薛繼肖,徐偉,2*,王軍祥

(1. 南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院,南京210037; 2. 南京林業(yè)大學(xué)智庫(kù)林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心,南京210037;3. 索菲亞家居湖北有限公司,黃岡438000)

在“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”等先進(jìn)制造戰(zhàn)略與模式下[1],我國(guó)正從制造業(yè)大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變,這也對(duì)制造業(yè)提出了更高的要求。作為家具行業(yè)的新勢(shì)力,板式定制家具的制造水平處于行業(yè)領(lǐng)先,正朝著工業(yè)4.0不斷探索中;但是由于生產(chǎn)環(huán)境和制造模式的轉(zhuǎn)變,多元化的用戶需求及激烈的市場(chǎng)環(huán)境使得企業(yè)的生產(chǎn)與管理面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此,提升生產(chǎn)效率,改善產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本成為家具企業(yè)提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。生產(chǎn)線優(yōu)化一般分為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和分析優(yōu)化兩個(gè)部分。在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題階段,價(jià)值流程圖(value stream mapping,VSM)是比較常用的方法之一,是在豐田生產(chǎn)方式下通過(guò)精益制造生產(chǎn)的系統(tǒng)框架運(yùn)用一系列特殊流程圖工具來(lái)描述物料流和信息流的形象化工具[2]。

作為精益生產(chǎn)的重要改善工具,價(jià)值流圖的應(yīng)用范圍十分廣泛,既可以用于企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)改善,又可以用于整體業(yè)務(wù)流程的改善,便于工程師、管理人員及客戶清晰地了解企業(yè)現(xiàn)狀。價(jià)值流圖可以從價(jià)值的角度觀察從生產(chǎn)到交付的各個(gè)流程,識(shí)別生產(chǎn)中的增值和非增值部分,挖掘生產(chǎn)線現(xiàn)存問(wèn)題,從而得到具體的改善機(jī)會(huì)。另外,它能夠系統(tǒng)性發(fā)現(xiàn)改進(jìn)空間并全面改善價(jià)值流。目前價(jià)值流圖法主要應(yīng)用在流程式生產(chǎn)線上,并且取得了理想效果,但是在板式定制家具企業(yè)這種離散型制造企業(yè)應(yīng)用很少,因此,將VSM法應(yīng)用到板式家具行業(yè)具有重要意義。

生產(chǎn)線分析優(yōu)化主要包括工業(yè)工程方法、數(shù)學(xué)模型法、仿真模擬法等方法。目前研究成果如下:

1)單一方法優(yōu)化生產(chǎn)線。主要分為單獨(dú)采用工業(yè)工程方法、數(shù)學(xué)模型法、仿真模擬法去優(yōu)化的3種方法。如單獨(dú)使用工業(yè)工程方法優(yōu)化,馬清如[3]結(jié)合平衡設(shè)計(jì)模型以及ECRS原則對(duì)實(shí)木家具生產(chǎn)線工藝流程和布局進(jìn)行優(yōu)化;單獨(dú)使用數(shù)學(xué)模型法優(yōu)化,趙晏林等[4]構(gòu)建了生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化模型;采用遺傳算法和MATLAB求解,邢彩虹[5]用SLP法和遺傳算法進(jìn)行車(chē)間布局優(yōu)化,達(dá)成了最小物流成本的目標(biāo);單獨(dú)使用仿真模擬法優(yōu)化,秦曉宇等[6]使用eM-plant軟件對(duì)衣柜生產(chǎn)線進(jìn)行仿真優(yōu)化,提出了最優(yōu)生產(chǎn)批量。

