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工业4.0和精益管理–协同作用还是矛盾？
一种确定制造业中工业4.0与精益管理的兼容性的系统交互方法。
摘要：考虑到制造业向数字化的持续发展趋势，从工业到工业4.0，本文能在这转变升级过程中提供帮助。这项研究的工作重点是研究工业4.0对精益管理（LM）方法的潜在影响，该方法对提高交付给客户的产品和服务的质量和可靠性起着重要的作用。 LM方法受工业4.0时代的到来的影响，将重点研究如何协助成功实施未来的智能工厂。建立一个交互图矩阵以量化LM方法对工业4.0的影响。这些工业4.0设计原则与LM方法之间的相互作用揭示了实现协同增效的多种机会，从而成功实现了未来互联智能工厂的实施。总之，这项研究工作将为处于转型阶段的面向未来智能工厂的行业提供指导，并为进一步的科学发展提供空间讨论。
关键词：工业4.0 精益管理 生产管理
1 介绍
由德国政府发起的高科技战略工业4.0正在改变产品的生产方式，利用物联网（IoT）和信息通信技术（ICT）的进步，将数字化整合到生产过程中。 企业迫切需要应对这些不断发展的趋势，并开发生产高度定制化产品的能力，直到批量生产为止，以满足快速变化的消费者喜好，从而在当今瞬息万变的市场环境中保持竞争力。
制造公司正在寻找有效的方法来迁就工业 4.0概念整合到现有体系中。在这里，有效管理新技术的复杂性在于要发现新技术的产生和研究对现有车间实践的影响。特别是，由于精益原理试图降低复杂性而工业4.0增加了复杂性，因此未来智能工厂中同时存在的精益哲学和工业4.0的兼容性潜在的困境。 另一方面，工业4.0也可以被视为支持精益生产的思想，因为这种透明性的出现是由于引入了智能网络系统而带来的效益，这将使基本的持续改进过程（CIP）受益。这项研究旨在更广泛地理解上述僵局，并确定工业4.0的影响。
2 方法
在这项工作中，首先给出了有关工业 4.0和精益管理兼容性观点的概述。然后，根据丰田的精益架构的精益管理工具和工业4.0的设计原理，建立相互关系的矩阵。绘制此图的基本主张是，确定将工业4.0设计原则的归纳到现有生产体系中对精益管理的受益程度（受益系数）和每种工业4.0设计原则对所考虑的精益管理模式的累积支持（支持系数）。然后，通过强调工业4.0实施所需的基本精益管理工具，使用此矩阵来解决工业4.0和精益理念是相辅相成还是相互对立的难题。对TPS中精益管理工具对工业4.0的功能性和适用性进行详细的分析。
然后，通过相互关系矩阵，计算受益系数和支持系数的得分，并通过考虑未来智能工厂内部的特定场景来详细说明它们的相互作用效果。
3 背景与文献综述
精益生产作为精益管理的一个子领域，可以定义为一种智力方法，包括一系列原则，方法和措施，这些原则，方法和措施在实施时可以消除浪费并具有竞争优势[1]。因为这些，精益生产原则已在1990年代初被公司广泛接受[2]。精益生产以其简单性，更高的生产率，提高产品质量，减少开发时间和库存，因此有利于CIM的下降并且成为生产的现状[3]。但是，精益生产在满足未来的高度波动的客户需求（直到达到一个批量）之前也有其局限性，这导致工作内容的波动很大。这违背了精益生产旨在使生产均匀流动的目标[4]。 TPS还根据市场的实际需求预测需求，而实际需求不能随意增加或减少[5，6]。因此，质疑精益生产是否适合工业4.0来应对高度波动的客户需求和生命周期短的定制产品的需求（工业4.0着重于此）。
可以理解，对工业4.0和精益哲学兼容性的怀疑是普遍的，但也有支持方面。精益自动化的概念是在1990年代提出的，其中自动装配的大多数任务都实现了自动化，生产单元中配备了技能娴熟的问题解决者，他们负责确保生产系统的平稳和高效运行[7]。这个术语只是过去几十年的一个口号，没有引起足够的重视[2，8]。但是，[2]认为在工业4.0的背景下，可以将自动化和精益技术结合起来以实现更多的收益。工业4.0可被视为精益原则的逻辑演变，这将有助于实现其全部潜力。因此，首先，精益概念和精益思想可以牢固地嵌入到业务模型中，从而能够朝着工业4.0迈进[9]。进一步表明，工业4.0中的研究活动甚至支持精益制造的哲学[10]。
