薄板平面分段流水線多工位協同的計劃管控

梅先志， 姚 飚， 馬曉平， 陳春才， 姜 偉

(1.招商局重工(江蘇)有限公司， 江蘇 南通 226100； 2.江蘇現代造船技術有限公司， 江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

豪華郵船是國際造船業公認的高技術、高附加值、高可靠性的“三高”船舶，因其設計建造的難度和造價高，被譽為世界造船界皇冠上的明珠[1]。與常規船舶相比，豪華郵船結構具有型寬較大、型深較小、上層建筑長、甲板多層等特點，為了減輕結構質量，豪華郵船薄板使用比例大，平面分段占有率較高。目前，國內部分主流船廠已啟動國產豪華郵船建造程序，正在探索部署薄板平面分段生產流水線，以提高整體建造效率，改善作業環境，也是順應“中國制造2025”戰略方向。建造豪華郵船對于生產節點的控制要求非常嚴格，郵船所有人通常要求必須在合同約定的精確日期交船，因此，豪華郵船建造計劃的管控尤為重要。本文通過薄板平面分段流水線多工位協同計劃的管控研究，建立合理的生產節拍，推動計劃節點的按期達成，實現薄板平面分段的連續均衡生產。

1 薄板平面分段流水線工藝流程

平面分段生產流水線根據平面分段制造工藝流程特點，劃分出各生產工位，合理布局生產，并將設備、人員和物料等資源合理地配置在各個工位上，各工位間通過輸送系統進行產品傳送。平面分段零部件按一定的時(生產節拍)序(工藝規程)依次經過各個工位，直至形成完整的平面分段[2]。

與傳統的生產方式相比，平面分段流水線將平面分段制造流程中的大量基本作業單元用裝配線的方式進行組織，使生產過程更加連續，大幅提高了平面分段的制作效率；引入大量自動化設備和先進工藝，輔助流水線生產，有效地降低生產成本；由于生產的輸入、輸出都可以通過平面分段流水線進行控制，間接提高了物流配套準確性，對企業物流系統的運轉也起到了推進作用；采用裝配線作業，設備、人員更加穩定，有利于提高平面分段制作質量，推動全面質量管理的實施[3]。

船廠通過引進先進的自動化設備組建了完整的薄板平面分段流水線。薄板平面分段流水線由主流水線和配套工位組成，其工位組成及工藝流程如圖1所示。主流水線包含：“拼板零件切割→銑邊/拼接→切割/劃線→型材裝焊→大板拼接→T材裝配→T材焊接(2個)→圍壁部件裝配→圍壁部件焊接(3個)→分段舾裝(12個)→分段翻身→分段總組”，在圖1中以線條加粗的方式標出；同時，為主線配套的工位有“型材零件切割加工”“T材制作”“圍壁制作”“部件制作”等工位；為主線分段舾裝配套的物資托盤有“鐵舾托盤”“管舾托盤”“電舾托盤”“空冷通托盤”等。

圖1 薄板平面分段流水線工位組成及工藝流程

大板拼接工序的設置主要因郵船平面薄板分段劃分確立的甲板拼板尺寸較大，受設備加工能力及縱骨安裝工藝的限制，在拼板制作工藝上將其拆分成2個獨立小板架，單獨進行板材的拼接和型材的裝焊，完成后再將2個小板架拼接成1個大板架。

2 流水線生產節拍的確定和協同

2.1 約束條件

為了流水線能夠有序順暢地流動，工位之間協同默契，保證生產步調的一致性和均衡性，避免工位之間的空間與時序沖突，需研究多工位協同計劃的編制方法。計劃編制需要考慮的前提和約束如下：

(1) 主流水線上不設緩沖區，需根據產能及產量的要求，合理規劃主流水線的生產節拍時間，各個分段的中間產品構件在每個工位上停留的時間嚴格遵守節拍時間的要求。某個工位一旦沒有按照節拍時間的要求完成，不能按期進入下道工位，將會造成流水線前道所有工位的停滯。

