汽車零部件物流配送中心工藝布局仿真優(yōu)化

王 琳 ，周 琪 ,

(1. 天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300222；2. 同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 200092)

零部件供應(yīng)是汽車物流供應(yīng)鏈的重要環(huán)節(jié)，其運營績效很大程度上決定了供應(yīng)鏈系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)，良好的零部件供應(yīng)水平可以大幅縮短工期、降低成本，提高產(chǎn)品對市場的響應(yīng)和制造過程的柔性．研究汽車零部件物流配送中心，可以解決汽車供應(yīng)鏈發(fā)展中的瓶頸問題，不僅能不斷增強企業(yè)自身的核心競爭力，同時也能降低物流成本和制造成本，獲得更高的市場份額，最終形成良性循環(huán)，不斷提升汽車工業(yè)的效益．

在設(shè)施布置仿真技術(shù)方面，Liu[1]研究的配送中心內(nèi)部庫存布局及訂單揀選系統(tǒng)采用仿真驗證新模型有效縮短了揀貨距離．Takakuwa等[2]用 Arena對非自動化配送倉庫的布局及流程進(jìn)行仿真．這些都是仿真技術(shù)在物流領(lǐng)域的成功應(yīng)用，對仿真手段在配送中心布局問題中的應(yīng)用具有啟迪作用．

不同于現(xiàn)有大部分針對節(jié)點設(shè)置和設(shè)施配比的研究[3–6]，關(guān)于單個配送中心內(nèi)部物流作業(yè)流程的優(yōu)化可以從根源上解決物流費用居高不下，而效率卻難以提高的詬?。己玫脑O(shè)施布置包括生產(chǎn)動線的順暢、生產(chǎn)設(shè)施的便利、運作的高效、人員的安全等方面．動線不合理會導(dǎo)致日常工作增加不必要的搬運成本；高峰時期進(jìn)出庫容易導(dǎo)致錯發(fā)漏發(fā)貨物等作業(yè)混亂；設(shè)備人員分布不合理會造成忙閑不均，影響服務(wù)水平和整體效益．如果在設(shè)計初期就能夠?qū)υO(shè)施布置進(jìn)行優(yōu)化，往往能夠起到“事半功倍”的效果，不僅避免了大量人力、財力、物力的浪費，而且能夠指導(dǎo)生產(chǎn)、提高工效、保障進(jìn)度計劃的執(zhí)行，而同時注重設(shè)施布置的柔性和敏捷化，使得企業(yè)能夠有效應(yīng)對市場的變動，在競爭中占得先機[7–8]．汽車自身價值較高，其儲運的設(shè)備投資巨大，一旦投產(chǎn)便難以在短期內(nèi)變動，因此區(qū)域設(shè)施布置及動線規(guī)劃亟需科學(xué)的工藝布局方法來改善，這對于其自身作用的發(fā)揮和提高整條供應(yīng)鏈的效率都起著至關(guān)重要的作用[9–12]．本文重點研究了汽車零部件物流配送中心的工藝流程布局，并通過仿真對設(shè)計方案進(jìn)行實驗．

1 汽車零部件配送中心布局規(guī)劃

1.1 功能及區(qū)域設(shè)置

圖1 功能區(qū)間的流程關(guān)系Fig.1 Relationship between function areas

布局規(guī)劃首先應(yīng)當(dāng)通過分析配送中心的功能來確定所需區(qū)域的類型．本文研究的汽車物流配送中心的主要作用是：從零部件供應(yīng)商處接收各類車型所需零部件，進(jìn)行集貨并配貨后供應(yīng)主機廠的流水線生產(chǎn)；為了提高生產(chǎn)效率，在配送前對其中部分零部件進(jìn)行預(yù)裝配，形成相關(guān)總成后直接上線．因此，其所需區(qū)域包括零部件的接收區(qū)、緩沖區(qū)(檢驗區(qū))、溢庫區(qū)、返庫區(qū)、存儲區(qū)、預(yù)裝區(qū)、翻包區(qū)、待發(fā)區(qū)，其中還需考慮零部件的料箱、料架存儲區(qū)，叉車等運輸設(shè)備的停放區(qū)和工作人員的辦公區(qū)域[12]．具體功能區(qū)間的流程關(guān)系如圖1所示．

