基于Anylogic的轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)工藝仿真及評價

黃晉，陳文杰，姬帆，郭瑞軍，馬思群，霍宗達(dá)

(1.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116022;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

鐵路機(jī)車轉(zhuǎn)向架是機(jī)車車輛組中最為重要的部件之一，它具有支撐車體、轉(zhuǎn)向、制動等功能.但是轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)流程極其復(fù)雜生產(chǎn)耗時也較長，企業(yè)在實(shí)際的生產(chǎn)過程中面臨了很多的問題，造成了一些不必要的浪費(fèi).

目前，國內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程的仿真主要結(jié)合了 eM-Plant、Flexsim、Petri網(wǎng)以及 SLP方法進(jìn)行研究.郭全杰［1］對鋁合金門窗混流生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在eM-Plant軟件中建立了仿真模型，對門窗混流生產(chǎn)系統(tǒng)的延時性、生產(chǎn)線平衡性、瓶頸、物流運(yùn)送系統(tǒng)等進(jìn)行分析優(yōu)化，并提出了改進(jìn)建議.Moghadam和Karimi等人［2］將離散系統(tǒng)仿真(DES)與多標(biāo)準(zhǔn)決策分析(MCDA)結(jié)合，在汽車供應(yīng)鏈中將制造過程與物流活動集成研究，提出了較優(yōu)的改進(jìn)方案.Serguei［3］討論了復(fù)雜離散生產(chǎn)系統(tǒng)建模的分布式?jīng)Q策的結(jié)構(gòu)及過程控制方法.Wang［4］提出運(yùn)用線性規(guī)劃方法對離散生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化的解決方案.

本文介紹了生產(chǎn)管理的相關(guān)理論，提出了設(shè)備忙閑率評價的相關(guān)計(jì)算公式，主要從工期計(jì)算、仿真運(yùn)行以及工藝流程評價三個角度出發(fā)，對機(jī)車的轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)加工進(jìn)行評價，然后基于Anylogic軟件對機(jī)車轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)進(jìn)行仿真，并針對具體存在的問題提出解決方法.

1 生產(chǎn)工藝及工期計(jì)算理論

1.1 產(chǎn)品的生產(chǎn)周期

1.1.1 單件產(chǎn)品生產(chǎn)周期

單件結(jié)構(gòu)簡單的產(chǎn)品，生產(chǎn)周期為該產(chǎn)品在各個工藝階段生產(chǎn)周期的總和.本文提出平行工序計(jì)算，即在完成第一日零部件的需求數(shù)量加工后，各工序即可形成平行工序分段生產(chǎn)，每個工序分段的產(chǎn)品作為第二日下一個工序分段的物料，統(tǒng)計(jì)工序分段的總數(shù)，即為單件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，也稱工期(單位，天).如圖1所示.

圖1 單件產(chǎn)品工期計(jì)算方法

平行工序間獨(dú)立進(jìn)行生產(chǎn)，銜接工序與平行工序順序完成產(chǎn)品生產(chǎn)，其和值為對應(yīng)加工周期;max{}為各分階段銜接工序內(nèi)的最大天數(shù).

1.1.2 成批產(chǎn)品生產(chǎn)周期

成批產(chǎn)品的生產(chǎn)周期的計(jì)算原理與單件產(chǎn)品生產(chǎn)周期基本相同，不同之處在于要考慮零件和產(chǎn)品在制造過程中的移動方式.移動方式不同，生產(chǎn)周期的長短也不同.成批產(chǎn)品在三種移動方式下的加工周期計(jì)算如下.

平行移動方式是一批零件中的每個零件在前一道工序完工后，立即傳送到下一道工序繼續(xù)加工.平行移動方式下加工周期的計(jì)算公式如(1)所示.

其中，T1代表一批零件平行移動的加工周期，m代表零件加工工序數(shù)目，n代表零件批量，tmax代表各道工序中最長工序的單件時間.

順序移動方式是指每批制品在上一道工序加工完畢后，整批地移送到下一道工序進(jìn)行加工的移動方式.順序移動方式下加工周期的計(jì)算公式如(2)所示.

