面向多品种小批量生产线的人因改进策略案例研究

高广鑫 朱洁

摘  要：为了改善多品种小批量生产线操作者劳动负荷强度大、疲劳程度高、安全隐患多、生产效率低等现状，擬从人因工程角度面向实际多品种小批量生产线开展人因改进策略案例研究。具体的，以德朔公司某多品种小批量生产线为案例研究对象，基于生产现场改善理论和人—机—环境系统最优性原则，构建人因工程体系、划分5个人因子模块;在此基础上，采用动作分析、JACK仿真模拟和快速上肢评估方法，针对上述5个人因模块分别提出人因改进策略;进一步通过试点应用改进策略和对比分析，评价改进策略效果。提出的人因改进策略可以改善人机间作业环境，规范操作者作业动作，布局合理作息时间，打造安全、舒适的生产现场环境。

关键词：人因工程;多品种小批量生产;JACK仿真分析;案例研究

中图分类号：F273    文献标识码：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

伴随着日趋个性化、多样化的客户需求和日益激烈化、动态化的市场竞争，多品种小批量生产已成为众多制造型企业的主要生产模式[1]。生产批次越多、批量越小，该模式对操作者的依赖程度越高。例如，德朔公司Z事业部的大部分生产线为多品种小批量手工生产线，产品生产批次较多，且生产线上的材料变动和调整次数会随着生产批次相应增多。因此，在实际生产作业中，很多操作者都会面临劳动负荷强度大、疲劳程度高、潜在安全隐患多等问题。

目前，针对人因改进策略的研究大多是面向大批量生产模式的，而针对多品种小批量生产模式的研究尚不多见。但是，可以看到一些相关研究。例如，蒲海荣[2]采用计算机辅助人因工程仿真方法，针对汽车总装制造系统进行人因工程优化和人为失误概率预测。Tiacci等[3]提出一种基于职业重复行动指数的符合人体工程学的异步装配线设计方法。Sobhani等[4]构建了一个整合人因要素的串行装配系统优化模型以弱化操作者对职业健康的负面感知。金海哲等[5]提出了一种基于支持向量机的医疗人因失误因素识别方法，明确了医疗中可能存在的12种人因失误因素。吴雪冰等[6]针对H公司生产线效率低下、等待浪费现象严重等问题，运用生产线平衡、ECRS等方法对生产线进行分析，从而降低了劳动成本，提高了工作人员效率。

已有研究成果为本研究奠定了理论基础。但是，上述研究大多面向农业、医疗健康行业[3，5]，缺乏面向多品种小批量生产模式的人因工程研究。然而，在现实生产中，多品种小批量生产线对操作者要求高、依赖程度高且操作者劳动负荷强度大、疲劳程度高、安全隐患多。基于此，本研究以德朔公司某多品种小批量生产线为研究对象，构建人因工程体系、划分5个人因子模块;综合采用动作分析、JACK仿真模拟和快速上肢评估分析（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）方法分别提出人因改进策略。

1  案例描述

1.1  案例背景

德朔公司是中国大陆目前最具规模和技术水平的电动工具生产制造基地。德朔公司Z事业部现有10余条生产线，生产模式主要为多品种小批量生产。该事业部生产车间多为手工操作生产线，部分辅助工作作业涉及机械设备。基于实际调研结果，现将Z事业部多品种小批量生产线特点总结如下：生产线上产品和零部件种类及数量较多，生产工艺和参数差别较大，生产工艺路线各异，生产线操作者需掌握多种操作技能。物流路线复杂，且存在交叉、迂回等现象;物料搬运时间和搬运路线具有不确定性。

基于上述特点分析，Z事业部的多品種小批量生产线需要大量的熟练掌握多种生产技能的操作者。通过实地调研，发现生产线操作者工作积极性普遍较低，操作者发生手臂和肩膀肌肉拉伤、腰部扭伤的比例显著高于其他生产部门。鉴于此，德朔公司急需针对Z事业部多品种小批量生产线从人因工程角度提出人因改进策略。

1.2  人因工程体系

基于生产现场改善理论和人—机—环境系统最优性原则[7]并结合Z事业部多品种小批量生产线特点，通过实地调研访谈，可针对该多品种小批量生产线构建人因工程体系，如图1所示。针对5个人因子模块的解释说明如表1所示。

2  人因改进策略

基于Z事业部齿轮箱组件生产线的标准作业操作视频和生产线操作者疲劳程度的调研结果，根据动作分析经济性原则[8]和能量代谢、疲劳恢复分析理论[9]，针对人因工程体系各子模块分别提出如下改进策略。

2.1  针对工作台人因的改进策略

工作台高度设置是影响操作者工作效率和劳动疲劳程度的重要因素。案例研究对象生产现场的操作者多采用立姿作业操作，因此，操作者的肘高和视高是进行工作台高度设置的重要考虑因素。

