仿真技术在精益六西格玛中的应用方法研究
○ 邹先军 王志陵
1 引言
精益六西格玛是精益生产与六西格玛管理的有机结合，其本质是消除浪费。精益六西格玛管理整合了精益生产与六西格玛管理，吸收两种生产模式的优点，弥补单个管理模式的不足，真正地实现了企业利润最大化和顾客满意的双赢目的，因此受到了越来越多企业的青睐。
精益六西格玛以流程为研究对象，关注整个系统，利用精益生产和六西格玛的工具，减小业务流程的变异、提高过程的能力和稳定性、提高过程或产品的稳健性：减少在制品数量、减少库存、降低成本；缩短生产节拍、缩短生产准备时间、准确快速理解和响应顾客需求；改善设施布置、减小生产占用空间、有效利用资源；提高顾客满意度、提高市场占有率等。但是在典型的精益六西格玛项目实施中，项目解决的问题往往既包括传统六西格玛所要解决的问题，又要解决那些与变异、效率等都有关的“综合性”复杂问题，例如不但要控制一个过程的产品一次通过率，还要优化整个生产流程，简化某些动作，缩短生产提前期。因此在项目分析、改进阶段， 特别是面对庞大而错综复杂的生产系统时，项目的实施会变得困难，如在分析阶段，由于受生产计划的影响，很难全面动态的观测生产系统；在改进阶段，当面对受多因素影响的系统，要实现整体优化特别耗时耗力。项目进度也会因此变得缓慢。如果在这两个阶段引入先进的仿真技术，利用仿真技术兼顾过程和结果的特性，精益六西格玛项目的实施将变得生动而卓有成效，所有这些问题也会迎刃而解。
2 仿真技术的特点
仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。
2.1 仿真技术的应用范围
自从世界上出现第一台训练仿真系统（1929年美国的空军飞机练习器──林克机）以来，经过了以机电解算装置为主的仿真系统、以模拟计算机为主的仿真系统、以数字计算机为主的仿真系统等几个阶段，仿真技术得到了快速的发展，特别是近10年来随着计算机技术的发展，系统仿真技术的发展也更加迅猛，不仅各种各样的仿真系统应运而生，计算机系统仿真在各行各业得到了广泛的应用并取得了良好的经济效益和显著的社会效益。
目前，仿真技术可应用在产品或系统生产集成后的性能测试试验，也可以应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、战略技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个阶段。仿真技术不仅仅应用于简单的单个系统，也可应用于由多个系统综合构成的复杂系统。
2.2 仿真技术的应用步骤
仿真是对真实（设计的）系统或过程在整个运行时间内的模仿，要对系统进行仿真，就要将真实系统转换为计算机仿真系统，通常经过以下阶段。
2.2.1 系统建模
系统建模是指通过对实际系统的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。建模是仿真的基础，要建立系统的模型，首先对被仿真的对象或系统进行分析,根据其运动定律、约束条件和物理特性建立系统相应的数学模型。数学模型的正确与否和精确度直接影响到仿真置信度，因此必须对所建立的模型进行有效性确认。对模型的确认工作往往是通过对模型的校正来完成的，比较模型和实际系统的特性是一个迭代的过程，同时应用两者之间的差异，以对系统和模型获得透彻的理解，从而达到改进模型的目的。这个过程重复进行直到认为模型足够准确为止。
2.2.2 建立仿真模型
仿真建模是指根据建立的模型和仿真的目标，建立能够在计算机上运行的系统模型，该过程是通过建模语言将系统的特性反映到计算机，使得计算机能够运行仿真模型的过程。
在建立仿真模型完成后，需要对建立的仿真模型进行验证，模型的验证与仿真模型和计算机程序有关，在模型的验证过程中通常要回答一下问题，即系统模型（包括对系统组成成分、系统结构以及参数值的假设、抽象和简化）是否由计算机仿真模型准确的表示出来。
2.2.3 试验设计
仿真试验设计是指根据系统分析的目的和系统模型的特征确定需要进行仿真试验的方案。方案的设计与计算机的计算能力和对仿真结果分析的能力有关，通常仿真试验设计涉及到初始化的长度、仿真运行的时间等。
2.2.4 仿真运行研究
仿真运行研究是指将建立的仿真模型按照设计的方案进行运行的过程，在运行的过程中观测各种输入及不同的仿真机制下系统的输出响应状况，观察分析试验数据，从而实现预测系统。
2.3 仿真技术的优点
仿真技术可以对整个生产服务系统进行建模仿真，也就是说可以对产品生命周期的每一个流程进行建模仿真，研究的生产服务系统可以是实际存在的，也可以是尚未存在的只是对生产系统的设计或概念。因此，利用计算机仿真技术可以用来分析、诊断和优化复杂生产系统，特别是通过在计算机中建立虚拟模型来测试各种设计方案和假设条件，不仅可以节省大量的资金投入，缩短项目周期，最重要的是可以极大地降低了决策的风险。
另外，仿真技术可以广泛地应用在复杂生产制造管理、库存管理、物流和供应链管理、设备和资源优化配置管理、以及商业流程重组和改进等诸多方面，越是复杂的系统，仿真技术越能体现其优越性，例如多目标问题等，特别是对于一些仅仅依靠数学方法无法解决的复杂系统，通过仿真能够提供全局而系统性的研究。
3 仿真技术对精益六西格玛的推动
精益六西格玛处理整个系统的问题，要分析和解决的问题比较复杂，因此在项目实施中引进现代仿真技术将有力的推动精益六西格玛项目的进程。
