面向多品種小批量生產(chǎn)線的人因改進(jìn)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(dòng)負(fù)荷強(qiáng)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(jìn)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(duì)象，基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)改善理論和人—機(jī)—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(gè)人因子模塊;在此基礎(chǔ)上，采用動(dòng)作分析、JACK仿真模擬和快速上肢評(píng)估方法，針對(duì)上述5個(gè)人因模塊分別提出人因改進(jìn)策略;進(jìn)一步通過試點(diǎn)應(yīng)用改進(jìn)策略和對(duì)比分析，評(píng)價(jià)改進(jìn)策略效果。提出的人因改進(jìn)策略可以改善人機(jī)間作業(yè)環(huán)境，規(guī)范操作者作業(yè)動(dòng)作，布局合理作息時(shí)間，打造安全、舒適的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

關(guān)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(hào)：F273??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)性化、多樣化的客戶需求和日益激烈化、動(dòng)態(tài)化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，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(duì)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(dòng)和調(diào)整次數(shù)會(huì)隨著生產(chǎn)批次相應(yīng)增多。因此，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，很多操作者都會(huì)面臨勞動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度大、疲勞程度高、潛在安全隱患多等問題。

目前，針對(duì)人因改進(jìn)策略的研究大多是面向大批量生產(chǎn)模式的，而針對(duì)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(guān)研究。例如，蒲海榮[2]采用計(jì)算機(jī)輔助人因工程仿真方法，針對(duì)汽車總裝制造系統(tǒng)進(jìn)行人因工程優(yōu)化和人為失誤概率預(yù)測(cè)。Tiacci等[3]提出一種基于職業(yè)重復(fù)行動(dòng)指數(shù)的符合人體工程學(xué)的異步裝配線設(shè)計(jì)方法。Sobhani等[4]構(gòu)建了一個(gè)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(duì)職業(yè)健康的負(fù)面感知。金海哲等[5]提出了一種基于支持向量機(jī)的醫(yī)療人因失誤因素識(shí)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(duì)H公司生產(chǎn)線效率低下、等待浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，運(yùn)用生產(chǎn)線平衡、ECRS等方法對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行分析，從而降低了勞動(dòng)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(chǔ)。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(shí)生產(chǎn)中，多品種小批量生產(chǎn)線對(duì)操作者要求高、依賴程度高且操作者勞動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)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(duì)象，構(gòu)建人因工程體系、劃分5個(gè)人因子模塊;綜合采用動(dòng)作分析、JACK仿真模擬和快速上肢評(píng)估分析（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）方法分別提出人因改進(jìn)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(shù)水平的電動(dòng)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(jī)械設(shè)備?；趯?shí)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(diǎn)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(fù)雜，且存在交叉、迂回等現(xiàn)象;物料搬運(yùn)時(shí)間和搬運(yùn)路線具有不確定性。

基于上述特點(diǎn)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(shí)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(duì)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(jìn)策略。

1.2? 人因工程體系

基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)改善理論和人—機(jī)—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(diǎn)，通過實(shí)地調(diào)研訪談，可針對(duì)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(duì)5個(gè)人因子模塊的解釋說明如表1所示。

2? 人因改進(jìn)策略

基于Z事業(yè)部齒輪箱組件生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)作分析經(jīng)濟(jì)性原則[8]和能量代謝、疲勞恢復(fù)分析理論[9]，針對(duì)人因工程體系各子模塊分別提出如下改進(jìn)策略。

2.1? 針對(duì)工作臺(tái)人因的改進(jìn)策略

工作臺(tái)高度設(shè)置是影響操作者工作效率和勞動(dòng)疲勞程度的重要因素。案例研究對(duì)象生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行工作臺(tái)高度設(shè)置的重要考慮因素。

經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，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(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告（2015）》，確定主要來源地（江蘇省和安徽?。┎煌詣e操作者的身高標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)《中國成年人人體尺寸》（GB-1000-88），確定與案例研究對(duì)象身高相對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)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(chǔ)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(shí)際狀況（如年代變化對(duì)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(tái)高度

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

2.2? 針對(duì)線體人因的改進(jìn)策略

根據(jù)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)性原則，雙手動(dòng)作的平衡性是影響操作者工作效率和勞動(dòng)疲勞程度的重要因素[10]。在反復(fù)觀看案例研究對(duì)象裝配齒輪組件工序標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)操作視頻的基礎(chǔ)上，分析并消除影響產(chǎn)線平衡的冗余動(dòng)作是該項(xiàng)人因改進(jìn)的具體思路。

