黃鵬鵬，魏春珊，鄭雅琳

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000)

0 引言

設(shè)施布局的優(yōu)劣決定了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本的高低，并且被認(rèn)為是僅次于增加新設(shè)備節(jié)約投資的關(guān)鍵性措施[1]。特別醫(yī)療器械生產(chǎn)行業(yè)中對(duì)車(chē)間無(wú)塵化要求較高?？茖W(xué)有效的設(shè)施布局能夠減少物料在流通過(guò)程中的等待和搬運(yùn)時(shí)間，節(jié)約生產(chǎn)管理成本，縮短產(chǎn)品周期，有效提高生產(chǎn)能力。

寧芳等采用SLP從物流、人流與應(yīng)急部門(mén)的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，通過(guò)加權(quán)因素法對(duì)優(yōu)化前后的設(shè)施建筑布局評(píng)價(jià)[2]。周佶睿等在SLP的基礎(chǔ)上，僅采用物流—距離分析法從物流成本角度比較布局方案，存在一定的局限性[3]。一些學(xué)者運(yùn)用SLP和AHP結(jié)合得出最佳方案，為設(shè)施布局的選擇提供了一種新的方法，但沒(méi)有進(jìn)行仿真驗(yàn)證[4～6]。周爾民等通過(guò)對(duì)福州臺(tái)鉆廠的基本要素分析，運(yùn)用SLP法進(jìn)行平面布置優(yōu)化，利用Em-plant仿真驗(yàn)證了模型的有效性[7]。彭飛等采用SLP法和Plant Simulation仿真，對(duì)多品種小批量的高鐵小部件生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行產(chǎn)線工藝規(guī)劃，可有效彌補(bǔ)SLP法的不足[8]。侯智等以搬運(yùn)總費(fèi)用和總面積最小為目標(biāo)，采用SLP和遺傳算法相結(jié)合的方式對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)布局進(jìn)行優(yōu)化，彌補(bǔ)了遺傳算法易陷入局部最優(yōu)的缺陷[9]。

基于前人的研究成果，本文針對(duì)A公司輸液器組裝車(chē)間的特點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)用SLP和AHP方法，考慮實(shí)際約束條件，確定優(yōu)化布局方案，再采取Flexism仿真軟件驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。該套方法體系對(duì)其他設(shè)施布局優(yōu)化提供一定參考意義。

1 基于SLP輸液器組裝車(chē)間布局分析

組裝車(chē)間作為輸液器生產(chǎn)的核心，共有六條生產(chǎn)線，包括袋式、普通型、止液型和避光型這四條人工組裝線以及B3型全自動(dòng)組裝線和輸液針全自動(dòng)組裝線。市場(chǎng)需求條件下，公司需要引進(jìn)大型全自動(dòng)化B3輸液器組裝機(jī)及輸液自動(dòng)組裝機(jī)、滴斗自動(dòng)組裝機(jī)等。由于車(chē)間面積有限，為提高車(chē)間物流效率，所以需要對(duì)車(chē)間布局進(jìn)行更系統(tǒng)的改善，其中輸液器車(chē)間照各作業(yè)單位的代號(hào)及尺寸如表1所示，接下來(lái)的圖中均用代號(hào)表示各區(qū)域單位名稱。

表1 各作業(yè)單位代號(hào)及尺寸表

采用“曼哈頓距離”計(jì)算各作業(yè)單位之間的距離，根據(jù)各類(lèi)產(chǎn)品的工藝路線和年產(chǎn)量以及在各類(lèi)在制品的重量可以計(jì)算出年物流量，將物流量和距離的乘積量距積作為衡量物流強(qiáng)度的指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 各作業(yè)單位間物流量距積

由于直接分析大量物流數(shù)據(jù)比較困難且沒(méi)有必要，可以用如表3所示的物流強(qiáng)度等級(jí)劃分表來(lái)確定作業(yè)單位間物流強(qiáng)度。

表3 物流強(qiáng)度等級(jí)劃分表

對(duì)表2的量距積降序排列，再結(jié)合表3的物流強(qiáng)度等級(jí)，建立各作業(yè)單位物流強(qiáng)度分析表如表4所示。

表4 各作業(yè)單位物流強(qiáng)度分析表

非物流關(guān)系與物流效率密不可分，非物流關(guān)系分析主要考慮工作流程的連續(xù)性、生產(chǎn)服務(wù)、物料搬運(yùn)、管理方便、安全及污染、共用設(shè)備及輔助動(dòng)力源、振動(dòng)和人員聯(lián)系之間的密切程度[10]。

