工业工程与智能制造集成的企业增效转型模式

□ 向 艳 □ 蒋国璋 □ 张翰庭 □ 周哲浩

1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室 武汉 4300812.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室 武汉 430081

1 研究背景

在智能制造时代的大环境下,国家要贯彻新发展理念,加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。工业工程在我国的发展面临许多挑战,与发达国家相比还存在一定差距,企业层面对工业工程还不够了解,缺乏工业工程意识,工业工程缺位明显[1]。

智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统,在制造过程中可以进行智能活动,如分析、推理、判断、构思、决策等。智能制造彰显人、机、物的自动化、信息化、数字化、工业化融合,核心是智能化的深度人工智能化,也就是智能信息化。工业工程采用科学的原理和方法来提高系统效率,核心是效率科学。制造是工业工程的主战场,工业化使工业工程更有用武之地,智能制造的发展应当具备工业工程思想。由此,笔者提出工业工程与智能制造集成的企业增效转型模式。

德国“高技术战略2020”、日本“再兴战略”、法国“新工业法国”、美国“先进制造业国家战略计划”等说明智能制造已成为一种国家战略,智能信息化是未来我国制造业的发展方向。笔者对某市133家企业进行智能制造摸底调研,并选择46家企业进行实地调研。通过对不同企业进行调研和分析,确认不同行业、不同企业发展不平衡凸显,并存在智能制造大力发展阶段面临的共性问题,包括关键共性技术和核心装备受制于人,智能制造标准、软件、网络、信息安全基础薄弱,智能制造新模式成熟度不高,系统整体解决方案供给能力不足。企业需要与时俱进,拥抱智能制造时代。我国工业工程创新面临国家重大战略需求[2],从工业工程创新理论方法和实践出发,建立智能制造时代下适应企业发展的我国工业工程创新模式势在必行,这同时也是工业工程人的责任。

2 工业工程概述

随着当前世界经济的飞速发展和科学技术的不断进步,企业面临着越来越严峻的考验,效率是企业转型升级和创新的主旋律。企业的智能化转型升级必须以效率提升为出发点,分解与效率提升相关的因素,借助智能制造时代各种先进的技术来促进各个因素发挥作用,以系统化提升企业的运营效率,实现企业的最大化盈利。围绕以上思路,企业的智能化转型升级才能见效,迈向成功。工业工程是将效率与效益作为最重要诉求的一门学科,是发达国家工业界最为重视的技术之一。以汽车行业为例,工业工程的基本功能与内容如图1所示。工业工程在企业中的应用涉及制造、物流、数据分析等多方面,是提升企业智能化转型升级效率的武器[3]。

在智能制造的环境下,工业工程的理念与我国新时代的创新、协调、绿色、开放、共享五大新发展理念高度契合。创新与工业工程中持续改善相一致,协调与工业工程中软件、硬件、技术、管理的融合相一致,绿色与工业工程中5S(整理、整顿、清扫、清洁、素养) 现场管理、安全工程、人因工程相一致,开放与工业工程中复杂系统、宏观系统、中观系统、微观系统的集成相一致,共享与工业工程中信息、生产、服务转化过程、成果共享相一致。

工业工程以提高效率为目标,综合应用各种专门知识和技术,对由人、财、物、时间、信息等要素组成的集成系统进行规划、设计、评价、创新。企业技术、管理与工业工程的关系如图2所示。工业工程贯穿企业技术、管理的全过程,企业应该紧跟创新和发展的时代主题,采用工业工程方法,提升智能化转型升级的效率。

3 企业智能化转型升级效率提升

3.1 方法

在智能制造环境下,随着研发投入的力度加大,企业需要考虑如何在向智能制造转型升级过程中提升效率。在企业中应用工业工程的技术和方法提升效率,进而获得最佳的综合效益,已经逐渐得到各界的认可和重视。

第一种方法为组合创新法提升效率,将劳动、资本、设备、材料、能源、成本等单要素结合,组成多要素生产。

第二种方法为系统集成创新法提升效率,通过研究人、财、物、时间、信息、能源等,组成集成系统,进行规划、设计、评价、创新。

第三种方法为基于智能创新提升效率,具体过程为固化经验、形成知识、建立软件工具。

3.2 工业工程应用层面

工业工程包括一系列先进管理技术,是对领军企业生产、组织、管理技术等各项内容的概括,对企业改善运营、管理、服务具有指导作用。企业在实际生产、管理、服务中涵盖多方面工作,工业工程的应用是为了提升企业的生产效率,主要应用有三个层面。

