对现代传统制造系统中人因要素的探讨

张长信

摘  要：现代制造系统作为“技术”、“组织”与“管理”的有机集成，一直以来都是以“人”作为中心构成元素。经历信息化、智能化的转变后，传统制造业要发挥“人-机-环境”这一系统的效能，需要依据人因工程学与工业工程学理论，优化人员管理与任务分配;运用作业研究、人体仿真等方法，改善人机接口、工作环境以及整个系统的协同作用。

关键词：传统制造系统;人因要素;“人-机-环境”;系统;优化

中图分类号：TH164 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）05-0047-03

随着制造技术在信息化、系统化方向的发展，计算机集成制造、柔性化制造、敏捷制造等先进制造模式在传统制造行业中不断涌现。自身的集成特性与市场的多元化特性决定了研究现代制造系统中人因要素的重要性。

1 制造系统中人的作用

随着制造系统自动化与信息化在各制造领域的逐步推广，人在整个系统的地位逐渐从“操作者”转向“监管者”，成为制造系统中能动性最大的因素。在劳动力有限、人力成本增高的情况下，需要优化人员配置，改进人工操控与机器运作之间的匹配。当前，操作人员在制造系统中的作用可概括如下[1，2]：

（1）保持不同生产部门间的联系沟通，在生产任务的不同方案中权衡与决策。

（2）监控生产系统，适时调整生产设备的进程。

（3）监测、判别生产计划外的系统失误，对系统突发/偶发事件做出补救处理。

2 制造系统中的人因要素及其影响

2.1 人因要素在作业中的体现

人为因素可分为包括任务培训与执行经验、工作动力/压力在内的内部因素，以及包括环境条件、任务复杂程度在内的外部因素（如表1）。

研究人员一般通过生产现场调研或是试验测试，综合考虑操作人员的生理、认知与行为特征，对不同生产任务中各个内/外部因素对工效、作业准确性以及作业失误的影响进行定量分析[3，4]。

Helenice Jane Cote（2005）指出作业场所包含的操作空间、作业条件等外部人因要素应从生物力学、人体测量学与管理学等多方面进行探讨，以符合操作人员的特性和要求[5]。Samson Sunday Adaramola（2012）通过工人生理/心理压力表现的模型检测探讨了工作压力对作业能力与工效的影响及其跟工伤事故的关联，测试表明工作任务跟工人能力与需求的不匹配易导致工作压力，其中心理与情绪压力对员工作业能力的影响最为明显，易导致工作失误;其建议将现行管理方式中“以任务验收为导向”改为“以员工行为为导向”[6]。

2.2 人因要素对生产系统的影响

国内外都早有学者指出制造系统的效能不仅取决于相应技术水平，还取决于“人-机-环境”的协调程度。生产系统效能作为一个综合概念，直接与工人任务完成能力相关。

G Salvendy（2012）模型化地概括了现代制造系统中工人、技术及系统设计者之间的函数联系：I（U，T）=F[I（U，D），I（D，T）][7]。其中D（Designer）、U（User）、T（Technology）分别代指制造系统的设计者、操作工人以及所涉及的的技术，I（Interaction）表示上述各因素间的相互作用。通过该模型可发现，制造技术与其操作者间的相互作用是由操作者与设计者间的关系I（U，D）以及设计者与制造技术间的关系I（D，T）共同决定的;可见人员管理与人-机接口设计是现代制造系统设计的两大核心，唯有围绕操作者的人因要素优化制造系统的安全性、可靠性和易用性，才能改善工作效率，提升整体效能。