精益管理和工业4.0之间的主要区别在于策略方法。精益试图通过简单的方法来降低实现简单解决方案的复杂性，而工业4.0通过分散控制和智能助手从用户的角度简化了复杂性。但是，关于哪种精益方法支持工业4.0仍存在一些问题。工业4.0引入了哪些精益工具？是否会有一些需要修改的原则？而且，哪些LM工具将随着制造数字化而过时？这项研究将为回答这些问题提供启示。
4 精益管理与工业4.0的兼容性
在本节中，将制定一个相互关系矩阵，以解决上述问题和普遍存在于兼容性之上的怀疑。 建立此矩阵的基本概念是在精益管理工具和工业4.0设计原则之间开发一个单独的双向交互，并且评估每个交互。 每个单元格中的单独评级表示工业4.0设计原则对矩阵中的精益管理工具的支持和阻碍作用。 每个精益管理工具提供给工业4.0的支持都没有评级，但是强调了实现工业4.0的基本精益元素。 要创建此矩阵，必须定义精益和工业4.0的方法/原理。
4.1 精益管理工具
员工通过实践来影响组织文化，因此每个组织都有自己的特征和维度[11]。 因此精益管理工具和实践会受到组织文化的影响，并且在不同的商业环境之间会有所不同[12]。 这种多样性导致创建了不同版本的精益模型[13，14]。 为了提供一个通用且广为接受的样本，选择了TPS的精益架构，因为它是基于实践中精益管理工具和技术[15]。 尽管它有许多变体，但在本研究工作中，[14]中的版本被视为竞争性制造的标准模型。 大量的精益管理工具，技术和方法旨在消除浪费[16]。但是，这些工具具有多个名称，并且可能彼此重叠，并且各种研究人员还可能具有不同的实现方法[17]。
基于TPS-架构，确定了公司将要采用的精益实践的技术要求[18]和精益管理工具，这些文献将在[19] 14种精益管理工具（图1）中进行全面的文献综述，这些将被确定。 作为进一步分析的基础。
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持续改善 |
节拍时间 |
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全面生产维护（TPM） |
价值流程图（VSM） |
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标准化 |
均衡化生产（production smoothing） |
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消除浪费(Muda) |
自动化 |
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5S(整理,整顿,清洁,标准化,素养) |
Andon系统(目视管理) |
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全面质量管理(TQM) |
防误防错 |
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看板（准时制生产/拉式生产） |
一分钟换模（SMED） |
图1.精益管理工具
4.2工业4.0原理
为了帮助成功实施工业4.0的试点项目，通过广泛的文献综述来确定工业4.0的主要方面，从独立的工业4.0部分（CPS，IoT，IoS,Smart Factory）中得出了六个设计原则[20]。这些原则在本文中用作工业4.0原则进行进一步分析（图2）。
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实时功能 |
权力下放 |
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模块化 |
互操作性 |
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服务导向（SOA和LOS） |
虚拟化 |
图2.精益管理原则
4.3相互关系矩阵
使用确定的精益和工业4.0设计原则，可以通过在垂直方向上插入精益管理的方法和在水平方向上插入工业4.0原理来形成相互关系矩阵（图3）。 每个工业 4.0设计原则对每个已识别的精益管理工具都具有增效效果，阻碍效果或没有效果，并且这些效果的评分范围为10到-10。 互动得分是根据文献和作者的看法分配的。
