从数小时到数秒钟：丰田如何消除数字化转型中的新三大浪费？

作者 | CEChina

在丰田北美公司，源自日本的 “muda”（即各类浪费）理念，推动着 15 个生产基地、80 个车间持续改进。尽管拥有数十年精益生产经验，该公司仍发现，其数字基础设施正产生一种新型浪费——每个工厂每月需在重复性任务上耗费近240小时。

“我们认为，存在问题是件好事，因为这能帮我们发现自身的不足与浪费，” 丰田北美工业物联网（IIoT）首席架构师Chase Brown表示。丰田生产方式（TPS）创始人大野耐一曾说过，没有问题才是最大的问题。

丰田发现的问题颇具代表性：其数据收集流程中充斥着动作浪费（motion waste）、过度加工与等待问题——这三者是制造运营中成本最高的三类浪费。

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数字碎片化的隐性成本

丰田面临的挑战并非缺乏数据或技术。该公司一直以来都在收集生产数据，但这些数据分散在企业内部的各个独立系统中。工程师与技术人员不得不登录多个系统，反复重新部署标签、重新配置连接。

尽管拥有先进的制造技术，丰田的突破却始于重新定义流程，随后才选择并部署技术以支持这些改进后的流程。“重复动作对我们来说是一种巨大的浪费，” Brown说，因为员工需要操作众多不同的系统 —— 无论是远程登录，还是到车间的自助终端登录，以创建与单个 PLC（可编程逻辑控制器）标签的连接，从而启动数据收集流程。

这种运动浪费导致过度处理，因为多个团队经常从不同的系统连接到同一台 PLC，从而产生重复的数据和重复的工作。“这相当于我们每个站点每个月在重复标记和创建管理上浪费了大约240小时，”Brown 指出，“想一下，如果这些资源被释放出来用于创造价值，而非维持现有流程，能取得多大的成效。”

丰田传统的点对点集成架构还造成了数据孤岛，信息“无处不在”，缺乏上下文和逻辑关系。随着公司继续构建和部署新系统，复杂性只会增加，使得故障排除几乎不可能。

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构建统一架构的意义

丰田遇到的问题反映了制造业的一个共同挑战：专业系统的积累可以解决个别问题，但随着时间的推移会产生集成的复杂性。在这种情况下，每个系统通常需要自己的连接、自己的数据管理流程和自己的维护程序。

在解释丰田北美公司如何存在这个问题时，Brown举了一个例子，他曾需要解决一个生产业务问题。“我知道需要从多个系统中获取数据。可能系统1是我搭建的，所以我清楚数据所在位置；系统2可能是我们的企业资产管理系统；系统3或许是制造执行系统（MES）；系统4则可能是物流系统。要解决这个业务问题，我需要所有这些数据点，但我甚至不知道该从哪里入手。”

在工程师真正开始解决业务问题之前，这类场景通常需要耗费数小时的调查时间。即便确定了数据源与访问方式，由于系统的分散性，数据验证依然困难重重。

丰田北美公司首席工程师兼技术产品负责人Jason Denham强调，解决这类问题不能仅靠新技术，他表示：“关于 OT 与 IT 融合的讨论很多，焦点通常集中在工具与技术上。但我们还需要考虑流程，也就是敏捷方法。”

丰田的做法与其核心理念一致，即首先应该用流程解决问题，其次是技术。他们没有从技术解决方案开始，而是直接与用户接触以了解他们的具体需求，特别是在排除导致生产损失的机器和生产线问题方面。

解决方案的核心是打造名为“Nexus”的统一架构。Brown表示，这一架构是 “数据与人交汇” 的核心枢纽。如今，这个中央数据运营层通过单一 MQTT 代理，连接起丰田生产基地内的所有设备与系统——无论数据来自PLC还是IT系统。