2)不同方法組合優(yōu)化生產(chǎn)線。研究表明,采用多種方法優(yōu)化生產(chǎn)線取得的效果更加顯著。相比單獨(dú)采用工業(yè)工程方法,工業(yè)工程方法與仿真模擬組合優(yōu)化能夠更直觀地量化優(yōu)化效果,驗(yàn)證優(yōu)化的有效性。如趙曉露等[7]運(yùn)用工業(yè)工程法優(yōu)化了皮夾生產(chǎn)線,并利用Flexsim對(duì)改善效果仿真分析與評(píng)價(jià);王輝等[8]利用Flexsim和流程程序分析等方法對(duì)木門(mén)生產(chǎn)線進(jìn)行了優(yōu)化;高澤[9]采用精益思想優(yōu)化生產(chǎn)布局與瓶頸工序,最后用eM-plant驗(yàn)證了改善有效性;以上3種方法組合使用效果最為理想,能夠從定性管理和定量技術(shù)角度協(xié)同優(yōu)化生產(chǎn)線,如田世海等[10]、張文宇[11]和劉菲等[12]均綜合采用工業(yè)工程、數(shù)學(xué)模型法、仿真模擬法等方法來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)線。

基于此,本研究從生產(chǎn)線改善的角度出發(fā),以某板式定制家具生產(chǎn)線為研究對(duì)象,通過(guò)價(jià)值流圖法、工業(yè)工程方法和0-1整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型方法等優(yōu)化生產(chǎn)線,提升生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率和生產(chǎn)效率,從而達(dá)到降本增效的目的。

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

1.1 生產(chǎn)線概述

S企業(yè)是板式定制家具制造企業(yè),生產(chǎn)櫥柜、衣柜、木門(mén)等多種板式定制家具。選取配套車(chē)間小板件生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)研,小板件指的是長(zhǎng)或?qū)挸叽缧∮?00 mm的板件,常見(jiàn)于衣柜踢腳線、抽屜旁板等。受到多元化的市場(chǎng)和客戶需求影響,產(chǎn)品類(lèi)型多樣,更新周期快,生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜,給生產(chǎn)和管理帶來(lái)諸多困難。據(jù)了解,該車(chē)間生產(chǎn)自動(dòng)化不足,部分工序很大程度依賴人工操作,生產(chǎn)效率低下且生產(chǎn)周期長(zhǎng),因此對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)置更加靈活的生產(chǎn)方式是必要的。

1.2 生產(chǎn)信息收集

繪制價(jià)值流圖第一步需要收集生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng),調(diào)研車(chē)間工作管理人員及結(jié)合生產(chǎn)信息,獲取以下信息作為繪制現(xiàn)狀價(jià)值流圖的依據(jù)。

1)產(chǎn)品族選取。劃分產(chǎn)品族往往以產(chǎn)量和產(chǎn)品的相似度為依據(jù)[13]。根據(jù)生產(chǎn)線訂單數(shù)據(jù),現(xiàn)采用PQ(products quantity)/PR(products routing)分析方法,按照小板件生產(chǎn)線的產(chǎn)品數(shù)量以及工藝路線進(jìn)行分析,如表1所示。小板件線主要生產(chǎn)窄板、非標(biāo)板和收口板等3種產(chǎn)品,窄板產(chǎn)品訂單占比最大,選取其為主要研究對(duì)象。

表1 產(chǎn)品PQ/PR分析Table 1 Product PQ/PR analysis

2)客戶需求與節(jié)拍。小板件生產(chǎn)線產(chǎn)能目標(biāo)平均每天約900單,每單約9.85件板,工人作業(yè)為兩班制(即為兩個(gè)班次),每天實(shí)際有效作業(yè)時(shí)間共20 h。根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出需求節(jié)拍(take time)為8.12 s/件,即理論上每隔8.12 s就應(yīng)該生產(chǎn)1件合格板材。

TT=T/N

(1)

式中:TT為客戶需求時(shí)間,也稱生產(chǎn)節(jié)拍,s/件;T為每天可用工作時(shí)間,s;N為每天需要加工的板件數(shù)量,件。

3)生產(chǎn)信息傳遞。該公司每月接受1次客戶需求預(yù)測(cè)訂單和實(shí)際需求訂單,計(jì)劃部門(mén)每天進(jìn)行排產(chǎn),將訂單信息傳遞給采購(gòu)部門(mén)和生產(chǎn)車(chē)間,采購(gòu)部門(mén)每周1～2次將訂貨信息給供應(yīng)商,供應(yīng)商每天送貨1～2次。

