基于价值流的多品种最优效率模式研究.pdf

4032023中国家电科技年会论文集0 引言在智能制造背景下，全价值链降本成为离散型企业在现阶段竞争的有利方式，事前经营的满负荷生产模式更是未来制造竞争力的基础。从订单计划、到高效生产、最后准时交付，个性化的多品种小批量影响着供应链的稳定性，整合产品资源、制定排产策略、提升生产能力，实现全价值链的效率最高、成本最优是目前制造企业亟作者简介：王肖明，（1991），男，硕士学位，主要研究方向：精益生产、生产数字化。E-mail：。基于价值流的多品种最优效率模式研究王肖明1 张银1 管江勇2,3 闫苇3 汪峰3 刘方11.青岛海尔新能源电器有限公司 山东青岛 266400；2.数字化家用电器国家重点实验室 山东青岛 266100；3.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101摘 要：针对离散制造企业产品种类多、定单排产不稳定、在制品堆积多、班组氛围差的现状问题，创造性的提出运用价值流、动态规划，效率三大路线模式来研究解决。首先进行产品族的划分，并绘制当前价值流图，分析目前存在的排产不满负荷、效率氛围差、产能低工时长的问题，以精益提效为主牵头，运用价值流动性原则，提出整体价值流改善和工序价值流改善并行，归纳出效率变革三大路线，即工序线，打造效率联赛竞比，品类线，低效型号攻坚战，班组线，班组交叉抢单，实现均衡化生产。同时从淡旺季动态定编、周度满负荷排产等方向，运用动态规划求得最优标准工时，多维度完善效率模式，赋能多品种离散制造企业效率提升，最终实现经营成本最优的目的。现场实施表明，基于价值流和动态规划的效率三大路线模式在离散问题的解决中发挥重要的作用，为离散制造效率改善提供了重要的依据。关键词：价值流图；事前经营；效率竞比；动态规划；均衡化生产Research on the optimal efficiency model of multiple varieties based on value streamWANG Xiaoming1 ZHANG Yin1 GUAN Jiangyong2,3 YAN Wei3 WANG Feng3 LIU Fang11.Qingdao Haier New Energy Electrical Appliances Co.,Ltd.Qingdao 266400；2.State key laboratory of digital household appliances Qingdao 266100；3.Qingdao Economic and Technological Development Zone Haier water heater Co.,Ltd.Qingdao 266101Abstract:In view of the current problems of discrete manufacturing enterprises,such as multiple product categories,unstable order scheduling,more work in process and poor team atmosphere,the paper creatively proposes the use of value stream,dynamic programming,and efficiency to study and solve the problem.Firstly,divide the product family and draw a current value stream map to analyze the current problems of insufficient production scheduling,poor efficiency atmosphere,and low production capacity and long working hours.Led by lean efficiency improvement and applying the principle of value mobility,propose the parallel improvement of overall value stream and process value stream,and summarize the three main routes of efficiency change:process line,creating efficiency league competition,category line,low efficiency model battle,and team line,teams cross order to achieve balanced production.At the same time,from the direction of dynamic staffing in slack and peak seasons,weekly full load production scheduling,etc.,dynamic