基于流水線平衡的多品種少批量生產線平衡與仿真

【摘要】從流水線平衡的基本概念出發，針對目前企業多品種少批量生產線的平衡問題展開討論，在分析傳統流水線平衡法的基礎上，引入瓶頸工序的工位數作為修正參數，修正工作地的設計，建立多品種小批量混合生產線平衡模型，最后通過實例數據仿真驗證了方法的有效性。

【關鍵詞】生產線平衡；瓶頸工序；節拍；Witness仿真

流水線平衡法是目前采用最廣泛的一種流水線設計方法。從Brytonb的單品種流水線的平衡設計到現在Davdi.w.He和Andrwe.Kusika[6]的多品種流水線的平衡，從早期的Baybars，Ghosh和Gagnon提出的啟發式算法（Heuristi Procedure）到現在的遺傳算法與模擬退火算法的運用。經過眾多學者的努力，對于流水線的設計產生了許多非常有效的方法。不過，總的來說，這些方法主要集中在單品種、大批量的流水生產線的設計。而對于產品的產量與生產時間的波動性特別大的訂單生產，傳統的一些設計方法已不能適應多品種裝配流水線設計的要求。因為基于訂單的生產對企業的生產系統的柔性提出了更高的要求，如生產設備的柔性化、高效的物流調度、人員的多崗位適應性等。本文就采用流水線平衡方法，對多品種裝配流水線進行平衡分析，并運用Witness仿真軟件進行平衡仿真，最后結合實例數據給出驗證結果。

1、流水線平衡方法與步驟

運用流水線平衡方法進行流水線的設計是一項比較成熟的技術，具體的講，首先計算流水線的生產節拍，然后根據節拍計算流水線的需要的工作站數量。但是，如何把這項技術運用到多品種混合裝配流水線的設計上，這是面臨的一個核心問題。本文引入混合生產線的瓶頸工序，以瓶頸工序的工位數為修正參數，修正流水線工作地的設計。

1.1 計算流水線設計節拍

按節拍生產是流水線生產的一大特點，節拍也是流水線設計的重要指標。對于單品種流水線而言，所謂流水線的節拍是指流水線上前后生產出兩個相同的產品的時間間隔，當流水線的運輸批量為1時，節拍可按下式計算。

式中：C--流水線節拍；W --全部工序時間；ti--i工作地工序時間；ni--i工作站并行作業工人數，N0 —瓶頸工序工位數。裝配流水線為了使流水線各工作站的作業時間小于流水線節拍時間，會存在多個作業人員并行工作的情況，因此流水線工作站的人數并不一定相同，多品種輪換或混流工作站會發生變化。

1.4 流水線平衡的評價

一般流水線是否平衡采用流水線負荷率進行評價，流水線負荷率在75%以上即可認為滿意。若達不到這個比率，則需設法改進，重新對流水線進行平衡。用同樣辦法，也可計算每工作站的負荷率，通過工作站負荷率可檢查負荷分配的均衡性。若負荷分布不均衡，也需重新調整作業元素的分配，即使總的負荷率略有降低，也是值得的，因為這有利于今后產量的提高，也有利于員工積極性的調動。計算流水線負荷率由式（4）計算。

2、多品種混合生產線平衡設計

G公司產品主要有兩類：A類、B類。兩類產品盡管有多種不同型號，但是同類產品的組裝工序差別很小，“多品種可變流水線”分別以同類型號產量最大的作為代表產品分別進行流水線平衡設計。通過運用5W1H提問技術以及ECRS優化技術，對各型號產品整個生產工藝流程進行分析整理、標準化后采用秒表時間研究進行測時，確定工序時間，作為流水線平衡設計的依據，工藝流程如表1所示。

2.1 生產線的平衡計算

A類產品生產線生產能力設計要求月產量不低于18000件，約為原加班生產量的2倍；B類產品設計月產量不低于12000件，約為原加班生產量的2倍。日有效生產時間為7小時，平衡計算表如表2，根據計算結果，優化平衡裝配線的結果如表3。