“所有数据都将进入一个语义层级结构，我们通过其他系统在此基础上建立关联，” Brown解释道，“通过构建这一架构，我们借助 schema（数据模式）管理消除了数据过度加工问题，确保我们所有生产基地及整个数据架构中的数据结构都实现了标准化。”

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利用边缘计算的优势

丰田最初的方案是开发一款名为“Tag Genie”的工具。这是 Ignition Perspective 中的一个用户界面，可自动创建连接与标签。但团队意识到，这种做法只是 “用新技术重复现有流程”，并未解决根本问题。

当他们看到整合边缘客户的价值时，突破就出现了。在这种情况下，边缘客户端是运行带有 Ignition Edge 的基于 Docker 的容器的工业 PC。这将设备和软件定位在网络边缘，紧邻机器和流程。这消除了维护团队和工程师亲自拜访每个客户以建立联系的需要。

真正的突破来自于他们意识到边缘客户端的价值。在该方案中，边缘客户端是运行基于 Docker容器、搭载Ignition Edge的工业计算机。这些设备与软件被部署在网络边缘，紧邻生产设备与流程。这使得维护团队与工程师无需实地走访每一个客户端即可创建连接。

“我们将这些边缘设备与已部署的 MQTT 代理相连，并为数据搭建了企业级消息总线，” Denham表示，“我们还通过 Sparkplug B协议，实现了基于 MQTT 的远程过程调用（RPC），并将其接入后端系统。”

在部署Ignition Edge时，该系统会创建两个MQTT Sparkplug B标签：一个是用于创建 PLC 连接与标签的 “指令标签”，另一个是用于向用户反馈信息的 “响应标签”。如今，用户只需通过单一界面登录系统，配置需求，系统便会自动创建连接、生成标签并开始发布数据，整个过程通常不到 30 秒。

“我们可以将其扩展到8000 个、10万个甚至100万个标签，而部署时间不会有明显延长，”Denham补充道，“而且我们可以一次性为多个资产完成部署。”

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对浪费的可衡量影响

丰田的这些举措直接解决了他们发现的三类浪费问题，且成效可量化：

■ 动作浪费大幅降低，重复性标签设置与配置工作减少97%。技术人员无需在多个系统与实地位置之间奔波，只需通过单一界面即可完成相同任务。

■ 过度加工基本得以消除，重复连接与冗余数据收集成为历史。丰田的Nexus架构确保每个数据点都在唯一位置存储，并具备清晰的上下文与关联关系。

■ 等待时间减少99%，曾经需要数天或数小时的流程，如今只需数秒或数分钟即可完成。

但Brown表示，最显著的改进体现在资产上线环节。在旧流程下，200 项资产上线平均需要33天；而在新系统中，完成同样任务只需不到1天 —— 若所有必要信息就绪，甚至可在1小时内完成。“大约一周前，我们刚与一家工厂沟通过此事，” 他说，“过去，他们部署少数几项资产就需要几个小时；如今，借助Tag Genie，部署所有这些资产只需不到 10 秒。”

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丰田经验带来的启示

丰田通过统一架构实现转型的成功经验，为正在推进数字化转型的制造商提供了多项关键启示。丰田从一条小型产线的试点项目开始，聚焦能快速产生价值的特定应用场景。这种方式不仅验证了方案可行性，获得了用户认可，还为后续大规模推广奠定了信心。基础架构是未来创新的基石，清晰定义每个数据点、连接与关联关系至关重要，没有这些基础，就无法构建支持AI的生态系统、数字孪生或边缘智能。

此次转型还表明，现代制造业可从软件开发领域常用的敏捷开发方法中获益。丰田以两周为一个冲刺周期部署新系统，全程持续收集用户反馈，并在开发过程中逐步交付价值。实现了横向与纵向扩展能力，且无需停机，确保系统能随公司需求增长而扩展。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年09月刊《聚焦机器自动化》栏目：从数小时到数秒钟：丰田如何消除制造过程中的三大浪费？