基于Flexsim的汽車副儀表板生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究

王珊珊 邵 康

（安徽理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院 安徽淮南 232001）

中國汽車制造業(yè)邁向全球價值鏈中高端是《中國制造2025》的核心任務(wù)之一，現(xiàn)階段我國汽車制造業(yè)正處于深度變革和轉(zhuǎn)型期[1]，這對汽車整車以及零部件制造企業(yè)提出了更高的要求?，F(xiàn)場管理和改善是制造企業(yè)價值創(chuàng)造的源頭，而生產(chǎn)物流系統(tǒng)的改善作為現(xiàn)場改善的工作重點之一，對于制造企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，改善產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。

對于生產(chǎn)物流系統(tǒng)改善的現(xiàn)有研究，一方面學(xué)者們利用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和工業(yè)工程基礎(chǔ)技術(shù)等，對生產(chǎn)車間的設(shè)施布局、產(chǎn)線排序、車間調(diào)度和路徑優(yōu)化等問題進(jìn)行改善[2-6]；一方面考慮到生產(chǎn)物流系統(tǒng)動態(tài)性、復(fù)雜性和隨機性等特點，有學(xué)者通過將工業(yè)工程理論方法和仿真技術(shù)相結(jié)合，利用各種計算機仿真軟件對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的仿真建模，分析生產(chǎn)系統(tǒng)的性能，找出其瓶頸，并進(jìn)行逐步地改善[7-10]。

本文以汽車副儀表板的生產(chǎn)線為研究對象，利用Flexsim仿真軟件對其進(jìn)行仿真建模。對于實際中復(fù)雜的離散生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真建模，在操作過程中存在大量的順序、并行、同步、沖突及因果依賴等關(guān)系的處理,容易因此在仿真時出現(xiàn)整體或局部調(diào)度的問題，因此本文引入IDEF3過程建模來支持復(fù)雜離散事件的仿真建模[11-14]，再通過Flexsim的動態(tài)仿真來識別生產(chǎn)過程的瓶頸，并運用工業(yè)工程中的ESCRI改善原則對生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行逐步優(yōu)化，以此來提高產(chǎn)線設(shè)備的利用率和平衡率以及整個生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)能。

一、HT公司副儀表板生產(chǎn)車間概況

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的特點將生產(chǎn)車間分為：注塑區(qū)、焊接區(qū)、裝配區(qū)、成品暫存區(qū)，其中注塑區(qū)、焊接區(qū)、裝配區(qū)的設(shè)備名稱、數(shù)量及使用情況如表格1所示，其余生產(chǎn)流程由操作人員完成?？紤]到生產(chǎn)成本問題，HT公司對600T以下的注塑機所生產(chǎn)的零部件采用外包生產(chǎn)。

表格 1 車間設(shè)備及使用情況

目前公司實行兩班制的工作方式，單班有效工作時長為10h，每天工作時間共20h，日產(chǎn)能約為1400件，需求缺口較大，產(chǎn)能有待提升；另外由于加工流程較長，注塑、焊接及裝配各工序間生產(chǎn)節(jié)拍差別較大，導(dǎo)致產(chǎn)線設(shè)備利用率不均衡、部分工序發(fā)生堵塞及整個生產(chǎn)線日產(chǎn)能較低。

二、HT公司副儀表板生產(chǎn)物流系統(tǒng)IDEF3過程模型

（一）IDEF3過程流圖的主要語法元素。IDEF3是IDEF系列方法中專門用于過程描述的建模方法，通過一些基本元素的組合，以過程和對象為中心進(jìn)行建模，來描述活動間的時序和邏輯關(guān)系,實現(xiàn)分析過程、輔助過程進(jìn)行優(yōu)化的目的。IDEF3過程流圖的主要語法元素有:

