物流工程

1. 物流工程 第十三讲 主讲教师：孙宝凤　　　　　　　　　　　　　　　　学时：48

2. 第5章 设施布置与设计Facility Layout and Design

3. 本 章 主 要 内 容 • 5.1 设施布置概述 • 5.2 基本布置类型 • 5.3 流动模式与空间需求 • 5.4 流水线平衡与设计 • 5.5 单元式布置

4. 5.1 设施布置概述 一、设施布置决策的依据 解决布置决策问题,主要取决于以下方面: (1)系统应达到的目标。 (2)系统对产品和服务的需求。 (3)加工过程的要求。 (4)建筑物或场所的有效空间。

5. 5.1 设施布置概述 二、设施布置设计的含义和内容 目标: 将人员、设备和物料所需要的空间做最适当的分配和最有效的组织,以获得最大的经济效益。 设施布置包括工厂总体布置和车间布置。

6. 5.1 设施布置概述 作业单位(Activity) 概念：指布置图中各个不同的工作区或存在物,是设施的基本区划。可大至一个建筑物或一个车间，亦可小至一个出入口或一台机器——如何划分，须看规划设计工作所处的阶段或层次。 例如： Facility,Department,Work Center（Work station）,FMS

7. 对于现有设施,可以使用原有组成部分的名称划分作业单位或进行新的分合对于现有设施,可以使用原有组成部分的名称划分作业单位或进行新的分合 • 对于新的项目,规划设计人员要逐个确定所有的作业单位。 5.1 设施布置概述 作业单位 划分：

8. 作业单位的层次 工厂总平面布置图 块状布置图 设施 车间布置图 部门 部门 详细布置图 部门 部门 工作中心 工作中心 工作中心 设备布置图 工作地 布置图 工作地 工作地 工作地 宏观--微观的多次轮回 8

9. 5.1 设施布置概述 三、设施布置的目标 设施布置的主要目标是: (1)符合工艺过程的要求。 (2)最有效地利用空间。 (3)物料搬运费用最少。 (4)保持生产和安排的柔性。 (5)适应组织结构的合理化和管理的方便。 (6)为职工提供方便、安全、舒适的作业环境。

10. 5.2 基本布置类型 1.按工作流程形式分类 (1)工艺原则布置(Process Layout) (2)产品原则布置(Product Layout) (3)定位原则布置(Fixed Layout) (4)成组原则布置(Group Layout)

11. 产品原则布置 移动式布置 工艺原则布置 设施布置 成组原则布置 固定式布置 5.2 基本布置类型 四种布置形式之间的关系

12. 物流工程 第十四讲 主讲教师：孙宝凤　　　　　　　　　　　　　　　　学时：48

13. 5.3 流动模式与空间需求 一 流动模式 流动模式可以分为水平和竖直的，如是单层设施，就只用考虑水平流动模式，多层设施布置，还要考虑竖直模式。但总的来说，水平模式是最基本的。 流动模式可以从 工作站内、部门内和部门间 三个层次来考察。

14. 5.3 流动模式与空间需求 • 流动模式: 工作站内 考虑工作站内的流动模式要用动作分析和人因工程。 工作站内的流动应当： Simultaneous同时: 协调手、手臂和脚的动作coordinated use of hands, arms and feet. Symmetrical对称: 协调身体两边的动作 Natural自然: 移动是连续的、曲线式的并利用运动惯量 Rhythmical and Habitual节奏性和习惯性: 移动应当方法得当 且有先后次序，要减少手、眼和肌肉的负担与疲劳

15. 5.3 流动模式与空间需求 • 流动模式: 部门内 部门内的流动模式取决于部门的类型 对产品原则布置和成组单元布置，流动模式就是产品流 前流（End-to-end）、背流（Back-to-back）、折返流（Front-to-front）、环流（Circular）和角流（Odd-angle） 2 machines/operator 1 machine/operator 1 machine/operator END-TO-END BACK-TO-BACK FRONT-TO-FRONT More than 2 machines /operator 1 machine/operator CIRCULAR ODD-ANGLE

16. 5.3 流动模式与空间需求 • 5种基本的流动模式部门间 直线形 L形 U形 环形 S形

17. Flow Patterns Press Turning Milling Store Plate Press Assembly Warehouse Stores Turning Milling Warehouse Assembly Plate U-shaped flow Straight-line flow Stores Press Plate Assembly Turning Milling Warehouse Stores Milling Warehouse Turning Press Plate Assembly S-shaped flow W-shaped flow

