TRIZ在軌道交通車輛制造企業生產線生產效能提升中的應用

劉 旭 孔羽姝 王 雷 賈偉男 岳彩月 羅添元 王 迪

(中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組制造中心，130062，長春∥第一作者，工程師)

隨著國內高鐵市場和城市軌道交通市場的逐漸飽和，軌道交通車輛制造企業的生存壓力逐步增加。龐巴迪公司、阿爾斯通公司等老牌企業在全球軌道交通領域依舊有著不可撼動的地位。國內企業若要在海外市場中獲得一席之地，在提升自身競爭力的同時，亦需在生產制造過程中不斷壓降單車成本，以謀求更大的盈利空間；同時，通過推動軌道交通領域更先進的科學技術的發展，以獲得更大的資源及市場。

現階段軌道交通車輛的生產訂單普遍呈現為多品種、小批量形式，客戶需求多樣化[1]，生產線建設過程中需要投入更多的資金去采購新的特有工裝、工具及設備，盈利空間被逐步壓縮。因此，需要企業從管理和生產等方面不斷創新，以壓降單車成本、提升生產線效能。本文利用TRIZ(發明問題的解決理論)，對現階段管理和生產上存在的問題進行剖析，提出合理的管理手段[2]，以有效解決生產線效能較低的問題。

1 TRIZ在軌道交通車輛制造企業生產線中的應用

1.1 國內軌道交通車輛制造企業存在的差距

在生產管理方面，與國外老牌企業相比，我國軌道交通車輛制造企業主要存在以下差距：

1) 管理模式落后。目前，國外眾多軌道交通車輛制造企業紛紛采用了先進的管理模式，如：眾所周知的TPS (豐田生產模式)，“流水線生產”“無庫存生產”“5S”管理等。國內大部分軌道交通車輛制造企業雖已經開始步入工位制節拍化生產線的建設中，但卻無法構造實施上述管理模式的環境，導致國內眾多軌道交通車輛制造企業仍然延續以往的生產管理模式，在管理模式上遠遠落后于發達國家。

2) 浪費現象嚴重。目前，我國軌道交通車輛制造企業存在多種浪費現象，包括：傳統原材料的浪費，風、水、電、氣浪費，以及“工人閑置浪費”和“機器停運浪費”等。因此，減少浪費、降低軌道交通車輛的生產成本，也成為當今企業面臨的重要問題。

3) 供應鏈不健全。國外核心技術的壟斷使得軌道交通車輛制造企業在供應上仍受制于國外企業，外加中美貿易戰、新型冠狀病毒疫情等因素的影響，導致供應鏈存在嚴重隱患。現階段軌道交通車輛制造企業生產線上的異常停線問題有80%以上是由采購短線造成的。因此，如何搭建完整的供應鏈，以實現實物流、信息流、資金流的統一監控和管理，需要在管理手段上加以提升。同時，需加速核心技術的國產化，以逐步打破核心技術壁壘。

1.2 軌道交通車輛制造企業存在差距的原因分析

要提高軌道交通車輛制造企業生產線生產效能，就必須實現流水作業。通過構建工位制節拍化生產模式，實現生產模式搭建的標準化、資源配置管理的標準化和異常響應和處置的標準化。要保證流水線順暢，確保工位制生產的標準化和柔性化，必須具備5個條件：①現場沒有多余的物料；②不存在閑置工位無人工作的情況；③現場沒有等待的人員和流動的人員；④各工位間沒有多余的在制品；⑤各類異常問題能夠及時被發現，并在有效分類的基礎上，做出快速的處理和解決。

在進行工位制改革，構建全鏈條的工位制節拍化生產線過程中，利用魚骨圖對生產線問題進行分析，共發現生產、人力成本、工位制實施、物流及其他方面17項問題，如圖1所示。在實際生產過程中，一旦出現相關問題，就極易造成流水線停線、生產線物料積壓、人力損耗和資源浪費，最終在成本上集中體現為生產效能的急劇下降，導致單車成本上升。

注：BOM為物料清單。圖1 工位制節拍化生產線魚骨圖Fig.1 Fishbone diagram of station rhythm production line

