動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模及仿真優(yōu)化

溫 樂，雷 斌,3，王衛(wèi)紅，劉同朝

（1.蘭州交通大學 機電技術(shù)研究所，蘭州 730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省物流與信息技術(shù)研究院，蘭州 730070)

0 引言

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅猛，在不斷滿足國內(nèi)市場的同時，逐步走向了世界。在巨大市場驅(qū)動下，高速動車組的需求也與日俱增。高速動車組制造工藝流程復雜，生產(chǎn)物流管理難度大，生產(chǎn)成本較高。隨著我國智能制造戰(zhàn)略的實施，對制造企業(yè)生產(chǎn)物流管理水平提出了更高的要求。企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，增強市場競爭能力，需要不斷優(yōu)化生產(chǎn)物流系統(tǒng)，挖掘降低生產(chǎn)物流成本的潛力。對于高速動車組這校復雜的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，要分析其生產(chǎn)物流中存在的問題，發(fā)現(xiàn)制約生產(chǎn)物流的瓶頸，需要對其進行建模與仿真。

生產(chǎn)物流系統(tǒng)的建模方法和仿真軟件有多種，其中Petri網(wǎng)建模方法具有模型界面簡單直觀、容易理解、有嚴格數(shù)學表示方法的優(yōu)點，但沒有辦法滿足數(shù)值仿真所需數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量的要求。而Witness軟件具有模型單元豐富、交互式地面向?qū)ο筮M行建模、提供軟件間數(shù)據(jù)接口、模塊化建模和統(tǒng)計性能參數(shù)動態(tài)顯示等優(yōu)點，但是界面直觀度和易理解度與Petri網(wǎng)相比較差。把Petri網(wǎng)和Witness結(jié)合起來對生產(chǎn)系統(tǒng)進行研究則綜合了二者的優(yōu)點，可以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真[1]。

當前將Petri網(wǎng)和Witness結(jié)合起來對生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行研究的文獻主要有：汪佳對某轉(zhuǎn)向器制造企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真的研究[2]；肖燕對某發(fā)動機總裝線看板生產(chǎn)系統(tǒng)的建模和仿真[3]；程俊杰對重慶建設(shè)摩托車總裝生產(chǎn)線的建模和仿真[4]；李曄對托輥生產(chǎn)物流系統(tǒng)的建模和仿真優(yōu)化[1]。以上研究文獻針對不同生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行了研究，但是針對動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化的文獻還比較欠缺。同時，很多研究文獻只是在建模和仿真分析后找出系統(tǒng)瓶頸，或分析后提出建議，但對其進行優(yōu)化研究還不夠。

本文基于Petri網(wǎng)和Witness軟件對動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行研究，找出了該系統(tǒng)中存在的瓶頸，提出了優(yōu)化方案并對其進行了優(yōu)化，消除了瓶頸，實現(xiàn)了既提高生產(chǎn)效率，又降低生產(chǎn)成本的目標。

1 動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)介紹

1.1 動車組車體結(jié)構(gòu)

動車組車體主要由：底架結(jié)構(gòu)、側(cè)墻結(jié)構(gòu)、端墻結(jié)構(gòu)、車頂結(jié)構(gòu)、前端結(jié)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1、圖2所示。

1.2 動車組車體生產(chǎn)裝配流程及特點

動車組車體的生產(chǎn)物流系統(tǒng)是典型的離散事件系統(tǒng)，其各組成結(jié)構(gòu)及其總裝配生產(chǎn)裝配流程如圖3所示。

圖1 頭車結(jié)構(gòu)圖

圖2 中間車結(jié)構(gòu)圖

圖3 動車組車體底架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)裝配流程圖

圖4 動車組車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)生產(chǎn)裝配流程圖

圖5 動車組車體端墻結(jié)構(gòu)生產(chǎn)裝配流程圖

圖6 動車組車體前端結(jié)構(gòu)生產(chǎn)裝配流程圖

圖7 動車組車體車頂結(jié)構(gòu)生產(chǎn)裝配流程圖

圖8 動車組車體總裝配流程圖

動車組車體生產(chǎn)裝配特點：動車組車體的總裝生產(chǎn)線屬于流水線式的作業(yè)方式，采用傳送裝置輸送零部件，在整個裝配過程中，零部件的配送以及工位的下達指令都采取的是“拉動式”的生產(chǎn)管理模式。

2 某工廠動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模

2.1 存在的問題

本文以中車某軌道交通裝備制造企業(yè)CRH3型動車組車體的總裝配車間為例，采用Petri網(wǎng)建模方法，利用其圖像化優(yōu)點，形象地對動車組車體的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行建模。該車間存在的主要問題如下：

1）大部分機器的使用率均較低；

2）車底側(cè)墻結(jié)構(gòu)儲存區(qū)的庫存積壓較為嚴重，這是導致生產(chǎn)線不平衡的原因之一，需要改進；

3）該車間在生產(chǎn)過程當中常常發(fā)生瓶頸現(xiàn)象，并且一直沒有對重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的瓶頸現(xiàn)象進行過科學性地有針對地分析，無法發(fā)現(xiàn)它的根本原因，因此也沒有辦法阻止阻塞的發(fā)生，使得生產(chǎn)效率很難得到提高，給車間的管理工作帶來了很大的困難。

