虛擬仿真在汽車生產(chǎn)全自動物流中的應用

裴 彬，韓新亮，李春峰，高 璞

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

1 引言

相比于汽車企業(yè)中的傳統(tǒng)人工物流系統(tǒng)，自動化物流系統(tǒng)的評估挑戰(zhàn)更大，這是因為：第一，自動物流系統(tǒng)具有極大的復雜性，需通過物聯(lián)網(wǎng)的各環(huán)節(jié)交互邏輯自動銜接，人類通過腦力活動幾乎不可能預測；第二，在真實存在的前提下，對一套剛建立的新物流系統(tǒng)進行評估，其準確性和前瞻性都難以得到保障。虛擬仿真技術(shù)可以從中找到一種智能化的解決方案，將實際的狀況通過電腦模擬出來，從而使企業(yè)的決策者能夠從中找到依據(jù)，得出正確判斷。

2 全自動物流配送工廠的仿真需求

2.1 虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展應用

虛擬仿真技術(shù)在物流系統(tǒng)應用中有著十分重要的意義，它可以幫助企業(yè)決策者降低企業(yè)成本，提升生產(chǎn)效率，帶來經(jīng)濟效益，在很多汽車生產(chǎn)企業(yè)中已被證明對傳統(tǒng)物流規(guī)劃十分必要。

（1）基于汽車企業(yè)物流生產(chǎn)的現(xiàn)狀。汽車企業(yè)的生產(chǎn)物流，有其特殊的環(huán)境及需求。在當下的汽車企業(yè)生產(chǎn)中，物流體現(xiàn)為：企業(yè)生產(chǎn)所需的原料、零部件等從供應商的倉庫運出，幾經(jīng)周轉(zhuǎn)后進入到生產(chǎn)線的各個位置，隨生產(chǎn)加工過程依次有序進入到每一個環(huán)節(jié)中，形成一個“供應鏈流”，是一個完整的多用戶生產(chǎn)物流過程。因此，汽車企業(yè)生產(chǎn)物流決不能只是針對企業(yè)加工的某一個環(huán)節(jié)，而是要把這些環(huán)節(jié)連在一起，其對于物流系統(tǒng)建設(shè)的復雜性要求、成本要求等便呼之欲出。

（2）基于新項目投入的成本考慮。在沒有虛擬仿真技術(shù)的支持下，往往在實際生產(chǎn)后才能驗證工藝物流的設(shè)置是不是正好能滿足生產(chǎn)的需求，而這時無論是滿足、不滿足還是遠遠高于需求，現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)都不能進行修改了。因此，規(guī)劃人員為了使規(guī)劃方案能夠滿足生產(chǎn)需求，往往導致規(guī)劃周期加長、生產(chǎn)準備周期變長、產(chǎn)線及輸送系統(tǒng)成本增加等。這些問題就像影子一樣，一直存在于單單基于經(jīng)驗的規(guī)劃中。而虛擬仿真能很好地解決這些問題。仿真分析可以從規(guī)劃初期開始，一直伴隨生產(chǎn)線的整個生命周期，為規(guī)劃和生產(chǎn)提供仿真技術(shù)支持，使規(guī)劃人員在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃階段就能知道最終運行情況。

（3）基于提高技術(shù)人員規(guī)劃水平的需要?，F(xiàn)代汽車企業(yè)的物流，也被人們稱為汽車工廠的“第五大工藝”，在汽車生產(chǎn)的工藝流程中占據(jù)著越來越重要的地位。其不同于傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)四大工藝的最大區(qū)別，就是具有最大的自主性。工廠需要根據(jù)車型生產(chǎn)工藝特點、供應商布局、產(chǎn)能及節(jié)拍等諸多因素，選擇適合的物流規(guī)劃，這就對物流技術(shù)人員提出了規(guī)劃水平上的高要求。通過運用現(xiàn)代仿真技術(shù)，可以讓技術(shù)人員的規(guī)劃容錯率提高，并更好地理解工廠物流相關(guān)指示，進一步掌握工業(yè)領(lǐng)域的理論，發(fā)現(xiàn)物流生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，做出改善。

