基于IDEF的汽车制造企业精益生产系统功能模型.docx

生产运行与管理基于idef的汽车制造企业精益生产系统功能模型an idef-based functional model of lean production system for automobile manufacture enterprise姓 名： 学 号： 日 期： 摘 要精益生产是起源于丰田汽车生产系统的一种生产管理方法，其核心是消灭一切浪费。在制造企业，精益生产的重要性得到了广泛的认可，企业引进精益生产的需求也越来越多。但是目前精益生产的应用大都停留在准时生产系统、看板生产管理和持续改进等概念和具体技术的研究，对系统的设计研究不够深入。本文在丰田生产系统和福特生产系统的基础上，利用企业建模方法idef0建立了汽车制造企业精益生产系统的功能模型，主要包括4个大模块11个子功能模块；同时，利用idef3方法分析了动力传动系统装配的流程。最后，利用企业建模软件allfusion process modeler建立了模型，并利用其自带的分析工具创建了模型节点树和装配过程泳道图。关键词：精益生产系统；企业建模；功能模型；过程模型abstractlean production is originated in toyota production system, a production management method with the core idea of eliminating all sorts of wastes. in manufacturing companies, the significance of lean production has been widely recognized and the demands for lean production have substantially increased. currently, too much of attention has been paid to concepts and concrete technology research, such as just in time (jit) and continuous improvement while in-depth system design has not been performed. in this paper, an idef0-based functional model of lean production system for automobile manufacture enterprise is established on the basis of toyota production system, which includes four major modules with 11 sub-function module. in the mean time, an idef3-based assembly process is analyzed. finally, this model,as well as its node tree and swim lane diagram is created by allfusion process modeler, keywords:lean production system; enterprise modeling; functional model;process flow model21目录摘 要iiabstractiii1引言11.1 精益生产发展背景11.2 精益生产特点11.3 汽车制造企业精益生产研究应用现状21.4 本文主要内容32idef企业建模理论与方法32.1 企业建模理论及方法32.2 idef方法简介42.3 idef0建模方法基本规则52.4 本文建模思路63汽车制造精益生产功能模型63.1 精益生产功能模型总体设计63.2 生产系统总体顶层模型73.3 精益生产系统人员模块93.4 精益生产系统规范模块103.5 精益生产系统物流模块113.6 精益生产系统运作模块124模型分析与评价164.1 模型节点树图及总体分析164.2 动力传动系统装配泳道图164.3 模型评价175课程总结20参考文献211 引言1.1 精益生产发展背景丰田生产系统（tps，toyota production system）是丰田汽车公司经历了上世纪50年代濒临破产的危机后逐步建立发展起来的，是继大批量生产方式后企业的又一场革命，是丰田汽车公司创新实践的产物。