SPS模式下汽車零部件配送路徑優化

詹 斌，曹夢鑫

（武漢理工大學，湖北 武漢 430063）

SPS模式下汽車零部件配送路徑優化

詹 斌，曹夢鑫

（武漢理工大學，湖北 武漢 430063）

為幫助汽車制造廠商降低成本和提高產品裝配質量，研究了裝配車間在SPS模式下混合品種汽車裝配線零部件配送物流的運作及其優化。以準時制和精益生產為原則，設計零部件配送路徑方案，以物流成本為目標函數，運用GAMS軟件求解在不同需求條件下的最小目標函數值，并對方案進行分析和優化。通過算例研究，在較低需求量的情況下，方案二優于方案一；隨著需求量的增加，由于運輸費用的大幅度增加，方案一優于方案二。

SPS模式；汽車零部件；配送路徑

1 前言

伴隨汽車行業的需求急劇增長，汽車制造商需更加靈活地響應市場變化。面對多元化的客戶需求挑戰，制造商采用混流裝配線滿足不同產品的生產需要。隨著汽車產品類型的增多，產品結構變得復雜，零部件種類也隨之劇增。各零部件的外觀尺寸、運輸要求、需求速率和供應地點均差異大，使零部件的物流活動成為物流體系中最重要和最復雜的環節之一，是汽車企業生產連續穩定運行的重要保證[1]。零部件供應物流是汽車生產中的重要一環。為了提高物料流量控制和適應JIT零部件供應，豐田汽車公司實施了新的系統，稱為集配件供應（SPS，Set Parts Supply）。SPS指在與生產線分離的物流配送區，按照多品種均衡化混流生產的產品上線順序，將滿足裝配單位產品的零部件提前揀選成組（裝入筐車），配送至生產線側，隨產品沿生產線流動，筐車裝載的部件按工序裝配到產品上的過程[2]。汽車零部件物流方式包括準時制看板方式[3]、JIS看板方式、集配中心[4]、循環取貨[5]和越庫配送[6]等。但對SPS模式下零部件入廠物流的相關研究較少。因此，本文將規劃零部件配送物流路徑，并在不同需求下優化路徑。

2 問題描述及數學建模

2.1 問題描述

這里所針對的零部件是經過試驗和經驗驗證的適合SPS模式的零部件。在后臺數據系統和看板管理信息系統的支持下，預先將適用于集配系統（SPS）的大部分標準件、配套件和部分小基礎件，在裝配線外的集配區按輛份及裝配順序集配在特定的集配器具并放置在特制的配送小車內，然后按系統需求時間配送到相應的裝配工位，裝配工人按照作業順序拿取所需零件。配送小車在裝配線上隨著對應生產車輛同步行進。當一輛份裝配任務完成時，配送小車內的零件正好用完，小車從指定工位撤出并進入下一個工作循環。這種方式取消了線邊的物料存儲料架，零部件上線改為與裝配流水線同步行走。

為不失一般性，這里先以某一區域的集配系統為對象，具體條件如下：

（1）各供應商有足夠的能力來滿足制造廠的供貨需求。

（2）供應商生產零部件時的生產成本由固定成本和變動成本組成，其中變動成本與生產量有關。

（3）供應商生產某種零件的生產間隔是相同的，其生產批量為生產間隔內制造廠的需求量。

（4）各供應商的生產間隔和配送間隔相等，配送批量為配送間隔內制造廠該種零件的消耗量。

（5）供應商對制造廠供貨時，每車次的運輸成本分為固定成本和變動成本兩部分，其中變動成本與兩者之間的距離有關。

（6）制造廠倉庫存儲區和集配物料存儲區（集配區）有足夠的存儲空間滿足物料的存儲需求。

（7）零部件在倉庫存儲區和集配區都會產生一定的費用。倉庫存儲區作為存儲專用空間，單位存儲費用低于生產車間內的集配區。

（8）準時制生產模式下，每隔相同時間對集配區進行配送，配送批量為配送間隔內生產線上的消耗量。

（9）從倉庫區到集配區每次通過物流小車配送，假設每次配送成本不變。

2.2 參數符號

模型中所需要的符號定義如下:

