111 專技高考高等考試 工業工程技師 設施規劃與自動化生產系統 考古題詳解

核心觀念

本題評量設施規劃（Facilities Planning）與生產系統設計中，「製程設計（Process Design）」之基本架構與決策體系。 在 Tompkins 等人所著的設施規劃權威體系中，設施設計的輸入資訊主要來自三大構面：

1. 產品設計（Product Design）：界定「製造什麼產品」（What to produce）。
2. 製程設計（Process Design）：界定「如何製造產品」（How to produce）。
3. 排程設計（Schedule Design）：界定「何時製造與製造多少數量」（When and How much to produce）。

其中，製程設計之三大關鍵流程依序為：

1. 製程辨識與自製外購評估（Identifying Required Processes & Make-or-Buy Analysis）
2. 設備選定（Selecting Required Equipment）
3. 作業順序規劃／途程設計（Sequencing the Operations / Routing）

相關工具與工程文件包括：工程圖（Engineering Drawings）、材料清單（BOM / Parts List）、途程表（Route Sheet）、作業程序圖（Operation Process Chart, OPC）與裝配圖（Assembly Chart）。

解題方法

本題為標準的工業工程技師申論題，作答應採取「定義 $\rightarrow$ 流程拆解 $\rightarrow$ 決策維度 $\rightarrow$ 產出表單與工具」的邏輯架構：

1. 架構化陳述：先以整體視角說明製程設計在工廠規劃中的承先啟後定位（銜接產品設計與佈置規劃）。
2. 三階段逐項深論：

• 明確標出三大流程名稱（英文對照有助於提升專業度）。
• 解析各流程的「核心目標」。
• 詳列「關鍵決策內涵」（包含量化指標、取捨考量 Trade-offs、管理因素）。
• 標明各階段的「具體工程產出文件」（Deliverables），展現工程實務深度。

3. 系統性總結：將三大流程與決策產出整理為對照表，使閱卷委員一目了然。

選項分析

本題為高等考試專技技師之申論題，非選擇題，故無各別選項可供分析。考生應將重點置於申論層次之分明性、專有名詞之精確度，以及決策變數之完整性。

解題技巧

1. 口訣記憶法：記住「辨識（What to do） $\rightarrow$ 設備（With what） $\rightarrow$ 順序（In what order）」，三部曲層層遞進，邏輯不可顛倒。
2. 連結工程圖表：答題時若僅回答抽象觀念易流於空泛，務必帶入工業工程專業產出表單（如 Route Sheet、OPC、Assembly Chart），這是技師考試奪取高分的關鍵細節。
3. 防陷阱提示：切勿將排程設計（產能需求計算、批量決定、交期排程）或廠區佈置（Layout）混入製程設計中；製程設計聚焦於「製造方法、機器選定與作業程序」。

【答案】

在設施規劃（Facilities Planning）體系中，製程設計（Process Design）之核心任務在於決定「如何將原物料轉化為最終產品」。其三大關鍵流程與主要決策內涵如下：

一、 製程辨識與自製／外購決策（Identifying Required Processes & Make-or-Buy Analysis）

1. 流程描述： 依據產品工程圖（Engineering Drawing）與物料清單（Bill of Materials, BOM），分析完成各項零組件之幾何形狀、尺寸公差與材料特性所需的加工方法，並決定該零組件應由廠內自行製造或向供應商外購。

2. 主要決策內涵：

• 自製或外購評估（Make-or-Buy Decision）：
• 成本效益：利用損益平衡分析（Break-Even Analysis），以生產量 $Q$ 評估自製固定成本與外購變動成本之經濟臨界點。
• 核心競爭力與專利防護：涉及關鍵技術、專利設計或高機密性之零組件傾向自製。

核心觀念

本題評量工業工程技師在「自動化製造系統」（Automated Manufacturing Systems）領域中，對**固定式自動化（Fixed Automation / Hard Automation，又稱剛性自動化）**之系統分類、機構組成、產能動態與廠房設施布置之整合理解。核心概念涵蓋：

1. 固定式自動化之定義：指將加工或組裝作業之加工順序、動作行程完全固定於專用機械結構、硬體電氣迴路或凸輪聯動機構中的自動化型態。具備「初始投資高、專用性極高、產品變更彈性極低、生產速率極高」之特徵。
2. 兩大子系統分類準則（依工件傳送與實體構型）：

• 線性轉移系統（In-line Transfer Line / Straight-line System）
• 迴轉分度系統（Rotary Transfer Machine / Dial Indexing Machine）

3. 產能與可靠度模型：

• 理想週期時間（Cycle Time）：$T_c = \max(T_{si}) + T_r$（其中 $T_{si}$ 為第 $i$ 個工作站之加工時間，$T_r$ 為工件傳遞時間）。
• 產能（Production Rate）：$R_p = \frac{1}{T_p} = \frac{E}{T_c}$，其中 $E$ 為生產線綜合效率（Line Efficiency）。
• 緩衝儲區（Buffer Storage）對串聯系統可靠度與實質產能的解耦影響。