4)工序信息。小板件加工工藝流程主要由開(kāi)料、封邊、排鉆、分板、檢驗(yàn)、包裝等6個(gè)工序組成。通過(guò)秒表測(cè)時(shí)法測(cè)定獲得各工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間,結(jié)合設(shè)備和作業(yè)人數(shù)、在制品庫(kù)存等制成了工序流程統(tǒng)計(jì)表,如表2所示。CT(cycle time,TC)周期時(shí)間指某個(gè)動(dòng)作發(fā)生的兩次時(shí)間間隔,家具生產(chǎn)中指某個(gè)工序加工相鄰板件的時(shí)間差;PT(process time,TP)流程時(shí)間是指所有設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)的加工能力,通常TC=TP/設(shè)備數(shù)或TC=TP/人數(shù)[14]。由表2可知,開(kāi)料工序TP=42.84 s,封邊工序TP=41.83 s,排鉆工序TP=78.69 s,分板工序TP=21.95 s,檢驗(yàn)工序TP=30.75 s,包裝工序TP=234.50 s,各工序的TC由以上公式計(jì)算,包裝工序作業(yè)人數(shù)5個(gè),平均每包板件約為4塊,因此,包裝工序的TC=TP/人數(shù)/板件數(shù)量。

表2 工序流程統(tǒng)計(jì)Table 2 Process flow statistics

1.3 生產(chǎn)線現(xiàn)狀價(jià)值流圖

根據(jù)以上信息,繪制了小板件生產(chǎn)線的現(xiàn)狀價(jià)值流圖,如圖1所示。價(jià)值流分析可以幫助識(shí)別生產(chǎn)中的增值活動(dòng)(VA)和非增值活動(dòng)(NVA),增值活動(dòng)主要是產(chǎn)品的加工過(guò)程,非增值活動(dòng)指生產(chǎn)中的輔助工序,非增值活動(dòng)即為浪費(fèi)。分析現(xiàn)狀價(jià)值流圖,時(shí)間軸顯示著產(chǎn)品生產(chǎn)的增值時(shí)間和非增值時(shí)間,根據(jù)公式(2)～(4)計(jì)算,生產(chǎn)過(guò)程中增值時(shí)間(TA)為62.07 s,非增值時(shí)間(TU)為1.73 d,增值比(I)為0.041 5%,增值比較低,說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程存在很多非增值活動(dòng),需要挖掘浪費(fèi)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

(2)

圖1 現(xiàn)狀價(jià)值流圖Fig. 1 Current value stream map

(3)

I=TA/(TA+TU)

(4)

式中:Ti為各工序加工時(shí)間;ti為工序加工之外時(shí)間。

1.4 生產(chǎn)線現(xiàn)存的主要問(wèn)題及原因分析

結(jié)合價(jià)值流分析和現(xiàn)場(chǎng)及工作管理人員的調(diào)研,主要存在如下問(wèn)題:

1)生產(chǎn)線負(fù)荷不平衡,瓶頸工序影響嚴(yán)重。由表2可知,各工序的加工時(shí)間不均衡,排鉆和包裝等工序相較于其他工序,標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),是生產(chǎn)線的瓶頸工序,導(dǎo)致整體加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng),拖延交貨周期。生產(chǎn)線負(fù)荷平衡是分析生產(chǎn)線各個(gè)工序負(fù)荷能力,合理調(diào)整負(fù)荷分配,平衡工序負(fù)荷,使得各工序作業(yè)時(shí)間盡可能接近的技術(shù)與方法[15]。衡量生產(chǎn)線的效率,往往采用生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率(P)、平衡損失率(d)和平滑性指數(shù)(IS)等指標(biāo)[16]。一般生產(chǎn)線負(fù)荷平衡評(píng)估指標(biāo)看d的取值范圍,d<10%為優(yōu),10%≤d≤20%為良,d>20%為差。根據(jù)公式(5)～(7)和表2計(jì)算得到該生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率為52.58%,平衡損失率為47.42%,平滑性指數(shù)為10.45。生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率很低,浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重,存在較大的改善空間。

(5)

d=1-P

(6)

(7)

式中:Tmax為工序最大作業(yè)時(shí)間;N為工序數(shù)量;Tj為第j個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間;n為工序總數(shù)。