n—供應商個數；

i—供應商和其所提供的零部件{i=1,2,…,n}，以下同；

Si—供應商i批量提供零部件i的固定生產成本；

Oi—供應商i批量提供零部件i的變動生產成本；

pi—供應商i生產零部件i的單位生產時間；

di—制造廠對零部件i的單位時間需求量；

hsi—零部件i在供應商倉庫存儲區的單位庫存成本；

hHi—零部件i在制造廠倉庫存儲區的單位庫存成本；

hMi—零部件i在集配區的單位庫存成本；

Fi—零部件i從供應商運到制造廠接收區的單車次固定運輸成本；

Vi—零部件i從供應商運到制造廠接收區的單車次變動運輸成本；

FM—制造廠接收區配送到倉庫存儲區的單次配送成本；

FH—制造廠倉庫存儲區配送到集配區的單次配送成本；

FS—制造廠接收區直接配送到集配區的單次配送成本；

Ci—從供應商到制造廠接收區配送時，其單車是次的運輸容量；

CM—從制造廠接收區到倉庫存儲區配送時，其單車次的運輸容量；

CH—從制造廠倉庫存儲區到集配區配送時，其單車次的運輸容量；

Ti—零部件i包裝后的體積；

M1—汽車制造廠倉庫存儲區的存儲容量；

M2—汽車制造廠集配區的存儲容量。

決策變量如下:

Ri—從供應商i向制造廠配送零部件i的配送間隔；

RH—從倉庫存儲區對集配物料區的配送間隔；

Rsi—供應商直接配送各種零部件到集配區的配送間隔。

2.3 模型

（1）方案一。供應商i每隔時間Ri配送diRi批量的零部件i到制造廠。到廠后，先配送到倉庫存儲區，然后倉庫每隔時間RH將零部件配送至制造車間的集配區。零部件i在供應商i處單位時間內的平均庫存水平為在制造廠倉庫存儲區單位時間內的平均庫存水平為在制造廠集配區單位時間內的平均庫存水平為

在整個供應鏈環節中，考慮制造廠自身存儲能力和供應商運輸能力的約束，決定各種零部件配送間隔，其目標是使得單位時間內平均的供應商生產成本、運輸成本、倉儲成本、從接收區到倉庫存儲區的配送成本、制造廠倉庫存儲成本、從倉庫到集配區的配送成本以及在集配區的倉儲成本最小化。對于方案一，設單位時間內的物流總成本TC1i為目標函數，其表達式為：

將約束條件（2）-（9）帶入目標函數（1）得：

（2）方案二。供應商i每隔時間Ri配送diRi批量的零部件i到汽車制造廠。在制造廠接收區進行檢驗裝卸后，直接運送至集配區。零部件i在供應商倉庫處單位時間內的平均庫存水平為在制造廠集配區單位時間內的平均庫存水平為對于方案二，設單位時間內的物流總成本為目標函數，其表達式為：

將約束條件（14）-（20）帶入目標函數（13）得：

3 模型求解

3.1 參數設置

本文以集配件外門把手為例，采用控制變量的方法了解最小物流成本變化的趨勢，從而判定零件i應該采用的配送模式。在求解過程中，為使數據對比變化趨勢更加明顯易懂，這里將集配件外門把手的相關實際經驗數值比例量化，具體數值見表1。

表1 參數設置表

3.2 求解結果

本文基于GAMS軟件對模型采用了列舉法進行數據求解。CAMS（The General Algebraic Modeling Sys-tem）是一款數學規劃與優化的建模系統。求解在不同需求量di的情況下目標函數式（10）與式（21）的最小值，并對兩種方案結果進行對比（見表2）。

表2 方案求解結果

3.3 結果分析

將表2數據制成圖表，如圖1、表3。

（1）方案一中從供應商向制造廠配送集配件外門把手的配送間隔Ri與方案二中供應商配送外門把手到集配區的配送間隔Rsi隨著單位時間內的需求量di的增加而減少。在準時制思想下，為滿足制造廠的需求，隨著需求量的增加，供應商向制造廠的配送頻率應更加頻繁。

（2）隨著需求量的增加，minTC1和minTC2數值也隨著增加，這符合實際情況。

（3）方案一從供應商向制造廠配送集配件外門把手的配送間隔Ri明顯高于方案二中的配送間隔Rsi。這是因為在方案一中汽車制造廠存在倉庫存儲區域，存儲容量高于方案二。

（4）函數minTC1和minTC2存在有交叉點。在交叉點之前，在需求量相同的情況下，minTC1數值大于minTC2。以目標函數為評價標準，在交叉點之前的需求量情況下，方案二優于方案一。但當需求量超過交點處的需求量后，minTC2數值大于minTC1，方案一優于方案二。

在圖1中出現了交叉點，為分析交叉點出現原因，現將目標函數minTC1和minTC2中運輸費用和總倉儲費用增長值分列見表3。其中運輸費用為供應廠向汽車制造廠配送外門把手時的運輸費用，方案一中的總倉儲費用包括供應商處的倉儲費用、制造廠處的倉庫倉儲費用和集配區的倉儲費用；方案二中的總倉儲費用包括供應商處的倉儲費用和制造廠處的集配費用。