2.2 全自動物流配送仿真難點

機械自動化是指在沒有人操作的情況下，機器或者機械按照預先設(shè)定的數(shù)據(jù)以及操作順序進行智能生產(chǎn)的過程。物流自動配送是機械自動化領(lǐng)域中的重要組成部分。其之所以在汽車生產(chǎn)行業(yè)受到追捧，一方面是因為機械自動化生產(chǎn)效率高、容錯率高，另一方面減少了勞動力成本的支出，使企業(yè)具有較強的競爭力。未來機械自動化將向物流領(lǐng)域進行發(fā)展，擴大自動化使用的范圍和場景，但目前自動化物流仍處在剛剛起步的發(fā)展階段。

汽車生產(chǎn)物流自動化配送仿真的難點在于：

（1）汽車廠內(nèi)以生產(chǎn)線作為主導，零件配送物流需按生產(chǎn)線需求進行線上供給。而此過程受生產(chǎn)計劃排產(chǎn)順序、可動率、加工不良等多種因素影響，難以形成固定的配送路徑及配送周期。

（2）人為操作難以徹底消除。汽車工廠內(nèi)物流與外物流之間需進行零件的二次分揀。外物流考慮零件運輸成本的優(yōu)化，使得零件工廠需按照標準包裝，以月或日為單位訂單，完成整個訂貨過程。被包裝成標準包裝的零件驗收進場后，需按照生產(chǎn)線需求，或以看板形式、或以定時不定量形式送至生產(chǎn)線旁。零件分揀及投棚等人工操作過程難以實現(xiàn)自動化仿真。

3 紅旗新H總裝車間虛擬仿真實現(xiàn)

3.1 模型的假設(shè)與構(gòu)建

本實例主要研究紅旗新H總裝車間內(nèi)的全自動物流配送環(huán)境，通過合理的前期規(guī)劃，實現(xiàn)模型的假設(shè)與構(gòu)建。

首先，確定物流工藝流程。新H 總裝車間零件主要采用三種物流方式，如圖1所示。

（1）絕大部分小物零件采用SPS單輛份揀選上線方式，取消線邊料架，實現(xiàn)線邊投棚人員的消除。上線采用AGV 自動配送，線旁使用AGV 進行線邊隨線，確保操作者的人機工程學。小物零件的存儲地點位于新H 總裝車間北側(cè)廠房，通過二層通廊實現(xiàn)SPS臺車的跨廠房運輸；新H總裝需進行器具的自動分類識別及排序待發(fā)，實現(xiàn)線邊的有序上線。

（2）少量大物零件采用廠內(nèi)排序方式，在新H總廠房東側(cè)受入?yún)^(qū)卸貨、周轉(zhuǎn)，之后人工與AGV 對接，按生產(chǎn)線生產(chǎn)順序進行零件配送。

（3）輪胎、座椅等多品種大物零件，采用供應商按生產(chǎn)計劃排序后直送工廠的方式。利用現(xiàn)今較為成熟的自動輸送線，實現(xiàn)直送工位的自動配送。

其次，設(shè)定仿真驗證路線。針對規(guī)劃的全自動物流方案進行虛擬仿真后的可行性驗證，若有重大瓶頸或問題，則對方案進行二次修改再驗證。在得到較優(yōu)方案后，通過物流量和物流時間等量化數(shù)據(jù)的測算和分析，驗證整體方案、設(shè)備配置等的可行性，如圖2所示。

3.2 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)的輸入

該模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)包含：生產(chǎn)線基礎(chǔ)參數(shù)、廠房Layout參數(shù)、物流自動設(shè)備參數(shù)、配送容器參數(shù)。

圖1 紅旗新H總裝物流工藝流程

圖2 仿真驗證路線圖

3.2.1 生產(chǎn)線基礎(chǔ)參數(shù)