2)車(chē)間布局不合理,物流搬運(yùn)效率低下。從圖2可以看出,其主要采用島臺(tái)式布局[17],加工設(shè)備布局比較混亂,3種板件的加工工藝路徑和物流路線存在交叉混流情況,缺乏生產(chǎn)專線概念,容易造成物料的延誤配送和搬運(yùn)阻塞現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象,導(dǎo)致作業(yè)等待,增加了非增值活動(dòng)。由表3可知,生產(chǎn)布局不合理造成各工序之間搬運(yùn)距離較遠(yuǎn),且板件主要由人工搬運(yùn),搬運(yùn)效率低下。另外,未設(shè)置專門(mén)的暫存區(qū)和不良品的待放區(qū),半成品隨意堆放影響物流的暢通,不合格品容易與合格品混在一起,流入下一個(gè)生產(chǎn)工序。

圖2 改善前車(chē)間布局及物流圖Fig. 2 Improved layout and logistics diagram of the workshop before improvement

表3 產(chǎn)品物流分析Table 3 Product logistics analysis

3)在制品庫(kù)存量大,在制品儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)。由圖1現(xiàn)狀價(jià)值流圖可知,開(kāi)料和封邊間在制品庫(kù)存量為1 276件,消耗該部分庫(kù)存時(shí)間為0.14 d;封邊和排鉆工序間的在制品庫(kù)存量高達(dá)1 700件,消耗該部分庫(kù)存時(shí)間長(zhǎng)0.19 d。開(kāi)料至封邊和封邊至排鉆工序間在制品庫(kù)存量大,庫(kù)存流轉(zhuǎn)慢,造成了過(guò)多的庫(kù)存浪費(fèi),延長(zhǎng)了產(chǎn)品交付周期。工序間過(guò)多的在制品庫(kù)存造成了現(xiàn)場(chǎng)擁堵,影響生產(chǎn)效率,也會(huì)讓管理人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問(wèn)題,庫(kù)存和管理成本增加。

梳理現(xiàn)存生產(chǎn)線負(fù)荷平衡等問(wèn)題,使用因果分析法,從人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個(gè)方面進(jìn)行分析,歸納出深層次原因,從而能夠針對(duì)性地解決問(wèn)題。人員方面主要是缺乏對(duì)員工的培訓(xùn),一些員工缺乏專業(yè)知識(shí)導(dǎo)致操作方法不當(dāng),主動(dòng)學(xué)習(xí)工作的積極性不高;機(jī)器方面主要是設(shè)備老化和設(shè)備保養(yǎng)不到位,設(shè)備故障和停機(jī)比較多,導(dǎo)致加工板件的精度不高;物料方面主要因?yàn)樵牧腺|(zhì)量不穩(wěn)定,上下工序之間的配送物料不及時(shí),導(dǎo)致被迫停機(jī),會(huì)出現(xiàn)等待現(xiàn)象,也會(huì)造成在制品庫(kù)存堆積現(xiàn)象;方法方面,員工作業(yè)方法不標(biāo)準(zhǔn),增加了不必要作業(yè)操作,延長(zhǎng)了生產(chǎn)時(shí)間,違背動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則,且瓶頸工序也會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期;環(huán)境方面,車(chē)間布局不合理導(dǎo)致搬運(yùn)路線過(guò)長(zhǎng),增加了搬運(yùn)時(shí)間,區(qū)域劃分不合理,暫存區(qū)的容量太小,車(chē)間噪聲過(guò)大,會(huì)影響員工的作業(yè)等。

2 生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化

2.1 生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化思路

針對(duì)小板件生產(chǎn)線問(wèn)題,提出生產(chǎn)線負(fù)荷平衡改善過(guò)程思路。首先繪制現(xiàn)狀價(jià)值流圖,識(shí)別生產(chǎn)線現(xiàn)存問(wèn)題;其次分析問(wèn)題成因,制定并實(shí)施改善措施,繪制未來(lái)價(jià)值流圖,持續(xù)改善以達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)線的目的。結(jié)合小板件生產(chǎn)線現(xiàn)狀價(jià)值流圖識(shí)別的現(xiàn)存問(wèn)題及問(wèn)題成因,最終提出平衡優(yōu)化的方案,主要包括瓶頸工序優(yōu)化、車(chē)間布局調(diào)整和針對(duì)生產(chǎn)線負(fù)荷平衡問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型求最優(yōu)解等,以提升生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率。

