SPS模式在汽車生產物流中的應用

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

隨著制造業的發展以及客戶定制化需求不斷增強，汽車制造工藝復雜度不斷提升，加之汽車零件種類眾多，復雜的工藝對生產物流配送提出了更大挑戰。SPS（Set Parts Supply）是一種配料上線的廠內物流模式，對復雜工藝的適應力較強，并具有較高的柔性，已在汽車生產物流中有了較為廣泛的應用[1-3]。然而，對于該模式的應用前提以及其相比于傳統模式的經濟性和必要性的判定，尚無可靠的依據。本文通過分析物流流程中各環節面積、人員的需求，結合工廠產能布局前提及零件復雜度，比較分析SPS模式與傳統直接上線模式的資源需求，并提出選用SPS模式的前提和判斷方法。

2 上線模式比較

一般地，物流流程要求盡可能簡單精益，在物流操作過程中應盡可能減少復雜的增值操作。傳統模式下的汽車廠內生產物流，首選通常是來料直接送貨至流水線，只有當車型、工藝復雜度不斷提高的情況下，因流水線邊物流面積不足，才會選擇部分零件采用排序揀貨或配料上線的模式。

相比與傳統模式，SPS方式則采用來料零件先在固定物流區域進行臺套式分揀后，按每臺車配料揀貨后上線，配料小車跟隨流水線隨行[4]，裝配工人只需在該配料小車中拿取零件裝配，可實現裝配端更高的效率。兩種模式比較如圖1所示。

3 理論分析

基于圖1的流程，假設工廠產能、零件種類、工藝復雜度等條件不變的情況下，對傳統模式與SPS模式對面積和各環節人員需求進行比較分析。假設傳統模式下，需要被排序的零件號種類數量為m，排序零件大類數量為n，不做任何揀貨操作而直接上線的零件號種類數量為k；假設SPS模式下，單配料小車裝箱數為Z。此外，為便于計算，假設在兩種模式下小包裝占用面積情況一致，且假設以上兩種模式可以相互間切換。

圖1 流程對比

3.1 面積分析

傳統排序揀貨的布局模式通常為排序區域兩側為物流換料通道，排序區域中間為人工揀貨通道，排序區域兩側為來料存放區域，故傳統排序占用面積為：

同理，SPS揀貨區占用面積為：

采用SPS模式后，流水線面積節省為：

式中，Ll為傳統模式下流水線的總長，ΔLl為采用SPS模式后流水線可縮短的尺寸，Wl為流水線總寬，ΔWl為可節省的寬度。式中，前部分為流水線縮短節省，后部分為物流區域節省。

如SPS模式要有面積節省，傳統模式與SPS揀貨模式面積占用差值大于0，令包裝長邊平均值Lk=則由式（1）、（2）、（3）可得：

從流水線的結構看，寬度上具有可節省潛力的只能是物流區域，可令 ΔWl=τW，其中0＜τ＜2，同時令Wl=KlW，其中Kl為流水線總寬相對于揀貨區物料擺放區寬度的比例系數，通常情況下，各汽車制造商工廠中的Wl與W均為工廠規劃時的標準設定值，因此，上式可變為：

上式可以看出，如采用SPS模式后，流水線無空間節省，即τ=0，ΔLl=0，那么，除非傳統模式下，所有零件都是采用排序操作的，兩種模式的面積需求可持平，否則SPS占用場地更多。

而如果使用SPS模式上線后，無法實現流水線邊物流空間的節省，即τ=0，但可以通過裝配工時節省而縮短工位或流水線的情況，則上式變為：

規劃工作中，可以通過將已有數據代入上式來判斷是否可以獲得面積節省。

由于傳統的汽車生產物流過程中，如果流水線邊如無足夠空間，通常已較多地采用了排序上線的方式；基于這種情況下，采用SPS上線方式，一般不會因空間節省而導致的流水線縮短，則式（5）可變為：

該式可以看出，只有當τ＞0時，SPS才可能獲得面積的節省，這種情況下，要求SPS模式中，隨行料車應只占用裝配區域或只是占用更小的物流區域。

同時，從式（5）、（6）、（7）可以看出，任何一種情況下，只有k值較小時，SPS才更有可能獲得面積節省，也即，從面積節省角度看，只有當車型復雜度高、流水線邊空間嚴重不足、大量零件采用排序模式、只有極少數零件無需排序操作時，SPS模式才有面積節省的可能。

3.2 基于人員投入的理論分析

3.2.1 搬運模塊。搬運崗位需求計算公式為：

假設需要被排序的來料零件流量為Qm，排序上線零件流量為Qn，直接上線零件流量為Qk，來料零件總流量為Qt，即Qt=Qm+Qk，又令排序零件體積膨脹系數α=Qn/Qm。

