基于SLP方法的某支線客機尾錐生產(chǎn)線產(chǎn)能爬坡規(guī)劃

劉 敏，王大維，張 旭

（中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司，沈陽 110000）

生產(chǎn)線布局規(guī)劃就是在給定的空間內(nèi)合理安排生產(chǎn)線上各工位及輔助設(shè)施的相對位置與面積，以確保生產(chǎn)線系統(tǒng)中物料流與信息流的暢通。在當(dāng)前飛機制造企業(yè)，經(jīng)常面臨客戶訂單隨時變化的情況，此時需要工程師對當(dāng)前已有生產(chǎn)線進行升級改造。研究表明，物料的搬運費用占總成本的20%～50%，而合理的工廠布局規(guī)劃可使這項費用至少減少10%～30%，車間布局是否合理不僅直接影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行，而且研究物料搬運成本的影響已成為確定生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素之一[1]。20世紀(jì)60年代美國工業(yè)工程師Richard Muther提出了系統(tǒng)性布局規(guī)劃（Systematic layout planning,SLP）方法，該方法是一種條理性很強、通過物流分析與作業(yè)單位關(guān)系密切程度分析相結(jié)合、求得合理布置的一套系統(tǒng)性布置設(shè)計方法，使得原本依靠經(jīng)驗的定性布局設(shè)計進入到定量計算階段。

某型號支線客機是一款窄體、雙引擎、中程噴氣客機，中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司承擔(dān)了前/中/后機身、艙門、尾錐、中央翼盒和翼身整流罩7個工作包產(chǎn)品的裝配任務(wù)[2]。在2017年尾錐首架產(chǎn)品成功交付客戶后，為了開通批生產(chǎn)線，結(jié)合首架研制過程中存在的問題，對尾錐工作包進行了綜合工藝策劃評審，主要針對以下3個方面：（1）核查首架研制是否存在工藝策劃疏漏，包括工藝文件準(zhǔn)確性核實、關(guān)鍵工藝過程控制等；（2）針對首架生產(chǎn)執(zhí)行過程存在的問題進行改進，如工裝改進、增加輔助定位器等；（3）為保證后續(xù)項目批產(chǎn)進行工藝優(yōu)化及改進，如工具改進、裝配順序改進、工藝定額優(yōu)化、零件裝配狀態(tài)優(yōu)化等。

隨著上述優(yōu)化措施的實施，順利開通了批生產(chǎn)線，根據(jù)MS14主進度計劃，2018年尾錐需交付18架，2019年需交付66架，由于客戶交付數(shù)量需求的迅速提升，要求工廠對當(dāng)前生產(chǎn)線布局進行升級，以滿足爬坡生產(chǎn)需求。同時基于精益生產(chǎn)線理念，消除當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場物流搬運浪費、面積浪費，打造精益化的尾錐生產(chǎn)線，如圖1所示。

圖1 某支線飛機項目Fig.1 A regional aircraft program

1 SLP方法理論

在規(guī)劃與布局的SLP方法中，Richard Muther將研究規(guī)劃與布局問題的起點歸納為5個基本要素，分別為產(chǎn)品、產(chǎn)量、工藝路線、支持服務(wù)和時間，如圖2所示，按照SLP設(shè)計規(guī)劃理論，在生產(chǎn)線產(chǎn)能爬坡規(guī)劃過程中，分為3個階段。

圖2 SLP方法流程圖Fig.2 Flow chart of systematic layout planning method

第1階段為產(chǎn)能分析階段，對產(chǎn)品P（Product）、產(chǎn)量Q（Quantity）、工藝路線R（Route）、支持服務(wù)S（Supporting service）、時間T（Time）5個要素進行收集和計算，5個要素分別解釋了生產(chǎn)線建設(shè)過程中5個最重要的問題，即生產(chǎn)什么、生產(chǎn)多少、怎樣生產(chǎn)、用什么支持生產(chǎn)、何時生產(chǎn)?；谏鲜?個要素進行物流、作業(yè)強度等分析，可以初步得到未來生產(chǎn)線大概輪廓。