圖1 成本與配送間隔對比圖

表3 運輸與倉儲費用增長情況

從表3中可以看出方案一中的運輸費用增長值與總倉儲費用增長值均大于零，表示運輸費用與總倉儲費用隨著集配件需求量的增加呈現上升趨勢，符合實際情況。二者的增長幅度大致相同。方案二中的運輸費用增長值與總倉儲費用增長值均大于零，表示運輸費用與總倉儲費用隨著集配件需求量的增加呈現上升趨勢，符合實際情況。但運輸費用的增長幅度明顯大于總倉儲費用。對比方案一與方案二的運輸費用增長值發現，方案二的運輸費用增長幅度明顯高于方案一。在圖1中可以看到方案二由供應商向制造廠配送集配件的配送間隔Rsi明顯低于方案一中從供應商向制造廠配送集配件外門把手的配送間隔Ri，高頻率配送導致了方案二中運輸費用的大幅度增長。另一方面，雖然方案二的總倉儲費用增長幅度低于方案一，但對比兩表中數據，得出交叉點出現的原因是由于方案二運輸費用的大幅度增長。

由上述分析可知，在其他因素不變的情況下，隨著集配件需求量的增加，兩種方案的物流總成本也隨之改變。在本文外車門把手案例中，由圖1求得交叉點處的單位時間需求量為34.2。以物流總成本為評價標準，當單位時間內的需求量低于34.2時，方案二優于方案一；當需求量大于34.2時，方案一優于方案二。為尋求最大化利益和降低成本，以外車門把手為例，當單位時間內的需求量低于34.2時，應采用方案二進行配送，即集配件由供應商直接配送至制造廠集配區；當單位時間內的需求量高于34.2時，為降低成本，制造商應采用方案一進行配送，即集配件由供應商配送至制造廠倉庫后再運送至集配區。

4 結語

混流生產模式下，汽車車型的增加導致汽車總裝配線上零部件種類的增加。為更加有效管理總裝配線和追求最大化利益，汽車制造行業裝配車間出現了一種新的零部件上線方式—SPS。該方式的出現，導致總裝線上的零部件分成了集配件和非集配件。本文主要研究基于SPS模式下的裝配車間集配件的配送物流及其優化。基于實際基礎，本文提出了兩個方案，在準時制和精益思想的指導下，以物流成本為目標函數建立數學模型。最后對求解結果進行趨勢分析，得出在不同的集配件需求量情況下，兩種方案的優勢不盡相同。在較低需求量的情況下，方案二優于方案一；隨著需求量的增加，由于運輸費用的大幅度增加，方案一優于方案二。未來研究將考慮多零部件協調配送。

[1]霍佳震,陳瑤,周欣.汽車制造企業入廠物流模式設計與仿真[J].汽車工程,2007,29(4):355-359.

[2]王高霖,藺宇.零部件SPS配送的揀選區柔性分區問題[J].工業工程,2013,16(4):117-121.

[3]李彥超,涂南.基于直送看板的混流裝配線物料配送規劃與應用[J].物流技術,2014,33(3):406-409.

[4]馬士華,龔風美,劉風華.基于集配中心的生產和配送協同決策研究[J].計算機集成制造系統,2008,(14):12.

[5]左曉露,劉志學,鄭長征.汽車零部件循環取貨物流模式的分析與優化[J].汽車工程,2011,33(1):79-84.

[6]麥家驥,陳峰.基于循環取料的不確定越庫調度模型與算法[J].上海交通大學學報,2011,45(2):159-164.

Optimization of Auto Parts Distribution Route under SPS Mode

Zhan Bin,Cao Mengxin
(Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In this paper,in order to reduce the cost and improve the product assembly quality of the automobile makers,we studied the operation and optimization of the spare parts distribution process of the mixed automobile assembly line under the SPS mode,and then on the principle of just-in-time and lean production,designed the spare parts distribution route solution with logistics cost as the objective function. Then we used the GAMS software to obtain the minimal value of the objective function under different demand conditions and accordingly analyzed and optimized the route solution.At the end,we demonstrated the whole process in connection with a numerical example.

SPS mode;automobile spare parts;distribution route

F252.14;F407.471

A

1005-152X(2016)12-0141-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.033

2016-11-06

詹斌（1966-），男，湖北武漢人，博士，教授，研究方向：交通運輸規劃與管理；曹夢鑫（1993-），女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：交通運輸規劃與管理。