运用这种生产方式，日本迅速强大了本国的汽车制造业和整个工业，并从70年代末开始，以质量高和价格低的产品大量打入美国市场，动摇了美国汽车工业长期垄断世界汽车市场的霸主地位。到80年代中期，美国集中一大批高级专家，分析了日本企业的做法，并与传统的大批量生产方式相比较，认为世界工业将进入日本所创造的生产时代。后来，福特公司也将这种理念发展，成为后来的福特生产系统（fps，ford production system）。1990年，改变世界的机器中正式将丰田生产方式1命名为精益生产2（lean production）。这是由美国麻省理工学院组织世界上17个国家的专家、学者，以汽车工业这一开创大批量生产方式和精益生产方式jit的典型工业为例，经理论化后总结出来的。精益生产方式的提出，把丰田生产方式从生产制造领域扩展到产品开发、协作配套、销售服务、财务管理等各个领域，贯穿于企业生产经营活动的全过程，使其内涵更加全面，更加丰富，对指导生产方式的变革更具有针对性和可操作性。精益生产的定义1是：致力于在客户关系、产品设计、供应网络和工厂管理等各个方面全面消除浪费。精益生产的目标是以最少的人员、最低的库存、最短的时间，高效、经济地生产出高质量的产品，对顾客做出最迅速的相应！其核心是：尽量消除无劳动和浪费，不断降低成本，提高劳动生产率，无止境的改善企业生产方式，寻求生产和经营服务的尽善尽美。精益生产方式也强调人的积极性，突出团队精神，全员参与，建立共同价值观，培养集体荣誉感。精益生产作为一种从环境到管理目标都是全新的管理思想，并在实践中取得成功，并非简单地应用了一二种新的管理手段，而是一套与企业环境、文化以及管理方法高度融合的管理体系，因此精益生产自身就是一个自治的系统。1.2 精益生产特点精益生产的核心是精益思想3，它包括精益生产，精益管理，精益设计和精益供应等一系列实现。其核心是以较少的人力，较少的设备，较短的时间和较小的场地创造出尽可能多的价值。其5项基本原则4为：1) 价值观（value）企业产品的价值只能最终由用户来决定，价值也只有满足特定用户需求才有存在在的意义。2) 价值流（value stream）价值流指从原材料到成品赋予价值的全部活动。识别价值流是实行精益思想的起步点。3) 流动（flow）这要求创造价值的各个活动流动起来。4) 拉动（pull）本质是让用户按需要拉动生产，而不是把用于不太想要的产品强行推给用户。5) 尽善尽美（perfection）用尽善尽美的价值创造过程为用户提供尽善尽美的价值。主要有3个含义：用户满意，无差错生产和企业自身的持续改进。在生产管理上，具有几个特点3：1) 拉式（pull）准时化生产（jit，just in time）2) 全面质量管理3) 团队工作（teamwork）4) 并行工程（concurrent engineering）在此基础上，精益生产的支柱5为：1) 全面质量管理，它是保证产品质量，达到零缺陷目标的主要措施；2) 准时生产和零库存，它是缩短生产周期和降低生产成本的主要方法；3) 成组技术，这是实现多品种、按顾客订单组织生产方式、扩大批量、降成本的技术基础。1.3 汽车制造企业精益生产研究应用现状精益生产思想源于汽车制造企业。国外精益生产的研究向着深层次的、本质的方向5进行。特别是国外的优秀的大公司，如丰田、福特等，都根据自己的实际情况创建了自己的精益生产系统模型（tps，fps）。丰田公司在精益生产方式中融合了ie、质量管理、设备管理、价值工程等许多现代化管理技术，并创造了许多新方法，并逐步形成了精益生产方式的完整体系。福特公司也在这方面做出了突出的贡献。图 11为福特生产系统，其基本要素主要包括培训，福特全员生产维护等。在精益思想的指导下，福特生产体系包含4个运行系统：可靠性和可维护性系统，质量运行形同，准时化生产物流系统和人力资源系统。再细分可分解为11个要素。分别如图 11所示。图 11 福特精益生产系统要素我国对精益生产的研究主要存在以下几个层面5：1) 应用：探讨精益生产在中国企业应用的可能性以及局部管理工具的应用。2) 介绍：学习和翻译介绍精益生产的内容。3) 理论研究：通过定性和定量研究来阐述精益生产的特点。