其中，T2代表一批零件順序移動的加工周期，ti代表第i道工序的加工時間.

平行順序移動方式是順序移動方式和平行移動方式兩種方式的結(jié)合使用.是指一批零件在一道工序上尚未全部加工完畢，就將已加工好的一部分零件轉(zhuǎn)入下道工序加工，以恰好能使下道工序連續(xù)地全部加工完該批零件為條件的移動方式.平行順序移動方式下加工周期的計(jì)算如式(3)所示.

其中，T3代表一批零件平行順序移動法下的加工周期，tmin代表較短工序，是指某一道工序的單件加工時間比前道工序短，或比后道工序短.

平行移動方式的加工周期短，在制品占用量少，但是產(chǎn)品運(yùn)輸次數(shù)多.順序移動方式的加工集中，減少設(shè)備調(diào)整時間和運(yùn)輸工作量，但是有等待加工和等待運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長.平行順序移動方式在勞動過程中中斷時間比順序移動方式的少，零件生產(chǎn)周期較短.但是組織管理比較復(fù)雜.

1.2 生產(chǎn)線平衡和瓶頸工序

生產(chǎn)線平衡是指合理安排生產(chǎn)線上每個裝配工序或加工工序，保證在每道工序的作業(yè)時間大致相同，以便實(shí)現(xiàn)一個流的加工生產(chǎn)，生產(chǎn)線的平衡問題也稱為工序同期化問題.

生產(chǎn)線平衡可以縮短產(chǎn)品裝配時間，增加單位時間的產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本.減少工序間的在制品及其準(zhǔn)備時間，減少場地的占用，從而縮短生產(chǎn)周期.瓶頸工序是指生產(chǎn)流程中節(jié)拍最慢的工序，即限制整條生產(chǎn)線產(chǎn)能的工序.瓶頸工序的產(chǎn)能小于或等于整條生產(chǎn)線的產(chǎn)能，應(yīng)該充分發(fā)揮瓶頸工序的產(chǎn)能效率，提高生產(chǎn)線的產(chǎn)出.

2 生產(chǎn)工藝的評價方法

本文從設(shè)備忙閑率、在制品存放區(qū)的存放比例、生產(chǎn)瓶頸角度出發(fā)對整個生產(chǎn)流程進(jìn)行仿真分析.

2.1 設(shè)備忙閑率

為更有效評價工藝流程中各工序和設(shè)備的工作狀態(tài)，提出仿真忙閑率、仿真平均忙閑率、理論平均忙閑率、忙閑率誤差等評價指標(biāo).現(xiàn)對各個評價指標(biāo)做出解釋.

仿真忙閑率，指某時刻仿真的設(shè)備忙閑比例，實(shí)質(zhì)是該類設(shè)備工作的數(shù)量與總設(shè)備數(shù)量的比值.按不同仿真軟件的仿真間隔時間，可取單位時間，如1 min.

仿真平均忙閑率，指仿真統(tǒng)計(jì)的該設(shè)備在班制時間內(nèi)的忙閑率的均值.

理論平均忙閑率，指在一定的班制時間內(nèi)，工藝流程中設(shè)備加工一定數(shù)量的產(chǎn)品所耗費(fèi)時間與總班制時間的比值.即為生產(chǎn)時間與總時長的比值.其中生產(chǎn)時間是單件產(chǎn)品加工時間與加工件數(shù)的乘積.

忙閑率誤差，指理論平均忙閑率與仿真平均忙閑率差值的絕對值，用來衡量設(shè)備及工藝流程仿真的準(zhǔn)確性.

對于時刻的設(shè)備仿真忙閑率、仿真平均忙閑率、理論平均忙閑率、忙閑率誤差的計(jì)算公式如(4)～(7)所示:

其中，βi代表i時刻的設(shè)備仿真忙閑率，Ni代表工作設(shè)備數(shù)量，Mi代表未工作設(shè)備數(shù)量，αF代表仿真平均忙閑率，t代表單個工序加工時間，T代表加工總時長，αL代表理論平均忙閑率，ε代表忙閑率的仿真誤差.

