基于Witness 的生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真分析

龐曉兵

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610092）

0 引言

航空制造具有零件形狀復(fù)雜、種類多、價(jià)值高、生產(chǎn)組織及生產(chǎn)物流的管理難度大等特征，生產(chǎn)線物流設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性直接決定了運(yùn)行投產(chǎn)后生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)營成本和效率。因此，如何快速合理配置資源、規(guī)劃生產(chǎn)物流過程非常重要。

隨著離散事件系統(tǒng)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)理論研究的深入，生產(chǎn)物流仿真分析優(yōu)化技術(shù)已在國內(nèi)外的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。國際航空制造標(biāo)桿企業(yè)如波音、空客都已將生產(chǎn)物流仿真技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、評(píng)估及優(yōu)化中，并取得了顯著的效益。目前國內(nèi)常見的物流仿真軟件有Witness、Quest、Flexsim 等。

本文以機(jī)加車間的一個(gè)加工單元的物流系統(tǒng)規(guī)劃為例，淺析Witness 生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建，分析仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，如此迭代地進(jìn)行，直到找到最佳方案，為生產(chǎn)線設(shè)備資源配置的優(yōu)化提供量化依據(jù)。

1 系統(tǒng)問題描述及需求分析

1.1 系統(tǒng)問題描述

由于該車間加工單元物流系統(tǒng)復(fù)雜、成本投入高，為了降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)及建設(shè)成本，確保物流系統(tǒng)在正式投產(chǎn)后高效運(yùn)行，在方案論證初期采用Witness 進(jìn)行仿真分析及驗(yàn)證。

車間包括N 個(gè)加工單元，物流系統(tǒng)運(yùn)輸車全部采用智能AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車），倉儲(chǔ)物流設(shè)施為智能化立體倉儲(chǔ)。以其中一個(gè)加工單元（4 臺(tái)機(jī)床）為研究對(duì)象，廠房主要區(qū)域分別為原材料、工裝及成品的立體化倉儲(chǔ)區(qū)，準(zhǔn)備區(qū)，AGV 裝載、卸載區(qū)及運(yùn)輸通道和機(jī)床擺放區(qū)。AGV 接到調(diào)度指令將原材料在準(zhǔn)備區(qū)域進(jìn)行裝載并運(yùn)往機(jī)床待加工區(qū)，卸載后再裝載完工成品并將成品運(yùn)至立體化成品倉儲(chǔ)區(qū)。

1.2 需求分析

此生產(chǎn)系統(tǒng)所有的原材料、工裝及成品的轉(zhuǎn)運(yùn)均通過廠房內(nèi)部的AGV 運(yùn)輸完成，在項(xiàng)目策劃初期，加工中心的每臺(tái)機(jī)床旁邊是設(shè)置原材料及成品擺放的緩存區(qū)，或僅設(shè)置AGV 和機(jī)床的交換區(qū)，直接決定了AGV 需投產(chǎn)的數(shù)量，考慮成本和達(dá)產(chǎn)后生產(chǎn)效率的因素，此處需通過仿真建模解決以下問題：

（1）機(jī)床旁邊是否需要原材料和成品緩存位。

（2）有、無緩存位兩種情況下該加工中心需配置的AGV 最優(yōu)數(shù)量及AGV 的利用情況。

（3）兩種方案運(yùn)行情況下，加工中心各設(shè)備利用情況。

（4）兩種方案各個(gè)參數(shù)確定的條件下，加工中心成品有效輸出數(shù)量。

（5）兩種方案的投入成本和生產(chǎn)效率。

針對(duì)以上問題，仿真對(duì)比有無緩存位兩種方案進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果，確定AGV 成本投入更低、加工中心機(jī)床利用率和系統(tǒng)生產(chǎn)效率更高的為最優(yōu)方案。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及仿真建模

2.1 系統(tǒng)輸入?yún)?shù)

基于以上問題對(duì)物流系統(tǒng)仿真模型中的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)可以根據(jù)驗(yàn)證不同方案的需求進(jìn)行更改，進(jìn)而運(yùn)行仿真得到結(jié)果，在仿真模型中，時(shí)間單位為分鐘（min），速度單位為米/分鐘（m/min），長度單位為米（m）。

（1）加工中心設(shè)備參數(shù)設(shè)置。加工中心的機(jī)床（4 臺(tái)設(shè)備）只要得到配套的原材料和工裝，就可以開始進(jìn)行零件的加工，并且加工中心能夠直接完成零件的所有工藝步驟。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，設(shè)定4 臺(tái)加工車床加工時(shí)間分別服從均值為25 min、40 min、60 min、120 min，方差為2 的正態(tài)分布。

