面向航空機載企業(yè)機加車間的物流仿真研究

劉 剛，張光濤 （中航工業(yè)慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

LIU Gang,ZHANG Guangtao (AVIC Qing'an Group Co.,LTD,Xi'an 710077,China)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，制造企業(yè)的加工和裝配時間只占總生產(chǎn)時間的5%～10%，而生產(chǎn)物流中的輔助時間占90%～95%，物流成本占到生產(chǎn)成本的30%以上。由此可見，生產(chǎn)物流和企業(yè)生產(chǎn)過程密切相關，通過對企業(yè)生產(chǎn)物流進行優(yōu)化、減少生產(chǎn)物流輔助時間可以有效縮短降低物流成本，提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

航空機載產(chǎn)品具有多品種、小批量、變狀態(tài)的特點，在生產(chǎn)物流方面體現(xiàn)出高度離散、高度波動、高度柔性的特征，目前大部分機載企業(yè)主要依靠經(jīng)驗的生產(chǎn)調(diào)度物流模式，缺乏提前策劃，通過事后型的解決措施彌補不足，造成生產(chǎn)停滯。本文主要研究基于Witness系統(tǒng)仿真軟件根據(jù)生產(chǎn)排產(chǎn)計劃、生產(chǎn)準備及實際物流參數(shù)等要素建立準確的生產(chǎn)物流仿真模型，通過虛擬仿真手段實現(xiàn)生產(chǎn)物流方案優(yōu)化，解決因物流因素導致的生產(chǎn)停滯問題，從而提升航空機載企業(yè)的制造能力。

1 航空機載企業(yè)物流仿真現(xiàn)狀分析

航空機載產(chǎn)品屬于典型的多品種小批量生產(chǎn)特性，例如，某航空機載企業(yè)機加車間生產(chǎn)產(chǎn)品1.9萬余種，年產(chǎn)量160萬件。生產(chǎn)過程中所需要零件、夾具、刀具、量具等種類繁雜；零件工序長，物料周轉頻繁，物流調(diào)度計劃和物流路線復雜。目前生產(chǎn)物流方式主要以人工為主，雖然簡單易行、方便靈活，但完全依賴生產(chǎn)調(diào)度人員的經(jīng)驗和執(zhí)行力，無法形成快速響應的生產(chǎn)物流管理機制。

復雜物流環(huán)境下，要實現(xiàn)物流能力的顯性分析和調(diào)整均衡，預防因物流計劃不合理導致的生產(chǎn)停滯問題，需要使用系統(tǒng)的仿真工具。Witness仿真軟件是一個面向于生產(chǎn)、運輸、規(guī)劃等方面的離散事件系統(tǒng)仿真軟件。通過該軟件，以未來建設的生產(chǎn)系統(tǒng)為對象，建立起一個抽象的物流模型，進行虛擬模型仿真分析，得到不同物流方案對生產(chǎn)系統(tǒng)性能的影響指標，如：機器設備的利用率、生產(chǎn)系統(tǒng)的平均產(chǎn)出、人員配置的評價、產(chǎn)品及時交付率等指標的統(tǒng)計。以此提前顯性化物流配送問題，為生產(chǎn)線的規(guī)劃、運行和優(yōu)化調(diào)整提供了依據(jù)。

2 航空機載企業(yè)物流仿真環(huán)境構建研究

構建物流仿真環(huán)境需按生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生物料流動的環(huán)節(jié)定義物流網(wǎng)絡模型，描述模型內(nèi)每個元素的特征和元素之間的鏈接關系。航空機載企業(yè)機加車間長期的生產(chǎn)過程在本質上就是一個大型復雜的物流系統(tǒng)，產(chǎn)品按照既定的生產(chǎn)工藝步驟依次獲取系統(tǒng)資源進行處理加工，最后成為成品流出系統(tǒng)，加工機床、作業(yè)人員、工裝夾具、倉儲物流設備等所有生產(chǎn)要素都被認為是系統(tǒng)內(nèi)的元素。利用Witness軟件對物流系統(tǒng)內(nèi)的元素進行虛—實映射，組成物流網(wǎng)絡模型，通過制定物流規(guī)則，構建真實的物流環(huán)境進行物流仿真。流程如圖1所示：