時長指該設(shè)備處于一定仿真忙閑率狀態(tài)的持續(xù)時間.T指該設(shè)備所處工藝流程的班制時間，如兩班倒為15 h.

忙閑率誤差即理論平均忙閑率與仿真平均忙閑率差值的絕對值，該值越小說明仿真結(jié)果越準(zhǔn)確，一般不超過10%時可檢驗(yàn)仿真結(jié)果的可靠性.

2.2 在制品存放比例

在制品存放區(qū)可以有效地避免設(shè)備間物料的堵塞.但是在制品存放區(qū)如果設(shè)置不合理，會占用車間場地，導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)物流的不順暢，給企業(yè)帶來更高的附加成本，從而影響企業(yè)的效益.

存放比例可以表示存放區(qū)的利用效率.存放比例為存放區(qū)已放置產(chǎn)品的個數(shù)與存放區(qū)存放容量的比值，一般可用最大存放比例表示存放區(qū)域的利用率.

在生產(chǎn)過程中，存放區(qū)存放比例在60%～100%之間.存放比例過高會造成堵塞，影響下一步生產(chǎn)，存放比例過低則會造成資源的浪費(fèi).

2.3 生產(chǎn)瓶頸分析

生產(chǎn)瓶頸往往出現(xiàn)在那些生產(chǎn)能力小于需求能力的加工設(shè)備上，瓶頸設(shè)備往往是決定系統(tǒng)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵.提高設(shè)備利用率，優(yōu)化生產(chǎn)流程和資源配置的主要問題就是識別瓶頸設(shè)備并擴(kuò)大瓶頸設(shè)備的加工能力.要消除生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸問題首先要確定瓶頸環(huán)節(jié)的位置，現(xiàn)階段識別生產(chǎn)瓶頸的方法主要有設(shè)備負(fù)荷率分析法、物流量分析法、節(jié)拍分析法、基于仿真的瓶頸分析等.本文主要應(yīng)用Anylogic軟件進(jìn)行瓶頸分析.

3 轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)周期的計(jì)算實(shí)例

3.1 轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)計(jì)劃

某機(jī)車廠主要生產(chǎn)四種類型的轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品:城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架、動車轉(zhuǎn)向架、內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架、電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架.機(jī)車廠從市場需求出發(fā)來組裝產(chǎn)品，借此拉動工序的零部件加工，是拉式生產(chǎn)方式.在整個轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)過程中，車輪和車軸是生產(chǎn)各種型號轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，是兩條獨(dú)立的生產(chǎn)線.轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)線是混流生產(chǎn).

機(jī)車廠根據(jù)產(chǎn)品訂單，做出了相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃.對于最大日產(chǎn)量和基本日產(chǎn)量均有兩個方案，分別為:

方案1:最大日產(chǎn)量，每天生產(chǎn)3臺城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架、2臺動車機(jī)車轉(zhuǎn)向架、1臺內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架.

方案2:最大日產(chǎn)量，每天生產(chǎn)3臺城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架、2臺電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架、1臺內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架.

方案3:基本日產(chǎn)量，每天生產(chǎn)2臺城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架、1臺動車機(jī)車轉(zhuǎn)向架、1臺內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架.

方案4:基本日產(chǎn)量，每天生產(chǎn)2臺城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架、1臺電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架、1臺內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架.

表1是在不同生產(chǎn)計(jì)劃下產(chǎn)品主要部件的需求量及生產(chǎn)過程中各在制品的產(chǎn)量.由表1可以看出機(jī)車廠產(chǎn)品數(shù)量較大，一年中分批地制造相同的產(chǎn)品，是成批生產(chǎn).

表1 在生產(chǎn)計(jì)劃下產(chǎn)品主要部件的需求量 個

3.2 轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)工藝流程

車輪和車軸是生產(chǎn)各種型號轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的關(guān)鍵零件，本文以車軸生產(chǎn)線為例進(jìn)行分析.

車軸的生產(chǎn)流程如圖2所示.

