摘 要：隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，人工成本日益增高，中小型制造企業(yè)受資金、技術(shù)等因素的影響，無(wú)法及時(shí)開(kāi)展生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力較弱。文章從中小型制造企業(yè)生產(chǎn)線平衡率偏低的問(wèn)題著手，對(duì)S公司的生產(chǎn)線進(jìn)行系統(tǒng)化分析，結(jié)合FlexSim仿真方法評(píng)估其生產(chǎn)線存在的問(wèn)題，并提出生產(chǎn)線平衡優(yōu)化的改進(jìn)方案。對(duì)比分析仿真前后的效果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，S公司生產(chǎn)線的平衡率提升了21.9百分點(diǎn)，解決了該企業(yè)生產(chǎn)線不平衡的問(wèn)題，文章的研究有助于推進(jìn)制造企業(yè)物流流程和生產(chǎn)工藝流程實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)線;平衡優(yōu)化;FlexSim;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP278 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言（Introduction）

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下，新一代信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、可持續(xù)性發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1]。然而，在新一輪科技革命大背景下，制造企業(yè)尤其是中小型制造企業(yè)面臨技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品迭代、產(chǎn)業(yè)周期不斷提速的嚴(yán)峻競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式和技術(shù)手段已經(jīng)不能適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的要求[2]。為保證制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展，避免產(chǎn)業(yè)同構(gòu)化、價(jià)值鏈低端化，應(yīng)該對(duì)中小型制造企業(yè)給予更多的關(guān)注和幫助，使其盡快突破自身瓶頸，獲得更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，鋁合金門(mén)窗產(chǎn)品已經(jīng)成為我國(guó)建筑門(mén)窗產(chǎn)品中市場(chǎng)份額占比較大的一個(gè)門(mén)類(lèi)，高達(dá)55%[5]。然而，我國(guó)的鋁合金門(mén)窗制造業(yè)因?yàn)榘l(fā)展時(shí)間短、入行門(mén)檻低，所以中小型企業(yè)的占比偏高。很多中小型企業(yè)的生產(chǎn)線利用率不高，無(wú)法達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品收益率較低[6]。因此，本文以S公司為例，針對(duì)其生產(chǎn)線平衡率偏低的問(wèn)題，利用仿真建模工具FlexSim 對(duì)S公司的生產(chǎn)線布局進(jìn)行重新規(guī)劃，對(duì)生產(chǎn)線的瓶頸工序進(jìn)行分析，結(jié)合研究結(jié)果提出一套適合中小型企業(yè)的低成本、高效率的生產(chǎn)線改進(jìn)方案，以期提升中小型企業(yè)在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力和收益。

1 現(xiàn)狀分析（Current situation analysis）

S公司經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)范圍為專(zhuān)業(yè)承包金屬門(mén)窗工程、批量定制金屬門(mén)窗，生產(chǎn)的產(chǎn)品類(lèi)型主要為普通鋁合金門(mén)窗、斷橋式鋁合金門(mén)窗，以及批量定制各種尺寸的鋁合金門(mén)窗。生產(chǎn)流程包括原材料分割、缺口切割、組裝3個(gè)工序，共有取料、切割、沖孔、安裝密封條、銑角、組角、打包7個(gè)步驟。

作業(yè)時(shí)間是用來(lái)核算生產(chǎn)線平衡率的重要數(shù)據(jù)，本文采用秒表測(cè)時(shí)法對(duì)定制門(mén)窗生產(chǎn)線的各工序進(jìn)行測(cè)時(shí)[7]。由于S公司是按照訂單進(jìn)行分批生產(chǎn)，因此作業(yè)時(shí)間測(cè)定以一批產(chǎn)品（4個(gè)窗框成品不包含窗戶及玻璃）的成型為周期進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的計(jì)算公式為[8]

正常時(shí)間=觀測(cè)時(shí)間×評(píng)定系數(shù)（1）

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間=正常時(shí)間×（1+放寬率）×（1+評(píng)定系數(shù)）（2）

