生產線節拍精益優化的方法研究

周高峰

（同濟大學，上海 201800）

生產線節拍TCT（Target Cycle Time）就是在生產線穩定的情況下每下線一個產品所需要的時間。它反映的是生產線生產產品的速度，生產線節拍必須小于客戶的需求節拍TT。

計算TCT時，需要考慮去除每班的休息時間、TPM時間、換型時間、質量損失以及設備綜合利用率OEE（Overall Equipment Efficiency），去除這些損失時間后的生產時間為凈生產時間。

生產線節拍（TCT）=每天凈生產時間/每天需求產量。凈生產時間一般是計劃生產時間的80%～85%。

生產線節拍TCT是由最長的單工位節拍和最長的操作員工流節拍體現的，兩者取其長。單工位節拍包含此工位不可與機床自動并行的手動節拍加上機床自動節拍。操作員工流的節拍就是指操作工完成一個手動操作循環所需要的時間。優化生產線節拍的目標是優化瓶頸單工位節拍和操作員工流的節拍。

1 影響生產線節拍的關鍵因素

在實際生產活動中，人們經常會遇到實際節拍無法達到規劃節拍的情況。其中原因非常復雜，以下總結了幾項影響生產線節拍的關鍵因素。

1.1 人員因素

操作人員沒有按照標準化作業的流程和要求進行操作或者質量意識不強、操作不熟練等導致節拍過長或產品存在質量隱患，成為生產線的瓶頸。對于人員因素，解決方法是對人員進行標準化作業培訓。這是保證生產線穩定產出的重要工作。

1.2 工序、工位設置因素

工序、工位設置因素是指生產線設計時工序、工位內容設計不合理、不平衡導致的節拍損失。比如，有些工位的自動和手動動作設計不平衡，有些操作流循環走動距離不合理等。這需要在產線設計之初就做好精益化設計。

1.3 設備穩定性因素

設備穩定性是指設備或工裝不穩定導致的生產中斷，生產不能按照規劃的速度進行生產。設備中斷的因素非常多，優良的產線設計和良好的日常保養和維護（TPM）是保證設備穩定的重要因素。

1.4 來料零件因素

來料零件的問題一般是指零部件尺寸不合格導致生產過程出現問題而導致的生產中斷或返工甚至報廢。最終導致生產線無法按照設計節拍進行生產。對于此類問題，需要嚴格做好來料零件的質量管控，減少對生產活動的影響。

1.5 物流因素

物流因素是指生產線物料配送和線內部在制品流轉的不合理甚至補料不及時導致的生產線節拍損失。這種節拍的損失是需要減少甚至杜絕的。

2 生產線節拍精益優化的方法

上文提到了不少影響生產線節拍的關鍵因素，對于依賴于人員管理、培訓等的因素不再討論，本文將主要致力于分析研究優化工位工序設置因素的方法以及一些評價方法。本文將通過MTM分析法、ECR原則、生產線平衡評價和PPOH評價等方法進行研究和分析。

2.1 MTM分析法

MTM（Method Time Measurement）方法是一種科學的統計手動動作時間的測量方法。MTM其意為在合理的限度范圍內，在相同熟練程度、同等能力、同等努力程度下一個人完成某個流程的執行時間完全取決于使用的方法。

MTM的時間單位為TMU（Time Measurement Unit）。1TMU=1/100000h=0.036s。

MTM是一項比較復雜和詳細的動作時間分析方法。它將動作流程根據基本動作進行精確分割。每個身體部位的動作都是被單獨分析的。因此，MTM方法將動作分成了手部動作、視力（眼睛）功能、身體動作以及動作序列等。而每組動作大類都有詳細分類。比如手部動作有伸手、抓握、松開、遞送、連接、擠壓、分離和旋轉等；視力功能有視線移動和檢查；身體動作有腳步動作、腿部動作、側步、身體旋轉、行走、彎腰、下蹲、單膝跪、坐下及站起等；動作序列分為前后相繼的動作、確定時間的動作、同時動作、組合動作以及過程時間中的動作。每個動作都有相應代碼，比如伸手為R，抓握為G。動作代碼加上移動的距離和動作的狀態程度或物體的難易特性等就組成了一組動作的編碼，人們通過這個編碼就能在MTM標準時值卡中查找到相應的數值，得出該動作的時間值，將這些時間值累加就能得到這一組動作的標準工作時間。

例如，描述伸手抓握一個方木塊放到一個盒子里，假設移動30cm。其中伸手到物體可以簡化為R30A。R表示伸手；30表示伸手的距離為30cm；A表示動作的強度等級。

根據R30A這個動作編碼，人們可以從MTM標準時值卡中找到相應的數值。MTM基本方法的編碼是國際統一的。從標準時值卡中讀取：R30A=9.5TMU。表示伸手到物體這個動作需要9.5×0.036=0.34s。

使用MTM分析法分析操作員工的手工動作時間的重要作用是在一定約束前提下使得人的動作有了統一的參考標準，確保動作的時間數據具有統一的水平。這對于生產線工藝流程的設計和優化有重要作用。