根據(jù)該機(jī)車廠的轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的工序流程表，車軸生產(chǎn)線中深孔加工工序的加工時間為180min，由1臺車軸深孔鉆床加工.其余工序的加工時間如圖2所示，各工序的加工設(shè)備表略.

圖2 車軸的生產(chǎn)流程圖

3.3 轉(zhuǎn)向架工期計(jì)算

機(jī)車廠班制安排分為三種:工時以7.5 h為一個班次;工時大于7.5 h小于15 h，按兩班制進(jìn)行排班;工時大于15 h小于24 h，按三班制進(jìn)行排班.

如表1所示，在基本日產(chǎn)量下需要20個車軸.車軸加工采用平行移動的方法，需要經(jīng)過探傷、滾壓、軸端加工，外圓磨床等14個步驟.將生產(chǎn)線分為兩個階段，所有零件采用平行移動方式.第一階段從探傷工序開始，滾壓工序結(jié)束，所需加工時間620 min.第二階段從外圓磨床開始，存放工序結(jié)束，所需加工時間655 min.合計(jì)完成20個車軸加工周期為2天.其它部件生產(chǎn)線的加工周期計(jì)算方法相同.

對于基本日產(chǎn)量生產(chǎn)計(jì)劃，即方案4的情況，每日完成2臺城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架，1臺電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架，1臺內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)，應(yīng)以生產(chǎn)2臺城軌機(jī)車轉(zhuǎn)向架工期為準(zhǔn)，分為9段工序流程，生產(chǎn)周期為9天，相應(yīng)的工期甘特圖如圖3所示.按最大日產(chǎn)量的方案1、2，其加工周期均為11天.

圖3 轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品生產(chǎn)工期的甘特圖

4 基于Anylogic軟件的仿真分析

4.1 基于Anylogic軟件仿真建模

當(dāng)系統(tǒng)能夠很自然地被描述為一個操作序列時，應(yīng)該使用離散事件建模.運(yùn)用Anylogic仿真軟件對轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃進(jìn)行離散事件仿真建模，實(shí)現(xiàn)仿真過程.

轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)流程的仿真模型如圖4所示.

運(yùn)用Anylogic軟件基于離散事件建模.以車軸加工為例，調(diào)用source模塊，實(shí)現(xiàn)原材料車軸在仿真模型里的生成.調(diào)用queue模塊，實(shí)現(xiàn)物料排隊(duì)依次等待加工的邏輯.調(diào)用delay模塊，模擬第一道工序磁粉探傷，延遲時間定義為40 min.調(diào)用Seize模塊，表示資源的調(diào)用.調(diào)用conveyor模塊，表示物料的傳送過程.在conveyor模塊之后，插入release模塊，表示移動結(jié)束后即釋放該資源.在軸端加工工序完成后，調(diào)用seize模塊，利用桁架機(jī)械手資源.調(diào)用conveyor模塊，將物料運(yùn)送至下一工位.調(diào)用release模塊，釋放之前資源.調(diào)用sink模塊，該段邏輯流程結(jié)束.仿真建模邏輯流程圖以磁粉探傷至軸端加工邏輯流程圖為例，如圖5所示.

圖4 生產(chǎn)流程的仿真模型圖

圖5 磁粉探傷至軸端加工邏輯流程圖

4.2 生產(chǎn)流程仿真及評價指標(biāo)計(jì)算

4.2.1 日產(chǎn)量仿真評價

根據(jù)機(jī)車廠的最大日生產(chǎn)計(jì)劃方案4，車軸的最大日產(chǎn)量為30，車輪的日產(chǎn)量為60.其余生產(chǎn)計(jì)劃經(jīng)過Anylogic軟件仿真分析，仿真結(jié)果和理論計(jì)算完全一致，均能完成生產(chǎn)計(jì)劃.車軸及車輪的最大日產(chǎn)量仿真結(jié)果如圖6所示.

