳。究其原因，离散生产过程波动性大，特别是在长周期复杂性的生产之中变化较多，局部产生的很多问题难以从整体角度进行根本解决。而航空产品可看作典型的离散式生产，在需求、设计、工艺、制造、保障及管理等各大过程中都有可能发生颠覆性变化，并且都需要在生产过程当中进行应对，所以导入仿真试验方法、过程、工具，加强其在生产线规划与布局当中的应用，以此建设高效率航空精益生产线。

生产线规划与布局的内涵与研究重点

在建设精益生产线之前，需针对产品特点，研究生产过程，对生产线进行总体性规划和单元化布局：生产线规划与布局是先进思想与现代工业过程相结合的产物，既综合应用了系统工程方法论，实现系统层级之间的完美对接；又融合了柔性制造、精益制造等管理思想，继承并发扬了先进制造理论；还引入价值流、仿真、试验等各类工具，追求全局效率的最优。生产线规划不仅包括产品生产线、物流线、人流、质量控制的规划，还应全面考虑柔性设计、变化应对、例外处理、扩展升级等要点，为生产线的优化扩充奠定基础；生产线布局则是规划内容的现实展现，在减少搬运浪费、降低流转缓冲、摒弃动作浪费、去除无增值工序的前提下，科学设定生产节拍，不断消除生产过程中的瓶颈，畅通整体信息传递及物流流转，在合理布局基础上，积极面对各种变化，在实现操作、流转、协作、检验、保障等环节标准化的同时，不断提升生产能力，逐渐优化全局效能，在精益规划的基础上实现精益布局。

生产线规划与布局的研究意义在于，首先可依托当前环境，针对产量与质量技术指标，整体设计整条生产线，将全局可用资源进行有效安排及最优分配，使生产线达到最佳绩效表现；然后再针对生产线当中，各应用方向不同的技术特点、内外接口以及运作逻辑进行建模，并引入信息化工具提升工作效率；接着在整体环境中进行系统综合，通过设置应用场景及确认典型样本指标，持续追求全局高效，并充分发挥局部优势，求解整条生产线最优解。最后结合厂房尺寸、工艺加工方式、设备特点，在人机合理分工的前提下，发挥人与机器各自优势，对整个生产体系进行全面系统的规划与安排，形成精益生产线最优设计。

生产线规划与布局的研究重点在于深度分析产品实现过程，有效应用信息技术，在整体把握生产步骤的前提下，考虑现代传感、自动化及流行数字技术，应用建模仿真，将生产线在虚拟世界进行沙盘推演；导入试验方法及过程，使各局部问题提前暴露，推动局部成熟，并将虚拟试验与实际生产运作管理、现实业务流程进行对接，形成虚拟与现实的相互促进；结合航空行业生产特点，以生产全过程最好、最优为基准，系统考虑相关全干系人的价值主张，兼顾整体开放性与全过程稳定性，统筹考虑生产线与加工中心、设备等不同层级的生产节拍，加强重点环节质量控制，为精益生产线的高效运转扫清障碍。

生产线规划与布局的建模与仿真

生产线规划与布局的首要任务是深入研究产品工艺规程，依据产品加工步骤，自上向下掌握产品实现过程：

1） 需把握产品的技术特点，分析产品所属的系统环境，总结产品具体的技术指标，从上层系统视角对产品的特性、特征及薄弱环节全面了解；

2）接着自上向下梳理产品（族）实现的分工路线，掌握产品工艺环节，深入研究产品加工各个过程，对各工序、工步的输入输出，加工步骤，人机分工，进出料轨迹，检验检测方法，线上线下协同过程进行整体掌握；

3）然后需要按照工艺路线，对各产品（族）加工过程进行梳理，将某一类的产品或是产品族里的某一类工艺步骤进行汇总，并将产品中同一种加工工艺或产品族中的同一个加工步骤进行归纳分类；

4）接下来对企业现有设备、工装工具的功能、性能、尺寸进行了解，结合产品加工工艺步骤，以降低产品流转路径、整体节拍平稳有序为出发点，涵盖检验检测、加工补偿、返工返修等功能特性，以构建完整性高效单元为原则，合理确定生产线当中加工中心或精益单元的设备布局，并确认各工序、工步的设备摆放位置，进一步明确人机配合的切入点及加工过程，形成分工有序、互为支撑、协调互补、精益高效的生产单元；

5）最终需要根据产品实现过程，结合厂房现状与规划，从产品生产线层面，确定各精益单元的生产线布局，从设备、单元、生产线自底向上不断迭代完善，最终形成精益生产线初步规划方案。

生产线规划与布局的核心环节是将分析结果进行建模，并依据模型进行仿真，通过设置不同样本，统计有效数据，推演精益生产线整体规划、各类资源配备与实际布局的最优方案。

1）将生产线各加工中心、生产设备、各员工运动轨迹、物料配送、物流运转、工序加工过程、检验返工等协同步骤在仿真工具中进行虚拟建模，结合航空多品种小批量离散式生产特点，统筹考虑研制、批产混线生产模式下的整体效率，测量整条生产线的柔性程度和产能指标，提前设置检验检测，返工补偿等例外处理办法，尽早将实际环境与场景在桌面上进行复现；

