某空壓機裝配線生產(chǎn)平衡仿真及優(yōu)化研究

許文秀，李君，吳金卓

0 引言

目前，作為中國經(jīng)濟主要支柱的制造業(yè)伴隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。然而，與此同時，許多制造企業(yè)也面臨著來自全球的沖擊，因此如何減少生產(chǎn)成本，提高各制造商的自身競爭力受到了廣泛關(guān)注［1］。國內(nèi)外學(xué)者在求解生產(chǎn)線平衡問題（Assembly Line Balance,ALB）方面進行了許多研究。例如，Helgeson等人提出了求解ALB問題的階位算法［2］，將作業(yè)元素按位階高低進行排序，在分配時按照位階高先分配原則來進行，結(jié)果表明，通過該原則能有效地減少工作站數(shù)量。Ramaseh等人對多階段生產(chǎn)過程的運輸批量問題進行研究［3］，從運輸批量、搬運成本及庫存成本三者關(guān)系的角度分析如何降低生產(chǎn)物流成本。在國內(nèi)，王愛虎等人應(yīng)用研究、設(shè)施規(guī)劃及物流線路設(shè)計等方法［4］，對某條以手工作業(yè)為主的生產(chǎn)線進行優(yōu)化。趙光周等人對某卷煙廠進行調(diào)研［5］，從原材料采購到最后出廠配送至各煙草店為止的整個煙草生產(chǎn)、分銷活動進行優(yōu)化，最終完成符合卷煙生產(chǎn)制造特點的整體物流方案設(shè)計。本文運用Flexsim軟件建立空壓機車間裝配線計算機仿真模型，并采用啟發(fā)式平衡法對空壓機車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，最終確定空壓機車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)優(yōu)化方案，以達到成功降低設(shè)備空閑率，提升生產(chǎn)物流車間的運行效率，降低運營成本的目的。

1 裝配生產(chǎn)線平衡問題

裝配生產(chǎn)線即按規(guī)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求，將一系列零部件按既定工藝過程，通過必要設(shè)備進行組裝，最終組裝成產(chǎn)品的生產(chǎn)組織形式［6-7］。裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)形式是在實行大規(guī)模批量生產(chǎn)的制造業(yè)中所必需的。因此，對于裝配生產(chǎn)線的平衡研究是必要的［8］。裝配線平衡，即解決在一定生產(chǎn)工藝條件下，遵照既定節(jié)拍將現(xiàn)生產(chǎn)工序進行重新劃分、調(diào)整，進而使得所有工作站負(fù)荷均衡，使得所有工作站都處于滿載狀態(tài)運作［9-11］。實際上，對裝配生產(chǎn)線進行平衡優(yōu)化就是一系列優(yōu)化組合過程［12］。裝配生產(chǎn)線平衡對生產(chǎn)線影響很大，最直接的影響就是生產(chǎn)效率［13］。因此，如何及時發(fā)現(xiàn)裝配生產(chǎn)線問題，并對其優(yōu)化以解決裝配生產(chǎn)線不平衡問題是十分迫切的。本文采用啟發(fā)式平衡法以生產(chǎn)節(jié)拍為研究對象，結(jié)合作業(yè)元素組成優(yōu)先順序圖，根據(jù)特定作業(yè)單元分配原則進行求解，以達到對裝配生產(chǎn)線優(yōu)化的目的。

2 基于Flexsim的空壓機車間裝配流水線仿真

本文以某公司空壓機車間直線型裝配流水線為研究對象，對某型號空壓機的裝配過程進行實地數(shù)據(jù)采集。采用Flexsim進行建模，建模過程可以歸納為五步：布局設(shè)置、定義“流”、參數(shù)設(shè)定、模型運行及結(jié)果分析［14-15］。