4) 案例研究：对国内外企业应用精益生产实践经验的总结。但是总的看来，国内对精益生产的研究6侧重于准时生产系统，看板生产管理、持续改进等概念和具体技术的研究，对于系统的总体设计和实施方法的研究均不够深入。同时，实施精益生产也都是从现场管理和jit物流等开始，并没有从深层次应用精益生产。1.4 本文主要内容本文在相关研究6的基础上，参考丰田和福特生产系统，利用idef方法建立了汽车制造精益生产系统功能模型。2 idef企业建模理论与方法2.1 企业建模理论及方法模型就是对客观对象的抽象表示。它一般都包含一个完整的概念集合、一套相应的表达方法以及必要地规则约束，它们为人们抽象地表达客观对象提供一个参考性的框架环境。企业模型是人们为了解企业而经抽象得到的对与企业某个或者某些方面进行的描述7，。企业建模是一个通用的术语，它涉及一组活动、方法和工具来建立描述企业不同侧面的模型。这是由于企业是非常复杂的系统，一般不可能用一个模型描述清楚。因此，企业模型的一个显著特点就是通常用一组模型组成，每个子模型完成企业某一个局部特性的描述。另一个显著特点就是多视图特性，即需要采用多个视图从不同的侧面描述企业。企业模型是一组特定的目的的互补模型的一致的集合，这些特定模型描述了企业的某些用户特定需求的不同事实。目前，得到比较广泛认同的企业模型的组成部分包括产品模型、过程模型、功能模型、信息模型和组织模型等。则建模主要包括几个方面：功能模型描述企业的功能特性；过程模型描述企业的业务过程；组织模型描述企业的组织结构等；信息模型描述企业使用的数据之间的关系等。由于这些不同的企业模型描述的是同一个企业对象，所以，这些模型之间具有内在的联系。经过国内外众多研究人员多年的研究，已经形成了许多有影响的企业建模方法和工具系统。比较著名的企业建模方法有cim-osa（computer integrated manufacturing-open system architecture）、aris（architecture of integrated information system）、geram（generalized enterprise reference architecture and methodology）和iedf（integrated computer aided manufacturing definition method）。这些方法都能从不同的角度对企业进行建模。企业建模方法的发展趋势表现7为：对全企业范围和全生命周期的支持；支持文档管理和知识管理；集成化建模方法等。其中，idef源于对现在制造系统这样复杂系统进行分析与设计的需要，对复杂度较高的系统比较有效8。该方法能 在可控粒度下借助自相似性对复杂系统进行逐步分形和细化，形成具有层次性和自相似性的子系统。汽车制造业是一个复杂系统，须用自顶向下和自底向上结合的工程方法。选用idef方法建立企业的模型，可以保证系统顺利的实施9。2.2 idef方法简介idef的基本概念是在70年代提出的结构化分析方法基础上发展起来的。结构化分析方法在许多应用问题中起了很好的作用。在降低项目开发费用，减少系统中的错误，促进交流的一致性及加强管理等方面都产生了效益。1981年，美国空军公布的icam（integrated computer aided manufacturing）工程中应用名为“idef”的方法10。刚开始，此方法由3部分组成：1) idef0描述系统的功能活动及其联系，是一种基于结构化的分析与设计技术（sadt，structure analysis and design technology）的活动模型方法9。2) idef1描述系统信息及其联系，建立信息模型作为数据库设计的依据。3) idef2用于系统模拟，建立动态模型。发展至今，idef方法已经发展成为一个系列，涉及到企业建模的各个方面。本文主要用到idef0方法，来建立汽车制造企业精益生产系统功能模型；同时，适当运用idef3方法，来建立一些实际生产过程，说明精益生产的原理。2.3 idef0建模方法基本规则1. 建模的观点和目的建模总是出于某种分析、设计或研究的目的7。功能模型是为了分析对象的功能活动如何满足其基本需求及技术要求，如何建立于明确各部分功能活动间的关系及与其他方面（信息、资源、组织和决策等）的联系。因此，明确建模目的时开始建模的第一步工作。