基于汽車MES生產管理系統的精益物流應用研究

楊立峰，程 瓊，施喆晗，楊海深，史云斌

（1.杭州職業技術學院，杭州 310018；2.杭州益維汽車工業有限公司，杭州 310018）

基于汽車MES生產管理系統的精益物流應用研究

楊立峰1，程 瓊1，施喆晗2，楊海深2，史云斌1

（1.杭州職業技術學院，杭州 310018；2.杭州益維汽車工業有限公司，杭州 310018）

為了解決多車型混線生產、線邊物流困難、停線待料的汽車制造廠生產難題，提出通過對汽車生產線的MES系統的改造，采用條碼和RFID識別的兩種方式實現對線邊物料、當日庫狀態信息化，實現總裝生產管理的透明化、實時化。通過PBS區車輛排序入庫手段，借助運籌學的貪婪算法手段，逐步解決廠內物流不暢的問題。通過WEB網頁信息發布平臺，拉動供應商完成安全庫存的及時生產和供給。通過SPS撿貨區設置，解決預裝大部件線物料需求，有力支持總裝主線的提產要求，已有效降低總部沖壓車間的異地庫存數，達到精益生產的目的。

MES系統；RFID；運籌學；物流管理；貪婪算法；精益生產

0 引言

現在汽車行業的競爭是產業鏈的競爭，也是產業鏈運行效率的競爭。汽車產業的產業鏈長，供貨、物流環節多，加上多數生產線都是混線生產，原有的管理方式已經不能保證生產的有效進行。汽車物流的復雜程度、相關的零部件數量、技術要求的準確性方面都是最高的。因此，采用分布式制造執行系統MES（manufacturingexecutive system）和運籌經濟化物流系統相結合的策略，才能應對當前現生產中的復雜問題。實現生產線的管理狀態透明化，利于整個產業鏈的聯動和及時供貨，追求“零庫存”和“準時化”（Just in Time，JIT）生產的有效保證。需要對廠內物流進行路徑的設計、優化，逐步降低物流的流轉時間，減少送貨次數，對有效的降低汽車生產成本和供應商的運輸成本有現實經濟意義。參見圖1汽車廠內物流拉動廠外物流。

1 在汽車大規模生產需要借助MES系統優化

智能制造首先要求生產過程的數字化、網絡化，在數字時代發展模式下車間生產調度目標是最優化和低成本、敏捷化、高質量化。在分布式制造執行MES系統對生產線物流送料過程進行優化控制。經過對杭州益維汽車工業有限公司上線物流現狀，研究發現存在以下問題：

1）制造廠內部物流急需優化，滿足年產10萬臺的產要求，從日產50臺提高到180臺送貨要求，減少物流小車的數量，提高運送效率。

2）改變線邊和部件庫僅滿足24臺套的物料存儲，出現過線邊庫物料用盡停線問題。

3）缺少生產過程數據例如當前設備的狀態監控，在關鍵重要工位數據存在人工差錯。

4）由于質量問題的產品出現按燈停線，對發生質量缺陷的產品缺少追溯自動查詢等。

5）上下游供應商缺少公用庫存、采購信息平臺，上線生產信息不透明。

經過調研將逐步在焊裝、涂裝、總裝都進行MES系統的上線改造工作。第一階段，利用涂裝和總裝PBS（Painted Body Storage）區的98工位，作為生產調度、緩存部位，在車身的吊具上安裝RFID跟蹤車身的位置，采集、控制車身的進入排序。并將MES系統采集PBS控制生產排序數據，傳遞給采購系統進行集成，生成零部件供應訂單的精確到小時和顏色，按計劃進行2天滾動發布。通過在當日庫378庫位分揀過程中，庫位邊需求燈指示點亮，實現線邊小時送貨需求補給，保證R02車輛VIN碼與發動機、變速箱、后橋、轉向機、頂棚、座椅、地毯和儀表臺等大部件、大體積的關鍵零部件物流協調，并達到24臺/次送料一次。實現車輛信息VIN采集與關鍵零部件追溯系統綁定。可通過連接如擰緊機、加注機等設備控制系統實現上料的確認并自動完成數據采集，實時統計車間采集設備數據，監控在制品生產狀態和質量狀態，同時，可利用條碼自動識別技術實現員工的生產狀態監督和現場質量檢驗狀況的監控。如圖2所示。

