基于仿真的裝配生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李 揚(yáng) 丁順玉 何月杰 劉 巖 王 飛 康景麟

(首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

在全球競爭激烈的環(huán)境中，有效的工廠布局規(guī)劃對于控制制造業(yè)成本和時(shí)間是至關(guān)重要的[1]，特別是在面對多變的客戶需求和多品種小批量的產(chǎn)品需求時(shí)，實(shí)現(xiàn)制造的快速響應(yīng)是至關(guān)重要的[2]。工廠設(shè)施的合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)物料的快速流轉(zhuǎn)，縮短資源運(yùn)輸時(shí)間和產(chǎn)品生產(chǎn)周期[3]。同時(shí)，合理的設(shè)計(jì)設(shè)施布局還可有效降低平均制造成本，提高制造系統(tǒng)的運(yùn)行性能[4]。

作為一種提高制造系統(tǒng)性能的有效技術(shù)，仿真優(yōu)化受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。事實(shí)上，對于生產(chǎn)系統(tǒng)，通常采用離散事件模型來再現(xiàn)動態(tài)生產(chǎn)過程[5]。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，通常采用可實(shí)現(xiàn)物料流動的仿真模擬，進(jìn)行新生產(chǎn)線產(chǎn)能及生產(chǎn)效率估算或用于預(yù)測生產(chǎn)控制過程[6]。此外，仿真模擬通過確保所有生產(chǎn)要素都被考慮在內(nèi)，為決策者提供了可視化的幫助。該模型提供了生產(chǎn)流的圖形表示，顯示生產(chǎn)能力及生產(chǎn)瓶頸，并通過仿真方法進(jìn)行有效識別。當(dāng)生產(chǎn)線進(jìn)行安裝并正式運(yùn)行時(shí)，基本可再現(xiàn)仿真模擬結(jié)果[7]。

本文的目的是通過在Witness仿真平臺上構(gòu)建不同布局模式下的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行評估分析，得到最優(yōu)布局。筆者曾經(jīng)在此仿真環(huán)境下對公司不同生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)的功能性進(jìn)行驗(yàn)證，并通過仿真方法實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、確定瓶頸資源的目的。

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 離散事件仿真(DES)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

離散事件仿真(DES)是分析多品種小批量復(fù)雜制造系統(tǒng)的有效工具。此外，在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方面，可有效通過DES仿真分析的方法，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率[8]。

汽車、電子等生產(chǎn)制造行業(yè)已經(jīng)將仿真建模作為分析和改進(jìn)生產(chǎn)線性能的一種有效方法?；陔x散事件仿真(DES) 的建模優(yōu)化方式在復(fù)雜制造系統(tǒng)和裝配生產(chǎn)線得到了廣泛應(yīng)用。離散事件仿真(DES)采用概率分布的方法，對制造系統(tǒng)涉及的要素和變量進(jìn)行精確化建模，特別適合針對制造系統(tǒng)開展建模仿真工作[9]。同時(shí)，因生產(chǎn)線重建和修復(fù)是一個(gè)破壞性、昂貴、耗時(shí)的工作，在生產(chǎn)線建設(shè)前期，對生產(chǎn)線進(jìn)行可視化虛擬建模仿真可有效輔助管理人員理解生產(chǎn)線更改對制造系統(tǒng)的整體影響[10]。離散事件仿真(DES)在制造領(lǐng)域有很多應(yīng)用案例。Sharda和Akiya利用離散事件仿真(DES)在化工行業(yè)為不同類型的產(chǎn)品選擇延期或備貨策略[11]。周三玲[12]構(gòu)建了油氣分離器生產(chǎn)流程的Witness 仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況，對工藝流程進(jìn)行改善。Mehrai[13]等人對生產(chǎn)物流進(jìn)行建模，并對自動化加工對象進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。潘美榮[14]分析了非瓶頸站的加工時(shí)間波動對瓶頸站的影響，有助于調(diào)節(jié)加工工藝和提高系統(tǒng)的生產(chǎn)率。

1.2 生產(chǎn)流水線的U型布局

柔性生產(chǎn)是現(xiàn)代制造系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)有效的方式滿足定制化生產(chǎn)的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一。正如Miltenburg[15]所提到的，U型生產(chǎn)線不僅增加了生產(chǎn)線的靈活性和生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了生產(chǎn)線工人的操作技能。U型生產(chǎn)線配置示意圖如圖1所示。Ibrahim Kucukkoc[16]提出了一