各功能區(qū)基本作用如下：接收區(qū)主要是接收供應(yīng)商來貨或主機廠退貨，其位置應(yīng)緊連配送中心主入口的進(jìn)貨月臺；緩沖區(qū)在接收貨物與入庫儲存之間起到調(diào)節(jié)入庫操作節(jié)拍的作用，同時可以在該區(qū)域進(jìn)行供件的抽查檢驗，以便確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量，防止缺陷進(jìn)入下一環(huán)節(jié)；溢庫區(qū)可以在產(chǎn)品發(fā)生溢庫現(xiàn)象時起到暫存作用，同時在生產(chǎn)旺季可以起到緩解入庫作業(yè)壓力的作用；在存儲區(qū)，由于零部件的尺寸多樣，不同零件的使用頻次不同，綜合考慮經(jīng)濟和效率因素，應(yīng)當(dāng)安排不同的存儲方式和貨架，采用自動化立體庫、普通多層貨架和平庫儲存相結(jié)合的方式；預(yù)裝區(qū)可以根據(jù)主機廠的需求增設(shè)機械設(shè)備，通過對部分零部件在上線前提供簡單組裝服務(wù)，既能提高整個工作線的效率，也可以增加運輸效率；翻包區(qū)可以通過對大批量零件的集裝容器進(jìn)行翻包，拆裝成供件需要的批次，也可以完成對預(yù)裝后集成件的運輸用再包裝；翻包之后，空余料架可以集中運往料架區(qū)，以供及時回收使用；待發(fā)區(qū)即發(fā)貨區(qū)域，暫存分揀、集貨、包裝完成后的零部件或集成總件，等待運輸車輛運往主機廠．此外，辦公區(qū)可以配置汽車物流配送中所需的信息化設(shè)備，并提供操作人員辦公和休憩場所；停放區(qū)供停放空閑待用的叉車等設(shè)備，以減少作業(yè)區(qū)空間占用，保證現(xiàn)場5S管理中的“整理”．

針對汽車物流零部件配送的特點，在管理大量多品種的零部件時，存儲區(qū)應(yīng)當(dāng)注意的是：(1)在備貨方面，種類繁多的零部件可以根據(jù)價值和使用頻次進(jìn)行ABC分類．A級零件一般指發(fā)動機、車門總成、排氣管總成、座椅等，通常為非通用，不同車型有較大區(qū)別，可以面向特定車型分別貯藏；B級零件有車頂篷、后艙蓋、前后底板等，備量應(yīng)結(jié)合需求產(chǎn)量隨時變動；C級為室內(nèi)燈、方向盤、遮陽板、緊固件等標(biāo)準(zhǔn)件，由于消耗量大且穩(wěn)定，可以使用特定包裝容器大量存儲并保證一定數(shù)量的庫存?zhèn)溆茫?2)在貨架類型方面，由于汽車零部件的尺寸規(guī)格特性，在儲存過程中，應(yīng)注意按照零件類型放置于不同的貨架中．例如長型零件應(yīng)豎直存放，既節(jié)約空間又可以減少疊壓造成的貨損；微小型零件如油封、火花塞等，中型零件如空濾、離合器片等，大型零件如缸體、輪轂、水箱等都應(yīng)放置于專用尺寸的貨架或料箱，以減少空間占用，提高存儲效率．

1.2 配送中心區(qū)域流程動線及關(guān)聯(lián)性分析

本文以某汽車物流配送中心為例，按照系統(tǒng)化的設(shè)施布置流程，對汽車物流配送中心的區(qū)域布置設(shè)計進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，主要采用以下方法對流程動線和活動關(guān)聯(lián)性分析進(jìn)行綜合考慮．

首先，通過定量統(tǒng)計得出各個功能區(qū)域間的物流流向百分比圖(圖 2)，由此從全局上展示了區(qū)域間零部件貨品流動的強度．

圖2 各功能區(qū)域間物流流向百分比Fig.2 Logistics flow ratio of function areas

根據(jù)設(shè)施布置理論，物流強度可以從強至弱以 5個等級 A、E、I、O、U 表示．將通常按承擔(dān)物流量比例劃分轉(zhuǎn)換為物流流向百分比分析后的結(jié)果見表1．結(jié)合已知條件可得物流相互關(guān)系圖(圖 3)．為使圖更清晰，其中關(guān)系為U的以空格表示．