由于上述問題的存在，使該車間的生產(chǎn)效率難以提高，因此針對以上問題，擬通過對零部件輸送批量和輸送間隔的調(diào)整，從生產(chǎn)率、機器利用率、庫存率三個指標對動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行改進。

2.2 動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型

德國學者Carl A．Petri，1962年在他的博士論文中提出了一種用于描述事件和條件關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模型，簡稱Petri網(wǎng)。Petri網(wǎng)能夠結(jié)合簡單的圖形，可視化和直觀地描述離散事件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它能反映系統(tǒng)中各種事件的邏輯關(guān)系。既可以分析系統(tǒng)的靜態(tài)特性也可以分析系統(tǒng)的動態(tài)特性[5]。當前Petri網(wǎng)非常成功地運用于各個領(lǐng)域，例如生產(chǎn)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)等，已成為離散事件系統(tǒng)建模的主要工具之一?；谠撥壍澜煌ㄑb備制造企業(yè)CRH3型動車組車體加工車間生產(chǎn)物流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立的Petri網(wǎng)模型如圖9所示。

表1 動車組車體組裝的Petri網(wǎng)模型中各庫所含義

圖9中，“○”為庫所，“|”為變遷（即t1～t24，表示滑軌運輸）。動車組車體加工車間的Petri網(wǎng)模型的庫所的含義如表1所示。

庫所集P=（p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10，p11，p12，p13，p14，p15，p16，p17，p18，p19，p20，p21，p22，p23，p24，p25，p6，27，p28，p29，p30，p31，p32，p33，p34，p35，p36，p37，p38，p39，p40，p41，p42，p43，p44）；

變遷集T=（t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8，t9，t10，t11，t12，t13，t14，t15，t16，t17，t18，t19，t20，t21，t22，t23，t24）；

圖9 CRH3動車組車體組裝的Petri網(wǎng)模型

流關(guān)系F={(p1，t1)，(t1，p2)，(p2，t2)，(p3，t2)，(t2，p4)，(p4，t3)，(p5，t3)，(t3，p6)，(p6，t4)，(p7，t4)，(t4，p8)，(p8，t5)，(p9，t5)，(t5，p10)，(p11，t6)，(t6，p12)，(p12，t7)，(p13，t7)，(t7，p14)，(p14，t8)，(p15，t8)，(t8，p16)，(p16，t9)，(p17，t9)，(t9，p18)，(p18，t10)，(p10，t10)，(t10，p19)，(p20，t11)，(t11，p21)，(p21，t12)，(p22，t12)，(t12，p23)，(p23，t13)，(p24，t13)，(t13，p25)，(p25，t14)，(p26，t14)，(t14，p27)，(p27，t15)，(p28，t15)，(t15，p29)，(p19，t16)，(p29，t16)，(t16，p30)，(p31，t17)，(t17，p32)，(p32，t18)，(p33，t18)，(t18，p34)，(p34，t19)，(p30，t19)，(t19，p35)，(p36，t20)，(t20，p37)，(p37，t21)，(p38，t21)，(t21，p39)，(p39，t22)，(p40，t22)，(t22，p41)，(p41，t23)，(p42，t23)，(t23，p43)，(p35，t24)，(p43，t24)，(t24，p44}。

圖10 動車組車體總裝配的Petri網(wǎng)模型

圖10中，“○ ”為庫所，“|”為變遷（即t1～t5，表示滑軌運輸）。動車組車體加工車間的Petri網(wǎng)模型的庫所的含義如表2所示。

表2 動車組車體總裝配Petri網(wǎng)模型中各庫所含義

庫所集P=（p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8）；

變遷集T=（t1，t2，t3，t4，t5）；

流關(guān)系F={(p1，t1)，(t1，p3)，(p2，t2)，(p3，t2)，(p4，t3)，(t2，p5)，(p5，t3)，(t3，p7)，(p6，t4)，(p7，t4)，(t4，p9)，(p8，t5)，(p9，t5)，(t4，p10)}。

3 基于Witness的某工廠動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

Witness是由英國Lanner公司開發(fā)的功能非常強大的仿真軟件平臺。它不但可以用于離散事件系統(tǒng)的仿真，而且可以用于化工、液壓等連續(xù)流體系統(tǒng)的仿真。Witness提供了多個建模元素，方便離散型生產(chǎn)系統(tǒng)的建模和仿真。而且該軟件采用的是面向?qū)ο蟮慕换ナ降慕７椒?，使仿真簡單易行[5]。

3.1 仿真的模型假設(shè)

復雜系統(tǒng)的建模分析無法反映全部的實際系統(tǒng)，仿真模型也不是全部實際系統(tǒng)的重復或預(yù)演，因此必須對模型進行適當?shù)睾喕僭O(shè)。本文對動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)的仿真模型做出如下假設(shè)：

