基于Flexsim的汽車副儀表板生產線仿真與優化研究

王珊珊 邵 康

（安徽理工大學經濟與管理學院 安徽淮南 232001）

中國汽車制造業邁向全球價值鏈中高端是《中國制造2025》的核心任務之一，現階段我國汽車制造業正處于深度變革和轉型期[1]，這對汽車整車以及零部件制造企業提出了更高的要求。現場管理和改善是制造企業價值創造的源頭，而生產物流系統的改善作為現場改善的工作重點之一，對于制造企業提高生產效率，降低生產成本，改善產品質量尤為重要。

對于生產物流系統改善的現有研究，一方面學者們利用傳統的數學建模和工業工程基礎技術等，對生產車間的設施布局、產線排序、車間調度和路徑優化等問題進行改善[2-6]；一方面考慮到生產物流系統動態性、復雜性和隨機性等特點，有學者通過將工業工程理論方法和仿真技術相結合，利用各種計算機仿真軟件對生產系統進行動態的仿真建模，分析生產系統的性能，找出其瓶頸，并進行逐步地改善[7-10]。

本文以汽車副儀表板的生產線為研究對象，利用Flexsim仿真軟件對其進行仿真建模。對于實際中復雜的離散生產系統的仿真建模，在操作過程中存在大量的順序、并行、同步、沖突及因果依賴等關系的處理,容易因此在仿真時出現整體或局部調度的問題，因此本文引入IDEF3過程建模來支持復雜離散事件的仿真建模[11-14]，再通過Flexsim的動態仿真來識別生產過程的瓶頸，并運用工業工程中的ESCRI改善原則對生產物流系統進行逐步優化，以此來提高產線設備的利用率和平衡率以及整個生產系統的產能。

一、HT公司副儀表板生產車間概況

根據產品生產流程的特點將生產車間分為：注塑區、焊接區、裝配區、成品暫存區，其中注塑區、焊接區、裝配區的設備名稱、數量及使用情況如表格1所示，其余生產流程由操作人員完成。考慮到生產成本問題，HT公司對600T以下的注塑機所生產的零部件采用外包生產。

表格 1 車間設備及使用情況

目前公司實行兩班制的工作方式，單班有效工作時長為10h，每天工作時間共20h，日產能約為1400件，需求缺口較大，產能有待提升；另外由于加工流程較長，注塑、焊接及裝配各工序間生產節拍差別較大，導致產線設備利用率不均衡、部分工序發生堵塞及整個生產線日產能較低。

二、HT公司副儀表板生產物流系統IDEF3過程模型

（一）IDEF3過程流圖的主要語法元素。IDEF3是IDEF系列方法中專門用于過程描述的建模方法，通過一些基本元素的組合，以過程和對象為中心進行建模，來描述活動間的時序和邏輯關系,實現分析過程、輔助過程進行優化的目的。IDEF3過程流圖的主要語法元素有:

行為單元(unit of behavior,UOB)、交匯點(junction)、聯接(link)。

UOB表示現實生產的流程；UOB間的箭頭叫做順序聯接,表示各流程在時間上的先后順序；交匯點表示各過程分支之間的邏輯關系，通過不同類型的交匯點來描述生產過程中各過程分支間邏輯關系，交匯點按輯語義包括: 與(&)、或(O)及異或(X)。IDEF3過程流圖的主要語法元素及交匯點邏輯語義如圖1所示。

圖1 過程流圖的主要語法元素

（二）建立副儀表板生產物流系統的IDEF3模型。借助IDEF3過程模型，對加工流程進行細化描述。圖2是基于IDEF3建模方法建立的生產過程模型，從發出生產請求到成品入庫，其中經歷了5種零部件的注塑加工、3次超聲波焊接和多次裝配處理，物流路線較長且復雜。

圖2 基于IDEF3的副儀表板生產過程模型

IDEF3過程模型可以作為Flexsim仿真軟件建立仿真模型的依據，當仿真建模中出現順序、并行、同步、沖突及因果依賴等邏輯關系時，可以避免整體或局部的調度問題。

三、汽車副儀表板生產線的建模仿真與優化

Flexsim仿真軟件是一種采用C++語言開發的一款通用的三維物流仿真軟件，適用于連續流體系統和離散系統的建模，使用者能夠在個人計算機中建構、監控工業及企業的分布式流程[15-16]。本文在IDEF3.0過程模型的基礎上，借助Flexsim2019仿真軟件將副儀表板的生產物流系統進行動態地、可視化地展示，并通過運行統計報告找出生產過程的瓶頸、分析系統性能、提出優化方案，并比較分析優化前后的運行效果。

