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使用系统布置设计方法提高生产设施的生产率
Syed Asad Ali Naqvi1, Muhammad Fahad1, Muhammad Atir1, Muhammad Zubair1 and Muhammad Musharaf Shehzad1
摘要：实施精益生产的原则和相信不断地改进是帮助产业维持全球竞争力的工具。随着人口的增长，现在对技术的需求比以往任何时候都要大。这导致现有生产模式的生产率稳步提高，甚至引入了新的生产模式。这些因素通常会导致制造业的“布局调整”。工厂布局提高了资源的利用率，并且为5S，七大浪费，看板管理，准时制生产（JIT）等精益生产工具的应用提供了方法。这些精益生产工具不仅有助于降低成本，而且可以通过提高产品质量来使组织受益。本文综合比较了用于布局设计的不同方法。还研究了简化的系统布置设计方法（SLP）在设计一个新布局中的应用。SLP是一种用于布局开发和物流改善的技术。本文以一家生产多品种产品的跨国公司为例，介绍了SLP在布局设计中的应用。最后的结果包括四个可行的生产部门重新安排方案。这些布局方案是根据改进的可行性和物流效率标准进行评价的。因此，突出了通过全面一体化的设施所实现的经济利益。结果说明了布局设计对消除浪费的影响，以及通过减少总体物流和交货时间而获得的经济效益。
主题：精益生产，运营管理，生产系统
关键词：精益生产；SLP；浪费；持续改善；布局
- 引言
精益生产是一种哲学，它可以最大程度地提高效率，降低成本，提高产品质量，并且着眼于人们在工厂的工作方式（Ohno，1988）。精益生产是“精益”的，因为它消耗的一切东西都比较少。一半是在工厂的人力投入方面，一半是在生产空间方面（Womack，Jones和Roos，1990）。变得精简的工厂可以在不增加设施或增加工人的情况下使产量翻番。精益工厂只拥有相当于在制品库存（WIP）十分之一的库存，因为在生产过程中，物料从原材料库到客户那里的流动是连续不断的（Standard和Davis，1999）。
用于实施精益生产的一些常用工具包括（Ali，Jaweed和Fahad，2015； Ohno，1988）：
- 七大浪费：浪费是公司本可以赚取的利润，而精益生产则是可以赚取这种利润的革命。根据Taiichi Ohno的说法，浪费可能包括移动，等待时间，生产过剩，加工过度，加工缺陷，运输和库存。消除浪费是精益生产的主要重点。
- 持续改善：持续改进工作方法的理念
- 准时制生产：减少在制品库存和相关成本
- 5S：组织工作场所的方法
- 看板管理：把客户的需求变成视觉信号
设施布局是指操作，机器和空间的安排以及它们之间的相互关系（Hales，1984）。它是对空间分配进行的研究，例如建筑空间规划，工厂布局，办公室布局和超大规模集成电路（VLSI）布局（Tam和Li，1991）。工厂的布局设计通常与生产控制和产品质量直接相关（Vollmann和Buffa，1966）。组织排列良好的机器或部门以及合适的运输路径可以创建一个高效的工厂（Bock，2007）。工厂布局分析通常包括对生产线工艺流程图，物料流程图，产品工艺路线，加工时间，从至表，设施中不同部门之间的关系图和物料运输成本的研究（Francis，McGinnis ，和White，1992）。系统布置设计（SLP）是一种重要的程序化方法，已广泛应用于各种中小企业的布局设计（Gilbert，2004）。最近的一些工作探索了布局规划应用的新领域，例如医院和食品行业（Helber，Bouml;hme，Oucherif，Lagershausen和Kasper，2014； Lin，Liu，Wang和Liu，2015； Ojaghi，Khademi，Yusof，Renani和 Bin Syed Hassan，2015 ; Wanniarachchi，Gopura和Punchihewa， 2016）。
本文说明了使用SLP进行布局设计的一种简化方法。由于所选择的工厂生产定制产品（开关设备），因此，对布局方案的评价是以更好的集成设施为基础的。并对所选布局的经济效益进行了评价。本文的其余部分安排如下，第二部分比较了算法方法和程序方法，并简要概述了在布局设计过程中所考虑的因素。第三部分说明了SLP方法并且简化了布局方案选择的标准。第四部分给出了在实际情况下应用简化SLP方法的应用实例。最后一部分讨论了本文的结束语以及该方法在未来研究领域中的应用。
2.文献综述
