基于汽車MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)的精益物流應(yīng)用研究

楊立峰，程 瓊，施喆晗，楊海深，史云斌

（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018；2.杭州益維汽車工業(yè)有限公司，杭州 310018）

基于汽車MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)的精益物流應(yīng)用研究

楊立峰1，程 瓊1，施喆晗2，楊海深2，史云斌1

（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018；2.杭州益維汽車工業(yè)有限公司，杭州 310018）

為了解決多車型混線生產(chǎn)、線邊物流困難、停線待料的汽車制造廠生產(chǎn)難題，提出通過對汽車生產(chǎn)線的MES系統(tǒng)的改造，采用條碼和RFID識別的兩種方式實現(xiàn)對線邊物料、當(dāng)日庫狀態(tài)信息化，實現(xiàn)總裝生產(chǎn)管理的透明化、實時化。通過PBS區(qū)車輛排序入庫手段，借助運(yùn)籌學(xué)的貪婪算法手段，逐步解決廠內(nèi)物流不暢的問題。通過WEB網(wǎng)頁信息發(fā)布平臺，拉動供應(yīng)商完成安全庫存的及時生產(chǎn)和供給。通過SPS撿貨區(qū)設(shè)置，解決預(yù)裝大部件線物料需求，有力支持總裝主線的提產(chǎn)要求，已有效降低總部沖壓車間的異地庫存數(shù)，達(dá)到精益生產(chǎn)的目的。

MES系統(tǒng)；RFID；運(yùn)籌學(xué)；物流管理；貪婪算法；精益生產(chǎn)

0 引言

現(xiàn)在汽車行業(yè)的競爭是產(chǎn)業(yè)鏈的競爭，也是產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行效率的競爭。汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈長，供貨、物流環(huán)節(jié)多，加上多數(shù)生產(chǎn)線都是混線生產(chǎn)，原有的管理方式已經(jīng)不能保證生產(chǎn)的有效進(jìn)行。汽車物流的復(fù)雜程度、相關(guān)的零部件數(shù)量、技術(shù)要求的準(zhǔn)確性方面都是最高的。因此，采用分布式制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（manufacturingexecutive system）和運(yùn)籌經(jīng)濟(jì)化物流系統(tǒng)相結(jié)合的策略，才能應(yīng)對當(dāng)前現(xiàn)生產(chǎn)中的復(fù)雜問題。實現(xiàn)生產(chǎn)線的管理狀態(tài)透明化，利于整個產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)動和及時供貨，追求“零庫存”和“準(zhǔn)時化”（Just in Time，JIT）生產(chǎn)的有效保證。需要對廠內(nèi)物流進(jìn)行路徑的設(shè)計、優(yōu)化，逐步降低物流的流轉(zhuǎn)時間，減少送貨次數(shù)，對有效的降低汽車生產(chǎn)成本和供應(yīng)商的運(yùn)輸成本有現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)意義。參見圖1汽車廠內(nèi)物流拉動廠外物流。

1 在汽車大規(guī)模生產(chǎn)需要借助MES系統(tǒng)優(yōu)化

智能制造首先要求生產(chǎn)過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在數(shù)字時代發(fā)展模式下車間生產(chǎn)調(diào)度目標(biāo)是最優(yōu)化和低成本、敏捷化、高質(zhì)量化。在分布式制造執(zhí)行MES系統(tǒng)對生產(chǎn)線物流送料過程進(jìn)行優(yōu)化控制。經(jīng)過對杭州益維汽車工業(yè)有限公司上線物流現(xiàn)狀，研究發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1）制造廠內(nèi)部物流急需優(yōu)化，滿足年產(chǎn)10萬臺的產(chǎn)要求，從日產(chǎn)50臺提高到180臺送貨要求，減少物流小車的數(shù)量，提高運(yùn)送效率。

2）改變線邊和部件庫僅滿足24臺套的物料存儲，出現(xiàn)過線邊庫物料用盡停線問題。

3）缺少生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)例如當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，在關(guān)鍵重要工位數(shù)據(jù)存在人工差錯。