圖1 汽車制造廠的廠內、外物流和信息流

第二階段，實現與集團總部的沖壓車間MES系統鏈接，將焊裝的車間主焊線的需求作為拉動的起始點，實現沖壓車間的按需生產，降低由于中間物流轉運環節，導致現生產中，沖壓件庫存過大的問題，把更多產能協調給其他基地使用。最終開通四大工藝的生產狀態的WEB端，實現集團內部對于生產狀態的實時化、透明化，均衡化，讓MES系統成為拉動整個車型生產環節產業鏈的發動機，溝通上下游的信息互鏈。縮短產業鏈的總體生產周期，實現車型生產量的有效指揮。

2 按照工廠實際流程實現MES系統有效控制

2.1 條碼系統共管理和構架

當前在杭州益維汽車工業有限公司的情況如下，需要完成總成裝配R02車型零部件1054種、1652個，需要對生產線上的車輛信息進行編碼，對關鍵零部件信息進行現場鎖定，形成車輛唯一性編號；為后續的車輛下線統計、檢測線信息輸入、終檢信息、車輛入庫信息、合格證打印、制造部統計以及財務統計的信息采集提供輔助，減少人工輸入量，加快信息采集的速度。因此，車輛RFID識別和零部件條碼條碼管理是所有管理工作的基礎。

圖2 MES系統的信息化改造階段計劃

2.1.1 車輛RFID識別

在焊裝車間車身打刻VIN碼的工位，同時完成車輛紙質標簽的打印、RFID芯片的寫入工作，并將這兩個作為隨車文件進入流轉。在焊裝車間出口，通過RFID技術對來實現對車身信息的綁定、識別。進入涂裝車間后，RFID芯片隨車身流轉，完成涂裝后，在PBS區域通過RFID讀寫頭，將車身信息（VIN）同車身文件進行校核，并綁定在一起，并在關鍵滑撬位置讀出車身信息，以達到車輛調度的信息支持。如圖3所示。

圖3 車輛的VIN條碼

涂裝PBS全部是滑撬模式，在采集生產上線排序，系統通過對進入整個PBS區域每一個完成噴涂白車身信息逐個采集，獲取涂裝下線的車型信息和具體的車型存在于哪個PBS區域，員工迅速按照次序的將其送上總裝懸掛鏈。

在總裝車間的車輛出廠銘牌打刻工位，讀取RFID芯片中的VIN碼，杜絕人為差錯。

2.1.2 零部件條碼條碼管理

條形碼標簽內容包括：物料標簽（各類外購件、外協件、原材料和半成品、成品等）部件條形碼標簽要求由兩部分組成，為兩段式條碼，一部分固定在零件上，另一部分則可撕下，粘貼于《隨車檢驗卡》上；一個零部件的總成包括多個安全組件，可要求使用三段式條碼，其中一部分固定在零件上，另一部分則固定在總成件上，還有一部分則可撕下，粘貼于《隨車檢驗卡》上。根據GB/T12908-1991三九條碼，條形碼的編制規則，條碼編碼規則定義：條碼標簽根據原材料、標準件、產成品等類型，根據產品屬性生成條碼標識。如下為部分標簽樣式：

條形碼有供應商代碼、零部件代碼、生產日期碼、流水碼、校驗碼四部分共30位組成，具體形成如下：零部件代碼由14個字符組成，如零部件代碼：3603010-P01B1、4100001BA-R02。

字符的組成如圖4所示。

圖4 供應商使用的零部件條碼

2.1.3 單據條碼標簽

單據編號自動生成條碼，便于掃描單據條碼自動調出單據。

2.1.4 庫區庫位條碼標簽

分為庫區條碼標簽、庫位條碼標簽和周裝箱條碼標簽。

2.1.5 工藝流程配置單條碼標簽

對現行工藝配置單進行條碼化管理，打印帶條碼。

整個物流條碼管理的系統功能圖如圖5所示，需要逐步實現。

圖5 物流條碼管理的系統功能圖

圖6 銷售、生產訂單處理流程圖

2.2 生產訂單管理流程

首先對外來的銷售訂單進行工藝分析，依據生產工藝BOM拆分銷售訂單為采購訂單，生產管理部門給出所需的VIN范圍，總裝車間的MES系統按照PBS區排定的上線次序，發出當日庫需要備料數量、顏色，轉化為次日送料BOM。當日庫根據已經上線的車輛的即時信息，發布車間生產指令的動態信息，對現場的按燈系統的需求及時處理和應對。按照月度生產計劃和周計劃數量與當前庫存校核，形成安全庫存需求報表發送采購部。訂單處理流程如圖6所示。

MES系統生產看板管理總裝車間采用LED大屏或液晶顯示屏方式展現，領導可通過電腦實時進行查看，實時把握生產中的每個環節。綜合報表實時展現了生產現場的第一手過程數據，并對產線即時產量、工序產出率、設備和人員的作業狀況進行匯總分析，為生產執行狀況和產品品質改善與提升提供了有效的評估依據。例如，當前3月的生產計劃表（含顏色配置訂單）如圖7所示。

