作者：江支柱,董宝力
出版社：机械工业出版社
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汽车智能生产执行系统实务试读：
前言
当前，面向用户个性化需求的柔性生产与快速响应成为制造业的发展趋势，同时也成为传统制造企业生产体系与供应链的一个重大挑战，制造企业需要思考与建立与之相适应的生产模式与实现方式。
精益生产（Lean Production，LP）源自日本的丰田生产方式（Toyota Production System，TPS），作为丰田制胜的法宝，精益生产在全球被广泛运用。精益生产的原则和实践可以概括为快速应变与制造，按需求拉动生产，供应链精益，达成质量、成本、速度三者均衡。随着工业自动化、生产信息化、物联网、人工智能等新兴技术的发展与应用，智能制造已经成为制造业转型升级的重要战略。智能制造通过流程与设备互连，建立数字化车间平台，连接人、机、料。精益生产注重流程优化与效率提升，而智能生产着重于互联、敏捷与柔性。二者本质是相互融合的。在工业化与信息化的融合过程中，只有精益生产的人才、数据、流程的体系建立后，智能制造的导入才能顺利。
精益智能生产涉及自动化与信息化建设、品质保证与过程控制、物流与供应链管理等众多内容。当前随着智能制造的兴起，部分企业在导入智能制造时，在整体规划、基础搭建、实施方法等环节存在一定的认知与实现误区。因此，编写一套系统性介绍基于精益思想的智能生产系统规划书籍显得十分重要。
汽车行业作为模块化设计、并行工程、大批量定制、精益生产、柔性生产系统等先进生产模式的先行者，其在精益智能生产的应用实践上具有一定的代表性和趋势性。本丛书分为两册，分别为《汽车智能生产执行系统实务》《汽车精益智能物流系统实务》，主要是以汽车整车厂为对象，以精益生产的平准化与一个流等为核心内容，系统介绍了汽车行业精益智能生产执行系统（Manufacturing Executive System，MES）及其物流的实务规划技法与实践案例。对多车型柔性混线平准化生产、整车厂MES、丰田平准化物流的开展和应用予以详细说明。
本丛书作者之一在日产公司及丰田合资公司任职27年，对日产NPS和丰田TPS进行了长期研究与创新实践。在丰田合资公司整合导入大/中/小货车与大客车底盘多车型混线一个流生产及其物流系统，提出中小物一个流台套式（Set Parts Supply，SPS）供应方式和大物小批量排序同步供应方式。2003年负责在丰田海外整车厂第一个建立基于SPS零件供应的小型商用车与乘用车混线生产模式，成为丰田海外整车厂的SPS创新示范基地。此外，还曾负责杭州东风裕隆（原纳智捷）、杭州长安福特、杭州友高叉车等企业的生产物流与供应链整体规划，将精益生产与智能制造的整合理念应用于上述企业。
本丛书由汽车行业精益生产专家江支柱先生与浙江理工大学工业工程系董宝力博士合作编写。同时，浙江理工大学研究生陈正丰、刘彩霞、吕再生、陈广胜等同学做了大量资料收集、整理与初稿编写工作。在本丛书的编写过程中，得到了相关汽车公司的大力支持，采用了丰田等汽车企业导入精益生产与智能制造的应用案例，在此一并表示感谢！
本丛书主要围绕精益生产与智能制造的系统规划与实践应用，适合于汽车行业、机械制造装配业等离散制造业从事生产、物流与资讯等管理人员、大中专院校相关专业的师生。由于水平有限，在编写过程中难免存在不足之处，衷心期待各位读者、汽车同业批评指正，以便再版时予以修正。作 者第1章 精益智能制造1.1 制造业的机遇与挑战
在经济全球化与国际产业分工的格局中，中国制造业的工业化与再工业化历程短，基础薄弱，长期处于整个产业链的中低端。面对产业、市场、资源、环境和成本等多重内外压力，依靠资源要素投入和规模扩张的传统粗放经济增长方式难以为继，产品创新、技术创新、管理创新和模式创新成为制造业可持续发展与转型升级的重要途径。1.1.1 技术与服务创新
满足用户需求是企业经营的永恒话题。随着用户需求日趋个性化与品质化，全球化市场与差异化竞争，产品生命周期不断缩短，产品具有高度技术化与服务化、个性化与大众化并存发展的趋势。制造业正逐步从单纯提供产品向提供产品全生命周期价值链服务转变。这种转变主要体现为以产品为中心向以用户为中心转变，从数量扩张向品质提升转变，生产型制造向服务型制造转变。
产品主要通过技术驱动来实现产品价值与服务创新，即提高产品附加值及其全要素生产率。在新产品研发过程中，采用模块化、模型化和软件化的理念，将工业技术体系的隐性知识和经验进行固化，借助计算机仿真和知识工程等手段进行产品创新设计。
当前，中国正成为世界汽车制造工业的集聚中心，产品与服务创新正推动汽车市场和汽车工业的迅速发展。电动化、网络化、智能化、模块化和轻量化成为汽车产业的创新发展方向。新能源、车联网、智能辅助驾驶等技术以及汽车后市场的发展正逐步改变汽车产业生态，汽车正在由单纯的产品实体逐步转变为一种服务载体。1.1.2 智能化定制生产
大批量流水线生产是工业化大生产的主要生产组织方式，在一定程度上解决了消费侧的需求不足和供给侧的生产效率问题。但随着制造业的自动化水平提高，生产产能扩张，以及用户需求的个性化，企业竞争的核心已经由产品增量转移到价值增量。价值增量不仅聚焦传统经济学与生产管理中的功能需求、生产效率、生产成本、交期等概念，更多体现为价值链的延伸。例如，通过定制化满足用户的个性化需求，实现产品价值的最大化。制造企业生产模式进化推移如图1-1所示。图1-1 制造企业生产模式进化推移图