行為單元(unit of behavior,UOB)、交匯點(junction)、聯(lián)接(link)。

UOB表示現(xiàn)實生產(chǎn)的流程；UOB間的箭頭叫做順序聯(lián)接,表示各流程在時間上的先后順序；交匯點表示各過程分支之間的邏輯關(guān)系，通過不同類型的交匯點來描述生產(chǎn)過程中各過程分支間邏輯關(guān)系，交匯點按輯語義包括: 與(&)、或(O)及異或(X)。IDEF3過程流圖的主要語法元素及交匯點邏輯語義如圖1所示。

圖1 過程流圖的主要語法元素

（二）建立副儀表板生產(chǎn)物流系統(tǒng)的IDEF3模型。借助IDEF3過程模型，對加工流程進(jìn)行細(xì)化描述。圖2是基于IDEF3建模方法建立的生產(chǎn)過程模型，從發(fā)出生產(chǎn)請求到成品入庫，其中經(jīng)歷了5種零部件的注塑加工、3次超聲波焊接和多次裝配處理，物流路線較長且復(fù)雜。

圖2 基于IDEF3的副儀表板生產(chǎn)過程模型

IDEF3過程模型可以作為Flexsim仿真軟件建立仿真模型的依據(jù)，當(dāng)仿真建模中出現(xiàn)順序、并行、同步、沖突及因果依賴等邏輯關(guān)系時，可以避免整體或局部的調(diào)度問題。

三、汽車副儀表板生產(chǎn)線的建模仿真與優(yōu)化

Flexsim仿真軟件是一種采用C++語言開發(fā)的一款通用的三維物流仿真軟件，適用于連續(xù)流體系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的建模，使用者能夠在個人計算機中建構(gòu)、監(jiān)控工業(yè)及企業(yè)的分布式流程[15-16]。本文在IDEF3.0過程模型的基礎(chǔ)上，借助Flexsim2019仿真軟件將副儀表板的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)地、可視化地展示，并通過運行統(tǒng)計報告找出生產(chǎn)過程的瓶頸、分析系統(tǒng)性能、提出優(yōu)化方案，并比較分析優(yōu)化前后的運行效果。

（一）模型假設(shè)。針對于現(xiàn)實的汽車副儀表板生產(chǎn)線，在運用仿真技術(shù)的過程中，需要對生產(chǎn)線物流系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡化，將研究對象的主要因素保留，而無關(guān)要素或關(guān)聯(lián)性不強的要素省略，基于此提出了相應(yīng)的假設(shè)：

（1）各個工序的設(shè)備無準(zhǔn)備時間，可即時生產(chǎn)。

（2）作為一個流水型的生產(chǎn)線，本文不考慮其流程間的空間運輸，因此假設(shè)各工序間的運輸時間為零。

（3）裝配工序較多但操作簡單，不良品率低且不良品易被下道工序檢驗出，因此假設(shè)整個裝配階段不產(chǎn)生不良品。

（4）生產(chǎn)過程中設(shè)備沒有故障現(xiàn)象，并能夠連續(xù)生產(chǎn)10小時。

（5）為了更直觀的觀察生產(chǎn)線的瓶頸和擁堵情況，模型中的暫存區(qū)容量統(tǒng)一設(shè)定為1000。

（二）模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置。

1.模型構(gòu)建。根據(jù)副儀表板的生產(chǎn)流程和車間布局，運用flexsim仿真程序，在調(diào)整了部分設(shè)備分區(qū)，但不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了如圖3所示的副儀表板生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型。

圖3 基于flexsim的生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型

2.參數(shù)設(shè)置。仿真模型構(gòu)建完成后，需要對模型中的固定實體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，盡可能使其接近于實際生產(chǎn)。本文利用作業(yè)測定中的秒表測定法收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，選取操作水平中等偏上的操作人員作為被觀測對象，使用連續(xù)測時法對各生產(chǎn)工序的操作時間進(jìn)行測定，利用三倍標(biāo)準(zhǔn)差法剔除異常觀測值，發(fā)現(xiàn)操作時間會出現(xiàn)小幅度的變化，通過足夠數(shù)量的觀測值確定各工序的最小值、最可能值以及最大值，認(rèn)為三角分布triangular（最小值，最大值，最可能值）可以很好地反映各工序操作時間的分布情況；另外針對注塑和焊接工序的不良品比率，則通過車間人員統(tǒng)計的近一月的生產(chǎn)情況獲得。

