基于離散事件仿真的飛機(jī)總裝裝配線數(shù)字化設(shè)計(jì)方法初步研究

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總裝廠 李 濤

當(dāng)今的制造業(yè)面臨著緊迫的生存危機(jī)。激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和客戶需求的提高，要求企業(yè)在最短的時(shí)間內(nèi)以最低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量、多規(guī)格的產(chǎn)品。這一趨勢(shì)同樣影響著航空制造業(yè)，企業(yè)花費(fèi)大量的資金和引進(jìn)最新的技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行改造，通過(guò)工藝流程的優(yōu)化等措施來(lái)挖掘最大的生產(chǎn)潛力。中國(guó)的航空制造企業(yè)要在傳統(tǒng)的防務(wù)事務(wù)外尋找新的增長(zhǎng)點(diǎn)，進(jìn)入通用航空制造領(lǐng)域，與世界先進(jìn)國(guó)家的航空企業(yè)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，就必須掌握有力的工具對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，使裝配線低成本、省時(shí)、高效、靈活地運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)字化仿真正是這一有力工具，用于在生產(chǎn)系統(tǒng)和改進(jìn)的工藝流程投入實(shí)際運(yùn)行前，對(duì)各種相關(guān)因素進(jìn)行分析評(píng)估。

1 仿真技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的目的是通過(guò)對(duì)研究對(duì)象的不確定變量、參數(shù)、環(huán)境、條件進(jìn)行模擬，考察研究對(duì)象在預(yù)設(shè)條件下的輸出結(jié)果，以減少實(shí)際投入成本。在飛機(jī)總裝裝配工藝設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的仿真有基于產(chǎn)品三維幾何外形的產(chǎn)品裝配仿真和基于事件數(shù)據(jù)的工藝流程仿真。前者側(cè)重于解決產(chǎn)品本身的安裝協(xié)調(diào)、人機(jī)環(huán)境等問(wèn)題，后者則注重使用信息化、數(shù)字化手段考察裝配工藝流程和生產(chǎn)物流系統(tǒng)的合理性、精益性。本文后續(xù)提到的仿真均指流程仿真技術(shù)。

1.1 流程仿真技術(shù)

1.1.1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

一般將基于事件響應(yīng)的活動(dòng)稱為業(yè)務(wù)系統(tǒng)（Operations System）[1]，例如生產(chǎn)制造、餐飲服務(wù)、服務(wù)熱線、交通運(yùn)輸、航空管制、港口吊運(yùn)、防務(wù)活動(dòng)等。由于上述業(yè)務(wù)系統(tǒng)的多變性、交聯(lián)性、復(fù)雜性，因此在進(jìn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)難以對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。而業(yè)務(wù)系統(tǒng)大多基于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)并參考相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際的業(yè)務(wù)系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)變化的，這就提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如飛機(jī)裝配線設(shè)計(jì)）的難度。

1.1.2 仿真的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

計(jì)算機(jī)仿真并不是分析和改進(jìn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的唯一方法，但它與其他方法（如試驗(yàn)法、編程法）相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在仿真的低成本、高效率、短時(shí)間、可信性、靈活性上[2]。用試驗(yàn)法對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行更改，由于在有限的費(fèi)用中不能實(shí)際試驗(yàn)所有的情況，所得到的結(jié)果成本既高又不可靠。而由編程法得到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型，靈活性低，僅能模擬少數(shù)系統(tǒng)變量的變化；實(shí)時(shí)性差，不能動(dòng)態(tài)反映業(yè)務(wù)系統(tǒng)的變化[3]。

仿真的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在需要大量地輸入數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)分析輸入、分析計(jì)算和優(yōu)化改進(jìn)，需要多次迭代，耗時(shí)較長(zhǎng)。

1.1.3 離散事件仿真原理

所謂離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)變化只發(fā)生在一些離散的時(shí)間點(diǎn)上，而在相鄰兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間系統(tǒng)狀態(tài)保持不變[4]。離散事件仿真就是按照實(shí)際的工作流程，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順序地改變實(shí)體或設(shè)備的狀態(tài)。離散事件系統(tǒng)仿真實(shí)質(zhì)上是對(duì)那些由隨機(jī)系統(tǒng)定義的、用數(shù)值方式或邏輯方式描述的動(dòng)態(tài)模型的處理過(guò)程。

1.2 國(guó)內(nèi)外仿真技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

1.2.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展情況

早在20世紀(jì)60年代，歐美就開(kāi)始使用專用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言（如FORTRAN）對(duì)復(fù)雜事件系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真[5]。到20世紀(jì)90年代，隨著建模仿真理論研究和方法的成熟，基于專用仿真工具Witness、Arena、Simul8、PlantSim等的成功案例在國(guó)外文獻(xiàn)上有廣泛的介紹[6]。