2. 基本图形定义idef0描述系统的功能活动及其联系。idef0方法是用结构化分析方法建立的图形模型。其基本图形是用盒子代表功能活动，与活动盒子相连的箭头表示与活动关联的各种事物。如图 21所示。活动名是义动词或动宾短语；四周的箭头分别为输入、控制、输出、机制和调用，这都是用名词表示的事物。输入表示活动需要消耗掉或变成输出地东西；输出指活动的结果；控制是该活动所受的约束或进行变化的条件、工作的依据；机制则是该活动赖以进行的基础或支撑条件；调用完整执行盒子代表功能的处理器。一个活动可以没有输入，但不允许既没有输入，又没有控制。图 21 基本功能活动在idef0中，除了顶层a0图只有一个活动块以外，其他层次一把由3-6个功能活动“盒子”组成。其整个模型是一组按递阶层次分解的图形，用结点号来标识图形或盒子在层次中的位置。3. idef0建模的一般方法idef0建模的一般方法为：选择范围、观点及目的，主要确定模型的立足点；建立内外关系图a-0图；画出顶层图；建立一系列图形；写文字说明。2.4 本文建模思路在这些基础之上，下文将分析汽车制造精益生产功能模型。idef0主要用来描述精益生产系统的功能模型11，而idef3主要用来说明具体的生产流程12。idef0模型中的活动与idef3过程流中的行为单元间存在着确定的联系。对于较大系统的分析，行为单元间的因果关系不是很明显，一般先从idef0做起，然后将得到的idef0模型分解到一种活动间顺序关系较明显的层次。下文利用allfusion processs modeler 软件，建立系统模型。aiifusion process modeler（前 bpwin）是一套业务过程建模（business process modeling）解决方案，为应对当前竞争激烈的电子商务环境的各项重大挑战而专门设计。它能够与迅速发生的变化保持同步，并从多个视角协调业务，实现从业务细节到企业的整体利益。同时，它还具有一些独一无二的特性，比如完整完全支持idef0和idef3建模技术，并能生成如“泳道”式图表和组织图表。3 汽车制造精益生产功能模型3.1 精益生产功能模型总体设计精益生产总体模型是在研究和借鉴福特生产系统（fps）的基础上设计的。该模型的目的主要是帮助企业更好地应用精益生产，通过改变员工行为模式、实现资源的优化配置、减少生产过程的浪费、降低企业的运营成本、提高产品质量，使企业能够快速响应市场的变化！总体上，将该模型分为4个大模块，包含11个子功能模块，如图 31所示。在4个大模块配合协调，才能够驱动整个系统正常运转。人员模块为中心模块。它包括工作小组，领导能力和人员培训。规范模块指为生产系统提供的体系保障。它由安全管理、环境管理和质量管理保证。运作模块指生产系统的日常运作。主要包括生产系统的可靠性和可维护性，它由全面生产维护、制造工程和工位过程控制三个模块保证。物流模块指实现连续物流生产，即准时化生产。它由工业物流和同步化物流保证。图 31 系统模型一个完整的精益生产系统应该将用户及市场的需求放在首要的位置上，因为精益生产是以需求拉动生产的，这样可一定程度上避免浪费。但是本文的精益生产系统更侧重于生产，将市场需求等处理为该系统的控制，用于指导系统运作等。同时，这几个功能模块的设置，也充分考虑精益生产的基本特点和原则。如前文1.2 所述，精益生产的支柱为全面质量管理、准时生产和零库存。模型中的规范模块的主要功能就是质量管理，物流模块的主要实现零库存，而几个模块之间的相互配合共同实现准时生产的原则。3.2 生产系统总体顶层模型作为顶层的模型，主要关注的是汽车精益生产系统的输入、输出和控制条件等。控制条件和输入的界限并不十分明显，本文的策略就是被消耗掉的原料和资本等位输入，而需求订单等则被认为是控制条件。顶层的输入为资本和原料，这是可以被消耗掉的。控制主要法律法规、行业规范、企业的精益理念和需求计划等。生产人员、设备和组织则为该生产系统的基本支撑。最后这个生产系统输出为汽车产品以及其说明书等。另外，汽车相关的服务以及后续的工作并没有被包括进来。最后，在软件中建立了如图 32的完整模型。根据图 31的总体模型，将该模型进行分解，得到的图 33的子模型。图 32 a-0图图 33 顶层分解图顶层分解后的几个模块，相互作用。