對(duì)S公司生產(chǎn)線各工序的工時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如公式（1）和公式（2）所示?？紤]到操作員的心理和生理因素以及機(jī)械故障等因素，對(duì)測(cè)量的時(shí)間進(jìn)行放寬處理，放寬率定為5%;評(píng)定系數(shù)采用西屋法（也稱(chēng)平準(zhǔn)化法）獲得，通過(guò)工作環(huán)境、作業(yè)一致性、努力度、熟練度等指標(biāo)對(duì)操作員的作業(yè)狀況進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)[9]，并計(jì)算出相應(yīng)系數(shù)，最后計(jì)算出評(píng)定系數(shù)為1.21。標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)生產(chǎn)線平衡率計(jì)算公式（3），計(jì)算得到S公司的生產(chǎn)線平衡率為62.3%，平衡損失率為37.7%，沒(méi)有達(dá)到生產(chǎn)線平衡率的最低標(biāo)準(zhǔn)（70%），說(shuō)明S公司的生產(chǎn)線存在作業(yè)時(shí)間浪費(fèi)、各工序之間配合不協(xié)調(diào)等問(wèn)題，生產(chǎn)效率有較大的提升空間。

本文利用FlexSim仿真軟件對(duì)S公司生產(chǎn)線進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)分析模型運(yùn)行情況，找出瓶頸工序或?qū)е律a(chǎn)線平衡率低的原因。建立以S公司生產(chǎn)線實(shí)際布局為依據(jù)的FlexSim仿真模型，對(duì)模型中的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)在建立模型前對(duì)其做出一些假設(shè)：不考慮機(jī)械故障，員工只負(fù)責(zé)其工作范圍內(nèi)的工作內(nèi)容。圖1為S公司生產(chǎn)線實(shí)際布局仿真模型。

通過(guò)對(duì)模型的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)S公司的鋁合金鋼窗生產(chǎn)線主要存在如下問(wèn)題：生產(chǎn)線設(shè)備利用率低，生產(chǎn)線設(shè)備設(shè)施布置不合理，以及員工空載移動(dòng)距離較大等。切割機(jī)操作員搬運(yùn)半成品的時(shí)間占該道工序完整生產(chǎn)時(shí)間的79.66%，說(shuō)明設(shè)施布置不夠合理;沖孔機(jī)操作員的空閑時(shí)間比率接近70%，而沖孔工序是整條生產(chǎn)線中加工時(shí)間最短、作業(yè)強(qiáng)度最低的工序，說(shuō)明存在工位浪費(fèi)的情況;生產(chǎn)線中各工位的生產(chǎn)設(shè)備利用率大部分都低于25%，沖孔工序的生產(chǎn)設(shè)備以及銑床設(shè)備的空閑時(shí)間比率普遍高于其他工序生產(chǎn)設(shè)備的空閑時(shí)間比率，但其空閑時(shí)間比率均在70%以上;打包覆膜工序因?yàn)樾枰却翱虻某善樊a(chǎn)出，故其空閑時(shí)間比率不在研究范圍內(nèi);窗框組裝工序的生產(chǎn)負(fù)荷最大，操作員的空閑時(shí)間僅占整個(gè)工序時(shí)間的5.30%;暫存區(qū)中存在因半成品堆積而不能及時(shí)進(jìn)行下一步生產(chǎn)工序的問(wèn)題。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，S公司的生產(chǎn)線存在設(shè)備資源利用不充分，設(shè)備資源過(guò)剩，以及不同工位和設(shè)備之間生產(chǎn)負(fù)荷不平衡等問(wèn)題。分析Dashboard記錄的各類(lèi)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)線中存在瓶頸工位。針對(duì)以上問(wèn)題，可以通過(guò)布局優(yōu)化、生產(chǎn)線平衡優(yōu)化解決，進(jìn)而提升生產(chǎn)線平衡率。表2和表3為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和操作員工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)（Improvement plan design）

