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智能生产物流的模拟过程——普尔学习工厂
斯特凡j布拉奇拉，马库斯施奈德
a普尔@生产和物流能力中心，兰茨胡特应用科学大学，德国，1，84036，兰茨胡特，德国
b普尔@生产和物流能力中心，兰茨胡特应用科学大学，德国，1，84036，兰茨胡特，德国
*通讯作者.电话： 00498715068342。电子邮件地址:stefan.bloechl@haw-landshut.de
摘要：
普尔技术支持中心运营了一个学习工厂，这个工厂从事精益生产/精益物流领域的与应用程序相关的研究和教育，为学生和公司提供了模拟的教学方法。中心还发展了一门新的学问-“智能生产物流”。通过对内部材料流的学习，开发了一种新的仿真过程，与工业4.0组件智能结合，以便在生产中充分运用工业4.0技术。并且将通过调查对“智能生产物流”领域规划的具体问题进行评估。
1.从一个精益学习工厂到一个为智能生产物流服务的学习工厂
普尔技术支持中心,作为兰茨胡特应用科学大学的一个学部，2010年开放了它的精益学习工厂。它的设计主要是为教学、培训方法、精益生产原则和精益物流服务的。第2.2节详细描述了精益学习工厂的概念。新的学习工厂概念的必要性在第3节进行了阐述，新概念本身则出现在第四节。由于对新的学习工厂概念的解释需求，第5节描述了一个为智能生产制定的模拟过程。
2.学习精益工厂
在这一节中[1]，精益学习工厂(见图1)根据Abele等的形态分类。它包括一个在200 msup2;车间操作的物理装配线，其主要目的是为工业工程和管理学士和硕士研究生提供教学，次要目的是进行与应用相关的项目研究和培训。在这篇文章中，学习工厂作为研究的推动者和用例场景，专注于生产和精益管理，例如客户订单实时管理。在后一种情况下，对生产和物流公司中所有等级的员工进行培训，这些公司包括从小公司到诸如宝马的汽车制造商。因此，群体荟萃，有同类的学生群体以及不同类的员工群体，每次训练大约有8到15个参与者。总的来说,每年时长一到两天的训练大约有200人参与。培训师在标准化培训过程中扮演主持人和教练的角色来指导现场学习，使理论和实践部分交替进行。
图1.精益学习工厂
2.1.基础设施和设备
这个精益学习工厂的核心是手动操作的手推车装配线。生产线和产品是生产公司现有的，每次训练结束后，手推车都被拆卸，以便重新使用。7个装配站的材料供应是由一个同步拖拉火车和超市概念来组织。关于制造组织的问题，这条装配线的生产布局是从生产车间到u型流生产变化的，它的依据是各自培训的目的。因此,这个精益学习工厂的可变性规模包括布局，物流以及生产批量，影响着单一工作场所，工作系统和工厂的工作系统水平。
这个学习工厂的一个特点是安装了实时定位系统。这个系统被用来创造一个基于版图的订单指导软件(LOS1），这是在2011到2014年的应用相关的项目研究中发展起来的。这种技术使得在以实时数据为基础的制造过程[2]能够持续跟踪客户订单。
2.2.教学方法和学习内容
学习内容有两个主要部分，首先是精益原则，其次是物流传播的类比。作为精益学习工厂的教学方法，模拟过程被用来强调精益生产和精益物流中的方法能力。学习场景策略由演示和封闭场景组成。除了精益的八个系统的首要原则（圆滑、流畅、吸引力、标准、稳定性、同步、集成、完美）[3]，表1中列出的正式原则是精益学习工厂中第一个主要的学习方法。[4]
表1.精益的首要原则
这个设施的第二个主要学习内容是通过“物流传输”的类比。在这学习场景中,物流传输有三个不同的齿轮描述三个不同的材料和信息流动的物流周期(参见图2)。这个物流传输的类比注重不同齿轮的材料和信息流动的周期时间的学习内容以及所有三个齿轮的传动机构的规模。这显示了从单一工作站到供应商的集成系统。就像在汽车的变速器中一样，物流传输有几个齿轮，因此有不同的转速，换句话说，不同的周期。
在这个例子中，最高的是第三个齿轮，它代表了从一个假设的供应商到工厂的超市的传递过程，组织的是附在托盘上的看板文件夹和一个供应商看板。这个齿轮的运转速度是相当慢的，例如，以完整的托盘/大型载运车的形式每星期运输一次。接着，第二个齿轮象征着从超市到工厂装配线的供应，并带有一个同步拖拉火车。这个循环时间已经远远高于第三个齿轮，每隔30分钟就有一辆大动车和小型载运车一起运行。信息流是由在组装站的小负载载体上附着的看板卡片组织起来的。物流员挑选出空的载体，并在下次运行时替换它们。最后，在U型组装线内，第一个齿轮跟随客户订单流动，分别形成最终的产品。这个齿轮的周期比其他的要高，在这种情况下，根据客户的需求一个产品每隔75秒就组装一次。