2.1 建立仿真模型

在車間實際生產(chǎn)時，每個工作地要完成該工作地全部加工活動。首先，將零部件等運送到相應(yīng)工作地，在每個工作地完成相應(yīng)裝配活動，然后通過流水線運輸至下一工作地，直至封箱打包。本文的建模思想是：該型號空壓機裝配線共有16個工作地，以工作地為基本單元建立模型，使零部件從第一個工作地開始，遍歷裝配生產(chǎn)線上所有工作地，直至產(chǎn)品裝配完成，模擬整個裝配活動。另外，為設(shè)備設(shè)定一系列屬性和規(guī)則，如加工時間、設(shè)備調(diào)整時間、設(shè)備故障發(fā)生率和工人操作等，來模擬實際生產(chǎn)過程中裝配線上工件的移動和加工行為。具體建模過程如下。

2.1.1 布局設(shè)置

根據(jù)該型號空壓機的工藝流程圖和空壓機車間布局平面圖，可以直接建立工藝流程仿真模型。模型中包括1個Source、1個Sink、16個Processor、14 個 Conveyor。

2.1.2 定義“流”

依據(jù)實際元素的相互關(guān)系，設(shè)置模型中各對象間的邏輯關(guān)系，再連接相應(yīng)端口。用“A”鍵連接實體對象，代表各臨時實體流動方向，即工件的運動方向。用“S”連接中心端口，即Task Executer和 Fixed Resource。

2.1.3 參數(shù)設(shè)定

在模型中，每個實體的參數(shù)設(shè)置如下。

Source參數(shù)設(shè)置：為了化簡模型，用“Source”讓氣罐源源不斷供應(yīng)。設(shè)該裝配線“瓶頸”工位作業(yè)時間是40 s，由于裝配生產(chǎn)線節(jié)拍受到“瓶頸”工位約束，所以一個氣罐供應(yīng)時間設(shè)置為40 s。

Processor參數(shù)設(shè)置：在模型中創(chuàng)建Processor實體用來對各臨時實體進行操作，模擬工件加工過程。在本模型中總時間延遲分為預(yù)置時間和處理時間兩部分。本文將所需數(shù)據(jù)整理成標(biāo)準(zhǔn)格式，將模型所需的各類參數(shù)存放于獨立的Excel表格中，并在模型開始運行之前將表1中參數(shù)導(dǎo)入到Flexsim全局表中，各Processor可按表格中數(shù)據(jù)運行。

表1 實體處理時間與預(yù)置時間表Tab.1 Entity processing time and preset schedule

Conveyor設(shè)置：在實際生產(chǎn)過程中，只有一個Conveyor，除第1、11、14工位外，其余各工位皆在裝配生產(chǎn)線上完成。在模型中，所有加工裝配活動皆由Processor完成，由Conveyor送至下一Processor。Conveyor總長度為30 m，在模型中被不同Processor分開，除工作地10-11、14-15間的傳送帶為5 m外，其余長度為1 m。Conveyor的速度采用默認(rèn)的速度1m/s。

Operator參數(shù)設(shè)置：由于裝配線上需要工人對各工件進行加工，用Operator表示裝配線上進行作業(yè)的工人。為了避免工人行走時間長而產(chǎn)生誤差，將Operator中的最大速度進行調(diào)整。設(shè)置后即可消除工人行走時間而造成的誤差，所有Operator皆按照此方法進行操作。

Sink設(shè)置：為了化簡模型采用Sink對象來刪除已生成的產(chǎn)品，以降低模型中運行對象數(shù)量，提高模型運行速度。本文中對Sink采用默認(rèn)參數(shù)。

2.2 運行模型及仿真結(jié)果分析

用Flexsim軟件建立該型號空壓機裝配線仿真模型，完成模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，進行編譯和運行操作。利用控制器設(shè)置模型模擬裝配生產(chǎn)線1d工作狀況，即仿真模型的運行時間為28 800 s，仿真時間與實際時間比為5:1。點擊編譯后運行模型。

目前為止工作地7的加工時間占56%，空閑時間占38%，預(yù)置時間占6%。

在模型全部運行完成后可以生成相應(yīng)的統(tǒng)計報表，并存儲于外部的Excel中，根據(jù)Excel表格中的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的統(tǒng)計圖，如圖1所示。

圖1 改善前各工作地繁忙率統(tǒng)計圖Fig.1 Improvement of the busy rate chart of the former work stations