表1 物流強度等級表Tab.1 Logistic intensity scales

圖3 物流相互關(guān)系等級圖Fig.3 Logistics relationship chart

按照人員流動的密集程度可通過定性分析將配送中心內(nèi)非物流關(guān)系進(jìn)行分類形成相互對照表，見表2，并形象化為相互關(guān)系圖，見圖4．

表2 非物流相互關(guān)系表Tab.2 Non-logistics relationship table

圖4 非物流關(guān)系圖Fig.4 Non-logistics relationship chart

通過對各功能區(qū)域的分析，分別確定物流相互關(guān)系和非物流相互關(guān)系后，可對其賦予不同權(quán)值確定功能區(qū)間的綜合相關(guān)性，為平面布局提供有益參考．由于配送中心內(nèi)主要參與作業(yè)的貨品為汽車零部件，總體來說為大型、重型機械五金部件，物料運輸總量很大，因此物流與人流的權(quán)重比設(shè)定為 3∶1．同時，量化物流關(guān)系和非物流關(guān)系強度為：

設(shè)任意兩功能區(qū)間的物流相互關(guān)系等級為 M，非物流相互關(guān)系等級為N，那么綜合關(guān)系強度P可采用式(1)求得．

在求得各功能區(qū)域間相互關(guān)系的綜合關(guān)系強度分值后，統(tǒng)計其所占的百分比，按照物流強度理論中按百分比分類的思想進(jìn)行分級評比，根據(jù)試算后的比例數(shù)得出綜合關(guān)系強度等級，據(jù)其得到綜合相互關(guān)系，見圖5．

圖5 綜合相互關(guān)系等級圖Fig.5 Integrated logistics relationship chart

1.3 配送中心設(shè)施布局設(shè)計

在關(guān)聯(lián)性分析完畢之后，采用關(guān)聯(lián)線圖法將功能區(qū)塊抽象為方塊，按照各作業(yè)區(qū)關(guān)聯(lián)程度布置．根據(jù)綜合后的物流相互關(guān)系，對各個功能區(qū)進(jìn)行重復(fù)的選擇和調(diào)整，根據(jù)“A關(guān)系靠邊，E關(guān)系靠角”的基本原則再加以綜合考慮，獲得基本符合要求的配送中心平面布局．

在本例中，由于配送中心主要作業(yè)多集中于存儲區(qū)域，因此首先選擇與其他區(qū)域 A關(guān)系最密集的存儲區(qū) 5作為中心區(qū)，將其單元擴大一倍后置于中央，以增大與其他單元接觸區(qū)域，令動線更流暢．然后依次根據(jù)與存儲區(qū)的關(guān)系密切程度進(jìn)行周邊的擺放．2、3、7區(qū)域均與其有密切關(guān)系，因此大致布局都呈環(huán)狀圍繞 5的樣式；隨后進(jìn)行排布的應(yīng)是 1、4和8、9；根據(jù)相互關(guān)系，1、4應(yīng)圍繞 2排列，并盡量接近；而對應(yīng)的8、9在盡量靠近5的同時，保持與7在位置上的毗鄰；最后是在1和9間安插入10，使其位置盡量減少往復(fù)作業(yè)，11應(yīng)與10相連．

采用上述步驟后，可以得出4種有代表性的布局形式，在連接各區(qū)塊繪制出主要動線后，將 4種類型分別以其動線形式命名為 U型、L型、S型、I型，具體布局見圖6．

圖6 4種布局形式圖Fig.6 Four kinds of layout chart

2 配送中心布局建模仿真

2.1 配送中心仿真模型的建立

Flexsim軟件因其具有強大的離散事件系統(tǒng)模擬功能和3,D可視化效果，可以滿足規(guī)劃設(shè)計人員的個性化要求，且效果直觀易于理解，利于向決策層匯報和展示．這里以得出的 4種基本布局形式作為 4種備選方案．

