面向智能制造技術(shù)的綠色汽車裝配線布局仿真與分析

郭 笛

（大連東軟信息學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

綠色汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和宏大愿景的一個(gè)重要組成部分，其中裝配線工藝流程中運(yùn)用AGV、機(jī)械手等進(jìn)行智能化改造能夠大大提升裝配過(guò)程的自動(dòng)化，降低勞動(dòng)成本，提高綠色汽車生產(chǎn)效率。裝配線布局是裝配線設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，需要參考設(shè)備布置、動(dòng)力設(shè)置、區(qū)域劃分及運(yùn)輸路徑等多重因素，是困擾綠色汽車產(chǎn)業(yè)動(dòng)能轉(zhuǎn)換及智能化升級(jí)的難題之一。

現(xiàn)有的研究在裝配線規(guī)劃問(wèn)題上已經(jīng)取得了豐碩成果，但是仍有一些問(wèn)題需要擴(kuò)大深度或廣度：一是裝配線的規(guī)劃涉及到多種復(fù)雜因素，難以通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解，可以嘗試借助系統(tǒng)化離散型的仿真工具對(duì)裝配線進(jìn)行仿真模擬；二是裝配線的布局是與工藝流程緊密相關(guān)的業(yè)務(wù)模塊，但是相對(duì)研究較少，缺乏足夠的基礎(chǔ)理論資料；三是運(yùn)用仿真工具運(yùn)行后針對(duì)數(shù)據(jù)的分析多以主觀分析為主，缺乏與定量方法相結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)分析流程。因此，鑒于現(xiàn)有研究的情況和發(fā)展需求，本文在分析綠色汽車裝配流程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次Petri網(wǎng)建立裝配流程作業(yè)靜態(tài)仿真模型，根據(jù)映射規(guī)則將其轉(zhuǎn)化為FlexSim動(dòng)態(tài)仿真，并運(yùn)用定量化分析工具分析仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果，以期解決綠色汽車裝配線布局規(guī)劃問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

CW公司是一家電動(dòng)車生產(chǎn)制造企業(yè)，目前，電動(dòng)車的裝配過(guò)程主要以人工為主，每道工序需要的零部件從生產(chǎn)、篩選到原料倉(cāng)，再到線上轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配等一系列的重復(fù)工作需要大量的勞動(dòng)力，造成較高的人工和管理成本。而且，由于人工素質(zhì)參差不齊導(dǎo)致裝配生產(chǎn)線相對(duì)不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較低，且出錯(cuò)率較高。為了解決這些問(wèn)題，該公司擬采用自動(dòng)化的裝配生產(chǎn)線，引入AGV小車進(jìn)行物料的輸送、搬運(yùn)，引入自動(dòng)化傳送帶完成工序間料件的轉(zhuǎn)運(yùn)，引入機(jī)械手完成部分自動(dòng)組裝和檢測(cè)。然而，裝配線該如何布局是該公司亟待解決的問(wèn)題之一。

常見的裝配線布局有直線型、直角型、U型、S型四種。每種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用的情況。其中，直線型作為最簡(jiǎn)單的一種布局方式，會(huì)顯著的增加物流成本，已經(jīng)基本被淘汰；直角型對(duì)空間的利用率有限，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車裝配這種復(fù)雜流程對(duì)于空間的要求。因此，本文在研究中主要以U型和S型兩種布局方式作為對(duì)照研究對(duì)象，分析CW電動(dòng)汽車制造公司最適用的布局。

2 裝配工藝層次Petri網(wǎng)模型構(gòu)建

2.1 裝配工藝流程

由于綠色汽車多采用電能新能源，與傳統(tǒng)燃油車相比，在動(dòng)力總成部分，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝、油管油箱安裝、加注機(jī)油等工序，增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝、電池安裝、高壓線束安裝等工序。雖然從裝卸工藝上來(lái)說(shuō)，這些改變不會(huì)對(duì)綠色汽車的總裝工藝產(chǎn)生很大的影響。但是，在工作站進(jìn)行布置時(shí)，需要增加驅(qū)動(dòng)電池裝配工作站和快速充電工作站，并為工作站配備專用的物流通道。

2.2 層次Petri網(wǎng)模型

2.3 建立綠色汽車裝配層次Petri網(wǎng)模型

在調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合裝配的工藝流程，構(gòu)建了頂層、第二層、第三層Petri網(wǎng)模型，如圖1所示。各層網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)庫(kù)所、變遷代表的含義見表1。

表1 層次Petri網(wǎng)模型各層庫(kù)所、變遷含義

圖1 綠色汽車裝配層次Petri網(wǎng)模型

3 基于FlexSim的裝配線布局建模仿真

3.1 基于裝卸工藝的布局方案

在明確裝卸工藝流程的基礎(chǔ)上，根據(jù)CW公司裝配車間的面積情況，將裝配車間劃分為空車身放置區(qū)、大物放置區(qū)、小物放置區(qū)、內(nèi)飾線裝配區(qū)、底盤線裝配區(qū)、質(zhì)檢線裝配區(qū)等主要作業(yè)區(qū)域，并為AGV小車等留置專門的充電區(qū)和行走通道。其中，各個(gè)裝配作業(yè)區(qū)根據(jù)裝配流程設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)數(shù)量的作業(yè)工位供機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)組裝。根據(jù)調(diào)研情況，主要為CW公司設(shè)計(jì)了U 型和S 型兩種初步布局方案，分別如圖2和圖3所示。