programming is used to obtain the optimal standard working hours,and multi-dimensional efficiency mode is improved to enable multi variety discrete manufacturing enterprises to improve efficiency,and finally achieve the goal of optimal operating costs.Field implementation shows that the three routes of efficiency based on value stream and dynamic programming play an important role in solving discrete problems,and provide an important basis for improving the efficiency of discrete manufacturing.Keywords:Value stream mapping;Prior operations;Efficiency competition;Dynamic programming;Balanced production中图分类号：F273 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.091404 2023中国家电科技年会论文集需解决的关键点。而这一切需要搭建从事后分析转变成事前经营为主的管理模式，不断优化改善，最终确定出最优效率模式，实现最高效率生产。价值流图技术（Value Stream Mapping，VSM）是精益生产系统中用来描述物流和信息流并实施改善的工具，VSM既是一种沟通协调、分析改善工具，更是一种战略工具、变革管理工具，越来越广泛应用于制造企业1。动态规划属于运筹学的范畴，其重点研究多阶段决策过程中的最优解，在制造企业的生产组织、资源调配和复杂系统可靠性问题中具有重要作用2。目前，研究价值流技术和动态规划在生产系统应用的文献也有很多。高留艳在价值流图中重新定义增值比的概念，运用IE手法提升流程增值比，实现降本增效目的3。王昀睿利用价值流图解决企业订单准交率低、人员工作量不均衡等问题，缩短了交货周期4。段江丽提出面向CPS的计划排产方案并提供了相关算法，提升计划排产的科学性5。何琨等提出一种基于贪心与回溯思想的局部动态规划算法，极大地缩短了求解时间6。而将价值流图结合动态规划、精益方法应用于制造企业增值比率改善，生产效率提升的研究文献很少。本文针对B公司电热水器线体效率低、制造费用高等问题，运用价值流图和精益生产方法进行分析改善，依据现状价值流图找出问题，提出效率三大路线模式，同时运用动态规划方法进一步优化标准工时，实现满负荷生产，通过低效型号攻坚，工序效率竞比，提升效率氛围，提高生产效率，实现精益生产的目的。1 背景介绍B公司是一家大型智能家电制造企业，主要产品为电热水器、出口热泵热水器、商用热泵采暖机等。在实践中发现，存在订单排产不均衡、半成品库存严重、生产效率低的问题，急需从全流程维度进行变革改善。本文以热水器产品为研究对象，解决总装生产效率低，前工序半成品库存高，以及工序间排产不匹配问题。以事前经营为主线，同时运用精益思想与工业工程方法，通过低效型号攻坚，工序效率竞比，班组交叉抢单，提升效率氛围，然后运用动态规划求得最优标准工时，最终实现提升全流程增值比、降本提效的目标。目前热水器市场行情受季节的影响，订单需求分淡季和旺季，市场订单需求随季节变化如图1所示。通常0-t1阶段为需求淡季，此时班组按淡季定编排产，t1-t2阶段为需求旺季，班组按旺季定编排产。而在两个时间阶段内，不同月份订单需求也是波动的，是一种滚动式的计划需求，因此需要进行非均匀需求的策略研究，以便快速调整生产能力，保证交付及时性。在工厂层面，订单需求的波动对生产管理的影响更加凸显。其一是整体价值流，如何保证生产计划的高效满负荷运作，同时降低库存浪费、人员浪费。其二是工序价值流，如何提升前工序、总装的生产能力（即单班产能），保证交货及时性，从而降低制造费用，提升经营利润。图1 市场订单需求随季节时间变化2 现状价值流图分析2.1 绘制现状价值流图绘制价值流图之前先确定研究的产品对象，将工厂所有200多种型号汇总分类，共15个系列，再进一步分类为三大品类，即电热品类、热泵品类、商用品类，然后结合C&E矩阵从订单需求、客户重要度、交货周期三个维度加权评分7，确定价值流分析的研究对象，如表1所示。根据加权得分选择电热品类作为价值流改善的研究对象。表1 价值流产品选择C&E矩阵分析评价矩阵订单需求客户重要度交货周期总得分排名权重0.40.30.3产品类型论证数据得分 加权分论证数据得分 加权分论证数据得分加权分电热1193.61072.1572.17.81热泵272.81592.7572.17.62商用0.572.81382.4572.17.33电热水器包括内胆、外壳、电控关键部件以及其他配件组成，生产工序主要包括内胆焊接、搪瓷预装、喷粉外壳、总装等，属于离散生产模式，现根据现场实际数据，应用价值流图符号绘制出电热水器全流程制造的现状价值流图，如图2所示。