基于Plant simulation的城際動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線仿真技術(shù)研究

中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529100

生產(chǎn)線仿真技術(shù)作為數(shù)字化制造技術(shù)的核心技術(shù)之一，結(jié)合最優(yōu)化計(jì)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，現(xiàn)已成為制造企業(yè)解決和分析生產(chǎn)過程中制約生產(chǎn)效率問題的主要技術(shù)手段，在生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)物流運(yùn)行控制、供應(yīng)鏈管理、作業(yè)排序、資源分配與生產(chǎn)效率的提高等方面都發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。

韓曉東等[2]運(yùn)用Plant Simulation軟件及提供的模塊建立了發(fā)動(dòng)機(jī)檢測生產(chǎn)線的仿真模型，并對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力得到了提高。鄭楠等[3]建立了基于Plant Simulation的智能制造測試床仿真模型，并將仿真結(jié)果用于指導(dǎo)智能制造測試床的建設(shè)和優(yōu)化。孫智超等[4]利用Plant Simulation仿真軟件，建立某汽車生產(chǎn)線BDC區(qū)域的系統(tǒng)仿真模型，并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行瓶頸分析、設(shè)備利用率等分析為生產(chǎn)計(jì)劃制訂及生產(chǎn)調(diào)度提供了科學(xué)依據(jù)。鄧嘯塵等[5]以船廠平直車間為研究對(duì)象、以縮短車間生產(chǎn)平面分段的最大流程時(shí)間為目標(biāo)，使用Plant Simulation 對(duì)平面分段的生產(chǎn)制造流程進(jìn)行模擬仿真，并基于仿真結(jié)果使用內(nèi)置遺傳算法功能模塊對(duì)分段生產(chǎn)順序進(jìn)行優(yōu)化處理，達(dá)到了縮短最大流程時(shí)間的目的。

文章將Plant Simulation仿真軟件用于城際動(dòng)車組整車生產(chǎn)線仿真建模，全面模擬生產(chǎn)實(shí)施過程，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度與仿真的優(yōu)化，根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，調(diào)整實(shí)際生產(chǎn)線，以達(dá)到縮短生產(chǎn)線工序節(jié)拍數(shù)、調(diào)整生產(chǎn)線人員配置、提高實(shí)際生產(chǎn)效率的目的。

1 動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線仿真分析流程

對(duì)某城際動(dòng)車組整車生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)分析流程如圖1所示。具體步驟如下：

圖1 城際動(dòng)車組整車生產(chǎn)線系統(tǒng)分析流程圖

（1）系統(tǒng)描述及生產(chǎn)線約束條件。對(duì)城際動(dòng)車組整車生產(chǎn)線進(jìn)行仿真建模，最主要的建模對(duì)象是生產(chǎn)工序及工作人員工種及數(shù)量。

（2）數(shù)據(jù)收集及確認(rèn)。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線建模時(shí)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集與整理尤為重要，數(shù)據(jù)的正確與否對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性及實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)有著至關(guān)重要的影響，因此在前期的準(zhǔn)備工作中要仔細(xì)收集和整理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，剔除無用數(shù)據(jù)。

（3）基于Plant simulation構(gòu)建實(shí)物仿真模型。根據(jù)系統(tǒng)描述及生產(chǎn)線約束條件，實(shí)際生產(chǎn)中確定生產(chǎn)線的工臺(tái)、工序推移圖及工位節(jié)拍數(shù)，建立動(dòng)態(tài)生產(chǎn)線仿真模擬系統(tǒng)。

（4）仿真運(yùn)行及分析。觀察生產(chǎn)線在不同的數(shù)據(jù)輸入下（如工人數(shù)量）及仿真機(jī)制下的響應(yīng)情況，研究系統(tǒng)輸出結(jié)果與可控制參數(shù)之間相互影響的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)生產(chǎn)線運(yùn)行過程中影響系統(tǒng)效能的瓶頸部分以及形成瓶頸的原因。

（5）基于遺傳算法的生產(chǎn)線的優(yōu)化。針對(duì)仿真分析中動(dòng)車組生產(chǎn)線出現(xiàn)的不合理部分，采用優(yōu)化算法對(duì)生產(chǎn)線的工臺(tái)及工序推移圖進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、優(yōu)化生產(chǎn)線人員配置、提高產(chǎn)量等目的。