（一）模型假設。針對于現實的汽車副儀表板生產線，在運用仿真技術的過程中，需要對生產線物流系統進行抽象和簡化，將研究對象的主要因素保留，而無關要素或關聯性不強的要素省略，基于此提出了相應的假設：

（1）各個工序的設備無準備時間，可即時生產。

（2）作為一個流水型的生產線，本文不考慮其流程間的空間運輸，因此假設各工序間的運輸時間為零。

（3）裝配工序較多但操作簡單，不良品率低且不良品易被下道工序檢驗出，因此假設整個裝配階段不產生不良品。

（4）生產過程中設備沒有故障現象，并能夠連續生產10小時。

（5）為了更直觀的觀察生產線的瓶頸和擁堵情況，模型中的暫存區容量統一設定為1000。

（二）模型構建和參數設置。

1.模型構建。根據副儀表板的生產流程和車間布局，運用flexsim仿真程序，在調整了部分設備分區，但不影響仿真結果的基礎上，建立了如圖3所示的副儀表板生產物流系統仿真模型。

圖3 基于flexsim的生產物流系統仿真模型

2.參數設置。仿真模型構建完成后，需要對模型中的固定實體的參數進行設置，盡可能使其接近于實際生產。本文利用作業測定中的秒表測定法收集現場數據，選取操作水平中等偏上的操作人員作為被觀測對象，使用連續測時法對各生產工序的操作時間進行測定，利用三倍標準差法剔除異常觀測值，發現操作時間會出現小幅度的變化，通過足夠數量的觀測值確定各工序的最小值、最可能值以及最大值，認為三角分布triangular（最小值，最大值，最可能值）可以很好地反映各工序操作時間的分布情況；另外針對注塑和焊接工序的不良品比率，則通過車間人員統計的近一月的生產情況獲得。

（1）注塑區：發生器（原材料庫）到達方式設置為“按時間表到達”，時間表設置為每30min到達一次，到達數量滿足這一時段的生產要求；處理器（注塑工序）操作時間的設置選擇統計分布下的三角分布triangular,臨時實體流流向選擇以百分比發送至指定端口。處理器以本體注塑工序為例，操作時間設置為triangular（77,85,80）；臨時實體流選項卡下“發送至端口”中選擇98.5%的合格產品發送至下一端口，1.5%的不良品發送至吸收器。

（2）焊接區：合成器（超聲波焊接機）合成方式選擇“pack”，3臺焊接機操作時間都符合三角分布triangular（20,26,22.5）；臨時實體流選項卡下“發送至端口”中選擇99.0%的合格產品進入下一工序，1.0%的不良品發送至吸收器。

（3）裝配區：發生器（零部件庫）到達方式設置為“按時間表到達”，時間表設置為每30min到達一次；裝配工序由操作人員完成，同樣符合三角分布triangular，以USB孔盒安裝為例，合成器的操作時間設置為triangular(10,13,11.5)。

（4）模型中其他固定實體：吸收器（不良品1、2、3）吸收生產時各工序產生的不良品，吸收器（產成品庫）吸收生產線產出的合格產成品；發生器（容器1、2、3）產生的臨時實體類型設置為容器類，作為第一個輸入端口連接至合成器，此處是為了滿足合成器的處理特性，以使模型正常運行，實際生產中并不存在；處理器（翻轉1、2）用于裝配過程中產品的翻轉，實際由機械手臂完成，操作時間固定為10s。

（三）模型運行。HT公司生產線單班有效工作時間為10h，因此本文模型中設置系統仿真時間為10h*3600s=36000s,當系統運行36000s后就停止運行。運行結束后，輸出統計報告，如表格2所示。

