面向智能制造技術的綠色汽車裝配線布局仿真與分析

郭 笛

（大連東軟信息學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

綠色汽車產(chǎn)業(yè)的轉型升級是實現(xiàn)碳達峰、碳中和宏大愿景的一個重要組成部分，其中裝配線工藝流程中運用AGV、機械手等進行智能化改造能夠大大提升裝配過程的自動化，降低勞動成本，提高綠色汽車生產(chǎn)效率。裝配線布局是裝配線設計過程中的重要環(huán)節(jié)，需要參考設備布置、動力設置、區(qū)域劃分及運輸路徑等多重因素，是困擾綠色汽車產(chǎn)業(yè)動能轉換及智能化升級的難題之一。

現(xiàn)有的研究在裝配線規(guī)劃問題上已經(jīng)取得了豐碩成果，但是仍有一些問題需要擴大深度或廣度：一是裝配線的規(guī)劃涉及到多種復雜因素，難以通過數(shù)學規(guī)劃模型實現(xiàn)最優(yōu)解，可以嘗試借助系統(tǒng)化離散型的仿真工具對裝配線進行仿真模擬；二是裝配線的布局是與工藝流程緊密相關的業(yè)務模塊，但是相對研究較少，缺乏足夠的基礎理論資料；三是運用仿真工具運行后針對數(shù)據(jù)的分析多以主觀分析為主，缺乏與定量方法相結合的嚴謹分析流程。因此，鑒于現(xiàn)有研究的情況和發(fā)展需求，本文在分析綠色汽車裝配流程的基礎上，運用層次Petri網(wǎng)建立裝配流程作業(yè)靜態(tài)仿真模型，根據(jù)映射規(guī)則將其轉化為FlexSim動態(tài)仿真，并運用定量化分析工具分析仿真數(shù)據(jù)和結果，以期解決綠色汽車裝配線布局規(guī)劃問題。

1 問題描述

CW公司是一家電動車生產(chǎn)制造企業(yè)，目前，電動車的裝配過程主要以人工為主，每道工序需要的零部件從生產(chǎn)、篩選到原料倉，再到線上轉運、裝配等一系列的重復工作需要大量的勞動力，造成較高的人工和管理成本。而且，由于人工素質參差不齊導致裝配生產(chǎn)線相對不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較低，且出錯率較高。為了解決這些問題，該公司擬采用自動化的裝配生產(chǎn)線，引入AGV小車進行物料的輸送、搬運，引入自動化傳送帶完成工序間料件的轉運，引入機械手完成部分自動組裝和檢測。然而，裝配線該如何布局是該公司亟待解決的問題之一。

常見的裝配線布局有直線型、直角型、U型、S型四種。每種方式各有優(yōu)缺點和適用的情況。其中，直線型作為最簡單的一種布局方式，會顯著的增加物流成本，已經(jīng)基本被淘汰；直角型對空間的利用率有限，無法滿足電動汽車裝配這種復雜流程對于空間的要求。因此，本文在研究中主要以U型和S型兩種布局方式作為對照研究對象，分析CW電動汽車制造公司最適用的布局。

2 裝配工藝層次Petri網(wǎng)模型構建

2.1 裝配工藝流程

由于綠色汽車多采用電能新能源，與傳統(tǒng)燃油車相比，在動力總成部分，取消了發(fā)動機安裝、油管油箱安裝、加注機油等工序，增加了驅動電機安裝、電池安裝、高壓線束安裝等工序。雖然從裝卸工藝上來說，這些改變不會對綠色汽車的總裝工藝產(chǎn)生很大的影響。但是，在工作站進行布置時，需要增加驅動電池裝配工作站和快速充電工作站，并為工作站配備專用的物流通道。

2.2 層次Petri網(wǎng)模型

2.3 建立綠色汽車裝配層次Petri網(wǎng)模型

在調研的基礎上，結合裝配的工藝流程，構建了頂層、第二層、第三層Petri網(wǎng)模型，如圖1所示。各層網(wǎng)絡中各個庫所、變遷代表的含義見表1。

表1 層次Petri網(wǎng)模型各層庫所、變遷含義

圖1 綠色汽車裝配層次Petri網(wǎng)模型

3 基于FlexSim的裝配線布局建模仿真

3.1 基于裝卸工藝的布局方案

在明確裝卸工藝流程的基礎上，根據(jù)CW公司裝配車間的面積情況，將裝配車間劃分為空車身放置區(qū)、大物放置區(qū)、小物放置區(qū)、內飾線裝配區(qū)、底盤線裝配區(qū)、質檢線裝配區(qū)等主要作業(yè)區(qū)域，并為AGV小車等留置專門的充電區(qū)和行走通道。其中，各個裝配作業(yè)區(qū)根據(jù)裝配流程設計了對應數(shù)量的作業(yè)工位供機械手進行自動組裝。根據(jù)調研情況，主要為CW公司設計了U 型和S 型兩種初步布局方案，分別如圖2和圖3所示。