國(guó)外對(duì)于飛機(jī)裝配線的建模仿真研究很多。1994年，波音公司SCOUTT等人提出基于網(wǎng)絡(luò)圖的飛機(jī)裝配過(guò)程操作模型和優(yōu)化算法[7]； 2000年，波音公司HEIKE等人提出了一種飛機(jī)混合裝配過(guò)程模型，分析了裝配工作站的工作循環(huán)時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)資源、成本的關(guān)系，最后建立了4個(gè)方面的飛機(jī)裝配過(guò)程分析模型[8]；MACKULAK提出了基于IDEF的飛機(jī)機(jī)身制造過(guò)程分析方法，嘗試通過(guò)IDEF模型獲取高質(zhì)量的制造計(jì)劃和控制方法[9]。

1.2.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)裝配線建模仿真也做了一些研究。南京航空航天大學(xué)潘志毅等提出了一種基于加權(quán)有向圖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣與多色集合同步映射的設(shè)計(jì)過(guò)程模型，并且以某型飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)過(guò)程規(guī)劃為例進(jìn)行了驗(yàn)證[10]；西北工業(yè)大學(xué)張杰等依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)組織模式分析了飛機(jī)裝配作業(yè)單元分解結(jié)構(gòu)，給出了裝配系統(tǒng)關(guān)系對(duì)象Petri網(wǎng)的模型定義，并闡述了裝配元對(duì)象和邏輯對(duì)象模型的構(gòu)建步驟和規(guī)則[11]；西北工業(yè)大學(xué)周小波等研究了根據(jù)飛機(jī)裝配過(guò)程的三級(jí)作業(yè)單元模型建立基于層次時(shí)間Petri網(wǎng)的裝配過(guò)程模型構(gòu)建步驟和模型運(yùn)行要遵守的規(guī)則[12]。

1.2.3 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用案例簡(jiǎn)介

國(guó)防軍工和航空制造業(yè)的應(yīng)用案例主要有：

（1）英國(guó)BAE系統(tǒng)公司對(duì)新建導(dǎo)彈導(dǎo)引頭生產(chǎn)工廠進(jìn)行了工廠布局和流程仿真，得到了影響生產(chǎn)效率的定性和定量的仿真分析結(jié)果。在老廠房工藝流程得來(lái)的低產(chǎn)量、較早型號(hào)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了新廠房高產(chǎn)量產(chǎn)品的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了不同類(lèi)型產(chǎn)品混線生產(chǎn)的優(yōu)化工藝布局、資源需求等。

（2）2006年，空客公司采用系統(tǒng)建模和仿真分析的方法，對(duì)A330、A340以及A340-600飛機(jī)機(jī)翼裝配線的工藝流程進(jìn)行了評(píng)估和改進(jìn)[13]?？湛瓦M(jìn)行仿真的目的是：評(píng)估車(chē)間的產(chǎn)能，測(cè)量吊車(chē)及夾具的利用率，驗(yàn)證提高產(chǎn)能的追加投資，分析工作班次對(duì)產(chǎn)能的影響。

（3）2007年，空客公司對(duì)A380飛機(jī)機(jī)翼翼盒結(jié)構(gòu)第一階段裝配進(jìn)行了流程仿真分析（見(jiàn)圖1），找到了工藝流程和物流系統(tǒng)的瓶頸。

（4）羅·羅公司（Rolls-Royce）采用仿真技術(shù)對(duì)其航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的各個(gè)站位進(jìn)行了平衡裝配線改進(jìn)[14]。

圖1 空客使用Witness進(jìn)行機(jī)翼裝配線工藝流程仿真Fig.1 Aplication of witness process simulation in Airbus wing assembly line

2 建模仿真流程

離散事件建模和仿真的理論經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展已趨近成熟，但因具體應(yīng)用行業(yè)、同行業(yè)內(nèi)工藝水平和能力的差異，研究對(duì)象的側(cè)重點(diǎn)不同，建模仿真的工藝規(guī)范和流程不完全一樣，所選用的仿真軟件也有差別。

2.1 仿真軟件的選擇

2.1.1 仿真軟件對(duì)比

離散事件仿真軟件的發(fā)展依賴于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，大體上有3種類(lèi)型的仿真軟件，如表1所示[15]。從對(duì)比來(lái)看，專用仿真軟件更適合一般工藝技術(shù)人員使用。

2.1.2 仿真軟件選擇流程

由于市面上專用仿真軟件較多，功能不盡相同，所以應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估選擇。仿真軟件選擇的一般流程是[16]：

表1 3種類(lèi)型的仿真建模軟件對(duì)比

·第一步：明確建模的需求分析，可以和仿真項(xiàng)目的建模數(shù)據(jù)需求分析一并進(jìn)行。

·第二步：統(tǒng)計(jì)常見(jiàn)的仿真軟件。

·第三步：建立統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如軟硬件需求、軟件功能、可視化、數(shù)據(jù)輸入輸出模式、分析優(yōu)化功能、成本等。