3.1 加强了对系统全局认知
精益六西格玛实施方法中，运用了SIPOC（组织系统模型）和VSM（价值流管理）等工具，对系统进行了详细的分析，但是所运用的这些工具及形成的结论都是基于静态的过程，如果运用仿真技术对系统进行建模后，研究的系统可以完整地、动态地展现出来，这样有助于全面地、系统地、深刻地认知所关注的系统，分析系统，为项目实施提供了强有力的方法和工具。
3.2 最大程度实现全局优化
在精益六西格玛的改进阶段，精益六西格玛往往通过实验设计或回归模型等工具进行系统优化，在进行实验设计时，由于是通过选择局部点来进行优化，对于经验的依赖性很高，往往很难做到全局优化。而仿真技术中通常融合了现代智能算法如遗传算法、禁忌算法等，通过仿真软件（如Arena）可以相对容易实现全局优化。
3.3 加快实施速度，提高实施效率
精益六西格玛改进了六西格玛方法，将项目进行分类实施，一定程度上加快了精益六西格玛改进的速度，提高了项目实施的效率，但是从根本上来说，精益六西格玛实施是建立在企业的实际运营系统上的，在进行数据收集、原因验证和实施改进方案时，必须在实际的系统中实施，这往往会对正常的运营系统形成一定的干扰，并且花费较长的时间，如在进行数据收集时，为了数据的完整性必须对各种类型的数据进行收集，但是在某些企业，产品生产是具有周期性的，这样在数据收集时就会花费很多的时间。又如在实施改进方案时，要对改进方案逐一进行试验设计、实施，再对实施改进后的结果进行观测和评价，这个过程持续的时间会更长，特别是对一些柔性生产系统，由于其涉及的产品种类多，生产形式多样，花费的时间就更长了。在这些过程中应用仿真技术可以从根本上解决这个问题，将系统进行建模后，所有这些过程通过运行仿真模型就可以完成，极大地缩短了实施的时间，而且不对系统进行任何的干扰。
3.4 减小了决策的风险
在界定、测量、分析等阶段完成后，项目实施进入最关键的时期，该阶段要获得解决问题的方案并进行实施，对于每一个关键问题提出的改进方案，精益六西格玛方法首先通过试验设计进行初步的验证、测试，然后对改进方案进行实施、观测和评估。在这个过程中，精益六西格玛方法对改进的方案进行了局部试验，并对输出结果进行了验证，但是生产服务系统是一个整体，并不能对整体改进方案做出预测。在引进仿真技术后，对于各改进方案可以进行具体的仿真，从过程到结果进行全方位的观测和评估，在将经过仿真评估后的方案进行实施，可以最大程度的减小决策的风险。
3.5 提高了经济效益
在引进仿真技术后，对项目的分析、改进都可以在仿真系统中进行的，一方面节省了直接进行实验的直接费用，另外应用仿真技术时，在项目实施过程中对生产服务系统的干扰很小，加快了项目实施的速度，间接地提高了经济效益。
4 仿真技术在精益六西格玛中的应用模型
在精益六西格玛项目实施中融入仿真技术，其通常的方法是在界定和测量阶段建立系统模型、仿真模型、模型验证；在分析、改进阶段，应用仿真模型对系统进行分析、优化、验证系统改进方案。详细的应用模型如下：
5 应用实例
下面列举一个关于仿真技术在精益六西格玛中应用的实例：
D：在界定阶段，进行项目目标界定，项目的目标为：（1）降低产品的废品率，（2）提高生产产能以满足市场的供应（4类产品每年每种产品的数量需求10万套），（3）降低现场的在制品数量，（4）缩短产品的制造周期。
这是一个典型的精益六西格玛项目，项目的目标既包含质量波动问题，又包含改进流程速度减少浪费的问题。在项目的界定阶段，将现有的生产系统进行流程图、资源分析、价值流图分析，建立现有系统的概念模型。
M：在测量阶段，通过时间测定，OEE分析、TAKT分析、动作分析、数据分析，确定系统运营的详细资料，从而建立系统模型，并根据系统模型建立仿真模型（本文在Arena中建立仿真模型），建立的现有仿真模型如下：
A：在分析阶段，通过运行仿真模型，可以观测原系统的运行过程，运行结果。通过分析后，确认需要改进的因素主要为以下几项：（1）车间的设备布局不合理，过长的搬运时间影响了工作效率，（2）废品主要产生在硫化工艺，半成品应该尽量减少在空气中裸露的时间，通过分析，半成品等待时间应该小于2小时，（3）生产中加工批量需要调整，以减少在制品的数量，（4）部分工位的人员需要重新安排以提高工人工作效率。
I：在改进阶段，首先对车间的布局调整，建立新的布局下的仿真模型：
然后根据项目目标，对系统模型进行优化(Arena带禁忌搜索智能算法)，给出一些可变参数及范围（如本例中的不同产品的批量、工人的数量），约束条件（本例中指工件完成的时间不能超过2小时，在制品数量小于100）及优化的目标（本例为一年300天每天8小时总的生产额度），运用Arena软件进行优化选择。
通过优化，最后获得如下数据：在“U”型布局下产品，车间在制品数量不超过50的情况下，半成品在空中的裸露时间（小于等于2小时）的情况下甲以5套每批，乙产品以5套每批及工位人员安排为8个人时，整个公司以每班工作时间8小时，每年可以完成483461套产量，比原有产量提高20.8%。
6 总结
本文探讨了仿真技术在精益六西格玛中应用的方法，首先从理论上分析了仿真技术的特点、运用仿真技术的领域和运用仿真技术的一般步骤；然后分析了仿真技术对精益六西格玛的推动作用及仿真技术与精益六西格玛系统方法进行融合的方法，最后举例说明了仿真技术在精益六西格玛中的应用方法。
（作者单位：上海朱兰质量研究院）
摘自《上海质量》2007年第8期