4）由于質(zhì)量問題的產(chǎn)品出現(xiàn)按燈停線，對發(fā)生質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品缺少追溯自動查詢等。

5）上下游供應(yīng)商缺少公用庫存、采購信息平臺，上線生產(chǎn)信息不透明。

經(jīng)過調(diào)研將逐步在焊裝、涂裝、總裝都進(jìn)行MES系統(tǒng)的上線改造工作。第一階段，利用涂裝和總裝PBS（Painted Body Storage）區(qū)的98工位，作為生產(chǎn)調(diào)度、緩存部位，在車身的吊具上安裝RFID跟蹤車身的位置，采集、控制車身的進(jìn)入排序。并將MES系統(tǒng)采集PBS控制生產(chǎn)排序數(shù)據(jù)，傳遞給采購系統(tǒng)進(jìn)行集成，生成零部件供應(yīng)訂單的精確到小時和顏色，按計劃進(jìn)行2天滾動發(fā)布。通過在當(dāng)日庫378庫位分揀過程中，庫位邊需求燈指示點亮，實現(xiàn)線邊小時送貨需求補(bǔ)給，保證R02車輛VIN碼與發(fā)動機(jī)、變速箱、后橋、轉(zhuǎn)向機(jī)、頂棚、座椅、地毯和儀表臺等大部件、大體積的關(guān)鍵零部件物流協(xié)調(diào)，并達(dá)到24臺/次送料一次。實現(xiàn)車輛信息VIN采集與關(guān)鍵零部件追溯系統(tǒng)綁定?？赏ㄟ^連接如擰緊機(jī)、加注機(jī)等設(shè)備控制系統(tǒng)實現(xiàn)上料的確認(rèn)并自動完成數(shù)據(jù)采集，實時統(tǒng)計車間采集設(shè)備數(shù)據(jù)，監(jiān)控在制品生產(chǎn)狀態(tài)和質(zhì)量狀態(tài)，同時，可利用條碼自動識別技術(shù)實現(xiàn)員工的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)督和現(xiàn)場質(zhì)量檢驗狀況的監(jiān)控。如圖2所示。

圖1 汽車制造廠的廠內(nèi)、外物流和信息流

第二階段，實現(xiàn)與集團(tuán)總部的沖壓車間MES系統(tǒng)鏈接，將焊裝的車間主焊線的需求作為拉動的起始點，實現(xiàn)沖壓車間的按需生產(chǎn)，降低由于中間物流轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致現(xiàn)生產(chǎn)中，沖壓件庫存過大的問題，把更多產(chǎn)能協(xié)調(diào)給其他基地使用。最終開通四大工藝的生產(chǎn)狀態(tài)的WEB端，實現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)部對于生產(chǎn)狀態(tài)的實時化、透明化，均衡化，讓MES系統(tǒng)成為拉動整個車型生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)動機(jī)，溝通上下游的信息互鏈?？s短產(chǎn)業(yè)鏈的總體生產(chǎn)周期，實現(xiàn)車型生產(chǎn)量的有效指揮。

2 按照工廠實際流程實現(xiàn)MES系統(tǒng)有效控制

2.1 條碼系統(tǒng)共管理和構(gòu)架

當(dāng)前在杭州益維汽車工業(yè)有限公司的情況如下，需要完成總成裝配R02車型零部件1054種、1652個，需要對生產(chǎn)線上的車輛信息進(jìn)行編碼，對關(guān)鍵零部件信息進(jìn)行現(xiàn)場鎖定，形成車輛唯一性編號；為后續(xù)的車輛下線統(tǒng)計、檢測線信息輸入、終檢信息、車輛入庫信息、合格證打印、制造部統(tǒng)計以及財務(wù)統(tǒng)計的信息采集提供輔助，減少人工輸入量，加快信息采集的速度。因此，車輛RFID識別和零部件條碼條碼管理是所有管理工作的基礎(chǔ)。