2.1 瓶頸工位人機(jī)操作分析

基于實(shí)地調(diào)研及軟件仿真模擬的結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)3個(gè)瓶頸工位：沖孔機(jī)工位、銑床工位、窗框組裝工位，這3個(gè)瓶頸工位對(duì)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率的提升造成了很大的阻礙，并且增加了公司的生產(chǎn)成本;根據(jù)調(diào)研和模擬結(jié)果對(duì)沖孔機(jī)工位、銑床工位、窗框組裝工位進(jìn)行進(jìn)一步分析，以便對(duì)生產(chǎn)線中的瓶頸工位設(shè)計(jì)進(jìn)行改善。

（1）沖孔機(jī)工位

沖孔機(jī)工位共有6臺(tái)沖孔機(jī)，每臺(tái)沖孔機(jī)都能完成打孔這一生產(chǎn)工序中所需的操作，根據(jù)仿真建模分析的結(jié)果可以看出，沖孔機(jī)工位的空閑時(shí)間比率是生產(chǎn)線所有工序中最高的，而銑床與沖孔機(jī)之間的在制品緩存區(qū)中堆積的在制品數(shù)量也是最多的，緩存區(qū)的平均等待時(shí)間為8 026.71 s，說(shuō)明銑床與沖孔機(jī)之間的加工效率不匹配，同時(shí)有2名沖孔機(jī)操作員空閑時(shí)間過(guò)高，空閑時(shí)間比率最高達(dá)到70.45%，說(shuō)明沖孔機(jī)工位的產(chǎn)能過(guò)剩，有近一半的操作員因無(wú)法分得足夠的在制品而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)。

（2）銑床工位

沖孔機(jī)到銑床之間的距離為24 m，是生產(chǎn)線中搬運(yùn)距離最長(zhǎng)的一道工序，在銑床工位的整個(gè)加工時(shí)間中，除銑床對(duì)在制品進(jìn)行加工的時(shí)間外，操作員從銑床到緩存區(qū)提取在制品的時(shí)間是整個(gè)加工時(shí)間中最長(zhǎng)的，占整個(gè)加工時(shí)間的47.80%，操作員在生產(chǎn)加工過(guò)程中需要消耗大量的時(shí)間用于提取在制品，嚴(yán)重影響銑床工序的整體生產(chǎn)加工效率，降低了生產(chǎn)線的整體生產(chǎn)效率。

（3）窗框組裝工位

窗框組裝工位工序的平均完成時(shí)間為13.9 min，操作員僅有1人，加工內(nèi)容為用角碼和螺絲將鋁合金半成品拼接組裝成鋁合金窗框成品，從仿真模擬結(jié)果中可以看到，操作員進(jìn)行窗框組裝操作的時(shí)間占總操作時(shí)間的58.31%，同時(shí)操作員的空閑時(shí)間僅占總工序完成時(shí)間的5.30%，高負(fù)荷的工作量對(duì)操作員的生理和心理形成較大的壓力，同時(shí)高強(qiáng)度和長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)操作，容易使操作員感到疲勞而逐漸失去工作動(dòng)力，這一問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)線的效率產(chǎn)生了很大的影響。

2.2 瓶頸工位改進(jìn)方案

針對(duì)上述瓶頸工位存在的問(wèn)題，依據(jù)S公司對(duì)生產(chǎn)線優(yōu)化的期望，以低成本快速高效地達(dá)到生產(chǎn)線優(yōu)化的目標(biāo)，本文提出生產(chǎn)線瓶頸工位優(yōu)化方案，優(yōu)化后的生產(chǎn)線設(shè)備布局如圖2所示。