(1) 组织层面,涉及生产、设计、研发、质量、供应、营销等。工业工程在组织层面的应用如图3所示。在企业组织层面中应用工业工程,持续改善的重点不仅仅停留在加工制造阶段,而是拓展到从供应、生产到营销的所有环节。新的组织结构以流程为导向,增加了管理的依据与来源,符合智能制造环境下组织结构发展的新趋势和精益生产的思想要求,提升了组织的效率和质量。信息部和人力资源部通过强大的信息系统及时获取各流程团队的资源需求,保证各种所需资源高质量、高效率的供应[4]。在生产过程中,工业工程创新与计算机、统计学、运筹学等其它专业技术之间不断交叉、融合,形成综合的、集成的新技术,并在生产过程中保证质量,提升效率。应用工业工程,流程的信息化程度显著提升,大规模数据的自动生成使生产过程中物质流、能量流、信息流的彻底量化成为现实。正是由于以上特点,现代工业工程技术在组织层面的应用与以数据分析为基础的精细化方法越来越紧密地联系起来,组织结构在协调能力、组织效率、先进性等方面都具有独特的优势。

(2) 管理层面,涉及企业规划、战略发展、人力绩效、财务成本。

(3) 服务支持层面,具体包括系统、设备、信息等。以提升企业效率为核心内容,应用工业工程,不同部门之间相互联系与协调,可以有机地组织各方面的工作。

3.3 思路

以提升企业智能化转型升级效率为出发点,结合工业工程方法,针对企业智能制造现状,提出全要素生产率、质量、创新联合驱动的企业智能化转型升级增效思路。

(1) 全要素生产率驱动提升效率。我国企业正处于智能化转型升级的关键阶段,企业经营绩效受到较大冲击,一部分企业的经营绩效呈现断崖式下降。经济增长来源于全要素生产率驱动,有关研究表明,全要素生产率对经营绩效影响的弹性因数为0.221,我国企业经营绩效的增长更多依赖于全要素生产率的驱动。工业工程创新方法从粗放方式、精细方式到精准细严,进一步细化管理标准,建立企业走向全要素发展的政策体系[5]。

4.建设绿色矿山是贯彻执行相关规划的要求。《浙江省矿产资源规划》《浙江省矿山复绿三年行动方案》《杭州市矿产资源规划》《杭州市生态环境保护规划》等对绿色矿山建设目标及建设工作任务提出了具体的部署，要求在规划期内全市绿色矿山建成率达到100%，为切实完成规划任务，需加快推进绿色矿山建设。

(2) 质量驱动提升效率。精益管理是企业以质量驱动提升效率的重要战略,企业精益生产的运行、精益系统的打造、精益工厂的创建,都要追求创新发展,并且要有差异化,有自身的特色和品牌。将精益思想贯穿于整个体系创新、管理创新、技术创新、模式创新,运营模式由粗放管理向精益管理转变,着力提升两种能力,以质量驱动提升效率。一是产品标准化。企业将研发、设计等各条线结合起来共同发力,通过产品库的缺陷提前预警实现风险前置,通过中段和后端补位解决问题,从真正意义上提升满意度。二是运营管理标准化。企业在运营方面要通过不断研究探索,在标准成本领域做到越来越准,形成企业自身独特的成本体系,达到提效增利的目的,并且在运营过程中在功能性、敏感性等方面只增不减,在固定性方面做好持续改善工作。

(3) 创新驱动提升效率。企业应鼓励全员创新,造就企业转型升级的新引擎。围绕解决现场问题、改善现场工况、提升产品质量和经济效益,从质量、技术、研发、生产、市场、财务等方面对企业基础现状进行详细调研,结合智能制造目标,对企业管理组织架构及职能进行相应调整,以符合未来战略规划,满足方案实施的要求。同时针对企业需要解决的问题制订总体规划,使智能化管理遍及企业各车间。

4 工业工程与智能制造集成

工业工程与智能制造集成,就是将工业工程的理念和技术手段,以及信息技术、人工智能、智能制造等与企业管理的实践相结合,不断改善企业在智能制造转型升级过程中的状况,提高企业运行效率。一方面,工业工程为信息技术、人工智能、智能制造在企业中的应用创造必要的条件和环境基础,实现管理与技术创新。另一方面,信息技术、人工智能、智能制造也将推动工业工程理论和技术不断创新、发展[6]。

