精益5S現場管理對提升員工生產效率問題的研究

■ 夏佳鈺 龔其國

中國科學院經濟與管理學院 北京 100190

0 引言

精益生產現場管理源于日本豐田汽車公司的生產體系，強調通過消除浪費、優化流程、提高生產效率來實現卓越品質和更快交付。其核心理念是通過全員參與、持續改進的方式建立起高效、靈活、適應性強的生產系統。豐田精益生產作為一種先進的生產管理理念，在降本提效方面表現出顯著的優越性。這一理念已經在全球范圍內得到了廣泛應用，并在很多行業展現出了顯著的效果。此外，工業4.0 和精益生產的協同作用能夠有效地將現代數字技術與精益理念結合，為企業實現智能制造提供穩定、靈活的管理流程[1][2][3]。

在精益生產的持續改進過程中，首要任務是進行現場改善，從而有效地管理產品質量、提升效率以及確保生產安全性。在今井正明所著的《現場改善》一書中，提出企業改善的對象為質量、成本和交付（Quality, Cost,and Delivery, QCD），而QCD 同時也是現場改善的結果[4]。其中5S（具體釋義見下文）是實現精益高效的QCD目標所必不可少的改善活動，被視為制造業公司實施現場改善不可或缺的步驟[5]。在豐田精益生產方式中，5S 是指對生產現場的人員、機器、材料、方法等生產要素進行有效管理的一種企業管理辦法，是豐田現場管理中的首選環節。

本研究將首先對精益生產現場管理的理論和實踐進行綜述，探討現場管理對實現精益生產、提升企業效益的重要性。此外，通過對精益現場管理的重要途經——5S 改進活動進行模型化，以定量、定性結合的方式說明其對員工生產效率的促進作用，同時為企業管理者理解豐田精益生產現場管理提供更深入的闡釋，促使企業在實際生產過程中更好地實行精益改進。

1 文獻綜述

1.1 關于精益生產的文獻綜述

在豐田的生產方式中，精益意味著消除非增值活動（浪費），改善意味著持續改進，意圖通過低成本的微小改進不斷消除浪費。有大量學者對精益生產進行了廣泛的理論和實踐研究，證明了精益生產的有效性[6]。Primo 等學者通過案例研究說明了精益生產模式對小批量、高復雜性的制造項目的按時交付具有積極作用[7]。Arya和Choudhary研究了豐田精益模式在印度某家小規模工業企業的改善效果，結果顯示豐田改善策略能夠大幅減少產品的交貨時間，并且5S能夠使員工養成保持工作場所清潔的習慣[8]。在Kumar 等人的案例實踐中，采用“5 Why”作為方法論的精益改善實現了降低庫存水平、縮短交貨時間和周期時間、消除返工、提高生產率和改進產品質量的卓越成果[9]。

現場管理和改善是豐田精益生產中的重要一環。從狹義上理解，現場是企業制造產品或提供服務的地方。日本著名企業家，豐田生產方式的創始人大野耐一曾經說過：“解決問題唯有依靠生產現場……報告的數據可以編造，現場才是展現問題的地方，因為現場有事實，有數據?！贝笠澳鸵粡娬{了“現場”對制造企業的重要性，從而提出管理人員需要重視“現場”，并依據對“現場”的認識與了解來指定決策。

然而，盡管精益生產具有諸多潛在優勢，企業在實踐精益生產時所面臨的困難也顯而易見，研究者們已經認識到實施精益改進的成功率非常低[10][11]。根據一項針對精益生產改進結果的研究顯示：有50%以上的業務改進計劃在長期運行中失敗，高達70%的計劃未能實現期預期收益[12]。相關研究顯示了軟精益（soft-lean）與精益生產模式的成功實踐之間的正向關系[13]。與強調改進方法、技術、工具的硬精益（hard-lean）相對，軟精益注重管理層和員工的參與和承諾，包括培訓、學習和團隊合作等活動。相關研究論證了組織文化概況與領導風格和精益制造實施水平間的相關性[14]。Chaple等[15]學者采用長期短期記憶網絡（Long Short Term Memory, LSTM）模型推導出管理時間、監督能力和高級管理能力的欠缺是阻礙企業實施精益的最大障礙。