首先對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)備布局進(jìn)行調(diào)整，考慮到操作員的慣用手為右手，進(jìn)行生產(chǎn)制造時(shí)，生產(chǎn)線設(shè)備的擺放順序應(yīng)該為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，便于操作員操作設(shè)備和對(duì)在制品進(jìn)行加工、搬運(yùn);將第一道工序的兩臺(tái)切割機(jī)調(diào)至廠房大門(mén)的左側(cè)，相距1.5 m并列擺放;在制品緩存區(qū)為長(zhǎng)3 m、寬2 m的方形區(qū)域，位于切割機(jī)左側(cè)，介于切割機(jī)與沖孔機(jī);將第一個(gè)瓶頸工位（沖孔機(jī)工位）從廠房中間調(diào)至廠房左上側(cè)，并將產(chǎn)能過(guò)剩的設(shè)備撤除兩臺(tái)，剩余每臺(tái)沖孔機(jī)相距1.5 m擺放;將銑床工位的兩臺(tái)銑床調(diào)整至廠房左下側(cè)的位置，同一橫行相距1.5 m靠墻擺放，降低銑床工位操作員的物流強(qiáng)度，提高其生產(chǎn)加工效率，銑床工位的在制品緩存區(qū)調(diào)整至銑床右側(cè)，介于銑床工位與窗框組裝工位，操作區(qū)域長(zhǎng)2 m、寬2 m;將窗框組裝工位調(diào)整到廠房中下側(cè)，位于切割機(jī)的對(duì)側(cè)并靠近墻，留出足夠的安全通道，整個(gè)操作區(qū)域長(zhǎng)6 m、寬5 m，同時(shí)在該工位安排兩位操作員;打包覆膜工位位于廠房大門(mén)右側(cè)，靠近窗戶的位置，整個(gè)操作區(qū)面積與窗框組裝區(qū)相同，由2名操作員完成該道工序，同時(shí)負(fù)責(zé)將產(chǎn)成品搬運(yùn)至成品儲(chǔ)存區(qū)，并負(fù)責(zé)成品儲(chǔ)存區(qū)的成品擺放及位置規(guī)劃。以上為S公司的鋁合金鋼窗生產(chǎn)線優(yōu)化方案，下文對(duì)該方案的可行性及優(yōu)化效果進(jìn)行仿真模擬和分析。

3 優(yōu)化效果評(píng)價(jià)（Optimization effect evaluation）

優(yōu)化仿真模型后，運(yùn)行模型，表4和表5為生產(chǎn)線優(yōu)化后的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、操作員工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

對(duì)比優(yōu)化后的仿真模型設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與優(yōu)化前的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在相同的模型運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，切割機(jī)工序的處理時(shí)間比率由均值13.00%增加至均值40.57%，效率明顯提升，切割機(jī)的空閑時(shí)間增加，在制品等待運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間明顯減少，切割機(jī)操作員搬運(yùn)原材料及半成品的時(shí)間（空載行進(jìn)時(shí)間+負(fù)載行進(jìn)時(shí)間）占比從均值79.66%下降至均值43.67%;沖孔機(jī)工序的空閑時(shí)間比率明顯下降，由均值82.88%下降至均值50.18%，此工序產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)狀得到一定程度的緩解;銑床操作員的物流強(qiáng)度顯著下降，占比由61.12%減少到31.61%，空閑時(shí)間比率也比較合理，銑床工位的生產(chǎn)率也有所提高;窗框組裝員的空閑時(shí)間比率增加至29.01%，有效降低了操作員的作業(yè)強(qiáng)度，緩解了操作員的工作壓力;除沖孔機(jī)工位的物流強(qiáng)度增長(zhǎng)外，其他工位的物流強(qiáng)度都有明顯降低;各工序設(shè)備的加工時(shí)間均增加，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的鋁合金窗框成品數(shù)量更多。

通過(guò)對(duì)比仿真模擬前后的數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：減少?zèng)_孔機(jī)設(shè)備的數(shù)量，能提升沖孔工序的整體生產(chǎn)效率，處理時(shí)間比率由均值8.57%提升至均值34.85%;變動(dòng)最大的銑床工序，其與沖孔機(jī)之間的距離由24 m縮小為5.2 m，大幅度降低了操作員的物流強(qiáng)度，銑床工序生產(chǎn)效率提升了40.72百分點(diǎn);銑床操作員單位時(shí)間內(nèi)需要處理的原材料數(shù)量增加，雖然增大了操作員的作業(yè)強(qiáng)度，但操作員的空閑時(shí)間分別由仿真前的1 461.41 s和545.31 s增加到仿真后的3 917.08 s和2 685.65 s;整個(gè)生產(chǎn)線中改善效果最好的為窗框組裝工序，前序工位的效率提高，使得窗框組裝工序能更快地獲得窗框半成品，整個(gè)工序中平均停留時(shí)間減少了60.83 s，同時(shí)操作員的空閑時(shí)間也從幾乎沒(méi)有，增加到5 537.91 s，占該工序生產(chǎn)時(shí)間的29.01%，在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，大幅度降低了操作員的作業(yè)強(qiáng)度。

