動車組車體生產物流系統建模及仿真優化

2019-06-01 03:50:20王衛紅劉同朝

制造業自動化 2019年5期

溫樂，雷斌,3，王衛紅，劉同朝

（1.蘭州交通大學機電技術研究所，蘭州 730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省物流與信息技術研究院，蘭州 730070)

0 引言

近年來，我國高速鐵路發展迅猛，在不斷滿足國內市場的同時，逐步走向了世界。在巨大市場驅動下，高速動車組的需求也與日俱增。高速動車組制造工藝流程復雜，生產物流管理難度大，生產成本較高。隨著我國智能制造戰略的實施，對制造企業生產物流管理水平提出了更高的要求。企業為了降低生產成本，提高生產效率，增強市場競爭能力，需要不斷優化生產物流系統，挖掘降低生產物流成本的潛力。對于高速動車組這校復雜的生產制造系統，要分析其生產物流中存在的問題，發現制約生產物流的瓶頸，需要對其進行建模與仿真。

生產物流系統的建模方法和仿真軟件有多種，其中Petri網建模方法具有模型界面簡單直觀、容易理解、有嚴格數學表示方法的優點，但沒有辦法滿足數值仿真所需數據類型和數據量的要求。而Witness軟件具有模型單元豐富、交互式地面向對象進行建模、提供軟件間數據接口、模塊化建模和統計性能參數動態顯示等優點，但是界面直觀度和易理解度與Petri網相比較差。把Petri網和Witness結合起來對生產系統進行研究則綜合了二者的優點，可以更好地實現系統的建模仿真[1]。

當前將Petri網和Witness結合起來對生產物流系統進行研究的文獻主要有：汪佳對某轉向器制造企業生產物流系統仿真的研究[2]；肖燕對某發動機總裝線看板生產系統的建模和仿真[3]；程俊杰對重慶建設摩托車總裝生產線的建模和仿真[4]；李曄對托輥生產物流系統的建模和仿真優化[1]。以上研究文獻針對不同生產物流系統進行了研究，但是針對動車組車體生產物流系統進行仿真優化的文獻還比較欠缺。同時，很多研究文獻只是在建模和仿真分析后找出系統瓶頸，或分析后提出建議，但對其進行優化研究還不夠。

本文基于Petri網和Witness軟件對動車組車體生產物流系統進行研究，找出了該系統中存在的瓶頸，提出了優化方案并對其進行了優化，消除了瓶頸，實現了既提高生產效率，又降低生產成本的目標。

1 動車組車體生產物流系統介紹

1.1 動車組車體結構

動車組車體主要由：底架結構、側墻結構、端墻結構、車頂結構、前端結構組成。其結構簡圖如圖1、圖2所示。

1.2 動車組車體生產裝配流程及特點

動車組車體的生產物流系統是典型的離散事件系統，其各組成結構及其總裝配生產裝配流程如圖3所示。

圖1 頭車結構圖

圖2 中間車結構圖

圖3 動車組車體底架結構生產裝配流程圖

圖4 動車組車體側墻結構生產裝配流程圖

圖5 動車組車體端墻結構生產裝配流程圖

圖6 動車組車體前端結構生產裝配流程圖

圖7 動車組車體車頂結構生產裝配流程圖

圖8 動車組車體總裝配流程圖

動車組車體生產裝配特點：動車組車體的總裝生產線屬于流水線式的作業方式，采用傳送裝置輸送零部件，在整個裝配過程中，零部件的配送以及工位的下達指令都采取的是“拉動式”的生產管理模式。

2 某工廠動車組車體生產物流系統建模

2.1 存在的問題

本文以中車某軌道交通裝備制造企業CRH3型動車組車體的總裝配車間為例，采用Petri網建模方法，利用其圖像化優點，形象地對動車組車體的生產物流系統進行建模。該車間存在的主要問題如下：

1）大部分機器的使用率均較低；

2）車底側墻結構儲存區的庫存積壓較為嚴重，這是導致生產線不平衡的原因之一，需要改進；

3）該車間在生產過程當中常常發生瓶頸現象，并且一直沒有對重要生產環節的瓶頸現象進行過科學性地有針對地分析，無法發現它的根本原因，因此也沒有辦法阻止阻塞的發生，使得生產效率很難得到提高，給車間的管理工作帶來了很大的困難。

由于上述問題的存在，使該車間的生產效率難以提高，因此針對以上問題，擬通過對零部件輸送批量和輸送間隔的調整，從生產率、機器利用率、庫存率三個指標對動車組車體生產物流系統進行改進。

2.2 動車組車體生產物流系統的Petri網模型

德國學者Carl A．Petri，1962年在他的博士論文中提出了一種用于描述事件和條件關系的網絡模型，簡稱Petri網。Petri網能夠結合簡單的圖形，可視化和直觀地描述離散事件系統的結構。它能反映系統中各種事件的邏輯關系。既可以分析系統的靜態特性也可以分析系統的動態特性[5]。當前Petri網非常成功地運用于各個領域，例如生產系統、制造系統等，已成為離散事件系統建模的主要工具之一。基于該軌道交通裝備制造企業CRH3型動車組車體加工車間生產物流系統的結構關系，建立的Petri網模型如圖9所示。