圖2 MES系統(tǒng)的信息化改造階段計劃

2.1.1 車輛RFID識別

在焊裝車間車身打刻VIN碼的工位，同時完成車輛紙質(zhì)標(biāo)簽的打印、RFID芯片的寫入工作，并將這兩個作為隨車文件進(jìn)入流轉(zhuǎn)。在焊裝車間出口，通過RFID技術(shù)對來實現(xiàn)對車身信息的綁定、識別。進(jìn)入涂裝車間后，RFID芯片隨車身流轉(zhuǎn)，完成涂裝后，在PBS區(qū)域通過RFID讀寫頭，將車身信息（VIN）同車身文件進(jìn)行校核，并綁定在一起，并在關(guān)鍵滑撬位置讀出車身信息，以達(dá)到車輛調(diào)度的信息支持。如圖3所示。

圖3 車輛的VIN條碼

涂裝PBS全部是滑撬模式，在采集生產(chǎn)上線排序，系統(tǒng)通過對進(jìn)入整個PBS區(qū)域每一個完成噴涂白車身信息逐個采集，獲取涂裝下線的車型信息和具體的車型存在于哪個PBS區(qū)域，員工迅速按照次序的將其送上總裝懸掛鏈。

在總裝車間的車輛出廠銘牌打刻工位，讀取RFID芯片中的VIN碼，杜絕人為差錯。

2.1.2 零部件條碼條碼管理

條形碼標(biāo)簽內(nèi)容包括：物料標(biāo)簽（各類外購件、外協(xié)件、原材料和半成品、成品等）部件條形碼標(biāo)簽要求由兩部分組成，為兩段式條碼，一部分固定在零件上，另一部分則可撕下，粘貼于《隨車檢驗卡》上；一個零部件的總成包括多個安全組件，可要求使用三段式條碼，其中一部分固定在零件上，另一部分則固定在總成件上，還有一部分則可撕下，粘貼于《隨車檢驗卡》上。根據(jù)GB/T12908-1991三九條碼，條形碼的編制規(guī)則，條碼編碼規(guī)則定義：條碼標(biāo)簽根據(jù)原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、產(chǎn)成品等類型，根據(jù)產(chǎn)品屬性生成條碼標(biāo)識。如下為部分標(biāo)簽樣式：

條形碼有供應(yīng)商代碼、零部件代碼、生產(chǎn)日期碼、流水碼、校驗碼四部分共30位組成，具體形成如下：零部件代碼由14個字符組成，如零部件代碼：3603010-P01B1、4100001BA-R02。

字符的組成如圖4所示。

圖4 供應(yīng)商使用的零部件條碼

2.1.3 單據(jù)條碼標(biāo)簽

單據(jù)編號自動生成條碼，便于掃描單據(jù)條碼自動調(diào)出單據(jù)。

2.1.4 庫區(qū)庫位條碼標(biāo)簽

分為庫區(qū)條碼標(biāo)簽、庫位條碼標(biāo)簽和周裝箱條碼標(biāo)簽。

2.1.5 工藝流程配置單條碼標(biāo)簽

對現(xiàn)行工藝配置單進(jìn)行條碼化管理，打印帶條碼。

整個物流條碼管理的系統(tǒng)功能圖如圖5所示，需要逐步實現(xiàn)。

圖5 物流條碼管理的系統(tǒng)功能圖

圖6 銷售、生產(chǎn)訂單處理流程圖

2.2 生產(chǎn)訂單管理流程

首先對外來的銷售訂單進(jìn)行工藝分析，依據(jù)生產(chǎn)工藝BOM拆分銷售訂單為采購訂單，生產(chǎn)管理部門給出所需的VIN范圍，總裝車間的MES系統(tǒng)按照PBS區(qū)排定的上線次序，發(fā)出當(dāng)日庫需要備料數(shù)量、顏色，轉(zhuǎn)化為次日送料BOM。當(dāng)日庫根據(jù)已經(jīng)上線的車輛的即時信息，發(fā)布車間生產(chǎn)指令的動態(tài)信息，對現(xiàn)場的按燈系統(tǒng)的需求及時處理和應(yīng)對。按照月度生產(chǎn)計劃和周計劃數(shù)量與當(dāng)前庫存校核，形成安全庫存需求報表發(fā)送采購部。訂單處理流程如圖6所示。