·第四步：按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估并選擇。

2.2 建模和仿真的一般流程

裝配線的建模仿真是衡量裝配線性能以及優(yōu)化裝配線的重要途徑，而飛機(jī)裝配線相比于傳統(tǒng)意義上的通用產(chǎn)品裝配線更復(fù)雜，系統(tǒng)變量和約束條件更多，變量和結(jié)果的內(nèi)在關(guān)系更復(fù)雜。根據(jù)項(xiàng)目需求，裝配線仿真的一般流程是[17]：

·定義問(wèn)題和研究對(duì)象；

·創(chuàng)建仿真項(xiàng)目計(jì)劃；

·建立理想概念模型；

·基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集；

·運(yùn)行仿真模型；

·通過(guò)反復(fù)迭代驗(yàn)證和修正仿真模型；

·進(jìn)行“As is”假設(shè)輸入的仿真，回答“What if”問(wèn)題，擬定實(shí)施方案；

·應(yīng)用優(yōu)化方案并實(shí)施。

3 飛機(jī)總裝裝配線仿真初步應(yīng)用

3.1 總裝裝配線與評(píng)估算法

3.1.1 總裝裝配線工藝布局特點(diǎn)

由于現(xiàn)代飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，總裝裝配線涉及的工種、人員、物料、工具工裝、技術(shù)規(guī)范均很多。另外，飛機(jī)產(chǎn)品構(gòu)型多，相同構(gòu)型產(chǎn)量少，生產(chǎn)投入大，風(fēng)險(xiǎn)高。目前裝配線工藝布局主要采用類(lèi)似F-16飛機(jī)早期的固定機(jī)位式裝配模式（見(jiàn)圖2）。

圖2 F-16飛機(jī)固定機(jī)位式總裝裝配線Fig.2 Fixed final assembly line of F-16

固定機(jī)位式裝配存在著諸多弊病，如工人作業(yè)范圍大，作業(yè)交叉，容易造成現(xiàn)場(chǎng)混亂，浪費(fèi)作業(yè)多；多組工人并行作業(yè)，每架次的裝配質(zhì)量不一致，標(biāo)準(zhǔn)化困難；在制品周期長(zhǎng)，工時(shí)長(zhǎng)；擴(kuò)大生產(chǎn)一般采用增加機(jī)位方式，廠房面積規(guī)劃困難等。同時(shí)，傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的工藝設(shè)計(jì)對(duì)裝配線上可能發(fā)生的突發(fā)情況，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的工藝技術(shù)解決預(yù)案和生產(chǎn)策略預(yù)案等。

3.1.2 總裝裝配線效率算法

要解決上述問(wèn)題，有必要對(duì)現(xiàn)有的裝配工藝流程、物流存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的分析和評(píng)估，用分析和具體數(shù)據(jù)來(lái)找到現(xiàn)有裝配工藝流程和總裝生產(chǎn)系統(tǒng)中的瓶頸。典型的站位式工藝布局的脈動(dòng)裝配線如圖3所示。

圖3 站位式工藝布局的脈動(dòng)總裝裝配線Fig.3 Pulsed final assembly line based on stations layout

由于站位式工藝布局是按照站位組織生產(chǎn)的，對(duì)裝配線總體性能指標(biāo)的考察可以分別按照單個(gè)站位和整個(gè)裝配線分別研究，具體算法如下[18]：

其中，是單個(gè)站位的效率；是單個(gè)站位內(nèi)操作者的效率；是單個(gè)站位內(nèi)工序的完成質(zhì)量系數(shù)；B 是站位的緩沖大??；R 是需要返工的系數(shù)。

整個(gè)裝配線的效率是所有站位效率的函數(shù)：

其中，是裝配線效率。

3.2 裝配線改進(jìn)初步實(shí)施

3.2.1 定義問(wèn)題和研究對(duì)象

根據(jù)對(duì)上述裝配線現(xiàn)狀的分析，應(yīng)解決如何將現(xiàn)有的固定機(jī)位式裝配線改進(jìn)為站位式的脈動(dòng)裝配線的問(wèn)題。具體分解的研究對(duì)象的指標(biāo)有：

（1）經(jīng)濟(jì)性能方面：總裝裝配線運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)、投資收益率。

（2）可靠性評(píng)價(jià)方法：裝配線評(píng)價(jià)故障間隔時(shí)間，評(píng)價(jià)修復(fù)時(shí)間；系統(tǒng)可用度。