采購部依據月度生產計劃、周計劃、安全庫存，按照工藝BOM的要求拆解為月度采購計劃、周計劃、2天上線庫存需求，通過MES系統采購看板發布給供應商。

2.3 利用運籌學的貪婪算法優化廠內物流

2.3.1 廠內物流車輛的狀態

當前在杭州益維汽車工業有限公司的情況，總裝車間需要完成總成裝配R02車型零部件1054種、1652個，存放在當日庫378庫位中，分別要送到72個不同工位。需要將R02/P01物流拆分為24臺/次，一天四次送料，實現實時拉動配送。現在人工管理的方式實現送料50～100臺/天，按照混線生產的提產要求，當前目標送料180～260臺/天。參見廠內物流走向規劃圖圖8。

圖7 3月的生產計劃表（含顏色配置訂單）

圖8 制造廠廠內物流走向規劃圖

2.3.2 核定廠內物流使用最少車輛數量

貪婪算法是基于鄰域搜索技術，逐步構造最優解的方法，在構造解的過程中每一步都在一定的準則（greedy criterion：貪婪準則，也稱貪婪因子）下采取最優決策，決策旦做出就不再更貪婪。算法的關鍵就是貪婪準則的確定。貪婪算法本質上是一種局部搜索算法，因而其結果一般情況下是近似最優解[4]。送貨小車車輛經過由MES系統需求點亮的庫位時，車輛可以卸下盡可能多的空箱數，或者不卸下空箱；對于取走實箱，也可以盡可能多地取走、部分取走，或者不取走。為了保證運輸車輛的裝載狀態的最大化，貪婪轉移是指在送貨小車車輛卸下盡可能多的空箱，同時盡可能多地取走實箱的情況下，車輛的狀態和供貨點的狀態的變化。利用貪婪算法得出規定時間廠內物流使用最少車輛。

設物流小車A在當日庫中（既是從起始點i=0，也是最后一個點i=n+1）要到n個撿貨點處，需要在撿貨點i（i=1，2，…，n）處取走實箱ci箱，卸下空箱di箱，再送到到總裝線72工位上（即返回點i=n+1），如何用最少的車輛來運輸，使得總的撿貨行駛距離為最小，是計劃物流小車A需要考慮的問題，假設用m輛車來運輸，車輛的裝載量都是g。為此，在MES系統中的計算模型需要提供車輛三方面的信息：

1）庫位號信息，要到378庫位哪幾個庫位點處取走實箱和卸下空箱？經過這些供貨點的次序是怎么樣的?那個零件在哪一個庫位存放？

2）物料數量信息，在到達的供貨點處把隨車帶去的空箱卸下多少箱，然后實箱取走多少箱，才能做到總的料箱平衡？物料需要取走幾個？

3）轉運時間信息，根據今天產量除以車輛承載數，得到需要到達總裝線次數，8小時分割為必須滿足的幾個“時間窗”，來推算車輛在起始點發車的時間和到達有關主線邊存貨點處的時間。

在一個時間窗內，需要的最少車輛數是[1]：

2.3.3 貪婪算法

生產物流配的貪婪算法準則1：最近點完全拼車算法。

這個算法有兩方面貪婪：一是選擇行走取件距離最短的當日庫位，二是車輛在當日庫位處實行狀態的貪婪轉移算法。按照配送車輛按當日庫位距離工位的遠近距離，由近及遠依次配送，依據不同的零件的庫位所在的是底盤零件庫或者內飾件庫，找到最短路線。當日庫位由MES系統控制點亮需要取件的庫位燈，物流小車A在當前的時間窗需要取貨（取走實箱），或者為以后的時間窗取貨需要在當前的時間窗送去料箱（卸下空箱）。

生產物流配的貪婪算法準則2：最遠點完全拼車算法。

生產線已經開始運行，當出現某一線邊庫安全數量報警，需要補充物料，把新的需求增加給將去當日庫取件的配送車，并點亮該的零部件的取件庫位燈。保證最遠處當日庫位也有足夠經過的車，從而可能使總的行駛距離最小，由于距離滿足三角形中兩邊的和大于第三邊，所以，從起始點先選擇最遠的點亮的，實行貪婪狀態轉移，即盡可能多地卸下空箱，同時盡可能多地取走實箱；如果以后物流小車A還要選擇當日庫位的話，都是選擇與這個當前供貨點最近的供貨點，直到車輛返回終點、這樣提出最遠點完全拼車算法，其可能比貪婪算法準則1要好，當前杭州益維汽車工業有限公司在實際生產的物流配送安排中，首先“滿足”最遠點亮取件庫位，再考慮其他取件庫位。