4. 設施規劃與布置特徵：直線型（I 型）、L 型、U 型與矩形流線 vs. 圓形／環形中心對稱布置；佔地面積、工站擴充性與人機維護動線。

解題方法

本題為標準的觀念申論與系統比較題，切入架構如下：

1. 破題界定：明確定義固定式自動化系統，並依製造工程與自動化權威理論（如 Mikell P. Groover 之體系），指出其兩大經典子系統為「線性轉移生產線」與「迴轉分度機系統」。
2. 分項深度剖析：針對兩大子系統，分別從「定義與運作機制」、「主要設備組成」、「產能與稼動率特徵」、「設施布置與空間特徵」四大維度展開。
3. 對比矩陣歸納：運用結構化表格進行對比，直觀呈現設備差異、產能節拍、緩衝區設置、占地與擴充彈性，以利閱卷委員快速掌握得分要點。

選項分析

本題為高等考試專技技師之申論題（非選擇題），無固定選項。在國考評分標準中，評分核心落於以下關鍵檢驗維度：

1. 子系統分類命名是否精準：必須明確寫出「線性轉移系統（In-line Transfer Line）」與「迴轉分度機系統（Rotary / Dial Indexing Machine）」，若僅泛稱「加工線」與「組裝線」則未能完全扣合「主要設備」與「布置特徵」之題旨。
2. 主要設備之技術名詞：如步進輸送梁（Walking beam）、動力頭（Machining unit heads）、日內瓦機構（Geneva mechanism）、凸輪分度盤（Cam indexing table）等專業用詞是否到位。
3. 產能分析之深度：是否點出「工站數受限度」以及「中間緩衝區（Buffer Storage）」對整線產能與停線風險的關鍵影響。
4. 布置特徵之具體描述：是否詳述直線型、U 型等流線幾何與圓形環狀空間配置的優劣與面積利用率。

解題技巧

1. 記憶口訣：

• 「線長大件緩」：線性轉移線、佔地長、適合大重工件、可設置中間緩衝區。
• 「盤緊小件聯」：迴轉分度盤、結構緊湊、適合微小輕件、剛性全串聯無緩衝。

2. 避免盲點：

• 勿將「固定式自動化」與「彈性製造系統（FMS）」混淆。固定式自動化內部無可程式化換線彈性，皆由硬體專用模具及凸輪/固定滑台驅動。
• 提及產能時，務必說明「單站停機造成全線停機」的連鎖失效問題。迴轉分度機全線完全同步（Synchronous），任何一站故障則全線效率驟降，故工站數通常限制在 4 至 12 站之間。

【答案】

固定式自動化系統（Fixed Automation System，又稱剛性自動化）係針對單一規格、大量生產（Mass Production）之產品設計，其加工程序與搬運順序完全固化於專用硬體與機構配置中。依工件傳送軌跡與機構構型，固定式自動化系統可劃分為**線性轉移系統（In-line Transfer System）與迴轉分度系統（Rotary Transfer System）**兩大子生產系統，其詳解如下：

一、 線性轉移自動化系統（In-line Transfer System）

1. 系統描述與詮釋

線性轉移系統（又稱直線自動加工線或 Transfer Line）是將一系列專用自動工作站依工藝先後順序，沿著一直線（或折線）軌跡排列的固定自動化系統。工件藉由一體化的傳送機構在相鄰工站間作步進式移載，各工站同時對不同工件執行特定的切削加工、沖壓或裝配作業。

2. 主要設備

• 工件傳送與移載設備：步進傳送梁（Walking Beam Transfer Mechanism）、往復式傳送桿（Transfer Bar with Dogs）、動力滾輪台（Powered Roller Conveyor）及升降式移載機構。
• 加工與作業設備：標準化專用動力頭（Machining Power Heads / Unit Heads，如專用鑽孔、鉸孔、銑削單元）、專用氣壓/液壓沖壓模組、自動檢驗探針（Inspection Probes）。

核心觀念

本題出自設施規劃權威經典教材（J. A. Tompkins 等人所著《Facilities Planning》）之「倉儲作業與規劃（Warehouse Operations）」章節，為專技高考工業工程技師類科的經典核心題型。

倉儲系統在現代供應鏈與製造系統中，已由傳統被動的「靜態物料堆放空間」轉變為高效率的「動態轉運與資訊整合中心」。設施規劃理論將實體物料由供應商進廠（Inbound）、在廠留存，至組裝出貨交予客戶（Outbound）之完整作業流程，嚴謹歸納為連續且互相關聯的「九大主要功能（Nine Primary Warehouse Functions）」。考生必須掌握各功能的作業定義、實體物流與資訊流之互動，以及對應之現代化物料搬運與倉儲管理系統（WMS）技術。

解題方法

本題為申論題，作答時切忌零散條列。應採用**「實體物料流動程序導向（Process-Oriented Material Flow）」**作為切入架構，依時序將倉儲作業劃分為三大階段展開說明：