（2）AGV 及AGV 運(yùn)行軌道參數(shù)設(shè)置。AGV 的空載和滿載速度分別是1 m/min，卸載和裝載時(shí)間假設(shè)為理想狀態(tài)0，裝載容量為1。軌道的長度為10 m，可以同時(shí)容納10 輛AGV；由此可得AGV 從準(zhǔn)備區(qū)裝載料和工裝之后到達(dá)機(jī)床卸載點(diǎn)的時(shí)間為10 min，同樣的，將AGV 卸載原料再裝載成品后至原材料準(zhǔn)備區(qū)的時(shí)間也為10 min（此處均假設(shè)為理想狀態(tài)）。

2.2 系統(tǒng)輸出參數(shù)

仿真結(jié)束之后，仿真模型輸出生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)結(jié)果參數(shù)（表1）。

表1 系統(tǒng)輸出參數(shù)

2.3 仿真建模

（1）無緩存位仿真模型。無緩存位仿真模型物流的流動(dòng)順序?yàn)椋毫Ⅲw化倉儲(chǔ)設(shè)備原材料、工裝出庫→準(zhǔn)備區(qū)（AGV 裝載點(diǎn)）→T2→加工中心機(jī)床→T1→準(zhǔn)備區(qū)（AGV 卸載點(diǎn)）→立體化倉儲(chǔ)。AGV 從準(zhǔn)備區(qū)至加工中心往返均需要10 min，AGV 會(huì)根據(jù)調(diào)度指令決定是否將裝夾好的原材料工裝由準(zhǔn)備區(qū)運(yùn)輸至加工中心或空載去往加工中心將完工的成品運(yùn)回準(zhǔn)備區(qū)卸載點(diǎn)，根據(jù)此種情況，對(duì)機(jī)床的加工邏輯進(jìn)行設(shè)置，需要在機(jī)床加工完工前10 min 向AGV 發(fā)出指令，同時(shí)根據(jù)AGV 的任務(wù)類型，對(duì)AGV 的邏輯進(jìn)行設(shè)置。

（2）有緩存位仿真模型。有緩存位的仿真模型加工中心每臺(tái)機(jī)床前設(shè)有原材料、成品緩存區(qū)，容量各為1。物流的流動(dòng)順序?yàn)椋毫Ⅲw化倉儲(chǔ)設(shè)備原材料、工裝出庫→準(zhǔn)備區(qū)（AGV 裝卸載區(qū)）→Trackscome→加工中心機(jī)床→Tracksback→準(zhǔn)備區(qū)（AGV裝卸載區(qū)）→立體化倉儲(chǔ)。

有緩存的方案加工中心各有容量為1 的原材料和成品緩存區(qū)，由以上參數(shù)設(shè)置加工中心的機(jī)床加工時(shí)間均大于10，AGV的往返運(yùn)輸時(shí)間也均為10 min，此種情況要確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行，需在原材料和加工中心加工任務(wù)總量小于8 或者成品緩存區(qū)容量大于0 時(shí)，呼叫AGV 前來執(zhí)行運(yùn)送原材料或取走加工成品的任務(wù)，按此對(duì)AGV 的調(diào)度邏輯指令進(jìn)行設(shè)置。

3 建模仿真結(jié)果分析

完成仿真建模后，將模型運(yùn)行2 個(gè)月（按每月30 d 計(jì)算）即28 800 min，在有、無緩存位兩種模型里分別設(shè)置不同AGV 數(shù)量多次運(yùn)行模型，得出在有、無緩存位兩種情況下，AGV 數(shù)量分別在2 臺(tái)和5 臺(tái)時(shí)，AGV 和加工中心平均利用效率最高且產(chǎn)量最佳，以下簡要說明。

3.1 方案1：無緩存位仿真模型輸出結(jié)果

（1）加工中心輸出結(jié)果（表2）。

表2 加工中心輸出結(jié)果

（2）AGV 輸出結(jié)果（表3）。

表3 AGV 輸出結(jié)果

（3）零件輸出結(jié)果。在仿真時(shí)間內(nèi)共完工零件數(shù)量為1713 件。

3.2 方案2：有緩存位仿真模型輸出結(jié)果

（1）加工中心輸出結(jié)果（表4）。

表4 有緩存位加工中心輸出結(jié)果

（2）AGV 輸出結(jié)果（表5）。

表5 AGV 輸出結(jié)果

（3）零件輸出結(jié)果。在仿真時(shí)間內(nèi)共完工零件數(shù)量為2458 件。

4 結(jié)論

通過以上兩種方案的仿真結(jié)果，有緩存位只需2 臺(tái)AGV 小車，而無緩存位需要5 臺(tái)AGV 小車，有緩存位可節(jié)省3 臺(tái)AGV小車的投入成本。同時(shí)，有緩存位時(shí)機(jī)床和AGV 利用率更高，且同等條件下，有緩存位系統(tǒng)產(chǎn)出2458 件，對(duì)比無緩存位系統(tǒng)的1713 件產(chǎn)出，要多出40%。因此，加工中心配置緩存位比無緩存位方案更優(yōu)。