因此，可得傳統上線模式下，揀貨區配料、排序零件上線、直接上線人員崗位需求分別為：

式中，ll、lt分別為上線搬運路程和揀貨區配料搬運路程。

可求得揀貨區與原排序區位置不變下SPS模式的配料和上線人員崗位需求分別為：

同理，可求得SPS揀貨區位置在流水線邊情況下的配料和上線人員崗位需求分別為：

由式（12）、（13）之和與式（14）、（15）之和相減可得：

考慮SPS經揀貨后體積必然膨脹，且當上式Qm與Qk之和的值大于JPH時，單SPS包裝通常無法擺放超過來料包裝裝箱數量的零件，因此，Diff顯然大于0。即SPS離流水線越遠，所需耗費的搬運人力更多。因此，在規劃時，SPS揀貨區應盡可能在流水線邊。

對于SPS揀貨區與傳統模式下排序揀貨區一致且不在流水線邊的情況，如要求SPS在搬運過程中有人員優化，由式（9）、（10）、（11）、（12）、（13）可知，應滿足下式：

與式（16）分析同理，在SPS模式可以兼容Qn流量的排序零件類的條件下，當出現Qn大于JPH情況時，考慮零件的差異性，SPS配料車通常無法實現對所有排序件的裝載，因此上式不成立。即，當SPS模式仍沿用傳統模式揀貨區，且該揀貨區遠離流水線邊時，SPS無法實現搬運流程的人員節省。

對于SPS布局在流水線邊的情形，將傳統模式下人員崗位需求減去SPS模式下的人員崗位需求，即由式（9）、（10）、（11）、（14）、（15）可知，傳統模式與SPS模式崗位需求差值滿足大于0才能在搬運上節省人員需求，即滿足下式：

注意，使用上式時，Qn應只限于被定義為同一SPS配料車單包裝（料車）包含零件中所涉及的排序件的流量。

上式可以看出，如前期排序件就在流水線邊，即ll=0時，SPS在搬運過程是無法實現人員節省的。式中，vT為常量，可以根據MTM方法獲得實值，從而得出如圖2曲線，圖中只有當JPH/Qn值小于對于曲線縱坐標值時，SPS相對于傳統部分零件排序的方案才有搬運上的節省。從式（18）及圖3也可以看出，ll值作用較為關鍵，如傳統模式排序零件是在距離流水線較遠的排序區，而SPS可實現在流水線邊揀貨并上線，那么，SPS模式將可取得搬運人員的節省。此外，由于SPS相比于傳統模式上線點及路線簡化[5]，AGV[6]搬運方案相對簡單，因此部分工廠規劃中通過使用AGV搬運來降低成本，獲得經濟性。

3.2.2 揀貨操作模塊。傳統上線模式排序操作人員崗位需求計算為：

式中，lwi為揀取單類排序零件所需行走總距離，Ni為單排序大類裝箱數，vw為揀貨工行走速度，tp為揀取單件的工時，為便于計算，可視為標準化操作單位，T0為單料車揀貨前后掃描檢查等動作單元，也可視為標準化操作單位。

同理可得SPS揀貨操作人員崗位需求如下：

式中，lws為SPS單料車排序完成所須走動的距離。

圖2 JPH/Qn可取最大值與膨脹系數關系

為簡化計算，可近似將排序零件布局區域行走長度與SPS揀貨區域行走長度通過零件數量比例化，即），則其差值大于0時，才能有人員節省，即：

同式（17）分析，實際排序流量必然少于SPS流量，上式左側值小于0，而同理，Z必然大于n，右側值必然大于0，所以該式不成立。即，從揀貨操作看，SPS人員需求大于傳統模式。

由于SPS中，除了原排序零件類外，原不排序的零件類k存在同零件類多個零件號的可能，則Z-n＜k，因此，為了簡化后續計算，如式（22）成立，則式（21）同樣成立。

3.2.3 裝配工操作。傳統模式下裝配過程中為揀取零件走動所需裝配工崗位為：

式中，dti為傳統模式獲取單個零件的走動距離。

同理，采取SPS模式后需求為：

式中，dsi為SPS模式下獲取單個零件的走動距離。

上式可以看出，ds越小，則裝配工節省人員工時越大，當該值為0，也即配料車隨行位置可以實現裝配工人伸手即可拿去時，工人無須走動，可以完全省去裝配工人行走工時，最大程度提升裝配效率。因此，SPS配料小車應盡可能在流水線裝配工位位置，該結論與式（7）分析結果一致。

