精益設計

精益思想(Lean Thinking)源於20世紀80年代日本豐田發明的精益生產(Lean Manufacturing)方式，在製造業中的應用，即“精益生產(Lean production)”。其核心是以整體優化的觀點合理地配置和利用企業擁有的生產要素，消除生產全過程一切不產生附加價值的勞動和資源，追求“盡善盡美”，達到增強企業適應市場多元需求的應變能力，獲得更高的經濟效益。極大地降低了製造成本、縮短了開發和製造的週期、顯著地增強了企業的競爭能力，精益生產的核心其實是關於生產計劃和控制以及庫存管理的基本思想，而在計算機網絡支持下的小組工作方式是實施精益生產的基礎。精益生產要求以少而精的生產要素投入管理和追求效益經濟的指導思想，是對傳統的“大規模生產模式”的挑戰。它的基本目標是零庫存、高柔性、無缺陷。以前在產品設計領域，工程師通常可以不計成本地追求自己的夢想，而不會受到來自生產部門的壓力，也不用與這些部門的人員進行接觸。但隨着產品利潤的不斷下降，各家公司希望能最大程度地降低成本。“製造領域在此方面已經做了大量工作，現在所面臨的問題是如何在產品進入生產環節以前就開始降低成本。”美國Goodrich Sensor Systems公司設計主管Tim Matuseski認為，“普遍應用於生產活動、以提高效率和減少浪費為目標的精益原則同樣能為生產上游環節提供好處。”

“精益(Lean)”，精，即少而精，不投入多餘的生產要素，只是在適當的時間生產必要數量的市場急需產品(或下道工序急需的產品)；益，即所有經營活動都要有益有效，具有經濟性。精益生產是眾所周知的豐田生產系統的延伸，是當前工業界最佳的一種生產組織體系和方式，創造了20世紀工業企業再造的奇蹟，在汽車、航空、電子等高技術行業被作為新一代工業革命在推廣着。

進入21世紀，實現精益的方法、經驗日益豐富和成熟，在這期間數字化製造為精益的實現又提供了更強大的工具，擴展了精益在製造企業中應用的範圍。過去我們在生產製造環節講求質量效能、成本控制，實際上設計過程也需要追求高質量、高效能、低成本，就是將“精益”的思想從製造向設計環節延伸，在設計的每一個環節、步驟、流程中都儘可能地使用最優的方案，同時又能夠在設計活動中對產品設計的流程和狀態進行精確控制和優化，實現設計產品價值最高，成本最低。也就是精益設計。

過去在設計界，人們總是追求設計工具手段的龐大、豪華和領先，成本必然也高，同時對設計流程並不怎麼重視，設計質量也很難控制。任何工業生產過程都是以市場的成本、價值和競爭力為導向，設計也必須走到這個方向去，走出拿人、財、物等生產要素“堆”的誤區，走到有競爭力的體系中去。

追求一個有競爭力、高效的設計靠什麼？是靠精益的理念來實現，有了精益設計，就可以在設計過程的質量和成本之間取得一個平衡，對於一些沒有必要的設計環節進行精簡，對於設計中特別關鍵的環節又可以進一步優化和加強。這就是精益設計的意義。

精益設計的理念和模式源自精益生產，但兩者相比之下，精益的思想在生產環節更容易實現。製造的生產環節和過程都是可見的，它的控制對象都是生產線上、規模生產設備一線的工人，從事的工作也比較專業化，比較單一。而在設計體系中，設計的對象是知識性產品，參與設計的人都是高級的、具有豐富經驗的高級知識分子和工程師，他們的工作方式具有很大的自主性、能動性，同時設計所使用的工具和手段更多的掌握在設計人員手中，在很大程度上取決於設計人員的理解力和感受力。

精益設計的目的就是使得設計團隊追求設計過程的最優化，設計能力的最優化。沒有數字化手段時人們的設計活動是種智力隨意發揮的勞動，而今信息化應用深入到一定程度，已經從單元工具使用進入集成和協同階段，自然而然就將設計過程的優化和設計流程的優化提到議事日程。數字化網絡可以使我們所使用的工具、手段和人的能力配合達到最佳和最優，能夠把設計過程的工具、手段、人員通過集成和協同的方式形成一個所謂產品設計的流水線，更多的腦力勞動者可以在一起協同工作，像在生產流水線上一樣各司其職，發揮專業作用。也就是説精益設計只有在對智力產品採取了數字化手段、工具和系統支持以後，才真正使得精益設計的概念能夠實現。

