基于F公司現(xiàn)有生產(chǎn)線的仿真及優(yōu)化

王輝

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

基于F公司現(xiàn)有生產(chǎn)線的仿真及優(yōu)化

王輝

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

應(yīng)用Flexsim仿真軟件，對F公司實(shí)際的汽車零部件生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，分析仿真數(shù)據(jù)并結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)際狀況，以解決生產(chǎn)瓶頸、生產(chǎn)平衡和提高效率為優(yōu)化目的，確定生產(chǎn)線優(yōu)化方案，根據(jù)條件判斷優(yōu)化方案的可行性。

Flexsim仿真；零部件生產(chǎn)線；優(yōu)化

0 引言

制造業(yè)生產(chǎn)線優(yōu)化方法種類繁多，每種方法都有不同的側(cè)重點(diǎn)。近年來生產(chǎn)線優(yōu)化問題已經(jīng)成了當(dāng)今的熱門話題，研究的方法和方向也多種多樣。H Pierreval等[1]則采用遺傳算法求解生產(chǎn)線的優(yōu)化問題；Matthias Amen[2]采用一種精確回溯優(yōu)化方法研究了面向成本的裝配線；Patrick和Oh[3]借助于啟發(fā)式的優(yōu)化算法來解決這一問題；John Miltenburg[4]采用動態(tài)規(guī)劃算法研究了JIT生產(chǎn)模式下U形生產(chǎn)線車間的平衡和再平衡問題。Dilip Chhajed、M M D Hassan和S S Heragu等[5]應(yīng)用優(yōu)化算法研究生產(chǎn)線模型也取得了一定的成果。B Montreuil等[6]在基本模型的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮時(shí)間因素研究動態(tài)布局優(yōu)化問題；M J Rosenblatt等[7]在基本模型的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮了生產(chǎn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定因索來探究隨機(jī)布局優(yōu)化問題；B.Malakooti等[8]建立多個(gè)評價(jià)指標(biāo)目標(biāo)函數(shù)來探討裝焊生產(chǎn)車間多目標(biāo)布局優(yōu)化問題。P S Welgama等[9]討論了流水線的布局問題。Panagiotis Kouvelis等[10]討論了單元化生產(chǎn)系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今應(yīng)用仿真技術(shù)解決該類問題也取得了一定的成果。

文中主要根據(jù)F公司的實(shí)際情況，對該公司的生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。借助Flexsim軟件對公司的生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝對該公司生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。

1 某公司簡介

F公司在中國擁有35個(gè)生產(chǎn)基地。公司在上海開設(shè)了技術(shù)中心，承擔(dān)從CAD制圖到模型測試的全系列產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)工作。F公司北京工廠成立于2012年8月，目前主要產(chǎn)品為CVE(商用車)排氣系統(tǒng)。

當(dāng)高溫汽車尾氣通過凈化裝置時(shí)，催化器中的凈化劑將增強(qiáng)CO、HC和NOx3種氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化還原反應(yīng)，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的CO2；HC化合物在高溫下氧化成水(H2O)和CO2氣體；NOx還原成為氮?dú)夂脱鯕狻?種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。

歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)將于2014年開始實(shí)施，明確了極其嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn):<80 mg/km。北美Tier 2Bin 5拍排放標(biāo)準(zhǔn)的要求更為嚴(yán)格:<44 mg/km。對生產(chǎn)線的要求也提高了很多，生產(chǎn)線的優(yōu)化也是該公司迫在眉睫的首要任務(wù)。

2 Flexsim軟件仿真流程

建模流程[11]如下：

(1)定義仿真研究的目的。通過明確仿真研究的目的可以使未來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研和建模時(shí)抓住重點(diǎn)，而不是面面俱到、浪費(fèi)時(shí)間，甚至偏離系統(tǒng)研究方向。

(2)收集數(shù)據(jù)、建立概念模型。研究現(xiàn)有系統(tǒng)(或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng))，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，理解系統(tǒng)運(yùn)作的流程，在此基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的概念模型。概念模型通常以圖形表示系統(tǒng)運(yùn)作流程，便于理解和交流。

(3)建立計(jì)算機(jī)仿真模型。一旦概念模型通過審核，就可以利用仿真軟件根據(jù)概念模型建立計(jì)算機(jī)仿真模型。

(4)模型校核與驗(yàn)證。模型校核是考查計(jì)算機(jī)仿真模型是否按照預(yù)先設(shè)想的情況運(yùn)行，是否真實(shí)描述了概念模型。

(5)試驗(yàn)運(yùn)行和結(jié)果分析。運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行結(jié)果分析。