在汽车工业的发展过程中，20世纪初福特的流水线生产促进了汽车产品的普及。平台化生产采用平衡共性和个性的开发与生产模式，从而兼顾生产能力与用户需求的差异。平台化生产实现快速生产具有相似底盘、车身结构以及电子系统的车型。平台化生产仅定义动力总成的布局，而车身形式具有较强的衍生性，车辆的轴距、前后悬架、宽度等尺寸都可以改变。平台化生产在提高满足用户个性化需求能力的同时，大幅降低了汽车生产成本。这种生产理念对汽车制造的产品模块化、技术标准化和生产柔性化程度提出更高要求。
直接面向用户已经成为全球汽车制造业新的聚焦点。模块化是低成本满足用户个性化需求的一种重要途径，降低了从设计、采购到生产的复杂程度，其原理如图1-2所示。模块化生产进一步聚焦于满足个性化需求的柔性生产模式。在汽车模块化生产过程中，总装模块化是根据汽车各子系统的产品结构，将相关零部件组装为底盘总成、车轮总成、车门总成等总成模块。这种模块化总成组装缩短了总装车间的工位线长度和主线装配工时，提高了装配效率，缩短了生产周期，同时还进一步提高汽车生产线的柔性。图1-2 产品模块化原理1.1.3 运营管理模式创新
在产品制造与流通的全球化过程中，人工费用、资源价格、税费汇率等不断拉高生产成本，降低企业盈利能力。同时，由于产业和产品结构不合理，市场极易出现产能过剩与有效供给不足并存的情况。在工业化生产体系的运作过程中，产品、市场、质量、成本和效率是企业提高自身竞争力与可持续发展的着力点。对于任何一家制造企业，都需要一种规范、操作性强的生产运营管理模式，以此提升产品质量，降低生产成本，提高企业管理的有效性和效率。对于个性化定制生产，制造企业最大的挑战是如何平衡个性化与规模化，实现高效定制化生产和快速响应。这对制造企业的生产与供应链体系的柔性是一个巨大的考验。
以汽车行业为例，汽车生产具有工艺复杂、自动化程度高、连续作业的特点。汽车企业对成本管控、品质保证和供应链体系等方面的管理手段要求较高。如何加强生产过程管控，提高资源利用率，降低生产成本是汽车企业生产管理的重点。为了在激烈竞争中胜出，企业只有通过更科学的管理理念，对内部组织体系、外部供应链体系、生产与计划决策体系、生产运营管理体系等进行系统性创新，运用柔性生产、并行工程、精益生产和供应链等生产组织方式，实现全流程的质量、效率与成本领先。1.1.4 信息与制造深度融合
先进制造技术、自动化技术、信息技术、网络技术等已经渗透到传统制造产业链的各个环节，并与传统制造业不断融合发展。尤其是互联网、移动互联网、物联网等新一代信息技术与制造业深度融合，推动着低成本感知、高速移动连接、分布式计算和大数据分析等技术在制造业的深入应用，促进制造业态与生产模式的不断变革，使个性化定制生产与制造服务成为可能。
例如，车联网技术的应用是汽车行业潜力巨大的创新市场。利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、移动图像处理等技术，汽车可以实现对自身状态信息与用户行为数据的自动采集，提供不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）、车辆跟踪等初级应用服务。如何利用这些海量数据进行分析和挖掘，提升产品服务和用户个性化服务成为一个重要需求。图1-3是汽车大数据的一种整体解决方案。其中，大数据在整车厂的角色定位是在智能生产领域。针对生产系统瓶颈、质量缺陷等问题的传统信息分析方法通常需要几个月甚至更长时间，而采用大数据分析预判技术后，通过建立相关统计分析数学模型，此项工作不到1周时间即可完成。这种时效上的大幅提升，使得生产流程与管理环节的结合更加紧密，促进了高效、低成本的生产。图1-3 汽车大数据解决方案整体架构1.2 生产管理的先进理念
在激烈的市场竞争中，企业需要在产品和服务上不断创新，实现与对手的差异化竞争。对中国制造而言，面对基础薄弱的现状，更需要加强管理创新。通过模块化生产、柔性生产、并行工程、精益生产与精益物流等生产管理方式，持续优化企业内部生产和物流供应的组织架构与管理流程，实现高品质与低成本的行业领先。1.2.1 高品质的保证
质量是产品与企业的生命线，而高标准是质量的保证。2013年我国正式实施“汽车三包”政策，明确汽车因相关质量问题可以进行召回，这对我国汽车的质量标准提出了更高要求。汽车制造企业必须顺应形势，不断提高自身的产品质量标准，在ISO/TS16949、QS9000等标准体系基础上，建立符合自身要求，覆盖产品开发、生产制造和市场营销等全流程的质量保障体系。图1-4是丰田汽车的全面品质管理体系。图1-4 品质源于每道工序（1）产品研发阶段的质量保证
产品的质量保证是从产品研发阶段开始。在产品策划设计初期，研发部门需要采用国内外最新的汽车主、被动安全技术，保证产品的高质量与高安全性能。同时，品质保证部门与产品工程部门等核心部门同步开展工作，共同制订产品的质量目标，为后续生产制造明确质量保证的方向和标准。在产品的研发过程中，研发部门需要采用各种试验和测试手段，对产品零部件和整车进行严格的质量认可，验证其是否符合设计要求。（2）零部件的质量保证
汽车是一个精密、复杂的技术产品，由上万个不可拆解的独立零部件组装而成。汽车供应链体系所涉及的零部件供应商可达数百家。汽车零部件的供应商质量体系是包括质量、服务、技术、价格的一整套严密管理体系。整车厂需要通过供应商质量体系建设、供应商质量监控和全过程供应链质量管理，提升供应商质量保证能力。整车厂必须按照国际标准和国家标准建立相应的质量管理体系，并以过程为导向，对供应商的原材料质量、内部生产过程等建立健全稳定的过程控制机制，确保其产品满足国家法律法规、行业技术标准和产品固有的质量特性要求。（3）产品制造阶段的质量保证