該系統(tǒng)的問題可被描述為：一個具有接收區(qū)、緩沖區(qū)、檢驗區(qū)、存儲區(qū)、預(yù)裝區(qū)、待發(fā)區(qū)等功能區(qū)的汽車物流配送中心，其從零部件供貨商處取得貨品，在接收完畢后在緩沖區(qū)進(jìn)行質(zhì)量檢驗，確認(rèn)無誤后由傳輸帶運送至入庫站臺由堆垛機執(zhí)行集合和入庫作業(yè)；需要出庫時，堆垛機根據(jù)主機廠看板將所需貨品運送至翻包區(qū)進(jìn)行拆分、預(yù)裝配，然后在緩沖區(qū)等待配送，其中在暫存區(qū)和檢驗區(qū)間、預(yù)裝區(qū)和出庫待發(fā)區(qū)間采用操作員，入庫過程使用分類輸送機按零部件類型輸送至不同的站臺；存儲區(qū)規(guī)模定為 2個 10行×10列貨架，分別由2臺堆垛機執(zhí)行出入庫作業(yè)，采用同端或者異端出庫方式、運輸帶長度和形狀等問題根據(jù)系統(tǒng)布置決定．系統(tǒng)的主要物流流程如圖7所示．

圖7 主要物流流程圖Fig.7 Flow chart of the main logistics

設(shè)定所屬汽車物流配送中心廠房所需模型實體的數(shù)量和功能見表3．

表3 模型實體的數(shù)量和功能列表Tab.3 Quantity and function list of the model entity

根據(jù)已得出的布局，建立相應(yīng)的仿真模型．具體步驟為：首先從 Flexsim所提供的實體庫中調(diào)用所需的實體；為了在有限的空間內(nèi)增大由于布置不同所帶來的物流路徑差異，分別將表示出入庫區(qū)域的發(fā)生器和吸收器置于廠房的四角位置上，入庫緩沖區(qū)和出庫暫存區(qū)分別擺放于與發(fā)生或吸收器的同側(cè)對角上；為了在有限的實體數(shù)量中表現(xiàn)汽車物流配送中心中零部件分類擺放的現(xiàn)象，利用 Flexsim中的分類輸送機，依照貨品類型分貨輸出于不同的端口，同時在貨架出庫端也使用分類輸送機進(jìn)行集貨運出；為表現(xiàn)從緩存區(qū)到處理器間可能出現(xiàn)的運輸瓶頸，使用操作員進(jìn)行短距離單件貨物的運輸和裝卸工作；為表現(xiàn)貨架的托盤存取功能，增大堆垛機容量以代替碼盤機和拆盤機的使用；為使運輸距離在輸送機的長度上得以體現(xiàn)，采用輸送機直接銜接檢驗處理機和裝配處理機的設(shè)計．

在根據(jù)設(shè)計方案把實體在所限區(qū)域內(nèi)布置完成后，依據(jù)物流操作的順序，按照實體類型分別連接各實體的輸入、輸出和中心端口，最終建立 4種布局類型的仿真布局模型，其靜態(tài)狀況如圖8所示．

圖8 仿真布局模型圖Fig.8 Layout simulation model

在實驗設(shè)計過程中，由于本例采用控制變量法，即將影響模型系統(tǒng)性能表現(xiàn)的變量只局限于系統(tǒng)布置不同所帶來的差別，因此必須保持與系統(tǒng)布置無關(guān)的其他隨機變量一致，具體包括汽車零部件進(jìn)庫的時間和數(shù)量分布、系統(tǒng)庫存容量和堆垛機、處理機構(gòu)的操作速率等指標(biāo)．基于以上構(gòu)想，對各方案中相同功能實體和部分物流設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，參數(shù)見表4—表7．

表4 設(shè)施設(shè)備的參數(shù)表Tab.4 Parameter list of facilities

表5 堆垛機的參數(shù)表Tab.5 Parameter list of stackers

表6 操作員的參數(shù)表Tab.6 Parameter list of operators

表7 貨架的參數(shù)表Tab.7 Parameter list of racks

2.2 配送中心仿真模型的運行及結(jié)果分析

建立仿真模型后，首先試運行系統(tǒng)各 5,000,s，觀察有無參數(shù)不合理所導(dǎo)致的設(shè)備嚴(yán)重阻塞現(xiàn)象，然后重復(fù)運行系統(tǒng)，觀察重復(fù)性對其數(shù)據(jù)波動是否有影響．最后，在準(zhǔn)備運行階段調(diào)試完畢后進(jìn)行正式實驗.

