面向多品種小批量生產(chǎn)線的人因改進策略案例研究

高廣鑫 朱潔

摘? 要：為了改善多品種小批量生產(chǎn)線操作者勞動負荷強度大、疲勞程度高、安全隱患多、生產(chǎn)效率低等現(xiàn)狀，擬從人因工程角度面向?qū)嶋H多品種小批量生產(chǎn)線開展人因改進策略案例研究。具體的，以德朔公司某多品種小批量生產(chǎn)線為案例研究對象，基于生產(chǎn)現(xiàn)場改善理論和人—機—環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)性原則，構(gòu)建人因工程體系、劃分5個人因子模塊;在此基礎上，采用動作分析、JACK仿真模擬和快速上肢評估方法，針對上述5個人因模塊分別提出人因改進策略;進一步通過試點應用改進策略和對比分析，評價改進策略效果。提出的人因改進策略可以改善人機間作業(yè)環(huán)境，規(guī)范操作者作業(yè)動作，布局合理作息時間，打造安全、舒適的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境。

關鍵詞：人因工程;多品種小批量生產(chǎn);JACK仿真分析;案例研究

中圖分類號：F273??? 文獻標識碼：A

Abstract： To improve the situation of operators of multi-variety and small batch production lines with high labor load， high safety hazards， and low production efficiency， a case study of human factors improvement strategies was carried out. Specifically， the multi-variety and small batch production line of the Z division of Deshuo corporation was taken as the case study object. Following the theory of production site improvement and the principle of optimality of the human-machine-environment system， human factors engineering system was constructed， and 5 human factors modules were divided. On this basis， motion analysis， JACK simulation and rapid upper limb evaluation methods were adopted， and human factors improvement strategies for the above five modules were proposed respectively. Further， through the application of improvement strategies and comparative analysis， the effectiveness of the improvement strategies was evaluated. The strategies can improve the operating environment between the human and the machine， standardize the operators' operations， arrange reasonable schedules， and create a safe and comfortable production environment.

Key words： human factors engineering; multi-variety and small batch production; JACK simulation analysis; case study

0? 引? 言

伴隨著日趨個性化、多樣化的客戶需求和日益激烈化、動態(tài)化的市場競爭，多品種小批量生產(chǎn)已成為眾多制造型企業(yè)的主要生產(chǎn)模式[1]。生產(chǎn)批次越多、批量越小，該模式對操作者的依賴程度越高。例如，德朔公司Z事業(yè)部的大部分生產(chǎn)線為多品種小批量手工生產(chǎn)線，產(chǎn)品生產(chǎn)批次較多，且生產(chǎn)線上的材料變動和調(diào)整次數(shù)會隨著生產(chǎn)批次相應增多。因此，在實際生產(chǎn)作業(yè)中，很多操作者都會面臨勞動負荷強度大、疲勞程度高、潛在安全隱患多等問題。

目前，針對人因改進策略的研究大多是面向大批量生產(chǎn)模式的，而針對多品種小批量生產(chǎn)模式的研究尚不多見。但是，可以看到一些相關研究。例如，蒲海榮[2]采用計算機輔助人因工程仿真方法，針對汽車總裝制造系統(tǒng)進行人因工程優(yōu)化和人為失誤概率預測。Tiacci等[3]提出一種基于職業(yè)重復行動指數(shù)的符合人體工程學的異步裝配線設計方法。Sobhani等[4]構(gòu)建了一個整合人因要素的串行裝配系統(tǒng)優(yōu)化模型以弱化操作者對職業(yè)健康的負面感知。金海哲等[5]提出了一種基于支持向量機的醫(yī)療人因失誤因素識別方法，明確了醫(yī)療中可能存在的12種人因失誤因素。吳雪冰等[6]針對H公司生產(chǎn)線效率低下、等待浪費現(xiàn)象嚴重等問題，運用生產(chǎn)線平衡、ECRS等方法對生產(chǎn)線進行分析，從而降低了勞動成本，提高了工作人員效率。