（1）注塑區(qū)：發(fā)生器（原材料庫）到達(dá)方式設(shè)置為“按時間表到達(dá)”，時間表設(shè)置為每30min到達(dá)一次，到達(dá)數(shù)量滿足這一時段的生產(chǎn)要求；處理器（注塑工序）操作時間的設(shè)置選擇統(tǒng)計分布下的三角分布triangular,臨時實體流流向選擇以百分比發(fā)送至指定端口。處理器以本體注塑工序為例，操作時間設(shè)置為triangular（77,85,80）；臨時實體流選項卡下“發(fā)送至端口”中選擇98.5%的合格產(chǎn)品發(fā)送至下一端口，1.5%的不良品發(fā)送至吸收器。

（2）焊接區(qū)：合成器（超聲波焊接機）合成方式選擇“pack”，3臺焊接機操作時間都符合三角分布triangular（20,26,22.5）；臨時實體流選項卡下“發(fā)送至端口”中選擇99.0%的合格產(chǎn)品進(jìn)入下一工序，1.0%的不良品發(fā)送至吸收器。

（3）裝配區(qū)：發(fā)生器（零部件庫）到達(dá)方式設(shè)置為“按時間表到達(dá)”，時間表設(shè)置為每30min到達(dá)一次；裝配工序由操作人員完成，同樣符合三角分布triangular，以USB孔盒安裝為例，合成器的操作時間設(shè)置為triangular(10,13,11.5)。

（4）模型中其他固定實體：吸收器（不良品1、2、3）吸收生產(chǎn)時各工序產(chǎn)生的不良品，吸收器（產(chǎn)成品庫）吸收生產(chǎn)線產(chǎn)出的合格產(chǎn)成品；發(fā)生器（容器1、2、3）產(chǎn)生的臨時實體類型設(shè)置為容器類，作為第一個輸入端口連接至合成器，此處是為了滿足合成器的處理特性，以使模型正常運行，實際生產(chǎn)中并不存在；處理器（翻轉(zhuǎn)1、2）用于裝配過程中產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)，實際由機械手臂完成，操作時間固定為10s。

（三）模型運行。HT公司生產(chǎn)線單班有效工作時間為10h，因此本文模型中設(shè)置系統(tǒng)仿真時間為10h*3600s=36000s,當(dāng)系統(tǒng)運行36000s后就停止運行。運行結(jié)束后，輸出統(tǒng)計報告，如表格2所示。

表2 初始模型仿真運行統(tǒng)計報告

P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 USB孔盒安裝風(fēng)道安裝扶手蓋板安裝翻轉(zhuǎn)2換擋防塵罩安裝換擋蓋板條裝配空調(diào)支架裝配后儲物盒裝配左右護板裝配裝飾盒裝配綜檢包裝5.62%4.63%3.65%3.41%2.47%2.02%74.19%76.21%51.73%77.11%62.40%62.33%23.02%23.96%27.89%19.92%26.21%26.11%25.81%23.74%48.27%22.89%37.60%37.66%71.36%71.41%68.46%76.67%71.32%0.00%0.00%0.05%0.00%0.00%0.00%0.00%

由表格2可以看出副儀表板生產(chǎn)線的各個工序的利用、空閑及堵塞狀態(tài)，反映了生產(chǎn)線各工序處于明顯的不平衡狀態(tài)，其中工序P1-P5設(shè)備利用率遠(yuǎn)高于其他工序；關(guān)于工序P6-P14的堵塞情況，通過觀察模型運行可知，由于P1、P2工序產(chǎn)能不足，導(dǎo)致P15、P18的作業(yè)等待，從而引發(fā)P6-P14的高堵塞率。因此，工序P1-P5是生產(chǎn)線的起點，也是制約生產(chǎn)線整體產(chǎn)能提升的“瓶頸”。