因此企業需要不斷調整和適應精益生產文化和生產管理模式以應對持續改進的艱巨壓力。深入研究這些問題有助于更全面地理解精益生產的實際應用情境，為企業如何保持持續改進動力提供關鍵見解。

1.2 關于生產復雜性的文獻綜述

在企業的流水線生產過程中，每一個工作站的工人都需要完成相應的產品工序，并按加工順序移交至下一個工作站。據統計在現代制造中裝配工作量占整個產品研制工作量的20%至70%，裝配時間占制造時間的40%至60%[16]。產品的裝配速度不僅取決于科學的技術設計，與此同時，工人作為流水線中主要的工作人員，其工作效率能夠極大程度地影響整條生產線的生產速度。

有大量文獻針對裝配流水線生產系統如何平衡生產線柔性和生產效率進行了相關研究。部分學者研究了制造系統中復雜性的定義和建模。Zeltzer 等將裝配復雜性的定義為所有技術和人機工程學因素的總和，復雜的生產流程和繁多的生產任務要求工人在生產中集中精神，需要思考的工作同時也容易增加工人的生產壓力并容易產生生產錯誤[17]。復雜性模型通?？啥x為客觀復雜性和主觀復雜性。Gullander 等學者的研究強調了主觀復雜性的重要性，主觀復雜性取決于員工能力、工作信息和生產環境，決定了員工的工作表現[18]。Yuan 等學者從物理負荷和認知負荷兩個方面對裝配復雜性進行分類，分別考慮工藝深度的復雜性、操作過程的復雜性和認知過程的復雜性[19]。本研究在后續的研究中主要探討精益5S 現場管理對員工認知復雜度的影響。

在過往研究中，員工的認知復雜性通常由系統的信息和熵(隨機性)來建模，并分為靜態/動態復雜性和主觀/客觀復雜性。在過往的文獻研究中，特別是混裝流水線的相關文獻，學者通常采用信息熵（information entropy）來衡量員工工作的認知復雜度[20][21]，見式(1)：

其中M表示員工在生產作業中可選擇工具的數量，p(xi)表示每種工具的使用頻率，信息熵H(X)的單位為Bit。

若系統中每一種情況發生的可能性相等，那么式(1)可簡化為：

此時H(X)大小只與M有關。

根據Hick-Hyman’s Law，員工在面對復雜度H的選擇環境時，其生產時的平均反應時間（Reaction Time）與環境復雜度呈線性正相關關系[22][23]，如式(3)所示：

其中a,b> 0，H為生產現場的環境復雜度。式(3)表明生產環境越復雜，員工在生產時所需的決策和反應時間越長。

因此，車間工作人員，特別是在流水線上需要對工作臺上部件進行快速挑選和組裝部件的流水線員工，其平均反應時間與當前的環境復雜度成正比。由此可得，從員工角度出發，豐田精益生產方式中的5S不僅從現場改善的角度優化了工作環境，同時也能夠從信息負載層面極大程度地改善工人的生產效率。

本研究從減少現場冗余物品，從而減少員工決策時間的角度，對實行5S前后的工作臺復雜度進行了建模。

2 5S對員工生產效率的影響分析

5S改進活動起源于日本，主要包含以下5點：

（1）整理（Seri）：區分現場需要和不需要的物品，并且處理掉后者；

（2）整頓（Seiton）：將整理后需要的物品進行整齊有序的擺放；

（3）清掃（Seiso）：保持機器和環境衛生的整潔；

（4）清潔（Seiketsu）：工人自身也要做到干凈整潔，并且持續執行以上3步；

（5）教養（Shitsuke）：保持自律，通過建立標準養成持續5S的習慣。

上述5個步驟的名稱來源于日語名稱的羅馬拼音轉譯，均以“S”開頭而簡稱5S管理。

5S中的“整理”和“整頓”兩個步驟，能夠使得工作現場的環境更簡潔有序?！罢怼?，是去除現場不需要的物品，（《現場管理》一書中將其定義為30 天內用不到的物品以及減少同一種物品數量），而“整頓”則代表其現場保留下來的物品進行規范的放置。在《做事的科學：細節與流程》中，作者將“整理”這一步驟看作是消除廢物產生的變動性，將“整頓”看作是消除混亂秩序產生的變動性。