產(chǎn)線節(jié)拍：8min/6.9min/6min；

產(chǎn)線速度：3.9m/min；

產(chǎn)線運行時間：上午8點開始，10點停線10min，12點停線30min，14點30停線10min，17點停線。

3.2.2 廠房Layout參數(shù)。輸入各廠房間位置、路線信息；各區(qū)域面積、尺寸、路徑等。如倉庫和H 平臺高度差1m，通廊據(jù)倉庫高度3.5m，寬度9m等，統(tǒng)一通過CAD圖示提供，如圖3所示。

3.2.3 物流自動設(shè)備參數(shù)

（1）電梯

電梯數(shù)量：8個；

電梯節(jié)拍：96s、80-90s；

電梯速度：20m/min。

圖3 紅旗新H總裝車間總體Layout圖

（2）AGV參數(shù)

AGV脫鉤時間：8～12s。

AGV速度、數(shù)量等參數(shù)見表1。

表1 AGV速度參數(shù)

3.2.4 配送容器參數(shù)。指定自動配送的對象—容器的發(fā)貨點、收容數(shù)、配送工位、收容數(shù)等信息，供給32種器具，見表2。

3.3 仿真結(jié)果輸出

仿真模型運行極限時間為10h，為正常生產(chǎn)所用時間。首先預熱30 000s，使車身鋪滿整條產(chǎn)線，并開始進行消耗。分為兩個區(qū)域輸出仿真結(jié)果。

3.3.1 物流廠房和通廊。小物零件全部需經(jīng)過通廊實現(xiàn)物流廠房與總裝廠房間的跨廠房運輸，通過Layout參數(shù)繪制通廊3D圖，進行虛擬仿真，如圖4所示。

圖4 物流庫房-通廊物流仿真3D圖

表2 配送容器清單

3.3.2 線邊。小物運至新H 總裝車間后，與大物零件一同在廠房內(nèi)進行上線配送。在獲取生產(chǎn)工位信息之后，按工位對應的各AGV 及自動輸送線物流方式，確定初始AGV位置及料架狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 線邊上線仿真3D圖

3.4 仿真瓶頸分析及優(yōu)化

3.4.1 布局方案的驗證。該方案中，新H 總裝車間內(nèi)的物流區(qū)主要分為發(fā)貨區(qū)和返空區(qū)，分布在物流區(qū)上下兩側(cè)，AGV 攜一個容器經(jīng)通廊送至總裝廠房物流區(qū)。

通廊及上線部分規(guī)劃能夠滿足要求，但物流區(qū)返空線路單一，造成返空區(qū)AGV 擁堵，需重新優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果輸出

3.4.2 改進方案。接下來需針對驗證后產(chǎn)生瓶頸的方案進行改進。主要針對返空區(qū)域的AGV自動輸送環(huán)境進行優(yōu)化。

（1）物流區(qū)發(fā)貨和返空分塊設(shè)置，設(shè)置多條返空和送貨AGV路線，最大程度上避免因AGV故障造成的AGV堵塞，如圖7所示。

圖7 改進后Layout圖

（2）容器進入新H總廠房前，AGV一次攜兩個容器由物流廠房通過通廊下電梯，增加返空交通能力；并在總裝廠房物流區(qū)和通廊之間設(shè)置轉(zhuǎn)運區(qū)，轉(zhuǎn)運后，AGV一次攜一個容器送到物流區(qū)。如圖8所示。

（3）容器隨線方式，因廠房面積制約，全部改成AGV隨行，取消AGV上線掛接裝置和上線掛接時間，提升返空效率。

（4）對上線AGV送貨線路進行優(yōu)化，減小配送總距離；二次內(nèi)飾區(qū)域由單輛份供給方式改為多量份排序供給，減少經(jīng)過返空區(qū)的滿容器運送數(shù)量。

仿真運行結(jié)果表明，減少容器數(shù)量能夠顯著改善物流系統(tǒng)運行效果。因此，仿真結(jié)果建議每節(jié)拍通過通廊運輸?shù)娜萜鲾?shù)量最多17個，見表3。

