基于Flexsim的醫(yī)療器械生產(chǎn)線優(yōu)化與仿真*

基于Flexsim的醫(yī)療器械生產(chǎn)線優(yōu)化與仿真*

張曉磊1，武超然2，馬從安1
（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093）

生產(chǎn)線平衡對于產(chǎn)能提升至關(guān)重要。對某企業(yè)新產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行了分析，針對該產(chǎn)品產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)的情況，提出了一種三維仿真和工業(yè)工程（IE）改善相結(jié)合的優(yōu)化方案。首先根據(jù)生產(chǎn)線流程，采用Flexsim物流系統(tǒng)軟件建立了仿真模型，發(fā)掘出瓶頸環(huán)節(jié)；然后運(yùn)用IE方法進(jìn)行分析改善，合理進(jìn)行人員調(diào)度及任務(wù)再分配，設(shè)計了快速換模裝置，執(zhí)行了5S活動，從而減少了浪費(fèi)，降低了成本，提高了工作效率和產(chǎn)能。最后對改善方案進(jìn)行仿真模擬，取得了明顯的效果。

生產(chǎn)線平衡；系統(tǒng)仿真；工業(yè)工程優(yōu)化；產(chǎn)能提升

0 引言

面對需求多樣的競爭市場，努力生產(chǎn)出適合消費(fèi)者的新產(chǎn)品對于企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展至關(guān)重要。然而對于剛上線的新產(chǎn)品，生產(chǎn)線平衡難以實現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)能往往在短期內(nèi)達(dá)不到市場要求，增大了企業(yè)的成本和缺貨風(fēng)險。因此改善生產(chǎn)線［1］、提高產(chǎn)品產(chǎn)能就成為迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的系統(tǒng)研究更多地依據(jù)經(jīng)驗和數(shù)學(xué)建模來分析改善，取得了一定的效果。但是隨著需求的多樣性［2］不斷增大以及生產(chǎn)過程的復(fù)雜性不斷深入，傳統(tǒng)方法的局限性也越來越大。和傳統(tǒng)方法相比，計算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性明顯。仿真技術(shù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高效模擬的逼真性，能夠處理大規(guī)模的任務(wù)調(diào)度以及復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真［3-5］，不但能夠真實地模擬現(xiàn)實的生產(chǎn)過程，而且可以在低成本、低資源利用［6］的前提下提供有效的解決方案。毛健等利用Witness軟件對汽車零件的制造流程進(jìn)行仿真研究，分析問題并提出改進(jìn)方案，提高了設(shè)備利用率，縮短了生產(chǎn)周期［7］。朱術(shù)名以整車制造企業(yè)的裝配線為研究對象，在pro-model仿真軟件中建立了物流設(shè)施和生產(chǎn)系統(tǒng)模型并進(jìn)行了分析改進(jìn)，實現(xiàn)了縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期和提高單位時間生產(chǎn)量的目的［8］。龔立雄等根據(jù)摩托車涂裝生產(chǎn)線的流程特點，建立了Flexsim的仿真模型，并針對模型中的工藝瓶頸進(jìn)行了二次優(yōu)化，使得涂裝生產(chǎn)線達(dá)到了平衡［9］。

通過研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lexsim三維仿真軟件不但能夠模擬人員分配、物流路徑的選擇，而且比witness和promodel等二維仿真軟件的建模更直觀形象。在此基礎(chǔ)上，本文選擇Flexsim仿真軟件，對某醫(yī)療器械企業(yè)的新產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行建模仿真。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，找到瓶頸工序；然后利用工業(yè)工程的相關(guān)知識實施改善。最后對改善方案進(jìn)行模擬驗證，提高了生產(chǎn)線的平衡率以及產(chǎn)能。

1 問題描述

1.1 企業(yè)現(xiàn)狀

R公司主要生產(chǎn)醫(yī)療器械。根據(jù)市場調(diào)查并結(jié)合客戶需求，公司增加了一條Impact新產(chǎn)品生產(chǎn)線，產(chǎn)品型號為LF4200T。由于之前缺少對該產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗，所以人工成本和制造成本比較高，浪費(fèi)較大，導(dǎo)致生產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)不到要求，利潤提升不上去。為了更好的滿足客戶需求并降低產(chǎn)品供應(yīng)鏈缺貨的風(fēng)險，必須通過改善生產(chǎn)線平衡來提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。進(jìn)而降低整個人工和制造成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和競爭力。

在生產(chǎn)線平衡問題中，節(jié)拍是比較重要的概念，可以作為衡量生產(chǎn)線平衡的指標(biāo)。節(jié)拍（TAKT Time），又稱產(chǎn)距時間，是指生產(chǎn)線連續(xù)出產(chǎn)兩件相同制品的時間間隔。它決定了生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)速度和效率。節(jié)拍的大小依據(jù)行業(yè)情況、產(chǎn)品類別、生產(chǎn)規(guī)模和工作安排來設(shè)定。一般情況下，節(jié)拍可以按公式（1）來求得。