为确保产品过程质量始终受控，在生产制造过程中进行标准化管理，确定每一工段的质量控制关键点，建立完整的产品检验机制。通过机器人、高自动化的柔性生产线（如焊装、涂装等生产线）等先进设备、快速定位与装夹工艺等先进工艺、先进计量检测系统（如涂胶质量3D视觉检测）、全数检验（如冲压件表面质量检查）和系统防错（如零件错装自动停线报警），确保整车在生产过程中达到设计所要求的各项质量技术指标。
只有在每一个生产环节100%地经过线上检测以及关键点的质量控制后，产品才能允许进入报交程序，报交合格后方能进入下一个生产环节。通过这一系列环环相扣的过程质量控制手段，保证每个生产环节的质量管控和有效衔接，为最终实现整车的零缺陷报交奠定基础。（4）售后阶段的质量保证
在产品经过线上和线下检测，投放市场并交付用户后，企业仍需要对产品质量进行追踪。通过收集售后服务信息，进行用户调研，开展产品针对性改进，不断提高产品质量，满足用户真实需求。同时，企业需要建立完善的管理机制，确保用户投诉与质量问题得到快速妥善处理，提升产品质量和用户服务水平。
在图1-5企业竞争力模型中，企业竞争力的F、T、Q、C、S五个要素均与质量相关。与质量直接有关的要素包括两个：产品质量（Quality）要好，服务质量（Service）要优良；与质量间接相关的是产品价格或成本（Cost），质量越高，则成本也越高，质量越差，则成本也越低；产品功能（Function）是产品质量好坏的体现方式；交货期（Time to Market）是服务质量的体现方式。图1-5 企业竞争力模型1.2.2 供应链协同
汽车行业一般采用以销定产的大批量定制生产模式。整车制造涉及零部件企业众多，且汽车生产计划的调整较为频繁。丰田、大众、福特等汽车企业已基本实现在全球范围内开展资源配置，在经营上普遍采取汽车联盟和本土化战略，零部件采购实行全球化、模块化、平准化物流拉动与准时制。
对于供应链管控能力较弱的汽车企业，由于生产与供应链相关单元之间缺乏同步响应机制，无法对计划调整做出及时反应。整个供应链的上下游企业往往采用高库存策略，通过加大零部件库存来保障供应。这种方式导致企业库存成本增加，竞争力下降。因此，汽车供应链要求整车厂和上下游供应商保持高度同步，实现低成本协同。
汽车供应链协同一般包括上游客户与服务协同以及下游供应商协同。（1）上游客户与服务协同
这种协同需要实现整车厂与上游客户在需求预测、销售计划、客户订单、配件、发货等业务环节的协同。例如，对于发货协同，可根据前期订单与客户协同，自动生成发货数据、条码打印、整车物流方式等，并实现与后续物流跟踪、付款、问题处理等业务协同。（2）下游供应商协同
这种协同的主要目标是与下游零部件供应商开展有效的业务协同，实现供应商与整车厂的生产资源要素集约化。业务协同的主要内容包括需求/预测/计划/订单自动发布，发货、跟踪、付款与绩效考核等。通过以整车厂为核心的各种协同应用，将企业各业务部门、零部件供应商、物流服务商的核心业务流程实现“网络+协同”。这种协同包括人、设备、车间、部门、系统间的协同。低成本的组织协同是企业达成低成本、短交期、敏捷制造战略的具体方式和方法。
2009年美国汽车销量排名前八均为丰田、本田等日系车企，同年通用、克莱斯勒等美国汽车公司相继宣告破产。根据相关统计数据，通用比丰田的同级别车型成本高出2000美元，但二者的零部件成本与人工成本差异不大。丰田低成本的秘密在于通过辅导各级供应商开展同步化生产和同步化物流，追求零库存的目标，提高供应链的库存周转次数（每年接近50次的库存周转）。通过这种低库存、小批量同步拉动模式，不断降低全产业链的库存成本。此外，丰田通过混流与均衡化生产，实现产品交期的缩短，进一步降低了生产库存。1.2.3 柔性生产
柔性生产是提高市场响应速度、降低生产成本、提高产品质量的一种有效方法。柔性生产是实现大批量定制生产的关键。柔性生产包括产品柔性和生产柔性。产品柔性主要通过产品模块化设计技术实现，生产柔性又分为工艺柔性与设备柔性。生产柔性主要通过自动化设备、成组技术与先进的制造系统实现。
20世纪的汽车企业以大批量生产为主，主要采用自动化流水线生产来提高生产效率，减轻劳动强度。生产效率和生产成本是汽车企业管控的重点，所追求的管理目标较为单一。随着当前以用户为中心理念的深入，如何最大限度地适应快速多变的市场，满足用户的个性化需求成为汽车企业的关注重点。目前，多品种、变批量的柔性生产线替代大批量自动线成为汽车制造业的一种发展趋势。这种柔性生产线一般由工业机器人、自动化工艺与设备、柔性加工中心、自动检测系统和自动物流仓储系统等组成。采用混线柔性生产，可以有效缩短汽车制造的生产周期，降低生产成本，满足接单式生产的需求。
例如，高速柔性化焊装线成为当前焊装生产线的主流发展方向。丰田的全球车身生产系统作为全球第一条标准化的柔性化焊装生产线，用于多平台车型共线生产。其主线由总拼夹具系统和精定位台车等核心设备组成。需要增加新车型时，焊装生产线仅需对工位布局、工装形式等进行少量改造，就能够实现多车型共线生产。这种方式极大降低了分摊到单一车型的焊装工装、设备、人力等综合成本，实现投入与产出比的最大化，提高了丰田的全球竞争力。