根據(jù)優(yōu)化方案確定仿真模型，經(jīng)過仿真得出仿真數(shù)據(jù)，再分析數(shù)據(jù)確定優(yōu)化方案。具體仿真流程見圖1。

3 工藝流程

F公司的廠房由9條生產(chǎn)線組成，其中樣件線只生產(chǎn)SOP前的產(chǎn)品，有1條生產(chǎn)線還處在調(diào)試中沒有正式生產(chǎn)，剩下的7條線分別是：CANNING、SUB1號、SUB2號、MINI、REGP、SEGP1號、SEGP2號。圓形線(REGP)是該廠自動化率最高且產(chǎn)量比較大的線，所以只討論這條線。

生產(chǎn)線加工的工藝順序依次是：OP10載體與法蘭焊接，OP20半殼與法蘭焊接，OP30半殼與載體boss焊接，OP40補(bǔ)焊和去飛濺，OP50裝墊片、襯套和夾箍，OP60螺栓焊接，OP70檢具檢查，OP80泄漏測試和激光打碼，OP90終檢。各工位的加工時(shí)間見表1。

表1 各工位的加工時(shí)間

續(xù)表1

依照生產(chǎn)線布局圖和生產(chǎn)工藝流程，設(shè)置仿真模型。根據(jù)圖2所示的生產(chǎn)線布局圖設(shè)置Flexsim仿真布局，根據(jù)表1中各工位的加工時(shí)間，設(shè)置每臺設(shè)備的加工時(shí)間。每個(gè)工位都有一個(gè)操作員和一個(gè)暫存區(qū)。該公司8 h為一個(gè)生產(chǎn)單元，仿真運(yùn)行時(shí)間為28 800 s。模型布局如圖3所示。

運(yùn)行模型得出相關(guān)數(shù)據(jù)輸出如圖4和圖5所示。

生產(chǎn)線存在的問題分析：生產(chǎn)線的設(shè)備利用率相差很多，一些設(shè)備的利用率不高，生產(chǎn)線存在嚴(yán)重的不平衡；生產(chǎn)線在制品的數(shù)量過高，在制品的過量堆積會占用很大的空間，從而所需的花費(fèi)是浪費(fèi)的；操作員的利用率不高，空閑時(shí)間較長，存在人員冗余現(xiàn)象；生產(chǎn)線9臺設(shè)備中利用率最高的為OP40工位的補(bǔ)焊和去飛濺，達(dá)到90.94%，所以該工序?yàn)槠款i工序。仿真結(jié)束后，成品數(shù)量為121，在制品數(shù)量為56。

4 優(yōu)化方案的確定

(1)方案一

方案一是圍繞瓶頸工序而展開的，在上文中已經(jīng)把該線的瓶頸工序分析出來了。通過增加瓶頸工序的設(shè)備數(shù)、增加瓶頸工序的操作員工、訓(xùn)練員工減少操作時(shí)間來消除瓶頸工序。根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況具體操作如下：生產(chǎn)線的瓶頸工位為OP40?？梢栽谂c瓶頸工位并聯(lián)的位置增加1臺設(shè)備，然后再配備給新工位一個(gè)操作員。這樣優(yōu)化的結(jié)果會使生產(chǎn)線基本達(dá)到平衡狀態(tài)，但是新的REGP線會出現(xiàn)新的瓶頸工位——OP20。再次進(jìn)行優(yōu)化會再增加1臺設(shè)備和1個(gè)員工。1臺設(shè)備非常昂貴，這樣優(yōu)化就會造成極大的資金投入。1臺設(shè)備從買進(jìn)到正常使用會經(jīng)過調(diào)試、安裝傳感器等設(shè)備、試使用、再調(diào)試、最后使用這樣一個(gè)過程，這個(gè)過程要經(jīng)過一個(gè)漫長的周期才能完成。這樣優(yōu)化會使現(xiàn)在的生產(chǎn)率增加，但是前前后后一共增加了2臺設(shè)備，這2臺設(shè)備會使生產(chǎn)線的占地面積急劇增加。由于當(dāng)前工廠的資金緊張，而且產(chǎn)品的更新速度較快(很可能完成優(yōu)化之后就把該產(chǎn)品更新掉了)，當(dāng)前生產(chǎn)線也沒有再容納2臺新設(shè)備的空間，所以方案一不可行。