精益学习工厂的主要教学工具是这样一个模拟过程“从工作车间的生产到一件一件的流程”。参与者承担不同的角色（例如：物流管理者，领班和工人），并在具有各种规模的第一轮外推生产系统中生产出大量的手推车。学习工厂的布局的依据是加工车间的生产(见图3)。在第一次汇报会议中,培训师与参与者以关键业绩指标、硬事实以及软事实为指导，一起分析了生产系统的情况。
模拟过程的设计，使得生产系统和大量的尺寸的使用缺乏透明度成为主要的问题。作为一种特殊的功能，实时定位系统可以跟踪物流师，以使混乱的路径可视化。基于这个评估，学习工厂的生产布局变成了一个U型和拉动式的流程生产（见图4），然后参与者用与第一轮相同的客户订单来运行这个生产系统。然后他们就会体验到精益学习工厂的两大不同。在第二次报告中，两个生产场景中的关键绩效指标被参与者进行比较和讨论。
3.新学习工厂概念的必要性
当谈到现代和整体生产系统时，精益生产的原则和方法被认为是最佳实践，特别是对于高变形系列产品[5、6]。因此，精益学习工厂在研究、教学和培训中涵盖了这些重要的课题。
然而，关于工业4.0的持续讨论提出了一些问题，例如，关于精益和工业4.0是否可以结合在一起？工业4.0是通过信息技术对生产进行全面的渗透，并利用机器智能进行短期规划、优化和指导过程[7]。工业4.0在此描述了一种新的经济生产方式，它的特点是持续的数字化和更强的植物和植物间的交叉连接。第四次工业革命对公司的各个方面都有影响，比如技术、组织、人员和商业模式[8]。生产公司面临的挑战是，在生产变异的数量在增加情况下必须提高生产灵活性，这也导致生产[7、9]的复杂性更高。当涉及到生产物流时，它指出按照精益原则设计的流程可以通过使用工业4.0技术进一步优化，并应对更高的复杂性[10]。
这为额外的过程改进提供了新的可能性，例如通过行业4.0技术作为一个推动者的维度组织。一个关于维度相互作用的例子就是所谓的内部物质流的注入原理。这一原则是基于一个自主机器人载体的技术, 以小负载载体的形式从上面注入物质到车间 (参见图5)。这个概念的优点是如在生产领域减少材料存储的空间,一个基本上可能无限数量的产量变异,多机操作和减少机器的空间以及减少车间的库存。这意味着，在注入原理的基础上，已经有了精益原则的内部物料流可以通过工业4.0技术进一步优化。必须面对的问题的深刻例子有：
基于使用实时定位系统的指令的布局[2]
使用定位系统的预测维护的拖拉火车的踪迹
用由实时定位系统跟踪物流设备生成的真实时间数据的材料流的不断改善
由于这些话题很少被探究，而且目前只有少数几个用例，因此有必要加强研究、教学和培训，以支持公司取得进一步的进展。
因此，为了解决这些新提出的问题，需要利用工业4.0的特性将精益学习工厂扩展。作为一种跨部门的功能，作为一种跨部门的功能，智能地集成了流程和供应链，它对工业4.0[11-13]有重大影响。由于他们有责任规划和改进（生产）物流流程，因此物流规划人员是关键，他们可以在精益原则和工业4.0技术的结合中发挥潜力。因此，他们应该成为一个新的学习工厂概念的教学和培训的焦点小组，包括一个新的模拟过程。
4.智能生产物流的学习工厂
由于在第3节中对扩展学习工厂概念的需求，普尔中心开发了一个全新的概念，即900平方米的物理学习工厂，用于智能生产物流。
生产物流被定义为“（hellip;）这样的设计，它计划和指导生产过程的所有子过程——材料和信息过程——运用一个整体的方法、客户导向和流方向的物流原则。”[14]
在此背景下，智能生产物流被定义为工业4.0技术在生产物流中的应用，并将其作为进一步过程改进的目标。这些技术以其新颖和智能的结合使用，通过一般工业4.0的特点将生产物流的领域进行扩展。这些特征包括：生产和物流数据的实时可用性，分散式决策结构，以及通过信息技术[7、9、15、17]的人员、产品和物流设备的相互连接。
第2部分中提到的精益学习工厂的一般方面仍然适用于新的学习工厂。主要的区别在于规模和基础设施以及设备和内容的扩展范围。
4.1.基础设施、设备和工业4.0技术