比如，在行业规范和精益生产理念的控制下，人员模块为其它几个模块提供合格的精益生产人员和小组以及领导；规范模块制定相应的精益生产规范，用于指导人员培训、物流和系统运行等；物流模块也为运作模块提供保障，确保精益生产实现。3.3 精益生产系统人员模块该模块主要为生产系统提供优秀的人员。主要包括领导组织、人员培训和工作小组三个功能模块6共同实现。该功能模块如图 34所示。领导组织指企业各级采取多种措施，激发员工共同实现精益生产目标的能力。通过领导能力的建立和完善，使领导转变自身观念，身体力行，亲自参与精益生产实践，以实际行动影响和感染团队队员，促使团队成员完成各自的职责和任务，最终实现企业的生产经营目标。该模块主要包括管理程序、领导意识的转变、领导的支持、领导的参与和持续改进等功能。如图 35所示人员培训是指企业针对其生产经营目标和战略发展规划对员工能力、素质的要求，结合员工的自身发展需要，建立起一套行之有效地管理办法和流程，持续地对员工开展具有全员性、长期性、针对性、前瞻性和系统性的教育和训练过程。本模块主要有管理程序、培训需求分析、培训计划制定和变更、实施培训、培训记录、培训效果评估和培训成本控制等要素。如图 36所示。工作小组是指企业现有班组为核心，吸纳技术、质量等相关支持人员而组成的工作团队，是全员参与的、面向企业生产管理和运作的基层组织。工作小组在完成生产作业的同时，通过采用各种先进管理工具来识别并消除现场的各种浪费，通过实施现场的各种改善活动持续提升生产经营效果。这几个功能模块的共同作用的效果就是形成精益组织，提高员工的满意度，持续改进人员组织，实现精益生产的组织目标。图 34 人员模块图 35 领导组织图 36 人员培训3.4 精益生产系统规范模块精益生产系统规范的主要作用就是为生产系统提供体系保障。质量管理规范中，进行全面质量管理。这是保证产品质量，达到零缺陷目标的主要措施。其中明确制造过程质量控制中所有必要的运作，促进质量的持续改进并不断提高顾客满意度。这主要包括质量标准、文件、记录等。环境管理规范是指对企业其生产现场、产品退役、办公现场和周边环境规定的要求。这主要包括环境管理策划、运行及控制、评估和环境管理体系的持续改进等要素。安全管理规范指导员工床济南健康无伤害的化境，进行安全行为训练，落实安全健康措施，建立起一套行之有效地管理办法和流程。这主要包括安全管理规章制度、宣传和教育、安全控制和事故处理等要素。最后，得到如图 37的系统功能图。图 37 规范模块3.5 精益生产系统物流模块物流模块主要思想连续生产，即准时化生产。它由工业物流和同步化物流保证6。工业化物流指产品制造过程中需要的器具（工具、工装和备件等）及所消耗掉但不构成最终成品的无聊。该模块主要保证以最低成本，按时、按量将所需工业物料提供给指定的对象。同步化物流指构成最终产品所需的物料综合。其物料供应应该以最小的库存实现“需要的时候得到所需要数量的物料”。该模块可以保证同步化物料的持续流动，并通过消除物流中的各种浪费降低总成本，从而增加生产过程的柔性，提高客户需求的反应速度。精益物流模块的一个核心思想就是准时采购，其核心要素如下13：减小批量；频繁而可靠地交货；提前期压缩并且高度可靠；一贯地保持采购物资的高质量。最后，得到物流模块的功能模型如所示。图 38 物流模块3.6 精益生产系统运作模块该模块为该系统的核心模块，维持系统的可靠性和可维护性。由全面生产维护，制造工程和工位过程控制。图 39 运作模块几个模块之间相互作用，最终实现精益生产的目标。下面详细分解制造工程与工位控制。并在制造工程中利用idef3方法建立一些模块的过程模型。3.6.1 全面生产维护全面生产维护是通过全员参与对设备进行保养和维修的活动。这主要是通过小组化工作方式消除与设备有关的各种损失，提高工作现场的可靠性和总体效率。本模块主要包括建立全员生产维护组织结构、制定维护工作计划、实施维护、维护记录和管理等要素。3.6.2 制造工程制造工程主要负责汽车生产的日常运作，全面的应用实施精益生产的相关理念，规范化流程设计，提升制造工程项目整体的效益和效率。参考汽车制造工艺，汽车生产的主要功能模块为如图 310所示14。主要包括锻造与热处理、冲压焊接、机械加工、注塑发泡、协作件和装配子系统等。其中，选取装配子系统作为深入探讨的模块。装配子系统主要由车内总成、动力传动系统、电子装置和车外总成模块构成，如图 311所示。图 310 制造工程图 311 装配子系统对动力传动系统的装配，重点分析了发动机的装配过程。