MES系統(tǒng)生產(chǎn)看板管理總裝車間采用LED大屏或液晶顯示屏方式展現(xiàn)，領(lǐng)導(dǎo)可通過電腦實時進(jìn)行查看，實時把握生產(chǎn)中的每個環(huán)節(jié)。綜合報表實時展現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場的第一手過程數(shù)據(jù)，并對產(chǎn)線即時產(chǎn)量、工序產(chǎn)出率、設(shè)備和人員的作業(yè)狀況進(jìn)行匯總分析，為生產(chǎn)執(zhí)行狀況和產(chǎn)品品質(zhì)改善與提升提供了有效的評估依據(jù)。例如，當(dāng)前3月的生產(chǎn)計劃表（含顏色配置訂單）如圖7所示。

采購部依據(jù)月度生產(chǎn)計劃、周計劃、安全庫存，按照工藝BOM的要求拆解為月度采購計劃、周計劃、2天上線庫存需求，通過MES系統(tǒng)采購看板發(fā)布給供應(yīng)商。

2.3 利用運(yùn)籌學(xué)的貪婪算法優(yōu)化廠內(nèi)物流

2.3.1 廠內(nèi)物流車輛的狀態(tài)

當(dāng)前在杭州益維汽車工業(yè)有限公司的情況，總裝車間需要完成總成裝配R02車型零部件1054種、1652個，存放在當(dāng)日庫378庫位中，分別要送到72個不同工位。需要將R02/P01物流拆分為24臺/次，一天四次送料，實現(xiàn)實時拉動配送?，F(xiàn)在人工管理的方式實現(xiàn)送料50～100臺/天，按照混線生產(chǎn)的提產(chǎn)要求，當(dāng)前目標(biāo)送料180～260臺/天。參見廠內(nèi)物流走向規(guī)劃圖圖8。

圖7 3月的生產(chǎn)計劃表（含顏色配置訂單）

圖8 制造廠廠內(nèi)物流走向規(guī)劃圖

2.3.2 核定廠內(nèi)物流使用最少車輛數(shù)量

貪婪算法是基于鄰域搜索技術(shù)，逐步構(gòu)造最優(yōu)解的方法，在構(gòu)造解的過程中每一步都在一定的準(zhǔn)則（greedy criterion：貪婪準(zhǔn)則，也稱貪婪因子）下采取最優(yōu)決策，決策旦做出就不再更貪婪。算法的關(guān)鍵就是貪婪準(zhǔn)則的確定。貪婪算法本質(zhì)上是一種局部搜索算法，因而其結(jié)果一般情況下是近似最優(yōu)解[4]。送貨小車車輛經(jīng)過由MES系統(tǒng)需求點亮的庫位時，車輛可以卸下盡可能多的空箱數(shù)，或者不卸下空箱；對于取走實箱，也可以盡可能多地取走、部分取走，或者不取走。為了保證運(yùn)輸車輛的裝載狀態(tài)的最大化，貪婪轉(zhuǎn)移是指在送貨小車車輛卸下盡可能多的空箱，同時盡可能多地取走實箱的情況下，車輛的狀態(tài)和供貨點的狀態(tài)的變化。利用貪婪算法得出規(guī)定時間廠內(nèi)物流使用最少車輛。

設(shè)物流小車A在當(dāng)日庫中（既是從起始點i=0，也是最后一個點i=n+1）要到n個撿貨點處，需要在撿貨點i（i=1，2，…，n）處取走實箱ci箱，卸下空箱di箱，再送到到總裝線72工位上（即返回點i=n+1），如何用最少的車輛來運(yùn)輸，使得總的撿貨行駛距離為最小，是計劃物流小車A需要考慮的問題，假設(shè)用m輛車來運(yùn)輸，車輛的裝載量都是g。為此，在MES系統(tǒng)中的計算模型需要提供車輛三方面的信息：