結(jié)合輸液器組裝車(chē)間的實(shí)際情況，按照物流與非物流加權(quán)值為1∶1對(duì)得出的作業(yè)單位物流強(qiáng)度等級(jí)和非物流關(guān)系密切程度等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。不同的物流強(qiáng)度等級(jí)和密切程度等級(jí)對(duì)應(yīng)著不同的分值，取A=4，E=3，I=2，O=1，U=0，X=-1。建立各作業(yè)單位綜合相互關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 各作業(yè)單位間綜合相互關(guān)系圖

由圖1可以清晰看到各個(gè)作業(yè)單位間的相互綜合關(guān)系，如為A級(jí)的作業(yè)單位對(duì)有3對(duì)，分別是8和12、12和13、12和14。

綜上對(duì)作業(yè)單位間關(guān)系進(jìn)行分析，繪制車(chē)間作業(yè)單位面積相關(guān)圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)單位面積相關(guān)圖

根據(jù)作業(yè)單位面積相關(guān)圖，并參考車(chē)間實(shí)際可用面積，各設(shè)施之間的最小間距等作出改善后的設(shè)施布局方案如圖3、圖4所示。由于每平方米的建設(shè)及維持成本遠(yuǎn)高于一般車(chē)間，故方案一在布局時(shí)考慮增加較大的預(yù)留面積；同類(lèi)型產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的高連續(xù)性可降低物流成本，故方案二在布局時(shí)著重考慮縮短生產(chǎn)同種類(lèi)型輸液器的各作業(yè)單位之間的距離。其中方案一、方案二布局圖中虛線下方空白部分為優(yōu)化布局后減少的占地面積。

圖3 優(yōu)化布局方案一

圖4 優(yōu)化布局方案二

根據(jù)得出的布局方案圖，按照車(chē)間之前月凈化成本為42元/m2計(jì)算年凈化成本，按照表4所示方式可計(jì)算出改善方案量距積，結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表5 方案對(duì)比表

2 基于AHP對(duì)布局方案決策評(píng)價(jià)

由表8可知，方案一與方案二的占地面積基本相等且物流料搬運(yùn)量距積均小于原始布局方案，方案一的物料搬運(yùn)量距積卻小于方案二，但不能就此得出方案一即為最佳布局方案的結(jié)論。本節(jié)將采用層次分析法從凈化成本、物流效率、質(zhì)量控制、工作環(huán)境和設(shè)備利用率等多個(gè)角度分析輸液器車(chē)間原始布局與改善方案的優(yōu)劣，選擇出最合適的布局方案。

2.1 構(gòu)建層次分析模型

根據(jù)輸液器組裝車(chē)間設(shè)施布局方案，運(yùn)用AHP法首先明確決策目標(biāo)，再對(duì)系統(tǒng)各個(gè)相關(guān)因素進(jìn)行分析，構(gòu)建特定的層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 車(chē)間布局層次分析結(jié)構(gòu)模型

2.2 構(gòu)建判斷矩陣

把準(zhǔn)則層的元素兩兩比較，根據(jù)9級(jí)標(biāo)度法對(duì)照元素標(biāo)度表給準(zhǔn)則元素的重要程度進(jìn)行打分。分?jǐn)?shù)主要利用專(zhuān)家詢問(wèn)法和問(wèn)卷調(diào)查法得出，分值按照如表6所示的元素標(biāo)度表進(jìn)行評(píng)定。

表6 元素標(biāo)度表

選取10位專(zhuān)家及技術(shù)相關(guān)人員對(duì)每項(xiàng)對(duì)比準(zhǔn)則打分，取所打分值的眾數(shù)為該項(xiàng)的最終分值，可得到矩陣如下：