員工在現場工作臺上的生產過程中，需要在多種生產工具中找到當前所需的并進行生產操作。如果工作臺上有大量雜物并且現場物品的擺放十分雜亂，那么對于員工來講在現場快速地選取其所需部件一定是較為耗時耗力的。首先，員工需要在現場眾多雜物中判斷是否有其當前所需的工具，并由于現場混亂無序的物品擺放，員工需要從不同的放置工具的地點來逐個找尋所需工具的位置。因此，員工工作臺上當前工具數量的多少以及工具是否有序擺放都會對員工的認知負載產生一定程度的影響。

基于上述例子，本研究將員工的認知復雜度定義為現場物品的多樣性HD和物品放置的混亂度HC，假設現場的物品數量為n，能夠放置物品的區域有k個，k≥n，且同一個區域只能夠放置一個物品。

那么，設物品的多樣性HD的公式為：HD=log2n，HD大小和現場物品的數量有關。物品放置的混亂度HC則與現場物品是否有序歸置有關。5S 改進前物品放置的混亂度HC為：HC=log2k，HC大小由現場工具可放置的地點數量k決定。此時由于現場物品沒有明確的歸檔，因此“物品-地點”的對應關系有k種。

在實行5S之后，“整頓”步驟要求員工將現場的生產工具進行合理有序的歸置擺放，“物品—地點”的對應關系是唯一的，此時員工只需要明確自己所需的物品是那種以及是都在現場，就能夠根據記憶在特定位置找到該工具，此時k= 1，HC=log21 = 0。

在定義了現場物品的多樣性HD和物品放置的混亂度HC的基礎上， 本研究將現場復雜度H定義為：

根據上述定義，接下來對員工實行5S前后的員工信息負載進行建模分析。在實行5S前，工作臺現場的生產工具沒有明確的規整，現場物品中往往會有組多雜物，且擺放混亂，此時員工的認知負載為：

假設現場的原物品數量為n，其中θn數量的工具在日常的使用頻率總和為p(p≥θ)。以二八定律為例，當θ= 0.2，p= 0.8 時，現場工具中使用頻數排名前20%的工具，其使用次數總和占了日常生產事件的80%。這意味著現在有很多物品或者是工具的使用頻率極低，在現場不僅占用了工作生產空間，也增加了員工的信息負載，并由此增加了產品的生產周期，降低了企業效率。

首先考慮5S中“整理”這一步驟，此時企業需要將現場不需要的物品及時清理掉，為員工的現場工作提供簡潔的工作環境?！罢怼焙髥T工生產時的平均認知負載如式(6)所示：

在“整理”這一步驟中，企業通過改進活動將現場物品數量降為θn，剩余(1 -θ)n樣物品則進行另外收納，例如額外設置專門的地點用于存放日常工作中極少使用到的生產工具。但此時由于還沒有物品對進行有序歸置，且出于簡化模型的考慮，仍假設“物品—地點”的對應關系數量仍k。

在此基礎上，企業實行“整頓”這一改進活動，員工的現場認知負載為：

此時生產現場明確劃定了各個工具的擺放區域，方便員工在需要使用某個工具時只需要去對應的收納位置即可，而不需要額外花費時間在雜亂的工具堆中進行尋找。因此相較于H2，式(3)中H3的防止混亂度大小為1，員工的信息負載只與生產所需的工具數量相關。

根據前文對5S實行前后員工認知負載的定義，接下里對5S活動的改進行具體分析，如式(8)至(9)所示：

式(8)和式(9)分別表示生產現場實行“整理”和“整頓”之后信息負載的減少量。其中p,θ∈(0, 1)，k≥1，易得H1-H2> 0；θn, (1 -θ)n> 0，易得H2-H3> 0。說明將現場生產活動中使用頻率極少乃至不需要的雜物清理，并進行有序歸置，顯然能夠降低員工工作過程中的認知負載。

