第13卷第1期Vol. 13 工业工程2010年2月F ebruary 2010 Industrial Engineering Journal 基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善高举红，陈思宇，刘晓宇(天津大学管理学院，天津3ω072)摘要:结合精益设计的思想并应用仿真分析，提出了一种生产流程精益设计的方法。该方法通过仿真分析了系统的生产能力、车间布局和物流，以及整个系统的性能。根据仿真结果，可以选择其中最佳的方案使得生产能力与市场需求相匹配，车间布局和物流得到优化，对车间空间需求减少。一个例子用来说明该方法的应用和效果。关键词:精益设计;生产能力;物流分析:仿真:系统布置设计中图分类号:TB494;文献标识码:A文章编号:1007 -7375 (201O) 01-0090-07 Capacity Analysis and Material Flow Improvement for Lean Design of Production Process Gao Ju-hong, Chen Si-yu, Liu Xiao-yu (School of Management, Tianjin University, Tianjin 3∞072，China) Abstract: By comhining the concept of lean design and simulation, a method for lean design of production process is presented. By this method, simulation is done to analyze the capacity, layout, and material flows so that performance can he evaluated. Based on the simulation results, the hest solution can he selected such that the capacity matches the market demands, the layout and material flows are optimized, and shop space requirement is reduced. An example is presented to show the application and effectiveness of the pro›posed method. Key words: lean design; production capacity; material flow analysis; simulation; layout planning 助于仿真技术进行车间布置设计[34]，使企业生产物1 问题提出流的改造在设计阶段得以很大提升。而针对整个生随着现代制造企业的深入发展，将深加工的或产系统的优化过程，应将对工厂生产能力的核算和自主创新的产品扩大生产规模，由此产生生产企业对现场生产物流的改善结合起来，以实现系统物流的新建、扩建、改建等大型项目上马或进行业务流程效率和物流成本的最优化。本文从生产能力的整体再造，而其中很多问题在工厂设计阶段就已经产生，分析出发，基于有效增值时间的提炼，以面向生产线若没有很好地进行有效的设计规划，势必会造成投平衡的最大产能为研究目的，实现生产物流系统的入巨大成本而回报(Retum on Investment, ROI)效果精益设计。不理想和难以深入实施精益川等诸多问题。2 基于精益设计的生产系统规划模型有资料表明，国外已运行的复杂制造系统约有80%没有完全达到设计要求[幻，其存在的问题中精益设计的理念和模式源于精益生产，精益设60%可以归结为初期规划不合理或失误。其中尤其计的目的就是使得设计团队追求设计过程的最优化需要解决生产能力不匹配，现场物流布局不合理等和设计能力的最优化[1]。通过提高设备利用率，减问题。少等待时间和排队长度，有效分配资源，把故障、废为了实现精益设计，提高企业生产效益，需要借弃物等的负面影响减至最低，研究最佳投资方案等，收稿日期:2∞9-06-11 作者简介:高举红(1966-)，女，天津市人，副教授，主要研究方向为企业物流与供应链管理、精益生产.