2.1 物流網(wǎng)絡設計

物流網(wǎng)絡，即物流系統(tǒng)的空間網(wǎng)絡結構，是指物流系統(tǒng)（物流企業(yè)或組織）構造和組織的與經(jīng)營有關的物流節(jié)點、物流線路的空間網(wǎng)絡結構。物流網(wǎng)絡的主要構成要素是物流系統(tǒng)的節(jié)點及節(jié)點連接方式（物流路線）。所有的物流活動都是在物流路線和物流節(jié)點上進行的，運輸線路上進行的運輸活動是物流的主要功能要素，而物流功能要素中的其他要素，如倉儲、配貨、包裝、裝卸、流通加工等，則是在物流節(jié)點上完成的。因此物流網(wǎng)絡的設計工作主要分為物流節(jié)點和物流路線設計。

圖1 物流仿真流程

（1）物流節(jié)點設計。物流節(jié)點是物流網(wǎng)絡的重要組成部分，物流效率的發(fā)揮依賴于物流節(jié)點的位置和功能配置。作業(yè)單元布局是設計物流節(jié)點的基礎，并決定了物流網(wǎng)絡的形式和結構，設計物流節(jié)點的第一步就是按現(xiàn)場實際情況采集各個作業(yè)單元的位置、功能等特征，繪制作業(yè)單元布局圖。以某航空機載企業(yè)機加智能車間為例，按產(chǎn)品成組技術設置了筒體、閥、活塞、殼體、齒輪、結構件、小型回轉體、中型結構件等8組典型零件的機加生產(chǎn)區(qū)。作業(yè)單元按產(chǎn)品加工流程中的功能劃分為：生產(chǎn)區(qū)（機加、鉗工、清洗、刻字、檢驗等）和存儲區(qū)。根據(jù)機加現(xiàn)場實際情況布局如圖2所示：

圖2 作業(yè)單元布局

完成作業(yè)單元布局后，接下來需對涉及到物料流動的節(jié)點按功能進行統(tǒng)計分類，方便后續(xù)在物流模型中對不同功能類型的節(jié)點設置相應的物流特征。物流節(jié)點按其功能可分為緩存型節(jié)點（以存放貨物為主要職能的節(jié)點，貨物在這種節(jié)點停滯時間較長）、轉運節(jié)點（以組織物流快速流轉為主要職能）和作業(yè)節(jié)點。按照車間布局，統(tǒng)計物流節(jié)點類型和數(shù)量如表1所示：

（2）物流路線設計。機加車間主要分為南北兩個部分，南北區(qū)域各細分為10個區(qū)域。廠房東側為工具包準備區(qū)域和原料成品存儲區(qū)域。所有生產(chǎn)資源由物料存儲區(qū)配送到各生產(chǎn)工位或特種加工單元。按廠房內(nèi)現(xiàn)有的倉儲、準備和作業(yè)區(qū)的整體布置，使用魚骨型物流路線：東西通道作為主物流通道，負責從零件、夾具存儲區(qū)域和刀具、量具準備區(qū)分別運送零件包、準備包到達各個生產(chǎn)線始端，南北向的20條支物流通道負責生產(chǎn)線內(nèi)的加工設備之間物料傳輸，加工設備進行加工操作要求零件包和準備包全部到位才能開始。如圖3所示：

