浅谈江浙地区小型民营企业生产系统布局的现状及优化
摘要：当前阶段江浙地区小型民营企业的生存与发展面临着前所未有的挑战。而生产系统作为企业产品输出的核心，提升其作业效率、降低生产成本对提高企业产品的市场竞争力起到至关重要的作用。本文主要通过对江浙地区小型加工制造类企业的走访，结合某企业车间的实例，以生产系统布局科学性的角度来观察企业生产系统中普遍存在的一些问题，利用现代工业工程的相关理论对其进行分析，并提出一些优化企业生产系统布局规划的方法。
关键词：小型企业 工业工程 生产系统布局 优化
0 引言
改革开放以来，浙江人民发扬“自强不息、坚韧不拔、勇于创新、讲求实效”的精神，大力发展民营经济，民营中小企业占据经济发展的主体地位，走出了一条浙江特色的发展之路。但按规模化、国际化、高科技化的发展趋势和要求，我省小型加工制造类企业普遍存在着科技水平低、结构松散、缺乏经管类专业人才等问题，加之原材料、劳动力成本的不断上涨等因素，使得同一产业层次上的市场竞争力不强[1]。因此，企业必须结合自身存在的问题，从加强管理、提高效率、降低成本等多个方面对企业业务流程进行改善。
生产系统是企业产品输出的核心，其运行质量与效率直接关系到产品的质量及成本，而生产系统的布局设计是构建生产系统的关键和基础。生产系统布局就是将加工设备、物料搬运设备、工作单元和通道走廊等制造资源合理地布局在一个有限空间里的组织过程[2]。其设计好坏直接影响到生产过程中物流成本及生产效率。因此，生产布局的合理规划和结合企业实际的生产系统结构优化，对我省小型企业的发展有很重要的现实意义，是企业在产业转型升级形势下保持自身竞争力的关键。
1 当前江浙地区小型加工制造类企业生产系统布局的现状
笔者实地走访了杭州仓前工业园、勾庄工业园、萧山南阳工业园、临江工业园、嘉善大舜开发区、临海上汇工业区等部分小型加工制造类企业，大部分生产系统布局没有经过科学的规划和设计，管理比较松散粗放。车间布局往往仅从技术人员的经验出发，以简单满足企业产品生产流程为标准建设生产系统。方法虽然简便易行，但存在着诸多漏洞，难以满足企业长期的生产需求。在科学技术快速发展和市场需求瞬息万变的今天，新工艺、新设备不断推陈出新，经验型的生产系统布局缺乏可重构性，不能满足多样性、个性化的市场需求[3]。不周密的规划还可能造成物流线路杂乱交叉、厂房空间利用率差、设备分配不均等问题，浪费企业资源。
下面，笔者结合临海某企业高压清洗机生产车间系统布局的实际情况，将我省同类型企业生产系统布局普遍存在的一些问题做一总结及分析，为其他企业结合自身情况提供参照。
该产品简要的作业流程如图1所示，其车间的现行布局如图2所示，一个典型的由技师按经验设计。首先，通过货运电梯及手推叉车、托盘将产品待装配的各零配件及辅料运送至该车间。随后将其推到相应的放置区存放，等待取料。装配时先由生产线远端高压水泵组装线取所需的配件至工作台进行水泵泵体装配。第二工序在泵体上加装电动机，并进行通电测试。达到额定输出功率的合格品在第三工位加装外壳、电源及控制系统，形成成品，并再次进行通电测试，观察整机正常工作，无异常表现，外观无缺损则为合格品转入成品区存放，并进行包装。最后通过货运电梯将成品运抵仓库保存，等待出厂。整体物流线路及各工位操作情况如图中所做的标注。
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图2 某厂高压清洗机车间生产系统布局图
根据该生产系统布局及对车间生产加工过程的观察，我们认为类似的企业的一些共性问题有以下几个方面：
1.1 缺乏布局总体规划，随意分配各板块空间
该厂管理层明确提出了销售量及收入的远期目标，却忽略了与之对应的生产系统的合理规划。该车间建筑面积约1000m2，设计生产能力为4条生产线同时加工，但从图2中可以看出，目前仅供一条生产线使用。因此，生产系统建筑面积显得十分充足，所有生产资料“摊大饼”般占据了车间的大部分空间。对于未来另外3条生产线的建设，规划为与第一条生产线平行设立；但如何处置目前占据其他规划生产线空间的原材料及成品摆放问题，企业则没有更多考虑。依此发展，企业生产系统的空间利用率十分低下，浪费了建筑资源；并人为地造成搬运距离拉长、耗电等其他问题，降低了生产作业效率，增加了综合成本。