第1期高举红，陈思字，刘晓宇:基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善91 实现精益设计。各作业单位的物流强度大小和作业单位相互关系。生产系统生产设计需求(生产纲领等)、工艺计在此基础上进行相关的搬运分析和设施布局改善。划等为输人，经过规划、仿真，最终输出优化的产品的生产系统仿真模型。借助于Flexsim仿真软制造系统的设计方案[5-7]。件对生产过程进行模拟分析，包括车间布局、工艺路为此，本文提出基于精益设计理念，研究整个生线、物流过程、计划的完成情况、设备的利用情况等，产系统的制造能力，深人分析设备产能的均衡性、减进而发现问题点和影响效率的"瓶颈"。少非增值时间的负面影响，使现场物流在有效空间的5)仿真结果分析。针对上述分析所发现的问充分利用下得以改善，生产系统规划模型如图1所示。题进行逐一解决，消除浪费，改善"瓶颈"环节，优化现有生产系统。6)对改善后的生产系统再进行仿真。通过再次仿真，对设计上新的生产系统产能进行验证，并对设计方案能否达到产品大纲要求进行验证，对车间布局、物流过程提出可能的改善方案。3 生产能力分析在实现精益设计，优化生产系统工作中，首先需要进行的就是生产能力的分析，解决产能匹配的问题。生产能力的分析是基于对企业情况、产品和工仿真结果分析(改善生产瓶颈，现场物流)艺流程深人了解的基础上进行的。1 )仿真模型的建立。包括:①设备的建模、设备的尺寸大小和占地面积;②仿真模型的设施布置图、各设备位于厂地的具体位置和各设备之间的距离。确定最终改善生产能力和现场物流方案2)年产能的计算。固1基于精益设计的生产系统规划模型根据仿真模型输入产品的工艺过程，按顺序经过哪些设备(即工序如何)，每道工序的处理时间，搬具体操作过程如下。运工具在搬运物料时的速度频率[9](得出工序间的1 )需要了解企业情况。包括厂房布置(包含仓搬运时间)。库及存放区)、设施布置情况、产品的工艺过程、设备然后设定一定的工作时间(通常为1年)，通过状况(包含尺寸、生产能力、维修)、生产计划执行情仿真得到各项设备工作时间和每个设备最终的产况、产品质量要求。能。其中，工作时间包含平均停留时间、空闲时间、2)典型产品的选择。可以根据帕累托图选择加工时间和堵塞时间。有代表性的累计产量高的产品。对于同一设备群落的设备，可以按照一定的规3)产品工艺流程的分析。绘制工艺流程图，分则或者顺序，让产品有序地进入该设备群落进行加析所有所选产品的工艺流程，这样是为了确定物料工。比如按照就近原则，产品进人较为靠近的设备在生产过程中都经过哪些必要工序，每个必要的工加工，如果较为靠近的正在工作，可以选择进入同一序之间移动的最有效顺序以及其移动的强度和数量。群一落个的有下效一的设工备艺。流程[8J是指物料在工艺过程内3)设备利用率的计算。按照顺序一致不断地向前移动直到完成，中间没有依据仿真模型的运行过，多得的到迂设回备和利倒用流率。，各如条果线是路上的物料移动量就是同一机群的反多映个工设序备或，者根作据业仿单真位结之果间得相出互的关每系台密设切程度的基备的利用率本可衡以量求标出准该，机一群定设时备间的周平期均内利的用率物。料移动量成为物流强度。4)设备产能计算。在进行了有效的工根艺据流仿程真分报析告之，后可，计按算出照各一设定备(工序)的年最的工艺流程、作业大单产位能的=顺年序产进量行/物设流备的利分用析率，[确叫定。通过比较每道工
工业工程第13卷92 序的最大产能，可以找出限制产品最终产能的瓶颈 选择产品工序，改进该工序的生产，提高产品的产能。该企业机加工厂生产品品种很多，产量分布不5)价值流的分析。均。因此根据产品的帕累托图选择具有代表性的典根据仿真模型，得到产品在各道工序(设备)的型产品，如图3所示。停留时间，绘制生产产品的价值流图，区分增值和非500 100 增值时间。其中，增值时间为加工时间;等待运输和400 80 堵塞时间均为非增值时间。通过价值流的分析，可300 60 ~ 以衡量出整个生产工艺过程的实现增值的情况，通’ ) 200 40阻过减少非增值时间来优化生产系统。6)根据所得瓶颈工序和设备对原生产系统进行1001 / ~ 20 完善，增加增值时间，减少非增值时间。流程如图2o 0 口67 38飞I 202X 2 I号飞521261211 161-1-可610可n.. 1) 171t他所示。(’1...8 .p 181-1-291918 1-1 1-1-1... 1有D12 10 10 JO 10 1) 1) 8 8 7 6。当气.1白骨比1110 8 7 (, ...... 1, 1 1飞可32 2 2 2 2 2 2 2 2 I 1 I I 9 斟事t"ó112121)飞7-11-:7日5....57创1616668717可757779818可85s6 88 89 90 91100 设备建模图3产晶帕累托固设施布置图建模选择累积频率大于85%的20种典型产品作为仿真分析研究对象，同时根据调研确定产品加工工时0设备工作时间 产品工艺过程产品主要精加工工艺如图4所示。各设备最终年产能增值时间非增值时间固2生产能力分析框架4 现场物流改善固4产品工艺过程在制造业加工的生产流程中，以工艺流程分析为基础的物流流程是设备现场布置[!OJ设计的中心环节，物流状况的优劣是设备布置方案优劣的关键。因此，依据系统布置设计的思想，应从物流分析人手进行设备的系统布置设计，根据现场物流改善原则和现场物流改善的分析模式[ll]，完成现场物流的基于精益设计的优化布置，提高生产过程中物流效率C61125车床C61125车床仿真模型和设备的利用率，实现精益生产。ι4品5 案例应用及分析_..酬，现有某钢厂机加工车间具体产能不足，产能不匹配设备利用率低，综合效益难以发挥的现状，采用系统仿真技术进行产能、价值流、物流分析等，识别镀铭设备镀铭设备仿真模型出机加工车间的瓶颈，并进行改进。图5设备建模