设施布局设计对工厂的生产力有重要影响。布局设计的目的是找到最有效的设施布置，最大程度地减少物料搬运。在最近的几十年中，它一直是一个活跃的研究领域（Allegri，1984； Meller和Gau，1996； Tarkesh，Atighehchian和Nookabadi，2009）。以往的研究表明，物料搬运成本对工厂的运营成本有显著的影响。根据美国机械工程师协会的定义，物料搬运是一种包括任何形式的物料的移动，包装和存储的艺术和科学。物料搬运中使用的设备会影响制造业的生产率（Jiamruangjarus和Naenna，2016）。据估计，物料的物流成本占总制造成本的30％至70％，具体数值取决于行业的类型（Dongre和Mohite，2015； Immer，1953；Matson，Mellichamph和Swaminathan，1992）。组织良好的物料搬运可以将生产过程中的运营成本降低15%至30%（Sule，1994；Tuzkaya，Guuml;lsuuml;n，Kahraman和Ouml;zgen，2010）。因此，至关重要的是应该以减少人员或物料搬运的行进距离的方式安排机器或者工作站的位置（Heragu，1992）。大多数有关布局设计问题的文献都分为两大类，即算法方法和程序方法。表1 比较了这两种方法。
表1.程序方法和算法方法
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程序方法 |
算法方法 |
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方法 |
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传统上将其定义为一种组件方法(设计过程分为几个步骤)(Bock, 2007) |
它通常将设计的约束条件和设计目标简化为一个目标函数，然后用数学方法求解(Yang和Kuo, 2003) |
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资料需求 |
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在设计过程中，程序方法会同时考虑定性目标和定量目标(Padillo, Weyersdorf，和 Reshef, 1997)。定性数据取决于操作要求，包括部门间的物流需求，用于物料搬运的设备等 |
算法方法通常只涉及定量输入数据。定量数据包括产量、交货时间、物流路线等。对设计方案的评价只需要与目标函数值进行比较(Yang和Peters, 1997) |
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主要研究 |
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Apple(1977),Reed(1961)，Muther(1973)的方法是程序方法中的重点 |
现有的大多数文献都基于算法方法(Heragu, 1997)。Meller和Gau(1996)对91种布局模型和算法进行了分类 |
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局限性 |
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在应用程序方法之前，设计者要有丰富的经验并且由于一些原因，应用程序方法时需要设计者的帮助主观决策(Bock，2007) |
先进的数学建模技术是开发算法方法的先决条件(Tompkins等人，2003) |
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用程序方法获得的布局方案通过多方面的程序以多个客观的标准为基础进行评价和比较的(Sharma 和 Singhal，2016;Tompkins等人，2003) |
通常需要对算法输出进行修改来确保设计可行。其中包括部门形状，公共设施供应，物料搬运系统，考虑人体工程学，在制品库存，空间利用等(Yang, Su，和 Hsu, 2000) |
布局方案的生成和评估往往被认为是耗时且困难的任务。这是由于以下两个原因。第一是在初始阶段需要进行广泛的数据收集工作。第二是有多重目标的性质，即最佳的布局方案是在结合实际生产需求后进行权衡选择的（Lin和Sharp，1999a，1999b）。例如包括所有功能的整体集成，最小的物料移动，平稳的工作流程，有效的空间利用，员工满意度，安全性，灵活性等（Raoot和Rakshit，1993）。设施布局目标的优先级决定了所需要的合适的方法（Aleisa和Lin，2005）。在设施布局发生任何变化之前，对修改后的长期影响进行评价具有重要意义。新的布局方案应该证明重新安排机器或者部门所需要的费用是合理的（Sule，1994）。Vollmann和Buffa（1966）认真地研究了修改布局方案中所涉及的假设。当采用程序方法时，这些影响在确定最佳替代方案中发挥着至关重要的作用。