通過現場調研某軌道客車制造企業生產線的運行狀況，發現導致生產線效能低下的主要原因如下：

1) 將管理最小單元劃分至工位，管理顆粒度聚焦節拍，管理細化導致管理成本以及管理人員需求增加。管理模式由原來的工序單元轉變為工位單元，工位內全能工人員需求增加，現階段人員難以滿足生產需求，生產效能難以提升。

2) 以高鐵列車為例，其生產工序約500多道，涉及物料數十萬種，因此工位制節拍化生產線要求流水作業，多環節、多專業相互配合至關重要。生產供應鏈異常情況時有發生，其中約有80%影響生產的問題均源于采購物料，因無法搭建完整的物料監控平臺，嚴重制約工位制節拍化生產線效能提升。

3) 公司頂層設計系統與基層生產制造系統聯系不緊密，生產線管理鏈無法由頂層設計直接應用于生產現場，因其解決流程繁瑣，難以提升工作效率。

4) 現階段信息化平臺搭建完整度較低，因工位制模式運行速度低下，暫未打通各信息化平臺的數據鏈，無法實現數據一體化。

1.3 工位功能模型的建立

工位制節拍化生產線的最小管理單元為工位，保證生產線順暢的必然條件就是保證工位運行正常。利用TRIZ對工位建立功能模型，如圖2所示。

利用沖突區域確定如下3個問題關鍵點：

問題關鍵點1：管理單元細化導致管理人員增加，以及全能工人員需求和培訓需求增加，故人員和資金需要進行壓降。

問題關鍵點2：按工位物料包進行物料管控，導致配送單元、配送資源需求及配送時間增加。

問題關鍵點3：搭建工位制節拍化生產線需要配套完整的信息化平臺和手段，目前采用的信息化平臺與工位制發展程度不均衡。

圖2 工位功能模型Fig.2 Station function model

1.4 求解過程

1.4.1 利用技術沖突解決過程求解

以問題關鍵點1入手，得到的沖突描述是：為了提高高速列車產品線的生產效能，需要提升工位內全能工人員配置，但會導致人員管理成本增加。通過查找沖突矩陣及40個發明原理，確定利用“6多用型原理”進行求解，共得出兩個解：

1) 由于工位內工序錯綜復雜，當人員出現變動或工位內某個操作者整體技術水平較低時，就會造成工位生產的停擺。從該方面考慮，可以得出：將工位內適用于單一工序的普通工種培養為全能工種。

2) 因現階段設計人員及工藝人員遠離生產現場，無實操經驗，導致由于設計產品開發和工藝現場服務的異常問題時有發生，因處理異常問題時間過長，嚴重影響工位制節拍化生產線流水。從該方面考慮，可以得出：以國外工程師為模板，打造具有現場動手能力及問題解決能力的工程師團隊。

具體管理的實施思路為：

1) 通過推進“領軍人才定制式培養、技能人才模型化培育”培養策略，充分發揮青年夜校、大師工作站等平臺的作用；

2) 建立“類別化多邊式”人才培養模式，明確具體培養途徑和手段，建立人才培養途徑矩陣圖，實現人才的高效培養；

3) 建立多層級、多維度的人才評價管理體系，建立個人業績評價檔案，健全人才晉升和職業發展通道；

4) 要求入廠新員工學習現場實操課程，嚴格考核，奠定實操基礎；

5) 推進設計工藝融合化辦公，通過雙向培養，塑造適用性強的高端人才；

6) 職稱晉升不再以論文、專利等作為單一評價標準，融合實操、異常問題處理能力進行評價，打造現場工程師技術服務團隊。

以問題關鍵點2入手，得到的沖突描述是：為了提高高速列車產品線的生產效能，需要按工位進行物料管控及物料配送，但這樣會導致物料占用空間及配送時間增加。通過查找沖突矩陣及40個發明原理，確定利用“17空間維數變化原理、28機械系統替代原理”進行求解，共得出兩個解：

1) 將物料存儲方式由散式庫房變為集中倉儲。建立多層倉儲庫房并按照工位需求存儲物料，減少備料時間，取消生產單位的物料存儲庫房。可按照項目進行物料存儲、備料，不斷提升物料倉儲水平。