種混合生產(chǎn)線配置方案，即平行U型裝配生產(chǎn)線，如圖2所示，其目的是最大限度地提高資源利用率，減少對勞動力的需求。平行U型裝配生產(chǎn)線建立了兩條U型生產(chǎn)線相互平行，多技能操作人員位于兩條生產(chǎn)線之間、可處理任一生產(chǎn)線生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)環(huán)境。

許多學(xué)者采用仿真的方法開展裝配生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)工作。陶俐言[17]等人利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對車間進(jìn)行三維布局設(shè)計(jì)及仿真模型構(gòu)建。Tiacci[18]描述了基于java的混合模型裝配線仿真，涉及隨機(jī)操作時(shí)間、并行工作站、固定調(diào)度序列和工作站之間的緩沖區(qū)；其仿真系統(tǒng)適用于直線型布局和U型布局生產(chǎn)線。Martinez和Bedia[19]提出了1個(gè)基于Witness平臺的模塊化程序，用于模擬U型裝配生產(chǎn)線。Baykoc[20]采用了1種改進(jìn)的啟發(fā)式方法，建立了1個(gè)U型洗衣機(jī)單一品種裝配系統(tǒng)的模型，在ARENA平臺上進(jìn)行仿真和分析。廖源泉[21]等人針對車間設(shè)施布局的物流費(fèi)用問題，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對優(yōu)化后的車間設(shè)施進(jìn)行三維可視化仿真，建立三維模型。

本文在Witness平臺上，依據(jù)某裝配生產(chǎn)線數(shù)據(jù)輸入，基于離散事件仿真(DES)建立了3種不同的仿真模型，分別為直線型布局裝配生產(chǎn)線仿真模型、U型布局裝配生產(chǎn)線仿真模型和平行U型布局裝配生產(chǎn)線仿真模型，并對3種仿真模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較和評價(jià)。在減少勞動力需求和設(shè)備負(fù)載均衡方面，平行U型布局裝配生產(chǎn)線仿真性能最佳，因此選擇平行U型布局裝配生產(chǎn)線布局模式作為生產(chǎn)線的解決方案。

2 裝配線描述

本文選擇了某裝配生產(chǎn)線的一類典型零件開展仿真模型建立工作，該零件的加工工藝流程如圖3所示。

該類零件共有4種不同的零件產(chǎn)品，其中3種產(chǎn)品涉及10道工序， 1種產(chǎn)品有9道工序(虛線框中的傳動支架鉚接工序除外)，如圖3所示。該類零件生產(chǎn)加工在兩條生產(chǎn)線上完成，每條生產(chǎn)線有15臺設(shè)備。為了保證生產(chǎn)平衡順利進(jìn)行，某些工序的零件加工需要在2～3臺設(shè)備上同時(shí)進(jìn)行。

本文基于Witness仿真平臺，對直線型生產(chǎn)線布局、U型生產(chǎn)線布局和平行U型生產(chǎn)線布局分別開展模擬仿真工作，提出了一種減少勞動力需求、消除生產(chǎn)線瓶頸的布局設(shè)計(jì)方案，避免出現(xiàn)物料在單臺設(shè)備前出現(xiàn)堆積而后續(xù)資源需要等它加工的部件才能開工的情況。

3 基于Witness平臺的仿真模型構(gòu)建

圖4為基于Witness平臺的仿真架構(gòu)解決方案。整個(gè)架構(gòu)體系包含4個(gè)步驟內(nèi)容：模型輸入、3種不同布局形式的仿真模型、仿真數(shù)據(jù)分析及結(jié)論建議。仿真模型輸入數(shù)據(jù)共涉及生產(chǎn)計(jì)劃、工藝路線、工序加工時(shí)間、人員班次和零件隨機(jī)到達(dá)批次5個(gè)方面內(nèi)容。生產(chǎn)計(jì)劃涉及零件圖號及名稱、生產(chǎn)數(shù)量、開工時(shí)間和完工時(shí)間等信息；工藝路線按照零件加工工藝流程和涉及的設(shè)備進(jìn)行輸入；工序加工時(shí)間按照影響因子σ=0.2的正態(tài)曲線分布；人員班次根據(jù)仿真結(jié)果按照兩班倒或者三班倒開展；裝配生產(chǎn)線上的零件批次到達(dá)時(shí)間按隨機(jī)因子λ=0.3的泊松分布進(jìn)行仿真模型的設(shè)計(jì)工作。

