基于流水線平衡的多品種少批量生產(chǎn)線平衡與仿真

【摘要】從流水線平衡的基本概念出發(fā)，針對目前企業(yè)多品種少批量生產(chǎn)線的平衡問題展開討論，在分析傳統(tǒng)流水線平衡法的基礎(chǔ)上，引入瓶頸工序的工位數(shù)作為修正參數(shù)，修正工作地的設(shè)計(jì)，建立多品種小批量混合生產(chǎn)線平衡模型，最后通過實(shí)例數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了方法的有效性。

【關(guān)鍵詞】生產(chǎn)線平衡；瓶頸工序；節(jié)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(shè)計(jì)方法。從Brytonb的單品種流水線的平衡設(shè)計(jì)到現(xiàn)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(fā)式算法（Heuristi Procedure）到現(xiàn)在的遺傳算法與模擬退火算法的運(yùn)用。經(jīng)過眾多學(xué)者的努力，對于流水線的設(shè)計(jì)產(chǎn)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(chǎn)線的設(shè)計(jì)。而對于產(chǎn)品的產(chǎn)量與生產(chǎn)時(shí)間的波動性特別大的訂單生產(chǎn)，傳統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)多品種裝配流水線設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)榛谟唵蔚纳a(chǎn)對企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性提出了更高的要求，如生產(chǎn)設(shè)備的柔性化、高效的物流調(diào)度、人員的多崗位適應(yīng)性等。本文就采用流水線平衡方法，對多品種裝配流水線進(jìn)行平衡分析，并運(yùn)用Witness仿真軟件進(jìn)行平衡仿真，最后結(jié)合實(shí)例數(shù)據(jù)給出驗(yàn)證結(jié)果。

1、流水線平衡方法與步驟

運(yùn)用流水線平衡方法進(jìn)行流水線的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，具體的講，首先計(jì)算流水線的生產(chǎn)節(jié)拍，然后根據(jù)節(jié)拍計(jì)算流水線的需要的工作站數(shù)量。但是，如何把這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到多品種混合裝配流水線的設(shè)計(jì)上，這是面臨的一個(gè)核心問題。本文引入混合生產(chǎn)線的瓶頸工序，以瓶頸工序的工位數(shù)為修正參數(shù)，修正流水線工作地的設(shè)計(jì)。

1.1 計(jì)算流水線設(shè)計(jì)節(jié)拍

按節(jié)拍生產(chǎn)是流水線生產(chǎn)的一大特點(diǎn)，節(jié)拍也是流水線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。對于單品種流水線而言，所謂流水線的節(jié)拍是指流水線上前后生產(chǎn)出兩個(gè)相同的產(chǎn)品的時(shí)間間隔，當(dāng)流水線的運(yùn)輸批量為1時(shí)，節(jié)拍可按下式計(jì)算。

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

1.4 流水線平衡的評價(jià)

一般流水線是否平衡采用流水線負(fù)荷率進(jìn)行評價(jià)，流水線負(fù)荷率在75%以上即可認(rèn)為滿意。若達(dá)不到這個(gè)比率，則需設(shè)法改進(jìn)，重新對流水線進(jìn)行平衡。用同樣辦法，也可計(jì)算每工作站的負(fù)荷率，通過工作站負(fù)荷率可檢查負(fù)荷分配的均衡性。若負(fù)荷分布不均衡，也需重新調(diào)整作業(yè)元素的分配，即使總的負(fù)荷率略有降低，也是值得的，因?yàn)檫@有利于今后產(chǎn)量的提高，也有利于員工積極性的調(diào)動。計(jì)算流水線負(fù)荷率由式（4）計(jì)算。

2、多品種混合生產(chǎn)線平衡設(shè)計(jì)

G公司產(chǎn)品主要有兩類：A類、B類。兩類產(chǎn)品盡管有多種不同型號，但是同類產(chǎn)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(chǎn)量最大的作為代表產(chǎn)品分別進(jìn)行流水線平衡設(shè)計(jì)。通過運(yùn)用5W1H提問技術(shù)以及ECRS優(yōu)化技術(shù)，對各型號產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析整理、標(biāo)準(zhǔn)化后采用秒表時(shí)間研究進(jìn)行測時(shí)，確定工序時(shí)間，作為流水線平衡設(shè)計(jì)的依據(jù)，工藝流程如表1所示。

2.1 生產(chǎn)線的平衡計(jì)算

A類產(chǎn)品生產(chǎn)線生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)要求月產(chǎn)量不低于18000件，約為原加班生產(chǎn)量的2倍；B類產(chǎn)品設(shè)計(jì)月產(chǎn)量不低于12000件，約為原加班生產(chǎn)量的2倍。日有效生產(chǎn)時(shí)間為7小時(shí)，平衡計(jì)算表如表2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化平衡裝配線的結(jié)果如表3。