又如，上海通用在SAP系统的基础上，开发与应用了柔性生产控制系统及其配套的全球物料优化系统，涉及全球供应链体系内的七千多种物料。汽车柔性生产线可以生产同类但不同型号的车型。生产线的设备根据柔性生产控制系统提供的具体指令，自动进行相应动作，选择对应的零部件和工具，实现了混线生产。SAP物料系统能够将整车订单精确到每一个零部件的采购与配送，实现零部件及时供应。
此外，汽车企业在运用柔性生产方式组织生产时，需要从已有的大批量生产方式转变为按多品种、小批量的柔性化模式来组织生产。相比前者，企业的生产业务流程和产品质量的影响因素更加复杂。
例如，面向订单生产的核心是柔性生产，保证与缩短交付周期。对于柔性化生产，需要相应提高操作和生产的灵活性，保证生产过程数据的可采集、准确与及时，以便进行实时的过程监控。这些都需要完善配套的生产管理体系与作业流程，建立辅助的各类生产信息化系统。为了生产及时，要求提高设备维护的可预见性，减少可预见的停线时间，以及通过设备保全管理来提高生产设备的稼动率。为了增强零件的可追溯性，减少产品质量风险，必须加强过程管理，杜绝生产过程缺陷，提高一次下线合格率（First Pass Yield，FPY）。1.2.4 并行工程
为了快速响应市场需求与变化，降低产品库存成本，制造企业一般采用接单式生产。这种生产方式往往需要进行重新设计，而且产品批量小、交货期短、非标程度高。传统的串行设计属于设计→制造→修改设计→重新制造的一种翻墙式设计模式。由于在设计过程中无法同步考虑产品的可制造性、可维护性等因素，设计与制造问题隐形化，结构干涉、装配不匹配、功能缺陷等问题往往在设计后期、制造装配，甚至在用户使用阶段才被发现，直接导致产品变更设计任务增大，产品开发周期延长，研发成本居高不下，产品品质无法保障。
并行工程主要是为了提高用户需求响应的及时性，改变传统的串行工程思想，对产品及其相关过程（包括制造和支持过程）进行集成并行设计的系统化模式。并行工程强调过程协同、系统集成和组织一体化。（1）过程协同
通过过程并发、过程改进等机制进行设计与生产过程重构。在产品设计、加工、组装和使用阶段考虑上下游其他阶段可能遇到的问题与风险，最大限度地做到一次性最优设计。（2）系统集成
并行工程由于对象复杂、实时通信、数据信息杂乱，如果没有有效的信息支持和管理系统，过程质量、成本与时间将难以控制。因此需要将并行工程所需的数字化设计平台、过程仿真分析系统、网络化协同工作支撑系统等异构系统实现有效集成和数据共享。（3）组织一体化
通过改变传统的功能部门制或专业组，多功能集成产品开发团队以项目流与产品流的需求为主线进行人员配置，重构扁平化组织，打破由功能部门制所造成的信息流动不畅障碍。
对汽车制造业而言，并行工程主要运用于产品策划、设计、样品试制、小批试制等四个阶段。例如，在汽车车身的设计阶段，并行工程由车身造型设计工程师、车身产品工程师、车身制造工程师、产品试验工程师、感知质量工程师、客户、经销商、采购人员、供货商、知识法规人员以及其他相关项目人员组成。工艺人员从产品概念设计阶段开始参与工作，而不是像以往等到产品设计完成后再开展工艺工作。在产品的初期方案设计或详细设计阶段，结合现实制造资源、投资、工厂、车间生产能力、设备布局等情况，及时对产品的冲压、焊装、涂装进行可行性评价，并确定制造工艺。在此过程中，可以通过网络化的计算机协同工作系统，提高信息流动与共享的效率，实现设计过程（可靠性设计、有限元分析、动力学分析和尺寸链分析等）和制造过程（冲压、焊接和涂装等）的信息与数据交互过程。1.2.5 精益生产
西方的工业化生产通过不断实践与完善，建立了科学管理的理论体系。20世纪初福特汽车装配流水线的出现，标志着作坊式的单件生产模式演变为以高效自动化专用设备和流水线生产为特征的大批量生产方式。大批量生产方式缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本，保证了产品质量。然而，大批量生产方式的最大缺陷在于产品单一，定制化程度低，忽视了用户的差异化需求。
精益生产是20世纪70年代初日本丰田公司在对准时化（Just in Time，JIT）生产方式研究和实践基础上，总结出的一种新的生产模式与思维模式，也被称为丰田生产方式。精益生产将制造业的产品质量水平、生产和物流管理水平提高到一个新的高度，是继泰勒制科学管理和福特流水线生产方式之后又一种重要的生产方式。精益生产的核心思想是在企业生产经营全过程中，产品及时生产，消除设备故障，避免并消除生产中的各种浪费，追求零缺陷、高效率、零库存、高效益，以降低成本、提高产品竞争力为目标。（1）JIT生产
JIT生产是指在必要的时候，生产必要数量的必要合格产品。JIT的基本原理是以需求决定供给，即上一工程向下一工程提供所需要的型号、种类、样式、颜色等属性的物品。这种方式的好处在于各个环节按需供给，实现物料库存最低；物料供给及时、准确，节约人工、等待、仓储、品质管理的成本；防止不良品流出，每个供给环节都会将好的物品供给到下一个工程。（2）均衡化生产/平准化生产
均衡化就是平准化。例如，对于汽车混流装配生产，均衡化就是按最优化的车辆投产顺序组织生产，实现生产过程中各资源要素的均衡。均衡化不仅要达到汽车产量上的均衡，还要确保车辆颜色、型号、人工、生产负荷的均衡。此外，均衡化生产的范围是多层次的。基于拉式生产，通过整车组装线的生产平准化，生产流程逐次向前平准化。由于订单是平准化的发布，供应商也是平准化的生产与物流拉动。
均衡化生产的特点如下：
①零部件的消耗保持稳定。生产线的零部件需求量是一定的，因此从前一个工序提取零件的数量也是一定的，各工序以及完工计划量也不会有太大差别。