信息化手段和系統是構建一個基於精益設計的流水線的最佳方式。所以精益設計是在信息化支撐下所開展的一種新興的設計理念和方式，中國的設計界在追求創新設計的同時，必須要追求設計能力配置的最佳化、最優化，從而最終提升中國製造的整體競爭力。

人們已經逐漸開始意識到，設計和生產一樣，都有一個按照工業化過程進行專業配置的流程，如何使設計流程和設計能力發揮高效的配置是企業對設計過程進行管理控制的一個很重要的動力。

實現精益設計，首先要認清一個企業設計的基本流程，要對自己的狀況、運營環境以及獨有的生產特性有非常清楚的瞭解，然後使得設計人員、設施條件、軟件工具、標準數據等有機地結合起來，按照精益的思想形成一個企業生產設計流程，然後為企業提供整個設計能力的最佳配置。

和傳統的工藝相比，精益設計不是從局部去考慮、去配置，而是從整體上、系統上，從精益求精的優化上，來考慮整個設計系統、設計進程，從而能夠達到更加高素質、高水平的一種設計狀態。

精益設計是對整個設計進程、設計流程及設計系統本身在市場上具備競爭力的具體的支撐和體現。如果企業真正能夠把精益運用到製造中、運用到設計中，就可以構建一個完全精益化的企業，隨着精益思想的推廣，以造就“精益企業”為戰略來實現在產品整個生命週期的快速響應、減少生產週期和成本等目標，已經越來越為更多的企業所認可。這樣的企業可能是最優化的企業，是最具競爭力的企業，而且也是能夠創造更多價值的企業。

之所以提出精益設計這個新的理念，一是設計界開始注重成本，逐步認識到設計投入的一些誤區；二是信息化到今天已經走完了基本工具的使用階段，需要進一步按照設計流程和體系，合理高效地配置信息系統，為產品設計、研發提供更大的支持和動力。在這個過程中，軟件公司更多地希望能以精益思想為企業提供一個更有效、更簡潔、更便捷、更實用的設計體系，同時在信息化實施過程中也應該有精益設計的理念。

精益思想的核心就是以越來越少的投入——較少的人力、較少的設備、較短的時間和較小的場地創造出儘可能多的價值；同時也越來越接近用户，提供他們確實要的東西。精確地定義價值是精益思想關鍵性的第一步；確定每個產品(或在某些情況下確定每一產品系列)的全部價值流是精益思想的第二步緊接着就是要使保留下來的、創造價值的各個步驟流動起來，使需要若干天才能辦完的訂貨手續，在幾小時內辦完，使傳統的物資生產完成時間由幾個月或幾周減少到幾天或幾分鐘，隨後就要及時跟上不斷變化着的顧客需求，因為一旦具備了在用户真正需要的時候就能設計、安排生產和製造出用户真正需要的產品的能力，就意味着可以拋開銷售，直接按用户告知的實際要求進行生產，產品一經研發出來，產品的基因也就確定。可見，質量是設計出來的，提高產品質量，應該從設計源頭人手。在設計過程解決產品的質量問題可以達到事半功倍的效果，越是在產品生命週期的前端採取措施，對產品質量提高的效果就越明顯。前期設計要把握“適時、適量、適物”的精益設計原則。

1、產品級目標成本確定

產品級目標成本確定如下:

1、用户可接受的市場價格；

2、計劃利潤；

3、各種税金；

4、營銷費用；

5、可變計件成本(計劃)；

6、開發規劃費用(計劃)；

7、產品壽命週期承擔的固定費用份額(計劃)