已有研究成果為本研究奠定了理論基礎。但是，上述研究大多面向農(nóng)業(yè)、醫(yī)療健康行業(yè)[3，5]，缺乏面向多品種小批量生產(chǎn)模式的人因工程研究。然而，在現(xiàn)實生產(chǎn)中，多品種小批量生產(chǎn)線對操作者要求高、依賴程度高且操作者勞動負荷強度大、疲勞程度高、安全隱患多。基于此，本研究以德朔公司某多品種小批量生產(chǎn)線為研究對象，構(gòu)建人因工程體系、劃分5個人因子模塊;綜合采用動作分析、JACK仿真模擬和快速上肢評估分析（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）方法分別提出人因改進策略。

1? 案例描述

1.1? 案例背景

德朔公司是中國大陸目前最具規(guī)模和技術水平的電動工具生產(chǎn)制造基地。德朔公司Z事業(yè)部現(xiàn)有10余條生產(chǎn)線，生產(chǎn)模式主要為多品種小批量生產(chǎn)。該事業(yè)部生產(chǎn)車間多為手工操作生產(chǎn)線，部分輔助工作作業(yè)涉及機械設備。基于實際調(diào)研結(jié)果，現(xiàn)將Z事業(yè)部多品種小批量生產(chǎn)線特點總結(jié)如下：生產(chǎn)線上產(chǎn)品和零部件種類及數(shù)量較多，生產(chǎn)工藝和參數(shù)差別較大，生產(chǎn)工藝路線各異，生產(chǎn)線操作者需掌握多種操作技能。物流路線復雜，且存在交叉、迂回等現(xiàn)象;物料搬運時間和搬運路線具有不確定性。

基于上述特點分析，Z事業(yè)部的多品種小批量生產(chǎn)線需要大量的熟練掌握多種生產(chǎn)技能的操作者。通過實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線操作者工作積極性普遍較低，操作者發(fā)生手臂和肩膀肌肉拉傷、腰部扭傷的比例顯著高于其他生產(chǎn)部門。鑒于此，德朔公司急需針對Z事業(yè)部多品種小批量生產(chǎn)線從人因工程角度提出人因改進策略。

1.2? 人因工程體系

基于生產(chǎn)現(xiàn)場改善理論和人—機—環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)性原則[7]并結(jié)合Z事業(yè)部多品種小批量生產(chǎn)線特點，通過實地調(diào)研訪談，可針對該多品種小批量生產(chǎn)線構(gòu)建人因工程體系，如圖1所示。針對5個人因子模塊的解釋說明如表1所示。

2? 人因改進策略

基于Z事業(yè)部齒輪箱組件生產(chǎn)線的標準作業(yè)操作視頻和生產(chǎn)線操作者疲勞程度的調(diào)研結(jié)果，根據(jù)動作分析經(jīng)濟性原則[8]和能量代謝、疲勞恢復分析理論[9]，針對人因工程體系各子模塊分別提出如下改進策略。

2.1? 針對工作臺人因的改進策略

工作臺高度設置是影響操作者工作效率和勞動疲勞程度的重要因素。案例研究對象生產(chǎn)現(xiàn)場的操作者多采用立姿作業(yè)操作，因此，操作者的肘高和視高是進行工作臺高度設置的重要考慮因素。

經(jīng)初步統(tǒng)計，大多數(shù)操作者來源于江蘇省和安徽省，其中來自江蘇省的操作者所占比例為49.13%，來自安徽省的操作者所占比例為18.57%;操作者中男性、女性所占比例分別為56.78%和43.22%。依據(jù)《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告（2015）》，確定主要來源地（江蘇省和安徽省）不同性別操作者的身高標準，即江蘇省成年男性、女性平均身高分別為171.57cm、161.54cm，安徽省成年男性、女性平均身高分別為170.93cm、156.10cm。根據(jù)國家標準《中國成年人人體尺寸》（GB-1000-88），確定與案例研究對象身高相對應的肘高數(shù)據(jù)，如表2所示。