令h(θ,p)為員工實行5S 改進活動前后的認知負載之差，則可得

根據前文分析，顯然h(θ,p) > 0。根據Hick-Hyman’s Law，5S 改進活動因此也能夠降低員工的決策時間，提升產品生產效率。

結論1：企業實行5S 能夠明顯減小現場員工的認知負載（信息熵），并根據Hick-Hyman’s Law可推出員工能夠由此減少在現場選取工具的決策時間。

根據前文所述的模型定義，進一步通過參數θ和p來定義生產現場的冗余度δ。5S改進的目的是為了減少現場的物品冗余，將使用頻率高的物品留在現場的同時減少現場的浪費。因此企業會對現場物品根據使用頻率降序排序，將使用頻率很低的物品清理出現場。因此可以得出p≥θ，即企業實行5S 后保留了使用頻率總和為p的前θn個物品，令冗余度。

接下來對h(θ,p)求偏導，具體求導情況見式(11)至(12)：

當θ∈(0, 0.5]時，與p呈非負的線性相關關系。

結論2：在θ∈(0, 0.5]，p∈[θ, 1)的區間范圍中，實行5S 前后員工認知負載的差值h(θ,p)隨著θ的增大而減小，隨著p的增大而增大?？筛爬?，信息熵之差h(θ,p)隨著冗余度的增大而增大。

綜上所述，從員工認知復雜度的角度來看，實行5S能夠有效的降低員工的決策時間，并且在θ∈(0, 0.5]條件下，原現場物品的冗余度越高，5S 的改善效果則越顯著。

3 5S持續改進的重要性分析

隨著制造業的不斷發展以及順應市場個性化需求的趨勢，企業往往需要投入大量的人力和物力來提升生產的柔性化程度。而高柔性化程度不僅意味著企業市場競爭力的提高，同時也對員工的生產效率提出了巨大的考驗。在過往的研究中，學者們引入生產線換線成本來綜合考慮并最小化批量化和多樣化生產之間的成本，其中包含經典的EOQ模型。但是對于企業員工來講，更多的生產線產品意味著更復雜的生產工序以及更頻繁的任務轉換工作。

本研究已經從認知復雜度的角度通過信息熵衡量了員工在生產過程中的信息負載以及5S 改進活動對員工生產效率的影響，得出了在現場物品管理越混亂，5S對員工生產效率的提升作用越明顯這一結論。在5S 改進活動中，整理（Seri）和整頓（Seiton）保證了現場沒有呆滯物料產生的成本浪費，降低了混亂現場造成的員工時間浪費。清掃（Seiso）和清潔（Seiketsu）則使得現場保持機器設備的規整和員工的清潔，保證員工生產環境的干凈明亮，降低現場安全事故的發生概率。而5S改進活動中的最后一步，也是體現精益生產方式持續改進精神的一步——素養（Shitsuke），即代表了企業在完成現場改善活動后，需要不斷保持并維護改善成果，使得員工養成5S 的習慣，及時清除生產過程中帶來的混亂，具備現場管理的意識。接下來考慮在高柔性化程度生產線上實施持續的5S精益改進活動對員工帶來的影響。

假設在某一完成5S 改進活動的生產線上能夠生產多種產品。對某一特定產品來說，令每生產一個批量的時間為一個周期，每個周期生產的產品數量為q，員工生產單位產品需要的平均時間為a+bH，在周期t= 1 時，員工的生產成本為：q(a+bH)。

在每完成一個批量的生產后，現場生產線都會產生一定的冗余和混亂，例如生產過程中產生的殘次品以及未及時歸位的生產工具。這些物品在生產工作臺上不及時清理，就會產生物品混放的結果，給后續的生產帶來干擾。在不失一般性的情況下，假設每一周期的生產過程會產生大小為h(h> 0)的信息負載。因此，在周期t(t> 1)員工的生產成本為：q[a+bH(1 +(t- 1)h)]。