1）庫位號信息，要到378庫位哪幾個庫位點處取走實箱和卸下空箱？經(jīng)過這些供貨點的次序是怎么樣的?那個零件在哪一個庫位存放？

2）物料數(shù)量信息，在到達(dá)的供貨點處把隨車帶去的空箱卸下多少箱，然后實箱取走多少箱，才能做到總的料箱平衡？物料需要取走幾個？

3）轉(zhuǎn)運(yùn)時間信息，根據(jù)今天產(chǎn)量除以車輛承載數(shù)，得到需要到達(dá)總裝線次數(shù)，8小時分割為必須滿足的幾個“時間窗”，來推算車輛在起始點發(fā)車的時間和到達(dá)有關(guān)主線邊存貨點處的時間。

在一個時間窗內(nèi)，需要的最少車輛數(shù)是[1]：

2.3.3 貪婪算法

生產(chǎn)物流配的貪婪算法準(zhǔn)則1：最近點完全拼車算法。

這個算法有兩方面貪婪：一是選擇行走取件距離最短的當(dāng)日庫位，二是車輛在當(dāng)日庫位處實行狀態(tài)的貪婪轉(zhuǎn)移算法。按照配送車輛按當(dāng)日庫位距離工位的遠(yuǎn)近距離，由近及遠(yuǎn)依次配送，依據(jù)不同的零件的庫位所在的是底盤零件庫或者內(nèi)飾件庫，找到最短路線。當(dāng)日庫位由MES系統(tǒng)控制點亮需要取件的庫位燈，物流小車A在當(dāng)前的時間窗需要取貨（取走實箱），或者為以后的時間窗取貨需要在當(dāng)前的時間窗送去料箱（卸下空箱）。

生產(chǎn)物流配的貪婪算法準(zhǔn)則2：最遠(yuǎn)點完全拼車算法。

生產(chǎn)線已經(jīng)開始運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)某一線邊庫安全數(shù)量報警，需要補(bǔ)充物料，把新的需求增加給將去當(dāng)日庫取件的配送車，并點亮該的零部件的取件庫位燈。保證最遠(yuǎn)處當(dāng)日庫位也有足夠經(jīng)過的車，從而可能使總的行駛距離最小，由于距離滿足三角形中兩邊的和大于第三邊，所以，從起始點先選擇最遠(yuǎn)的點亮的，實行貪婪狀態(tài)轉(zhuǎn)移，即盡可能多地卸下空箱，同時盡可能多地取走實箱；如果以后物流小車A還要選擇當(dāng)日庫位的話，都是選擇與這個當(dāng)前供貨點最近的供貨點，直到車輛返回終點、這樣提出最遠(yuǎn)點完全拼車算法，其可能比貪婪算法準(zhǔn)則1要好，當(dāng)前杭州益維汽車工業(yè)有限公司在實際生產(chǎn)的物流配送安排中，首先“滿足”最遠(yuǎn)點亮取件庫位，再考慮其他取件庫位。

提產(chǎn)前日產(chǎn)52臺，JPH為=6.5臺，一天4次送料，每兩個小時送料一次，零部件455種，車輛的裝載量g=9個，經(jīng)過計算在首次送貨后，需要物流小車A的數(shù)量48臺。

提產(chǎn)后日產(chǎn)180臺，JPH為=22.5臺，一天16次送料，每半個小時送料一次，零部件455種，車輛的裝載量g=9個，經(jīng)過計算在首次送貨后，需要物流小車A的數(shù)量72臺。

為了進(jìn)一步提高物流供件的效率，對當(dāng)日庫的零部件布局進(jìn)行調(diào)整，14個桁架按照三個組合，分別對應(yīng)內(nèi)裝飾一線、內(nèi)裝飾二線、底盤線、成車線，車門線的零件歸在二樓零件庫中。這樣減少了物流小車A在當(dāng)日庫撿貨的路線的長度，減少小車的重復(fù)路線。