在现状价值流图中的主要参数有：一级、二级生产计划，周期时间（C/T，cycle time）、换型时间（C/O，change time）、直通率、工序人数等。研究班组均是单班工作制，除去吃饭休息时间、早会及班后6 s时间，有效工作时间为10 h/班。2.2 现状价值流图分析现状价值流图可以清楚的将生产数据展现，将现场实际问题暴 4052023中国家电科技年会论文集露出来8-9。首先进行整体的增值比率分析，增值比率是加工时间与总时间比值，其中加工时间为生产增值时间（AT），指生产过程中的实际作业时间，相对应的是总前置时间，为非增值时间（UT），指除增值时间之外的所有时间，加工时间以秒（s）为单位，总前置时间以天（d）为单位。具体的测算过程如下：（1）式中：CTi指第i工序的加工时间。（2）式中：指第i工序和第i+1工序之间的前置时间。增值比Q为：Q=AT/(AT+UT)=5822/(5822+4103600)=3.88%整体增值比率3.88%较低说明前置时间占比高，库存量大导致库存时间长，各工序生产效率低导致工序增值时间占比低，追溯到生产计划，也是排产调度存在差异所致。从现状价值流图中直观反映的问题，也是目前实际生产的问题。将生产问题具体归纳为：（1）整体价值流方面，订单预测、计划排产存在差异，未实现满负荷排产；（2）工序价值流方面，工序作业流程、效率士气氛围存在差异，未实现全员提效，全员改善的精益氛围。3 未来价值流图改善3.1 绘制未来价值流图针对现状价值流存在的问题，改善之前首先要依据年度规划制定改善目标，如表2所示。根据改善目标，搭建全流程改善团队，突破原有生产模式，制定如下改进计划：（1）从计划排产模式改善，解决排产不满负荷问题。（2）从现场效率氛围改善，提升全员精益氛围。（3）从低效型号、班组交叉生产改善，进一步优化标准工时，提升增值率。3.2 整体价值流改善整体价值流改善，做有事前预算的人均产出基础保障体系。B公司产品品类多，工艺差别大，各工序需要承接多种品类的订单生产，因品类之间节拍效率差异大，凭经验排产。排产是否合理，效率和费用目标达成是否支撑等事前算不清楚，只能事后算账。针对此问题，制定效率排产模式，如图3所示。按效率目标，结合T+1周用人，锁定T周排产量并倒算人均效率达标率，淡旺季定编高效用人。图3 事前预算的人均产出保障体系首先是按需求管控进人，（1）锁定112月份效率UPPH目标，按同期Q4季度UPPH平均值提升15%30%；（2）排定当月淡旺季定编，依据月/周度订单规划，定编分为淡季动态定编和旺季最大定编；（3）进人分人，比对当日出勤、淡旺季定编，算出差异，依据规划分配到线体用人，由精益牵头，生产经营体核对，事业部长审批，分配结果报给人力。然后是进人后高效排产，按效率目标、T+1周用人、周四排产初稿测算总装和前工序效率达标率，生产计划（初稿）排产效率达标率事前核算表如表3所示，其中线体数量、系列数量、排产天数不限于表中数据。当周度排产效率达标率低于95%的线体，需要追加订单，重新排产定稿。这里唯一考虑影响因素是用人，其他影响因素属于效率损失所以不考虑，其中T+1用人依据T周的补充分人情况，考虑新员工工时8/8/9/10 h和员工技能差异，新员工人数按第一周40%，第二周70%，第三周100%比例折算到线体总用人里。最后是生产效率差异闭环改善，根据当日的效率UPPH完成率，实际是工时完成率，即锁定效率目标、产量、用人后的实际工时完成率，如表4所示。当效率完成率低于100%时，需要工序长进行异常停机原因分析，并跟进问题闭环。同时线体每日效率完成率也作为后面工序价图2 电热水器全流程制造的现状价值流图表2 制定改善目标经营指标实施前目标提升率目标值产能（台/日）600015%6900增值率（%）3.8830%5.04用人（人）12215%104物流距离（m）62230%435UPPH（台/人*时）5.1615%5.93406 2023中国家电科技年会论文集式展示在入厂大厅屏幕上，员工班前、班后都会看到效率冠军杯赛战绩，然后在次月月初举行月度冠军杯赛总结会并现场颁奖，前三名班组授予“冲上云霄”荣誉锦旗和相应的物质激励，后三名班组授予“举步维艰”锦旗，锦旗在总结会现场授予，总结会后将锦旗悬挂于线体荣誉墙位置，以此激励班线长、全体班组员工保持高昂的斗志，持续提效。表5 B公司效率冠军杯赛相关竞比赛事序号赛事名称直播形式举办时间激励荣誉1效率冠军杯月度赛效率日清+月度总结每日、1-12月前三名激励2效率冠军杯年度总决赛宣传海报+月度总结10-12月年度前三名、总决赛MVP、最佳支持团队等3效率冠军杯单项PK赛宣传海报+微信效率群现场竞比、UPH实时直播1次/月物质激励、荣誉锦旗4效率冠军杯对赌挑战赛宣传海报+微信效率群现场竞比、UPH实时直播1次/季度物质激励、荣誉锦旗5效率突破弹式宣传微信公众号宣传效率突破班组4-6次/月班组激励、年度评选三个最优记录6降本提效创新发布宣传海报+现场发布1次/季度物质激励、荣誉证书（2）品类线，低效型号攻坚战，将B公司所有型号分为27个品类，按照不同品类UPH的差异，归为高效品类（UPH200）2个、中效品类（100UPH200）4个和低效品类（UPH10021个。