1）初始條件下倉庫、緩存區(qū)、傳送帶上的零件數(shù)量均為0。

2）生產(chǎn)現(xiàn)場中，零部件的傳送用傳送裝置，且傳送的速度是固定的。

3）在整個仿真過程中，將一段傳送裝置和一臺機器看成一個工位，而且生產(chǎn)節(jié)拍是固定的。根據(jù)車體各部分實際的組裝時間，在Witness仿真模型中，假設(shè)各個工序的節(jié)拍是一定的，各節(jié)拍的時間如表3所示。

表3 車體各部分仿真組裝時間

在動車組車體的整個裝配過程中，工位可能會出現(xiàn)故障，故障時間服從NEGEXP分布，維修時間服從ERLANG分布。

組裝時將這四大部分看成整體進行組裝，根據(jù)實際的動車組車體總裝配車間，每天的工作時間為8小時，動車組車體平均一天能夠組裝3～4節(jié)車體（不包括做試驗的時間）。

3.2 動車組車體生產(chǎn)線上各臺機器的相關(guān)數(shù)據(jù)

Witness Education 2004試用版軟件對元素的數(shù)量是有限制的，因此在對動車組車體總裝生產(chǎn)線進行仿真時，選擇關(guān)鍵的工序，整合相鄰的工序進行仿真。在選擇仿真的時長時，由于在實際的動車組車體裝配過程中，一個班組一天平均裝配3～4臺動車組車體，很難分析出該裝配線是否平衡，故做如下假設(shè)：選取一個月作為動車組車體安裝數(shù)量統(tǒng)計的時間范圍，則仿真時間為30×8×60=14400分鐘。該時間段可以裝配90～120節(jié)車體。仿真參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 仿真參數(shù)設(shè)定

3.3 動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型建立及運行

在建立好的Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，建立動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)的仿真模型，Witness仿真模型如圖11所示。

圖11 Witness 仿真模型

3.4 仿真模型結(jié)果分析

仿真模型運行14400分鐘后的生產(chǎn)報告如下：

1）產(chǎn)量分析

仿真模型運行14400分鐘后動車組車體的總裝配數(shù)量如圖11所示。

從圖11總裝配車間優(yōu)化前一個月的生產(chǎn)情況可以看出，動車組車體一個月的總裝配數(shù)量為111個。

2）機器利用率分析

仿真模型運行14400分鐘后的機器利用率仿真報告如圖12所示。

圖12 機器利用率仿真報告

從圖12機器利用率仿真報告中可以看出，組裝工序02機器、組裝工序03機器和檢驗工序機器的使用率均較低，故可以通過提高機器的使用率來提高產(chǎn)量。

3）緩存區(qū)零部件數(shù)量分析

仿真模型運行14400分鐘后的庫存數(shù)量仿真報告如圖13所示。

圖13 庫存數(shù)量仿真報告

從圖13中可以看出，車底側(cè)墻結(jié)構(gòu)儲存區(qū)的庫存積壓較為嚴重，是導致生產(chǎn)線不平衡的重要原因之一，需要改進。

3.5 模型優(yōu)化前后對比分析

通過對零部件輸送批量和輸送間隔時間的調(diào)整，從生產(chǎn)率、機器利用率、庫存率三個指標對動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)進行改進。調(diào)整后的仿真參數(shù)如表5所示。

表5 調(diào)整后的仿真參數(shù)

1）指標一：生產(chǎn)率

仿真模型運行一個月30天，即仿真時間為14400分鐘，改善后仿真模型如圖14所示。

圖14 改善后的仿真結(jié)果圖

從改善后仿真模型可以看出，通過對仿真參數(shù)的調(diào)整，在相同的時間內(nèi)動車組車體的產(chǎn)量變?yōu)?30個，生產(chǎn)率提高了17.1%。

2）指標二：機器利用率

仿真模型運行一個月30天，即仿真時間為14400分鐘，改善后的機器利用率仿真報告如圖15所示。

圖15 改善后的機器利用率仿真報告

從改善后的機器利用率仿真報告可以看出，通過對仿真參數(shù)的改變，組裝工序02機器、組裝工序03機器和檢驗工序機器的利用率均有所提高。

3）指標三：庫存率

仿真模型運行一個月30天，即仿真時間為14400分鐘，改善后的庫存數(shù)量仿真報告如圖16所示。

圖16 改善后的庫存數(shù)量仿真報告

從改善后的庫存數(shù)量仿真報告可以看出，通過對仿真參數(shù)的改變，車底側(cè)墻結(jié)構(gòu)儲存區(qū)的庫存率明顯降低。

4 結(jié)論

1）Petri網(wǎng)建模方法和Witness仿真軟件，適用于動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模和仿真分析。

2）針對動車組車體生產(chǎn)物流系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種瓶頸，通過調(diào)整各零部件的輸送數(shù)量以及輸送時間間隔，裝配效率能夠提高。

3）通過對仿真參數(shù)進行重新設(shè)定，利用Witness進行仿真，結(jié)果表明，3/4的機器的使用率均有提高，車底側(cè)墻結(jié)構(gòu)的庫存率明顯下降，動車組車體的裝配效率明顯提高。