（5）無人區(qū)AGV返空容器到轉(zhuǎn)接位置時，由于充電樁設(shè)置于此，會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，兩條返空道最大排隊數(shù)量分別為8和7，因此，規(guī)劃時建議考慮提前把道路分流，預留足夠排隊空間。

3.5 仿真數(shù)據(jù)評價

3.5.1 AGV數(shù)量及利用率分析。本文基于改進方案對AGV 數(shù)量及利用率進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并提供各段AGV數(shù)量建議。

原則：不會因物流廠房AGV及總裝廠房AGV補貨不及時導致線邊缺料，即保證總裝廠房待發(fā)區(qū)發(fā)貨道一直有容器。通過設(shè)置控制面板AGV 數(shù)量，得到待發(fā)區(qū)不缺料時，AGV數(shù)量配置最小值及合理值，并同時得到AGV利用率，如圖9所示。

圖9 總裝廠房物流待發(fā)區(qū)缺料時間統(tǒng)計

（1）物流庫房及通廊AGV利用率：考慮20%充電及故障時間，利用率70%～80%之間被認為具備可行性。

整個過程中，AGV 初始配置為 34、32 臺，平均利用率分別為53.5%、56%，利用率較低。AGV 配置數(shù)量改為32和31臺時，AGV利用率如圖10、圖11所示。AGV平均利用率提升為78.87%和72.25%。

圖10 倉庫AGV利用率

圖11 無人區(qū)AGV利用率

（2）新H 總裝廠房內(nèi)AGV。通過對線邊各工位AGV 的配送循環(huán)時間及利用率統(tǒng)計（如圖12所示），確定線邊AGV需求數(shù)量。

圖12 線邊AGV利用率

上線AGV數(shù)量建議配備數(shù)量為112臺。各工位數(shù)量配置見表4。

表4 各工位AGV配置數(shù)量輸出

3.5.2 各區(qū)域物流量分析。物流庫房到待發(fā)區(qū)環(huán)節(jié)，主要有兩個可能出現(xiàn)排隊區(qū)域：一是物流庫房到轉(zhuǎn)接區(qū)AGV下電梯位置；二是返空時，待發(fā)區(qū)到轉(zhuǎn)接區(qū)位置。

（1）物流庫房到轉(zhuǎn)接區(qū)AGV。通過統(tǒng)計，根據(jù)AGV 最小速度15km/h（AGV 轉(zhuǎn)彎時速度）計算，AGV每小時理論最大通行量為220臺，實際通行量遠遠小于理論通行量，道路不會發(fā)生擁堵，見表5。

表5 AGV速度與通行量關(guān)系輸出

（2）待發(fā)區(qū)到轉(zhuǎn)接區(qū)返空AGV。通過對H 平臺整個廠區(qū)物流量進行計算，得出以下結(jié)論：

①倉庫AGV 下電梯后在轉(zhuǎn)接區(qū)存在排隊現(xiàn)象，最大值達到2 個，平均0.35 個，規(guī)劃時建議預留2 個AGV車位距離，供AGV進行排隊。

②無人區(qū)AGV 返空容器到轉(zhuǎn)接位置時，通過返空分流設(shè)計，排隊AGV數(shù)量由15臺減少為4臺，不會發(fā)生主路線擁堵。

③上線部分，AGV 轉(zhuǎn)彎、道路交叉雖有減速、避讓，但整個線路交通流量較小，不會造成排隊擁堵，改善后的方案AGV排隊數(shù)量和排隊時間顯著減少。

3.5.3 物流配送起始時間分析（見表6）。分別計算三段送貨物流時間，得出送貨總物流時間，為提前備貨計劃的制定提供指導性建議。三段時間累計，最長需要約26min。因此，提前5個節(jié)拍（34.5min）進行配送，預留了足夠的時間彈性。

3.5.4 潛在風險判斷。在實際生產(chǎn)過程中，易于產(chǎn)生風險的區(qū)域主要有兩個：

（1）無人區(qū)線路控制風險。無人區(qū)線路密集，若出現(xiàn)異常情況，需考慮應急預案。

（2）無人區(qū)二內(nèi)發(fā)貨道風險。由于三個容器共用一條發(fā)貨道，在倉庫發(fā)貨的時候需要考慮循環(huán)發(fā)貨，避免出現(xiàn)線邊斷料。