利用idef3方法建立起了过程模型，如图 312所示。在模型的最底层，精益生产的思想就体现得更具体。比如在装配的过程中，运用看板管理，来实现按需拉动的精益生产目标。图 312 动力传动系统装配流程图3.6.3 工位过程控制工位过程控制15主要采用标准化的手段，发现和消除生产制造过程中存在的各种浪费。通过防止缺陷的产生和下传，从而保证和持续改进产品的质量。其中主要的模块包括过程质量控制、工作现场组织与管理、可视化工厂和防错措施与快速转换。其主要模块如图 313所示。图 313 工位过程控制至此，初步完成了模型的创建。下面对模型整体进行分析评价。4 模型分析与评价4.1 模型节点树图及总体分析软件自带“add node tree”功能16, 17，可以展示模型中所有的父子关系。节点树采用与建模过程对应的传统树结构来展示。每个节点都对应了模型中的一个功能。建立系统的节点树图，如图 41所示。从模型中可以看出，该系统总共包含了5层结构。其中底层为发动机装配的流程，采用idef3方法建立；而上面几层为idef0方法建立的功能模型。这从一定程度上反应了企业建模的一个特点：从多个角度才能更完善的描述一个企业。功能（idef0）逐步分解后，最终也要立足流程（iedf3）来实现功能。从模型中也可以看出，精益生产需通过自顶向下和自底向上两种方式来实施。一方面，自顶向下，应该建立保障精益生产的理念、组织结构和行为规范等；另一方面，自底向上，应该从底部的流程做起，应用看板管理等一系列精益生产的方式来实现消除浪费等精益目标。4.2 动力传动系统装配泳道图复杂商业过程中经常包含了相互交叉的活动。上述的节点树图并不能使商业流程中包含的信息完全可视化。泳道图可以从一定程度上明确各个职能部门或人员的地位和作用。allfusionprocess modeler能很好的支持泳道图的绘制16, 17。针对图 312 动力传动系统装配流程图图中的信息，利用allfusion process modeler建立了泳道图，用来展现该过程中不同人员的职责。设置如表 41所示的几类工作人员。其中活塞装配人员主要负责组装活塞连杆，安装活塞环并检查是否偏缸等。检验人员主要负责控制每个环节的装配质量。其他装配人员主要负责中间轴，缸盖，机油泵及配齐机构等的装配。曲轴装配人员负责曲轴与轴承的安装。总装人员换负责最后的总体装配。表 41 装配小组角色角色小组活塞装配人员装配小组检验人员装配小组其他装配人员装配小组曲轴装配人员装配小组总装人员装配小组将每一个人员分配到活动的每一步中，得到如图 42所示的泳道图。从图中可以清晰地判断出每一位角色在传动系统装配流程中承担的主要任务。4.3 模型评价企业建模是一个目标驱动的方法，它以改进、优化企业某个或某些方面性能为目的。本模型为企业制造企业精益生产的功能模型。在tps和fps的基础上，提出了较完整的精益生产模型，有助于企业布置实施精益生产。但是建模始终具有一定的局限性，该功能模型也只能从功能的角度来说明一个企业该如何来实施精益生产。虽然模型中结合idef3方法，用发动机装配的例子来体现具体的流程，但是不具有普遍性。具体实施精益生产的步骤，则需要更多的详细流程。图 41 系统节点树图图 42 发动机装配流程泳道图5 课程总结虽然课程上很多的知识点都已忘记，但是老师传授的一些观念却深深的烙在脑海里。收获颇丰，总结起来，有以下几点。首先是对研究生阶段的学习有新的认识。这学期课程较重，不由得让人回忆起本科阶段的学习，把每一门课都学到最好。经过老师的提醒，才意识到研究生学习更多的是要做出一些创新性的工作，而不只是重复去记忆别人的理论，不只是应付一些考试。这也使得自己在学习上有所侧重，花更多的时间去研究与自己专业相关的内容。其次是在完成大作业的过程中，对企业建模建立了宏观的认识。企业模型通常由一组模型组成，每个子模型完成企业某一个局部特性的描述。同时，企业建模需要多个视图从不同的侧面描述企业，不同的视图之间相互补充，共同完成描述任务。本文对企业进行功能建模，选取的是idef0方法；同时应用idef3方法建立局部过程模型。但是在建模的过程中，经常会考虑边界量：可以在功能模型中描述它，亦可在流程模型中描述它，并没有严格的界限。这反过来要求在建模之前，建立起明确的规则和界限，以区分边界量。这也指导自己在实际的生活中，对于是非等问题应建立严格的边界，因为对待这些问题容不得我们模棱两可。此