第1期高举红，陈思字，刘晓宇:基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善93 表1一/仿一真娟一标、留即制一一一睛一到两血凡闭侃一侃日仿真模型的设施布置平面和透视图如图6、图7一-平『日UUEET--rnu--'ImLQJoynurnu处理堵塞所示。设备名称板一叩明叩h时间/h时间/h-4一334333381l-ukw.-四-…-咽圃'回…·四-圃.数r打削阶车味创刊}车备车ω车1l车8ι4车54车1车23仿4一,aa: &，11"""_阳532军，- . l睛'时::A.嚣'口... 4482.∞ r1H flIf1J! .._ !lII玩11.:ra :;.帽，销国的集囚酣11_昆主酷禽酬B μ…~二一十一一一俨川仍而1 岛战阳刷刷mmmMmmmmmmmm1 l-Jmlm-mJm1J84-36-Zll-M;i营营55ω.89 ηMUNmm5 川口…mmm5 ly: 削EMJωψ ηUMB，、m饥毗mmjzi 归啊川J25ω∞ MU句37y罢手1253∞ MNmmum，295∞ 二a险…叩如归创OBOEP2149∞ 吱哩J芝些J-'.'."'!J_e.'!"_I.!"旦旦些J唰凋~-I-旦旦~一些雪也品黠嗣一咖刷刷时m一m川的刷引侃。队3088.∞ ∞、JRUOEAU-HUb-O.∞ 图6仿真模型的设施布置平面固ιιmmMNnnω Uω 库一华附-倒∞一榈一队一阳一 O.∞ -、-X-h-Kk一附「扎工一一一寸一EJnMHE服一轧川川一阵出时一目可肌一U二-3)设备产能匹配。根据仿真报告，可计算出各设备的年最大产能=年产量/设备利用率，如图9所示。、、、句ζnJuoAnHVuVnAHuVnAHUUAHUVAOHUVAOU AUAυ -32J(-e壮·婴)\皿恒礼，，，.、，dAVqdAυ--a-a...l1li• um图7仿真模型的设施布置透视图瞩气串串串串- J盖章罐罐一 产能分析数控车锯床打孔车床抛光镀铸1 )年产能计算。圄9设备最大产能若一年工作3∞d，每天3班，每班7h，使仿真由此可见，镀铅工序是最大瓶颈。锯床、打孔设模型运行1年，得出如表1的仿真报告。备产能较大，数控车、精车、抛光工序能力充分。要成品库输出即为一年产量，由仿真报告可知，在提高产能，需提高镀铭工序的产能。生产正常情况下，理想年产能668根，折合约3仪的t。4)价值流分析。2)设备利用率。为区分增值和非增值时间，绘制芯棒机加工车由仿真模型，可得出各机加工和运输设备的利间的价值流图，如图10所示。用率，如图8所示。一件产品从原材料到机加工完成共需，门，斗|「其中增值时间，占总时间的%0理想、元100 浪费情况下，一件产品从原材料到机加工完成共需80 A A 约(把各工序平均处理时间和等待加工时间l再60寸lll相加)，其中增值时间，增值时间占总时间E40 「89% ，究其原因是镀锚设备产能不足。20 现场布置改善。锯床数控车打孔车床抛光镀铸1 )根据己选定的产品和工艺得到现场物流图，图8设备平均利用率如图11所示。
第13卷工业工程94 图10价值流町叫"叩唁ιF 1 -8数字为车间的各个功能区:1-打中心孔设备;2-数控管螺纹车床;3-锯床;4-车床;5-抛光机;6-暂存涂油区;7-镀铭机;8-成品暂存区，以下同。图11车间现有的设计布局与物流2)物流分析。②部门面积估算，见表30①工艺路线，产量及物流当量的确定。表3部门面积估算根据己选20种典型产品和图5产品工艺过程，21)1m2 功能区面积1m估算面积得出产品的产量(根数)，调研所得产品的每根重量1打中心孔设备54 70 ( t) ，可以得出每种产品的物流当量，设每IOt为一2数控管螺纹车床66 80 产量×每根重量(t)3锯床54 70 物流当量。那么，物流当量=一一一丁ot 4车床522 600 进位取整，得到对应的物流当量，如表2所示。5抛光机144 200 表2产品的物流当量6暂存涂油区 600 7镀铅机896 1000 产品序号当量产品序号当量产品序号当量l 2 8 1 15 8成品暂存区 6∞ 2 9 1 16 1 1 )估算面积是在实际面积的基础上考虑到实际需要而做1 17 1 3 2 10 的近似比例的扩大和取整。4 3 11 1 18 ③从至表。5 2 12 19 2 由表2和产品工艺路线可以得出按当量物流量6 13 20 7 14 2 计算的物流从至表，见表40
