108 高普考普通考試 工業工程 設施規劃概要 考古題詳解

核心觀念

設施規劃（Facilities Planning）旨在決定生產設施的實體配置與物料搬運系統，以達成最低物料搬運成本、最短生產週期及最高生產效率的目標。依據工業工程經典架構（如 Tompkins 等人提出的設施設計模式），「產品設計（Product Design）」、「製造程序（Process Design）」與「生產規劃／排程（Schedule Design）」​是設施規劃的三大基石，合稱「$P-Q-R-S-T$」分析架構：

1. 產品（Product, $P$）：生產什麼（What）。
2. 數量與生產規劃（Quantity / Schedule, $Q, S$）：生產多少、何時生產（How much & When）。
3. 製造程序（Route / Process, $R$）：如何生產（How）。
4. 輔助服務（Service, $S$）：需要哪些支援系統。
5. 時間（Time, $T$）：各作業標準時間。

製造程序決定了「作業順序、設備種類與技術工法」，生產規劃決定了「產能量、生產批量、排程與庫存水準」。兩者共同提供設施規劃所需的所有實體輸入參數（設備數量、空間大小、物流動線與佈置型態）。

解題方法

本題為典型的申論題，答題切入點應建立在「輸入－轉換－輸出」的系統觀點，將「製造程序」與「生產規劃」分別對「設施規劃」的具體影響拆解說明，最後再論述兩者交互作用對「佈置型態（Layout Types）」的決定性角色。

一、製造程序（Process Design）與設施規劃的關聯

製造程序設計回答了「產品如何被製造出來（How to produce）」，其直接決定了工廠的微觀結構與物流路徑：

1. 決定設備機型與工作站配置（Workstation Design）：

• 製造程序透過「自製或外購分析（Make-or-Buy Analysis）」確認廠內加工項目後，由程序工程師選定加工機具（如沖床、車床、CNC、熱處理爐等）。
• 工作站所需實體空間不僅包含機器本身投影面積，還必須由製造程序決定：操作員活動空間（人因工程）、維修保養走道、切削液或動力管線接口，以及安全防護區域。

2. 決定物流路徑與相鄰關係（Flow Pattern & Material Handling）：

• 透過「操作程序圖（Operation Process Chart, OPC）」與「流程程序圖（Flow Process Chart, FPC）」，確立零件加工的先後工序。
• 工序的順序直接決定了部門間的物料流程（Material Flow）與從至關係（From-To Relationship）。設施規劃者依此設計物流動線（如 I 型、U 型、S 型流向），將搬運量大或相鄰緊密的工序配置在相近位置，縮短搬運距離。

3. 決定公用設施與安全環保需求（Utilities & Environmental Hazards）：

• 特定製造程序會產生震動、高溫、粉塵、噪音或有害氣體（如鑄造、噴漆、電鍍），這些程序必須在設施佈置時作物理隔離、通風導流或配備防震基座，不能任意與精密組裝線相鄰。

二、生產規劃（Production Planning / Schedule Design）與設施規劃的關聯

生產規劃回答了「何時生產與生產多少（When and How much to produce）」，其直接決定了工廠的宏觀規模與空間容量：

1. 決定設備台數與作業人力規模（Capacity Requirements）：

• 生產規劃根據市場需求預測與主生產排程（MPS），訂定目標產量 $P$。
• 結合製程所測定的標準工時 $t$、設備妥善率（Availability）、作業員效率（Efficiency） $E$、廢品率 $p$ 及單機可用工作時間 $H$，計算各工序所需的設備台數 $N$： $N = \left\lceil \frac{P \times t}{H \times E \times (1 - p)} \right\rceil$
• 設備台數 $N$ 直接決定設施總面積（Footprint）與廠房樓地板需求。

核心觀念

1. 單位負載（Unit Load）之定義： 依據物料搬運工程（Material Handling Engineering）與設施規劃標準理論，單位負載係指「將單一物件或多個物件組合、約束或包裝在一起，使其在搬運、儲存與裝卸過程中，均能視為單一整體（Single Entity）進行移動的物料單元」。
2. 單位負載原則（Unit Load Principle）： 物料搬運二十大原則之一，傳統原則強調「盡可能使單位負載最大化以提高搬運效率」，但現代設施規劃更強調結合精實生產（Lean Production / JIT），在「搬運效率（規模經濟）」與「生產流動性（庫存抑制與彈性）」之間取得最佳平衡。
3. 相關理論與平衡關係：