以瓶頸工序裝齒輪組件工位的動(dòng)素分析為例，通過觀看標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)操作視頻，采用動(dòng)素分析法將該工位的每一連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行拆解分析?；诰唧w工位動(dòng)素分析表，發(fā)現(xiàn)操作者左右手工作嚴(yán)重不平衡，例如瓶頸工序中操作者左手有效動(dòng)素?cái)?shù)為9，無效動(dòng)素?cái)?shù)為32;右手有效動(dòng)素?cái)?shù)為30，無效動(dòng)素?cái)?shù)為11。此外，在作業(yè)過程中，操作者存在大量無效動(dòng)素（如持住、等待等）。

運(yùn)用ECRS（取消、合并、重排、簡(jiǎn)化）原則對(duì)該工位具體操作動(dòng)作進(jìn)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(dòng)作，從而解放雙手使其可以進(jìn)行同時(shí)作業(yè)。改善后操作者左手有效動(dòng)素?cái)?shù)為25，無效動(dòng)素?cái)?shù)為7;右手有效動(dòng)素?cái)?shù)為23，無效動(dòng)素?cái)?shù)為9。左右手動(dòng)作基本平衡，并且消除了大量無效動(dòng)素。

2.3? 針對(duì)廠區(qū)人因的改進(jìn)策略

工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)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(jìn)行操作且工作臺(tái)高度設(shè)置不合理，這些因素導(dǎo)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(píng)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(duì)象的具體數(shù)據(jù)信息（改進(jìn)前的操作者作息時(shí)間分布如圖2所示），確定合理作息時(shí)間。

針對(duì)操作者身體各部位的疲勞狀況，設(shè)計(jì)了作業(yè)疲勞程度調(diào)查表，其中，針對(duì)每一疲勞特征設(shè)置1至7共7個(gè)等級(jí)，具體的，等級(jí)1對(duì)應(yīng)工作開始時(shí)的疲勞感受程度，等級(jí)7對(duì)應(yīng)自身能夠承受的最大疲勞程度或每日工作結(jié)束時(shí)的疲勞程度，疲勞特征等級(jí)越大代表疲勞感知程度越強(qiáng)。

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(jìn)行數(shù)據(jù)特征提取。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和主成分分析降維后，計(jì)算得到操作者對(duì)作業(yè)疲勞程度評(píng)價(jià)的綜合得分，以此量化操作者的疲勞狀況。具體的，以1小時(shí)為步長(zhǎng)選取9：00至20：00區(qū)間內(nèi)每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一主成分得分作為數(shù)據(jù)特征值，分別對(duì)腿腳酸痛程度、肩臂酸痛程度、手部酸麻程度和自評(píng)疲勞程度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)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(xiàng)操作者疲勞程度均隨工作時(shí)間推移而增強(qiáng)，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(shí)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(dāng)前生產(chǎn)線操作者的作息時(shí)間分布需要改善。

接下來需要確定合理的作息時(shí)間。

（1）依據(jù)式（1），計(jì)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(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，操作者平均心率值為94bpm，據(jù)此可計(jì)算得到操作者耗氧量為0.88L/min。

（2）依據(jù)式（2），計(jì)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(jià)??????????????????????????????????????? （2）

其中：氧熱價(jià)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(shí)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(dòng)時(shí)間和休息時(shí)間，M表示操作者能量消耗量。由式（2）計(jì)算結(jié)果可得T

=98min，T=6min。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在當(dāng)前企業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度下，齒輪箱組件生產(chǎn)線操作者應(yīng)當(dāng)每連續(xù)工作98min后休息6min進(jìn)行疲勞恢復(fù)調(diào)整。據(jù)此，可規(guī)劃操作者作息時(shí)間分布，如圖4所示。

2.4? 針對(duì)防護(hù)安全人因的改進(jìn)策略

在防護(hù)安全方面，不規(guī)范的動(dòng)作會(huì)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(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品，選定齒輪箱組件生產(chǎn)線為研究對(duì)象，并針對(duì)組裝區(qū)各工位進(jìn)行分析。接下來采用JACK仿真姿勢(shì)變更數(shù)據(jù)和RULA方法對(duì)齒輪箱組件生產(chǎn)線操作者作業(yè)情況進(jìn)行仿真分析。其中，RULA方法用于評(píng)估操作者相關(guān)身體部位在作業(yè)時(shí)的不同角度和力度所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)（單位：分），且分值越高表明風(fēng)險(xiǎn)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(píng)價(jià)結(jié)果較差，主要原因是焊接工作屬于精密作業(yè)，對(duì)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(gè)部位的活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)各工位進(jìn)行仿真分析，以裝齒輪組件工位為例的仿真姿勢(shì)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(qiáng)度、軀干側(cè)身強(qiáng)度和軀干轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度三者之間存在一定程度上的突變;肩背負(fù)荷不平衡，右肩背強(qiáng)度存在多次顯著突躍;左右膝蓋和雙腳踝活動(dòng)強(qiáng)度均表現(xiàn)不平衡，且存在較大程度的強(qiáng)度突變?；谌艘蚍抡娼Y(jié)果，齒輪箱組件生產(chǎn)線組裝區(qū)各工位的人因改進(jìn)策略如表4所示。