2.2 改造方案生產(chǎn)能力分析

整個(gè)生產(chǎn)線經(jīng)過重新設(shè)計(jì)后，試運(yùn)行后，產(chǎn)能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)也滿足企業(yè)改造前提出的不增加生產(chǎn)人員，產(chǎn)能翻倍的改善要求。從表2表3可以看出，通過生產(chǎn)線平衡，獲得的直接效益：

（1）日批量流水生產(chǎn)極大地減少了在制品庫存，改善現(xiàn)場管理秩序，工序作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，定編定崗，提高了產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)能獲得成倍提升；生產(chǎn)周期顯著縮短，每天均有產(chǎn)品下線，合理安排輪番生產(chǎn)，可以隨時(shí)滿足市場對產(chǎn)品多樣性的需求，提高了顧客滿意度；

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

（5）扭轉(zhuǎn)了經(jīng)常出現(xiàn)的不能按時(shí)交貨、長期加班加點(diǎn)的不利局面，降低了生產(chǎn)成本。

3、多品種少批量混合生產(chǎn)線平衡仿真

3.1 系統(tǒng)流程描述

根據(jù)前述生產(chǎn)線的平衡，并公司半年訂單的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，公司訂貨量大的產(chǎn)品為A型號、B型號，兩種產(chǎn)品的投入批量為10，2。產(chǎn)品作業(yè)的每道工序（5個(gè)工作地）的平均服務(wù)時(shí)間如表4所示。

3.2 仿真模型假定

對于復(fù)雜系統(tǒng)的建模分析無法反映全部現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，仿真模型也不是全部現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的重復(fù)或預(yù)演，因此必需對模型進(jìn)行合理的簡化假設(shè)，同時(shí)為了驗(yàn)證模型并分析不同方案，需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對裝配線的模型做了一以下假設(shè)和定義：

（1）裝配流水線的物料供應(yīng)及時(shí)；

（2）流水線的工人都可進(jìn)行多工位操作，操作之間不存在動作關(guān)聯(lián)性；

（3）由于生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間寬放了15%，而且車間搬運(yùn)的物理距離短，因而原材料和各個(gè)工作地的輸送時(shí)間忽略不計(jì)，原料和半成品直接到達(dá)緩存區(qū)。

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

（5）車間實(shí)行7小時(shí)工作制，早上九點(diǎn)到下午四點(diǎn)，中間生產(chǎn)線不中斷，全年的工作日為251天。

如果一項(xiàng)作業(yè)在特定時(shí)間到達(dá)生產(chǎn)線，發(fā)現(xiàn)該工作地全都忙著，該作業(yè)就在該工作地處排入一個(gè)FIFO規(guī)則的隊(duì)列，如果前一天沒有完成任務(wù)，第二天繼續(xù)加工。

3.3 模型的建立與參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)模型和模型假設(shè)，在Witness平臺建立仿真模型，模型中各個(gè)實(shí)體流程圖如圖1。

3.3.1 仿真系統(tǒng)中元素的定義

根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)線平衡優(yōu)化結(jié)果，仿真系統(tǒng)中元素的定義如表5。

3.3.2仿真模型建立

根據(jù)平衡計(jì)算數(shù)據(jù)，輸入各個(gè)元素的詳細(xì)設(shè)計(jì)界面，并設(shè)定仿真時(shí)鐘為1個(gè)工作日，即7*60=420分鐘。多產(chǎn)品混合裝配線（A、B按照批量為：10：5）仿真結(jié)果如圖2。

由實(shí)際改善后的生產(chǎn)實(shí)踐可知仿真的結(jié)果與生產(chǎn)基本相符合，仿真模型的誤差在1%以內(nèi)，該仿真模型可滿足生產(chǎn)物流系統(tǒng)的分析，通過仿真判定生產(chǎn)的產(chǎn)品類型和數(shù)量能否滿足用戶要求，生產(chǎn)系統(tǒng)效率如何，在制造過程中，生產(chǎn)設(shè)備是否能夠得到充分的利用，負(fù)載是否比較平衡。

4、結(jié)論

通過引入瓶頸工序，修正流水線平衡方法，對多產(chǎn)品混合裝配線進(jìn)行平衡，提高了生產(chǎn)線的平衡率，為企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備、人力、場地等資源，帶來巨大的效益。在混合流水線生產(chǎn)中，只有從生產(chǎn)線的工作研究開始進(jìn)行改進(jìn)，然后針對整個(gè)生產(chǎn)線的進(jìn)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(yuǎn)不會達(dá)到100%，因而生產(chǎn)線的連續(xù)改進(jìn)過程是一個(gè)PDCA循環(huán)的過程，需要運(yùn)用IE的方法持續(xù)的改善。

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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(yè)工程、項(xiàng)目管理的教學(xué)與研究。