按照初始生產(chǎn)計劃，得知企業(yè)年計劃生產(chǎn)該產(chǎn)品378，000套，年計劃工作50周，每周實行做6休1制，安排3個班次輪流工作，每班工作7個小時。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（1）可以計算出新產(chǎn)品的節(jié)拍時間，具體結(jié)果如公式（2）所示。

TAKT Time=

1.2 流程分析

該企業(yè)Impact生產(chǎn)線流程主要由管體裝配、激光焊接、夾鉗插入、焊套管、支架組裝、潤滑拋光、檢驗、擦拭、密封等幾個工序組成，工藝圖如圖1所示。其中潤滑拋光屬于多工位工序，包括支架安裝、旋鈕焊接、拋光3個工位。

圖1 Impact生產(chǎn)線工藝圖

根據(jù)觀察測定，得到生產(chǎn)線各工序當(dāng)前的操作時間，如圖2所示。

圖2 改善前各工序時間平衡圖

從圖2中可以看到，目前各工序的有效加工時間非常不平衡，有三分之二工序的加工時間超過了節(jié)拍時間，其中管體裝配的加工時間高達(dá)98s，成為生產(chǎn)線的瓶頸工序，同時也存在低于節(jié)拍時間的工序。導(dǎo)致有的工位繁忙率較高，負(fù)荷嚴(yán)重；而有的工位利用率低，空閑等待時間較多。這既造成了浪費(fèi)，增加了制造成本，也不利于產(chǎn)能的提升，無法滿足產(chǎn)量要求和顧客需求。

2 生產(chǎn)線建模與仿真

根據(jù)上述資料，利用Flexsim三維仿真軟件建立Impact生產(chǎn)線的仿真模型。

2.1 模型的實體設(shè)置

定義Impact生產(chǎn)線的相關(guān)元素，布置可視化模型結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)生產(chǎn)線流程，在Flexsim界面窗口上添加實體，并將實體進(jìn)行A或S連接［10］，使各實體構(gòu)成連貫的U型布局生產(chǎn)線模型，如圖3所示。其中發(fā)生器3代表待加工的零部件或物料等；管體裝配、激光焊接、夾鉗插入等代表各個工序；成品暫存區(qū)用來暫時存放產(chǎn)成品；叉車用來將產(chǎn)成品搬運(yùn)到貨架區(qū)；貨架代表倉庫，用于存儲產(chǎn)成品。任務(wù)分配器根據(jù)工序的工作情況實施人員和任務(wù)調(diào)度。

圖3 Im pact生產(chǎn)線仿真模型圖

2.2 模型的參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過測定分析，產(chǎn)品在各工序上的加工時間基本服從正態(tài)分布，并且標(biāo)準(zhǔn)差都比較?。划a(chǎn)品在傳送帶上的傳遞時間可以忽略；假定零部件的資源量無限（即不考慮因零部件供應(yīng)不足而導(dǎo)致的生產(chǎn)線停滯狀態(tài)）；成品完成后由叉車直接運(yùn)送至倉庫，為出貨做準(zhǔn)備。

Impact生產(chǎn)線的產(chǎn)品流程如表1所示。

表1 工序流程表

2.3 模型的運(yùn)行

根據(jù)生產(chǎn)計劃，每天的有效工作時間為21h，因此設(shè)定系統(tǒng)的仿真鐘為75600s。點擊“運(yùn)行”按鈕開始運(yùn)行模型。運(yùn)行結(jié)束后點擊菜單欄的“統(tǒng)計”按鈕，輸出統(tǒng)計報告，如表2所示。

表2 改善前統(tǒng)計報告

續(xù)表

從表2中可以看到，管體裝配的繁忙率最大，一直處于忙碌狀態(tài)，是整個流程的瓶頸環(huán)節(jié)。其他工序的有效工作率普遍在70%以下，空閑率比較大，等待現(xiàn)象嚴(yán)重。操作人員的工作率非常不均衡，有不少操作者的空閑時間很長，在運(yùn)行過程中也可以看到在前三個工序之間以及在第五、六工序之間總是存在個別操作者閑置的現(xiàn)象，增加了人工成本和制造成本。

3 分析改善

3.1 人機(jī)作業(yè)改善

生產(chǎn)線中機(jī)器設(shè)備比較多，機(jī)械加工環(huán)節(jié)占的比重很大。在作業(yè)人員和機(jī)器設(shè)備的交替工作中容易發(fā)生等待和閑置等浪費(fèi)現(xiàn)象，進(jìn)而造成人機(jī)作業(yè)效率［11］的低下。下面以激光焊接工序為例，來對微觀的工序?qū)嵤┓治霾⒏纳啤?/p>