圖6 生產(chǎn)計(jì)劃方案4的車軸及車輪日產(chǎn)量仿真

4.2.2 設(shè)備忙閑率

在轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中，設(shè)備平均忙閑率介于［0，0.5)之間為空閑狀態(tài)，用A表示.設(shè)備平均忙閑率介于［0.5，0.8)之間為正常工作狀態(tài)，用B表示.設(shè)備平均忙閑率介于［0.8，1］之間為繁忙狀態(tài)，用C表示.設(shè)備忙閑率不能超過100%.機(jī)車廠部分設(shè)備的仿真忙閑率如表2所示.

由表2可知，在最大日產(chǎn)量條件下，龍門加工中心、車輪打標(biāo)清洗機(jī)、加工車輪鉆床和AGV等設(shè)備均處于繁忙工作狀態(tài)，這些設(shè)備是整條生產(chǎn)線的瓶頸設(shè)備，可以考慮增加相應(yīng)設(shè)備數(shù)量.

表2 部分設(shè)備仿真忙閑率

4.2.3 在制品存放區(qū)比例

存放比例方面，基本日產(chǎn)量條件下，車軸加工存放區(qū)可以滿足存放要求，車輪至靜平衡前的存放區(qū)不能滿足存放需求.在最大日產(chǎn)量條件下，車輪至精車B前存放區(qū)、車輪至龍門前存放區(qū)、車輪至靜平衡前存放區(qū)、構(gòu)架至翻轉(zhuǎn)前存放區(qū)、輪對至跑合前存放區(qū)、電機(jī)跑合后存放區(qū)不能滿足存放需求.基本日產(chǎn)量條件下存放區(qū)的存放狀態(tài)如表3所示.

表3 基本日產(chǎn)量下的存儲狀態(tài)

4.3 仿真評價及建議

根據(jù)機(jī)車廠的最大日生產(chǎn)計(jì)劃，車軸、車輪、轉(zhuǎn)向架等產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃經(jīng)Anylogic軟件仿真分析，其仿真結(jié)果和理論計(jì)算完全一致，均能完成生產(chǎn)計(jì)劃.

部分工序及設(shè)備處于繁忙狀態(tài)，如龍門加工中心、車輪打標(biāo)清洗機(jī)、加工車輪鉆床和AGV設(shè)備等，可以考慮增加設(shè)備數(shù)量以應(yīng)對產(chǎn)量增加.

結(jié)合時間最優(yōu)和距離最優(yōu)原則，就近調(diào)用資源，可以使得資源利用更合理充分.優(yōu)化原有仿真模型中的AGV轉(zhuǎn)運(yùn)車的資源調(diào)用情況，在仿真模型車輪加工生產(chǎn)線中，結(jié)合位置布局和生產(chǎn)加工時間，分工序分別設(shè)置資源池，分別配置AGV，就近調(diào)用.經(jīng)過仿真分析，模型中車輪加工生產(chǎn)線共設(shè)置7臺AGV，AGV設(shè)備不會一直處于繁忙狀態(tài)，也不會限制其它設(shè)備生產(chǎn).

通過對存放區(qū)的分析，在基本日產(chǎn)量下應(yīng)該增大車輪至靜平衡前的存放區(qū)容積，最大日產(chǎn)量下應(yīng)該增大車輪至精車B前存放區(qū)、車輪至龍門前存放區(qū)、車輪至靜平衡前存放區(qū)、構(gòu)架至翻轉(zhuǎn)前存放區(qū)、輪對至跑合前存放區(qū)、電機(jī)跑合后存放區(qū)的面積.

5 結(jié)論

對轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的生產(chǎn)流程優(yōu)化方面進(jìn)行考慮，著重考慮耗時較長的生產(chǎn)線，然后對其進(jìn)行分割處理，形成平行生產(chǎn).然后運(yùn)用Anylogic軟件構(gòu)建模型進(jìn)行仿真分析，探索平行生產(chǎn)的可能性與不足.最后，通過對轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)流程優(yōu)化前后的工期、設(shè)備忙閑率、存儲比例進(jìn)行對比，以此來驗(yàn)證所選用優(yōu)化方法的合理性.

綜上所述，通過對轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、提高了生產(chǎn)效率，驗(yàn)證了Anylogic仿真軟件在工業(yè)工程中解決生產(chǎn)流程優(yōu)化問題時的可實(shí)施性和適用性.