白車身分拼與主線生產拉動策略探討

馮翰章

白車身分拼與主線生產拉動策略探討

馮翰章

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

根據上汽大眾某工廠車身車間側圍分拼線、空中輸送系統和主線的方案，介紹了使用生產線物流拉動仿真需要明確的前提、方法和輸出的結果，以及在制定策略的過程中需要注意的各個方面。通過對生產拉動中極端情況的研究，討論了多種優化拉動策略。最后，歸納和總結了線體緩存和生產的關系。該研究結果解決了上汽大眾所有工廠車身車間，關于線體間拉動生產的共性問題，并對汽車制造業所有高產能、多車型車身車間都具有借鑒意義。

白車身；空中輸送系統；生產拉動；物流仿真；緩存；優化拉動策略

目前上汽大眾車身車間總拼主線均以全柔性的方式進行多車型的切換生產，側圍分拼生產線則以同車型8個或10個為最小生產批次進行多車型的切換。這種線體間切換模式的差異，使得側圍空中輸送系統（Electrified Monorail System, EMS）在起到輸送作用的基礎上需要平衡分拼線與主線的供需，減少車型切換時的斷料幾率。本課題即通過計算機物流仿真手段，制定拉動策略，使側圍線的生產與總拼主線的需求能夠智能匹配，從而實現均衡化[1]和全自動化的拉動生產。

1 方案介紹

上汽大眾某工廠車身車間側圍空中輸送系統拉動方案涉及的相關區域分為側圍空中輸送線、側圍內外板生產線，總拼一、二線（分別焊裝側圍內板和側圍外板）、部分底板主線以及主線之間的車身機運線，具體布局如圖1、圖2所示；生產NF、GN、SB、TR四種車型的側圍（TR為運動型多功能車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型，其他均為A級入門車型）。側圍線規劃節拍49 s，單次車型切換最小生產數量為10。主線規劃節拍51 s（實際車間已優化到49 s）。側圍與主線2 s的規劃節拍差異用于補償側圍單次車型切換時的節拍損失，約20 s。主線全柔性切換，不損失節拍。總規劃產能為60 JPH。對于制定拉動策略來講，所有的空中和地面線體可以抽象為工位數量、緩存數量和輸送長度三大部分。

圖1 地面側圍分拼線和主線布局圖

圖2 空中側圍內外板空中輸送線（EMS）布局圖

2 仿真前提與結果

本次側圍空中輸送系統的物流仿真，采用西門子Plant Simulation軟件。結合現代物流仿真思想[2]，在運行開始前，需要輸入眾多前提條件，這些條件需盡量符合車間的實際運行情況，使結果更具參考性。

2.1 仿真前提輸入

（1）主線節拍：51 s，側圍線節拍：49 s。后續還根據現場實際情況將主線節拍設為49 s進行模擬。

（2）主線設備開動率：89.5%，側圍設備開動率：89.5%，所有工位單次維修排故時間：390 s。（自動線設計最低設備開動率一般為85%，車間實際按89.5%的要求執行。）

（3）排產方式：主線具備全柔性能力。根據車間實際操作方式GN和SB單次連續生產不能超過10輛，且不能直接互切，必須通過NF或TR過渡。 NF和TR無限制條件柔性生產。側圍單次切換最小生產數量為10。

（4）各車型產能，NF：60 JPH/GN：20 JPH/SB：20 JPH/TR：30 JPH。

（5）生產配比：A級入門三款車型目前產能比例NF：GN：SB為8:1:1。TR與A級入門車型整體的配比按0:60 JPH、10:50 JPH、20:40 JPH和30:30 JPH進行模擬，A級入門三車型內部比例固定不變。

（6）側圍空中輸送線庫區分配：內外板大小庫區各有6條緩存道，NF占用2道、GN占用1道、SB占用1道、TR占用2道。

（7）生產控制方式：車型預讀點（位于側圍下件點前的主線工位或機運線上）讀取車型信息并計數（也稱側圍生產訂單讀取點），發送信號到側圍內外板空中輸送控制系統。系統處理的信息，包括整個側圍空中輸送系統各車型的存儲和消耗情況計算，并生成排產清單，單車型每過10個生成一個信號，傳遞給側圍內外板線頭第一個工位上料生產。側圍總成上空中輸送線后，優先進入離下件口較近的小庫區，小庫區充滿后進入大庫區。總拼一、二線體提前三個工位向空中輸送線小庫區的緩存要料出庫。