設(shè)實驗中 1個單位仿真時間代表 1,h，希望采集汽車物流配送中心運行1年的數(shù)據(jù)，因此將系統(tǒng)運行時間定為24×365 = 8 760個單位時間．

在正式運行系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)時間后，打開統(tǒng)計面板，獲取以表格輸出的各設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計報告．由于實驗?zāi)康氖潜容^不同布局下的系統(tǒng)運行性能，因此分析對象可以鎖定在系統(tǒng)中相同實體在不同布局下運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)．通過對獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照每個實體在不同布局下的狀態(tài)分布進(jìn)行分類總結(jié)，得出各布局中相同實體的狀態(tài)指標(biāo)對比．

同樣，通過對每個方案所輸出的標(biāo)準(zhǔn)報告進(jìn)行分析，得到庫存水平(主要由貨架的相關(guān)數(shù)據(jù)得出)，見表8和表9．此外，分別對4種布局的其他指標(biāo)(設(shè)施實際占地面積和總運輸距離等)進(jìn)行統(tǒng)計，見表 10．其中設(shè)施實際占地面積的統(tǒng)計采用格數(shù)法，借用Flexsim顯示面積所用的網(wǎng)格統(tǒng)計空置面積的大致規(guī)模，再用總規(guī)模減去空置面積，即得實際占地面積的概數(shù)；而總運輸距離采用射影法，將輸送機和貨架的長度投射到廠房的長寬邊上，簡單相加即可獲得總運輸距離．使用類似的估算方法可以大大簡化指標(biāo)的統(tǒng)計過程，在相對性比較方法中并不影響對結(jié)果的評估.

表8 貨架1庫存統(tǒng)計表Tab.8 Inventory statistics of Rack 1

表9 貨架2庫存統(tǒng)計表Tab.9 Inventory statistics of Rack 2

表10 參數(shù)分析表Tab.10 Parametric analysis table

針對汽車物流配送中心工藝布局的仿真優(yōu)化，其目的是保證企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營需要的情況下，按照配送中心作業(yè)流程，在確定的空間場所中對所需的物流設(shè)施(如貨架、輸送帶、堆垛機等)和人員進(jìn)行合理的布置，在分配組合后獲得最大的經(jīng)濟效益．因此主要目標(biāo)可以確定為物料搬運距離最少，同時應(yīng)符合出入庫各項物流操作流程．

根據(jù)對上述數(shù)據(jù)的分析可知，在假設(shè)的條件下，I型為最佳布局方案，L型其次，其后分別是 U型和 S型．因此，對現(xiàn)有備選方案的優(yōu)化結(jié)果，以采用 I型布局方案為佳．

3 結(jié) 語

在布局規(guī)劃方案的設(shè)計上，本文選用已經(jīng)較為成熟的設(shè)施布局理論，首先明確各區(qū)域的功能關(guān)系和流程走向，分別采用物流流程圖(以流向百分比的形式)和定性關(guān)聯(lián)圖得到各區(qū)域物流相互關(guān)系和非物流相互關(guān)系表，賦權(quán)相加后統(tǒng)計各分值段百分比，以類似考慮物流強度分等級的方法確定了最終的綜合相互關(guān)系表；同時，根據(jù)汽車物流配送的特點改進(jìn)了關(guān)聯(lián)線圖法，擴大了存儲區(qū)域的塊狀面積，得出了 4種具有代表意義的布局形式，以動線為突破口進(jìn)行仿真，并通過仿真計算選擇 I型布局方案作為最佳設(shè)計方案．該過程盡可能全面地考慮了各區(qū)域間作業(yè)的各種內(nèi)在聯(lián)系，較單純依靠經(jīng)驗盲目布置更具有依據(jù)和針對性，可有效減少物流路徑的迂回繁復(fù)．

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