这个学习工厂的目标是通过使用先进的设备和基础设施来说明一个生产公司的完整价值流。因此，所有必要的区域都存在，例如接收和发货区域，选择区域以及生产和装配区域（见图5和6）。以下是相应设备的列表：
x用来转动和举起托盘的站点，
x用于标准架子运输的电车、电车中心和电车商店,
x托盘储存处和超级市场，
x小部件容器的订购系统，
x用不同的拖拉火车拖动的拖拉火车，
x超级市场货架系统和看板的预装配区,
x学习细胞。
在第2节中已经解释了电车的装配线，它被用作新学习工厂的两条装配线之一。此外，精益车间也被集成到纸板工程车间。参考工业4.0技术用于智能生产物流，以下设备和基础设施安装在学习工厂：
x通过实时定位系统和pps软件精益化的产品的控制中心，
x对物料流的不断优化的实时定位系统拖拉列车的轨迹，
x自动制导车辆（AGV），
x拖拉列车自动装卸和卸载,
x“Servus”的内部物流系统是自主的自动运输机器人，拥有小部件储存和拣选功能[18]。
以下部分将解释基础设施和设备如何用于教学和培训。
4.2.教学法和学习内容
除了精益学习工厂的内容和这么一个仿真过程“从作业车间生产到单块流”，还开发了一种新的仿真过程来作为主要的教学方法。这个新的模拟方式扩展了普尔能力中心的训练范围，并在第5节详细解释。这个学习工厂的内容框架仍然包括精益原则和方法，它们包括在第2.2节中解释的物流传输。在精益学习工厂中，只有以下两个主题在物流传输中得到了解决：
1.材料和信息流的周期时间
在物流传输的每一个齿轮中，材料和信息以不同的时间顺序移动,齿轮操作越接近最终组装线，周期时间就越短（见图6）。
2.传输规模
传输规模与周期时间直接相关,即为了提供足够的材料，齿轮的使用载体越小，循环时间就越短。智能生产物流的学习工厂与精益学习工厂的概念相比，有两个主要不同。第一个，布局的可变性被简化为单个区域，这意味着，某些区域的布局仍然可以改变，例如上文提到的装配线，但是工厂的区域安排是固定的。现在的重点是通过生产物流过程来连接这些工厂区域，换句话说就是物流传输。
因此，第二个区别存在于在考虑中的主题扩展（主题3到7），除了物流传输中的主题1和2，这些主题可以被看作是规划生产物流过程的设计变量，这些设计变量的不同变化导致了物流传输的所有齿轮的变化（见图6），现在的变化在物流传输的齿轮车轮上，这解释了生产物流中的规划场景种类。
3.产量变化的数量
增加生产变型是生产和物流中需要新概念的主要原因，精益生产和精益生产系统以及最近的工业4.0已经被引进来应对这一发展[19]。
4.步行和运输距离
在精益生产系统中，在其他方面，短步行和短途运输是消除浪费的重点。
5.利用车间空间
随着产量的增加，生产公司面临着应对工厂空间限制问题的挑战。
6.使用中的物流设备
正如第4.1节所提到的，这个学习工厂提供了各种不同的物流设备，高效的物流生产的关键是对特定情况下设备的充分选择和应用。由于每一项技术都有其优点和缺点，生产物流计划者有责任根据需求来规划精益和智能的过程。
7.实现物流的概念
与前面提到的主题紧密相连并相互联系的是正确的物流概念的实现，反之亦然。例如，工业4.0技术的使用为内部材料提供了新的概念，如注入原则[18]。
5.智能生产物流模拟
针对智能生产物流的新学习工厂内容，工程师开发了一种充分模拟的游戏，作为研究项目的一部分，以补充（16OH21019）教授的内容。这个模拟游戏还在评估阶段，还需要进一步的研究来测试所宣称的内容（见5.2节）。正如第3和4.2节所提到的，生产物流规划者面临着如何应对日益增加的生产物流过程的灵活性、转换能力和效率的挑战。因此，主要负责战术和作战计划的生产物流规划者，是模拟游戏的焦点小组[20，21]。
5.1.学习内容
这个模拟游戏的主要教育目标是告诉生产物流规划者精益和工业4.0的含义，规划原则和方法的存在以及在工业4.0技术的应用中如何使用它们来计划精益和智能生产。因此，学习内容是基于对物流传输的类比（见第2.2节），由第4.2节解释的主题扩展，这可以看作是模拟游戏中的设计变量。
一般来说，模拟游戏有几轮，培训师将重点放在如何处理不断增加的生产变量上，从而提高每轮生产的产量。然后，参与者必须处理这种情况，并设计足够的生产物流流程。每个设计变量都提供了不同的选项，它们可以用来创建建议的解决方案。在智能生产物流的学习
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