（8）相關線體工位、緩存數量和工藝流關系如圖3所示。此外，側圍空中輸送線和機運線的分段長度、布局，也均需在軟件中建模。

圖3 側圍生產線、側圍空中輸送線工位與緩存量結構圖

2.2 模擬結論

以下是基于主線總拼一線側圍訂單讀取點，提前16個工位設在底板2.2線頭，以及總拼二線側圍訂單讀取點提前18個工位設在總拼一線下件口得出的結論，如表1所示。

結果表明，該物流拉動方案，理論上可使車間最高輸出達到將近64 JPH。此外，還可以歸納出以下兩點：

（1）將主線節拍提至與分拼一致，對產量有所促進作用，畢竟側圍不是每10個必切，這在單車型產量占主導地位的情況下效果最明顯。實時上，車間通過提前備量或加班補足的手法是可以一直維持主線生產的，整體效率高于49 s對51 s的方案。當然，這也是在極高產量要求下的產物。

表1 仿真模擬結果匯總

（2）整體輸出隨著車型配比的平均化而降低。表中顯示，隨著TR占比的增加，整體產量有了一定的下降，直至超過NF成為主導車型后，產量又有所回升。這是由于切換頻次增加，導致產量損失幾率增加帶來的結果。結合圖4軟件模擬運行記錄可以看到，運行過程中上下波動，短時最低產量可以下探到30 JPH，最高可以達到70 JPH。因此，整體產能可以看作是這些隨機數的平均值。

圖4 軟件模擬運行記錄

3 制定拉動策略需要考慮的幾個方面

本文2.1雖然列舉了8個在軟件模擬前需要輸入的主要條件和前提，但要完善整個物流拉動策略，實現精確配送[3]，還有許多細節需要確認和量化。

3.1 空車策略

一般而言，在設備狀態正常或存在短時間故障的情況下。由于側圍在空中輸送線上下件的節奏相同。空中輸送線上帶件小車和空小車的比例不會發生很大變化，空車只會在返回道上出現。然而，現實中設備長時間故障的情況還是有一定幾率發生的，特別是當發生在側圍時，總拼的正常消耗會導致大量空車出現，超過返回道的容量。為此額外建立一個庫區專門存放空車顯然沒有經濟性，而如果讓其無序進入大小庫區，夾雜在帶件小車中間，可能會導致部分帶件小車出庫的延遲，進一步地干擾系統運行。

因此，可采用如下措施：

（1）經計算，內外板的返回道及大庫區的容量之和，能夠滿足所有小車的存放。所以，當空車滿溢后只進入大庫區，不進入小庫區，這樣避免了對總拼下件的直接影響。

（2）在大庫區這里，空車會被引導至沒有帶件小車的緩存道存放（任意一條都可以）直到該條緩存道需要進帶件小車后，將空車一次性排出，通過位于小庫區前的提前返回道，再次回到大庫區尋找存放點。

（3）如果大庫區所有6條緩存道都有帶件小車停放，則系統對比位于主線車型提前讀取點的排產信息，選出即將被總拼消耗的數量最多的側圍車型。空車會進入該車型對應的大庫區緩存道，這樣能夠避免空車長時間停留在庫區的情況。

以上三項措施，能夠極大地規避空車堵線的風險。

3.2 雙庫區的氣泡問題

由于車間二層輸送線的結構原因，內外板空中輸送線緩存都被設計成雙庫區的形式，如圖2所示。其中外板區域為了避讓地面側圍激光房，使得最北側兩條緩存道相距小庫區甚遠，這就引申出在制定空中輸送線方案時需要注意的氣泡問題。

根據充庫原則，在大庫區非空的情況下，小庫區出庫一輛車，大庫區就要對應的補充一輛。如果主線在特定時間連續做單一車型，那么要求小庫區在消耗完之前，大庫區的第一輛車必須能接上，不然就會出現氣泡，導致總拼斷料。如圖5和表2所示，根據點到點的輸送長度和空中輸送線在彎道和直道的行駛速度可計算出，從大庫區最遠端經過小庫區外側緩存道，再到下件口的時間為330 s即6.7個節拍，小于小庫區單條道7個的緩存量。所以，該方案即使對于只分配了一根緩存道的VW/SB車型，也不存在氣泡問題。實際上，通過合理分配大小庫區各車型定義的緩存道位置，可進一步降低此風險。