（3）裝配線性能方面：裝配周期；系統(tǒng)生產(chǎn)率；各站位平均等待隊(duì)列長(zhǎng)度；各站位上在制品（WIP）數(shù)量。

（4）物流結(jié)構(gòu)性方面：工程布局合理性；物流布局可擴(kuò)展性。

3.2.2 建立理想概念模型

根據(jù)公式（1）、（2）的算法，加之飛機(jī)總裝裝配線系統(tǒng)的高度復(fù)雜，仿真技術(shù)在操作上采用層次搭建模型的方法進(jìn)行仿真，即以各工序作為最底層建模元素組成站位生產(chǎn)系統(tǒng)，再以各個(gè)站位生產(chǎn)系統(tǒng)模型作為建模元素組成總裝生產(chǎn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。

圖4 裝配線理想概念初步模型Fig.4 Preliminary conceptual model of assembly line

3.2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

針對(duì)上述研究對(duì)象指標(biāo)，需要對(duì)現(xiàn)行總裝裝配線收集的主要數(shù)據(jù)有：

·每個(gè)裝配站位內(nèi)每個(gè)個(gè)工序的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間；

·產(chǎn)品在單個(gè)站位內(nèi)的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間；

·每個(gè)站位的評(píng)價(jià)故障時(shí)間；

·每個(gè)站位所需零部件的庫(kù)存數(shù)量；

·裝配現(xiàn)場(chǎng)物流到每個(gè)站位的配送路徑長(zhǎng)度和時(shí)間；

·每個(gè)工序的工時(shí)價(jià)值；

·每個(gè)站位內(nèi)工人上下班時(shí)間。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如圖5～8所示。

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)仿真來(lái)說(shuō)，可分為終態(tài)仿真和穩(wěn)態(tài)仿真。終態(tài)仿真是人為定義仿真結(jié)束的時(shí)間，這樣系統(tǒng)的初始狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)輸出結(jié)果影響很大，單次的取樣并不能代表系統(tǒng)的性能，只有具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的分析結(jié)果才是可信的，對(duì)于終態(tài)仿真常常采用固定輸入條件進(jìn)行多次仿真最后得到輸出新的方差和置信度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)于穩(wěn)態(tài)仿真來(lái)說(shuō)，理論上可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行來(lái)逼近最終的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，但是這樣做的弊病是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行仿真結(jié)果一定是自相關(guān)的結(jié)果，所以在仿真技術(shù)中也應(yīng)用了終態(tài)仿真的多次運(yùn)行得到系統(tǒng)的穩(wěn)定值。同時(shí)，可以采用刪除重復(fù)運(yùn)行的方法，把整個(gè)獨(dú)立采樣過(guò)程分為初始階段和數(shù)據(jù)采集階段，在每次獨(dú)立采樣的開(kāi)始階段舍棄初始階段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以消除初始條件的影響。

圖5 每個(gè)工序的開(kāi)始和完成時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of starting and ending time per work

圖6 按工作日對(duì)每個(gè)站位的人員數(shù)量配置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of manpower number configurations in each station per working day

圖7 物流路徑和時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of logistic path and time

圖8 工人上下班工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of starting and ending time for mechanics

3.2.4 下一階段工作

由于流程仿真工作是一個(gè)反復(fù)迭代優(yōu)化的過(guò)程，而飛機(jī)總裝裝配線本身具有復(fù)雜程度高、影響裝配線性能變量多、各變量間內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系多的特點(diǎn)，目前僅針對(duì)問(wèn)題和研究對(duì)象進(jìn)行了定義，初步建立了層次化的理想概念模型，進(jìn)行了局部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集工作，下一階段還需要將數(shù)據(jù)輸入理想概念模型運(yùn)行，并通過(guò)反復(fù)迭代驗(yàn)證和修正仿真模型。另外，還需要對(duì)修正后的仿真模型進(jìn)行假設(shè)條件輸入，得到各種預(yù)案下的仿真結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)不同工藝方案的對(duì)比。

在宏觀上，下一階段應(yīng)根據(jù)仿真優(yōu)選的裝配線工藝方案進(jìn)行實(shí)施，并將實(shí)施結(jié)果數(shù)據(jù)作為仿真模型的輸入，再次進(jìn)行仿真迭代分析，對(duì)裝配線進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了基于離散事件仿真的飛機(jī)總裝裝配線數(shù)字化設(shè)計(jì)的初步研究，論證了流程仿真方法用于飛機(jī)總裝裝配線設(shè)計(jì)的可行性。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，得到了仿真流程優(yōu)化措施、相關(guān)變量定義和模型數(shù)據(jù)需求。對(duì)于仿真結(jié)果的分析策略、流程環(huán)節(jié)靈敏度分析、離散事件仿真優(yōu)化的方法、不同流程的優(yōu)化方案對(duì)比，以及未來(lái)與企業(yè)信息化平臺(tái)（如MES、ERP）的交聯(lián)方式需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步探討。

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