布局设计的关键目标是最大程度地减少物料搬运成本。进行布局设计时有两个基本的约束是：（1）部门空间和总建筑面积要求以及（2）操作界限。也就是说，位于设施内的部门不应该重叠，并且某些部门必须互相远离或具有特定的位置（Meller和Gau，1996）。选择新的布局方案应该考虑长期因素，例如可扩展性和灵活性。可扩展性是用最小的成本适应未来扩展的能力。灵活性意味着布局方案应该能够适应未来产品组合的变化，需求的变化和技术的升级。这两个因素都强调了布局设计不是一次性的决定。它应该能够在需要的时候进行修改（Vollmann和Buffa，1966）。
3.方法论
在设施布局问题中使用程序化方法的好处是它既包含了定量因素又包含了定性因素。因此，在制定工厂的布局方案时采用了SLP方法。它为工厂的布局设计提供了从输入数据到工厂布局评价各个阶段的指导。SLP方法的缺点是，它需要对设施的现有流程、程序和活动进行彻底的初步研究（Trein和Amaral，2001）。对于该技术的详细讨论和说明，建议读者参考（Muther，1973）。根据Tortorella和Fogliatto（2008）的研究，SLP方法具有三个宏观步骤：（一）分析，（二）研究和（三）选择。因此，SLP经常会根据系统需求和适应性进行修改（De Carlo，Arleo，Borgia，和Tucci，2013 ; Flessas，Rizzardi，Tortorella，Fettermann，和Marodin，2015 ; Lin等人，2015 ; Wanniarachchi等人，2016）。
本文与其他的研究在两个方面有所不同：（一）使用简化的布局方案选择标准；（二）尝试通过比较设施布局方案改善前和改善后的状态来估计一个精心设计的布局方案的经济效益。通过对整个工厂生命周期的经济效益和环境效益的预测，可以进一步说明该研究的意义。表2中说明了本文所用的简化的SLP方法。
表2. 被使用的方法
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数据采集 |
使用的工具 |
详细方法 |
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（1） |
确定工厂产能 |
PQRST分析 |
使用特定时期（6个月）每月生产数据 |
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（2） |
工作流程分析 |
工作方法研究工具 |
使用流程图来确定浪费并且使用产品清单来确定机器的空间需求 |
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（3） |
物流分析 |
从至表 |
通过多次参观工厂 |
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（4） |
部门之间的关系 |
带有等级标准的相关图 |
包括部门之间的物流情况和通讯需求 |
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（5） |
空间要求 |
空间关系图 |
确定每个部门的总面积，其中包括过道并且考虑人体工程学 |
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（6） |
备选布局方案的评价 |
模拟物流分析 |
根据物流情况评估每种布局方案的特点 |
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（7） |
选择最优的布局方案 |
将模块转换为工厂布局 |
确定运输路径和机器的放置位置来改变工厂布局 |
4.开关设备制造厂分析
这项研究的对象是一个中等规模的制造工厂，该工厂计划修改其现有的布局以提高生产率。该工厂生产的开关装置是定制产品，用于调节（控制）电压和电流。该开关设备制造厂占地87.891times;60.627 m 2。开关设备的一些主要组件是镀锌钢框架，铜棒，CT（电流互感器），母线以及包括机械零部件在内的一般零部件等。每个开关设备都由四个子组件组成。这些子组件由不同部门制造，然后在主装配线上装配。子组件部门括预制件加工车间、铜棒加工车间、真空断路器(VCB)加工车间和接线车间。
预制件包括机加工、弯曲、焊接、磨削加工和喷漆。该车间有两台冲压机和三
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