2.2 生產(chǎn)線瓶頸工序優(yōu)化

排鉆工序是瓶頸工序,是制約生產(chǎn)線負(fù)荷平衡提高的重要原因,對(duì)該工序進(jìn)行流程程序分析,如圖3所示。優(yōu)化前排鉆工序的作業(yè)時(shí)間共為77 s,其中加工共6次、搬運(yùn)2次、檢查3次、儲(chǔ)存1次,移動(dòng)距離為4.5 m。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),加工之前員工需要進(jìn)行分板、上料、檢驗(yàn)等工作,會(huì)造成大量的機(jī)器等待時(shí)間。為了提出合理的優(yōu)化方案,采用5W1H分析法對(duì)排鉆工序提問(wèn),如表4所示。發(fā)現(xiàn)作業(yè)之前的板件分類(lèi)和初步外觀檢驗(yàn)等工作可以由分板員協(xié)助完成,另外員工在操作和檢驗(yàn)過(guò)程中也存在改善空間。運(yùn)用ECRS原則改進(jìn)作業(yè)流程,取消步驟1～3,由分板員協(xié)助排鉆工序員工進(jìn)行板件分類(lèi)和外觀質(zhì)量檢驗(yàn)作業(yè),然后將分好類(lèi)的板件搬運(yùn)到六面鉆工作臺(tái)完成上料工作;合并步驟6和7,工人腳踩下腳踏開(kāi)關(guān)的同時(shí)可以按下設(shè)備的啟動(dòng)按鈕;合并步驟9和10,翻板進(jìn)行打孔質(zhì)量檢驗(yàn)的同時(shí)可以用氣槍進(jìn)行清理板件操作。優(yōu)化后排鉆工序平均加工一塊板的作業(yè)時(shí)間減少了13.8 s,節(jié)省了加工3次、搬運(yùn)1次、檢查1次,移動(dòng)距離減少了2 m。另外,板件待放在地面的滾筒上,員工每次取板和放板時(shí)都需要彎腰,且板件重量大,長(zhǎng)期作業(yè)會(huì)增大勞動(dòng)強(qiáng)度,將滾筒提升至距地700 mm,符合站姿肘高,并將轉(zhuǎn)運(yùn)推車(chē)優(yōu)化成可以調(diào)節(jié)高度的,保證板件正常轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí),可以降低工作強(qiáng)度和提高工作效率。

圖3 排鉆工序流程程序分析圖Fig. 3 Program analysis diagram of drilling arrangement process

表4 排鉆工序5W1H提問(wèn)分析表Table 4 Analysis table for 5W1H questions in drilling process

包裝工序作業(yè)時(shí)間也遠(yuǎn)超過(guò)了其他工序,需要進(jìn)一步改善,員工主要采用雙手作業(yè)的形式,因此采用雙手作業(yè)分析法對(duì)員工操作方式以及動(dòng)作數(shù)目進(jìn)行分析,繪制了改善前雙手動(dòng)作分析圖,如圖4所示。該工序存在如下問(wèn)題:員工的左右手作業(yè)不平衡,不符合雙手作業(yè)原則,過(guò)多使用右手作業(yè),而左手存在較多的等待,容易造成動(dòng)作浪費(fèi);工作臺(tái)的工具、所需要的物料及廢料箱的布局不合理,員工每次拿取護(hù)角需要彎腰,且拿取紙皮和丟棄廢料需要轉(zhuǎn)身操作,違背了動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則,容易產(chǎn)生動(dòng)作浪費(fèi)。