激光焊接這道工序需要在機(jī)床上進(jìn)行操作，根據(jù)工藝要求，需要工人協(xié)助機(jī)床進(jìn)行焊接。該工序的人機(jī)作業(yè)圖如圖4所示。

圖4 當(dāng)前的激光焊接人機(jī)作業(yè)圖

從圖4我們能夠清晰地看到目前一名工人只操作一臺機(jī)器，人機(jī)作業(yè)效率比較低，只有42.03%，大量的時間浪費(fèi)在了等待機(jī)器中。因此需要對人員和機(jī)器的閑余能力合理分析，挖掘潛在的效率，制定最佳的人機(jī)配合方案。使人員及設(shè)備負(fù)荷均衡化，最大限度地減少閑余時間，提高工效。

從圖4中可知，作業(yè)者操作一個機(jī)器所需的時間（包括從一臺機(jī)器走到另一臺機(jī)器的時間）為69s，機(jī)器完成該項作業(yè)的有效時間為40s。所以，作業(yè)者可操作的機(jī)器臺數(shù)N=t+M/t=（69s+40s）/69s=1.57。因此，一名作業(yè)者可以同時操作兩臺機(jī)床，根據(jù)作業(yè)的重新分配，繪制新的人機(jī)作業(yè)圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)人機(jī)作業(yè)圖

從圖5中可以看出，經(jīng)過改善，一個工人可以同時操作兩臺機(jī)床，等待時間大大縮短，人員的利用率從42.03%提高到了84.06%，降低了人工成本。節(jié)省下來的人員可以安排做其他工位的工作或協(xié)助其他工位開展工作。

3.2 激光焊接快速換模

生產(chǎn)流程化的理想狀態(tài)是一個流生產(chǎn)。而縮短每次作業(yè)切換時間是實現(xiàn)生產(chǎn)流程化的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)生產(chǎn)均衡化［12］的前提。在目前多品種少批量、高品質(zhì)、短交貨期的新競爭時代，這一項技術(shù)更顯得重要。在Impact生產(chǎn)線中，需要經(jīng)常切換激光焊接時所需的氫氣，這也成為影響生產(chǎn)線效率提升的一個重要因素。

為降低激光焊接氫氣切換時間，設(shè)定了氫氣低壓報警系統(tǒng)并為快速換線提供必要的專用工具。這一系統(tǒng)具有精度高、反應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)、使用簡單等特點，在工作中可以準(zhǔn)確快捷地預(yù)報氫氣的不足和不適，并在專用工具的協(xié)助下，方便地更換氫氣種類和壓強(qiáng)，減少了選用和調(diào)試工具的匹配時間，大大縮短生產(chǎn)過程時間，同時也減少了在制品庫存。

經(jīng)過激光焊接的快速換線改善，流程步驟從6步降低為2步，生產(chǎn)線每次換線的停線時間由30min降低為2min，效率和產(chǎn)能有了跨越式飛進(jìn)。

3.3 5S改善

“5S”是現(xiàn)代企業(yè)提高管理水平的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。做好基礎(chǔ)的5S工作，可以提高工作效率，保證產(chǎn)能要求，改善企業(yè)的經(jīng)營狀況，并最終提升企業(yè)的核心競爭力。

當(dāng)前生產(chǎn)線存在不合理的環(huán)節(jié)，工具混亂擺放、WIP管理低效、生產(chǎn)節(jié)奏不齊、員工士氣低落等成為生產(chǎn)線產(chǎn)能提升的重要障礙。針對上述問題，開展、貫徹并深化5S活動。

（1）經(jīng)過整理、整頓、清掃工作，生產(chǎn)線上無用的物料、廢材被清除了；有用的工裝夾具合理的擺放在一起，減少了員工取放的時間；生產(chǎn)線整體環(huán)境優(yōu)化了，為產(chǎn)品生產(chǎn)、物料搬運(yùn)營造了氛圍，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

（2）在各工序間引入Kanban架，來控制生產(chǎn)線的WIP。員工通過查看Kanban信息，可以方便地了解各工序間WIP的種類、數(shù)量和配送狀況，并清楚零部件的優(yōu)先生產(chǎn)次序，減少了過量生產(chǎn)帶來的WIP堆積以及物料短缺造成的生產(chǎn)線中斷。

3.4 生產(chǎn)線人員工作分配標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)生產(chǎn)線平衡后的工作重新分配工人，并根據(jù)客戶的不同需求，制定彈性制定的工人人數(shù)分配表，在日常生產(chǎn)中實施。