圖5 極限狀態充庫節拍分析圖

表2 外板區域EMS各車道通過時間（對應圖5）

3.3 充線方式

初始狀態在仿真運行前需要明確定義。根據此次物流拉動的邏輯，空中輸送線將主線車型讀取處理后提前發給側圍內板和側圍外板的第一個工位進行生產，因此，在主線車輛進入車讀取點前，側圍線工位應保持空線的狀態，直至滿足單車型10個一組的訂單后發給側圍線開始生產。另外，在積放鏈（累積式輸送鏈）和空中輸送線中每個車型都會分別配置至少一條緩存道，所以在正式生產前，兩者應處于滿料狀態以保證起步初期的產量輸出穩定性。

3.4 運行中線體的抽拉車問題

這是物流拉動中不可回避的影響因素，也是車間的常態。常規點檢、送測、返修等都會臨時從主線中抽車，待工作結束后將車輛返還主線。由于側圍是訂單式生產，這些動作如果發生在車型預讀點之后，就會出現產出與當前需求不匹配的情況。主線抽車后，空中輸送線會多一輛帶件車，當抽出的車重新回到主線后，這套件才會被用掉。因此，理論上空中輸送線小車數量在滿足上述系統無氣泡的基礎上應留有額外數輛小車，并且緩存道空位必須大于方案定義的單車型緩存數。另外，實際生產中如果遇到主線整車報廢，需要將車型讀取點堆棧中的相應側圍訂單數量進行調整，否則會出現累積偏差，影響系統正常運轉。

3.5 機運線等效緩存數的定量算法

由于地面主線線體之間通過空中機運線串聯，而機運線上緩存的車數是實時變化的。因此，需要定義一個等效的緩存數量，以進行后續的理論計算。

以總拼一線到總拼二線的機運線為例，一共50個滾床。圖6為物流模擬中該線每個車身存量數值對應的出現幾率。經計算，緩存數大于10的幾率為90%，而10個以上緩存數的情況并不會對運行產生負面影響。因此，可以將這條機運線等效視為固定存放10個零件的線體。

圖6 機運線緩存量出現頻次分布圖

4 拉動生產中的極端情況及化解方式

4.1 極端情況與停線計算方式

極限法，用于定性地判斷拉動方案是否有漏洞，也可以評估在多大程度上會導致主線斷料。以側圍內板線體為例，由于零件以最少10個一組進行生產，可能出現主線前期消耗量不滿足生產條件而后期又出現訂單積壓的情況。同時，如果主線的需求量超過單車型在空中輸送線和積放鏈儲存量（見圖3），就最容易出現拉空的現象。

圖7 極端生產序列圖示

如圖7所示，如果訂單讀取點設置在空中輸送線下件口，A車型側圍在生產前已經有30個訂單需要生產，而主線在觸發側圍生產三個節拍后就會用到A車型，并且后續連續生產。這種情況下，如果側圍第一臺A車型零件不能在緩存消耗完前趕到下件口，就會出現側圍斷料的情況。回顧前文提到的以下車間生產限制條件，這種情況可能會發生在NF的生產中。

NF：60 JPH/GN：20 JPH/SB：20 JPH/TR：30 JPH；

GN單次連續生產不能超過10輛；

SB單次連續生產不能超過10輛；

GN和SB不能直接互切，必須通過NF或TR過渡；

NF和TR無限制條件柔性生產。

理論上，A車型側圍零件從接到訂單到輸送至總拼下件口的通過時間小于A車型側圍零件整體緩存的消耗時間即可，兩者差異值?可以表達為

?=-(+l+e+l) （1）

式中，為該車型的總緩存量；為該車型生產前線體需要完成的其他車型的訂單量和等待；1為該車型第一個件完成生產所需時間（線體通過時間，含積放鏈）；e為小車從空中輸送線上件口到下件口的通過時間；1為零件在空中輸送線上下件升降機上停留的時間。