18. 考虑出入口位置的设施内流动 At the same location On adjacent sides

19. 流动的规划*** • 有效流动的原则: 1 .有向流的路径最大化原则 2 .最小流量原则 3 .流动成本最小化原则

20. 5.3 流动模式与空间需求 二 空间与人员需求 确定空间需求 • 采用“从下到上”的系统的方法。 • 对制造和办公设施，空间需求的确定要先从单个工作站开始，然后才是工作站集合而成的部门需求。 • 在确定仓储作业的空间需求时，则要考虑库存水平、存储单位、存储方法和策略、设备需求、建筑物条件和人员需求。 • 因为存在多种不确定因素，各部门人员为求稳妥，给出的空间需求数据都偏大。

21. 工作站空间 设备、物料、人员 入口

22. 部门空间 并非各工作站空间的简单相加 工作站之间有很多空间可共享 通道需求： 货物最大面积 <0.5m2加5-10% 货物最大面积 0.5~1m2加10-20% 货物最大面积1~1. 5m2加20-30% 货物最大面积 >1.5m2加30-40%

23. 5.4 流水线平衡与设计 • 5.4.1 流水线相关概念 1 期量标准 也称作业计划标准，是经过科学分析和运算，对加工对象在生产过程中的运动所规定的一组时间和数量标准。 流水线期量标准包括：节拍、作业指示图表、在制品占用量定额。

24. 物流工程 第十五讲 主讲教师：孙宝凤　　　　　　　　　　　　　　　　学时：48

25. 5.4 流水线平衡与设计 （1）节拍（take time） 指流水生产一件产品所需的时间，即一天的工作时间除以一天要生产产品的数量。 节拍是不能测量的，而是要计算的。 • 节拍 = 每日有效工作时间 / 计划每日产量 利用节拍，我们能够平衡不同资源的负荷并识别瓶颈。而通常把流水线中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈”（Bottleneck），瓶颈限制了流水线的产出速度。

26. 概念比较 节拍≠周期时间≠节距时间 • 周期时间（Cycle Time）反映流水线的生产速度，以生产一件产品所需要的时间（秒）来表示。 • 周期时间是可以测量的，它可以小于、大于或等于节拍时间。 • 在组织同步化生产过程中，一定要追求生产周期与生产节拍的基本一致，否则会产生浪费。 • 周期时间是生产效率的指标，比较稳定，它受一定时期的设备加工能力、劳动力配置情况、工艺方法等因素影响，只能通过管理和技术改进才能缩短。 • 节距时间(Pitch Time)是流水线传送带流过两相邻工作站的时间，一般取节距时间等于周期时间

27. （2）作业指示图表 • 为确保流水线按规定的节拍工作，必须对每个工作地详细规定它的工作制度，编制作业指示图表 • 最常见的是SOP（Standard Operation Procedure），即标准作业程序或作业指导书，将作业标准操作步骤和要求以统一的格式描述出来，用来指导和规范日常的作业。

28. SOP

29. 2. 50s节拍规则 • 50s节拍的优越性体现在四个方面： 1）生产率（Productive） 2）安全与人因工程（Safety & Ergonomics） 3) 质量（Quality） 4）员工士气（Morale）

30. 流水线分类 • 流水线可按多种形式分类，如按生产对象、移动方式、转换方式、节拍等。

31. 固定流水线 移动流水线 单一对象流水线 多对象流水线 不变流水线 可变流水线 成组流水线 连续流水线 间断流水线 强制节拍流水线 自由节拍流水线 粗略节拍流水线 自动流水线 机械化流水线 手工流水线 流水线 Assembly line 分类标志 Better 对象移动方式 对象数目 对象轮换方式 连续程度 节奏性 机械化程度

32. 5.4 流水线平衡与设计 5.4.2 流水线平衡 流水线平衡(装配线平衡)目的：使各个工作地点的未工作时间〈闲置时间〉最少。 萨尔凡森的装配线平衡原则：在规定的装配线速度下，使总的空闲时间最少，或使做一 额定工作量的操作人员数最少以使平衡延迟最少。

33. 在装配线的布置中, 为使装配线达到均衡流动,使在装配线上操作的工人停工时间最短。往往面临两个问题: • 在给定的周期时间内,求工作地点的最小数量--布置问题； • 在已定的工作地点数量条件下,求最小的周期时间--编制进度表问题。