4 虛擬仿真技術(shù)的應用分析

4.1 仿真輸入

在進行物流虛擬仿真建模之前，一定要通過一定時間進行充分的方案規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃結(jié)果形成仿真說明，定義清楚仿真的輸入輸出以及仿真建模范圍和形式等。仿真輸入的準確性決定了仿真輸出的可信性，而仿真輸出直接體現(xiàn)仿真分析的價值。

表6 各工位送貨及返空時間統(tǒng)計

通常全自動物流配送需要的輸入有：

（1）車輛產(chǎn)量、生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)線速度與布局等；

（2）廠房各區(qū)域面積、通道、地理環(huán)境；

（3）物流自動化配送的交通工具、路線、配送邏輯；

（4）設(shè)備的運行參數(shù)、運行邏輯、制約因素等；

（5）物流配送使用容器、尺寸、數(shù)量、起止點等。

盡量在仿真前提供盡量準確、詳盡的輸入數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品生命周期盡可能早的階段借助仿真有效進行方案規(guī)劃。

4.2 標準化仿真建模

自動化物流配送流程很長，涉及到的自動化搭接、物聯(lián)網(wǎng)過程數(shù)量繁重，但歸根結(jié)底，所有的機械自動化過程都是由一些標準的物流流程、判斷邏輯、物與物的自動銜接組成的，因此，虛擬仿真前應先進行分類總結(jié)，對總結(jié)出來的標準流程、設(shè)備等進行虛擬建模。之后即可反復套用這些標準模塊進行組合應用，或在這個基礎(chǔ)上進行修改。

分析汽車制造企業(yè)全自動物流系統(tǒng)，基本分為以下幾個標準類別：

4.2.1 按零件種類，區(qū)分零件上線物流方式。在汽車企業(yè)生產(chǎn)中，針對不同的零件種類，上線的物流方式也不同。不同的物流方式?jīng)Q定著自動化物流的流程。綜合一般有以下幾種：

（1）看板配送：線旁放置料架用于安全在庫，根據(jù)安全在庫的使用情況，進行定量不定時的后補充方式配送。此配送方式對線旁面積要求較高，且需人工進行投棚作業(yè)。

看板配送在全自動物流環(huán)境下的實現(xiàn)，通常需要考慮加入零件包裝收容數(shù)因素，通過機械化實現(xiàn)包裝箱的直接空滿交換。并需一套較為復雜、完善的在庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線旁的及時補充。

（2）SPS供貨：零件按照生產(chǎn)計劃，進行單量份揀選后，送至線旁。此種方法可以減少線側(cè)面積利用，同時取消線側(cè)人員揀選工作，減少零件錯裝率。

此配送方式在全自動物流中屬主要模式，上線邏輯簡單，機械化易于實現(xiàn)。但與看板配送比較，物流區(qū)占用資源較多，規(guī)劃時需統(tǒng)籌考慮。

（3）順建（廠內(nèi)JIT）：零件在廠內(nèi)按照生產(chǎn)計劃，排序后上線?？晒?jié)省生產(chǎn)線旁面積，適用于種類繁多的大物零件。實際規(guī)劃中需注意零件的具體上線方式，并在仿真中準確評估。

（4）順引（廠外JIT）：零件在供應商側(cè)按生產(chǎn)計劃排序后上線。適用于供應商地理位置距離工廠較近的多品種大物零件。

4.2.2 按產(chǎn)線裝配特點，區(qū)分上線所用自動化設(shè)備。按零件種類選定合適的自動配送方式后，需利用自動化輸送設(shè)備完成零件的自動上線。通常考慮的自動化配送方式有如下幾種：

（1）利用AGV 進行零件配送，并與隨線機構(gòu)搭接：AGV 上線后，通過自動掛接裝置，與生產(chǎn)線共同行進的SPS 自動配送方式。規(guī)劃時需注意隨線機構(gòu)的搭接時間參數(shù)。