针对低效品类，首先组建提效团队，团队成员包括IE、工艺、设备等，通过节拍测评，输出LOB线平衡及瓶颈工位改善项目，结合快速改善周（Kaizen）现场改善，目标时间内完成改善项目，然后逐个品类攻克瓶颈，输出每个品类的改善项目书并固化汇总，最终实现低效产品效率整体提升35%以上。（3）班组线，抢单满负荷生产，对异型机集中排产，通过到每个班组协调与调度，优化人员去抢单新班组，如图4所示，当班组A、B、C用人需求下降或没有生产计划导致用人需求为0时，可调配人员去补充班组E、F用人，提升班组E、F的产量，从而实现各班组满负荷，高效用人，最优生产，月度生产量可提升2%5%。最后每表4 各线体每日效率UPPH完成率表线体系列UPPH目标出勤人数日排产量工时效率完成率目标实际A线A-15.2349855.610.595.2%A-23.34964.4A-31.9/小计10.0B线B-14.5307895.99.596.8%B-23.83763.3小计9.2C线C-15.2428804.09.5101%C-24.37504.1C-33.51471.0C-41.6340.5小计9.6表3 生产计划（初稿）排产效率达标率核算表 线体系列UPPH目标T+1用人应排产量周一周二周三周排产达标率初稿达标率初稿达标率初稿达标率A线A-15.235182098554%/76642%97.6%A-23.3115549643%73463%/A-31.9665/21332%39259%小计97%95%101%B线B-14.530135078958%53039%/100%B-23.894037640%59263%940100%小计98%102%100%C线C-15.242218488040%90041%/98.6%C-24.3180675042%/C-33.5147014710%68046%/C-41.6672345%8112%672100%小计97%99%100%值流改善的效率冠军杯赛基础数据。3.3 工序价值流改善工序价值流改善。从组织、机制、氛围维度，建立效率变革三大路线模式，即工序线、品类线、班组线。（1）工序线，打造班组效率联赛竞比，通过效率竞比，提升主观能动性，挖掘班组潜能，带动整体提效氛围。效率联赛竞比命名为“B公司2023年效率冠军杯赛”，参考竞技体育赛事，围绕效率冠军杯赛举办多种形式的赛事，如表5所示。主赛为效率冠军杯月度赛，每月举办一次竞比排名，排名数据来源各班组每日的效率UPPH完成率，月度取平均值。SE=SEi(i=1,2,3,4,5,30)（3）式中：SEi指第i工作日的效率完成率。AE=SE/i=SEi/i(i=1,2,3,4,5,30)（4）式中：AE指月度平均效率完成率。为更好地标榜、宣传各班组每天效率完成率，以积分榜海报形图4 班组人员调度抢单满负荷 4072023中国家电科技年会论文集周评选抢单优秀班组，进行激励宣传，提升氛围。3.4 利用动态规划改善用人、排产问题3.4.1 建立动态规划模型动态规划是研究具有多阶决策过程的一类问题，这类问题与时间有关。这里将多阶段决策问题分解为线性规划决策问题与单阶段时间决策问题，最终求出在一组资源约束下的最优解10-12。为进一步解决排产负荷率问题，保证在生产能力、用人、交货时间等约束条件下的最优匹配调度，达到生产效率最高，利润最大。将时间因素融入动态规划中，以X表示在A线上生产产品的集合，即A线的生产能力。以x表示在A线上最后生产完的产品，n表示不同线体的产品种类，m表示约束条件k的种类，以p表示A线实际用人，以t表示在x在A线上生产完成所需的时间。选取（X,p,t）作为描述A线在生产过程中的状态变量。f（X,p,t,i,j）为由状态（X,p,t）开始，在A线上生产产品i与j后，按最优用人比例、生产时序将X产品全部生产完成所需要的时间。因此，由定义可得：（5）其中zij(p,t)是A线在X产品集合下实际用人数p，生产完成i、j所需要的时间。（6）（7）（8）根据约束条件，在满足用人p、不同品类n的情况下，得到最优生产调度时间13-14。具体生产时间的工时矩阵如下：3.4.2 利用动态规划优化标准工时现有6种电热水器产品分别A线、B线、C线上生产，同一产品在不同线体标准工时也不同，其产品的标准工时如表6所示。因此，产品的生产工时矩阵为：根据动态规划最优排序规则，故最优生产顺序为：136452总标准工时为：305+167+258+290+156+272=1488 s，UPPH提升率5.2%。3.5 绘制未来价值流图根据整体价值流和工序价值流的改善路径与规划理念，以及未来要实现的目标，绘制出B公司电热水器全流程制造的未来价值流图，如图5所示。未来价值流图是消除浪费、实现精益的蓝图，更是以利润为中心，实现降本提效、事前经营预算的工厂制造体系。需要说明的是，价值流图是推行精益生产的一种工具，但未来价值流图并不是改善活动的终点，未来价值流图是结合当前现状价值流图，在未来短时间内要实现的目标与改善路径下，制定出的持续改善的理想价值流图15。图5 电热水器全流程制造的未来价值流图4 经营指标分析通过整体价值流和工序价值流改善路径的实施，B公司的生产经营指标，如人员、单班产能、现场物流、生产效率、制造费用等均取得较大幅度的改善效果，如表7所示。