圖4 包裝工序雙手動(dòng)作分析Fig. 4 Analysis of two hand movement in packaging process

對(duì)其布局進(jìn)行重新規(guī)劃,將紙皮和護(hù)角等物料放置在工作臺(tái)前端,方便員工拿取,將廢料箱放在工作臺(tái)右邊,減少了彎腰和轉(zhuǎn)身等無(wú)效動(dòng)作。工作區(qū)域的調(diào)整,使得員工能夠有效利用雙手進(jìn)行取放工具和物料,消除了左手過(guò)多的等待浪費(fèi);對(duì)于簡(jiǎn)單操作,不需要雙手同時(shí)作業(yè),可以單手作業(yè),同時(shí)另一只手可以完成其他作業(yè),能夠有效縮短包裝的作業(yè)時(shí)間,提升工作效率。改善后如圖4所示,優(yōu)化后員工的左右手動(dòng)作數(shù)量接近,左手等待明顯減少,將部分右手動(dòng)作調(diào)整至左手。通過(guò)對(duì)部分作業(yè)進(jìn)行重排和簡(jiǎn)化,作業(yè)流程更加合理,對(duì)該工序重新進(jìn)行作業(yè)測(cè)定,改善后作業(yè)時(shí)間由234.5 s減少到202.0 s。

通過(guò)對(duì)排鉆和包裝等瓶頸工序進(jìn)行優(yōu)化,其作業(yè)時(shí)間均降低,重新計(jì)算生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率為61.29%,平衡損失率為38.71%,平滑指數(shù)為6.9,但是優(yōu)化后生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率并沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài),還存在待改善空間。

2.3 生產(chǎn)線布局優(yōu)化

針對(duì)小板件車(chē)間布局問(wèn)題,按照作業(yè)關(guān)系的密切程度,重新規(guī)劃各產(chǎn)品加工設(shè)備的位置,將生產(chǎn)線梳理清晰,規(guī)范了產(chǎn)品的流向,優(yōu)化后的布局及物流如圖5所示。搬遷兩臺(tái)電子鋸和原有的封邊機(jī)、六面鉆搭建窄板生產(chǎn)線;搬遷兩臺(tái)推臺(tái)鋸、兩臺(tái)切割機(jī)與原有的封邊機(jī)和三排鉆搭建非標(biāo)板生產(chǎn)線;搬遷了兩臺(tái)推臺(tái)鋸、兩臺(tái)切割機(jī)與原有的封邊機(jī)搭建收口板生產(chǎn)線。優(yōu)化后窄板的搬運(yùn)距離由67.55 m減少至35.6 m,減少了31.95 m;優(yōu)化后非標(biāo)板的搬運(yùn)距離由82.66 m減少至48.42 m,減少了34.24 m;優(yōu)化后收口板的搬運(yùn)距離由82.97 m減少至47.05 m,減少了35.92 m。優(yōu)化后小板件生產(chǎn)線混亂冗雜的現(xiàn)象得到明顯改善,各加工環(huán)節(jié)之間轉(zhuǎn)運(yùn)更加流暢,有效減少了工人的搬運(yùn)距離和重復(fù)搬運(yùn)次數(shù),減輕了搬運(yùn)工作的負(fù)擔(dān)。

圖5 改善后車(chē)間布局及物流圖Fig. 5 Improved workshop layout and logistics diagram

2.4 生產(chǎn)線未來(lái)價(jià)值流圖

未來(lái)價(jià)值流圖是改善效果的體現(xiàn),能夠繼續(xù)識(shí)別工序改善機(jī)會(huì)點(diǎn),制定更加詳細(xì)的改善計(jì)劃,消除浪費(fèi),讓價(jià)值流動(dòng)起來(lái)。從工藝流程、現(xiàn)場(chǎng)布局和物流路線等方面提出優(yōu)化措施,對(duì)優(yōu)化后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)重新統(tǒng)計(jì),繪制了未來(lái)價(jià)值流圖,如圖6所示。對(duì)比分析現(xiàn)狀與未來(lái)價(jià)值流圖可知,通過(guò)流程程序分析和雙手動(dòng)作分析方法優(yōu)化瓶頸工序后,排鉆工序的作業(yè)周期時(shí)間由19.67 s減少至15.80 s,包裝工序由11.73 s減少至10.10 s,生產(chǎn)流程更加合理,動(dòng)作浪費(fèi)明顯減少;通過(guò)布局調(diào)整,建立不同板件生產(chǎn)線,物流距離明顯縮短,減少了搬運(yùn)和等待浪費(fèi),且生產(chǎn)暢流讓各工序間在制品庫(kù)存大大減少,在制品庫(kù)存積壓的時(shí)間也由1.73 d縮短到1.34 d,非增值時(shí)間減少,庫(kù)存浪費(fèi)降低;總體增值比由原來(lái)的0.041 5%增至0.048 8%,提高了17.59%。優(yōu)化后生產(chǎn)線平衡率也提升至61.29%,但是還未達(dá)到理想狀態(tài),因此需要數(shù)學(xué)模型方法對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化,提升小板件生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率,使其達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 未來(lái)價(jià)值流圖Fig. 6 Future value stream map