2）依据不同时期的产能需求及不同阶段产品的节拍设置，将设备布局、供应链协同、人员站位与移动路线进行全程模拟及综合仿真，精确模仿现场的各种行为，提前预判各类问题及例外状况，兼顾不同时期的发展需要，由此确立物料流转速度、人机分工协作、现场操作参数、调度控制策略、车间所需的半成品数量、库房缓存容量，并初步明确整体管控思路和各环节约束规则；

3）还需研究不同输入样本下，人员操作效率和机器摆放位置，及作业调度方案、物料流转路线的可操作性，对工装物料配送、瓶颈设备、关键工序、质量检测周期、工艺超差管理、不合格品流转进行迭代评估，统筹考虑MBOM不完整的研制产品、工程验证的样品以及批量交付的成品，有效验证生产计划的下达、生产制造的执行、瓶颈区域的管控、物流设备的控制逻辑，借助样本的统计数据、模拟信息资料对仿真结果进行分析研究，合理确立精益生产线布局策略，有效配置资源，提前制定体系化管控规则，借助虚拟世界解剖实际问题，降低实际运作的风险；

4）通过建模仿真，可宏观上俯视动态系统，掌控运作模式，把握整体趋势；微观上考虑精确的时间、距离、速度和尺寸，精准掌握各层次的操作模型，从而将现实生产线在虚拟环境当中进行完美复现，使各工序运作平稳，线上线下各操作完美衔接，生产节拍均衡有序，生产线顺畅流动；

5）并可基于仿真模型，统筹考虑生产线与环境的关系，以及生产线未来发展演进的原则，在此整体思路之下合理划分人机合作的边界，明确设备技术升级的方向，确立人力资本培养逻辑，并可设置流程、制度、标准、业务规范、工作说明书等体系化管理套路。

精益生产线的优化升级

需要进行完整性试验

精益生产线是未来优化升级的基础，并可基于现有成果及产品工艺特征，找出产品实现过程中的薄弱环节，有针对性地升级现有设备，合理引入机器人、物联网等成熟技术，有效提升最终产品的质量及生产过程的稳定性。新设备与技术的成功引入，需满足两大前提，首先是新设备与技术需要拥有更高的成熟度，才能降低设备与技术引入后的系统性风险；其次就是新设备与技术需要经历完整性试验，研究掌握新技术的运作过程及实现机理、新设备的操作过程与对接方式，才能将新设备、技术与整体生产线无缝对接，并逐步实现技术引入及设备购买的效益最大化。

完整性试验包括汇总需求、确定指标、明确交付、完整试验、对接实际、逐步固化、迭代优化七大步骤。

汇总需求：将引入设备（技术）的完整性需求条目化，推动各类指标的全、细、准，并逐步将目标SMART化，通过目标的明确，明晰局部应用方向、局部与整体衔接以及有可能会产生的问题，并依次确立问题要点产生的背景、场景与原因；

确定指标：各新设备（技术）的引入，都应基于具体应用指标，并依此完善设备（技术）应用路径的设计和仿真过程，并能提供设计过程和结果报告；还需针对指标建立验证和测试环境，具备针对验证、试验的符合性方法以及测试标准，并最终依据试验过程与结果形成试验数据分析报告。

明确交付：明确各设备（技术）的交付物及形式，实物交付方式以及验收标准，过程履历表的类型、数量以及格式。

完整试验：基于各设备（技术），设计试验环境，搭建试验场景，针对试验过程、试验方法和标准，以及问题和样本进行关键试验参数的提取与分析，并通过试验结果逐步优化各技术的设计、实现与固化过程，明确各设备的导入、使用、衔接与维护维修过程。

对接实际：每一个设备（技术）的试验过程、结果均需进行与设计的对接，并逐步针对设备（技术）局部应用模型，在整体生产线当中进行仿真分析，形成设计、仿真、试验的衔接与对准。

逐步固化：针对各设备（技术）应用的完整性过程，逐步将设备（技术）运作流程显性化、结构化，通过流程清晰表达价值主张，并可根据流程预测结果，形成标准化的活动序列。

迭代优化：进一步基于流程完善新设备（技术）应用的方向与指标，明确设计与仿真工具、基于模型的设计与仿真计算方法，固化试验环境和验证方法，确认回归的分析方法和步骤，推动设备（技术）应用的迭代优化与不断完善。

通过完整性试验迭代设备的运作过程，抽象设备运行步骤，明晰技术应用的运作机理，确定技术局部的应用要点，并将其与整体生产线完美对接，既解决技术单点升级，又兼顾新设备引入后的人机分工，还可提升整体产品质量，推动生产过程平稳有序，并达到整体与局部的有效衔接。所以，适当引入完整性试验过程，有助于降低精益生产线优化、升级所带来的风险，推动生产线整体的逐步成熟。精益生产咨询http://www.chinatpm.net/