2.3.4 建立分部件、預(yù)裝分總成的SPS供件流程

在總裝車間預(yù)裝分總成包括：車門總成、油箱、儀表臺、R02前懸掛總成、前端模塊（含保險杠）、輪胎、動力總成，在物流供件種類354種是需要單獨考慮，他們的需求是獨立于總裝配線。這些是屬于SPS件：SPS（Set Parts Supply）是根據(jù)裝配線的生產(chǎn)需要成套排序供給的物料集合。通常SPS件采用的專用物流周轉(zhuǎn)容器稱為SPS小車，每一輛SPS小車上都是某段生產(chǎn)線單臺套生產(chǎn)所需要特定物料。由于SPS區(qū)臨近生產(chǎn)線，SPS揀貨區(qū)的物流作業(yè)人員按照生產(chǎn)指示（該指示根據(jù)車輛順序生成并按下線實績控制進(jìn)度）在貨架上揀取一套零部件放于SPS小車中，并用臺車送到線側(cè)，實現(xiàn)部品小批量多頻次的輸送，循環(huán)流轉(zhuǎn)。具體參見SPS小車配料、取件過程圖如圖9所示。由于車門總成是在總裝二樓裝配，因此，在總裝二樓專門設(shè)置車門線的送貨區(qū)。

設(shè)定SPS揀貨區(qū)：用于分揀SPS物料的區(qū)域，通常SPS小車由SPS揀貨區(qū)出發(fā)被送至生產(chǎn)線邊。為保證預(yù)裝大部件能夠配合主線的節(jié)拍需求，要求預(yù)裝大部件比主線快2個總成以上，即預(yù)裝大部件實現(xiàn)等待上線，車門預(yù)裝線仍然保證一對一的節(jié)拍。

3 結(jié)束語

只有汽車制造主機(jī)廠的指揮棒能夠精細(xì)化，防止因

圖9 SPS小車配料、撿件流程圖

【】【】汽車產(chǎn)業(yè)鏈“長鞭效應(yīng)”導(dǎo)致的浪費(fèi)。應(yīng)用MES系統(tǒng)使得供應(yīng)商P01的保險杠庫存量下降21%。下沙R02車型承制的保險杠生產(chǎn)線及時了解生產(chǎn)信息，按照2小時的需求數(shù)量、顏色的進(jìn)行批產(chǎn)，杜絕停線待料問題的發(fā)生。借助RFID技術(shù)，對生產(chǎn)過程控制、跟蹤和有效管理，嚴(yán)格制造資源包括相關(guān)的人、物料、設(shè)備等的優(yōu)化配置。滿足混線生產(chǎn)日產(chǎn)240臺要求。實現(xiàn)總部沖壓車間零部件在制品庫存降低30%；R02車型生產(chǎn)節(jié)拍從6分鐘縮短至3.5分鐘，達(dá)到防止浪費(fèi)、開源節(jié)流、精益生產(chǎn)的目的。利用運(yùn)籌學(xué)的貪婪算法優(yōu)化廠內(nèi)物流的方法，實現(xiàn)生產(chǎn)物流小車數(shù)量最小化。

[1] 唐國春,劉小卉.運(yùn)籌學(xué)在汽車零部件入廠物流中的應(yīng)用[J].運(yùn)籌學(xué)學(xué)報,2015,(05):127-129.

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Study on MES system promotional lean logistics process on automobile mass manufacturing

YANG li-feng1, CHENG Qiong1, SHI Zhe-han2, YANG Hai-shen2, SHI Yun-bin1

F426.471；F253.7

：A

1009-0134(2017)03-0011-06

2016-11-03

楊立峰（1971 -），男，陜西咸陽人，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向為汽車制造技術(shù)、汽車新能源技術(shù)應(yīng)用和汽車專業(yè)職業(yè)教育。