以NF側圍內板為例，當側圍收到總拼訂單時，B=（15+24）×49=1911 s（積放鏈與空中輸送線緩存量之和，49s為車間主線節拍）；

O=（30-3）×49+4×16=1 387 s（前置側圍訂單已生產3個，4為側圍車型切換時間）；

l=22×39（39 s為去除搬運重疊節拍后，零件在側圍線中的通過時間）

e=224 s（如圖8和表3所示，走快速通道，路徑為αA→AB→Bγ）

圖8 四車型空中輸送線通過時間分析圖

表3 內板區域EMS各車道通過時間（對應圖8）

l=40 s（包括側圍上件和總拼下件）

=1 911-（1 387+858+224+40）=-598s=-12CT（節拍）

經計算可知，NF緩存消耗殆盡后，理想狀態下總拼也會因空中輸送線斷料而停線12個節拍。

4.2 優化方式

要避免這種現象的發生可以從四個方面著手：

（1）限制物流排產中同車型集中大量連續生產的情況，比如設定NF連續生產不能超過30臺。單次連續消耗量小于總緩存量就能為側圍線的生產爭取時間，從源頭上規避極端情況發生。

（2）調整各車型在空中輸送線中的緩存數量。針對前文所討論的情況，如果將原GN和SB在大庫區共計12輛空中輸送小車定義為NF的緩存就能解決這個問題。而GN和SB單次連續生產不會超過10輛且產量僅為20 JPH。加上地面積放鏈，每車型各21臺的緩存量足以應付單批次的生產。

（3）將快速通道定義為主力車型的緩存道。快速通道的作用是當緩存告急時側圍能夠以最快的速度到達主線，減少斷料風險。還是以NF為例，走快速通道時Te約為4.6個節拍，而走正常路徑也不過6.2個節拍，1.6個節拍的節省時間相對有限。但是，當定義為緩存道后能夠提供總共15個的緩存量，相當于為線體多讓出15個節拍的生產追趕時間，有效降低斷料風險。當然，小車數量也需要隨之增加，優點是不會犧牲其他車型的緩存量。

（4）提前給出生產信號。本文4.1所列出的計算方式是以下件口為訂單讀取點進行的；在側圍來不及生產的同時，通過圖7也能看到側圍線一開始是沒有生產的，直到D車型觸發閥值后才開始。而最后主線又因為側圍斷料而暫停生產。從某種角度上講，這即是一種線體間互相拉扯等待的不合理狀態。如果提前讀取訂單信息，等式中O的值相應減少。當提前到12個工位以后△≥0，就能規避這個風險。

不過，實際運行過程中，這種極端案例發生的概率也是極低的，即使不采取任何手段，根據目前線體和空中輸送線的結構和緩存量，總體輸出也不會有很大變化。但是，很多次極端的狀況還是會在特定的時間段，一定程度上影響主線的產能。根據實際仿真結果，將訂單讀取點提前下件口3個工位設置即可。之所以以內板提前16個工位讀取，外板提前18個工位讀取作為仿真前提（本文2.2所述），主要是為了應用空車策略而提前記錄排產信息。

因此，上述4項措施對拉動方案能夠起到優化和挖掘線體潛力的作用。需要強調的是，考慮極端情況并非為了使方案做得十全十美（當加入設備開動率因素后情況更為復雜），而是通過使用這種分析手法，多角度地思考解決方式，再結合現場實際情況，選出整體最優的方案。

5 緩存與生產的關系

線體方案中很多時候都會用到積放鏈或者在大區域之間使用空中輸送線的情況。積放鏈和空中輸送線雖然形式不同，但本質上都起到了輸送和緩存的作用。使線體間能夠“彈性”連接，不會因為開動率的原因互相牽制。從前文的論述中不難看出，判斷后道線體的需求能否被滿足，主要看緩存是否會因為生產脫節而拉空歸零，同時又沒有得到前道線體的生產補充。以下歸納了4種緩存線和生產線的對應關系。圖9為相應的示意圖，其中緩存量指緩存的零件數量，每個節拍消耗一個；生產等待時間，特指車型切換所需時間（即節拍損失時間），以及線體收到車型訂單后由于需要先完成前置生產任務導致的推遲；工位生產時間，指第一個零件在線體中的通過時間；輸送時間，指零件在緩存線上（積放鏈或空中輸送線），從上件端移動到下件端（或前一個緩存件位置）所需時間。