為滿足大多數(shù)人的正常使用，通常取第5百分位數(shù)人體尺寸數(shù)據(jù)作為設計參考值。由表2可知18～60歲男性肘高參考值是954mm，18～55歲女性肘高參考值是899mm，在此基礎上，考慮操作鞋裝高度將男女工作肘高分別寬放至960mm和915mm，此外，考慮實際狀況（如年代變化對數(shù)據(jù)的影響）將男女工作肘高分別寬放至975mm和930mm。依據(jù)公式“通用工作臺高度

=975×男性占比+930×女性占比（單位：mm）”可確定案例研究對象的工作臺桌面合理高度為956mm。

2.2? 針對線體人因的改進策略

根據(jù)動作經(jīng)濟性原則，雙手動作的平衡性是影響操作者工作效率和勞動疲勞程度的重要因素[10]。在反復觀看案例研究對象裝配齒輪組件工序標準作業(yè)操作視頻的基礎上，分析并消除影響產(chǎn)線平衡的冗余動作是該項人因改進的具體思路。

以瓶頸工序裝齒輪組件工位的動素分析為例，通過觀看標準作業(yè)操作視頻，采用動素分析法將該工位的每一連續(xù)標準動作進行拆解分析。基于具體工位動素分析表，發(fā)現(xiàn)操作者左右手工作嚴重不平衡，例如瓶頸工序中操作者左手有效動素數(shù)為9，無效動素數(shù)為32;右手有效動素數(shù)為30，無效動素數(shù)為11。此外，在作業(yè)過程中，操作者存在大量無效動素（如持住、等待等）。

運用ECRS（取消、合并、重排、簡化）原則對該工位具體操作動作進行改善。以瓶頸工序裝齒輪組件工位為例，通過使用固定工裝來替代操作者左手大量的持住動作，從而解放雙手使其可以進行同時作業(yè)。改善后操作者左手有效動素數(shù)為25，無效動素數(shù)為7;右手有效動素數(shù)為23，無效動素數(shù)為9。左右手動作基本平衡，并且消除了大量無效動素。

2.3? 針對廠區(qū)人因的改進策略

工作場所設計是影響廠區(qū)正常生產(chǎn)的重要因素。齒輪箱組件生產(chǎn)線操作者多采用立姿作業(yè)進行操作且工作臺高度設置不合理，這些因素導致操作者腿腳、肩膀和手臂部位易產(chǎn)生明顯的酸痛疲勞。為此，選取腿腳、肩臂、手部酸痛程度和自評疲勞程度作為反映作業(yè)疲勞的特征要素，基于案例研究對象的具體數(shù)據(jù)信息（改進前的操作者作息時間分布如圖2所示），確定合理作息時間。

針對操作者身體各部位的疲勞狀況，設計了作業(yè)疲勞程度調(diào)查表，其中，針對每一疲勞特征設置1至7共7個等級，具體的，等級1對應工作開始時的疲勞感受程度，等級7對應自身能夠承受的最大疲勞程度或每日工作結(jié)束時的疲勞程度，疲勞特征等級越大代表疲勞感知程度越強。

基于齒輪箱組件生產(chǎn)線操作者的調(diào)查數(shù)據(jù)，采用主成分分析法進行數(shù)據(jù)特征提取。在對數(shù)據(jù)進行標準化處理和主成分分析降維后，計算得到操作者對作業(yè)疲勞程度評價的綜合得分，以此量化操作者的疲勞狀況。具體的，以1小時為步長選取9：00至20：00區(qū)間內(nèi)每個時間節(jié)點對應的第一主成分得分作為數(shù)據(jù)特征值，分別對腿腳酸痛程度、肩臂酸痛程度、手部酸麻程度和自評疲勞程度進行數(shù)據(jù)處理和計算，從而得到量化的疲勞狀況，如圖3所示。