第2階段為方案設(shè)計階段，將影響生產(chǎn)線的其他限制因素綜合考慮后，通常設(shè)計3套方案供決策層評估。

第3階段為選擇階段，由于不同的生產(chǎn)線布局規(guī)劃側(cè)重點不同，因此布局的評價是一個綜合性的問題，沒有絕對的好壞，只有相對的優(yōu)勢，采用綜合評價表（考慮精益生產(chǎn)、物流、面積利用率、人因工程、未來重構(gòu)性、風(fēng)險應(yīng)對、視覺管理等因素）對每種方案進行打分，最終評選出最優(yōu)方案實施。

目前，SLP設(shè)計方法理論已經(jīng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛運用，并取得了一定研究成果，其中徐熔[3]采用SLP方法的相關(guān)理論，通過對H公司機加工和裝配兩類生產(chǎn)線平衡和生產(chǎn)線工序進行設(shè)計，將多條生產(chǎn)線作為多個單元布局進行優(yōu)化配置，并提出了逐年改善的創(chuàng)新設(shè)計。李建華等[4]以XM煤礦企業(yè)的機加分公司車間為研究對象，通過SLP理論方法對車間的物流關(guān)系和作業(yè)單位相互關(guān)系進行分析，結(jié)合車間實際給出了2種優(yōu)化方案。通過方案綜合評價選出了較為合理的方案。陳傳昊等[5]以新星配送中心為例，運用SLP法針對配送中心平面布局問題進行規(guī)劃設(shè)計，得到最終合理的布局方案，降低了物流成本，提高了配送中心整體效益。周潤博[6]針對某工廠生產(chǎn)量不足難以滿足訂單需求量的問題，首先按照系統(tǒng)布局規(guī)劃的理論、方法和步驟進行研究與規(guī)劃，然后通過數(shù)學(xué)建模的方式針對目標(biāo)問題尋求最優(yōu)解，減少了搬運距離，實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)線平衡率的提高，驗證了改進后的SLP方法的有效性和可行性。Wiyaratn等[7]以工藝流程圖、物料流程圖和作業(yè)相關(guān)圖為基礎(chǔ)，設(shè)計了鋼鐵制造企業(yè)工廠布局，顯著縮短了從鋼坯切割到倉庫的物流距離。Patial[8]采用工藝流程圖、物流相關(guān)圖和作業(yè)關(guān)系圖分析，對工廠現(xiàn)有布局進行了改進，提高了工廠裝配線上的面積利用率和勞動生產(chǎn)率。Ojaghi等[9]采用系統(tǒng)布局規(guī)劃和圖論兩種方法構(gòu)造出多個布局，通過布局效率的計算優(yōu)選出最佳布局方案。

2 產(chǎn)能分析

2.1 原始資料收集

按照SLP設(shè)計方法理論，在尾錐生產(chǎn)線產(chǎn)能爬坡規(guī)劃過程中首先對P、Q、R、S、T原始資料進行收集。

（1）產(chǎn)品P。規(guī)劃目標(biāo)爬坡生產(chǎn)線為尾錐生產(chǎn)線，交付產(chǎn)品為尾錐。

（2）產(chǎn)量Q。依據(jù)MS14主進度計劃，每個月按照22個工作日計算，2018年尾錐年產(chǎn)18架份，月產(chǎn)1.5架份，生產(chǎn)節(jié)拍為15d/架，根據(jù)客戶目標(biāo)產(chǎn)量要求，規(guī)劃后要求尾錐生產(chǎn)線具備年產(chǎn)66架份生產(chǎn)能力，即月產(chǎn)5.5架份。