34. 1．问题的描述 • 装配一个工件所需要的所有工艺分为n项作业（tasks），它们形成集合V = {1,…, n}。作业是最小的独立工作单元，对一项作业j，都有一个作业时间tj。 • 由于装配工艺的要求，作业顺序并不是任意的，而是有一定的先后次序，我们可以用先后次序图（Precedence Graph，也称前列图）来表示。 • 可行的平衡方案要满足先后次序约束。集合Sk表示分配给工作站k的所有作业，这些作业的合计时间为该工作站时间。 • 流水线100%平衡时，所有工作站的周期时间都等于流水线周期时间C。 • 如果不是100%平衡时，工作站的周期时间只能小于流水线周期时间，这时会有非生产性的空闲时间（Idle Time）。对工作站k，它的空闲时间为C－t (Sk)。显然要提高平衡率，必须尽量降低全部工作站的空闲时间。 • 为组合优化问题，难以求解，常用启发式算法

35. 物流工程 第十六讲 主讲教师：孙宝凤　　　　　　　　　　　　　　　　学时：48

36. 1．问题的描述 • 装配一个工件所需要的所有工艺分为n项作业（tasks），它们形成集合V = {1,…, n}。作业是最小的独立工作单元，对一项作业j，都有一个作业时间tj。 • 由于装配工艺的要求，作业顺序并不是任意的，而是有一定的先后次序，我们可以用先后次序图（Precedence Graph，也称前列图）来表示。 • 可行的平衡方案要满足先后次序约束。集合Sk表示分配给工作站k的所有作业，这些作业的合计时间为该工作站时间。 • 流水线100%平衡时，所有工作站的周期时间都等于流水线周期时间C。 • 如果不是100%平衡时，工作站的周期时间只能小于流水线周期时间，这时会有非生产性的空闲时间（Idle Time）。对工作站k，它的空闲时间为C－t (Sk)。显然要提高平衡率，必须尽量降低全部工作站的空闲时间。 • 为组合优化问题，难以求解，常用启发式算法

37. 2．基本平衡方法 • 生产周期时间和最少工作站（或工作地点）数目，接下来才是按不同方法确定工作站的作业分配。 • 第一步：确定工作周期时间C=H/Q • H——每天生产时间； • Q—每天在H时间内要求的产量； • 第二步：确定最少工作站数目K0 • 注意实际分配工作站数m≥K0）； • tsum—完成一件产品全部作业的时间总和。 • 完成工作站分配后，要计算流水线效率（也称为平衡率）。流水线效率为全部作业的时间总和与实际工作站总数m与周期时间乘积的百分比，即：

38. 40 35 时间 (Seconds) 30 31 32 31 33 42 33 34 35 31 36 25 20 15 10 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 * 简单的手工作业 * 各作业各配置1名作业人员 *日工作时间: 480分 * Neck（瓶颈）作业: 第5号工程(42秒) * 流水线平衡率 LB=(30+32+31+33+42+33+34+35+31+36)/(42ⅹ10) ×100% =337/420 ×100%=80.2%

39. 2．基本平衡方法 • 以例说明 • 某手推车要在一个传送带流水线上组装，每天需生产500辆，每天的生产时间为420min。下图是该手推车的装配网络图（双代号），请根据周期时间和作业次序限制，求使工作地数量最小的平衡方式。

40. 确定工作站节拍= 420×60／500 = 50.4（s），则周期时间C也要达到50.4s。 • 计算满足节拍要求的最少工作站理论值（取不少于计算值的最小整数） • K0= tsum /C = (45+11+9+50+15+12+12+12+12+8+9)／50.4 = 195／50.4 = 3.87≈4 • 选择作业分配规则，以确定流水线平衡。 • 规则1：优先分配后续作业较多的作业 • 先对作业进行排序

41. C=50.4 K0=4 作业 A B C D E F G H I J K 合计 时间 45 11 9 50 15 12 12 12 12 8 9 195 作业 作业 时间 剩余的未 分配时间 可行的 遗留作业 最多的 后续作业 操作时间 最长的作业 • 分配各工作站的作业，分配结果如下 工作站1 A 45 5.4 无 工作站2 D 50 0.4 无 E 工作站3 B 11 39.4 C, E C, E E 15 24.4 C, H, I C C 9 15.4 F, G, H, I F, G, H, I F, G, H, I F 12 3.4 工作站4 G 12 38.4 H, I H, I H 12 26.4 I I 12 14.4 J J 8 6.4 计算流水线平衡后的效率 E1 =195／(5×50.4) =77% 工作站5 k 9 41.4 高吗？