图3. 相互关系矩阵(color figure online)
相互关系矩阵描述了精益管理和工业 4.0原理之间的双向交互作用：（i）工业4.0设计原则在多大程度上支持精益管理工具（由受益系数和支持系数代表）（ii）协助工业4.0实施的
基本精益管理工具（无评分，显示为蓝色）。受益系数表示每个精益管理工具从工业4.0设计原则中受益的程度。 它是通过将每次与工业4.0互动设计原则的得分相加，然后除以工业4.0设计原则的总数而得出的。另一方面，支持系数意味着每种工业4.0设计原则对所有精益管理工具的支持程度。 它是通过将所有值（除无影响的字段以外）相加然后除以得分不为0的精益管理工具的总数[21]来计算的。 这样做是为了抵消精益管理工具对总分的中立影响。 另一种交互方式是用蓝色突出显示的单元格表示。 这表明它们是基础精益要素，可作为基础并支持工业4.0的成功实施（在第5.3节中详细介绍）。
5 结果讨论
矩阵显示，大多数精益管理工具与工业4.0设计原则的交互都得到了支持或至少是中立的效果。节拍时间是唯一例外，它会遇到障碍。 这意味着节拍时间的概念将在未来的智能工厂中被淘汰。另一方面，TPM从工业4.0设计原则中受益最多，受益系数为9.5。由于这两个LM工具在计分尺度上处于相反的极端，因此下面将对它们进行详细说明。关于支持系数，实时功能为精益管理工具提供了最高的支持，得分为6.8。 工业4.0的其余设计原则提供了中高水平的支持。其他的交互方式（支持工业 4.0设计原理精益管理工具）以蓝色突出显示。 它指示了基本的精益管理工具，这些工具对于成功实施工业4.0至关重要。
5.1 TPM与工业4.0设计原则的交互
TPM得到了工业4.0所有规定的设计原则的全面支持。TPM将在工业4.0技术的帮助下，在未来的智能工厂中更有效地执行其功能。由于可以实时监控机器和工厂的状况（例如能耗，机器故障，输出质量，OEE），因此TPM与实时功能之间的相互作用得到了10分。通过智能算法，可以预先预测故障模式，并通知相关人员，从而使维护计划，预测和备件后勤变得更加轻松和高效。
在检测到故障之后，将通知维护工程师即将发生故障的组件的位置。然后，他们可以使用机器历史记录和详细的逐步3D故障排除程序，以促进高度自治的问题解决。智能设备上的增强现实和交互式3D故障排除指南可帮助进行维护活动。 由于这种高度分散的活动，TPM与分散的交互得分为10分。如果出现更大的故障，则可以通过M2M与其他机器联系，以确定它们是否可以接管工作负载。或者，也可以通过IoS验证其他工厂中CPS和CPPS设备的服务可用性，以将生产订单转移到其他单位。 整改后，将解决方案存储到云中。可以将其与故障模式一起与其他机器进行通信，从而可以学习错误并防止再次发生。 TPM得益于互操作性和面向服务的原则，获得10分。
如果故障需要更换零件，则可以使用3D打印机打印新的备件。 机器的零件采用模块化设计，便于即插即用转换，从而可以对新制造的零件进行维护更换。这通常排除了更复杂且需要精密加工的零件。 因此，TPM和模块化交互的得分为7。CPS和CPPS设备执行数据收集（例如工具磨损）和数据分析。将该数据与存储的标准参考模型和其自身的历史性能数据以及云中其他计算机的性能数据进行比较，以确定当前的运行性能。因此，TPM和虚拟化交互的得分为10分。TPM工具将成为互联行业成功运作的重要推动力[22]。
5.2 节拍时间与工业4.0设计原则的相互作用
节拍时间与工业4.0设计原则的相互作用范围从高到最大。由于关于生产计划的决定，节拍时间的计算是在预测的需求和产品变型的帮助下集中进行的，因此对分散的评估的总阻碍值为-10。因此，急件订单无法以固定的节拍时间轻松地集成到生产中，这完全与工业4.0的去中心化、自主化相矛盾。因为固定了生产计划，产品变型和节拍时间，因此也无法强制执行模块化。产品需求实时波动无法纳适应的。实时的产品需求波动无法适应生产线，这是一个完全的障碍。如果已经确定了节拍时间和工作步骤，并且仅需遵循固定的生产顺序，则与其他机器进行有关延迟和质量问题的通信就没有那么重要了。同样，节拍时间将不允许灵活的容量计划，从而阻碍了机器和工人对其他参与者的服务。 由于有限的灵活性，变量和输
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