（3）工藝路線R。表示工程/作業(yè)內(nèi)容及其順序，可用架次流程圖、平衡線圖分析關(guān)鍵瓶頸工位是否滿足未來生產(chǎn)節(jié)拍要求、生產(chǎn)線平衡性等。此階段需對各裝配站位工作內(nèi)容、最優(yōu)人力、工時、占地面積等數(shù)據(jù)進行詳細(xì)計算。圖3為尾錐裝配流程圖，根據(jù)尾錐產(chǎn)品工藝分離面，將產(chǎn)品各組成部件按照站位進行劃分，同時平衡各站位工作量，盡可能保證各個站位生產(chǎn)節(jié)拍相同。采用上述方法，尾錐工作包分為壁板站位→APU罩裝配站位→總裝裝配站位→總裝補鉚站位。

圖3 尾錐裝配流程圖Fig.3 Assembly flow chart of tail cone

圖4為尾錐架次流程圖中APU罩右壁板裝配站位部分，架次流程圖顯示本站位號為CT235，工時為α/h（涉及商業(yè)秘密，以字母α表示），最優(yōu)操作人力為1人，工裝占地面積（長×寬）為3m×1.5m。

圖4 APU右壁板裝配架次流程圖內(nèi)容Fig.4 Details of vehicle flow chart of APU R.H.panel

如圖5所示，通過對當(dāng)前生產(chǎn)線平衡圖分析，APU罩裝配工位（CT310）、尾錐總裝工位（CT410）、尾錐總裝補鉚工位（CT420）裝配周期過長，為影響產(chǎn)能爬坡上速率關(guān)鍵瓶頸工位，同時從圖中5可知過長的裝配周期造成了其他工位的等待。

圖5 當(dāng)前生產(chǎn)線平衡圖Fig.5 Current production line balance diagram

上述3個瓶頸站位均已配置最優(yōu)人力，增加人力后無法提升效率，經(jīng)過分析，CT310和CT420工位可以通過增加效率工裝方式縮短生產(chǎn)節(jié)拍。而CT410總裝工位在批產(chǎn)階段經(jīng)常出現(xiàn)蒙皮拼接帶板與89框裝配間隙超差問題，需制作實體墊片填充間隙，該故障發(fā)生頻次高，返修周期長，嚴(yán)重影響裝配進度。通過組織技術(shù)人員對故障原因進行分析，發(fā)現(xiàn)主要原因為誤差累計導(dǎo)致現(xiàn)有裝配方案無法滿足產(chǎn)品裝配需求，故對產(chǎn)品工藝分離面和裝配流程進行優(yōu)化，從總裝工位（CT410）拆解出總裝前段（CT404）和總裝后段（CT406）兩個前置工位，如圖6所示，將總裝裝配改為總裝前段和總裝后段2個部件的對接形式，以此降低總裝工位的裝配誤差累計，從而消除現(xiàn)場故障拒收。同時該改進方案將總裝原有的工作量分解到3個站位，將總裝現(xiàn)有的1個生產(chǎn)節(jié)拍平均為2個生產(chǎn)節(jié)拍，降低了總裝工位裝配周期，提升了整個尾錐生產(chǎn)線平衡性，如圖7所示，在對總裝工位工作量進行拆解后，尾錐所有站位裝配周期均滿足未來爬坡生產(chǎn)節(jié)拍要求，經(jīng)計算平衡率為79.2%。

圖6 尾錐生產(chǎn)線站位節(jié)拍拆分對比Fig.6 Comparison of takt time separation of tail cone production line

圖7 改善后生產(chǎn)線平衡圖Fig.7 Production line balance diagram after improvement

（4）支持服務(wù)S。依據(jù)站位工時、生產(chǎn)節(jié)拍、最優(yōu)人力計算產(chǎn)能爬坡過程中配套工裝、人員數(shù)量，同時組織各部門評估產(chǎn)能爬坡過程中相關(guān)可能風(fēng)險項。參考未來尾錐裝配架次流程圖，以APU罩裝配站位為例，說明新增工裝設(shè)備計算過程。

當(dāng)飛機裝配進入批量生產(chǎn)模式后，隨著裝配數(shù)量不斷增加，工人自身通過不斷的學(xué)習(xí)，熟練度逐漸提升，裝配速率越來越快，理論上工時應(yīng)該逐漸遞減，最后趨于穩(wěn)定，其計算公式如下[10]：