表1 動車組車體組裝的Petri網模型中各庫所含義

圖9中，“○”為庫所，“|”為變遷（即t1～t24，表示滑軌運輸）。動車組車體加工車間的Petri網模型的庫所的含義如表1所示。

庫所集P=（p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8，p9，p10，p11，p12，p13，p14，p15，p16，p17，p18，p19，p20，p21，p22，p23，p24，p25，p6，27，p28，p29，p30，p31，p32，p33，p34，p35，p36，p37，p38，p39，p40，p41，p42，p43，p44）；

變遷集T=（t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8，t9，t10，t11，t12，t13，t14，t15，t16，t17，t18，t19，t20，t21，t22，t23，t24）；

圖9 CRH3動車組車體組裝的Petri網模型

流關系F={(p1，t1)，(t1，p2)，(p2，t2)，(p3，t2)，(t2，p4)，(p4，t3)，(p5，t3)，(t3，p6)，(p6，t4)，(p7，t4)，(t4，p8)，(p8，t5)，(p9，t5)，(t5，p10)，(p11，t6)，(t6，p12)，(p12，t7)，(p13，t7)，(t7，p14)，(p14，t8)，(p15，t8)，(t8，p16)，(p16，t9)，(p17，t9)，(t9，p18)，(p18，t10)，(p10，t10)，(t10，p19)，(p20，t11)，(t11，p21)，(p21，t12)，(p22，t12)，(t12，p23)，(p23，t13)，(p24，t13)，(t13，p25)，(p25，t14)，(p26，t14)，(t14，p27)，(p27，t15)，(p28，t15)，(t15，p29)，(p19，t16)，(p29，t16)，(t16，p30)，(p31，t17)，(t17，p32)，(p32，t18)，(p33，t18)，(t18，p34)，(p34，t19)，(p30，t19)，(t19，p35)，(p36，t20)，(t20，p37)，(p37，t21)，(p38，t21)，(t21，p39)，(p39，t22)，(p40，t22)，(t22，p41)，(p41，t23)，(p42，t23)，(t23，p43)，(p35，t24)，(p43，t24)，(t24，p44}。

圖10 動車組車體總裝配的Petri網模型

圖10中，“○ ”為庫所，“|”為變遷（即t1～t5，表示滑軌運輸）。動車組車體加工車間的Petri網模型的庫所的含義如表2所示。

表2 動車組車體總裝配Petri網模型中各庫所含義

庫所集P=（p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7，p8）；

變遷集T=（t1，t2，t3，t4，t5）；

流關系F={(p1，t1)，(t1，p3)，(p2，t2)，(p3，t2)，(p4，t3)，(t2，p5)，(p5，t3)，(t3，p7)，(p6，t4)，(p7，t4)，(t4，p9)，(p8，t5)，(p9，t5)，(t4，p10)}。

3 基于Witness的某工廠動車組車體生產物流系統仿真及優化

Witness是由英國Lanner公司開發的功能非常強大的仿真軟件平臺。它不但可以用于離散事件系統的仿真，而且可以用于化工、液壓等連續流體系統的仿真。Witness提供了多個建模元素，方便離散型生產系統的建模和仿真。而且該軟件采用的是面向對象的交互式的建模方法，使仿真簡單易行[5]。

3.1 仿真的模型假設

復雜系統的建模分析無法反映全部的實際系統，仿真模型也不是全部實際系統的重復或預演，因此必須對模型進行適當地簡化假設。本文對動車組車體生產物流系統的仿真模型做出如下假設：

1）初始條件下倉庫、緩存區、傳送帶上的零件數量均為0。

2）生產現場中，零部件的傳送用傳送裝置，且傳送的速度是固定的。

3）在整個仿真過程中，將一段傳送裝置和一臺機器看成一個工位，而且生產節拍是固定的。根據車體各部分實際的組裝時間，在Witness仿真模型中，假設各個工序的節拍是一定的，各節拍的時間如表3所示。

表3 車體各部分仿真組裝時間

在動車組車體的整個裝配過程中，工位可能會出現故障，故障時間服從NEGEXP分布，維修時間服從ERLANG分布。

組裝時將這四大部分看成整體進行組裝，根據實際的動車組車體總裝配車間，每天的工作時間為8小時，動車組車體平均一天能夠組裝3～4節車體（不包括做試驗的時間）。

3.2 動車組車體生產線上各臺機器的相關數據

Witness Education 2004試用版軟件對元素的數量是有限制的，因此在對動車組車體總裝生產線進行仿真時，選擇關鍵的工序，整合相鄰的工序進行仿真。在選擇仿真的時長時，由于在實際的動車組車體裝配過程中，一個班組一天平均裝配3～4臺動車組車體，很難分析出該裝配線是否平衡，故做如下假設：選取一個月作為動車組車體安裝數量統計的時間范圍，則仿真時間為30×8×60=14400分鐘。該時間段可以裝配90～120節車體。仿真參數設定如表4所示。