提產前日產52臺，JPH為=6.5臺，一天4次送料，每兩個小時送料一次，零部件455種，車輛的裝載量g=9個，經過計算在首次送貨后，需要物流小車A的數量48臺。

提產后日產180臺，JPH為=22.5臺，一天16次送料，每半個小時送料一次，零部件455種，車輛的裝載量g=9個，經過計算在首次送貨后，需要物流小車A的數量72臺。

為了進一步提高物流供件的效率，對當日庫的零部件布局進行調整，14個桁架按照三個組合，分別對應內裝飾一線、內裝飾二線、底盤線、成車線，車門線的零件歸在二樓零件庫中。這樣減少了物流小車A在當日庫撿貨的路線的長度，減少小車的重復路線。

2.3.4 建立分部件、預裝分總成的SPS供件流程

在總裝車間預裝分總成包括：車門總成、油箱、儀表臺、R02前懸掛總成、前端模塊（含保險杠）、輪胎、動力總成，在物流供件種類354種是需要單獨考慮，他們的需求是獨立于總裝配線。這些是屬于SPS件：SPS（Set Parts Supply）是根據裝配線的生產需要成套排序供給的物料集合。通常SPS件采用的專用物流周轉容器稱為SPS小車，每一輛SPS小車上都是某段生產線單臺套生產所需要特定物料。由于SPS區臨近生產線，SPS揀貨區的物流作業人員按照生產指示（該指示根據車輛順序生成并按下線實績控制進度）在貨架上揀取一套零部件放于SPS小車中，并用臺車送到線側，實現部品小批量多頻次的輸送，循環流轉。具體參見SPS小車配料、取件過程圖如圖9所示。由于車門總成是在總裝二樓裝配，因此，在總裝二樓專門設置車門線的送貨區。

設定SPS揀貨區：用于分揀SPS物料的區域，通常SPS小車由SPS揀貨區出發被送至生產線邊。為保證預裝大部件能夠配合主線的節拍需求，要求預裝大部件比主線快2個總成以上，即預裝大部件實現等待上線，車門預裝線仍然保證一對一的節拍。

3 結束語

只有汽車制造主機廠的指揮棒能夠精細化，防止因

圖9 SPS小車配料、撿件流程圖

【】【】汽車產業鏈“長鞭效應”導致的浪費。應用MES系統使得供應商P01的保險杠庫存量下降21%。下沙R02車型承制的保險杠生產線及時了解生產信息，按照2小時的需求數量、顏色的進行批產，杜絕停線待料問題的發生。借助RFID技術，對生產過程控制、跟蹤和有效管理，嚴格制造資源包括相關的人、物料、設備等的優化配置。滿足混線生產日產240臺要求。實現總部沖壓車間零部件在制品庫存降低30%；R02車型生產節拍從6分鐘縮短至3.5分鐘，達到防止浪費、開源節流、精益生產的目的。利用運籌學的貪婪算法優化廠內物流的方法，實現生產物流小車數量最小化。

[1] 唐國春,劉小卉.運籌學在汽車零部件入廠物流中的應用[J].運籌學學報,2015,(05):127-129.

[2] (美)Frank Thronton,Brand Haines.無線射頻識別系統安全指南[M].游占清,戴青云,陳淘,等譯.北京:電子工業出版社,2005.

[3] MESA International.MES Functionalities & MRP to MES Data Flow Possibilities[M].1997.

[4] 劉紀岸,周康渠,宋李俊,張瑞娟.基于貪婪算法的摩托車生產物流配送規則優化[J].制造業自動化,2010(05).

[5] 范靜,唐國春.同時收發運輸路徑問題的禁忌搜索算法[A].中國運籌學第九屆學術交流會論文集[C].南京:徐州師范大學,293-300,2014.

[6] Adler D J, Herkamp J, Dan H, et al. Does a Manufacturing Execution System reduce the cost of production for bulk pharmaceuticals?[J].Isa Transactions,1995,34(4):343-347.

[7] MESA International.Controls definition & MES to controls data flow possibilities[M].2000.

[8] MES solutions-Siemens plans modular.Control Engineering[M].2008.

Study on MES system promotional lean logistics process on automobile mass manufacturing

YANG li-feng1, CHENG Qiong1, SHI Zhe-han2, YANG Hai-shen2, SHI Yun-bin1

F426.471；F253.7

：A

1009-0134(2017)03-0011-06

2016-11-03

楊立峰（1971 -），男，陜西咸陽人，高級工程師，工學學士，研究方向為汽車制造技術、汽車新能源技術應用和汽車專業職業教育。