基于Flexsim的汽車零部件包裝流水線仿真優(yōu)化

劉仁前，周溪召 （上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

每輛汽車都會(huì)用到數(shù)萬個(gè)零件，零部件的供應(yīng)及其管理直接影響整條產(chǎn)業(yè)鏈，迄今為止汽車仍然是大規(guī)模生產(chǎn)的民用產(chǎn)品之中最為復(fù)雜的一種。對(duì)生產(chǎn)過程的仿真優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前學(xué)者們利用仿真軟件進(jìn)行研究的方法主要有如下幾種：

有簡(jiǎn)單地運(yùn)用軟件模擬生產(chǎn)系統(tǒng)找出問題所在的。余流等人將生產(chǎn)線系統(tǒng)涉及方案轉(zhuǎn)換為Flexsim模型，找出方案中空閑率高的實(shí)體，以便對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)[1]。

有直接驗(yàn)證優(yōu)化方案可行性的。孫影慧等人使用Flexsim對(duì)優(yōu)化后的流水線進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方案的可行性[2]。馬云等人針對(duì)幾個(gè)影響流水線投產(chǎn)排序的因素運(yùn)用Flexsim仿真軟件進(jìn)行了研究，找出了尋求較優(yōu)投產(chǎn)排序的方法[3]。張洪亮等人先使用工業(yè)工程手法為某電機(jī)廠提出改善措施，然后使用Flexsim進(jìn)行了驗(yàn)證[4]。

有先模擬生產(chǎn)系統(tǒng)，找出瓶頸進(jìn)行優(yōu)化，然后再驗(yàn)證，或者多次反復(fù)的。寶斯琴塔娜等人使用Flexsim對(duì)多條流水線的改建方案進(jìn)行多輪仿真以找到合適的改建方案[5]。龔立雄等人對(duì)涂裝流水線進(jìn)行仿真，找到工藝瓶頸并優(yōu)化，再次仿真驗(yàn)證了優(yōu)化方案，流水線達(dá)到平衡[6]。謝旦嵐等人利用Flexsim建立動(dòng)態(tài)仿真模型，通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新模式在實(shí)體總體空閑率和各小時(shí)利用率指標(biāo)上均優(yōu)于當(dāng)前作業(yè)模式[7]。曹國安等人使用Flexsim對(duì)某汽車轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間進(jìn)行仿真，并針對(duì)仿真發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化，然后再次仿真，為方案實(shí)施提供依據(jù)[8]。江小云等人使用Flexsim對(duì)汽車軸承支架生產(chǎn)線進(jìn)行模擬仿真，初步找出問題和改進(jìn)方向，再以增產(chǎn)為目的，新增設(shè)備、調(diào)整人員和設(shè)備，仿真驗(yàn)證方案可行性，最后以實(shí)際改造結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比說明了仿真結(jié)果的可靠性[9]。李軍等人依據(jù)作業(yè)測(cè)定技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合Flexsim仿真技術(shù)分析檢包線瓶頸，運(yùn)用方法對(duì)檢包線進(jìn)行平衡分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過Flexsim建立優(yōu)化后的檢包線仿真模型驗(yàn)證其有效性[10]。

還有創(chuàng)新應(yīng)用以解決非常規(guī)問題的。楊銀等人用Flexsim對(duì)難以求解的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證模型的有效性[11]。尹超等人將基于Flexsim的三位可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到某汽車零部件制造企業(yè)，用以克服常規(guī)二維圖表和數(shù)據(jù)報(bào)表在小批量機(jī)加車間生產(chǎn)任務(wù)跟蹤中的可視性差和不實(shí)時(shí)的缺點(diǎn)[12]。

某汽車零部件企業(yè)給汽車主機(jī)廠供貨，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，出庫前需要將產(chǎn)品裝入運(yùn)輸包裝箱。包裝包含了內(nèi)襯和外箱（如圖1所示），內(nèi)襯是指適應(yīng)產(chǎn)品形態(tài)起到保護(hù)和固定作用的包材，外箱是起到防撞、防水、防塵等作用的便于裝卸搬運(yùn)的容器。企業(yè)通常會(huì)根據(jù)外箱大小及產(chǎn)品尺寸來決定一箱裝多少件產(chǎn)品及需要幾件內(nèi)襯。