結合式（22）和式（25）后可知，如要實現揀貨、裝配工取料整體過程人員節省，必須使下式成立：

對于上式，如裝配工揀貨端無法實現行走的節約，那么同式（25）分析結果，SPS無法實現揀貨的人員節省；如可實現完全取消裝配工的行走，又假設，則上式變為：

上式左側存在一種極限狀態，即當m=0時，傳統模式無排序件時，那么Qn=0，則上式左側恒小于0，上式不成立。從而可得出結論：在傳統模式無排序件的情況下使用SPS上線，揀貨方面無法實現人員節省。

從上式也可以看出，只有當k值越小，才有可能有揀貨工作流程中的人員節省，這個結論與從面積考慮出發一致。因此，分析表明，只有當流水線邊空間緊張，不得不增加較多排序操作時，SPS才應該被考慮。

式（27）中，m·lws/（m+k）即為排序零件揀貨時的行走距離，考慮布局為兩邊擺放，中間揀貨通道的形式，可令為傳統模式下排序類來料零件包裝的長邊平均值。而同式（17）、（22）分析，式（27）中（Qn/JPH-1）≥-1，如該值取最小值時成立，則式（27）仍成立，則式（27）變為：

上式可作為判斷揀貨流程中SPS模式與傳統模式下的人員崗位需求情況評估的前提。其中，vw、tp、T0均為可通過MTM方法求得的實值，并將、m、k等值代入上式即可判斷選用SPS模式后是否可以獲得揀貨方面的人員節省。

4 實例驗證

本文以某汽車廠門線SPS方案規劃為例，比較傳統模式與SPS模式的資源需求見表1。

該案例中，為節省空間，SPS揀貨區被布局在流水線邊，來料零件的搬運崗位不變，因此在比較中，傳統搬運崗位的人員設為0，而相比較情況下，SPS須新增2個崗位做上下線操作。面積資源方面，由于SPS揀貨區布局在流水線邊，其通道可與其他車輛共用，故僅有揀貨區對的面積需求新增，無物流通道新增，即表中的500m2僅為新增揀貨區面積（注：其中較大部分零件號為小件，使用自滑式料架，占用面積較小）。

表1 某汽車廠門線傳統方案與SPS方案資源對比

本案例數據結合理論分析結論可知，面積方面，本案例中流水線邊并無節省，即τ=0，ΔLl=0，故SPS模式無法節省面積；搬運崗位方面，由于ll=0，因此，SPS模式也無法獲得人員節省；揀貨崗位方面，將m=72及相關實值代入式（27），可得式中右側計算值約為1 110，遠大于左邊的m值，因此，SPS也無法獲得人員節省，比較結果表明，本案例中傳統模式下非排序零件種類較多，故無法實現揀貨人員與裝配人員工時的平衡。本案例可以看出，SPS模式在面積、人員上無法實現節省，結合理論分析中的式（5）、（18）、（27），可知SPS模式中如無法縮短流水線或節省流水線邊空間或存在較多零件在傳統模式下是直接上線，且傳統模式下排序區域在流水線邊的情況下，該三式均不成立，即無法實現節省，實際案例可驗證理論分析結果。

5 結論

本文結合物流流程和布局，從面積及人員需求角度，比較分析了傳統上線模式與SPS模式的區別，并通過實例驗證。

從面積需求看，只有SPS模式能省去流水線邊空間或縮短流水線的情況下，且傳統模式下非排序零件比例較小時，才能比傳統模式更節省空間；從搬運人員需求看，SPS模式應盡可能將揀貨區域貼近流水線才能更優；從揀貨人員需求看，SPS模式可較大程度節省裝配人員工時，但增加揀貨人員需求，總體上看，同樣要求在非排序零件比例較小時，SPS才可能有節省。分析結果表明，傳統模式下非排序零件類占比成為評判優劣的關鍵（即文中的k值），只有在生產工藝復雜度較高、流水線邊空間緊缺、排序零件比例較大的情況下SPS模式才更有優勢。

從理論分析的總體上看，SPS模式只有滿足非排序件比例極小及布局在流水線邊等嚴格要求的情況下，才能有面積或人員的節省。實際情況下，這些條件通常較難全部滿足，因此簡單采用SPS模式較難實現資源的節省。然而，考慮到SPS模式有較強柔性的優勢且更易于適應工藝的調整，該模式仍然是汽車制造中適應柔性生產的一種較好的手段。同時，該模式可使上線的自動化搬運更加簡潔，因此，實際應用中可以采取一些如AGV上線搬運的自動化手段，從而實現SPS模式下的精益生產和成本優化。