2.2 ECRS分析法

ECRs分析法秉承了精益生產消除一切浪費的理念，是對于生產流程或者管理流程進行分析改進的工業工程四個步驟。由取消（Eliminate）、合并（Combine）、調整順序（Rearrange）、簡化（simplify）四個步驟的首字母組成。

2.2.1 取消（Eliminate）

首先對于流程（這里指生產線的過程）進行分析。在不影響產品生產進度和流程以及產品質量的前提下對過程中步驟或動作考慮有無取消的可能性。如果不能全部取消，可考慮部分地取消，如多余的搬運、不增值的檢驗等。

2.2.2 合并（Combine）

合并就是將兩個或兩個以上的對象合并成一個。對象可以是流程、動作和工序等。合并可以有效地消除重復現象，能取得較大的效果。比如，多次測量合并成一次，不同的工具合并成同一個工具等。

2.2.3 重排（Rearrange）

重組就是通過改變操作順序，使工作的先后順序重新組合，以達到改善的目的。邏輯順序的重排從而獲得更加簡易高效的方法，并在重排之后再次研究是否還有可以取消合并的動作，如前后工序的對換、機器設備位置的調整等。當然，所有的重排不能影響產品的生產實現和質量要求。

2.2.4 簡化（Simplify）

經過前面三個步驟取消、合并和重排之后，再對該項工作或流程做進一步的分析研究，使其盡量簡化，縮短作業時間，提高工作效率。簡化是一種工序的改善，也是局部范圍的省略，整個范圍的省略也就是取消。

2.3 生產線平衡分析法

生產線平衡就是將所有基本工作單元（包括機器時間和人工時間）合理地分配到各個工作站，以使每個工作站在節拍內都處于繁忙狀態，完成最多的操作量，從而使各工作站內的閑置時間最少。以上提到的MTM的方法和ECRs的方法都是生產線平衡的基礎。平衡最終的目標是平衡時間，并最小化工位數量或者最小化操作員工的數量。

從實質上來講，生產線平衡的問題就是組合優化的問題。生產線平衡要求在產品裝配或生產過程中時間與空間有效地結合。生產線的平衡程度差會影響生產效率，同時一些工位的勞動強度不同造成人員管理上的問題甚至質量問題。

生產線平衡可以通過平衡率來反映生產線各個工位的平衡情況。生產線工位平衡率的計算公式為：

式中，P為生產線工位平衡率；ti為第i作業單元的作業時；Tk為第k工位的作業時間；K為生產線的工位數量；Max（Tk）為所有工位中最長的作業時間，等于瓶頸工位的節拍，即生產線的節拍。

隨著國內生產線自動化程度的提升，多數生產線都存在一人多機的現象，工位數和操作人員數一般不相等。因此，同樣運用式（1）可以計算生產線人員操作流的平衡率。

生產線操作工流平衡率的計算公式為：

式中，Pp為生產線操作工流平衡率；ti為第i個手工作業單元的作業時間；Tm為第m個操作工的作業時間；M為生產線的操作工數量；Max（Tm）為所有操作工中最長的作業時間。

當P（或Pp）≥90%時表示生產線平衡達到優，90%＞P（或pp）＞80%生產線平衡為良，若P（或Pp）≤80%，則生產線平衡較差。

生產線平衡的改善原則和方法主要有以下幾個方面：將所有作業劃分為一個一個不能繼續拆分的作業元素或單元，為重新劃分、調整和組合提供條件；確定生產流程中的關鍵作業元素和關鍵工位，關鍵作業元素和關鍵工位的需求首先需要得到滿足，資源首先得到分配；對于要重新做出調整的工位或作業元素，調整不能違背產品的工藝邏輯，不能違反裝配的優先順序，且不能影響產品的生產裝配質量；分析時首先考慮能夠有潛力可挖即有空余時間的作業元素，而不是全盤分析；重新平衡后的各個工作站的空閑時間應該盡可能地減少，而且要保證各個工作站的作業時間均衡，堅持對生產線平衡進行持續改善。

2.4 PPOH評價

隨著人員成本的逐年提高，人員利用率無疑對生產企業的經濟利益是非常重要的。PPOH就是用來計算生產線生產人員利用率的一個評價指標，用來表示單位員工單位時間內的出產數量。PPOH的計算公式為：

式中，N為出勤時間內生產的合格品數量，件；K為生產線工人總數量，人；T為每個工人的出勤時間，h。

在生產正常的前提下，出勤時間內生產的合格品數量N可以用凈生產時間除以TCT來計算，由此可見降低生產線節拍對于提高PPOH的重要性。

運用PPOH評價的目的是要求生產線在注重滿足客戶需求的同時，在生產線節拍和生產線人員數量上尋找一個最優的方案，注重提高員工的利用率，提高企業的經濟效益。

3 結論

本文對生產線節拍的精益優化方法做了比較詳細的研究。首先解釋了生產線節拍的含義，然后對影響生產線節拍的關鍵因素做了分析，接著對生產線節拍精益優化方法做了研究和梳理，通過分析MTM分析方法、ECRs分析法以及生產線平衡分析的方法等來研究生產節拍的精益優化，最后介紹了評價人員利用率的方法，即PPOH評價指標。