（1）根據(jù)生產(chǎn)線現(xiàn)有布局，將夾鉗插入的工作由負(fù)責(zé)管體裝配的員工轉(zhuǎn)移至密封員工。

（2）負(fù)責(zé)激光焊接工作的員工承擔(dān)部分管體裝配工作。

（3）支架組裝工位的部分員工可以適時協(xié)助焊接潤滑和檢驗工位的工作。

（4）對激光焊接、E型卡片安裝和功能測試工位進(jìn)行動作分解，將原有的串行工作根據(jù)機(jī)器時間和操作時間進(jìn)行平衡，降低工位總處理時間。

3.5 改善成果

經(jīng)過以上方面的改善，生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率得到大幅度的提升，各工序的生產(chǎn)過程和操作時間趨于平衡。經(jīng)統(tǒng)計改善后各工序的加工時間情況如圖6。

圖6 改善后各工序時間平衡圖

從圖6可以看到，改善后，瓶頸工序的時間從98s降為59s，各工序時間趨于平衡，基本都維持在節(jié)拍時間（60s）附近。經(jīng)過計算，生產(chǎn)率（單個人工時所生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)）由3提升至4.27，提高了42.3%。

4 改善方案的仿真對比

根據(jù)上述的改善措施，運(yùn)用Flexsim對改善方案進(jìn)行仿真模擬，并和原始狀態(tài)進(jìn)行對比，來驗證改善的有效性。圖7是改善方案的仿真模型圖，模型中減少了2個操作者；在潤滑拋光和檢驗站之間增加了一個緩沖區(qū)，避免檢驗站的堵塞；各個工序的操作時間均修正為圖6中顯示的時間。

圖7 結(jié)構(gòu)化模型圖

在改善模型中，每天的有效工作時間仍為21h，系統(tǒng)的仿真鐘仍設(shè)置為75600s，運(yùn)行一天后，查看統(tǒng)計報告，繪制成的信息如表3所示。

表3 改善前后各工位以及操作者的繁忙程度對比

從表3可以看到：改善前，各工位的閑置率比較高，平均利用率只有64.64%，后續(xù)工位的利用率普遍在70%以下；操作者的平均利用率僅為64.01%，人員浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重；物料在生產(chǎn)線上的加工周期大約為569.78s，影響產(chǎn)能的提升。

改善后，工位的平均利用率提高了32%，達(dá)到了96.63%，閑置時間大大減少；減少了2個操作員，合理地實現(xiàn)了各工序間人員的調(diào)度，并且人員的平均利用率提高到了96.97%，大大減少了人員的閑置現(xiàn)象；物料在生產(chǎn)線上的加工周期減少了65s，約為504.29s。其日產(chǎn)量也從之前的766增加到了1295，改善效果比較明顯。

5 結(jié)論

充分挖掘企業(yè)內(nèi)部潛力，走內(nèi)涵式發(fā)展道路，是IE的核心理念。本文針對企業(yè)的具體問題，根據(jù)生產(chǎn)線的流程特點，借助Flexsim物流系統(tǒng)仿真軟件建立了三維模型，快速地找到了瓶頸環(huán)節(jié)。利用IE進(jìn)行全面的分析改善，使新產(chǎn)品生產(chǎn)線得到平衡，產(chǎn)能得到提升。改善后，每年度節(jié)省總?cè)斯こ杀?萬多元，節(jié)省物料搬運(yùn)成本3萬多元，從雙重方面提高了企業(yè)的效益。最后通過對改善方案的仿真模擬，證明了有效性，并說明了工業(yè)工程的應(yīng)用對提高生產(chǎn)管理效率有直接的促進(jìn)作用。

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（編輯 趙蓉）

Optim ization and Simulation of M edical Devices Production Line Based on Flexsim

ZHAGN Xiao-lei1，WU Chao-ran2，MA Cong-an1
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China；2.Business School，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

Line balancing is essential to improving productivity.In order to improve the capacity of one new product，an optim ization proposal combined three-dimensional simulation and industrial engineering（IE）was proposed.The proposal built simulation model according to the production line process using Flexsim software.Aimed to the bottlenecks，the IE techniques ware used to scheduling operators and tasks，designing Exchange of Dies，implementing 5S activities.The simulation results after improved shows that IE can effectively reduce costs and improve productivity，moreover，F(xiàn)lexsim simulation technology can be w idely applied to production line optim ization.

line balancing；system simulation；IE optimization；improving productivity

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）08-0115-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.030

2014-10-27

國家科技重大專項（7A140026）

張曉磊（1989-），男，河北元氏人，中國礦業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士研究生，研究方向為生產(chǎn)系統(tǒng)仿真，物流與供應(yīng)鏈管理，（E-mail）1193643253@qq.com。