2) 打造全面的物料信息化平臺，通過物料采購—物料倉儲—物料檢查—物料配送—物料接收的全階段物料管控，形成“物料超市”管理模式。

1.4.2 利用物理沖突解決過程求解

以問題關鍵點1入手，得到的沖突描述是：為了使得“工位內工序的作業時間短”，需要“增加人員”，但又為了“壓降人員管理成本”，需要“減少”人員，即人員既要“增加”又要“減少”。考慮到“人員”在不同的“時間”上具有不同的特性，因此該沖突可以從“時間”上進行分離。通過查找分離原理及40個發明原理，確定利用“15動態特性原理”進行求解：

引入的機械化設備可以實現移動運輸、吊裝定位、輔助安裝等功能，這樣可以縮短人員搬運、劃線組對等所需時間。設備機械化程度的提高可在一定程度上提升人員的利用率和工作效率。因此，可以得出解：引入機械化設備輔助操作人員工作。

例如，軌道交通客車的底架附件包含少則100余個、多則200余個部件，每臺車都需要劃線，可以研發一種可移動高舉架投影車，僅在系統內輸入一次尺寸，直接通過投影即可定位小件尺寸。

1.4.3 利用物質-場分析及76個標準解求解

以問題關鍵點3入手，得出如圖3所示的物質-場模型。

a) 改進前

根據所建問題的物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解——增加物質的分割程度，由此可以得出：依托“建設智能化企業”的原則，各系統按照工作需求及生產線建設要求，自主提報信息化開發需求，保證各業務部門對生產線的“同心化”支撐，打通信息化平臺的數據鏈，以及基礎、研發、制造、運維全壽命數據鏈，體現數據資源的價值，實現全壽命周期服務的數據驅動。各系統的數據聯動見圖4。

注：PDM為產品數據管理系統；QMS為質量管理系統；MOM為制造運營管理系統；ERP為企業資源計劃系統；APS為高級計劃與排程軟件系統；EBOM為設計物料清單；MBOM為制造物料清單。圖4 信息化平臺各系統的數據聯動Fig.4 Information platform for data linkage of each system

2 創新成果應用

通過以上創新成果應用于生產線建設的具體思路，緊密圍繞“十四五規劃”中數字化轉型的具體要求，打造數字化工位制節拍化生產線，并以某條軌道交通車輛制造企業生產線為例，從如下方面獲得了生產效能的穩固提升：

1) 為滿足柔性化、多元化的生產需求，充分發揮人才工作站功能，明確了工區全能工、工種全能工、工位全能工、跨工種操作工及外包人員技能覆蓋等5項培育目標。相較于2020年，工區全能工占比由30%達到60%，工種全能工占比由2020年的36%達到53%，工位全能工占比達到54%，跨工種占比由2020年的40%達到46%。

2) 通過實現APS、SRM(供應商關系管理系統)、MOM、QMS、PDM等信息化平臺的數據貫通，構建物料全過程狀態監控體系，初步實現采購件物料可用性檢查與齊套率檢查，確保物料按照生產節拍直送工位、裸送工位。從工藝策劃準備、生產節拍劃分、節拍化BOM搭建、配送模式優化等關鍵要素入手，以“工位制節拍化物料配送”為管理目標，從公司倉儲物流、一次集配、工位二次配送等全業務鏈條，實現“一體化點對點物流配送”，解決“物料配送最后一公里”問題，改善了物流系統的管理盲區。目前，該生產線已實現“物流一體化”與“精益工位制”融合統一的管控模式，相較2020年，物資“配送相符率”由96%提升至99.5%。

3) 深度開展APS、SRM、MOM、QMS、PDM等信息化系統數據貫通的驗證工作，且數據貫通率已達92%。形成以MOM為生產制造管理核心的信息化管理平臺。利用MOM中的管理模塊進行現場監控，總體生產效能相較2020年由60%提升至95%，同時單工位產出率提升16%。

3 結語

本文著眼于軌道交通車輛制造企業的生產管理改善及生產線建設，利用TRIZ，從企業的實際需求出發，對可用于生產現場管理、提升生產線能效的手段進行了分析，以達到降低成本、提高效率的目的。企業的生存和發展依賴于產品創新和管理創新，依靠TRIZ將其與生產管理相結合能夠有效解決許多實際生產中的問題，逐步實現企業利潤的最大化。