第1期高举红，陈思宁，刘晓宇:基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善95 表4按当量物流量计算的从至表根据表4和表5绘制各工作区物流强度关系阳3-42 5-oo6o-0n0 70-00820 0002 图，见图12(其中1-8数字分别按下列关系对应:1--12345678一00001023 打中心孔设备;2-数控管螺纹车床;3-锯床;4-车床;nu。，句"5-抛光机;6-暂存涂油区;7-镀锚机;8-成品暂存区)。nunununununu IAUAUAυυnυnununununu nununUAU 。却ununu2 却。3 。。4 5 ④各工作区物流强度关系图。6 根据表4，划定当量物流量等级，见表5，其中A、E、I、0、U分别表示相对应的当量物流量区间，并依7 次降低，如表5所示。8 表5物流强度划分图12物流强度关系A E 1 0 U ⑤线性关系图。注2111-20 4-10 1-3 0 考虑的理由:①物流;②工艺流程;③联系的频繁程度;由图11和图12得到机加工新建厂空间关系，④粉尘、噪音污染。见图130,.’ --工--.~__........:;.斗-二军~ι甲一、回日þ;;1’: ~槐树(j1".自糊冒r，成1iij布拉6脚JI哺J岭在2KBPF品一,.łI? . 掬克1<~OO黯\ 号:每每忌t'd'i竹蝶r~斗!东抖。nr:, :队--叩U图13空间关系在图14中，根据表3的有效面积估算值3220，4400 to 结合车间面积13608(按跨计算，已知条件)，可以得对改善后的设备利用率进行分析，将前后进行到机加工新建厂设计图中的布局图的空间利用率:对比，如图15所示，可见改善后，抛光、车床、数控车(3 220/13 608) x 1∞% =毛，空间利用率不足床的设备利用率得到显著的提高，打孔设备的利用30%。率也有所增加，生产趋于均衡。⑥改善建议。改善后方案年产987根，主要生产设备的利用针对以上出现问题，增加一台镀锚设备并将布率达到60%以t，生产趋于均衡，占地面积较原方案2局进行调整，得出改进布局图，如图14所示缩减2∞om，从投资收益比较来看，增加一台设备，对改善后的方案进行仿真分析，得到仿真分而每年产能增幅47%-，可实现快速投资回报率，体现析报告，见表60改善后的年生产能力为987根，约精益设计思想，因此，此物流系统规划方案可行已
卷工业工程第1396 足f犬事lt方扫范围圄14布局改善图表6改善后仿真标准报告SIID仿真软件，对新建加工车间的原始设计中设备的设备输出/根平均停留时间/h生产能力进行了分析和生产现场物流的模拟，在满锯床G4250991 足市场需求的前提下，通过动态的改善过程和仿真车床C611∞J145 模拟，实现了对制造企业基于精益设计的生产系统数控管螺纹车床992 优化与柔性化设计，有效地使企业降低成本，提高效打中心孔设备992 益和竞争力。车床C611oo_1135 车床C61125_2135 参考文献:车床C611251 141 [ 1 J杨海成.精益设计[JJ.中国制造业信息化，2∞7(12) : 1-2. 车床C61125_3133 [2J闰玉珍.现场改善与设备管理[JJ .企业管理，2003(12): 车床C61125_4126 59-60. 车床C61125_5107 [3J杨晓英.基于物流仿真技术的系统设施布置设计[JJ.矿车床C61125_670 山机械，2005，33(11) :85-88. 抛光机J461 [4J朱丽娟，于润众.谈计算机仿真技术在物流方面的应用531 抛光机一 [J J .黑龙江科技信息，2∞8(24) : 73-73. 未镀络芯棒存放区988 [5J范秀敏，顾民强，马登哲.生产系统的集成规划及案例分镀络设备_1331 析[JJ .工业工程与管理，2001,6( 1) :3942. 镀铭设备_2322 [ 6 J Richard B, Chase Nicholas J, Aquilano F, et al. Production 镀络设备J334 and operations management: manufacturing and services 成品库987 [MJ. NewYork: McGraw-Hill Companies, 1998. [7JBeier K P. Vi时ualreality: a short introduction [ EB/OL J . 叫。改前100•改后1(2鹏-12吕).http://w阳刑. edulintro/index. html. 导80[8J马汉武.设施规划与物流系统设计[MJ.北京:高等教育臣60需40出版社， [9J向号，李明，王致民，生产现场物流改善实证研究[J J .价。值工程，2007，26(6):86-89. 锯床数控车打孔车床抛光镀铭[10J轩华.基于SLP的企业物流设施布置设计方法研究[JJ. 图15方案改善前后设备利用率对比商业现代化，2008(12):129-129. [ 11 J欧阳逗制造型企业物流分析与优化[1].柴油机设计与6 结论制造，2008，15(1) :4549. 在基于精益设计的物流系统规划中，设施规划[12J齐二石.物流工程[MJ.北京:中国科学技术出版社，是核心。在系统布置设计方法的基础上，应用Flex-2004.