1）準(zhǔn)則層對(duì)比目標(biāo)層的判斷矩陣：

2）方案層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣：

2.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

1）由MATLAB可得準(zhǔn)則層對(duì)比目標(biāo)層的判斷矩陣的最大特征值λmax=5.32，特征列向量：

根據(jù)一致性指標(biāo)一致性比率的計(jì)算公式得出：

CR=0.071＜0.1，表示該判斷矩陣通過(guò)了檢驗(yàn)。

2）由MATLAB程序求解可得方案層元素相對(duì)物流效率的判斷矩陣的最大特征值λmax=3.04，特征列向量：

根據(jù)一致性指標(biāo)和一致性比率的計(jì)算公式得出：

CR=0.03＜0.1，表示該判斷矩陣通過(guò)了檢驗(yàn)。

由于方案層元素相對(duì)準(zhǔn)則層其他元素的計(jì)算方式與物流效率相同，可以相同的計(jì)算方式得到方案層各元素相對(duì)準(zhǔn)則層各元素的特征向量權(quán)重為：

2.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

層次總排序計(jì)算過(guò)程如下：

計(jì)算結(jié)果為：

通過(guò)層次總排序特征向量可以看出，方案一分?jǐn)?shù)最高，其次為方案二，最后為原始布局。因此方案一為最佳設(shè)施布局改善方案。

3 仿真驗(yàn)證方案

上節(jié)采用AHP評(píng)價(jià)，確定方案一為最佳布局方案。由于方案實(shí)施需要一定的成本，得出改善方案的最優(yōu)性和有效性目前只在理論層面上成立。為了直觀看出改善后的設(shè)施布局是否滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求，采用Flexsim仿真軟件對(duì)最優(yōu)布局方案進(jìn)行生產(chǎn)模擬。

3.1 條件假設(shè)

為了防止計(jì)算機(jī)仿真建立的模型產(chǎn)生更多誤差，在進(jìn)行仿真前需要對(duì)生產(chǎn)條件做出如下假設(shè)。

1）輸液器生產(chǎn)車(chē)間一共生產(chǎn)B3輸液器、袋式輸液器、普通輸液器、避光輸液器和止液輸液器五種類(lèi)型產(chǎn)品，生產(chǎn)方式為按訂單生產(chǎn)，不考慮庫(kù)存量。

2）生產(chǎn)期間暫存區(qū)物料供應(yīng)充足，且由于原始方案與優(yōu)化的兩個(gè)方案中設(shè)施設(shè)備的故障率沒(méi)有發(fā)生變化，所以直接假設(shè)機(jī)器設(shè)備無(wú)故障。

3）不額外添加操作員和搬運(yùn)人員，處理器加工產(chǎn)品代表工人在操作，產(chǎn)品在作業(yè)單位之間的流動(dòng)代表工人搬運(yùn)物料。

4）模擬6天工作時(shí)間，每天工作8h，因此仿真總時(shí)間為216000秒。

3.2 數(shù)據(jù)收集

完成生產(chǎn)條件假設(shè)后，收集輸液器組裝車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 各作業(yè)單位加工時(shí)間表

3.3 建立仿真模型

根據(jù)A公司輸液器組裝車(chē)間的實(shí)際生產(chǎn)情況，運(yùn)用Flexsim軟件建立仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型布局圖

3.4 仿真結(jié)果分析

設(shè)置完各實(shí)體參數(shù)待運(yùn)行結(jié)束后，可得到仿真結(jié)果報(bào)告如表8所示。

表8 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

（續(xù)）

從表7可以清晰看到，改善后組裝車(chē)間的平均設(shè)備利用率為85.21%。其中輸液器手工組裝線的設(shè)備空閑率較低在10%以下，設(shè)備利用率較高在90%以上。表明改善后的設(shè)備閑置較少，設(shè)施布局滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求，有效利用了現(xiàn)有資源為產(chǎn)能效力。

4 結(jié)語(yǔ)

1）運(yùn)用SLP法對(duì)輸液器組裝車(chē)間設(shè)施布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合工廠設(shè)施的現(xiàn)實(shí)條件約束獲得兩個(gè)優(yōu)化方案，優(yōu)化方案在成本和物流強(qiáng)度方面均有較大降低；

2）為選出最佳優(yōu)化方案，通過(guò)運(yùn)用AHP法從多個(gè)維度評(píng)價(jià)方案證實(shí)優(yōu)化方案具有理論可行性，同時(shí)采取Flexsim仿真模擬實(shí)際生產(chǎn)證實(shí)優(yōu)化方案具有實(shí)踐可行性；

3）本文分析方法及體系具有通用性，只要對(duì)優(yōu)化對(duì)象和作業(yè)單元進(jìn)行調(diào)整后，就可應(yīng)用于其他布局優(yōu)化車(chē)間。