該企業(yè)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地的情況將某系列產(chǎn)品的包裝車間布局成如圖2所示的格局，該系列4種產(chǎn)品制造完成后從隔壁生產(chǎn)車間輸入到包裝流水線進(jìn)行包裝作業(yè)。供應(yīng)商根據(jù)用料計(jì)劃將包裝材料送進(jìn)車間一側(cè)的小倉庫，包裝工人會(huì)用叉車將包裝運(yùn)到包裝流水線。產(chǎn)品包裝完成之后會(huì)被運(yùn)送到成品區(qū)準(zhǔn)備裝車發(fā)運(yùn)。

圖1 某種型號(hào)包材示意圖（左：包裝箱，右：內(nèi)襯）

圖2 包裝車間布局圖

包裝作業(yè)車間目前存在一些問題需要進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 現(xiàn)狀及問題描述

1.1 現(xiàn)狀分析

車間建筑物的情況：除一側(cè)可開門、開墻外其他墻面由于鄰近建筑物限制不可改動(dòng)，門口有一塊備用區(qū)域用來存放廢料和給叉車充電。

車間設(shè)施設(shè)備及人員的情況：4條傳送帶將前道工序的產(chǎn)品導(dǎo)入包裝流水線、租用的4臺(tái)叉車（含叉車工）分別負(fù)責(zé)各成品線的包材及產(chǎn)成品裝卸搬運(yùn)，4臺(tái)包裝機(jī)（各含1名包裝工）負(fù)責(zé)包裝作業(yè)。

包裝方案：一箱產(chǎn)品1需要一套外箱（T）和2件內(nèi)襯（N），一箱產(chǎn)品2需要1套外箱（T）和3件內(nèi)襯（N），一箱產(chǎn)品3需要1套外箱（T） 和3件內(nèi)襯（N），一箱產(chǎn)品4需要1套外箱（T） 和1件內(nèi)襯（N）。

表1 包裝BOM清單

包裝材料（簡(jiǎn)稱包材）供料計(jì)劃：包材按生產(chǎn)計(jì)劃提前供貨，一天以8小時(shí)計(jì)，其中包裝類型1和類型4每半天供一次貨，包裝類型2和類型3每天早上供一次貨。

車間目前生產(chǎn)情況：每個(gè)工作日生產(chǎn)并包裝1、2、3、4四種成品約35箱、26箱、21箱和35箱。

1.2 問題描述

主要是車間內(nèi)存在實(shí)物流規(guī)劃、安全等問題。運(yùn)輸包裝的線路和運(yùn)輸產(chǎn)品的線路存在交叉，實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中經(jīng)常發(fā)生等待甚至碰擦事故，降低了運(yùn)輸效率。包材存儲(chǔ)區(qū)離實(shí)際包裝作業(yè)區(qū)域較遠(yuǎn)，頻繁依靠叉車長距離搬運(yùn)，效率不高。

沒有固定的問題件處理流程。包裝流水線沒有專門的檢查點(diǎn)，也沒有應(yīng)對(duì)問題包裝返工的流程。

2 改進(jìn)措施及仿真評(píng)估

2.1 改進(jìn)措施

針對(duì)上述問題，對(duì)包裝進(jìn)入和存儲(chǔ)位置進(jìn)行調(diào)整，將包材上貨流水線與產(chǎn)品導(dǎo)入流水線平行放置（如圖3所示），從而避免產(chǎn)品和包材在運(yùn)輸中相互干擾，提高運(yùn)輸?shù)陌踩约靶省Ｔ摳倪M(jìn)方式對(duì)產(chǎn)品導(dǎo)入的影響很小，基本不影響前道工序，且僅需調(diào)整包材貨架位置，不需要新購材料。

圖3 包材貨架與產(chǎn)品傳送帶平行

將備用區(qū)域改造成檢驗(yàn)及分揀裝車區(qū)域，沒問題的包裝將會(huì)被自動(dòng)分揀并傳送到裝車處，如若有異常，則經(jīng)過拆解處理然后通過高層傳送帶在不干擾正常產(chǎn)品和包材入庫作業(yè)的情況下回流到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品貨架和包材貨架（如圖4所示）。

圖4 分揀及問題件拆解返工

2.2 相關(guān)成本的變化

新增成品運(yùn)輸、分揀和問題件拆解返工三段傳送帶。

新增一名檢測(cè)員。

新增一臺(tái)問題包裝拆解機(jī)器。鑒于歷史錯(cuò)裝率很低，所以檢測(cè)員和拆解工設(shè)為同一人，檢測(cè)員在包裝作業(yè)停工的間隙到旁邊的拆解機(jī)對(duì)問題包裝進(jìn)行拆解作業(yè)。