2.5? 針對(duì)物流人因的改進(jìn)策略

物料和成品運(yùn)輸對(duì)環(huán)境有較高的要求，如何合理地處理物料和成品運(yùn)輸問題，關(guān)系著生產(chǎn)線操作者的工作效率和人身安全。在實(shí)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(yùn)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(duì)此項(xiàng)的人因改進(jìn)思路為調(diào)整配送物料和產(chǎn)成品的運(yùn)輸方式。

首先計(jì)算齒輪箱組件生產(chǎn)線物流強(qiáng)度。物流強(qiáng)度是指一定時(shí)間內(nèi)通過兩物流點(diǎn)間物料的數(shù)量，計(jì)算公式為f=qn，其中f代表當(dāng)量物流量，q代表一個(gè)搬運(yùn)單位的當(dāng)量重量，n代表單位時(shí)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(jì)算得到針對(duì)生產(chǎn)線相應(yīng)工位的物流強(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)差異較大，而不同的物流強(qiáng)度等級(jí)要求不同的物料點(diǎn)選址，這對(duì)物料運(yùn)輸?shù)撵`活性提出了較高的要求。為此，考慮引進(jìn)自動(dòng)化物流設(shè)備AGV自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車進(jìn)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(qiáng)度比例進(jìn)行分配。此外，設(shè)置若干名物料專員負(fù)責(zé)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(yùn)送至成品區(qū)暫存。為了避免操作人員來回走動(dòng)進(jìn)行手工搬運(yùn)作業(yè)，考慮在包裝區(qū)與成品區(qū)之間設(shè)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(shè)計(jì)采用小型傳送帶進(jìn)行物料運(yùn)輸。具體設(shè)計(jì)思路為：采取直線型運(yùn)輸方式，以摩擦帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)，能夠通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸、節(jié)拍運(yùn)行和變速運(yùn)行等多種控制方式的自由切換，并設(shè)置急停按鈕，保障運(yùn)輸安全。

3? 改進(jìn)策略效果分析

選取齒輪箱組件生產(chǎn)線組裝區(qū)試點(diǎn)應(yīng)用第3章提出的若干人因改進(jìn)策略。經(jīng)過試用前期準(zhǔn)備、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試用測(cè)試和隨訪調(diào)查、試用后綜合評(píng)價(jià)分析，現(xiàn)分別給出針對(duì)多品種小批量生產(chǎn)線人因工程體系5個(gè)子模塊的改進(jìn)效果對(duì)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(shí)際案例，從人因工程角度針對(duì)生產(chǎn)線給出若干人因改進(jìn)策略。在該研究中，采用動(dòng)作分析、JACK仿真模擬和RULA方法，針對(duì)5個(gè)人因子模塊分別進(jìn)行人因改進(jìn)策略研究，通過人因改進(jìn)效果對(duì)比分析說明本研究的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。具體研究結(jié)論如下：（1）針對(duì)工作臺(tái)高度設(shè)置問題，基于案例研究對(duì)象組裝車間操作者樣本信息，計(jì)算得到合理的通用工作臺(tái)高度，有效緩解了操作者作業(yè)疲勞。（2）針對(duì)操作者雙手動(dòng)作不平衡問題，通過標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)操作視頻參考和雙手動(dòng)素分析，消除影響生產(chǎn)線平衡的冗余動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了雙手動(dòng)作平衡。（3）針對(duì)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(fù)分析理論，確定了合理的勞動(dòng)與休息時(shí)間。（4）針對(duì)操作者防護(hù)安全問題，采用JACK仿真軟件對(duì)工序進(jìn)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(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，從而降低了操作者的疲勞程度與安全隱患。（5）針對(duì)物料和成品運(yùn)輸問題，通過對(duì)生產(chǎn)線各工位的物流強(qiáng)度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)采用AGV小車配送物料，并在包裝區(qū)與成品區(qū)之間設(shè)置傳送帶代替人工搬運(yùn)成品，從而提高了物料和成品的運(yùn)輸效率、規(guī)避了操作者安全風(fēng)險(xiǎn)。

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