从B公司的年度经营指标分析可以明显看出，价值流改善新模式实施取得了显著的成果：（1）日产能大幅提升。电热品类整体日产能由6000台提升到7000台，提升率16.7%。（2）消除了大量库存前置时间、浪费等不增值时间，总前置时间由4 d降低为2.3 d，增值率表6 产品标准工时统计表/s 产品 A线B线C线标准工时用人标准工时用人标准工时用人125634305303024221672882713302310258428829029551561801856346350272408 2023中国家电科技年会论文集由3.88%提升为5.97%。（3）全流程用人由122人减少到101人，优化21人。（4）大于1 min停机时率由12.5%降低到9.1%，厂内物流搬运距离由622 m缩短到388 m。（5）电热品类全流程人均效率UPPH由5.16提升到6.12，提升率18.6%。（6）最终制造费用收益由同期275万元提升到766万元，收益提升率178.5%。5 结论本文针对B公司电热水器线体效率低、半成品库存高等问题，运用价值流图和工业工程方法进行分析改善，首先绘制出现状价值流图，找出问题所在，建立的效率三大路线模式，运用动态规划方法，建立动态规划模型，实现满负荷生产，通过低效型号攻坚，工序效率竞比，班组交叉抢单，效率氛围显著提升，对外提升口碑，对内优化制造成本，提升企业整体竞争力，实现均衡化生产的目的。实践表明，基于价值流和动态规划的最优效率模式，在解决离散制造企业生产效率低、现场浪费严重问题中具有独特作用，也为企业智能制造升级转型提供重要的基础依据。参考文献1 王璐璐,马嵩华等.基于价值流图的车用组合电线组装流程优化J.组合机床与自动化加工技术,2020,37(07):164-168.2 巨承杰.基于数字孪生的智能制造车间生产调度研究 D.天津:天津大学,2021:26-88.3 高留艳,马汉武等.基于价值流图的胶轮生产过程分析与改善J.机械设计与制造,2019(10):292-296.4 王昀睿.基于价值流图析技术的客车精益生产管理研究J.组合机床与自动化加工技术,2019,(01):154-160.5 段江丽.基于CPS的计划排产研究J.制造业自动化,2021,43(10):134-137.6 何琨,任硕等.基于贪心回溯的求解完全0-1背包问题局部动态规划算法J.华中科技大学学报（自然科学版）,2023,23(04):156-162.7 张方哲,贾纯洁.基于VSM-ISM汽车空调铝扁管生产线优化及仿真J.工业工程与管理,2023,28(02):79-89.8 Chao Bao,Zhang Chaoyong,Research on optimization and simulation of sand casting production line based on VSM J.International Journal of Lean Six Sigma,2022,13(06):1185-1199.9 Karim Sebaa,Yang Zhou,Low-frequency Oscillation Damping Control for Large-scale Power System with Simplified Virtual Synchronous MachineJ.Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2021,9(06):1424-1435.10 运筹学/运筹学教材编写组编（第五版）M.北京:清华大学出版社,2018:302-308.11 康子旭,周栋等.基于飞机状态的备件动态规划技术J.北京航空航天大学学报,2022,77(01):15-20.12 李红娟,郭向阳,刘宏建.随机动态规划和粒子群嵌套寻优的PHEV能量优化J.机械设计与制造,2020(07):150-155.13 Bendali Fatiha,Mole Kamga Eloise,Mailfert Jean.Pipe-lining dynamic programming processes to synchronize both the production and the consumption of energyJ.RAIRO-Operations Research,2021,55(04):2359-2383.14 杨嫒,钱斌等.精确动态规划算法求解绿色单机调度问题J.控制与决策,2021,36(08):1891-1900.15 刘树华,鲁建厦,王家尧.精益生产M.北京:机械工业出版社,2009(04):56-60.表7 B公司价值流改善路径实施前后经营指标分析经营指标实施前实施后改善率产能（台/日）6000700016.7%增值时间（s）582252669.5%总前置时间（d）42.342.5%增值率（%）3.885.9753.8%用人（人）12210117.2%1 min停机时率（%）12.59.127.2%物流距离（m）62238837.6%UPPH（台/人时）5.166.1218.6%制造费用收益（万元）275766178.5%