空间分配是企业容易忽略的一个问题。企业往往根据车间的地形，将需要划分的各个区域等分为若干个部分。但在实际应用中，不同种类原材料、辅料对空间的需求往往是不同的，应根据其形状、需求量、利用率、搬运的难易程度等进行合理的划定。
1.2 工作场地杂乱，物料不按设计布局摆放
虽然车间布局中划分了各种原材料、辅料、半成品及成品的存放位置，但在实际操作过程中经常发生为了一时的搬运方便，不按规定位置摆放对应物品的现象。这可能在一定程度上减轻某些工人的劳动强度，但却阻塞了产品加工过程中正常的物流通道，造成作业面狭窄，流程运行不畅，各部门间协作效率低下，从整体上阻碍了生产的顺利进行，拖延了生产时间，间接地增加了时间成本，影响了生产系统的运行效率。不安全的堆放甚至可能造成工伤事故。因此，将各种生产资料及产成品按照布局设计进行合理摆放，杜绝生产系统中“脏、乱、差”现象，也是企业亟需解决的问题之一。
1.3 物流线路交叉，存在无效劳动
生产系统布局设计最为经典的目标之一即为：简化加工过程，缩短生产周期，实现搬运的最佳化。通过企业布局图可以看出，在原材料向生产线供应的过程中，还是存在着一定的线路交叉或绕行现象。这些所带来的无效劳动在一定程度上占用了劳动工时，尤其使得原本工人数量较少的岗位降低工作效率。减少或消除不必要的作业，除去冗余的物流路线是提高企业生产率和降低消耗最有效的办法之一，也是企业需要重视的一个问题。
1.4 布局中设备及劳动力分配不合理
在小型企业生产系统规划过程中，往往没有系统地计算各个工位的标准工时及进行人机操作效率分析，而造成时间或生产力的浪费。其具体表现在工序之间的相互等待、机加工过程中工人空闲时间过长等现象。这种现象只需计算对应的标准工时，调整工人配比即可，调整后多余的工人可安排其它作业，为企业创造更多的价值。机加工过程中人机的安排亦如此。目前，大量的自动化数控机床应用于企业，机加工过程中只需要按预先的编程使机床加工即可，加工过程中基本无需其他操作，在数控机床机加工过程中操作者的大量时间等待，完全可以考虑一人操作两台或多台机床进行加工作业，提高机床及工人的利用率。
1.5 设计布局时未考虑人机、人因、环境因素
通过调查发现，大部分工人长期遭受着来自不和谐生产环节的影响，极容易造成工人操作失误等现象的发生，增大了产品的不合格率，浪费原材料成本。在一些不正规的企业中表现尤为突出，是造成工伤事故及影响工人身心健康的一大因素，人机生产环境亟待改善。在大多数车间，工人在巨大噪音的环境下工作；铸造、喷漆、电镀等部分特殊岗位，操作者还需要忍受刺激性气味、高温、高光、有毒有害、腐蚀性化学物质等不良环境因素的侵害。这些工作环境如果不能够很好的进行防护，工人的工作效率将会大大降低。例如在该车间的水泵测试工位，没有加装机盖的水泵直接进行带电带水作业，该厂没有为工人配备绝缘橡胶手套、橡胶靴等防触电设施，存在极大的安全隐患。
企业在追求利润的同时，也应在生产系统布局中考虑到工人工作环境是否满足工人操作的基本人体需求，是否满足安全生产的需要，是否可能对工人身心造成伤害。同时，符合人因工程、人机工程的生产系统布局设计也能在一定程度上满足低碳环保、节省能源的理念，实现节能的生产过程，为企业降低生产成本，例如生产线光照达到人体适合的照度即可，应避免过度照明。
1.6 设计布局时忽略防火防盗设施
安全是永恒的话题，安全是生产的基础。但恰恰有部分企业在生产系统布局设计中忽视了应有的防火防盗等安全设施。目前我省很多小型企业还停留在家庭作坊式的基础阶段，没有正规的生产车间，更没有通过相关消防部门的检查验收，存在火灾等安全隐患。仍以该车间为例，整个车间没有配备灭火器，也没有消防栓。同时，车间内充满了大量塑料制品，一旦出现火情，后果不堪设想。同时，企业也不应忽视对职工安全的教育。笔者曾在包装线上惊讶地看到，一名负责使用汽油擦拭产品进行去污作业的工人公然把汽油桶直接放在高压配电柜附近，一旦因静电或配电柜内电弧放电引燃汽油，车间将直接陷入一片火海。
防盗也是企业应该注意的一个问题。近些年，屡有小型企业生产物资失窃的报道。由于小型企业往往疏于防范，又缺乏必要的技防设施，往往成为物资盗窃的对象。希望企业能够在出入口处安装监控设施，重要的仓库安装防盗门，预防盗窃案件的发生。
