基于Flexsim的飛機客艙安裝作業仿真研究

余 芬，楊飛龍，黃 珊，祝世興、楊永剛

（1. 中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2. 天津財經大學 商學院，天津 300222）

0 引言

Flexsim是一種面向對象的可視化3D 仿真軟件，可以方便地建立生產線模型并通過仿真進行效能評價[1]。目前多用在車間調度優化研究[2]，生產線仿真研究[3-5]、物流系統建模研究[6]；也有學者在維修故障仿真方面的研究如文獻[7]從虛擬維修實際應用角度出發，結合過程模型的方法，建立了維修任務仿真管理模型；文獻[8]在Visual C + +環境下編程，通過局域網連接Flexsim，建立了一個實時飛行故障仿真系統對飛行故障監控。但Flexsim在飛機大修作業中應用研究還較少。

本文運用Flexsim 軟件，對B747飛機大修過程中客艙安裝作業流程建立了仿真模型，通過對現行的工卡作業內容、工時和作業人員等數據進行仿真測試，得到人員平均閑置率。通過分析調整作業流程，增加并行作業，使客艙組人員的閑置率從27.6%降低到17.3，提高了大修作業效率。論文所用的研究方法為飛機維修企業提供了借鑒，具有一定的工程應用價值。

1 B747飛機大修安裝作業流程分析

B747大修作業流程如圖1所示，從進廠檢查到客戶批準共經歷10個階段。主要階段工作內容是：1）進場檢查階段：主要是對發動機試車、自動駕駛及操縱系統的檢查、飛機外表及燃油滲漏檢查、貨艙裝載系統的檢查；2）飛機褪漆：是對飛機表面褪漆，以便為機身外表檢查做好準備；3）拆件：對發動機及襟、副翼，起落架等大部件拆卸，客、貨艙內部的拆卸； 4）改裝檢查：主要是指為方便對飛機的結構、系統進行檢查和改裝；5）修理、裝件：主要是對客、貨艙的改裝，對拆卸件檢查修理和安裝，及對拆卸下來的發動機和結構件檢查修理和安裝；6）功能檢測：是對大修工作進行全面檢查，包括機械操縱系統電子、電器系統的測試，然后對飛機外表面噴漆、交付客戶批準和試飛。至此，完成了整個飛機大修工作。

其中，每個階段涉及多種作業、工序復雜、不確定因素多、技術難度高，其作業時間和作業次序難以控制，以客艙安裝作業最為突出。

對于客艙部分，主要拆裝作業包括客艙座椅、側壁板、頂板、地板、隔音棉、窗戶、洗手間、廚房、行李箱及各種電子線束、電子設備的拆卸和安裝，涉及近300份大修工卡。目前存在的問題是：1）需要安裝作業的工作量大，零件多；2）因作業空間狹小，視野差，不利于工人操作，難以達到高裝配精度要求；3）內部作業人數較多，作業次序較亂和作業等待時間較長等。這些問題導致了作業效率低，客艙安裝時間過長。

圖1 B747大修作業流程

2 客艙安裝作業仿真模型建立

2.1 仿真數據庫的設計

圖2 客艙裝件數據庫

依據現行的工卡設計客艙的拆、裝件作業數據庫。基本數據包括任務開始執行時間、任務類別、任務名稱、人力數量、所屬部門等信息。所有的工作都按艙位來分，分為客艙組和電子組，分別用CB和AV組表示，本文圖表顯示均為客艙組數據。CB組作業人員32人，6個工作區域為：A、B、C、D、E和F。因為Flexsim有Excel相通的數據接口，所以本文的數據庫都采用.xls文件格式保存。客艙組裝件數據庫如圖2所示。（Day：任務開始日；JC number：工卡；item type：任務類型；quantity：工卡的數目；Mh：工作所需要的工時；people：工作所需要的人力；Quali：維修人員執照種類；D/N：白班/晚班；Trade：工作部門；ZONE：工作區域）

2.2 仿真約束條件的確定

在建立仿真模型和編寫程序前，先做如下假設：

1）不考慮飛機被檢查出意外故障，即所有的維修工作均包括在大修方案中；

2）維修人員的工間休息時間、生理需要和會議等寬放時間均包括在工時內；

3）任何一項維修工作都認為順利地完成，不會因質量問題造成返工；

4）在大修期間認為所有維修設備處于完好狀態；

5）所有班組成員均按時上班，無人員缺勤；

6）所有維修工作都在工卡規定的時間內完成，不會因為維修人員的熟練程度提前或延期完成；

7）仿真的時間單位為分，需把工卡所規定工時小時數乘以60，轉化為分鐘數。

2.3 Flexsim仿真模型的建立

在Flexsim 5.0版本下建模，由于已存在大量模型，只需要將已有模型拖入到建模區即可。對于模型庫中不存在的模型可以通過可視化工具（Visual tool）自己創建，先在建模區拖入可視化工具模型，修改3D文件路徑，使用保存操作將模型保存至用戶庫中，供以后建模使用。以維修人員的閑置率為測試指標。