3 基于0-1整數(shù)規(guī)劃模型的生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化

3.1 0-1整數(shù)規(guī)劃模型建立

0-1整數(shù)規(guī)劃理論在生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化方面具有重要作用,主要應(yīng)用于生產(chǎn)線工序的作業(yè)單元的優(yōu)化方面[18],通常是利用整數(shù)規(guī)劃理論建立以工作站數(shù)最小為目標(biāo)的生產(chǎn)線負(fù)荷平衡第Ⅰ類(lèi)模型和以生產(chǎn)節(jié)拍最小為目標(biāo)的第Ⅱ類(lèi)模型進(jìn)行優(yōu)化。因此,對(duì)于小板件生產(chǎn)線,在工序數(shù)量和其他情況不變的前提下,以生產(chǎn)節(jié)拍最小化為優(yōu)化目標(biāo),建立0-1整數(shù)規(guī)劃模型,定量分析改善,提升生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率,使得生產(chǎn)線運(yùn)行更加流暢。在此數(shù)學(xué)模型當(dāng)中,選取生產(chǎn)線各工序的作業(yè)單元為對(duì)象,需要?jiǎng)澐指鞴ば虻淖鳂I(yè)單元及作業(yè)順序,各作業(yè)單元標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間如表5所示。作業(yè)單元的優(yōu)先關(guān)系如圖7所示,每個(gè)圓圈代表一個(gè)作業(yè)單元,圈外數(shù)字代表標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間,箭頭代表各個(gè)作業(yè)單元的前后順序。

圖7 小板件生產(chǎn)線作業(yè)優(yōu)先關(guān)系圖Fig. 7 Priority relationship diagram for small panel production line operations

表5 小板件生產(chǎn)線作業(yè)單元?jiǎng)澐諸able 5 Division of work units for small panel production line

構(gòu)建生產(chǎn)線負(fù)荷平衡的數(shù)學(xué)模型,需要結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況來(lái)確定模型的約束條件,具體如下:

1)小板件生產(chǎn)線的各作業(yè)單元需要被分配到對(duì)應(yīng)工位上,且只能被分配到一個(gè)工位上。

2)當(dāng)作業(yè)元素間存在優(yōu)先關(guān)系時(shí),若作業(yè)單元i為j前面的作業(yè),j被分配到工序K上,則i只能被分配到1～K工序(工作站)上作業(yè),否則不符合。

3)小板件生產(chǎn)線各工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間的總和須小于或等于生產(chǎn)節(jié)拍TC。

根據(jù)以上的約束條件,結(jié)合0-1整數(shù)規(guī)劃理論,建立了如下數(shù)學(xué)模型L:

L=minTC

(8)

(9)

模型中所用到符號(hào)與決策變量如下:

1)符號(hào):TC為生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍;K為工序數(shù);k為工序序號(hào);m為作業(yè)單元的數(shù)量;i,j為作業(yè)元素的序號(hào);ti為第i個(gè)作業(yè)元素所需的時(shí)間;Pred為作業(yè)單元優(yōu)先關(guān)系的集合,Pred={(i,j)}代表作業(yè)單元i為j的上一個(gè)作業(yè)。

2)決策變量:Xik為0-1變量。

3.2 基于LINGO的數(shù)學(xué)模型求解

LINGO軟件主要是一款用來(lái)求解最優(yōu)化問(wèn)題的軟件,能夠快速求解大規(guī)模問(wèn)題,因此被廣泛應(yīng)用到求解線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃以及整數(shù)規(guī)劃等問(wèn)題。結(jié)合該生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間及各工序作業(yè)單元的優(yōu)先關(guān)系等,基于上述建立的基于第Ⅱ類(lèi)生產(chǎn)線負(fù)荷平衡問(wèn)題的0-1整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型,將其轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù),運(yùn)用LINGO對(duì)其求解,求解結(jié)果為當(dāng)工序數(shù)量為6,最小生產(chǎn)節(jié)拍為86.59 s時(shí),生產(chǎn)線第Ⅱ類(lèi)模型優(yōu)化后,各工序作業(yè)單元安排如表6所示。優(yōu)化后生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率提升至86.74%,平滑性指數(shù)降為5.99。