叉車和叉車工數(shù)量持平。

包裝機(jī)和包裝工數(shù)量持平。

包裝存儲(chǔ)貨架數(shù)量持平，僅移動(dòng)位置并重新組裝。短期成本稍高，但是長期來看是劃算的。

2.3 模型建立

模型如圖5所示：

模型建立之后，還需要將從包裝車間采集的相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)賦值給模型中的實(shí)體。

工作日一天以8小時(shí)計(jì)，合28 800秒。類型1包裝和類型4包裝每半天供一次貨，即每14 400秒供一次貨，第一次供貨在0秒的時(shí)刻，第二次供貨在14 400秒的時(shí)刻。類型2和包裝類型3包裝每天早上供一次貨，即每86 400秒（合24小時(shí)）供一次貨，第一次供貨也是在0秒的時(shí)刻。詳細(xì)的供貨周期及數(shù)量見表2：

從前道工序了解到的關(guān)于該系列4個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率（按箱計(jì)算）即導(dǎo)入到包裝流水線的到達(dá)參數(shù)如下：

（1） 產(chǎn)品1的到達(dá)時(shí)間間隔：exponential（ 0,450, ）0；

（2） 產(chǎn)品2的到達(dá)時(shí)間間隔：exponential（ 0,820,0 ）；

（3） 產(chǎn)品3的到達(dá)時(shí)間間隔：exponential（ 0,1 000,0）；

（4） 產(chǎn)品4的到達(dá)時(shí)間間隔：exponential（ 0,480,0 ）。

包裝機(jī)加工時(shí)間分別為600秒/箱、700秒/箱、700秒/箱和450秒/箱。叉車搬運(yùn)速度最高為1.3米/s，約合4.68公里/小時(shí)。

包材貨架的容量均為套箱貨架32套、內(nèi)襯貨架96件，現(xiàn)實(shí)中也約為3倍的關(guān)系。

2.4 仿真結(jié)果分析

模型運(yùn)行一天后，導(dǎo)入包裝流水線的各產(chǎn)品數(shù)（發(fā)生）數(shù)分別為：39箱，28箱，21箱，41箱。最終完成打包的4種成品（吸收） 數(shù)分別為：38箱，27箱，21箱，40箱。各產(chǎn)品分別增產(chǎn)8.57%、3.85%、0.00%和14.29%。

仿真后軟件主要實(shí)體參數(shù)如下：

表3顯示，作為關(guān)鍵工序的打包機(jī)始終較為繁忙，而叉車則較為空閑。實(shí)體之間的繁忙程度不一，這與包材及產(chǎn)品特性有關(guān)。

改進(jìn)措施在解決包裝作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)混亂的同時(shí)，總產(chǎn)量也有了不同程度的提高，這驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

表4顯示了發(fā)生器，即包材供應(yīng)和產(chǎn)品導(dǎo)入方面的數(shù)據(jù)，可見，阻塞率有高有低，這說明，如果后道工序能夠提高效率，整條流水線的產(chǎn)能還有大幅提升空間。

圖5 包裝車間模型

表2 包材供貨周期及數(shù)量

表3 仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 發(fā)生器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 總結(jié)與展望

分析現(xiàn)狀并找到幾個(gè)主要的問題，提出合乎場(chǎng)地條件和生產(chǎn)狀況的改進(jìn)措施并進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，仿真結(jié)果顯示改進(jìn)措施不僅解決了現(xiàn)場(chǎng)混亂的局面，還不同程度地提高了產(chǎn)能，結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性，還找到了未來的改進(jìn)方向。

在空間限制的情況下，該流水線未來可以考慮縮小保存存放區(qū)域、增加包裝機(jī)及操作工來提高包裝作業(yè)能力，然后通過供應(yīng)商管理庫存的方案實(shí)時(shí)共享包材庫存數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)小批量多批次供貨。新的叫料方案能動(dòng)態(tài)地在增強(qiáng)流水線作業(yè)可靠性、提高產(chǎn)能和降低成本之間找到平衡點(diǎn)。

本文沒有深入結(jié)合前道生產(chǎn)工序，因而沒能做到全局優(yōu)化。限于篇幅限制，沒有進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)生器端數(shù)據(jù)變化對(duì)包裝車間總產(chǎn)能的影響及程度。以上這些不足將在未來的研究中展開。