式中，x為產(chǎn)品累計產(chǎn)量；y為第x件產(chǎn)品工時；a為第1件產(chǎn)品工時；m為學(xué)習(xí)系數(shù)，其中m=lgc/lg2，c為學(xué)習(xí)率，上述公式被稱為學(xué)習(xí)曲線公式。根據(jù)飛機裝配行業(yè)經(jīng)驗，通常取82%學(xué)習(xí)率，基于首架工時和學(xué)習(xí)曲線公式計算產(chǎn)能爬坡階段對應(yīng)架次工時，令所需工裝數(shù)量為n，則，

經(jīng)過計算后尾錐生產(chǎn)線產(chǎn)能爬坡階段所需工裝數(shù)量如表1所示，以APU罩裝配站位為例，考慮兩班制后，所需工裝數(shù)量為1.4套，因當(dāng)前工裝數(shù)量為1套，所以即使采取倒班制當(dāng)前工裝數(shù)量仍然不足，需增加效率工裝滿足爬坡生產(chǎn)節(jié)拍要求。其他站位分析方式相同。

表1 尾錐生產(chǎn)線新增工裝數(shù)量Table 1 Quantity of jigs required of tail cone production line

綜上分析，當(dāng)生產(chǎn)節(jié)拍達4d/架時，APU罩裝配和總裝補鉚工位各需增加1套效率工裝，總裝前段和后段各增加1套新制工裝，除總裝裝配工位（CT410）外實行兩班制，因此增加人力為33人，保證滿足目標(biāo)生產(chǎn)節(jié)拍要求。

（5）時間T，通常是指標(biāo)準(zhǔn)工時、生產(chǎn)周期、節(jié)拍、常規(guī)工作時間（天數(shù)、班次、小時數(shù)）等。在尾錐生產(chǎn)線爬坡規(guī)劃過程中，為了提高工裝使用周期，減少新增工裝投入成本，考慮每天兩班制，每個班次7.5h，因此4d/架生產(chǎn)節(jié)拍換算成小時為4×7.5×2=60h。

2.2 相關(guān)圖分析

在確定生產(chǎn)線布局形式時，除了考慮工藝流程外，還需考慮各站位節(jié)拍之間的物流情況，即通過作業(yè)單位物流相關(guān)圖（穆德圖）對各節(jié)拍站位進行物流相關(guān)強度分析。通常在物流強度分析中將作業(yè)單位間的物流強度劃分為A（非常重要）、E（較重要）、I（重要）、O（一般）、U（無關(guān)）5個等級[11]。圖8為尾錐生產(chǎn)線的作業(yè)單位物流表，可以看出尾錐生產(chǎn)線部件組裝工位主要集中于APU罩裝配工位、總裝前段工位、總裝后段工位、總裝補鉚站位和總裝站位，布局規(guī)劃應(yīng)首先考慮這些工位進氣口門和整流罩裝配工位物流強度為O，為尾錐生產(chǎn)線物流強度最低等級，可以最后考慮其布置方式。

圖8 尾錐生產(chǎn)線作業(yè)單位物流搬運成本Fig.8 Logistics handling cost of tail cone production line

3 布局方案設(shè)計

3.1 修正及限制因素

在產(chǎn)能分析階段，已經(jīng)完成瓶頸工位分析，包括所需新增工裝、人力、面積需求，考慮到新建廠房投入使用以及公司規(guī)劃要求等因素，未來尾錐工作包將轉(zhuǎn)移至新廠房進行生產(chǎn)。如圖9所示，新建部裝廠房南北方向分為3跨，除中間一跨為兩臺10t位吊車，其余南北跨均為5t吊車，艙門、尾錐工作包單個產(chǎn)品不超過1t，考慮吊車資源有效利用，以及未來生產(chǎn)線規(guī)劃的靈活性，中間一跨需預(yù)留給其他大質(zhì)量桶段工作包使用；中央翼盒和翼身整流罩屬于復(fù)合材料工作包，需要進行集中除塵處理，新建二期廠房時在西北側(cè)附樓預(yù)留除塵器配電柜、線纜等，因此綜合考慮上述兩點因素，將新建部裝廠房南側(cè)一跨用于艙門、尾錐工作包生產(chǎn)線布置，中間一跨用于預(yù)留其他工作包區(qū)域，北側(cè)一跨用于復(fù)材工作包生產(chǎn)線布置。