经初步统计，大多数操作者来源于江苏省和安徽省，其中来自江苏省的操作者所占比例为49.13%，来自安徽省的操作者所占比例为18.57%;操作者中男性、女性所占比例分别为56.78%和43.22%。依据《中国居民营养与慢性病状况报告（2015）》，确定主要来源地（江苏省和安徽省）不同性别操作者的身高标准，即江苏省成年男性、女性平均身高分别为171.57cm、161.54cm，安徽省成年男性、女性平均身高分别为170.93cm、156.10cm。根据国家标准《中国成年人人体尺寸》（GB-1000-88），确定与案例研究对象身高相对应的肘高数据，如表2所示。

为满足大多数人的正常使用，通常取第5百分位数人体尺寸数据作为设计参考值。由表2可知18～60岁男性肘高参考值是954mm，18～55岁女性肘高参考值是899mm，在此基础上，考虑操作鞋装高度将男女工作肘高分别宽放至960mm和915mm，此外，考虑实际状况（如年代变化对数据的影响）将男女工作肘高分别宽放至975mm和930mm。依据公式“通用工作台高度

=975×男性占比+930×女性占比（单位：mm）”可确定案例研究对象的工作台桌面合理高度为956mm。

2.2  针对线体人因的改进策略

根据动作经济性原则，双手动作的平衡性是影响操作者工作效率和劳动疲劳程度的重要因素[10]。在反复观看案例研究对象装配齿轮组件工序标准作业操作视频的基础上，分析并消除影响产线平衡的冗余动作是该项人因改进的具体思路。

以瓶颈工序装齿轮组件工位的动素分析为例，通过观看标准作业操作视频，采用动素分析法将该工位的每一连续标准动作进行拆解分析。基于具体工位动素分析表，发现操作者左右手工作严重不平衡，例如瓶颈工序中操作者左手有效动素数为9，无效动素数为32;右手有效动素数为30，无效动素数为11。此外，在作业过程中，操作者存在大量无效动素（如持住、等待等）。

运用ECRS（取消、合并、重排、简化）原则对该工位具体操作动作进行改善。以瓶颈工序装齿轮组件工位为例，通过使用固定工装来替代操作者左手大量的持住动作，从而解放双手使其可以进行同时作业。改善后操作者左手有效动素数为25，无效动素数为7;右手有效动素数为23，无效动素数为9。左右手动作基本平衡，并且消除了大量无效动素。

2.3  针对厂区人因的改进策略

工作场所设计是影响厂区正常生产的重要因素。齿轮箱组件生产线操作者多采用立姿作业进行操作且工作台高度设置不合理，这些因素导致操作者腿脚、肩膀和手臂部位易产生明显的酸痛疲劳。为此，选取腿脚、肩臂、手部酸痛程度和自评疲劳程度作为反映作业疲劳的特征要素，基于案例研究对象的具体数据信息（改进前的操作者作息时间分布如图2所示），确定合理作息时间。

针对操作者身体各部位的疲劳状况，设计了作业疲劳程度调查表，其中，针对每一疲劳特征设置1至7共7个等级，具体的，等级1对应工作开始时的疲劳感受程度，等级7对应自身能够承受的最大疲劳程度或每日工作结束时的疲劳程度，疲劳特征等级越大代表疲劳感知程度越强。

基于齿轮箱组件生产线操作者的调查数据，采用主成分分析法进行数据特征提取。在对数据进行标准化处理和主成分分析降维后，计算得到操作者对作业疲劳程度评价的综合得分，以此量化操作者的疲劳状况。具体的，以1小时为步长选取9：00至20：00区间内每个时间节点对应的第一主成分得分作为数据特征值，分别对腿脚酸痛程度、肩臂酸痛程度、手部酸麻程度和自评疲劳程度进行数据处理和计算，从而得到量化的疲劳状况，如图3所示。

由图3可知，整体上，上述4项操作者疲劳程度均随工作时间推移而增强，在午休（12：00～13：00）和晚休（17：30～18：00）后有一定程度减缓。需要指出的是，操作者疲劳程度在10min休息时间内（15：30～15：40）并未得到明显减缓，而是轻微减小了疲劳程度积累速率。因此，当前生产线操作者的作息时间分布需要改善。

接下来需要确定合理的作息时间。

（1）依据式（1），计算操作者耗氧量[11]（单位：L/min）：

耗氧量=0.5+0.02×b-75                                         （1）

其中：b为操作者心率，根据实际测量数据，操作者平均心率值为94bpm，据此可计算得到操作者耗氧量为0.88L/min。

（2）依据式（2），计算操作者能量消耗量[12]（单位：kJ/min）：

能量消耗量=耗氧量×氧热价                                        （2）

其中：氧热价为4.825kcal/L（1cal=4.1868J）。据此可得操作者能量消耗量为17.78kJ/min。

（3）依据式（3）和式（4），确定操作者作息时间[13]（单位：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业劳动时间和休息时间，M表示操作者能量消耗量。由式（2）计算结果可得T

