流水线模式在舱室单元制造上的应用研究

李守娟，沈 成

(南通职业大学，江苏 南通 226007)

0 引言

海工生活平台、客滚船、大型邮轮等产品具有舱室单元数量多、安装工艺复杂的特点。尤其是大型豪华邮轮，船上乘客及船员的居住舱室数量大、装饰规格高，传统的内装生产模式难以满足交货周期和品质要求。针对这一问题，有工程师对舱室单元的模块化预制进行了研究，采用固定场地的模式进行舱室单元预制化生产，一定程度满足了生产需求，并已在多个船厂进行了推广[1-2]。

然而，在固定场地上装配舱室单元，受到场地大小的限制，且不易执行有序的生产过程管控和高效的物流配送规划，往往生产效率和产能受到限制。邮轮工程量巨大，一艘大型邮轮需要的舱室单元一般会超过2 000个，且建造周期比较紧张，传统的固定场地制造模式无法匹配大型邮轮大量舱室单元高节奏、即时生产需求。因此，为了缩短建造周期、提高效率，保证数量庞大的舱室单元按计划、有节奏、高效率地完成装配作业，有必要引入流水线生产模式进行舱室单元的制造。该生产模式可以保证舱室单元在自动流水线上按节拍移动，同时完成板材、电气、通风、家具等装配作业，实现组织管理、生产计划、供图计划、物资供应、工效管理和质量控制诸多方面高度协调统一，信息流快速响应及时互通。

目前，国内流水线生产模式在舱室单元生产上的研究和实践还比较少，本文在调研国外先进制造商如何进行舱室单元模块化建造的基础上，结合各行业生产流水线的工艺规划理论和应用案例，对舱室单元流水线制造模式进行研究。

1 舱室单元生产工艺

舱室单元是船上的生活单元，主要由卫生单元、壁板系统、天花板系统、防火门、家具系统、通风系统和电气系统等模块组成，典型舱室单元制作工艺见图1。在完成天花板安装工序后，电气件、喷淋件、通风件安装等工序可以并行施工，但实际操作中受到作业场地空间的限制，正常只能容纳2～5人同时作业。

图1 典型舱室单元工艺流程图

某型舱室单元具体的制造工序和统计工时见表1。从表中可以看出，舱室单元的制造具有作业类型广、并行施工多的特征。目前，国内船厂大多在固定场地上进行舱室单元的制造。该生产模式具有投入成本低、作业灵活的优点，但也存在以下不足：

表1 某型舱室单元生产工艺分析

(1)当需要增加产能时，需要寻找新的固定场地，但实际中往往受限于车间总体布局和容量。

(2)所有工艺过程集中到一个固定位置，且还需要按照一定的顺序。在多个舱室单元同时装配的情况下，存在难以高效组织不同技术工种进行连续施工的问题。

(3)制造场地分散在多处，增加了物料配送的路程和难度，也不利于实施高效的物流管理。

(4)产品质量和产出稳定性存在波动性。在生产节奏紧凑的情况下，实现与现场生产节奏匹配的难度较大。

因此，受固定场地制造舱室单元模式生产局限性的制约，进一步提升生产效率存在困难。而与固定场地制造模式相对应的是流水线生产模式，即将装配流程划分成若干工序，并在流水线上按照工序设置固定工位，产品随着流水线流转直至完成所有装配过程。流水线模式通过提升生产连续性、改善作业空间、提升配送效率等方面提高效率。

2 流水线制造模式的理论基础

参考船舶分段流水线的理论基础[3]，运用成组技术原理构建舱室单元流水线，即将不同类型的舱室单元按照装配工艺的相似性组织流水线生产、按照预装配件的结构相似性组织批量化生产，从而将舱室单元的多品种固定工位生产转化为少品种流水线生产模式。

流水线生产方式是一种在制造业中广泛使用的流水作业方式。在这种生产方式中，传送带旁的工人和设备在传送带传输过程中对传送带上运输的待制品或组件进行装配、加工等操作[4]，其中流水线最终运行效果的关键因素在于生产节拍、生产平衡、生产支线、总体布局等。

2.1 生产节拍

生产节拍简称节拍，又称线速，它是控制生产速度的指标。明确生产节拍就可以指挥整个工厂的各个生产工序，保证各个工序按统一的速度生产加工出零件、半成品、成品，从而达到生产的同步化。生产节拍一般在规划产能时确定，产品生产节拍一旦确定，企业就应严格按照生产节拍实施生产。

生产节拍计算公式为

(1)

式中：r为生产节拍；N为计划制品数量；Fe为计划期有效工作时间；F0为计划期制度工作时间；η为工作时间有效利用系数。

2.2 生产线平衡

生产线平衡是对全部工序进行平均化、均衡化，调整各工位的作业负荷，使各工位的作业时间尽可能与节拍相近或相等，最终消除各种等待浪费现象，达到生产效率最大化。生产节拍确定后，可得理论意义上的最少工位数：

(2)

式中：S为最少工位数；T为完成产品所需的总作业时间；n为所需的工序数量；t为某一工序作业时间。

生产线平衡率是衡量生产线平衡水平的重要指标之一, 生产平衡率越高,则生产线发挥的效能越大。其计算公式为

(3)