（2）利用AGV/E-FLAME 等進行零件配送，并全程獨自完成配送：零件體積較大、易發(fā)生裝配品質(zhì)問題的特殊零件，采用單點配送方式；線旁設(shè)置定位區(qū)，或加緊機構(gòu)實現(xiàn)空滿交換；此種形式只需考慮AGV等自動輸送機械自身運行參數(shù)。

（3）自動輸送線：大物零件，或多品種順引、順建零件，采用自動輸送線機構(gòu)。優(yōu)點是通常為地下或二層輸送，無需考慮配送路徑的規(guī)劃；缺點則是要考慮輸送過程中，為與生產(chǎn)線搭接而設(shè)定的緩存區(qū)如何設(shè)置。

4.3 仿真應用分析

整體來說，自動配送物流的仿真應用還是需要對物流流程和仿真原理有比較深入的認識才能很好的進行。

其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

（1）有助于對整個流程的布局、路線進行分析模擬，并通過動態(tài)模擬，直觀的得出可行性結(jié)論；

（2）可在規(guī)劃前期，更好的明確所需設(shè)備數(shù)量，減少過分投資，節(jié)省企業(yè)成本；

（3）可在仿真數(shù)據(jù)的輸出及分析基礎(chǔ)上，提高投入資源的利用率，為企業(yè)量產(chǎn)后的運維方式規(guī)劃提供有效理論依據(jù)；

（4）有利于得出運行中的瓶頸點，有針對性的進行瓶頸分析、優(yōu)化，并識別各自動化機械設(shè)備的依賴關(guān)系，尋求可動率提升點。

但其也有著不可避免的局限性，主要集中在：

（1）具體運行場景中的運輸路徑通過性無法被仿真，例如具體的轉(zhuǎn)彎半徑、物流門等的通過性等。對于具體的運輸通過場景，仿真有它無法運行的一面。

（2）異常發(fā)生時，特殊對應的場景無法被仿真。生產(chǎn)線發(fā)生的異常件不能被預測，也無規(guī)律可查詢，只能通過人為的信息傳遞進行確定，不能通過系統(tǒng)對零件配送時間機械的判斷。發(fā)生異常時，仿真難以設(shè)置出合適的場景。

（3）設(shè)備的可動率無法自動仿真。仿真可以將自動配送過程中的機械化設(shè)備正常運行狀態(tài)模擬出來，但設(shè)備的可動率卻無法真實反映。例如本文中的實例，即采用了仿真后，再綜合考慮可動率，制定最終設(shè)備采購量的方式。

綜上，自動物流配送系統(tǒng)在仿真時，與傳統(tǒng)人工操作為主的物流系統(tǒng)的差別，主要在于具體運行場景、異常情況以及設(shè)備運行的可動率上。因此在仿真之初，就需要先行定義這些因素，才能更好、更準確地進行全自動物流配送可行性的驗證。

5 結(jié)束語

實際物流系統(tǒng)的高效運行，能給物流企業(yè)帶來相當可觀的精益效益，而虛擬仿真軟件是用來完善和推進物流系統(tǒng)的最佳方法。利用仿真技術(shù)，可以實現(xiàn)費用、能耗、資源的節(jié)約以及相應流通環(huán)節(jié)時間的減少。

在我國汽車物流行業(yè)中，全自動物流配送的虛擬仿真還是一個新興產(chǎn)品，許多人不能夠正確全面地理解全自動物流如何聯(lián)動，且行業(yè)內(nèi)極度缺乏精通物流仿真軟件的專業(yè)性人才。只有充分了解虛擬仿真在全自動物流過程中的優(yōu)劣勢，才能有的放矢、取長補短，有效的在工廠建設(shè)之前完成高效可行的自動化物流規(guī)劃，幫助企業(yè)確定未來的工廠布局和流程，進而為企業(yè)節(jié)約人力、物力以及財力，利于企業(yè)的決策和經(jīng)營。