圖9 尾錐生產(chǎn)線位置規(guī)劃圖Fig.9 Location planning of tail cone production line

3.2 空間關(guān)系分析

在確定尾錐生產(chǎn)線布局規(guī)劃過程中，采用線型圖法生成平面布置圖，具體做法如下：（1）用4條平等線段表示兩作業(yè)單位間的A級關(guān)系，3條平等線表示E級關(guān)系，2條I級，1條O級，U級不連線；（2）將A、E級關(guān)系的作業(yè)單位放進布置圖中，同一級別的用同一長度的線段表示，A級線段最短，取一個單位，E級的長度為A級的兩倍，依次類推；（3）按同樣的規(guī)則布置I級關(guān)系，若作業(yè)單位較多，線段混亂，可以不畫O級關(guān)系；（4）將各個部門的面積放入布置圖中，生成空間關(guān)系圖。

按照線型圖法，先將A、E、I、O、U關(guān)系量化為數(shù)值（A=4，E=3，I=2，O=1，U=0），表2為尾錐生產(chǎn)線16個作業(yè)單位的綜合物流強度和按分值的排序。在排序表中分值越高，說明該工位涉及物流強度越高，即該作業(yè)單位越應(yīng)靠近布置圖的中心位置，越低則越往邊緣。

表2 綜合物流強度排序Table 2 Comprehensive sequence of total closeness rating

如圖10所示，根據(jù)線型圖法及上述原則經(jīng)過修正后得到尾錐生產(chǎn)線空間布置圖輪廓。按上述綜合物流強度排序表可知，CT310、CT404、CT406、CT410、CT420工位綜合物流強度高，即APU裝配工位、總裝前段工位、總裝后段工位、總裝工位以及總裝補鉚工位應(yīng)處于布局圖核心位置，次之為壁板工位，對于CT350、CT360工位即整流罩裝配和進氣口門裝配可放置于布局圖邊緣。

圖10 尾錐生產(chǎn)線空間布置圖Fig.10 Space layout of tail cone production line

3.3 設(shè)計方案

將產(chǎn)能分析階段的工裝、設(shè)備等作業(yè)單位按照空間布置圖邏輯放入目標(biāo)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)，在詳細(xì)布局規(guī)劃階段還需綜合考慮下述生產(chǎn)線布局原則，并做好物流路線標(biāo)識。（1）工藝要求生產(chǎn)對象流動順暢，避免工序之間的交錯疊加；（2）最有效地利用空間；（3）物料搬運費最少；（4）保持生產(chǎn)和安排的柔性；（5）適于組織結(jié)構(gòu)的合理化和管理方便；（6）為職工提供安全、方便、舒適的作業(yè)環(huán)境。

本研究共設(shè)計3套布局方案進行評審，如圖11～13所示。在評審階段，組織包括消防安全、設(shè)備維護、工業(yè)工程、精益生產(chǎn)、裝配工藝和生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)人員，采用頭腦風(fēng)暴等方法對3種布局方案進行討論與評估，評估過程考慮精益、物流、面積利用率、人因工程、未來重構(gòu)性、風(fēng)險應(yīng)對和視覺管理等因素。