(2) 配套工位為主線工位提供的構件應根據主線的節拍按需送達，由于工位產量的不均衡性，為了確保主線的正常運行，在配套工位和主線工位之間設置臨時庫存緩沖區，但需考慮緩沖區空間存放的能力有限，配套構件在緩沖區存放時間有限，需合理設置配套構件的產量、存放量和存放周期。

(3) 分段舾裝工位數量需按照分段舾裝的總體工期設立，總體工期基于各個分段舾裝的任務量統計分析后確定，每個分段在舾裝工位上需按既定的節拍流動，在總工期內，完成鐵舾、管舾、電舾和空冷通托盤的安裝工作，而不論單個分段舾裝工作量的多少。為此，需根據每個分段的托盤安裝工作量和安裝順序，策劃托盤的配送和安裝作業。

2.2 流水線生產節拍的確定

生產節拍是衡量流水線均衡性的關鍵指標。節拍的快慢決定了生產線的生產速度，控制平面分段主流水線的生產節拍，就能控制流水線生產速度，使流水線各工位節拍接近一致，實現平面分段流水線的均衡，滿足連續生產。

每個薄板平面分段的中間產品結構相似，工藝路徑相同，但由于各個分段的物量不同，其加工節拍必然存在差別，在生產過程中由于主流水線工位之間不存在臨時緩沖區，因此，以流水線的傳送時間和所有工位上所生產的產品的最大節拍為基準，以確保各個工位的產品都能完工。

根據船廠年度生產計劃，若一年計劃出產1艘郵船，結合郵船分段劃分情況，一艘郵船平面薄板分段約為300個，即年分段需求量為300余個。每年有效工作時間約為300 d，每天1個班次，每班次8 h，根據流水線生產節拍計算式(1)，近似計算流水線的最大節拍如下：

(1)

式中：r為生產節拍；N為計劃期制品數量；Fe為計劃期有效工作時間。

當流水線各工位節拍基本一致或相等時，整個流水線達到較高的平衡率，生產過程更均衡連續，因此，將各工位節拍設為與流水線節拍一致，根據計算結果定義各工位節拍為8h，即每個班次出產1個分段。

隨著分段產量需求的提升，可以通過增加每天的班次來提升流水線的產能。

2.3 配套工位與主流水線之間的協同

根據“節拍先導”原則，為了保證主流水線按既定節拍運轉，配套工位適時、適量按節奏地為主流水線提供中間產品，配套工位與主生產線之間須設置適當的緩沖區進行協同，保障流水線運轉的連續性。

緩沖期中間產品的存放周期與緩沖區大小互為約束，緩沖區越大，則中間產品的存放周期越長，較長的存放周期可以增加配套工位計劃執行的柔性，過長的存放周期會導致中間產品積壓，增加管理難度，因此可根據車間可用場地和空間規劃緩沖區的大小，設置合理的存放能力。

每個配套工位的生產節拍須與主流水線的節拍保持一致，每天至少為主流水線提供一個分段的中間產品量，當節拍為8h時，緩沖區存放1個分段的中間產品即可，但考慮到配套工位與主流水線之間的銜接柔性，緩沖區應可存放2～3班次完工的中間產品，即將每天安排一個班次時，緩沖周期為2～3d。當生產節拍縮短、班次增加，而緩沖周期不變時，緩沖區的存放能力需增加。

3 流水線計劃管控的基本流程和方法

3.1 確定流水線計劃標準作業周期

根據薄板平面分段流水線的工藝流程，每個生產活動由若干個單獨的作業任務組成，每個作業任務需在對應的工位上完成，因此以生產活動為計劃編制對象，其標準周期就是各個作業任務(對應工序/工位)的作業周期累加。若每個工位的生產節拍為1d，由此即可算出對應的生產活動的標準作業周期，如表1所示。