考慮員工的5S 維護成本，假設從期初開始，員工選擇在完成t個周期的生產后，才根據5S 改進結果對現場進行清潔維護，由于現場的信息負載是由HC(1 +HD) =HC+HCHD計算得出，存在二次項，因此考慮t周期后的維護成本為：m(ht)2。

在上述基礎上，考慮兩種維護策略：（1）員工在生產周期T(T > 1)后進行整理、整頓等清潔維護；（2）在每一周期員工都進行5S維護。對兩種策略的成本進行比較。根據模型假設，T周期后策略1和策略2的成本之差為：

易得C > 0。平均每期的成本之差為：

對NC求偏導，可得：

從求導結果可以看出，每周的清掃維護不僅能降低下一周期員工生產的負擔，同時從長期來看，每周進行維護成本也低于集中維護一次的平均成本，這與精益生產中的烏龜法則相照應。保持穩定、整潔和安全的生產環境，在每一次生產過程后及時地整理清潔現場，并使得員工養成良好的清潔習慣，是5S 中的最后一步——“素養”，是精益生產方式持續改善的具體體現。

結論3：企業在生產過程中，對于出現的問題及時響應、馬上解決的做法，從長期來看不僅能夠避免問題累計出現嚴重后果，同時也能降低員工生產成本，從而提升生產效率。

上文的分析表明：及時頻繁的5S維護策略能夠在保持5S改善效果的前提下，同時減少員工的維護成本和生產成本。接下來本研究進一步考慮在不同的柔性生產方式下，兩種策略產生的成本之差的變化。設某一產品的總需求為Q，總生產周期，可得：

求一階導，可得：

根據求導結果可以得出，在總需求一定的情況下，批量q越小，即生產線要求的柔性化程度越高，員工頻繁改進的策略效果越顯著，也進一步反映出在頻繁換線的生產線上，不及時的5S改進維護會導致后續的問題累計從而產生更大的成本。

結論4：在一定條件下，高柔性化程度生產線的生產過程對及時高效的5S 改進活動需求程度更高。頻繁的更改生產產品以及小批量的生產方式，整潔、一目了然的生產工作現場能夠大大提升員工的工作效率。

4 研究結論

精益是一個強大的管理系統，該理論創造以來幾乎適用于所有的制造業和服務業，并在生產實踐中不斷豐富和完善。然而在相當大的一部分實踐和研究中，實施精益的企業并沒有達到理想的生產目標。因此本研究嘗試對于精益工具之一的5S改進進行研究和討論，分析其對企業生產的具體影響。

本研究以現場管理中的5S改進為例，以生產員工的認知負載為切入點，通過信息熵對5S管理的進行了模型化，量化分析了5S 的改善效果，主要研究結論如下：（1）通過物品多樣性HD和放置混亂度HC兩個指標量化了生產現場的給員工生產帶來的信息負載，論證了5S改進活動對員工生產效率的提升作用，并得出生產物品的擺放越混亂，5S改進對員工生產效率的提升效果越顯著這一結論。（2）本研究進一步考慮了5S 改進后對生產現場的維護，比較了兩種維護策略的成本，結論表明及時、頻繁的維護策略更能保證企業的生產效率，特別是在高柔性化程度的生產現場。

基于本研究結果，對企業的管理人員提供如下管理啟示：（1）關注生產現場改善。在當今強調技術進步和科技創新的發展背景中，企業仍需要持續關注生產現場的改善以更好地應對管理挑戰。在這一前提下，企業管理人員需要重視生產現場的實際運作，保證員工生產環境的整潔有序，從員工主觀認知角度提升員工的生產效率，改善員工生產體驗；（2）長期持續的維護和改善。改善活動不是一蹴而就的，企業和員工需要在后續持續維護和改善生產現場，防止小問題逐漸累積成為企業生產的重大負累。因此本研究建議管理人員需要制定長期的改善計劃，并鼓勵員工持續參與和優化現場管理的改進，從而保持生產現場的高效運作，避免潛在問題的積累。