工業工程與智能制造集成的企業增效轉型模式

□ 向 艷 □ 蔣國璋 □ 張翰庭 □ 周哲浩

1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室 武漢 4300812.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室 武漢 430081

1 研究背景

在智能制造時代的大環境下,國家要貫徹新發展理念,加快構建以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局。工業工程在我國的發展面臨許多挑戰,與發達國家相比還存在一定差距,企業層面對工業工程還不夠了解,缺乏工業工程意識,工業工程缺位明顯[1]。

智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統,在制造過程中可以進行智能活動,如分析、推理、判斷、構思、決策等。智能制造彰顯人、機、物的自動化、信息化、數字化、工業化融合,核心是智能化的深度人工智能化,也就是智能信息化。工業工程采用科學的原理和方法來提高系統效率,核心是效率科學。制造是工業工程的主戰場,工業化使工業工程更有用武之地,智能制造的發展應當具備工業工程思想。由此,筆者提出工業工程與智能制造集成的企業增效轉型模式。

德國“高技術戰略2020”、日本“再興戰略”、法國“新工業法國”、美國“先進制造業國家戰略計劃”等說明智能制造已成為一種國家戰略,智能信息化是未來我國制造業的發展方向。筆者對某市133家企業進行智能制造摸底調研,并選擇46家企業進行實地調研。通過對不同企業進行調研和分析,確認不同行業、不同企業發展不平衡凸顯,并存在智能制造大力發展階段面臨的共性問題,包括關鍵共性技術和核心裝備受制于人,智能制造標準、軟件、網絡、信息安全基礎薄弱,智能制造新模式成熟度不高,系統整體解決方案供給能力不足。企業需要與時俱進,擁抱智能制造時代。我國工業工程創新面臨國家重大戰略需求[2],從工業工程創新理論方法和實踐出發,建立智能制造時代下適應企業發展的我國工業工程創新模式勢在必行,這同時也是工業工程人的責任。

2 工業工程概述

隨著當前世界經濟的飛速發展和科學技術的不斷進步,企業面臨著越來越嚴峻的考驗,效率是企業轉型升級和創新的主旋律。企業的智能化轉型升級必須以效率提升為出發點,分解與效率提升相關的因素,借助智能制造時代各種先進的技術來促進各個因素發揮作用,以系統化提升企業的運營效率,實現企業的最大化盈利。圍繞以上思路,企業的智能化轉型升級才能見效,邁向成功。工業工程是將效率與效益作為最重要訴求的一門學科,是發達國家工業界最為重視的技術之一。以汽車行業為例,工業工程的基本功能與內容如圖1所示。工業工程在企業中的應用涉及制造、物流、數據分析等多方面,是提升企業智能化轉型升級效率的武器[3]。

在智能制造的環境下,工業工程的理念與我國新時代的創新、協調、綠色、開放、共享五大新發展理念高度契合。創新與工業工程中持續改善相一致,協調與工業工程中軟件、硬件、技術、管理的融合相一致,綠色與工業工程中5S(整理、整頓、清掃、清潔、素養) 現場管理、安全工程、人因工程相一致,開放與工業工程中復雜系統、宏觀系統、中觀系統、微觀系統的集成相一致,共享與工業工程中信息、生產、服務轉化過程、成果共享相一致。

工業工程以提高效率為目標,綜合應用各種專門知識和技術,對由人、財、物、時間、信息等要素組成的集成系統進行規劃、設計、評價、創新。企業技術、管理與工業工程的關系如圖2所示。工業工程貫穿企業技術、管理的全過程,企業應該緊跟創新和發展的時代主題,采用工業工程方法,提升智能化轉型升級的效率。

3 企業智能化轉型升級效率提升

3.1 方法

在智能制造環境下,隨著研發投入的力度加大,企業需要考慮如何在向智能制造轉型升級過程中提升效率。在企業中應用工業工程的技術和方法提升效率,進而獲得最佳的綜合效益,已經逐漸得到各界的認可和重視。

第一種方法為組合創新法提升效率,將勞動、資本、設備、材料、能源、成本等單要素結合,組成多要素生產。

第二種方法為系統集成創新法提升效率,通過研究人、財、物、時間、信息、能源等,組成集成系統,進行規劃、設計、評價、創新。

第三種方法為基于智能創新提升效率,具體過程為固化經驗、形成知識、建立軟件工具。

3.2 工業工程應用層面

工業工程包括一系列先進管理技術,是對領軍企業生產、組織、管理技術等各項內容的概括,對企業改善運營、管理、服務具有指導作用。企業在實際生產、管理、服務中涵蓋多方面工作,工業工程的應用是為了提升企業的生產效率,主要應用有三個層面。