表1 薄板平面分段流水線標準作業周期

3.2 編制拉動式流水線中日程計劃

所謂拉動式計劃編制是一種圍繞中間產品的生產和交付過程，以后道工序的需求時間拉動前道工序的生產計劃的方式。平面分段制作屬于先行階段，而船舶生產是以船塢搭載為核心的總裝式生產流程，生產計劃也以船塢搭載計劃為核心向兩頭延伸，向前拉動先行中日程計劃，向后推動后行中日程計劃[4]。薄板平面分段制作屬于先行階段，其流水線每天產出一個分段，其計劃的編制以標準作業周期為基準，在生產計劃周期內，根據分段建造順序進行拉動式計劃編制。即在確定分段完工計劃節點后，根據標準作業周期倒算出各個編制項的計劃開始和結束時間。利用甘特圖編制的流水線生產計劃如圖2所示。

由于分段舾裝工位較多，整個舾裝周期較長，技術部門可以按照流水線的節拍時間，制定托盤的安裝順序，劃分托盤的大小。根據工時物量定額的標準，計算每個托盤的安裝標準工時，單個托盤安裝的工時盡可能不超過一個節拍的時長。

計劃部門在確定托盤集配和安裝計劃時，根據托盤的安裝順序、托盤的安裝標準工時，確定每個托盤集配、安裝計劃時間以及目標工位。計劃的編制樣式如圖3所示。

在分段舾裝計劃的實際執行過程中，托盤隨分段同步流動，即使某一工位未能在既定的節拍時間內完成相應的工作量，也需按流水線的節拍要求，傳送至下一工位繼續完成，這對工人技能的要求比較高，每個工人的技能需滿足各類安裝工作的需求。同時，在分段舾裝流水線一側設置修正工位，若某一舾裝工位不能及時完成既定工作任務，且可能需要較長的等待時間，可將其傳送至修正工位，不影響主流水線的正常流動，避免造成主流水線前道工位的停滯。

3.3 生產計劃的影響因素及對策分析

中日程計劃的平衡是項目總體生產節奏的平衡，但當具體到每個分段時，雖然分段結構相似，分段物量和作業工時卻不相同，由此可能會帶來生產節奏的不均衡性。因此，技術部門在進行分段劃分時，不僅需參考流水線的加工尺寸能力，還需考慮在分段生產過程中，每個工位的物量需在一個生產節拍內完成。即使某工位實際完成的時間小于節拍時間，也需在工位上等待一個完整的節拍時間后，才能傳送至下一個工位。在此基礎上，為了更好地預測工位的作業負荷，通過制定每個工位/工序的物量工時定額，精確地計算各個分段各級中間產品在每個工位上的工時消耗，以此編制工位級別的小日程作業計劃，從而更好地使用既定資源，提升計劃管控的精細化程度。

設計修改、設備故障、施工質量缺陷、船舶所有人意見、中間產品和托盤配套不到位等都有可能導致流水線上某一工位的停滯。在流水線生產模式下，每個工位的產能主要取決于設備的能力，單純地增加人員投入并不一定能夠明顯提高產能。為了不影響生產節拍，可以通過臨時增加對應工位的班次來調節產能，減少某一工位停滯給流水線計劃執行帶來的影響，最終實現按既定節拍連續且均衡生產的效果。

圖2 流水線生產計劃編制甘特圖

圖3 托盤配套計劃與分段舾裝計劃之間的關系

4 結 語

國產豪華郵船的建造已進入實質性的部署階段，本文通過對豪華郵船薄板平面分段流水線工藝流程的分析，從生產節拍的制定、多工位協同、緩沖區的設定、流水線作業計劃編制和負荷平衡等方面展開研究，提出薄板平面分段流水線計劃管控的基本流程和方法，為后續使用仿真手段進行流水線計劃管控提供了基礎條件，最終目的是實現流水線按既定節拍連續、均衡生產，進一步提高流水線生產管理水平，助力國產豪華郵船建造。