2 针对小型企业实际情况的若干种布局优化方案
在20世纪初期，Richard Muther发表了《布局规则》一书，成为了生产系统布局研究的开端，随后国外很多人对生产系统布局进行了深入的研究，并不断提出了很多新理念新思想，推动了20世纪世界工业化的迅猛发展。布局问题具有其自身的特殊性，它包含数学建模、运筹学、系统工程等诸多学科知识领域，属于复杂的组合优化问题[4]。国内对生产系统布局的研究主要集中在各大高校，利用数学建模、运筹学等手段，运用数学规划法、启发式算法、图论求解法、SLP法、模拟退火法、遗传算法等，对生产系统布局的合理性进行建模、分析，并给出布局的优化建议。
但我省小型加工制造类企业中普遍缺乏高级技术人员，算法中所需的相应数据小型企业也无法进行精密测量，难以通过上述严密完整的计算求出布局最优解。同时，小型企业往往需要很强的可重构性，以满足快速变化的技术发展及市场需求。即便通过上述算法求出最优解，也可能在短时间内需要进行重新调整。因此，严密的算法研究对生产系统布局进行优化并不能够完全适用于我省小型企业的实际情况。
那么找到一种特别针对我省小型加工制造类企业，且切实可行、简便易用、可靠性高、广谱性强、无需繁琐计算的生产系统布局优化方法，实现产能最大化、易于品质控制、减少资源浪费，将成为造福我省小型加工制造类企业的福音。
在设计方案之前，首先应当明确生产系统布局规划的目标与原则。生产系统布局是一个有机的整体，由相互关联的若干的子系统组成。因此，必须以生产系统布局的目标作为其优化设计活动的中心。其总目标就是使人力、物力、财力和人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，即按照布局规划使企业以最小的投入获取最大的回报[5]。达到这些目标，应遵循ECRS、重视人因、把握整体、统筹兼顾的原则对生产系统布局进行优化。笔者在这个基础上提出了如下几种生产系统布局的优化方法，供各小型企业参考。
2.1 沙盘模拟法
此方法类似于计算机中进行的三维生产线运行仿真，结合小型企业技术水平的实际情况提出的实体物理模型方案。首先，按比例制作车间的实物沙盘模型，依据企业现有业务情况确定各机床、流水线、物料区的位置。随后，可对企业目前的生产情况进行模拟仿真。仿真时用细线描绘每一种原材料及成品进出车间的路线表示企业的物流路线；将不同的原材料用各色棋子表示。用笔在对应工位上标准好企业现有的加工工时；对应地根据工时使用棋子在工位上占位，表示每一种原材料在每一个工位的停留，模拟企业生产加工的全过程。通过实物模型的仿真，可以找到对生产系统布局影响最突出的问题，并依此理清车间生产过程中存在的制约产品生产进度的瓶颈工序及物流路线。
该方法的优点：能够发现最为影响企业生产系统运行最突出的问题；方法简单，无需过多理论分析，易于执行操作；在企业已有布局的基础上，以实践的角度解决企业生产系统布局问题，有很强的针对性。缺点：没有清晰的问题分析逻辑，仅凭物理模型容易遗漏不明显存在的问题；使用沙盘时需要技术人员有很强的问题分析能力及逻辑思考能力，否则容易发生归因偏差。忽视车间现场管理因素及人为因素。
2.2 自顶向下的系统布局分解法
首先需要明确生产系统终端的产品。从已经明确的产品系统构造出发，根据构成产品的各功能、零配件间的内在的联系，使用“目的—手段”、“并联”、“串联”的逻辑关系，从左至右的方向逐项将产品分解，直至分解成为能够独立装配的各个工序（如图3所示）。按照列出工序的顺序将生产线以直线或U字形进行排列；原材料根据装配的顺工序,结合生产车间的地形按照顺序进行码放，并根据实际情况调整为最佳的物流路线。
该方法的优点：有利于认清各个工序之间的逻辑关系，防止出现工件回流现象及物流线路交叉；有利于改革一次性完成，避免资金、资源的长期消耗，减小资源浪费；有利于完善企业装配流程的规范性，易于品质控制。缺点：限于在图纸上进行分析，缺乏实践支持；相比于改进前可能出现改进效果不明显的现象；员工可能对新工序新环境不适应，需要一定的过渡时间。
2.3 经验——改进循环法