8、產品數量。

這些都反映市場對目標成本的影響，指出了設計過程中為達到目標成本應控制的因素。目標成本確定時，既要考慮競爭對象的價格水平，還要考慮用户的經濟能力。因此產品級目標成本的確定不是某一個部門的事，而涉及到企業甚至整個供應鏈的全過程各個環節。採用基於互聯網的協同設計環境可在概念設計階段改變了原有的線性設計流程，以並行工程的方式進行產品設計，各種功能小組互相作用與反饋重疊，目標成本方法在這種集成式設計中起了重要作用。

2、利用精益設計理念採用價值工程評價與修正

目標成本精益設計是及時製造，消滅故障，消除一切浪費，向零缺陷、零庫存進軍。企業中普遍運用價值工程的類型是功能分析，即對產品的每一主要功能或特徵的效用和成本進行考察。這種分析的目的是確定效用與成本間的平衡。在複雜的產品設計中，所有組件累加形成最終產品的成本與價值。價值工程需要協同功能組去分析每種產品功能相關聯的價值。這對每種功能價值的成本比率確定至關重要。價值工程由分析與確立兩個步驟引導。在分析步驟中，決策與製造專家組調查產品功能價值與評價價值。在研究產品功能特點及成本、價值的基礎上確定產品的價值係數：

3、計算機技術的應用

在產品設計方面，計算機技術主要應用在輔助設計和輔助設計管理。隨着計算機業及軟件業的進步，計算機輔助設計CAD軟件，已經在工業界廣泛使用。利用CAD軟件能夠很快設計出圖紙，大大提高了作圖效率。國際上的大企業已經開始嘗試用計算機進行模擬實驗、試做。例如，某一產品的塑料外殼需要很強的抗震能力，人們從以前大量試驗獲得的數據中，建立評價的模型，將此模型做成評價軟件，此類產品通過CAD軟件設計出後，用評價軟件來模擬實驗評價，可得出的設計有哪些方面比較薄弱，可能存在的問題，然後再修改設計圖，再評價，直到評價合格，開始製作模具。而在此之前，並不需要制模具，修改模具等等工作，這樣就減少了修改模具所耗費的時間及費用

4、詳細設計階段產品成本設計

產品級目標成本確定後，在設計部門可根據概念設計的確定的方案進行產品詳細設計的同時，財務部門需將產品層的目標成本進行分解，建立子件目標成本。這也是一個協同工作的過程，財務部需應用到設計部門提供的BOM、工藝路線、工作時間的信息，採用作業成本法，才能科學地進行目標成本分解

具體來説，從以下幾方面人手：

（1）物料清單(BOM/BiII of Materia1)

BOM是完整的、正式的、結構化的組成一個產品的部件清單。該清單包含每個部件的物料編號、數量和計量單位。是自動生產材料成本的關鍵數據來源，並決定了計算順序。物料清單可能包括半成品，而半成品本身也有物料清單，這樣構成了多層物料清單。BOM可由設計部門創建，財務、生產、儲運部門共享，具有惟一的BOM編號及用途。

（2）工作中心(Work center)

工作中心在產品目標成本分解中是計算人工成本和製造費用的基礎，在工作中心定義了與產品成本相關的公式。

（3）工藝路線(ROUTING )

工藝路線描述了生產一種產品所需的每一道工序以及執行這些工序的先後順序。包含了每一道工序在哪個工作中心中執行，需要哪些材料部件以及其他的一些計算生產期、產能、生產成本相關的技術信息。對每道工序，還需定義該工序的作業(Activity)數量。

（4）成本中心

成本中心是目標成本分解、歸集與控制的組織機構，在能明確成本控制責任和方便成本核算原則下，工作中心與成本中心可是多對一關係或一對一關係。在成本中心，通過各種BOM中物料成本、工藝路線定義的作業與工作中心定義的公式，彙總即可得產品各層級的目標成本。

（5）精益設計(Lean Engineering)的實現

可通過“設試、量試階段解決消除所有缺陷”、縮短設計週期、主查負責制的項目組織形式、品質預測以及計算機技術的應用實現精益設計。

（6）設試、量試階段解決消除所有缺陷

工業產品從設計開發到大批量生產，一般要經過設計試做(簡稱設試)、試量生產(簡稱量試)以及大批量生產(簡稱量產)三個階段，對於複雜的工業產品，例如汽車還要追加技術試做等階段。要實現及時生產，在量試階段就要消除所有設計缺陷。