在Flexsim模型中，人員的狀態有閑置、忙碌、等待、行走、搬運、裝載、卸載等多種狀態。現按一天工作11小時規定，即660分鐘，其中白班從8點開始工作，晚班從晚8點開始，用各班次時間安排表（time table）來控制。仿真模型如圖3所示。仿真模型布局如4圖中所示。將每份工卡（Job Card）看作成一項工作，將由圖4中藍色的任務源(Input)來按時間順序產生，用Item來表示；每份工卡對應的工時是維修人員完成這項工作所花費的時間。如果是裝件，任務源產生Item后，Item進入暫存區（Queue）后，等待操作者（Operator）搬運至處理器（Processor）。將操作者搬運Item至處理器（Processor）并完成處理的過程定義為一個裝件。Item在被處理完后直接完成（用Sink代替，表示此工作完成）。

以下代碼僅是客艙組工作在經處理器時對應工時數據的讀取程序，模型的其它仿真程序代碼因篇幅所限，略。

…

treenode current = ownerobject(c);

treenode item = parnode(1);

string tablename = /**/""/**/;

int a=getlabelnum(item，"s");

if (a==3)

{

tablename="CB removal ZA";

}

else

tablename="CB install ZA";

int row = /**/getitemtype(item)/**/;

int col = /**/6/**/;

return gettablenum(tablename，row，col)*60;

...

3 仿真結果測試及流程分析

3.1 現有流程閑置率測試分析

模型運行結束后，整個仿真結束時間是第34天結束，與實際相符合。客艙組人員平均閑置率是27.6%，人員的平均利用率只有73.4%，顯然偏低。客艙人員閑置率數據如圖5所示。

圖3 客艙安裝仿真模型

圖4 安裝作業仿真模型布局

圖5 客艙組人員閑置率測試結果

3.2 流程分析

流程的瓶頸在C區，如圖6所示。從圖中可見只有C區的暫存區還有臨時實體(Item)等待被處理，不少裝件工作還未執行，裝件工作還沒完成。而其它部門的暫存區中都沒有臨時實體,意味著裝件工作均已完成。經分析發現，C區裝件工作安排在第24-27天較多，而在第20-23工作較少，原因是按傳統做法需等待電子組的工作展開，才能進行。這樣導致工作量不均衡，流程出現“堵塞”。經調查分析，可以將第24-27天的某些不受前續作業影響的工作提前安排在第20-23天中進行，增加了并行作業的工作量，使工作量均衡。將調整后的安裝作業流程數據，重新導入Flexsim中，經測試人員閑置率客艙組是17.3%,電子組是15.1%，如圖7所示，得到比較滿意的結果。

圖6 裝件過程模型

圖7 客艙組與電子組人員平均閑置率

4 結束語

盡管Flexsim軟件在生產線、物流倉儲方面仿真應用較為普遍，但在飛機維修領域應用還較少，還有許多的研究空間，值得深入開展。本文基于Flexsim仿真軟件，建立飛機大修客艙安裝件作業模型，選擇人員的平均閑置率為測試指標，通過對現行的裝件作業工卡任務、工時和人員的測試，根據得到的人員平均閑置率統計數據，能夠發現流程瓶徑。針對流程瓶徑，通過調整作業流程或人員等，來降低閑置率，有效地提高了大修作業效率。參考文獻：

[1] Averill M L. Flexsim User Guide[M]. Utah: Flexsim Software Products, Inc, 2003.

[2] 余曉光, 嚴洪森, 殷乾坤.基于Flexsim的車間調度優化[J].計算機技術與發展, 2010, 3:44-47.

[3] 張衛德, 嚴洪森, 徐成. 基于Flexsim的生產線仿真和應用[J]. 工業控制計算. 2005, 9:46-47.

[4] 趙建輝, 王紅軍. 基于Flexsim的混流裝配線投產順序的仿真[J]. 微計算機信息. 2007, 8:29-31.

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[8] 馬存寶, 陳敬松, 劉坤. 基于Flexsim的實時飛行故障仿真系統[J]. 計算機仿真. 2007, 10: 59-62.