②各工序的生产负荷较为均衡、稳定，易于人员与设备的效率化。
③成品以及工程间的在制品库存降低。
④在生产过程中，仅存在小批量的生产和物流搬运，物流时间缩短，提高了生产线对小幅波动的适应能力。（3）持续改善
20世纪70年代丰田建立了如图1-6所示的以消除浪费为核心的持续生产改善体系。持续改善的思想基础是生产系统一直存在改进和提高的空间，需要不断进行优化与完善。精益生产是企业整体长期贯彻、全员参加、不断改进的一种管理提升过程。丰田生产方式一直被当作一种动态的自我改善体系存在，表现为能不断克服自我流程上的问题并找到合适的解决办法。持续的创新与改善是推行丰田精益生产的基础，只有确实做到这一点，才会看到丰田生产方式的推行效果，才能不断进步。图1-6 以消除浪费为核心的生产改善
精益生产综合了大批量生产方式和单件生产方式的各自优点，追求企业和用户都满意的质量，从减少浪费、价值分析的角度出发，致力于在生产系统的生产流程、组织结构、运行方式、市场供应和需求等方面，尽最大可能消除与优化价值链中一切不增值活动，实现企业在多品种、小批量柔性生产条件下的高质量和低成本，并实现产品质量、生产效率与资源消耗的最优。
精益生产将并行工程、准时化生产和柔性生产的优点集于一体。在质量管理上贯彻六西格玛（6σ）的质量管理原则，从产品设计时就考虑到质量问题，确保每一个产品只能严格按照标准程序进行生产；在库存管理方面，体现节约成本原则，在满足用户需求和保持生产线流动的同时，做到成品库存和在制品库存最低；在组织建设方面，精益生产赋予员工极大的权利，真正体现员工当家做主的精神，企业生产组织结构趋于扁平化。
精益生产的方法体系一般是从产品数量分析法（即PQ分析）、价值流分析开始，采用约束理论进行现状分析与瓶颈分析。在此基础上，首先从流程优化、连续流的设备产线布局、快速换模、全员生产保全（Total Productive Maintenance，TPM）、生产自化等方面，实现生产线的柔性配置。其次是从物出发，采用单件流、准时制与看板同步拉动，改善生产物流，降低生产库存，实现物流柔性配置。最后以人为对象，通过制订标准作业，开展工作研究，实施少人化作业，实现生产人员的柔性配置。精益生产发展至今已不仅是一种先进的生产方式，还是一种先进的管理思想与管理原则。工艺系统、物流系统、信息系统与精益生产的融合将会进一步给传统制造业带来巨大、革命性的变化。
对汽车制造企业来说，精益生产可分为三个层次：
第一层精益是指精益制造。精益制造是满足生产车间高效生产的要求，具体包括均衡化生产、准时制生产、同步化生产、质量管理、连续流、看板管理、自化等。
第二层精益是指纵向精益。高效的企业运作能力是企业精益的必要要求。企业内部的流程直接影响企业的运作，企业内部的职能部门必须通过纵向精益来保证企业的整体利益。纵向精益是对企业研发、计划、采购、生产制造、销售、物流、财务、售后等各个部门的业务流程精益化，实现企业纵向业务流程的高效协同。
第三层精益是指横向精益，即精益供应链。企业的资源包括客户、供应商、合作伙伴等内外部资源。精益供应链可以协调企业的所有资源，加速企业上下游的信息沟通，避免信息传递失真，降低时间成本。供应链的高效协同是精益生产的有效方法，可以提高企业的产品质量和柔性化生产能力。1.3 生产自动化与信息化融合1.3.1 生产自动化
工厂自动化，也称车间自动化，是指自动完成产品制造的全部或部分加工过程的技术。工厂自动化就是以生产中各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个生产中尽量减少人力操作，而能充分利用人力以外的能源与各种信息来进行生产工作。工厂自动化技术促进了工业进步，成为提高产品质量和生产效率的重要手段之一。
20世纪40年代，分散式测量仪表和控制装置取代了传统的手工操作，实现设备参数自动调节。后续逐步实现了检测仪表化、局部自动化和车间集中控制，检测与控制仪表集中在中央控制室。单元组合仪表的出现进一步提高了工厂自动化程度。微型计算机的应用与自动化仪表的智能化，实现了对整个工厂，乃至整个工艺流程的集中控制。通过计算机系统进行多参数综合控制，生产过程自动化水平得到进一步提高。进人21世纪，随着计算机技术、无线技术、现场总线技术、工业以太网技术、IT技术、机器人技术、传感器技术等的不断发展与创新，工厂自动化在经历单机自动化、车间自动化、全厂集中控制等阶段后，向工厂综合自动化发展，即把过程控制、监督控制、产品设计、质量监测、生产管理等方面融为一体。
1.过程控制
工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制，过程控制也被称为实时控制。过程控制通过及时采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节。过程控制的对象一般包括工厂级、车间级和产线设备级三种层级，各个层级有机联系在一起。过程控制的主要作用是确保产品质量、提高生产效率、发挥设备能力、防止事故发生、降低资源消耗、减轻劳动强度等。过程控制系统的结构如图1-7所示。图1-7 过程控制系统的组成