42. 2 5 6 1 3 4 4 4 4 7 6 C=50.4 K0=4 作业 A B C D E F G H I J K 合计 时间 45 11 9 50 15 12 12 12 12 8 9 195 作业 作业 时间 剩余的未 分配时间 可行的 遗留作业 最多的 后续作业 操作时间 最长的作业 由于平衡效率不高，根据规则2“优先分配操作时间最长的作业”来确定 工作站1 D 50 0.4 无 工作站2 A 45 5.4 无 H, I 工作站3 E 15 35.4 B, H, I B H 12 23.4 B, I I I 12 11.4 B F, G, H, I F, G, H, I B 11 0.4 工作站4 C 9 41.4 F, G F, G F, G F 12 29.4 G G G 12 17.4 K J J 8 9.4 计算流水线平衡后的效率 E2 =195／(4×50.4) =97% k 9 0.4 工作站间时长优先 工作站内考虑约束

43. 3．韩格逊-伯尼法 也称位置加权法或矩阵法。 首先根据先后次序图求出每个作业单元的位置权值(Ranked Positional Weight)——作业时间与其后续所有作业时间的总和，然后根据位置权值的高低进行作业安排，优先安排权值高的作业，从而尽量减少工作站数。 例现拟在传送带上组装某部件。该部件每天需组装369台，每天的生产时间480min。装配顺序及装配时间如下表。根据周期时间和作业顺序限制，求工作站数最少情况下的平衡流动及装配线效率。 43

44. 44

45. 解 共4步(1) 确定周期时间和最少工作站数 将已知的数据（该部件每天需组装369台，每天的生产时间480min）代入得周期时间： C=H/Q=480*60/369=78 秒 用下式计算满足周期时何要求的最少工作站数： K= t/C=(50＋25＋20 ＋30＋25＋25＋12＋14＋20)/78 =2.83≈3 故最少需3个工作站。 45

46. (2) 画出其先后次序图和先后次序矩阵表。 依照装配程序表的要求可以画出先后次序图。图中圆圈为作业，箭头为操作顺序。 46

47. 装配先后次序矩阵表 领先+1 延后-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 2 -1 0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 3 -1 -1 0 0 +1 +1 +1 +1 +1 4 -1 -1 0 0 +1 +1 +1 +1 +1 5 -1 -1 -1 -1 0 +1 +1 +1 +1 6 -1 -1 -1 -1 -1 0 +1 +1 +1 7 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 +1 8 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 +1 9 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 47

48. (3) 完成位置权值计算 1 Ti 秒 2 3 4 5 6 7 8 9 0 50 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 25 -1 0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 20 -1 0 0 +1 +1 +1 +1 +1 30 -1 -1 0 0 +1 +1 +1 +1 +1 25 -1 -1 -1 -1 0 +1 +1 +1 +1 -1 25 -1 -1 -1 -1 0 +1 +1 +1 -1 12 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 +1 14 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 +1 20 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0 ti 50 25 20 30 25 25 12 14 20 位置权值pwa 为该单元及所有带+1单元时间之和 位置权值矩阵表 pwa 1 221 2 171 3 116 4 126 5 96 6 71 7 32 8 34 9 20 48

49. (4) 分配工作站的作业，平衡装配线 =周期时间(78秒)-工作站时间 递减顺序 装配线平衡表 按位置权值递减的次序，在满足先后次序限制的条件下，指派尽可能多的单元至一工作站，直至接近该站的周期时间。 工作站 K 单元 i 位置权值 pwa 紧前 单元 单元时间 ti 秒 工作站时间 Σti 秒 平衡 延迟秒 1 1 221 -- 50 50 28 1 2 171 1 25 75 3 2 4 126 2 30 30 48 2 3 116 2 20 50 28 2 5 96 3,4 25 75 3 3 6 71 5 25 25 53 3 8 34 6 14 39 39 3 7 32 6 12 51 27 3 9 20 7,8 20 71 7 49

50. 装配线效率=完成作业所需时间总和/（实际工作站总数*节拍）= • 我国企业的普通流水线平衡率一般在80%左右，而日本等国家的先进企业普遍在90%以上。 50