表2 初始模型仿真運行統計報告

P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 USB孔盒安裝風道安裝扶手蓋板安裝翻轉2換擋防塵罩安裝換擋蓋板條裝配空調支架裝配后儲物盒裝配左右護板裝配裝飾盒裝配綜檢包裝5.62%4.63%3.65%3.41%2.47%2.02%74.19%76.21%51.73%77.11%62.40%62.33%23.02%23.96%27.89%19.92%26.21%26.11%25.81%23.74%48.27%22.89%37.60%37.66%71.36%71.41%68.46%76.67%71.32%0.00%0.00%0.05%0.00%0.00%0.00%0.00%

由表格2可以看出副儀表板生產線的各個工序的利用、空閑及堵塞狀態，反映了生產線各工序處于明顯的不平衡狀態，其中工序P1-P5設備利用率遠高于其他工序；關于工序P6-P14的堵塞情況，通過觀察模型運行可知，由于P1、P2工序產能不足，導致P15、P18的作業等待，從而引發P6-P14的高堵塞率。因此，工序P1-P5是生產線的起點，也是制約生產線整體產能提升的“瓶頸”。

（四）模型優化及仿真分析。

1.第一次模型優化及仿真分析。針對上述部分工序的低利用率、高堵塞率及產能不足的情況，采用ESCRI改善原則進行優化，即Eliminate（取消）、Simplify（簡化）、Combine（合并）、Rearrange（重排）、Increase（新增）。首先采用Increase（新增）給五種注塑工序分別新增一個處理器，優化后模型輸出的統計報告，與優化前運行狀態的對比如圖4所示。

圖4 一次優化前后設備利用率、堵塞率

由圖4可知，經過提高初始工序的產能后，工序P6-P14的堵塞情況基本解決，其中P7、P8的較高堵塞率是因為等待加入超聲波焊接（工序P6），優化后的模型較前也得到改善。另外，注塑工序P1-P6基本處于平衡狀態且利用率較高，工序P7-P21利用率整體有所提高，但相較于前工序利用率仍然較低，生產線處于不平衡狀態，如果繼續增加注塑工序的設備，會使得實際生產能力大于生產節拍，最終導致產能浪費或生產過剩。因此，在二次優化中，考慮采用ESCRI改善原則中的合并（Combine）和重排（Rearrange）。

2.第二次模型優化及仿真分析。由圖4可知，工序P7-P19中除P18外，設備利用率均較低，考慮到裝配工序是由操作人員完成，各工序并不需要專用設備，因此嘗試將部分工序進行合并和重排。按照就近原則，將工序7、8，工序10、11，工序14、15，工序16、17合并，工序12、19重排后合并，輸出二次優化后的統計報告，如圖5所示。

圖5 一次優化前后設備利用率、堵塞率

由圖5可知，二次優化后的副儀表板生產線基本處于平衡狀態，各生產工序的設備利用率基本處于80%-90%之間。翻轉、綜檢、包裝工序不適用省略、合并及重排，因此不做以上處理；本體注塑工序設備利用率相對偏高，利用仿真軟件嘗試增加一臺處理器，輸出結果發現，產能提高水平較低，綜合考慮到設備成本，決定保持二次優化的結果。

（五）優化前后指標對比。對比分析兩次優化前后的生產線指標，結果如表格3所示。經優化設計后：1）副儀表板生產線設備的平均利用率由48.23%提高到82.15%，較好地減輕了部分工位設備和人員的閑置和等待浪費；2）工序P6-P21的平均堵塞率由40.69%降低到6.47%，減少了生產過程中產品堆積現象，節省線邊空間；3）生產平衡率由49.51%提高到72.45%，使各流程間設備和人員的作業負荷較為均衡；4）在綜合考慮產能和產線利用率、平衡率的基礎上，日最大產能由1424件提高到2562件，日產能提高了79%。

表格3 優化前后生產指標對比

四、結語

本文借助于IDEF3建模方法和Flexsim仿真軟件對汽車副儀表板生產系統進行了仿真建模和優化設計,提升了整個產線的平衡率和設備利用率，同時日產能提高了79%。研究表明，在利用Flexsim仿真軟件進行動態仿真建模時，引入IDEF3模型可以有效地支持復雜離散生產過程的仿真，應用于制造企業生產物流系統的改善，可使優化過程更可靠、有效。