圖9 緩存與生產關聯示意圖

（1）緩存線開始消耗后，生產線即開始安排生產。當緩存線原有零件消耗完后，新生產的第一個零件正好在下一個節拍趕到。這種情況下，緩存線完全用于抵消整個生產時間，并不能起到線體間的緩沖作用，任何故障都會導致后道停線。

（2）為解決（1）中提到的問題，可以增加緩存線的容量。其中，富余緩存量應通過計算線體的開動率而制定，與仿真確定機運線容量的方式同理。該案例形式上與側圍內板后部區域類似，由于側圍內板和側圍內板后部的最小生產批次一致，所以側圍內板做什么側圍內板后部同步跟進即可。這也是空中輸送線的訂單只需發給側圍內板而不需要從頭發給側圍內板后部的原因。

（3）由于場地限制，緩存線的容量有時無法做到足夠大。這種情況下，就需要提前將生產信號發給線體準備生產（讀取下件口之前若干工位的生產信息）。通過提前生產，可以在有限的緩存空間中得到富余緩存量。換言之，在線體結構固定的情況下，富余緩存量通過生產信號的控制是可以從緩存線中轉化出來的。本文所論述的空中輸送系統拉動策略，就是這種思想的應用案例，也是一種相對經濟的方案。

（4）最后還有一種填充的方式，只要當緩存線空出一個最小生產批次就安排生產，側圍通常以8或10個零件作為最小生產批次居多（60 JPH），而全柔性的主線線體只需1個空位即可。這種情況雖然對于批次切換的線體，緩存容量要求較高，但信號控制上較為簡單，上道線體只需關注緩存線的消耗量即可。事實上，積放鏈補充空中輸送線，以及空中輸送線大庫區補充小庫區的方式就是這種情況的應用案例之一。

符合以上任一情況皆可滿足后道的生產拉動需求，但顯然第3種方式在保證生產線彈性的前提下，零件總緩存量最小，也最為精益。

6 總結

本文針對車身車間分拼和主線的生產匹配問題，采用Plant Simulation軟件模擬仿真與理論計算相結合的方式，給出了多個具有操作性的優化方案，包括根據線體結構，控制各車型的排產方式；根據產量安排，調整空中輸送系統各車型的緩存占比；根據主線提前讀取的車型和產量信息，拉動分拼生產。其中，以第三種方案進行生產拉動，能有效減少對線體間緩存的要求，且在線體和生產方案規劃上更為靈活。該研究在解決上汽大眾車身車間線體生產拉動問題的同時，也對行業內所有高產能、多車型車身車間具有借鑒意義。

[1] 周家華.精益生產在汽車零部件企業生產管理中的應用[J].現代商業,2021(31):155-159.

[2] 彭飛,馬志.基于SLP和Plant Simulation的車間工藝布局設計研究[J].現代制造工程,2019(9):28-36.

[3] 魏鑫,胡江,趙劍道.基于拉動式生產的物料配送研究[J].制造業自動化,2009,31(5):70-72.

Discussion of the Pull Production Strategy between Sublines and the Mainline of Body Shop

FENG Hanzhang

( SAIC Vockswagen Company Limited, Shanghai 201805, China )

According to the scheme of the side perimeter sub-assembly line, the aerial conveyor system and the main line in the body shop of a SAIC volkswagen plant, the paper introduced the premise and methodology for utilizing plant simulation software to output analyzed results, along with various aspects in the process of making production strategy. These are based on the concept of sublines, the electrified monorail system (EMS) and the mainline in a body shop of SAIC volkswagen. A series of optimized production pull strategy are discussed through the investigation of an extreme case. The relationship between buffer and production are summarized at the end of the paper. The results of the study are not only suitable for solving the general problems of the pull production between lines in the body shop of all SVW car plant, but also have referential value for all body shops with high volume and multi-vehicle in automobile industry.

Body in white; Electrified monorail system; Pull production; Plant simulation; Buffer; Optimized production pull strategy

U466

A

1671-7988(2022)23-203-08

U466

A

1671-7988(2022)23-203-08

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.037

馮翰章（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為白車身生產線規劃及前沿技術，E-mail:hfengbill@163.com。