工业工程是一种技术加管理的综合性技术,职能涵盖规划、设计、改善、创新,应用领域涉及企业智能化转型升级的各个方面。利用工业工程制订精益供应、精益设计、精益制造、精益管理融合的总体转型规划,推动企业系统化转型升级,是工业工程的重要作用。

信息技术赋予智能制造灵魂,智能制造中的各种硬件设备与生产资源通过信息技术消除信息孤岛,驱动整个制造资源的网络化、协同化运作,提高企业的信息流传递效率。

人工智能指系统基于数据、信息、知识,形成类似于人脑的思维能力,如学习、推理、决策等。人工智能关系如图4所示。

企业基于经营决策的需要,对数据加工处理形成对决策有价值的具有时效性的信息,并对信息进行挖掘,使有价值的部分沉淀下来,与已知的知识体系相结合,转变为知识。知识与数据的融合将人工智能推向更广泛的应用,人工智能赋能智能工厂,是企业智能化转型升级的重要途径。

5 案例

企业智能化转型升级规划建设是一项复杂的系统工程。在智能工厂中,各应用系统相互运作,会产生设计、工艺、制造、仓储、物流、质量、人员等业务数据,这些数据来自企业资源计划、制造执行系统、高级计划与排程系统、集散控制系统等,如图5所示。在生产过程中,需要及时采集产量、质量、能耗、加工精度、设备状态等数据,并与订单、工序、人员进行关联,以实现生产过程的全过程追溯。在规划设计过程中,需要建立数据管理规范,用于保证数据的一致性和准确性。还需要预先考虑数据采集的接口规范,应用监控和数据采集系统[8]。必要时,企业还应建立专门的数据管理部门,明确数据管理的原则和构建方法,建立数据管理流程与制度,协调执行中存在的问题,并定期检查技术标准、流程和执行情况[9]。

某科技城总体规划如图6所示。这一科技城将工业工程与智能制造集成,稳步推进精益生产体系持续提升。企业以质量可追溯、设备可感知、过程可管控、数据可分析、经验可学习为理念,进行技术架构搭建,稳步推进生产自动化、过程管控数字化、检测智能化、供应链管控网联化,实现智能制造体系落地[10]。

在自动导引小车搬运系统路径规划中,采用双通道环线行驶设计,一去一回,避免拥堵、等待、避让,接驳点处设计正反向单通道,最少占用线边空间。自动导引小车搬运系统效率计算见表1,采用这一设计方案,需要自动导引小车5～6台,占用空间少,柔性化程度、标准化程度得到提升。

表1 自动导引小车搬运系统效率计算

仓库管理系统与仓库设备控制系统主要功能如图7所示,仓库管理系统的条码管理、盘点管理、设备管理、订单管理、周期管理、数据接口六大功能模块如图8所示。全面引入物料标签射频识别技术,如图9所示,贯穿整个存放、领用过程,管控实现库存精细化,每个管控点通过标签快速识别,提升操作反馈效率,取代库存管控中的人工操作,优化库存管理流程。采用快速盘点模式,改变传统的标签打印、盘实物、对账过程,变为直接扫描实物,实时查看盘点进度,大幅提升盘点效率,见物对账,知账寻物。出入库订单按平台数据执行,并即时回传,数据支持多种录入方式。

这一总体规划应用工业工程与智能制造集成的企业增效转型模式,在设计初期引入工业工程中的精益思想,借助新一代信息通信技术[11],通过工业软件、生产和业务管理系统、智能技术和装备的集成,帮助企业实现纵向、横向融合集成的各类智能化解决方案。这一总体规划在智能化转型升级过程中计划日程缩短为3个月,提升了转型升级效率[12]。自动导引小车数量减少为5～6台,降低了设备成本。库存精细化管控优化了库存管理流程,有效取代了库存管控中的人工操作。这一总体规划为应用工业工程与智能制造集成的企业增效转型模式进行智能化转型升级提供了参考。

6 结束语

只要有市场,就会有竞争,只要有竞争,就会依效率而为,效率依然是主旋律。企业要践行新发展理念,实现战略和产业变革,转型升级势在必行。工业工程是企业智能化转型升级的基础使能技术,是能够极大促进学科交叉融合的技术,在不同应用层面可以形成独特的创新模式。笔者提出工业工程与智能制造集成的企业增效转型模式,并以某科技城总体规划为案例进行了介绍。

工业工程与智能制造集成的企业增效转型模式属于综合性很强的技术组合,每种技术的研究及应用都需要专业团队结合企业自身情况进行。

对大多数企业而言,在企业智能化转型升级时实现工业工程与智能制造的集成,可以避免盲目投资,取得良好的效果。