（四）模型優(yōu)化及仿真分析。

1.第一次模型優(yōu)化及仿真分析。針對上述部分工序的低利用率、高堵塞率及產(chǎn)能不足的情況，采用ESCRI改善原則進(jìn)行優(yōu)化，即Eliminate（取消）、Simplify（簡化）、Combine（合并）、Rearrange（重排）、Increase（新增）。首先采用Increase（新增）給五種注塑工序分別新增一個處理器，優(yōu)化后模型輸出的統(tǒng)計報告，與優(yōu)化前運行狀態(tài)的對比如圖4所示。

圖4 一次優(yōu)化前后設(shè)備利用率、堵塞率

由圖4可知，經(jīng)過提高初始工序的產(chǎn)能后，工序P6-P14的堵塞情況基本解決，其中P7、P8的較高堵塞率是因為等待加入超聲波焊接（工序P6），優(yōu)化后的模型較前也得到改善。另外，注塑工序P1-P6基本處于平衡狀態(tài)且利用率較高，工序P7-P21利用率整體有所提高，但相較于前工序利用率仍然較低，生產(chǎn)線處于不平衡狀態(tài)，如果繼續(xù)增加注塑工序的設(shè)備，會使得實際生產(chǎn)能力大于生產(chǎn)節(jié)拍，最終導(dǎo)致產(chǎn)能浪費或生產(chǎn)過剩。因此，在二次優(yōu)化中，考慮采用ESCRI改善原則中的合并（Combine）和重排（Rearrange）。

2.第二次模型優(yōu)化及仿真分析。由圖4可知，工序P7-P19中除P18外，設(shè)備利用率均較低，考慮到裝配工序是由操作人員完成，各工序并不需要專用設(shè)備，因此嘗試將部分工序進(jìn)行合并和重排。按照就近原則，將工序7、8，工序10、11，工序14、15，工序16、17合并，工序12、19重排后合并，輸出二次優(yōu)化后的統(tǒng)計報告，如圖5所示。

圖5 一次優(yōu)化前后設(shè)備利用率、堵塞率

由圖5可知，二次優(yōu)化后的副儀表板生產(chǎn)線基本處于平衡狀態(tài)，各生產(chǎn)工序的設(shè)備利用率基本處于80%-90%之間。翻轉(zhuǎn)、綜檢、包裝工序不適用省略、合并及重排，因此不做以上處理；本體注塑工序設(shè)備利用率相對偏高，利用仿真軟件嘗試增加一臺處理器，輸出結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)能提高水平較低，綜合考慮到設(shè)備成本，決定保持二次優(yōu)化的結(jié)果。

（五）優(yōu)化前后指標(biāo)對比。對比分析兩次優(yōu)化前后的生產(chǎn)線指標(biāo)，結(jié)果如表格3所示。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后：1）副儀表板生產(chǎn)線設(shè)備的平均利用率由48.23%提高到82.15%，較好地減輕了部分工位設(shè)備和人員的閑置和等待浪費；2）工序P6-P21的平均堵塞率由40.69%降低到6.47%，減少了生產(chǎn)過程中產(chǎn)品堆積現(xiàn)象，節(jié)省線邊空間；3）生產(chǎn)平衡率由49.51%提高到72.45%，使各流程間設(shè)備和人員的作業(yè)負(fù)荷較為均衡；4）在綜合考慮產(chǎn)能和產(chǎn)線利用率、平衡率的基礎(chǔ)上，日最大產(chǎn)能由1424件提高到2562件，日產(chǎn)能提高了79%。

表格3 優(yōu)化前后生產(chǎn)指標(biāo)對比

四、結(jié)語

本文借助于IDEF3建模方法和Flexsim仿真軟件對汽車副儀表板生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模和優(yōu)化設(shè)計,提升了整個產(chǎn)線的平衡率和設(shè)備利用率，同時日產(chǎn)能提高了79%。研究表明，在利用Flexsim仿真軟件進(jìn)行動態(tài)仿真建模時，引入IDEF3模型可以有效地支持復(fù)雜離散生產(chǎn)過程的仿真，應(yīng)用于制造企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的改善，可使優(yōu)化過程更可靠、有效。