由圖3可知，整體上，上述4項操作者疲勞程度均隨工作時間推移而增強，在午休（12：00～13：00）和晚休（17：30～18：00）后有一定程度減緩。需要指出的是，操作者疲勞程度在10min休息時間內(nèi)（15：30～15：40）并未得到明顯減緩，而是輕微減小了疲勞程度積累速率。因此，當前生產(chǎn)線操作者的作息時間分布需要改善。

接下來需要確定合理的作息時間。

（1）依據(jù)式（1），計算操作者耗氧量[11]（單位：L/min）：

耗氧量=0.5+0.02×b-75?????????? ??????????????????????????????（1）

其中：b為操作者心率，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，操作者平均心率值為94bpm，據(jù)此可計算得到操作者耗氧量為0.88L/min。

（2）依據(jù)式（2），計算操作者能量消耗量[12]（單位：kJ/min）：

能量消耗量=耗氧量×氧熱價??????????????????????????????????????? （2）

其中：氧熱價為4.825kcal/L（1cal=4.1868J）。據(jù)此可得操作者能量消耗量為17.78kJ/min。

（3）依據(jù)式（3）和式（4），確定操作者作息時間[13]（單位：min）：

T=100.47/M-16.75????????????????????????????????????????? （3）

T=M/16.75-1×T?????????????????????????????????????????? （4）

其中：T和T分別表示操作者的作業(yè)勞動時間和休息時間，M表示操作者能量消耗量。由式（2）計算結(jié)果可得T

=98min，T=6min。

根據(jù)上述計算結(jié)果，在當前企業(yè)的勞動強度下，齒輪箱組件生產(chǎn)線操作者應當每連續(xù)工作98min后休息6min進行疲勞恢復調(diào)整。據(jù)此，可規(guī)劃操作者作息時間分布，如圖4所示。

2.4? 針對防護安全人因的改進策略

在防護安全方面，不規(guī)范的動作會增加人體的疲勞程度從而增加安全隱患。依據(jù)帕累托原則挑選重點關注產(chǎn)品，選定齒輪箱組件生產(chǎn)線為研究對象，并針對組裝區(qū)各工位進行分析。接下來采用JACK仿真姿勢變更數(shù)據(jù)和RULA方法對齒輪箱組件生產(chǎn)線操作者作業(yè)情況進行仿真分析。其中，RULA方法用于評估操作者相關身體部位在作業(yè)時的不同角度和力度所產(chǎn)生的風險（單位：分），且分值越高表明風險越高[10]。生產(chǎn)線組裝區(qū)各工位的快速上肢分析結(jié)果如表3所示。

由表3可知，焊接工位中前臂與腕部綜合評價結(jié)果較差，主要原因是焊接工作屬于精密作業(yè)，對手部操作要求高。基于RULA分析結(jié)果，分別從軀干、肩背、膝蓋和腳踝4個部位的活動強度對各工位進行仿真分析，以裝齒輪組件工位為例的仿真姿勢變更數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5可知，在作業(yè)過程中，操作者的軀干彎曲強度、軀干側(cè)身強度和軀干轉(zhuǎn)動強度三者之間存在一定程度上的突變;肩背負荷不平衡，右肩背強度存在多次顯著突躍;左右膝蓋和雙腳踝活動強度均表現(xiàn)不平衡，且存在較大程度的強度突變。基于人因仿真結(jié)果，齒輪箱組件生產(chǎn)線組裝區(qū)各工位的人因改進策略如表4所示。

2.5? 針對物流人因的改進策略

物料和成品運輸對環(huán)境有較高的要求，如何合理地處理物料和成品運輸問題，關系著生產(chǎn)線操作者的工作效率和人身安全。在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線操作者去物料區(qū)取送原材料和手工搬運產(chǎn)成品的方式降低了生產(chǎn)效率、增加了安全隱患。為此，針對此項的人因改進思路為調(diào)整配送物料和產(chǎn)成品的運輸方式。