过程控制不仅能够有效和可靠地完成各种控制任务，覆盖过程控制系统（Process Control System，PCS）和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的所有功能，还能实现任意地点的控制，即用户能够把控制功能下装到现场设备或系统中执行。任意地点的控制是工厂网络结构与现场总线（Fieldbus）技术相结合的产物。对于一些基本的控制回路，把控制功能下装到现场变送器或阀门中执行，既能加快回路信号响应，改善调节品质，又能减轻控制系统负担，使其完成较复杂的优化控制等任务。同时，系统分散度的增加提高了系统可靠性。
2. 现场总线技术
现场总线是一种工业数据总线技术，主要用于数字化仪器仪表、控制器、执行机构等工厂底层设备之间以及与上层控制系统之间的数字通信与信息传递。现场总线作为工厂数字通信网络的基础，实现了生产过程现场与控制设备之间，以及其与更高控制管理层次之间的联系。现场总线根据传输对象与数据类型一般分为传感器总线、设备总线和现场总线。现场总线的主要特点如下：（1）增强现场数据采集能力
现场总线可以从现场设备实时获取大量数据信息，满足工厂自动化生产与生产执行系统的信息集成要求。现场总线是数字化的通信网络，可实现设备状态、故障和参数信息传送。系统不但可以完成远程控制，还可完成远程参数化工作。（2）开放可集成性
系统为开放式，不同厂家产品只要采用同一种总线标准，就具有互操纵性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。（3）系统可靠性与可维护性好
对于大批量过程监控系统，采用总线连接方式替换一对一的I/O连线，可以减少由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有底层设备的在线故障诊断、报警和记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，并增强了系统的可靠性。
3. 仪器仪表与检测
在过程控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，其技术进展跟随控制系统技术而发展。仪器仪表的智能化主要归结于微处理器和人工智能技术的发展与应用。例如运用神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。
智能仪器仪表一般包括智能压力、温度、流量等多参数变送器、智能分析仪，以及具有预测性维护和诊断能力的阀门等。工业控制系统是计算机技术与自动控制技术结合的产物，不仅是计算机的重要门类，还是实现工业生产自动化，优质、高产、低耗，提高工业企业经济效益的重要技术手段。
此外，随着现代质量控制方式的演变，在线检测与监测呈现智能化的趋势。例如，对于曲轴生产线，在主轴颈和连杆轴颈精加工时，将坐标测量机串接于生产线中，使之成为其中一个工位。在生产过程中，对工件的圆度、轮廓等主要几何参数进行自动测量。检测结果实时反馈给数控磨床，数控磨床通过自动控制程序实现高速、高效随动与跟踪修正，仅需要通过一次装夹完成全部的磨削加工。1.3.2 生产信息化
生产信息化实质上是将企业的计划调度、加工组装、品质保证、物料供应、部门协同等业务过程数字化。通过各种数据采集、信息系统、网络系统形成生产过程数据，提供给与生产相关的各个部门，便于企业生产资源要素配置的优化决策，帮助企业应对动态的内部波动以及外部市场的不确定性。
企业可持续发展的关键在于创新与技术。信息技术与信息系统对制造企业的发展战略、组织建设、流程变革、辅助和支持企业生产管理具有不可低估的作用。信息技术有助于提高企业组织变革和业务流程的整合能力，实现市场快速响应与柔性生产。
信息化是以先进的生产管理思想为基础，以信息技术和信息系统为工具手段，对生产运作流程进行优化、标准化与固化的过程。它将传统的人工、封闭、基于经验的垂直管理体系转化为信息驱动、动态闭环、系统协同控制的管理体系，实现企业业务流程的系统集成。信息化系统包括基础网络、系统平台、数据库平台、应用软件、终端设备等。
1.体系架构
企业信息化的体系结构自上而下可以分为三层：企业应用层、业务模型层和基础架构层，如图1-8所示。这种层次化体系架构的核心目标包括：一是围绕企业价值链和运营核心业务进行模块化的体系功能设计，满足不同企业的设计、制造与销售活动，提高企业的资源利用能力、应变能力和竞争力。二是通过对企业业务流程进行分析，特别是对企业关键流程的分析，整合企业内部与外部的各种相关信息，实现业务流程与信息流程的合理化耦合。三是为企业高效运营提供一个支撑环境，实现高效的数据传输与业务交互。图1-8中三个层次功能不是相互孤立的，而是有着内在的联系，需要对这些不同作用的分层进行综合分析，才能把握企业信息化建设的方向。图1-8 企业信息化的体系架构
2.企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）
物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）经过不断发展完善后，形成了ERP系统。ERP系统是建立在信息技术基础上，利用现代企业的先进管理思想，将企业的整个生产过程和所有资源有机结合在一起，为企业提供决策、计划、控制与经营业绩评估的全方位和系统化管理平台。ERP系统目前在企业管理中得到广泛应用。ERP系统的主要功能特点如下：
①ERP系统是一个以计划为导向的生产与管理系统，可以满足MRP与JIT的混合管理模式。对于离散型制造、流程型制造等多种生产模式，ERP系统通过对采购、生产、成本、库存、销售、运输、财务、人力资源进行合理计划与优化，达到最佳资源组合，降低库存，提高效率。.