2 動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線建模

（1）動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線建模約束條件。某車型城際動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線共有250個(gè)工序，需要對(duì)此原有工序進(jìn)行生產(chǎn)裝配平衡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少整車的總裝時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。生產(chǎn)工序存在關(guān)鍵路徑的先后裝配關(guān)系在優(yōu)化工程中因車輛結(jié)構(gòu)決定，是不能改變的。工序時(shí)間、需要的工人數(shù)在優(yōu)化中可調(diào)整。原有總裝生產(chǎn)線共有23個(gè)節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍為1d作業(yè)時(shí)間，整條流水線占用23個(gè)臺(tái)位，其中每個(gè)臺(tái)位需包含如下參數(shù)：工種、工作時(shí)間以及人員調(diào)配。其中，可調(diào)參數(shù)為工作時(shí)間、人員調(diào)配。工作人員的工種分為電工、鉗工和管道工三種。因?yàn)榭臻g有限，所以必須保證單個(gè)臺(tái)位上同時(shí)工作的工人數(shù)不應(yīng)過多。部分工序之間存在嚴(yán)格的先后約束，有些工序之間不存在先后約束關(guān)系。在滿足上述約束的情況下，制訂所需臺(tái)位數(shù)較少的調(diào)度方案。

（2）動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線仿真模型建立。根據(jù)動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線提供的原始信息，通過以上分析，充分利用Plant Simulation中提供的各種資源，建立仿真模型如圖2所示。建立模型過程中，假定以下理想狀態(tài)，即假定條件1：①原料及備料區(qū)零件充足；②投料節(jié)拍與工序時(shí)間同步，不考慮原料在工序的運(yùn)輸時(shí)間；③總裝生產(chǎn)線開始工作時(shí)，各工序狀態(tài)為空。

圖2 動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線仿真模型圖

3 動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線仿真分析

3.1 仿真模型分析

在Plant Simulation建立好的模型中，通過仿真控制器EventController開始仿真，工人工作狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析圖如圖3所示。首先根據(jù)動(dòng)車組總裝生產(chǎn)線仿真模型建立假定條件1的生產(chǎn)狀態(tài)下，假定每個(gè)工臺(tái)中的工人數(shù)沒有限制。在此條件下，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真運(yùn)行并觀察仿真結(jié)果。在一個(gè)完整的動(dòng)車車型的生產(chǎn)情況下，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，若嚴(yán)格按照每天8h工作制，則最長工序路徑需要18d（最緊湊方式），將249個(gè)工序從1到249編號(hào)，最長工序路徑為4→9→23→38→45→60→75→82→179→201→199→2 25→227→ 221→219→236→235→247→241。但在實(shí)際生產(chǎn)中，因場地不能同時(shí)容納太多人等限制，難以達(dá)到18d的生產(chǎn)周期。因此，需要根據(jù)實(shí)際工序的具體情況，采用優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)生產(chǎn)調(diào)度方案。

圖3 工人工作狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析圖

3.2 總裝生產(chǎn)線優(yōu)化結(jié)果

對(duì)于所有249個(gè)工序的調(diào)度問題，使用遺傳算法進(jìn)行調(diào)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮如下實(shí)驗(yàn)情況：每個(gè)工臺(tái)上最長操作時(shí)間不超過8h，每個(gè)工臺(tái)上所有工人的總數(shù)不能超過25人、27人和30人。種群數(shù)為50，迭代50000次，運(yùn)行5次后取最好結(jié)果，得出工臺(tái)最大工人數(shù)變化時(shí)優(yōu)化結(jié)果，如表1所示。

表1 工臺(tái)最大人數(shù)改變時(shí)優(yōu)化結(jié)果

從表1可以得出，隨著一個(gè)工臺(tái)允許的最大人數(shù)的增加，工臺(tái)總數(shù)量減少，即生產(chǎn)周期變短，使生產(chǎn)效率提升。工臺(tái)允許的最大工人數(shù)越大，整個(gè)生產(chǎn)過程所需要的總工人數(shù)也會(huì)隨之增加，工人的空閑時(shí)間增多，對(duì)于工人的利用率降低。如果對(duì)工人總數(shù)敏感，可以接受增加工臺(tái)，選擇第一種方案；如果對(duì)于工臺(tái)數(shù)量敏感，可以接受工人數(shù)量的略微增大，選擇第三種方案；第二種方案的各項(xiàng)指標(biāo)處于另外兩種方案之間，既可提高工人的工作效率，又可相對(duì)縮短生產(chǎn)周期。

4 結(jié)束語

文章運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件Plant Simulation對(duì)城際動(dòng)車組整車生產(chǎn)線進(jìn)行仿真建模，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)運(yùn)行方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，使用仿真軟件有利于全面分析生產(chǎn)線，能夠顯著提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。