表1 物流節(jié)點統(tǒng)計

圖3 物流路線設計

2.2 物流模型構建

物流網(wǎng)絡設計完成后，需通過Witness軟件構建物流模型。由于機加車間的物流節(jié)點數(shù)量較多，使用手動構建相關物流模型的工作量非常大，可通過“讀取外部數(shù)據(jù)”模塊將含有物流節(jié)點特征、坐標等數(shù)據(jù)的Excel表格自動導入模型，存儲于各個具體變量當中。以加工設備為例，前期收集的特征含設備型號、名稱、用途、所屬生產(chǎn)線、一次加工數(shù)量等數(shù)據(jù)（如圖4所示）。

在Witness模型初始化窗口（ModelInitialize Action）中通過“模型初始化函數(shù)”和“創(chuàng)建機器”兩個函數(shù)來實現(xiàn)模型初始化和布局的自動生成。函數(shù)設置完成后，點擊“初始化”按鈕，軟件執(zhí)行“模型初始化”函數(shù)和“創(chuàng)建機器”函數(shù)循環(huán)執(zhí)行讀取外部鏈接Excel表數(shù)據(jù)的方式，自動生成物流模型。如圖5所示：

模型的背景是通過圖層管理工具導入根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場繪制的CAD平面布置圖，用于定位各個物流節(jié)點和物流路線的位置。模型中不同類型的元素代表車間內(nèi)相應特征的實物。如：用“BUFFER”元素表示立體庫、周轉庫等緩存節(jié)點和轉運節(jié)點，用“MACHINE”元素表示加工設備等作業(yè)節(jié)點，用“PART”元素表示待加工零件，用“TRACK”元素表示物流路線，用“VEHICLE”元素表示物料運載設施等。

2.3 物流仿真參數(shù)設置

圖4 節(jié)點特征數(shù)據(jù)

物流模型構建完成后，還需對物流仿真的參數(shù)進行設置才能運行仿真，輸出仿真報告。物流仿真的參數(shù)包含元素參數(shù)和物流規(guī)則。

（1） 元素參數(shù)設置

元素是仿真模型的基本結構，元素參數(shù)設置的準確性直接影響仿真的真實性。參數(shù)的設置有兩種方式：精確設置和模糊設置。在有詳細的外部統(tǒng)計數(shù)據(jù)情況下，一般采用精確設置參數(shù)以保證物流模型仿真的真實性；當輸入數(shù)據(jù)難以收集而需要估計時，采用模糊設置參數(shù)的方法，從而使系統(tǒng)的仿真結果具有一定的隨機性。以加工設備為例，需要設置的參數(shù)有：一次加工的零件數(shù)量、加工時間、維護時間、故障率、觸發(fā)加工的條件、完成加工后的動作等。由于實際生產(chǎn)過程中，不同種類零件的加工時間有偏差，精確設置“加工時間”參數(shù)需要讀取外部零件清單Excel列表中每項零件的加工時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)正在加工的零件號自動選擇相應的加工時間；模糊設置“加工時間”參數(shù)需對零件的加工時間進行分析處理，選用合適的概率分布。如圖6所示三角隨機分布：

圖6 三角隨機分布示例

Minimum為加工時間的最小值；Mode為加工時間的大概率值；Maximum為加工時間的最大值。設備每次更換零件加工時均從此分布中隨機取值。

（2） 物流規(guī)則設置

物流規(guī)則是驅動模型運行的血液。生產(chǎn)物流調(diào)度根據(jù)其目標可以描述為：有n種產(chǎn)品在m臺設備上依據(jù)指定的工藝路線進行加工，已知各產(chǎn)品在各工序的單位加工時間固定并已知，確定一種物流規(guī)則使各設備的總等待時間或產(chǎn)品偏離準時交付節(jié)點最少。如基于優(yōu)先級的物流規(guī)則（圖7）：對生產(chǎn)物流信息進行賦權處理，依據(jù)待加工設備的忙閑狀態(tài)、零件關鍵性、零件松弛率等變量賦權，將權重表按從大到小的順序進行物流調(diào)度排序和更新。