(1) 組織層面,涉及生產、設計、研發、質量、供應、營銷等。工業工程在組織層面的應用如圖3所示。在企業組織層面中應用工業工程,持續改善的重點不僅僅停留在加工制造階段,而是拓展到從供應、生產到營銷的所有環節。新的組織結構以流程為導向,增加了管理的依據與來源,符合智能制造環境下組織結構發展的新趨勢和精益生產的思想要求,提升了組織的效率和質量。信息部和人力資源部通過強大的信息系統及時獲取各流程團隊的資源需求,保證各種所需資源高質量、高效率的供應[4]。在生產過程中,工業工程創新與計算機、統計學、運籌學等其它專業技術之間不斷交叉、融合,形成綜合的、集成的新技術,并在生產過程中保證質量,提升效率。應用工業工程,流程的信息化程度顯著提升,大規模數據的自動生成使生產過程中物質流、能量流、信息流的徹底量化成為現實。正是由于以上特點,現代工業工程技術在組織層面的應用與以數據分析為基礎的精細化方法越來越緊密地聯系起來,組織結構在協調能力、組織效率、先進性等方面都具有獨特的優勢。

(2) 管理層面,涉及企業規劃、戰略發展、人力績效、財務成本。

(3) 服務支持層面,具體包括系統、設備、信息等。以提升企業效率為核心內容,應用工業工程,不同部門之間相互聯系與協調,可以有機地組織各方面的工作。

3.3 思路

以提升企業智能化轉型升級效率為出發點,結合工業工程方法,針對企業智能制造現狀,提出全要素生產率、質量、創新聯合驅動的企業智能化轉型升級增效思路。

(1) 全要素生產率驅動提升效率。我國企業正處于智能化轉型升級的關鍵階段,企業經營績效受到較大沖擊,一部分企業的經營績效呈現斷崖式下降。經濟增長來源于全要素生產率驅動,有關研究表明,全要素生產率對經營績效影響的彈性因數為0.221,我國企業經營績效的增長更多依賴于全要素生產率的驅動。工業工程創新方法從粗放方式、精細方式到精準細嚴,進一步細化管理標準,建立企業走向全要素發展的政策體系[5]。

4.建設綠色礦山是貫徹執行相關規劃的要求。《浙江省礦產資源規劃》《浙江省礦山復綠三年行動方案》《杭州市礦產資源規劃》《杭州市生態環境保護規劃》等對綠色礦山建設目標及建設工作任務提出了具體的部署，要求在規劃期內全市綠色礦山建成率達到100%，為切實完成規劃任務，需加快推進綠色礦山建設。

(2) 質量驅動提升效率。精益管理是企業以質量驅動提升效率的重要戰略,企業精益生產的運行、精益系統的打造、精益工廠的創建,都要追求創新發展,并且要有差異化,有自身的特色和品牌。將精益思想貫穿于整個體系創新、管理創新、技術創新、模式創新,運營模式由粗放管理向精益管理轉變,著力提升兩種能力,以質量驅動提升效率。一是產品標準化。企業將研發、設計等各條線結合起來共同發力,通過產品庫的缺陷提前預警實現風險前置,通過中段和后端補位解決問題,從真正意義上提升滿意度。二是運營管理標準化。企業在運營方面要通過不斷研究探索,在標準成本領域做到越來越準,形成企業自身獨特的成本體系,達到提效增利的目的,并且在運營過程中在功能性、敏感性等方面只增不減,在固定性方面做好持續改善工作。

(3) 創新驅動提升效率。企業應鼓勵全員創新,造就企業轉型升級的新引擎。圍繞解決現場問題、改善現場工況、提升產品質量和經濟效益,從質量、技術、研發、生產、市場、財務等方面對企業基礎現狀進行詳細調研,結合智能制造目標,對企業管理組織架構及職能進行相應調整,以符合未來戰略規劃,滿足方案實施的要求。同時針對企業需要解決的問題制訂總體規劃,使智能化管理遍及企業各車間。

4 工業工程與智能制造集成

工業工程與智能制造集成,就是將工業工程的理念和技術手段,以及信息技術、人工智能、智能制造等與企業管理的實踐相結合,不斷改善企業在智能制造轉型升級過程中的狀況,提高企業運行效率。一方面,工業工程為信息技術、人工智能、智能制造在企業中的應用創造必要的條件和環境基礎,實現管理與技術創新。另一方面,信息技術、人工智能、智能制造也將推動工業工程理論和技術不斷創新、發展[6]。

工業工程是一種技術加管理的綜合性技術,職能涵蓋規劃、設計、改善、創新,應用領域涉及企業智能化轉型升級的各個方面。利用工業工程制訂精益供應、精益設計、精益制造、精益管理融合的總體轉型規劃,推動企業系統化轉型升級,是工業工程的重要作用。