圖11 尾錐生產(chǎn)線布局設(shè)計方案1Fig.11 Layout 1 of tail cone production line

4 方案評價及選擇

對布局方案設(shè)計階段的3個方案進行對比，其中，方案1的優(yōu)點主要表現(xiàn)為尾錐壁板站位/APU壁板站位距離下一裝配站位最近，因此物流搬運成本最小，交付區(qū)域距離發(fā)運大門最近。缺點為剩余生產(chǎn)面積呈“L”型，不便于艙門生產(chǎn)線流水線布置；艙門交付區(qū)域靠近廠房內(nèi)部，發(fā)運過程車輛進入廠房內(nèi)，影響生產(chǎn)同時存在安全隱患。方案2的優(yōu)點主要表現(xiàn)為尾錐生產(chǎn)線“U”型布局，操作工在區(qū)域內(nèi)可以按照8字形方式行走，操作人員走動范圍較小，交付區(qū)域距離發(fā)運大門最近。缺點為“U”型生產(chǎn)線布置占用場地面積更大，不便于交付產(chǎn)品的集中管理，當(dāng)出現(xiàn)交付停滯時，需規(guī)劃其他交付緩存區(qū)域；艙門交付區(qū)域靠近廠房內(nèi)部，發(fā)運過程車輛進入廠房內(nèi)，影響生產(chǎn)同時存在安全隱患。方案3的優(yōu)點主要表現(xiàn)為尾錐生產(chǎn)線串聯(lián)分布，整體生產(chǎn)線位于艙門生產(chǎn)線北側(cè)，便于艙門生產(chǎn)線流水線型布局規(guī)劃；考慮艙門生產(chǎn)線交付發(fā)運情況，將艙門交付區(qū)域和尾錐交付區(qū)域均布置于廠房西側(cè)靠近大門，便于產(chǎn)品交付區(qū)的管理。缺點為尾錐壁板站位搬運距離較長。方案1側(cè)重于站位間產(chǎn)品搬運距離最小，方案2側(cè)重于生產(chǎn)線內(nèi)人員走動距離小，員工工作效率高。與方案1和方案2對比，方案3更加側(cè)重于管理方便、安全生產(chǎn)、風(fēng)險應(yīng)對。如圖13所示，盡管尾錐壁板站位搬運距離較長，但是便于艙門流水線布局形式，同時艙門、尾錐交付區(qū)域集中于廠房西側(cè)大門位置，便于交付區(qū)域的集中管理和統(tǒng)一協(xié)調(diào)規(guī)劃。綜上所述，設(shè)計方案3為統(tǒng)籌全局的最佳布局方案。

圖12 尾錐生產(chǎn)線布局設(shè)計方案2Fig.12 Layout 2 of tail cone production line

圖13 尾錐生產(chǎn)線布局設(shè)計方案3Fig.13 Layout 3 of tail cone production line

5 結(jié)論

本研究基于SLP方法對尾錐工作包批產(chǎn)后產(chǎn)能爬坡階段生產(chǎn)線布局規(guī)劃進行了詳細(xì)分析，制定出滿足爬坡生產(chǎn)需求的生產(chǎn)線布局方式。

（1）通過P、Q、R、S、T原始資料收集，基于目標(biāo)節(jié)拍要求，利用架次流程圖、生產(chǎn)節(jié)拍平衡線圖識別出關(guān)鍵瓶頸工位為APU罩裝配工位、總裝工位以及總裝補鉚工位，針對總裝工位進行工作量拆分，通過增加生產(chǎn)節(jié)拍方式，降低總裝工位生產(chǎn)周期，其余工位通過增加效率工裝方式降低工位生產(chǎn)周期，提高了整體生產(chǎn)線平衡性，消除了瓶頸工位影響；同時依據(jù)學(xué)習(xí)曲線下降的工時、最優(yōu)人力、目標(biāo)節(jié)拍計算出未來爬坡過程中新增工裝和人員數(shù)量。（2）依據(jù)作業(yè)單位相關(guān)圖、空間關(guān)系布置圖確定尾錐生產(chǎn)線布局方式，根據(jù)側(cè)重點不同設(shè)計了3種不同形式的布局規(guī)劃方案。（3）通過全局角度的綜合評價，確定流水線型布局為尾錐最佳布局方式，滿足尾錐生產(chǎn)線爬坡規(guī)劃需求。（4）基于SLP方法的生產(chǎn)線規(guī)劃方式，通過對布局規(guī)劃過程的定量分析，提高了整個過程的科學(xué)性和合理性，為飛機制造行業(yè)生產(chǎn)線規(guī)劃提供參考。