• 利特爾法則（Little's Law）：$WIP = TH \times CT$（在製品庫存＝產出率 $\times$ 週期時間）。單位負載大小直接決定批量（Batch Size），進而決定工廠在製品（WIP）水準與製造前置時間（Lead Time）。
• 成本權衡（Trade-off）：搬運成本（Handling Cost）與庫存持有成本（Inventory Holding Cost）、設備投資成本（Capital Cost）之間的互為消長。

解題方法

本題屬於申論題中的「比較與應用題型」，解題應採取​「多維度結構對比法」，避免流於發散的直覺式描述：

1. 構面劃分：從「搬運與設備成本」、「生產流動與前置時間（WIP/Lead Time）」、「空間與通道需求」、「品質控制與排程彈性」四大關鍵績效構面，分別剖析大單位負載與小單位負載的優缺點。
2. 系統化歸納：利用條列及彙整對照表，使閱卷委員能迅速掌握論點之廣度與深度。
3. 具體實例對證：選取工業工程中最具代表性的製造現場（如汽車零組件或電子組裝廠之物料補給），具體指出載具型態（如「標準棧板」對比「看板周轉箱」），使「大」與「小」有具體規格與物理意義之展現。

申論解析與實例說明

一、大單位負載（Large Unit Load）之優缺點分析

通常指將大量物件集結於大型載具（如標準棧板 $1100\text{ mm}\times 1100\text{ mm}$、鋼製大型料箱、集裝箱/貨櫃）進行集中移動。

• 優點：

1. 搬運次數大幅降低：單次移動能搬送大量物料，減少長距離運輸的頻率與人員走動時間，具規模經濟效益。
2. 單位物料搬運成本低：在長距離或高流量的節點間（如原物料倉庫至產線暫存區），平攤至單一零件的搬運成本顯著下降。
3. 堆疊與垂直空間利用率高：大單位負載常搭配標準化棧板或貨架設計，可進行多層堆疊，提升立體倉庫的容積利用率。
4. 易於標準化自動化儲存：適合搭配自動倉儲系統（AS/RS）、棧板輸送機等成熟的高承載物流自動化設備。

• 缺點：

1. 在製品（WIP）增加與流動停滯：物料必須在工序前「累積至滿載」才進行搬運，形成大批量生產（Large Batch），造成產線 WIP 暴增並拉長前置時間（Lead Time）。
2. 重型搬運設備投資高：必須依賴堆高機（Forklift）、重型吊車等昂貴設備，設備購置與維護成本高。
3. 通道空間浪費：堆高機作業需搭配寬通道（Aisle Width 常需 $2.8\text{ m} \sim 3.5\text{ m}$ 以上），大幅壓縮廠房實際可用於加工的有效面積。
4. 品質風險擴大：若前期製程發生不良，通常整批（整個棧板）均已加工完成，易造成整批報廢或返工作業，隱蔽品質問題。

二、小單位負載（Small Unit Load）之優缺點分析

通常指以手提周轉箱（Tote Box / Container）、專用零件小托盤，甚至單件流（One-Piece Flow）為基準的移動單位。

• 優點：

1. 縮短前置時間與降低 WIP：符合及時化生產（JIT）精神，物料隨做隨送，減少工序間停滯等待，顯著降低流動時間（Flow Time）與存貨成本。
2. 即時發現品質異常：批量小，當下一道工序發現零件不良時，能立即向源頭反應停線調整，避免批量不良與浪費。
3. 搬運設備輕巧、動線緊湊：可使用重力滾輪架、小型台車、窄通道無人搬運車（AGV/AMR），作業通道可大幅縮減（常可縮減至 $1.2\text{ m} \sim 1.5\text{ m}$），提升廠房坪效。
4. 生產排程與應變彈性高：有利於平準化生產（Heijunka）與少量多樣混線生產，能快速反應客戶訂單變更。

核心觀念

本題考圖形法在設施配置上的應用：把部門間的權重視為相鄰配置的優先程度，權重愈大，愈應安排共享邊界。配置可用相鄰部門的權重總和評估：

廠區面積為 $50\times80=4{,}000\ \mathrm{m^2}$，5 個部門面積相同，因此每部門面積為：

解題方法

將部門排成相鄰序列 $A-D-C-B-E$。相鄰部門的權重總和為：

將 $50\ \mathrm{m}\times80\ \mathrm{m}$ 廠區沿 $50\ \mathrm{m}$ 邊分成 5 條等寬區帶，每條寬

核心觀念

本題屬於設施規劃（Facility Planning）中「廠房安全防護與工業安全」範疇。工廠在進行佈置規劃（Plant Layout）與設施設計時，必須評估製程中使用之原物料與設備的火災風險，並配置對應之消防與安全設施。