2.2 改造方案生產能力分析

整個生產線經過重新設計后，試運行后，產能指標完全達到設計要求。同時也滿足企業改造前提出的不增加生產人員，產能翻倍的改善要求。從表2表3可以看出，通過生產線平衡，獲得的直接效益：

（1）日批量流水生產極大地減少了在制品庫存，改善現場管理秩序，工序作業標準化，定編定崗，提高了產品質量；

（2）減少人工消耗，由原來的18人減少到12人；

（3）不增加成本的情況下產能獲得成倍提升；生產周期顯著縮短，每天均有產品下線，合理安排輪番生產，可以隨時滿足市場對產品多樣性的需求，提高了顧客滿意度；

（4）采用日批量制，生產組織可以滿足臨時小訂單的插單生產，生產組織比較靈活；

（5）扭轉了經常出現的不能按時交貨、長期加班加點的不利局面，降低了生產成本。

3、多品種少批量混合生產線平衡仿真

3.1 系統流程描述

根據前述生產線的平衡，并公司半年訂單的統計數據分析，公司訂貨量大的產品為A型號、B型號，兩種產品的投入批量為10，2。產品作業的每道工序（5個工作地）的平均服務時間如表4所示。

3.2 仿真模型假定

對于復雜系統的建模分析無法反映全部現實系統，仿真模型也不是全部現實系統的重復或預演，因此必需對模型進行合理的簡化假設，同時為了驗證模型并分析不同方案，需要一個統一的標準。對裝配線的模型做了一以下假設和定義：

（1）裝配流水線的物料供應及時；

（2）流水線的工人都可進行多工位操作，操作之間不存在動作關聯性；

（3）由于生產作業時間寬放了15%，而且車間搬運的物理距離短，因而原材料和各個工作地的輸送時間忽略不計，原料和半成品直接到達緩存區。

（4）人力資源總能滿足生產要求，生產是在原材料配套的條件下開始，即不會出現缺料停工現象；

（5）車間實行7小時工作制，早上九點到下午四點，中間生產線不中斷，全年的工作日為251天。

如果一項作業在特定時間到達生產線，發現該工作地全都忙著，該作業就在該工作地處排入一個FIFO規則的隊列，如果前一天沒有完成任務，第二天繼續加工。

3.3 模型的建立與參數設計

結合系統模型和模型假設，在Witness平臺建立仿真模型，模型中各個實體流程圖如圖1。

3.3.1 仿真系統中元素的定義

根據整個生產線平衡優化結果，仿真系統中元素的定義如表5。

3.3.2仿真模型建立

根據平衡計算數據，輸入各個元素的詳細設計界面，并設定仿真時鐘為1個工作日，即7*60=420分鐘。多產品混合裝配線（A、B按照批量為：10：5）仿真結果如圖2。

由實際改善后的生產實踐可知仿真的結果與生產基本相符合，仿真模型的誤差在1%以內，該仿真模型可滿足生產物流系統的分析，通過仿真判定生產的產品類型和數量能否滿足用戶要求，生產系統效率如何，在制造過程中，生產設備是否能夠得到充分的利用，負載是否比較平衡。

4、結論

通過引入瓶頸工序，修正流水線平衡方法，對多產品混合裝配線進行平衡，提高了生產線的平衡率，為企業節省了大量的設備、人力、場地等資源，帶來巨大的效益。在混合流水線生產中，只有從生產線的工作研究開始進行改進，然后針對整個生產線的進行平衡，才可做到真正意義的平衡。但混合裝配線的平衡率永遠不會達到100%，因而生產線的連續改進過程是一個PDCA循環的過程，需要運用IE的方法持續的改善。

參考文獻

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作者簡介

譚陽波（1982-），男，湖北洪湖人，講師，主要從事工業工程、項目管理的教學與研究。