1. 入庫階段（Inbound Operations）：收貨 $\rightarrow$ 識別與分類 $\rightarrow$ 調度派送入庫。
2. 在庫階段（In-storage Operations）：放置入庫（上架） $\rightarrow$ 儲存保管。
3. 出庫階段（Outbound Operations）：揀貨 $\rightarrow$ 彙整與分類 $\rightarrow$ 包裝與檢核 $\rightarrow$ 出貨裝載。

申論答題策略採「功能名稱（中英對照）＋ 作業核心定義 ＋ 關鍵實務作業與技術應用」之三層次結構展開，展現工業工程系統化分析之專業水準。

選項分析

本題為高等考試專技技師之申論問答題，無選擇題選項。評閱標準與計分要點分析如下：

• 完整性（佔分約 $40\%$）：九大功能名稱必須完整且精準無漏。若將「調度派送」與「放置入庫」混為一談，或漏列「彙整與分類」，將造成關鍵失分。
• 內涵闡述深度（佔分約 $40\%$）：每一功能須精準指出其輸入、轉換過程與輸出，不可僅寫名詞解釋。
• IE 與自動化實務結合（佔分約 $20\%$）：主動點出各作業環節所對應之資訊系統（WMS、條碼／RFID）與搬運設備（AS/RS、揀貨技術、分類機等），為獲得全額分數之關鍵。

解題技巧

1. 流程鏈口訣記憶法： 背誦九字口訣：「收、辨、派、放、存、揀、整、包、出」。

• 入庫端：收貨（Receiving） $\rightarrow$ 識別（Identification） $\rightarrow$ 派送（Dispatching）。
• 庫存端：放置（Placing/Put-away） $\rightarrow$ 儲存（Storage）。
• 出庫端：揀貨（Order Picking） $\rightarrow$ 彙整（Accumulation） $\rightarrow$ 包裝（Packing） $\rightarrow$ 出貨（Shipping）。

2. 掌握成本權重重點發揮： 在說明「揀貨（Order Picking）」時，特別標註其通常佔倉儲總營運成本與工時的 $50\%$ 以上，為設施規劃中路徑最佳化與自動化評估的重中之重，閱卷委員必給高分。
3. 資訊流與實體流並重： 每一項功能除了實體貨物移動，應適度提及 WMS 的同步帳務處理（如掃描確認、儲位指派邏輯、庫存扣帳）。

【答案】

倉儲系統之九大主要功能（Nine Primary Warehouse Functions）依作業時序與物流程序依序說明如下：

一、收貨（Receiving）

1. 作業定義：接受外部供應商、委外廠或前端生產製程送達之物料，進行卸載與外觀初檢的入口作業。
2. 主要內容：

• 安排運輸車輛於碼頭泊位（Dock）停靠，使用堆高機、托板車或輸送帶進行貨品卸載。
• 核對進貨單據（如採購單 PO、送貨單），清點外包裝箱數與外觀完整性，若有外箱破損立即拍照並註記。
• 於倉儲管理系統（WMS）中完成初階點收登錄，建立物料之進場暫存批號。

二、識別與分類（Identification and Sortation）

1. 作業定義：對進廠物料的身分屬性進行確認、品質檢驗，並依後續處理路徑進行分流。
2. 主要內容：

• 利用條碼（Barcode）掃描或 RFID 感應，確認物料之料號（SKU）、批號、規格及製造日期。
• 執行進料品質檢驗（IQC），抽樣檢測物料是否符合允收標準。
• 依物料特性與流通策略進行分流：需入庫者移入入庫緩衝區；符合越庫配送（Cross-docking）條件者，則直接分流至出貨準備區，免去入庫儲存程序。

核心觀念

本題使用部門型心計算直角坐標距離，再以「流量 × 單位距離移動成本 × 部門間距離」計算總物料移動成本。CRAFT 以部門成對交換評估配置改善幅度。

令部門 $i,j$ 間的權重為 $w_{ij}=f_{ij}c_{ij}$，則總成本為：

其中 $f_{ij}$ 是流量，$c_{ij}$ 是單位距離移動成本，$d_{ij}$ 是直角坐標距離。

解題方法

1. 讀取配置圖並計算型心

依圖中每格 $1\text{ m}\times1\text{ m}$、基地長 $25$ 公尺、寬 $11$ 公尺，設定左下角為 $(0,0)$。由圖可讀出：

• A：$0\le x\le8,\ 0\le y\le6$
• B：$0\le x\le8,\ 6\le y\le11$
• C：$8\le x\le25,\ 6\le y\le11$
• D：$15\le x\le25,\ 0\le y\le4$
• E：其餘未被 A、B、C、D 占用的區域

矩形部門的型心為矩形中心。E 是由兩個矩形組成的 L 形，須用面積加權平均計算型心。

E 的型心計算如下：E 可分為 $x=8$ 至 $15$ 的 $7\times6$ 矩形，以及 $x=15$ 至 $25,\ y=4$ 至 $6$ 的 $10\times2$ 矩形。因此：

2. 建立直角坐標距離矩陣

使用 $d_{ij}=|x_i-x_j|+|y_i-y_j|$ 計算，單位為公尺：