1. 火災分類依據： 以命題當年（民國 108 年）法規為準，依據經濟部標準檢驗局 CNS 1387《滅火器》及內政部《各類場所消防安全設備設置標準》第 3 條規範，火災依燃燒物質之物理與化學特性分為 A、B、C、D 四大基本類型。（現行法規與國際 NFPA 10 標準已納入涉及高溫烹調油脂的 K 類火災，但解題仍以命題當年及題目指定之四大類型為準）。
2. 滅火學理基礎： 燃燒必須同時具備四個要素，即「燃燒四面體」（Fire Tetrahedron）：

• 可燃物（Fuel）
• 助燃物／氧氣（Oxidizing Agent / Oxygen）
• 熱能／引火源（Heat / Ignition Temperature）
• 未受抑制之連鎖反應（Uninhibited Chain Reaction of Free Radicals） 滅火原則即為針對上述四要素進行破壞或移除的四大對應手段。

解題方法

本題為典型工業安全與設施安全規劃的申論題，答題架構應秉持「學理定義明確、分類條理分明、滅火對應清楚」的邏輯展開：

1. 第一部分：說明火災之四個類型 依序論述 A、B、C、D 四類火災。每一類型皆需寫出：代號、中文名稱、主要燃燒物質、燃燒特徵（如是否有餘燼、有無感電或爆炸風險）及國際通用的標誌形狀與代表顏色，以展現工程規範之精確度。
2. 第二部分：說明滅火原則 由「燃燒四面體」破壞機制切入，推導出冷卻法、窒息法、拆除法（隔離法）、抑制法（化學中斷法）四大原則，並詳述其微觀作用機制（如降溫至燃點以下、氧氣濃度降至臨界值以下、切斷自由基連鎖傳遞等）。
3. 第三部分：火災類型與滅火原則之整合對應 將四類火災與四大原則相互對應，明確指出適用之滅火介質與工廠環境下的操作禁忌（如 C 類斷電前不可導電、D 類嚴禁使用水與二氧化碳）。

選項分析

本題為專業科目申論題，非選擇題，無個別選項；評分核心在於論述是否完整涵蓋法規定義與工程學理。考生在作答時應注意以下論述層次：

• 未寫出標誌特徵或物質特性者：僅列出「普通、油類、電氣、金屬」易流於表面常識，應進一步說明如「固體具深部燃燒餘燼」、「非導電性介質之必要性」、「活性金屬禁水性」等工程特性。
• 滅火原則未連結化學抑制者：傳統「燃燒三要素」僅對應三種滅火法（冷卻、窒息、隔離），若未提及「燃燒四面體」與「抑制法（抑制自由基連鎖反應）」，在國家考試中會被視為觀念不完整而失分。

解題技巧

1. 英文字母速記法：

• A 類（Ash）：燃燒後留下灰燼的固體普通火災。
• B 類（Barrel / Boil）：油桶、可燃液體之油類火災。
• C 類（Current）：通電設備之電氣火災。
• D 類（Dense Metal）：活性金屬火災。

2. 滅火四法口訣：「冷、窒、隔、抑」

• 冷卻（奪熱）
• 窒息（奪氧）
• 隔離／拆除（奪料）
• 抑制（斷鏈）

3. 避踩作答陷阱：

• C 類電氣火災：切記強調「斷電前」為 C 類，優先處置是「切斷電源」；一旦斷電後即轉化為引燃周邊材料之 A 類或 B 類火災。
• D 類金屬火災：千萬不可寫「用水或水霧撲滅」。活性金屬（如鈉、鎂）高溫下與水接觸會產生氫氣引起劇烈氣爆，與二氧化碳接觸亦會發生放熱氧化反應，必須使用特種乾粉（如氯化鈉基）或乾燥砂覆蓋。

【答案】

一、火災的四個類型（以 CNS 1387 及消防法規為準）

依燃燒物質之物理與化學形態，火災分為下列四種類型：

1. A 類火災（普通火災，Ordinary Combustibles Fire）

• 定義與特性：由木材、紙張、纖維、棉毛、塑膠、橡膠等一般可燃固體物質所引起之火災。
• 特徵：燃燒時常伴隨發火、火焰，並產生高溫灰燼（具深部燃燒與再復燃特性）。
• 標誌識別：綠色底色，內為正三角形，標記大寫字母「A」。