結(jié)合統(tǒng)計圖1可得出，在一天8 h的工作條件下，工作地2的Processing占該工作地總時間的92.88%，而工作地4的Processing只占到總時間的37.06%，其他各工作地的工作時間約在40%～88%，各地的繁忙程度差別較大。另外，從阻塞率來看，除工作地1以外各工作地都沒有發(fā)生阻塞情況，表明裝配生產(chǎn)線上沒有發(fā)生超載現(xiàn)象。結(jié)合各工作地的閑置率，發(fā)現(xiàn)該型號空壓機裝配線各工作地時間安排不合理，各工作地還有閑置生產(chǎn)力待挖掘，需要對工作地作業(yè)內(nèi)容進行調(diào)整。因此需要利用啟發(fā)式平衡法對裝配線進行各工作地作業(yè)內(nèi)容重新規(guī)劃，調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。

3 運用啟發(fā)式平衡法對裝配流水線進行優(yōu)化

通過對該型號空壓機裝配流水線進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)其存在某些工作地滿負(fù)荷工作，而某些工作地閑置時間較多，各工作地繁忙不均問題。這不僅導(dǎo)致了裝配生產(chǎn)線上生產(chǎn)力浪費現(xiàn)象，也會造成工人的不平衡感。通過啟發(fā)式平衡法對裝配線作業(yè)元素進行重新分配，在滿足生產(chǎn)節(jié)拍條件下，降低各工作地空閑時間，提高生產(chǎn)設(shè)備及工人的效率，并實現(xiàn)各工作地平衡。

3.1 啟發(fā)式平衡法的步驟及分配原則

啟發(fā)式裝配線平衡法具體操作方法是：首先，根據(jù)訂單需求量來計算生產(chǎn)節(jié)拍，并求出滿足要求的最少工作地數(shù)量；其次，從第一個工作地開始選擇待分配作業(yè)，并在滿足生產(chǎn)節(jié)拍及工藝要求等制約的條件下，將盡量多的作業(yè)元素分配到當(dāng)前工作地，直至沒有符合條件的作業(yè)元素為止；然后依照此方法將余下作業(yè)元素安排到各個工作地當(dāng)中，將所有作業(yè)元素都分配至各工作地；最后，驗證平衡后的裝配線是否合理［16-17］。

根據(jù)該型號空壓機裝配工藝順序及各作業(yè)元素作業(yè)時間及產(chǎn)量需求，日產(chǎn)量需要達到850臺，可確定節(jié)拍為34 s。根據(jù)裝配流水線啟發(fā)式平衡過程，將所有作業(yè)元素合理安排到工地中，裝配流水線的啟發(fā)式平衡過程如下：

工作地1：先將作業(yè)元素1安排到第一工作地中，其作業(yè)時間為10 s，生產(chǎn)節(jié)拍為34 s，工作地1的剩余時間為24 s；再分配作業(yè)元素3，其作業(yè)時間為11 s，剩余13 s；再分配作業(yè)元素2，作業(yè)時間10 s，剩余3s；分配作業(yè)元素4，作業(yè)時間4 s，超出節(jié)拍，應(yīng)將其取出放入其他工作地。分配作業(yè)元素5，作業(yè)時間3 s，剩余0 s，無剩余時間，至此工作地1的作業(yè)元素分配完畢。

工作地2：從余下的作業(yè)元素中挑選作業(yè)元素，先選取作業(yè)元素6，作業(yè)時間13 s，剩余21 s；分配作業(yè)元素7，作業(yè)時間9 s，剩12 s；分配作業(yè)元素8，作業(yè)時間7 s，剩余5 s；分配作業(yè)9，作業(yè)時間11 s，超出節(jié)拍時間，因此作業(yè)9應(yīng)安排到至其他工作地；分配作業(yè)元素4，作業(yè)時間4 s剩余1 s。至此剩余的空閑時間不能滿足任意一個作業(yè)元素要求，至此工作地2的作業(yè)元素完畢。開始對下一工作地進行安排。