仿真模型在數(shù)據(jù)輸入的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建，借助3種不同的布局方式，建立3種不同的仿真模型；從操作人員數(shù)量、機(jī)床生產(chǎn)效率、堵塞時(shí)間、操作人員生產(chǎn)效率、產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)品投入和產(chǎn)出比、產(chǎn)線柔性等多方面對生產(chǎn)線的優(yōu)劣進(jìn)行分析和評估；從實(shí)現(xiàn)設(shè)備負(fù)載平衡、操作人員數(shù)量減少、生產(chǎn)效率提高、柔性生產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)性等方面選擇合適的裝配生產(chǎn)線布局。

4 仿真結(jié)果分析和評估

研究工作針對上述3種典型的布局方式建立仿真模型并開展仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)周期為7個(gè)工作日(按照兩班制計(jì)算)。因文章篇幅限制，本文僅在表1中給出了直線型布局裝配生產(chǎn)線的詳細(xì)仿真結(jié)果。3種布局仿真結(jié)果在產(chǎn)品產(chǎn)出、機(jī)床平均生產(chǎn)效率、操作人員數(shù)量、操作人員平均生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線最長堵塞時(shí)間的比較如表2所示。

表1 現(xiàn)有直線裝配線設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

從表1所示的仿真模型的結(jié)果可以看出，零件和機(jī)器的操作分布并不完全平衡。與第二條直線型布局裝配生產(chǎn)線鏜孔工序相比，第一條直線型布局裝配生產(chǎn)線鏜孔工序的機(jī)床生產(chǎn)效率、勞動者生產(chǎn)效率和產(chǎn)品堵塞時(shí)間過高。這種情況會導(dǎo)致產(chǎn)品半成品供應(yīng)不足，從而可能導(dǎo)致其他生產(chǎn)線操作員的工作負(fù)荷不足。

表2 3種布局的仿真結(jié)果比較

由表2和圖5可知，平行U型布局裝配生產(chǎn)線仿真結(jié)果最優(yōu)。與直線型布局和U型布局相比，平行U型布局裝配生產(chǎn)線有效提高了機(jī)床的平均生產(chǎn)效率和操作人員平均生產(chǎn)效率，同時(shí)有效減少了操作者數(shù)量和最長阻塞時(shí)間。在平行U型布局裝配生產(chǎn)線模式下，多技能操作者和機(jī)床采用集中管理、統(tǒng)一調(diào)配的生產(chǎn)模式。同時(shí)，隨著操作人員數(shù)量的減少，平行U型布局裝配生產(chǎn)線的成本消耗和管理難度均隨之降低，生產(chǎn)線的設(shè)置也更加靈活。

仿真實(shí)驗(yàn)表明，生產(chǎn)實(shí)踐最佳的解決方案不僅與生產(chǎn)線布局有關(guān)，而且與設(shè)備的均衡負(fù)載、操作人員數(shù)量減少和管理方式優(yōu)化息息相關(guān)。

5 結(jié)語

生產(chǎn)線布局是整個(gè)生產(chǎn)加工鏈條的重要組成部分。生產(chǎn)線布局的轉(zhuǎn)變代表著管理游戲規(guī)則的改變。在生產(chǎn)線布局的背后，需要管理人員在生產(chǎn)管理和人員管理上做出相應(yīng)的改變；否則，換湯不換藥，無法達(dá)到生產(chǎn)線提高生產(chǎn)效率、大幅度減少操作人員的目的。

本文在Witness仿真平臺上對某裝配生產(chǎn)線進(jìn)行了布局設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。在相同的仿真數(shù)據(jù)輸入條件下，建立了直線型布局、U型布局、平行U性布局這3種不同的仿真模型，并得到與之對應(yīng)的3種仿真結(jié)果。通過對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，得出滿足降低勞動力需求和解決瓶頸問題的平行U型布局裝配生產(chǎn)線是最佳布局方式。通過具體的實(shí)例仿真結(jié)果分析，證明了利用Witness仿真環(huán)境不僅可為現(xiàn)有生產(chǎn)線運(yùn)行有效性提供建議，并且在生產(chǎn)線初始創(chuàng)建和設(shè)計(jì)中也是行之有效的。