首先計算齒輪箱組件生產(chǎn)線物流強度。物流強度是指一定時間內(nèi)通過兩物流點間物料的數(shù)量，計算公式為f=qn，其中f代表當量物流量，q代表一個搬運單位的當量重量，n代表單位時間內(nèi)流經(jīng)某一區(qū)域或路徑的單元數(shù)。依據(jù)上述公式，可計算得到針對生產(chǎn)線相應工位的物流強度，如表5所示。

由表5可知，齒輪箱組件生產(chǎn)線各工位的物流強度等級差異較大，而不同的物流強度等級要求不同的物料點選址，這對物料運輸?shù)撵`活性提出了較高的要求。為此，考慮引進自動化物流設備AGV自動導引運輸車進行物料配送，AGV小車單次配送的物料按照表4所示各工位的物流強度比例進行分配。此外，設置若干名物料專員負責物料在AGV小車與各工位之間的銜接工作。

產(chǎn)品組裝并包裝完畢后，需要將成品從包裝區(qū)運送至成品區(qū)暫存。為了避免操作人員來回走動進行手工搬運作業(yè)，考慮在包裝區(qū)與成品區(qū)之間設置傳送帶。由于包裝區(qū)與成品區(qū)之間距離較短，且成品體積較小，設計采用小型傳送帶進行物料運輸。具體設計思路為：采取直線型運輸方式，以摩擦帶動驅(qū)動，能夠通過開關實現(xiàn)連續(xù)運輸、節(jié)拍運行和變速運行等多種控制方式的自由切換，并設置急停按鈕，保障運輸安全。

3? 改進策略效果分析

選取齒輪箱組件生產(chǎn)線組裝區(qū)試點應用第3章提出的若干人因改進策略。經(jīng)過試用前期準備、生產(chǎn)現(xiàn)場試用測試和隨訪調(diào)查、試用后綜合評價分析，現(xiàn)分別給出針對多品種小批量生產(chǎn)線人因工程體系5個子模塊的改進效果對比分析，如表6所示。

4? 結(jié)論與管理啟示

本研究基于德朔公司Z事業(yè)部多品種小批量生產(chǎn)線實際案例，從人因工程角度針對生產(chǎn)線給出若干人因改進策略。在該研究中，采用動作分析、JACK仿真模擬和RULA方法，針對5個人因子模塊分別進行人因改進策略研究，通過人因改進效果對比分析說明本研究的實際應用價值。具體研究結(jié)論如下：（1）針對工作臺高度設置問題，基于案例研究對象組裝車間操作者樣本信息，計算得到合理的通用工作臺高度，有效緩解了操作者作業(yè)疲勞。（2）針對操作者雙手動作不平衡問題，通過標準作業(yè)操作視頻參考和雙手動素分析，消除影響生產(chǎn)線平衡的冗余動作，實現(xiàn)了雙手動作平衡。（3）針對操作者易疲勞且無法有效減緩疲勞程度問題，采用主成分分析法量化操作者作業(yè)疲勞程度，并依據(jù)能量代謝與疲勞恢復分析理論，確定了合理的勞動與休息時間。（4）針對操作者防護安全問題，采用JACK仿真軟件對工序進行仿真模擬，并結(jié)合RULA方法找到身體各部位存在的安全隱患，分析問題原因并進行針對性改進，從而降低了操作者的疲勞程度與安全隱患。（5）針對物料和成品運輸問題，通過對生產(chǎn)線各工位的物流強度進行分析，設計采用AGV小車配送物料，并在包裝區(qū)與成品區(qū)之間設置傳送帶代替人工搬運成品，從而提高了物料和成品的運輸效率、規(guī)避了操作者安全風險。

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