②ERP系统对企业的内部业务流程和管理过程进行优化与规范，使原本分散的生产流程能够有效衔接。通过工作流实现企业人员、财务、制造与分销的集成，支持企业过程重组。
③ERP系统具有较完善的财务管理和成本分析体系，价值管理概念得以实施，实现资金流、物流与信息流有机结合。
④ERP系统是一个在企业内部应用的高度集成化系统，保证系统运行数据的一致性，数据在各业务系统之间高度共享。
3. 生产自动化与信息化融合（1）工厂自动化系统
工厂自动化系统通常分为五种管理层级：企业管理级、生产管理级、过程控制级、设备控制级和检测驱动级。前两种管理层级主要涉及计算机技术、软件技术、网络技术和信息技术；过程控制级主要涉及智能控制技术和工程方法；设备控制级和检测驱动级主要涉及的机电一体化技术、现场总线技术和交流数字变频调速技术。工厂自动化系统的管理层次及其技术体系如图1-9所示。图1-9 工厂自动化管理层次及其技术体系
也可将上述五级分层归纳为企业管理决策系统层（ERP）、生产执行系统层（MES）和过程控制系统层（PCS）三层结构，采用计算机支撑系统（企业网络、数据库）进行系统集成。其中，ERP和MES必须建立在设备自动化和过程自动化基础之上。（2）工厂自动化与信息化是有机融合、不可分割的整体
采用现代信息技术，可以降低消耗，提高生产率，提升企业产品质量。将先进的制造工艺技术、现代管理技术与先进的信息技术相结合，实现以提高总体经济效益为目标的传统工业技术改造。把现代信息技术融入到传统制造产业中，能够促进传统制造产业向智能化、数字化、网络化、虚拟化、敏捷化的方向发展。此外，企业自动化离不开企业信息化。信息化需要与自动化融合，在实现自动化的过程中，充分发挥信息化的作用，实现两者协调发展。
总之，在企业系统规划与实施过程中，必须明确工厂自动化系统的基础地位，加大对工厂自动化基础建设投入，运用计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufactuirng System，CIMS）的思想，以信息集成和协同运行为目标，做好统一规划和设计，实现生产自动化系统与企业管理信息系统的快速、协调发展。围绕产品设计研发、流程控制、企业管理、市场营销等环节，提升自动化、智能化和管理现代化水平，促进传统制造业的结构调整和改造升级。
但同时需要注意的是，生产的自动化与信息化融合不能简单等同于传统的CIMS。传统的CIMS更多聚焦于MRP的生产管理系统，并不能直接提高生产运行效率。因此，生产的自动化与信息化的融合不能简单理解为借助信息化技术手段实现制造自动化，只有与生产管理方式相辅相成，才能够发挥最大效能。1.3.3 智能制造
1. 什么是智能制造
互联网、物联网、云计算、大数据等信息技术和信息经济迅速发展，对传统制造业形成巨大冲击，但同时也成为制造业突破性发展的历史机遇。新技术与传统制造技术不断融合发展，持续推动制造业的技术集成与模式变革。
在20世纪末人口老龄化与人工成本高的背景下，德国企业开始学习日本企业消除浪费、提高效率的精益生产管理体系和方法。工业4.0是德国工业坚持25年学习和实践精益生产基础上，将制造业与信息化、自动化结合后提出的一种创新生产理念。工业4.0强调基于互联网和物联网的智能化、自动化、个性化敏捷生产模式。通过产业链联动与协同，满足用户的个性化要求。
如图1-10所示，工业4.0是以智能制造为主导的一种生产模式。充分结合信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）与信息通信技术，通过分散式增强型控制和去中心的智能化，实现制造业从自动化向智能化的转变。其本质就是构建基于信息物理系统的智能工厂，以此实施智能生产，实现人、设备以及产品的实时连通。图1-10 工业4.0的概念
工业4.0的核心内容可概括总结为：建设一个CPS网络，研究智能工厂与智能生产两大主题，实现纵向集成、横向集成与端到端集成三大集成，推进生产由集中向分散转变、产品由趋同向个性转变、用户由部分参与向全程参与转变三大转变。
工业4.0具备以下特征：（1）低成本的个性化定制
在研发设计和生产制造的过程中，充分考虑用户的个性化需求，在智能供应链、智能物流系统、智能工厂和智能制造的支持下实现小批量、多批次的定制化生产，通过效率最大化和资源消耗最小化创造利润。（2）高灵活性的作业流程和制造工艺
基于CPS的自组织网络可根据业务流程进行动态配置，实现灵活的作业流程和高柔性的制造工艺，同时打造适应性较强的动态物流与供应链体系，灵活应对定制生产和市场动态变化。（3）生产效率和资源利用率的系统优化