進(jìn)行生產(chǎn)線平衡優(yōu)化后，經(jīng)計(jì)算生產(chǎn)線平衡率達(dá)到84.2%，與優(yōu)化前相比提升了21.9百分點(diǎn)，改善后的損失時(shí)間為15.8 s?？梢钥闯?，S公司的生產(chǎn)線的整體生產(chǎn)效率有明顯的提升，減少了大量時(shí)間成本的浪費(fèi)。

4 結(jié)論（Conclusion）

本文基于S公司生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用FlexSim仿真軟件對(duì)其生產(chǎn)線進(jìn)行仿真模擬，找到生產(chǎn)線中存在的問(wèn)題和瓶頸工位，結(jié)合造成瓶頸工序的原因，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行重新布局規(guī)劃，并利用軟件中數(shù)據(jù)收集功能，將優(yōu)化前的數(shù)據(jù)和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析生產(chǎn)線的優(yōu)化效果并進(jìn)行評(píng)價(jià)。優(yōu)化后的生產(chǎn)線的布局更加合理，減少了作業(yè)時(shí)間的浪費(fèi)和操作員不必要的移動(dòng)距離。生產(chǎn)線平衡優(yōu)化的效果主要體現(xiàn)在各工位效率的提高上，生產(chǎn)線平衡率由最初的62.3%提升至84.2%，單位時(shí)間內(nèi)加工生產(chǎn)的在制品及產(chǎn)成品數(shù)量增加，生產(chǎn)效率明顯提高。本文通過(guò)對(duì)S公司生產(chǎn)線的優(yōu)化，改善其生產(chǎn)線存在的問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)線中產(chǎn)能過(guò)剩的工位進(jìn)行調(diào)整，平衡了作業(yè)分配，也為其他同類(lèi)企業(yè)開(kāi)展生產(chǎn)線優(yōu)化提供了思路。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 陳文玲. 2023年中國(guó)經(jīng)濟(jì)將有五個(gè)“明顯回升”[J]. 中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)，2023（6）：8-10.

[2] 高明晶，徐揚(yáng). 供應(yīng)鏈綠色創(chuàng)新系統(tǒng)影響機(jī)制仿真研究：基于數(shù)字化投入視角[J]. 物流科技，2023，46（8）：112-116.

[3] 張善亮，惠朋，李曄. 數(shù)字技術(shù)與中小制造企業(yè)績(jī)效：信息共享的中介作用[J]. 科學(xué)與管理，2023，43（3）：21-30.

[4] 彭紅霞. 中小企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究：基于A電機(jī)公司數(shù)字化車(chē)間案例[J]. 市場(chǎng)周刊，2022，35（12）：5-8.

[5] 唐昇陽(yáng)，魏娟，蘇海鵬. 超高層住宅鋁合金門(mén)窗鋼副框安裝質(zhì)量控制措施的分析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（18）：176-178.

[6] 郭全杰. 基于數(shù)字化工廠的鋁合金門(mén)窗混流生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

[7] 賈江鳴，郭麗兵，陳建能，等. 基于遺傳算法的門(mén)板成型生產(chǎn)線平衡優(yōu)化及其試驗(yàn)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2022，44（7）：102-106.

[8] 安冬梅. 航空標(biāo)準(zhǔn)件企業(yè)M 公司單元生產(chǎn)線布局規(guī)劃及仿真研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2017.

[9] 譚岐鈺，張紅波，高貴兵. 基于人員調(diào)度優(yōu)化的混流生產(chǎn)線平衡改善[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，36（2）：52-59.

作者簡(jiǎn)介：

高明晶（1990-），女，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：制造業(yè)綠色創(chuàng)新，系統(tǒng)仿真。

基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳面上項(xiàng)目（JYTMS20231877）;大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目（20231109）