3 围绕人因要素对制造系统的优化

目前针对现代制造系统中人因要素所做的工程研究与应用主要体现以下方面[8，9]：

（1）人员管理、任务/技术部署的优化调整。

（2）将人、组织、技术集成协调的系统，创造竞争优势。

（3）基于整体方法论开发CAE/CAM计算机辅助工具，用以支持分析复杂系统。

（4）开发现有软硬件系统中系统策略、系统体制和系统集成的技术和能力。

工作研究、人体仿真作为评测制造工效的两种常用方法，两者的实践目标都在于考察人在制造系统中的表现以及所执行任务对系统的影响。

3.1 面向工人行为的制造系统优化探讨

工作研究通常用动作分析法、既定时间标准设定法（Predetermined Time Standards， PTS）等方法将构成操作

人员作业单元的动作分解成基本动素，对这些基本动素进行标准化分析以及组合优化。

彭丽霞等人（2015）对涡轮增压器装配人员的作业过程进行动作分析，并根据动作经济原则对作业动作进行优化，最后使用模特排时法預测标准作业动作时间，获得适用于该装配线上工人的标准动作体系与作业时间，可有效提高作业工效量[10]。

人体仿真多用数字人体模型来进行协助作业人员的人机工程学评测，JACK、SAFE-WORK、RAMSIS、MANERCOS等都是常用的仿真软件，这些软件一般可以满足对人体姿势的模拟与工程力学测评，并基于此进行动态人体效能预测[11]。

张大可（2010）运用JACK 系统的作业疲劳分析工具对VDT作业人员的肌肉疲劳进行了分析。其作业模拟分析主要针对键盘操作坐姿、肘部支撑坐姿和放松坐姿三种VDT作业中最常见的姿势，通过特定的时间周期和恢复周期的设定，得到每种姿势所需的恢复时间以及可能对人体造成的损害[12]。王朝增等人（2014）提出了一种基于非介入式运动捕捉设备Kinect的人体作业仿真方法，利用Kinect对真实的人体作业动作进行捕捉获得人体模型，将其与人机工效学软件DELMIA中人体模型建立映射，并对DELMIA软件进行二次开发，最终实现由Kinect获取的人体运动数据驱动DELMIA里的虚拟人体进行仿真作业[13]。

3.2 面向任务的制造系统优化探讨

工作研究通常用5W1H（Why、What、Where、When、Who、How）分析法、ECRS（Eliminate、Combine、Rearrange、Simplify）分析原则对任务进行对象、场所、程序、时间等多方面分析，并对其流程进行步骤删减、合并、重排等优化;另外针对任务中各步骤的人体能耗评估也是有效的优化方法。

JY Feng（2014）运用5W1H分析法与ECRS原则分析了电子产品包装作业，针对其瓶颈部分提出改进方案，使两个生产线平衡率分别提升了22%和15%[14]。王向银等人（2010）对装配作业的工效通过人体新陈代谢能量消耗值

来进行量化评估，他们对作业动作进行分解并获取动作参数，经人体疲劳评测与优化方案的验证完成作业工效的分析与改善[15]。

面向任务与组织的人体仿真旨在分析诸如任务执行时间、人的工作负荷和工作表现等操作者在执行任务流程中应对的人因问题。

刘云龙（2011）对单元层和工位层的焊接制造单元提取了单位生产时间、机器利用率、工人忙閑率及主观疲劳评价等相关参数，并进行了人体仿真分析;从而在制造单元的设计阶段完成了方案评估与诊断，为下一阶段的进展提供了数据支持[16]。蒲海蓉（2011）运用JACK仿真软件对汽车总装车间的轮胎分装与装配工序搭建了三维场景模型并实现了工人操作的全过程仿真;针对轮胎分装作业中一人多任务的特点，其采用复合提举指数进行量化评估，并采用RULA方法评测工作姿势，最后针对评估结果提出优化方案并予以仿真验证[17]。

4 结论与讨论

如今，多数传统制造行业的生产模式处于半机械化/机械化制造模式向机械化+信息化制造模式过渡的阶段，ERP系统、柔性化生产与成组技术被逐步推广。因我国技术基础、产业特征不同于欧美国家，大多数企业先进制造系统成功实施及效能发挥更多地取决于相关的作业人员与组织情况。

另外，因近年来传统行业中劳动力短缺、利润空间减小、销售服务方式的改变，各地企业工人工作强度并未因先进模式的运用而得到明显改观，人员管理不力、超时加班、作业疲劳等问题频现[18]。围绕“人-机-环境”系统中“人”这一因素，使用工业工程、人因工效学的方法探讨人机作业过程，是缓解作业疲劳、提高作业工效的最佳途径。

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