=98min，T=6min。

根据上述计算结果，在当前企业的劳动强度下，齿轮箱组件生产线操作者应当每连续工作98min后休息6min进行疲劳恢复调整。据此，可规划操作者作息时间分布，如图4所示。

2.4  针对防护安全人因的改进策略

在防护安全方面，不规范的动作会增加人体的疲劳程度从而增加安全隐患。依据帕累托原则挑选重点关注产品，选定齿轮箱组件生产线为研究对象，并针对组装区各工位进行分析。接下来采用JACK仿真姿势变更数据和RULA方法对齿轮箱组件生产线操作者作业情况进行仿真分析。其中，RULA方法用于评估操作者相关身体部位在作业时的不同角度和力度所产生的风险（单位：分），且分值越高表明风险越高[10]。生产线组装区各工位的快速上肢分析结果如表3所示。

由表3可知，焊接工位中前臂与腕部综合评价结果较差，主要原因是焊接工作属于精密作业，对手部操作要求高。基于RULA分析结果，分别从躯干、肩背、膝盖和脚踝4个部位的活动强度对各工位进行仿真分析，以装齿轮组件工位为例的仿真姿势变更数据如图5所示。

由图5可知，在作业过程中，操作者的躯干弯曲强度、躯干侧身强度和躯干转动强度三者之间存在一定程度上的突变;肩背负荷不平衡，右肩背强度存在多次显著突跃;左右膝盖和双脚踝活动强度均表现不平衡，且存在较大程度的强度突变。基于人因仿真结果，齿轮箱组件生产线组装区各工位的人因改进策略如表4所示。

2.5  针对物流人因的改进策略

物料和成品运输对环境有较高的要求，如何合理地处理物料和成品运输问题，关系着生产线操作者的工作效率和人身安全。在实际生产过程中，生产线操作者去物料区取送原材料和手工搬运产成品的方式降低了生产效率、增加了安全隐患。为此，针对此项的人因改进思路为调整配送物料和产成品的运输方式。

首先计算齿轮箱组件生产线物流强度。物流强度是指一定时间内通过两物流点间物料的数量，计算公式为f=qn，其中f代表当量物流量，q代表一个搬运单位的当量重量，n代表单位时间内流经某一区域或路径的单元数。依据上述公式，可计算得到针对生产线相应工位的物流强度，如表5所示。

由表5可知，齿轮箱组件生产线各工位的物流强度等级差异较大，而不同的物流强度等级要求不同的物料点选址，这对物料运输的灵活性提出了较高的要求。为此，考虑引进自动化物流设备AGV自动导引运输车进行物料配送，AGV小车单次配送的物料按照表4所示各工位的物流强度比例进行分配。此外，设置若干名物料专员负责物料在AGV小车与各工位之间的衔接工作。

产品组装并包装完毕后，需要将成品从包装区运送至成品区暂存。为了避免操作人员来回走动进行手工搬运作业，考虑在包装区与成品区之间设置传送带。由于包装区与成品区之间距离较短，且成品体积较小，设计采用小型传送带进行物料运输。具体设计思路为：采取直线型运输方式，以摩擦带动驱动，能够通过开关实现连续运输、节拍运行和变速运行等多种控制方式的自由切换，并设置急停按钮，保障运输安全。

3  改进策略效果分析

选取齿轮箱组件生产线组装区试点应用第3章提出的若干人因改进策略。经过试用前期准备、生产现场试用测试和随访调查、试用后综合评价分析，现分别给出针对多品种小批量生产线人因工程体系5个子模块的改进效果对比分析，如表6所示。

4  结论与管理启示

本研究基于德朔公司Z事业部多品种小批量生产线实际案例，从人因工程角度针对生产线给出若干人因改进策略。在该研究中，采用动作分析、JACK仿真模拟和RULA方法，针对5个人因子模块分别进行人因改进策略研究，通过人因改进效果对比分析说明本研究的实际应用价值。具体研究结论如下：（1）针对工作台高度设置问題，基于案例研究对象组装车间操作者样本信息，计算得到合理的通用工作台高度，有效缓解了操作者作业疲劳。（2）针对操作者双手动作不平衡问题，通过标准作业操作视频参考和双手动素分析，消除影响生产线平衡的冗余动作，实现了双手动作平衡。（3）针对操作者易疲劳且无法有效减缓疲劳程度问题，采用主成分分析法量化操作者作业疲劳程度，并依据能量代谢与疲劳恢复分析理论，确定了合理的劳动与休息时间。（4）针对操作者防护安全问题，采用JACK仿真软件对工序进行仿真模拟，并结合RULA方法找到身体各部位存在的安全隐患，分析问题原因并进行针对性改进，从而降低了操作者的疲劳程度与安全隐患。（5）针对物料和成品运输问题，通过对生产线各工位的物流强度进行分析，设计采用AGV小车配送物料，并在包装区与成品区之间设置传送带代替人工搬运成品，从而提高了物料和成品的运输效率、规避了操作者安全风险。

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