圖2 U型布局設計

圖3 S型布局設計

3.2 Petri網(wǎng)與FlexSim映射規(guī)則

層次Petri網(wǎng)是一種靜態(tài)仿真模型，不能實現(xiàn)模型的動態(tài)仿真和分析，因此需要運用FlexSim 軟件在靜態(tài)分析的基礎上，根據(jù)兩個軟件之間的映射規(guī)則建立動態(tài)仿真模型，映射規(guī)則為：

（1）層次Petri網(wǎng)中常用的表示狀態(tài)或場所的庫所可以對應FlexSim 中的發(fā)生器、吸收器、暫存區(qū)、貨架等實體。

（2）層次Petri網(wǎng)中常用的表示事件或活動的變遷可以對應FlexSim 中的處理器、分解器、合成器、機器人等實體。

（3）層次Petri網(wǎng)中有向弧與FlexSim 中的連接方式A對應，表示產(chǎn)品或者信息的流轉方向。為了實現(xiàn)工序間的流轉，還可以借助FlexSim中的傳送帶、機器人、叉車等運輸工具。

3.3 FlexSim建模仿真

以裝配100臺純電動車為研究對象，將所需要的大物原材料、小物原材料、空車身等通過BOM（物料清單）的統(tǒng)計情況分別經(jīng)發(fā)生器按照時間間隔1s源源不斷的產(chǎn)生，以滿足裝配線的正常運行。每道安裝工序機械手的操作時間通過預定時間標準法測算，并根據(jù)現(xiàn)有情況安排的機械手數(shù)量通過任務分配器調用。根據(jù)裝配車間的面積實際數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡節(jié)點類的實體進行仿真，設定各區(qū)域的具體位置和AGV的運行路線。

此外，設定AGV初始位置在充電區(qū)，AGV機器人最大速度2m/s，加速1m/s，減速1m/s。物料暫存區(qū)的貨架容量為10 000 000件。

4 基于TOPSIS法的仿真布局結果分析

4.1 TOPSIS法選擇

根據(jù)兩種布局方案分別運行模型，得到平均堵塞時間、平均加工時間、平均閑置時間等主要數(shù)據(jù)。同時對CW公司的專家組調研，賦予3組數(shù)據(jù)不同的權重，見表2。

表2 兩種布局方案的數(shù)據(jù)及權重

TOPSIS法又稱為理想解法，能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，精確地反映各評價方案之間的差距，適用于解決多指標問題。該公司的兩個布局方案有多個指標需要衡量，可以借助TOPSIS法找到接近正理想解，遠離負理想解的最優(yōu)方案。

4.2 具體分析

（1）用向量規(guī)范法求解規(guī)范化矩陣b

根據(jù)式（1）對表2中的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，得到結果見表3。

表3 規(guī)范化數(shù)據(jù)以及權重

（2）構造加權規(guī)范矩陣X。

根據(jù)式（2）可得矩陣X：

（3）確定正理想解和負理想解

根據(jù)式（3）和式（4）可得理想解X*和負理想解X。

（4）計算各方案到正理想解與負理想解距離

各方案到正理想解的距離為：

各方案到負理想解的距離為：

（5）確定兩個方案的綜合評價指數(shù)

根據(jù)式（5）-式（7）得到兩個方案到正理想解和負理想解的距離，見表4。

表4 距離數(shù)據(jù)

5 結語

為了解決CW公司的綠色汽車裝配線布局規(guī)劃問題，本文首先根據(jù)公司運作的現(xiàn)狀，尤其是純電動車裝配生產(chǎn)流程，劃分出作業(yè)單元模塊，運用Petri網(wǎng)構建靜態(tài)模型，根據(jù)Petri網(wǎng)與FlexSim的映射規(guī)則，將靜態(tài)模型轉化為動態(tài)可視化仿真模型，對CW公司擬采用的U型和S型兩種布局方式進行仿真建模分析，得出相應的運行數(shù)據(jù)。進而采用TOPSIS方法對平均堵塞時間、平均加工時間、平均閑置時間三項重要數(shù)據(jù)進行分析，得出了最適合CW公司現(xiàn)狀的為U型布局方式。但是，本文在研究裝配線布局問題時主要考慮裝配作業(yè)流程，尚未把裝配線的節(jié)拍、裝配線的設備數(shù)量優(yōu)化等問題考慮在內，缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃，如何運用系統(tǒng)論的思想解決綠色汽車裝配線一體化問題，具有更強的現(xiàn)實意義和應用價值，是后續(xù)研究的主要方向。