(2)方案二

方案二是圍繞瓶頸工序外的其他工序展開的。通過生產(chǎn)資源的再次整合、操作人員的再次分配，使生產(chǎn)線達(dá)到生產(chǎn)平衡。根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況具體操作如下： F公司工廠生產(chǎn)線優(yōu)化主要從人員的再度分配入手，主要服從合并相鄰利用率較低的員工的優(yōu)化原則。生產(chǎn)線共有9個(gè)操作員，9個(gè)操作員中利用率最高的為OP10工位的操作員，利用率為15.93%。把OP20和OP30工位的操作員合并只留1個(gè)，把OP40A和OP50A工位的操作員合并只留1個(gè)，把OP60和OP70工位的操作員合并只留1個(gè)，把OP80和OP90工位的操作員合并只留1個(gè)。這樣操作員就從原來的9個(gè)變成了5個(gè)，大大節(jié)省了資金。

(3)再次優(yōu)化

在方案二的基礎(chǔ)上再次優(yōu)化，這次優(yōu)化主要根據(jù)生產(chǎn)線工藝的特點(diǎn)進(jìn)行。根據(jù)工藝的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備的改造，同時(shí)優(yōu)化運(yùn)輸工具釋放人力。根據(jù)每條線的特點(diǎn)具體操作如下：縱觀生產(chǎn)線加工設(shè)備在裝夾工件時(shí)，只要通過Y方向的轉(zhuǎn)動就都能實(shí)現(xiàn)，所以工位與工位之間的物流通過傳送帶來完成，這樣不僅能釋放人力還能加快運(yùn)輸時(shí)間。

按照優(yōu)化方案建立仿真模型，模型布局圖見圖6。

運(yùn)行模型得出相關(guān)輸出數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

5 結(jié)果分析

仿真結(jié)束后成品數(shù)量為139，在制品數(shù)量為45。生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線平衡性都有所提高。由上述數(shù)據(jù)輸出圖可以看出：設(shè)備利用率明顯提高了，操作員工的利用率并沒有提高。增加了傳送帶操作員的利用率會下降，但是減輕了操作員的勞動強(qiáng)度。如果這個(gè)時(shí)候再做合并操作員的優(yōu)化，會使一個(gè)操作員兼顧多個(gè)加工工位，操作員的工作區(qū)域會過大，外界給操作員帶來的干擾會增加，反而不利于生產(chǎn)。

6 總結(jié)

應(yīng)用仿真的手段來解決實(shí)際生產(chǎn)問題是今后科研的趨勢，這種方式能有效避免依靠計(jì)算求解的傳統(tǒng)方式，而且還能直觀地找到生產(chǎn)過程中的問題，從而優(yōu)化生產(chǎn)線。但是這種方式很可能忽略一些重要的因素，這就需要仿真要最大程度上與實(shí)際生產(chǎn)相同，這也是有待提高的部分。

【1】Pierreval H,Caux C,Paris J L,et al.Evolutionary Approaches to the Design and Organization of Manufacturing Systems[J].Computers and Industrial Engineering,2003,44:339-364.

【2】Amen Matthias.An Exact Method for Cost-oriented Assembly Line Balancing[J].Int J Production Economics,2000,64:187-195.

【3】Oh Keytack H.Expert Line Balancing System(ELBS)[J].Computers & Industrial Engineering,1997,33(1/2):303-306.

【4】Miltenburg John.Balancing U-lines in a Multiple U-line Facility[J].European Journal of Operational Research,1998,109(1):1-23.

【5】Heragu S S,Kusiak A.Efficient Models for the Facility Layout Problem[J].European Journal of Operational Research,1991,53(1):1-13.

【6】Rosenblat Meir J.The Dynamics of Plant Layout[J].Management Science,1986,3(1):76-86.

【7】Rosenblat M J,Kropp D H.The Single Period Stochastic Plant Layout Problem[J].Iie Transatctions,1992,24(2):169-176.

【8】Rosenblatt M J,Sinuany-Stem Z.A Discrete Efficient Frontier Approach to the Plant Layout Problem[J].Material Flow, l986,2(4):277-281.

【9】Welgama P S,Gibson P R.A Construction Algorithm for the Machine Layout Problem with Fixed Pick-up and Drop-off Point[J].International Journal of Production Research,1993,31(11):2575-2589.

【10】Langevin A,Montreuil B,Riopel D.Spine Layout Design[J].International Journal of Production Research,1994,32:429-442.

【11】秦天保，周向陽.使用系統(tǒng)仿真建模與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013:4.

Simulation and Optimization for F Company’s Existing Production Line

WANG Hui

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044,China)

Applying Flexsim simulation software, auto parts production line of F company was simulated. Combining the simulation data with the actual situation, taking solving production bottleneck, balancing production and improving efficiency as the optimization goal, the production line optimization scheme was determined.According to the condition, the feasibility of the optimized scheme was judged.

Flexsim simulation; Parts production line; Optimization

2015-09-20

王輝(1989—)，男，碩士，研究方向?yàn)樯a(chǎn)過程管理。E-mail:wh1018321593@126.com。