圖2 U型布局設(shè)計(jì)

圖3 S型布局設(shè)計(jì)

3.2 Petri網(wǎng)與FlexSim映射規(guī)則

層次Petri網(wǎng)是一種靜態(tài)仿真模型，不能實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)仿真和分析，因此需要運(yùn)用FlexSim 軟件在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)兩個(gè)軟件之間的映射規(guī)則建立動(dòng)態(tài)仿真模型，映射規(guī)則為：

（1）層次Petri網(wǎng)中常用的表示狀態(tài)或場(chǎng)所的庫(kù)所可以對(duì)應(yīng)FlexSim 中的發(fā)生器、吸收器、暫存區(qū)、貨架等實(shí)體。

（2）層次Petri網(wǎng)中常用的表示事件或活動(dòng)的變遷可以對(duì)應(yīng)FlexSim 中的處理器、分解器、合成器、機(jī)器人等實(shí)體。

（3）層次Petri網(wǎng)中有向弧與FlexSim 中的連接方式A對(duì)應(yīng)，表示產(chǎn)品或者信息的流轉(zhuǎn)方向。為了實(shí)現(xiàn)工序間的流轉(zhuǎn)，還可以借助FlexSim中的傳送帶、機(jī)器人、叉車等運(yùn)輸工具。

3.3 FlexSim建模仿真

以裝配100臺(tái)純電動(dòng)車為研究對(duì)象，將所需要的大物原材料、小物原材料、空車身等通過(guò)BOM（物料清單）的統(tǒng)計(jì)情況分別經(jīng)發(fā)生器按照時(shí)間間隔1s源源不斷的產(chǎn)生，以滿足裝配線的正常運(yùn)行。每道安裝工序機(jī)械手的操作時(shí)間通過(guò)預(yù)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)算，并根據(jù)現(xiàn)有情況安排的機(jī)械手?jǐn)?shù)量通過(guò)任務(wù)分配器調(diào)用。根據(jù)裝配車間的面積實(shí)際數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類的實(shí)體進(jìn)行仿真，設(shè)定各區(qū)域的具體位置和AGV的運(yùn)行路線。

此外，設(shè)定AGV初始位置在充電區(qū)，AGV機(jī)器人最大速度2m/s，加速1m/s，減速1m/s。物料暫存區(qū)的貨架容量為10 000 000件。

4 基于TOPSIS法的仿真布局結(jié)果分析

4.1 TOPSIS法選擇

根據(jù)兩種布局方案分別運(yùn)行模型，得到平均堵塞時(shí)間、平均加工時(shí)間、平均閑置時(shí)間等主要數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)CW公司的專家組調(diào)研，賦予3組數(shù)據(jù)不同的權(quán)重，見表2。

表2 兩種布局方案的數(shù)據(jù)及權(quán)重

TOPSIS法又稱為理想解法，能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距，適用于解決多指標(biāo)問(wèn)題。該公司的兩個(gè)布局方案有多個(gè)指標(biāo)需要衡量，可以借助TOPSIS法找到接近正理想解，遠(yuǎn)離負(fù)理想解的最優(yōu)方案。

4.2 具體分析

（1）用向量規(guī)范法求解規(guī)范化矩陣b

根據(jù)式（1）對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，得到結(jié)果見表3。

表3 規(guī)范化數(shù)據(jù)以及權(quán)重

（2）構(gòu)造加權(quán)規(guī)范矩陣X。

根據(jù)式（2）可得矩陣X：

（3）確定正理想解和負(fù)理想解

根據(jù)式（3）和式（4）可得理想解X*和負(fù)理想解X。

（4）計(jì)算各方案到正理想解與負(fù)理想解距離

各方案到正理想解的距離為：

各方案到負(fù)理想解的距離為：

（5）確定兩個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

根據(jù)式（5）-式（7）得到兩個(gè)方案到正理想解和負(fù)理想解的距離，見表4。

表4 距離數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決CW公司的綠色汽車裝配線布局規(guī)劃問(wèn)題，本文首先根據(jù)公司運(yùn)作的現(xiàn)狀，尤其是純電動(dòng)車裝配生產(chǎn)流程，劃分出作業(yè)單元模塊，運(yùn)用Petri網(wǎng)構(gòu)建靜態(tài)模型，根據(jù)Petri網(wǎng)與FlexSim的映射規(guī)則，將靜態(tài)模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)可視化仿真模型，對(duì)CW公司擬采用的U型和S型兩種布局方式進(jìn)行仿真建模分析，得出相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。進(jìn)而采用TOPSIS方法對(duì)平均堵塞時(shí)間、平均加工時(shí)間、平均閑置時(shí)間三項(xiàng)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了最適合CW公司現(xiàn)狀的為U型布局方式。但是，本文在研究裝配線布局問(wèn)題時(shí)主要考慮裝配作業(yè)流程，尚未把裝配線的節(jié)拍、裝配線的設(shè)備數(shù)量?jī)?yōu)化等問(wèn)題考慮在內(nèi)，缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃，如何運(yùn)用系統(tǒng)論的思想解決綠色汽車裝配線一體化問(wèn)題，具有更強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，是后續(xù)研究的主要方向。