工作地3：分配作業(yè)元素9，作業(yè)時間11 s，剩余23 s；分配作業(yè)元素10，作業(yè)時間6 s，剩余17 s；分配作業(yè)元素11，作業(yè)時間6 s，剩余11 s；分配作業(yè)元素12，作業(yè)時間6 s，剩余時間6 s；分配作業(yè)元素13，作業(yè)時間12 s，超出生產(chǎn)節(jié)拍，作業(yè)13分至下一工作地；分配作業(yè)16，作業(yè)時間4 s，剩余2 s。無再可分配的作業(yè)，工作地3的作業(yè)元素分配完畢。

參照前3個工作地的平衡方法，將其余作業(yè)元素安排到剩余的工作地中，直到所有作業(yè)元素全部被安排為止。由于各工作地的分配過程與前3個相似，不再逐個描述。

3.2 優(yōu)化后模型及仿真結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化后的裝配流水線模型，對原模型進行修改，建立優(yōu)化后的空壓機裝配線仿真模型，對模型內(nèi)各項參數(shù)進行設(shè)置，同樣以一天時間為基準(zhǔn)，運行模型，以驗證優(yōu)化效果。

在仿真過程中，并沒有出現(xiàn)制品堆積情況，說明優(yōu)化后裝配線符合實際生產(chǎn)情況。優(yōu)化后工作地7的處理時間占總時間的84%，閑置時間占8%，預(yù)置時間占8%，對比優(yōu)化之前（56%和38%）都有改善。

圖2 改善前后工作地負(fù)荷對比圖Fig.2 Improve the work load comparison map before and after

圖2 是改善前后各作業(yè)地作業(yè)時間的對比圖，其中實線表示的是改善前的情況，虛線表示的是改善后的情況。從圖2中可更加直觀的看出在經(jīng)過平衡后各工作地的負(fù)荷區(qū)域平衡狀況。除了最后一個工作地封箱堆垛外（由于其作業(yè)性質(zhì)，屬于搬運活動，勞動強度較大，為保證工人體力得到及時恢復(fù)，適當(dāng)?shù)卦龃箝e置時間是符合實際的），各工作地的作業(yè)效率均在70%以上。從空閑時間的角度看工作地11的閑置率最高30.87%，但相比于優(yōu)化前的最高閑置率55.99%，下降了25%。各工作地閑置率都有所降低，結(jié)合阻塞率情況，說明各工作站的生產(chǎn)潛力進一步被挖掘，且沒有超載現(xiàn)象發(fā)生。

根據(jù)平衡前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總成平衡前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比表，見表2。

表2 平衡前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比表Tab.2 Comparison table of production data before and after balance

從表2可以看出，經(jīng)過平衡后裝配線的節(jié)拍由40 s降低至34 s，降低了15%；日產(chǎn)由原來的720臺/d，提升至847臺/d，提升了17.6%；負(fù)荷系數(shù)由原來的0.73提升至0.91，提升了0.18；平衡損耗由0.37降低至0.09，降低了0.28；減少了一個工作地，工作地數(shù)為15個。

綜上所述，通過裝配流水線的仿真—優(yōu)化—仿真這樣的優(yōu)化過程，裝配線的平衡程度得到了有效地提高，各工作地的負(fù)荷基本一致，裝配線得到了改善，降低了生產(chǎn)節(jié)拍，提升了產(chǎn)能和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

本文從某公司空壓機車間實際狀況出發(fā)，運用Flexsim軟件建立空壓機車間裝配線計算機仿真模型，發(fā)現(xiàn)了其中存在的問題，并采用啟發(fā)式平衡法對空壓機車間裝配線生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行優(yōu)化研究。通過對其平衡后的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)通過啟發(fā)式裝配流水線平衡后的裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍降低了6 s，日產(chǎn)能提升了17.6%，各工位間的繁忙率也趨于一致，使得裝配線得到了較好的改善。

由于時間有限，本文對實際生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行了簡化，因此還有許多需要完善的地方。本文僅考慮了單一品種生產(chǎn)情況下的裝配線平衡問題，但是由于空壓機產(chǎn)品裝配過程的相似性，所以實行混流生產(chǎn)可以提高產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。在今后的研究中，還需要對混流式裝配線優(yōu)化平衡的問題進行研究。

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