在原有经验设计的基础上，不断地查找问题、分析问题、改进问题；如此循环进行，不断对系统进行优化，以求逼近生产系统布局问题的最优解。以本文前面总结的六个问题为例：企业可以着眼于制定总体的车间布局规划，根据不同原材料及成品的属性合理地划定存放区域；杜绝车间内的乱堆乱放现象；对产生不合理物流线路的原材料位置进行改善；调整劳动力与设备的分配；加强对员工安全的保护设施的配备等几个方面改善现有的不足。改革后再根据新的问题进行继续改革，反复进行，使生产系统布局不断完善，螺旋式上升，直至调整为企业的目标状态。
该方法的优点：就企业目前现实存在的问题进行改进，有很强的可操作性；重视人因与车间现场管理，与员工的切身利益挂钩，容易调动员工积极地参加到生产系统布局改善优化中；不断发现问题、解决问题，可以更好地逼近最优解，取得最好的改善优化效果。缺点：改革实践时间长、需要改进的方面零碎繁多，并不断进行调整，在一定程度上消耗企业的资金及生产资源；企业车间管理者有很强的责任意识，坚持不懈地投入到生产系统布局优化的实践调查中去。
上述三种生产系统布局优化方法企业可以根据自身的实际情况进行选择，也可并联进行，能够相互取长补短，获得更佳的改善效果。如果企业有较强的技术科研力量，也可根据自身的布局现状及发展目标探索出一种适合于自身发展的生产系统布局优化方式，更好地满足不同类型企业个性化的需求。
综上分析，我省小型加工制造类企业应充分认识到企业生产系统布局中存在的问题，重视生产系统布局优化工作，才能从根本上突破企业生产制造过程中成本与效率造成的制约瓶颈，江浙地区小型民营企业方能实现新的飞跃。如何能够改善企业内部资源配置及利用，在一定程度上降低企业生产成本、合理化作业流程、减少物料浪费在一段时间内还是值得继续探索的一个课题，任重而道远。
3 校企合作联合实施生产线布局改善的可行性及前景
有条件的企业，可以寻求高等院校及科研机构的帮助。目前，许多高校开设工业工程、物流管理等专业，并拥有相应的实验室资源和师资力量，可以满足小型企业生产系统数字仿真、实体仿真、物流设施布局与规划等生产系统布局的改善各项要求，完全有能力为各生产企业的生产系统提供技术诊断及相应的技术咨询指导服务。
以我校中德联合现代工业工程实验室的建设情况为例，主要分为人因工程、数字工程、生产工程三个实验领域，并拥有各种功能完备的实验仪器设备及先进的计算机仿真系统。在人因工程领域，可以进行多种加工制造中人因的模拟、测试与分析，使企业能够掌握更优化的人因系统设计，减少操作失误，减轻操作者心理压力。在生产工程领域，可以分析不同车间装备流程和装配系统的不同结构，检验不同布局对工人压力、应变性、生产率和产品质量的影响；分析各种影响装配流程的因素，指导企业如何进行更好的生产系统布局。在数字工程领域，主要利用DELMIA、QUEST等三维设计与仿真软件，通过系统建模与仿真分析，为企业生产系统布局设计及优化提供可视化分析；并通过虚拟的手段和方法快速满足工程的实际需要，对生产系统组织及生产策略进行仿真与规划，深入挖掘企业潜力。
借助院校和科研机构的专业技术能力，可以对企业生产系统布局的现状进行全面诊断，对企业生产系统一些无法察觉的问题进行科学合理地把握并提出解决问题的方向和方法。在实验室环境下对改进的布局进行仿真，能够直观的观察优化的效果，了解改革的实际成效。同时，也可以安排师生到车间现场为企业进行现场指导，对优化方案的实施过程进行全方面的跟踪及控制；既为学校提供了学生实习的机会，又为企业的有效改革提供了保障，一举两得。
目前，我校已与一些企业展开了类似合作，从反馈的情况看普遍反响良好。企业从学校获取了先进的管理技术及生产系统改进方案；学校在企业建立实践基地，促进了学生学以致用及教师教学科研成果的推广应用，这为校企的广泛合作打下了深厚的基础。相信校企之间本着“精诚合作、分享智慧、互利共赢”的原则相互促进、相互学习、共同发展，未来的前景将更加广阔！
参考文献：
[1]吴国华.高波.浙江省中小企业可持续发展的调研报告[C].民盟浙江中小企业年会2004.9.
[2]贝炳林.车间布局的综合评价[D].上海交通大学硕士论文.2006.12.
[3]王进，樊树海.可重构车间布局建模研究[J].《机床与液压》.2011.1-1.
[4]谭胜伟.中小型企业生产系统布局方案与评价[D].上海交通大学硕士论文.2007.5.
[5]方庆琯.王转.现代物流设施与规划[M].北京.机械工业出版社.2009.2.