信息技術賦予智能制造靈魂,智能制造中的各種硬件設備與生產資源通過信息技術消除信息孤島,驅動整個制造資源的網絡化、協同化運作,提高企業的信息流傳遞效率。

人工智能指系統基于數據、信息、知識,形成類似于人腦的思維能力,如學習、推理、決策等。人工智能關系如圖4所示。

企業基于經營決策的需要,對數據加工處理形成對決策有價值的具有時效性的信息,并對信息進行挖掘,使有價值的部分沉淀下來,與已知的知識體系相結合,轉變為知識。知識與數據的融合將人工智能推向更廣泛的應用,人工智能賦能智能工廠,是企業智能化轉型升級的重要途徑。

5 案例

企業智能化轉型升級規劃建設是一項復雜的系統工程。在智能工廠中,各應用系統相互運作,會產生設計、工藝、制造、倉儲、物流、質量、人員等業務數據,這些數據來自企業資源計劃、制造執行系統、高級計劃與排程系統、集散控制系統等,如圖5所示。在生產過程中,需要及時采集產量、質量、能耗、加工精度、設備狀態等數據,并與訂單、工序、人員進行關聯,以實現生產過程的全過程追溯。在規劃設計過程中,需要建立數據管理規范,用于保證數據的一致性和準確性。還需要預先考慮數據采集的接口規范,應用監控和數據采集系統[8]。必要時,企業還應建立專門的數據管理部門,明確數據管理的原則和構建方法,建立數據管理流程與制度,協調執行中存在的問題,并定期檢查技術標準、流程和執行情況[9]。

某科技城總體規劃如圖6所示。這一科技城將工業工程與智能制造集成,穩步推進精益生產體系持續提升。企業以質量可追溯、設備可感知、過程可管控、數據可分析、經驗可學習為理念,進行技術架構搭建,穩步推進生產自動化、過程管控數字化、檢測智能化、供應鏈管控網聯化,實現智能制造體系落地[10]。

在自動導引小車搬運系統路徑規劃中,采用雙通道環線行駛設計,一去一回,避免擁堵、等待、避讓,接駁點處設計正反向單通道,最少占用線邊空間。自動導引小車搬運系統效率計算見表1,采用這一設計方案,需要自動導引小車5～6臺,占用空間少,柔性化程度、標準化程度得到提升。

表1 自動導引小車搬運系統效率計算

倉庫管理系統與倉庫設備控制系統主要功能如圖7所示,倉庫管理系統的條碼管理、盤點管理、設備管理、訂單管理、周期管理、數據接口六大功能模塊如圖8所示。全面引入物料標簽射頻識別技術,如圖9所示,貫穿整個存放、領用過程,管控實現庫存精細化,每個管控點通過標簽快速識別,提升操作反饋效率,取代庫存管控中的人工操作,優化庫存管理流程。采用快速盤點模式,改變傳統的標簽打印、盤實物、對賬過程,變為直接掃描實物,實時查看盤點進度,大幅提升盤點效率,見物對賬,知賬尋物。出入庫訂單按平臺數據執行,并即時回傳,數據支持多種錄入方式。

這一總體規劃應用工業工程與智能制造集成的企業增效轉型模式,在設計初期引入工業工程中的精益思想,借助新一代信息通信技術[11],通過工業軟件、生產和業務管理系統、智能技術和裝備的集成,幫助企業實現縱向、橫向融合集成的各類智能化解決方案。這一總體規劃在智能化轉型升級過程中計劃日程縮短為3個月,提升了轉型升級效率[12]。自動導引小車數量減少為5～6臺,降低了設備成本。庫存精細化管控優化了庫存管理流程,有效取代了庫存管控中的人工操作。這一總體規劃為應用工業工程與智能制造集成的企業增效轉型模式進行智能化轉型升級提供了參考。

6 結束語

只要有市場,就會有競爭,只要有競爭,就會依效率而為,效率依然是主旋律。企業要踐行新發展理念,實現戰略和產業變革,轉型升級勢在必行。工業工程是企業智能化轉型升級的基礎使能技術,是能夠極大促進學科交叉融合的技術,在不同應用層面可以形成獨特的創新模式。筆者提出工業工程與智能制造集成的企業增效轉型模式,并以某科技城總體規劃為案例進行了介紹。

工業工程與智能制造集成的企業增效轉型模式屬于綜合性很強的技術組合,每種技術的研究及應用都需要專業團隊結合企業自身情況進行。

對大多數企業而言,在企業智能化轉型升級時實現工業工程與智能制造的集成,可以避免盲目投資,取得良好的效果。