該規(guī)則的物流調(diào)度方案基于生產(chǎn)信息制定，因此需要先導入相應的排產(chǎn)計劃，這也是整個流程的輸入。生產(chǎn)計劃包括需要生產(chǎn)產(chǎn)品的種類、數(shù)量、精確到工序的計劃開工時間以及各工序的加工設備。在導入相應信息數(shù)據(jù)后，開始進行優(yōu)先級賦權，在所有物流操作都賦權完畢后，進入物流調(diào)度方案的制定階段。將權重表按從大到小的順序進行排序，權重高的物流操作具有更高的優(yōu)先級。每當生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部任一加工設備完成加工任務并且由物流系統(tǒng)運輸回庫時，系統(tǒng)內(nèi)部所有的物流任務按照上述規(guī)則進行優(yōu)先級的重排。

2.4 物流仿真與分析

完成仿真建模后導入排產(chǎn)計劃開始運行仿真，可以得到整個生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)運行指標的仿真報告，以便從中探尋到系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，對比不同物流方案的優(yōu)劣。對比和分析物流方案時需結合多個指標進行分析，對于機加車間的物流系統(tǒng)性能主要評價指標如表2所示：

圖7 基于優(yōu)先級的物流規(guī)劃

表2 系統(tǒng)性能評價指標

設備利用率和物流設施利用率指標結合，可判斷加工能力與物流能力是否匹配。若加工設備利用率偏低、物流設施的利用率較高、產(chǎn)品產(chǎn)出量較低，說明在仿真時間內(nèi)出現(xiàn)斷料狀態(tài)，在假設排產(chǎn)滿負荷的前提下，物流運輸系統(tǒng)的能力不足，需結合物流設施的相關指標判斷物流瓶頸出現(xiàn)在主物流線還是支線AGV小車； 設備利用率和產(chǎn)品及時交付率指標結合，可判斷物流規(guī)則的合理性。若設備利用率較高、零件及時交付率較低，說明物流配送的優(yōu)先級設置不合理，需調(diào)整物流松弛率的優(yōu)先級賦權。主物流線仿真結果如表3所示：

表3 主物流線仿真結果

由表3可看出，主物流線中的運輸設備都有將近20%的堵塞率，通過觀察仿真過程發(fā)現(xiàn)，當運輸機運行到每條生產(chǎn)線的頭部布置主—支線交換站進行裝載或者卸載時，后方的運輸機會等待前方運輸機操作完成之后才能繼續(xù)運行，因此造成了主物流線的堵塞。針對這樣的情況，我們在設計物流方案時需考慮在主物流線的主—支線交換站處設置岔道，使得每個區(qū)域能夠同時處理多個運輸機的裝卸/運行，在不增加主物流線運輸設備的情況下，主物流能夠更加及時地響應物料運輸?shù)男枨蟆?/p>

3 結束語

本文針對航空機載企業(yè)“多品種、小批量”離散制造環(huán)境下的機加車間建立基于Witness的仿真模型，根據(jù)廠房設施布局、排產(chǎn)計劃、工時統(tǒng)計、設備能力等實際數(shù)據(jù)設置模型參數(shù)，結合已有的排產(chǎn)經(jīng)驗設置基于優(yōu)先級的物流規(guī)則進行物流仿真。通過對輸出數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程的物流瓶頸，提出相應的優(yōu)化策略，對實際生產(chǎn)制造系統(tǒng)的改善與優(yōu)化有一定的借鑒意義。

航空機載企業(yè)“多品種、小批量”的生產(chǎn)制造環(huán)境非常復雜，利用Witness軟件的讀取外部數(shù)據(jù)功能，可快速、精準地自動建立物流模型，并根據(jù)現(xiàn)場不斷變化的實際情況精準動態(tài)設置相應的模型參數(shù)，仿真結果與實際生產(chǎn)現(xiàn)場貼合度較高，是指導物流方案建設和優(yōu)化的有效方法。