量試階段消除所有缺陷使得設計的總損耗最小。在設計試做、量試、量產階段，總損耗設計試作的單件損耗雖然很高，但因生產數量極少，總損耗不會太大。在量試開始，產品數量增多，雖然單件產品損耗率比設計試作時少，但總量比設計試作要多，總損耗增加。到大批量生產時，每天產量較高，在初期如果產品品質不能穩定，發生因品質問題停線及改造產品等情況，其損失可能巨大。因此，儘量將問題在批量生產前解決及縮短整個過程時間，保證新產品能高品質低損耗、快速地推向市場，已成為企業提升競爭力的利器。

（7）縮短設計週期

設計週期的縮短主要通過產品模塊化設計、並行工程來解決。模塊化(UNIT)設計也稱單元化設計，產品由若干個模塊(單元)組成，每個模塊(單元)實現產品的一部分機能(功能)，所有模塊(單元、組件)組合後實現了產品全部機能(功能)的方式稱為模塊化設計。每個模塊實現產品所需部分機能，全部組合後實現產品的全部機能，每個單元可以獨立裝拆，又可獨立升級改進。只要某個單元(或若干單元)有了改進升級，整個產品的部分機能就能得到改進及升級。

傳統上工廠設計的理論方法可以分為定性方法與定量方法兩類。其中定性方法主要有繆賽提出的系統佈置設計(SLP)方法、Reed的工廠佈置方法；定量化方法主要有作業單位兩兩交換法、CRAFT法、圖論法、混合整數規劃(Mixed Integer Programming，MIP)等。也有學者將智能化算法，如模擬退火、遺傳算法應用到工廠設計當中。這些方法都從某種程度上為決策者進行科學的工廠設計、快速地選擇設計方案起到了積極的作用，但這些方法也都有一定的不足，如當部門較多、部門形狀非矩陣形等情況下難以得到理想解。 實踐中，設計院在進行工廠方案設計時多采用專家意見法，設計過程中的主要依據是設計人員的經驗。這種方法主觀性強，且靜態的設計模式難以反映各部分之間的相互關係，同時設計方案的實際運行狀況難以顯示，不能適應環境變化及企業戰略調整的需要。

仿真技術憑藉其在智能化、可視化等方面的明顯優勢，應用範圍越來越廣泛，將仿真技術應用到工廠的精益設計當中，不僅可以解決部門多、工藝複雜的設計問題，同時它還可以使工廠設計具有柔性”’，更好地在設計階段發現問題、消除浪費。具體講，仿真技術應用在工廠設計中具有以下優勢‘：

(1)直觀、可視。通過一個三維的、直觀的、可交互的仿真模型，使決策者清晰地瞭解各工廠設計方案的運行情況，為科學決策提供信服的依據。

(2)能處理複雜的設計方案。通過參數的調整、實體的改變，可以較理想地處理部門較多、工藝複雜的設計方案。

(3)良好的柔性。可以實現對諸如產品調整、訂單變更、機器故障等各種動態的、難以預測的狀態進行仿真，實現各種例外情況下對設計方案的分析與評價。

(4)較強的數理統計功能。仿真技術可以提供各關鍵指標的統計數據、圖表，為設計者進一步分析原有企業或設計模型存在的問題提供了便利。

(5)合理的時間消耗。通過實體參數調整及仿真速度控制，可以在較短的時間內模擬工廠一個季度、一年及更長時間的運行情況，可以分析企業的經營狀況，為工廠設計者節約大量時間及資本投入。

5 結論

企業在導入及應用精益生產的過程中，應牢牢把握精益思想的內涵。精益工廠設計的提出及應用可以打破人們在應用精益生產的實踐中存在的種種誤區，同時為企業進行改善活動提供了一個新的角度。從設計環節開始應用精益思想消除浪費環節，能夠在相對可控的前提下避免浪費的發生，並提高設計方案對環境變化及戰略調整的適應能力，進而提升改善活動的成功率，改善成效也會顯著提升。精益設計在實踐中的廣泛應用，定能為我國企業提升績效、消除浪費提供一個理想的平台。