表6 0-1整數(shù)模型優(yōu)化后工序作業(yè)單元?jiǎng)澐諸able 6 Division table of operation units after optimization of 0-1 integer model

3.3 生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化效果與評(píng)價(jià)

結(jié)合生產(chǎn)線現(xiàn)存問(wèn)題,運(yùn)用工業(yè)工程、布局優(yōu)化等方法對(duì)瓶頸工序等進(jìn)行了第1次優(yōu)化,運(yùn)用0-1整數(shù)規(guī)劃模型對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行第2次優(yōu)化,對(duì)二次優(yōu)化前后的生產(chǎn)線負(fù)荷平衡指標(biāo)進(jìn)行了比較,結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 生產(chǎn)線負(fù)荷平衡指標(biāo)優(yōu)化前后對(duì)比Fig. 8 Comparison of production line balance indicators before and after optimization

第1次對(duì)生產(chǎn)線的局部?jī)?yōu)化,優(yōu)化后排鉆和包裝等瓶頸工序時(shí)間降低,生產(chǎn)布局更加合理,板件搬運(yùn)時(shí)間縮短且搬運(yùn)次數(shù)減少,在制品庫(kù)存明顯減少,生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率提升至61.29%,生產(chǎn)線平滑性指數(shù)下降到6.90,但生產(chǎn)線距離良好水平還有一定差距;第2次在局部?jī)?yōu)化的基礎(chǔ)上,從整體上優(yōu)化生產(chǎn)線,優(yōu)化后各工序作業(yè)時(shí)間更趨向一致,生產(chǎn)線平衡率提升至86.74%,平滑性指數(shù)降至5.99,由此可以看出,優(yōu)化后生產(chǎn)線處于良好的平衡水平。經(jīng)過(guò)兩次平衡優(yōu)化,小板件生產(chǎn)線的各項(xiàng)指標(biāo)得到了較大提升,也進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究提出的生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化方案的有效性及可行性,可以幫助板式定制家具企業(yè)解決實(shí)際的生產(chǎn)問(wèn)題。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)對(duì)板式定制家具小板件生產(chǎn)線進(jìn)行研究,探討生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化與提升的方法。運(yùn)用價(jià)值流圖法識(shí)別生產(chǎn)線現(xiàn)存問(wèn)題,采用工業(yè)工程方法優(yōu)化了瓶頸工序,降低了作業(yè)時(shí)間,提升了生產(chǎn)效率;通過(guò)生產(chǎn)布局調(diào)整減少了物流距離和搬運(yùn)次數(shù),降低了在制品庫(kù)存,縮短了在制品積壓周期;在此基礎(chǔ)上,以最小生產(chǎn)節(jié)拍為目標(biāo),結(jié)合0-1整數(shù)規(guī)劃理論,建立了生產(chǎn)線負(fù)荷平衡第Ⅱ類(lèi)模型,運(yùn)用LINGO求最優(yōu)解,進(jìn)一步將生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率提升至良好水平。研究結(jié)果表明,基于價(jià)值流圖、工業(yè)工程方法和0-1整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型等方法,能夠很好地解決板式定制家具生產(chǎn)線問(wèn)題。研究思路可為板式定制家具生產(chǎn)線優(yōu)化與生產(chǎn)線負(fù)荷平衡率提升提供參考和新思路。另外,為了達(dá)到更好的生產(chǎn)線負(fù)荷平衡優(yōu)化效果,未來(lái)的研究可更深入分析企業(yè)實(shí)際情況,建立更加科學(xué)高效的數(shù)學(xué)模型去優(yōu)化生產(chǎn)線,也可引入仿真軟件和各種信息化軟件進(jìn)行生產(chǎn)線負(fù)荷平衡的研究。