虚实融合系统贯穿于价值链的各个环节，对制造与物流过程进行系统优化。在生产不停顿的情况下，系统能够对生产过程的资源消耗进行持续优化。（4）工业4.0代表有数据的管理
工业4.0关注的数据主要包括产品主数据、生产运营数据、价值链数据、对企业经营有价值的外部数据等。这些数据通过数据集成、清洗、转换、抽取、数据仓库关联、数学建模分析、多维度展现等一系列过程，为企业的市场战略、产品研发设计、生产制造与售后服务等提供相应的业务运作与管理决策支持。
2. 智能制造的特点
智能制造是融合物联网、智能机器人、虚拟现实系统以及大数据等技术，整合自动控制、信号感测、资料处理与综合决策的一种智能自动化生产系统。
例如，在移动客户端，用户如果计划购买一台汽车，可以自主定制喜欢的外观颜色，通过手机直接下单到业务部门，经过设计转化、计划系统、物料采购、生产系统、物流等环节送达用户。
在车辆生产环节的场景中，生产车间流水线上的作业人员被智能生产线和智能协作机器人所取代，这些智能设备能够根据大数据操作显示屏指令精准地完成切割、冲压、涂装、组装、质量检测等作业。在零部件的加工过程中，通过设备监控系统、图像识别系统、视觉检测装置等自动保证零部件加工的质量，最终由机器人自动将零部件装在对应的车型上。生产自动化的提高，使得品质大大提升。更重要的是，物流也实现了智能化，零部件的物流计划与路线由系统预先设定，系统根据生产实际进度自动发出供应指令，由机器人将零部件运送到指定工位。
智能制造的主要特点可以概括如下：（1）提升制造过程的柔性与智能程度
传统工厂的生产时间多为辅助时间，真正的机械加工时间占比较低。而智能工厂使用智能生产中心系统，作业准备工作通过生产管理系统提前运算设定，并可以同时和其他工作并行开展。通过智能化的生产运作管理，减少生产辅助时间，提高生产效率和设备开动率。
此外，智能工厂的一个特征是可重新配置生产系统。智能工厂的设备均以柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）、机械手、机器人、自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）等制造单元的形式出现。由于FMS适用于多品种、小批量加工，可以灵活应对生产计划的调整。FMS可以根据产品、市场的具体要求，对生产系统的各种资源要素进行动态调整、优化配置和系统扩展。（2）智能制造强调以人为本，人机协同、服务于人
智能工厂并不完全谋求无人化工厂，或者人的作用降低。相反，人会被提高到更为重要的位置。机器人代替人工是基于成本、效率、质量三者之间的平衡兼顾原则。机器人具有持续、稳定、高效的特点，可以代替人工作业，确保产品质量的稳定、一致性以及单位产能的提升。而对需要高度主观能动性及适应性的生产工艺与作业，机器人目前尚无法完全替代人工作业。
因此，智能制造生产的定位是人机结合，服务于人。实现智能生产后，虽然对工人生产效率要求标准有所降低，但机器人需要由工人操作管理，机器人精准执行指令。工人同时还要负责周边设备的调试和维护，这样对产品的品质，对技术的研究、加工工艺的把握会更进一步，工人的思维要和智能制造的发展匹配。
智能制造利用互联网，将机器人、设备和人连在一起组成一个系统，再利用传感器技术，读取其中的数据，通过计算机分析并反馈到终端。此外，在工厂生产的每一款产品，都是由机器来模拟用户的实际操作环境和模式，以此检测产品是否合格。因此，在工业4.0阶段，人主要负责设计产品并确定生产规则和运行参数，机器、虚拟电子物理体系则基于这些指令，触发、比对路径并选择、优化生产。（3）智能制造强调物流为先
智能生产物流为智能工厂的物料供应与周转提供服务。在生产过程中，配料准确，执行规范，上下联动紧密准确；在仓储上，物料识别简单方便，任务交接快捷简单，物料存放清晰透明；在配送上，物料配送准时，配送路径畅通，载货清晰。同时还能实现缓存区、库位、生产线等多方位物料信息的透明化，大幅度减少在制品和库存数量；实现生产物流系统中的人、机、物等信息的自动绑定和记录，以使生产、物流的整个过程可跟踪、可追溯。（4）智能制造重视生产过程管控
智能制造仍然是以产品质量为基础。智能化生产的主要内容之一是把品质保证体系重点转移到确保制造过程运行的稳定、可靠和强化产品的制造质量，以及对柔性化、混线生产方式的适应等方面。生产过程管控是构建智能生产系统的重要环节和关键技术。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]