式中：B为生产线平衡率；R为生产线瓶颈工位节拍时间值。

在最少工位的基础上，尽可能地平均分配各个工位作业负荷以使生产线达到平衡。同时，通过生产线平衡率计算公式可知，在满足生产需求的前提下，减少生产线工位数量和改善瓶颈工位可以有效地提高生产线的平衡率。还需要注意的是，生产线的瓶颈具有移动性，因此改善瓶颈工位的同时，还需要注意对其他节拍较慢的工位进行改进。

2.3 生产支线

在流水线生产过程中通常由流水线和若干条为该流水线提供部件的生产支线组成，因此流水线可看作是主生产线，生产支线可看作是从属生产线。当主生产线的生产节拍与从属生产线的生产节拍不一致时，可设置缓冲区调节生产。

流水线总体布局型式见图2。图中，假定主生产线A节拍为rA,有nA个工位；生产支线B生产节拍为rB，有nB个工位；假定生产线A工位i上的每个产品都需要α个生产线B生产的产品，则若想要满足生产连续性，要同时满足以下2个条件：

图2 主支线生产关系图

(1)为保证生产的连续性，在工位i第一次相遇时，至少要有α个B产品，即：

(4)

(2)保证每隔一个生产节拍rA，就有α个B产品进入工位i，即：

rA≥αrB

(5)

进行求解得：

(6)

(7)

为保障生产的连续性，支线B生产节拍需同时满足上述条件，即rB=min(rB1,rB2)；另一方面从避免等工和降低缓存的角度出发，rB不宜选择过小。通常做法是以满足式(7)为主，兼顾考虑式(6)，并满足支线始终保持一定的最低库存α。

2.4 总体布局

一般流水线可按直线型、U型线、L型线布置，见图3。在通常情况下，直线型布局物料拉动和组织管理最便捷，但对场地要求较高；U型布局场地利用率高，物料拉动和组织管理相对复杂。实际在选择布局时还要对设备、工艺、厂房等要素综合考虑。

图3 流水线总体布局型式

3 舱室单元流水线的构建

3.1 生产纲领

生产纲领是指在计划期内应当生产的产品产量和进度计划，在规划舱室单元流水线产能时主要以未来经营的生产纲领作为重要的考虑因素。表2统计了不同类型邮轮舱室单元的数量，其中：上线率指因受到规格、位置等因素的限制，部分单元无法在流水线上制作而取的折算系数。假设某企业规划建造大型豪华邮轮，年需求舱室单元约1 800个，每年有效工作时间按300 d、8 h/d计算，则根据式(1)可得流水线的设计生产节拍为80 min/个舱室单元。

表2 不同类型邮轮舱室单元数量统计

3.2 生产线平衡

在确定生产节拍的基础上，进一步以工艺约束为原则、生产平衡性为目标规划流水线工位。由生产线平衡率式(3)可知，提升生产线平衡的关键在于：在生产节拍一定的条件下，尽量平衡各工位间作业时间与生产节拍之间的差值。从这一角度出发，以表1的单元生产工艺统计结果为例，可采用以下3种措施进行生产线平衡设计：

(1)采用流水线模式制作舱室单元。除部分特殊部位的安装外，大部分工序能够容许2～4人同时作业，因此通过在某道工序配置多人可以调节流水线工位标准作业时间，即若在每道工序分配2人同时作业，可近似地认为在流水线上完成该道工序的时间减半。

(2)通过调整工位人数的方式虽然能满足生产节拍，但也容易出现工位生产不饱和的现象。在实际生产中可采用一人多岗生产管理方式进行优化调整，即部分工位标准工时超过目标节拍，由标准工时低于目标节拍的工位人员在完成任务后进行协助，以保证在目标节拍内完工。

(3)对于作业负荷较大的工位，还可以运用生产支线的理论在流水线边设置板材、电气、通风、管件、家具等的预处理支线，从而减轻主线的生产负荷。在上述基础上设立支线后形成的工位设计。

为验证生产线平衡设计可行性，利用生产系统仿真软件(Plant Simulation)对舱室单元流水线生产系统进行验证。仿真结果表明：在满足产量(生产节拍)的基础上，系统仅通过调整工位人数方式，人员工作饱和度约为80%；实行一人多岗或设置生产支线都能显著提升人员工作饱和度到95%左右。但在实际生产中设置生产支线的方式便于进一步提升产能。

3.3 生产布局和设施

基于流水线生产节拍、工位规划、产品特征等已知条件，结合场地资源、投资规模等因素，进行生产布局和设备选型。如舱室单元物流设备可采用在汽车行业广泛采用的链板流水线，方便人员和物料上下线，流水线上方还可以配置辅助工具(行车、定位仪等)方便作业。舱室单元因体积较大，可选用定制的叉车和货架。

以直线型流水线布置方式为例，将住舱单元生产车间划分为流水线制作区、预处理区和存储区3个主要区域，其中：流水线制作区作为车间的核心区域，以流水线制造模式组织生产，并拉动其他两个区域的作业任务；预处理区按照生产节奏提前准备和缓存部分部件；材料存储区负责原材料的分类存放，并按照生产节奏及时配送到指定地点。

4 结语

本文对固定场地上制作舱室优缺点进行分析，提出采用流水线的模式制作舱室单元，以适应大型邮轮对舱室单元制造的效率要求。在舱室单元生产工艺分析和流水线节拍理论的基础上，对舱室单元流水线制造模式的生产节拍、平衡性、生产布局等方面进行研究，形成了流水线制造模式的规划思路，并通过案例展示流水线规划方法。本文研究成果对于流水线制造工艺在船舶舱室单元制造上的应用具有一定的借鉴意义。