基于F公司现有生产线的仿真及优化

王辉

(北京建筑大学，北京 100044)

基于F公司现有生产线的仿真及优化

王辉

(北京建筑大学，北京 100044)

应用Flexsim仿真软件，对F公司实际的汽车零部件生产线进行仿真，分析仿真数据并结合生产线实际状况，以解决生产瓶颈、生产平衡和提高效率为优化目的，确定生产线优化方案，根据条件判断优化方案的可行性。

Flexsim仿真；零部件生产线；优化

0 引言

制造业生产线优化方法种类繁多，每种方法都有不同的侧重点。近年来生产线优化问题已经成了当今的热门话题，研究的方法和方向也多种多样。H Pierreval等[1]则采用遗传算法求解生产线的优化问题；Matthias Amen[2]采用一种精确回溯优化方法研究了面向成本的装配线；Patrick和Oh[3]借助于启发式的优化算法来解决这一问题；John Miltenburg[4]采用动态规划算法研究了JIT生产模式下U形生产线车间的平衡和再平衡问题。Dilip Chhajed、M M D Hassan和S S Heragu等[5]应用优化算法研究生产线模型也取得了一定的成果。B Montreuil等[6]在基本模型的基础上同时考虑时间因素研究动态布局优化问题；M J Rosenblatt等[7]在基本模型的基础上同时考虑了生产系统的不稳定因索来探究随机布局优化问题；B.Malakooti等[8]建立多个评价指标目标函数来探讨装焊生产车间多目标布局优化问题。P S Welgama等[9]讨论了流水线的布局问题。Panagiotis Kouvelis等[10]讨论了单元化生产系统的布局设计问题。随着计算机技术的发展，当今应用仿真技术解决该类问题也取得了一定的成果。

文中主要根据F公司的实际情况，对该公司的生产线进行优化。借助Flexsim软件对公司的生产线进行仿真，根据仿真结果结合公司现有的生产工艺对该公司生产线进行优化。

1 某公司简介

F公司在中国拥有35个生产基地。公司在上海开设了技术中心，承担从CAD制图到模型测试的全系列产品技术研发工作。F公司北京工厂成立于2012年8月，目前主要产品为CVE(商用车)排气系统。

当高温汽车尾气通过净化装置时，催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx3种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的CO2；HC化合物在高温下氧化成水(H2O)和CO2气体；NOx还原成为氮气和氧气。3种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。

欧Ⅵ排放标准将于2014年开始实施，明确了极其严格的NOx排放标准:<80 mg/km。北美Tier 2Bin 5拍排放标准的要求更为严格:<44 mg/km。对生产线的要求也提高了很多，生产线的优化也是该公司迫在眉睫的首要任务。

2 Flexsim软件仿真流程

建模流程[11]如下：

(1)定义仿真研究的目的。通过明确仿真研究的目的可以使未来进行系统调研和建模时抓住重点，而不是面面俱到、浪费时间，甚至偏离系统研究方向。

(2)收集数据、建立概念模型。研究现有系统(或设计中的系统)，收集相关数据，理解系统运作的流程，在此基础上，建立系统的概念模型。概念模型通常以图形表示系统运作流程，便于理解和交流。

(3)建立计算机仿真模型。一旦概念模型通过审核，就可以利用仿真软件根据概念模型建立计算机仿真模型。

(4)模型校核与验证。模型校核是考查计算机仿真模型是否按照预先设想的情况运行，是否真实描述了概念模型。

(5)试验运行和结果分析。运行仿真实验，得出输出数据并进行结果分析。

根据优化方案确定仿真模型，经过仿真得出仿真数据，再分析数据确定优化方案。具体仿真流程见图1。

3 工艺流程

F公司的厂房由9条生产线组成，其中样件线只生产SOP前的产品，有1条生产线还处在调试中没有正式生产，剩下的7条线分别是：CANNING、SUB1号、SUB2号、MINI、REGP、SEGP1号、SEGP2号。圆形线(REGP)是该厂自动化率最高且产量比较大的线，所以只讨论这条线。

生产线加工的工艺顺序依次是：OP10载体与法兰焊接，OP20半壳与法兰焊接，OP30半壳与载体boss焊接，OP40补焊和去飞溅，OP50装垫片、衬套和夹箍，OP60螺栓焊接，OP70检具检查，OP80泄漏测试和激光打码，OP90终检。各工位的加工时间见表1。

表1 各工位的加工时间

续表1

依照生产线布局图和生产工艺流程，设置仿真模型。根据图2所示的生产线布局图设置Flexsim仿真布局，根据表1中各工位的加工时间，设置每台设备的加工时间。每个工位都有一个操作员和一个暂存区。该公司8 h为一个生产单元，仿真运行时间为28 800 s。模型布局如图3所示。

运行模型得出相关数据输出如图4和图5所示。

生产线存在的问题分析：生产线的设备利用率相差很多，一些设备的利用率不高，生产线存在严重的不平衡；生产线在制品的数量过高，在制品的过量堆积会占用很大的空间，从而所需的花费是浪费的；操作员的利用率不高，空闲时间较长，存在人员冗余现象；生产线9台设备中利用率最高的为OP40工位的补焊和去飞溅，达到90.94%，所以该工序为瓶颈工序。仿真结束后，成品数量为121，在制品数量为56。

4 优化方案的确定

(1)方案一

方案一是围绕瓶颈工序而展开的，在上文中已经把该线的瓶颈工序分析出来了。通过增加瓶颈工序的设备数、增加瓶颈工序的操作员工、训练员工减少操作时间来消除瓶颈工序。根据生产线的实际情况具体操作如下：生产线的瓶颈工位为OP40。可以在与瓶颈工位并联的位置增加1台设备，然后再配备给新工位一个操作员。这样优化的结果会使生产线基本达到平衡状态，但是新的REGP线会出现新的瓶颈工位——OP20。再次进行优化会再增加1台设备和1个员工。1台设备非常昂贵，这样优化就会造成极大的资金投入。1台设备从买进到正常使用会经过调试、安装传感器等设备、试使用、再调试、最后使用这样一个过程，这个过程要经过一个漫长的周期才能完成。这样优化会使现在的生产率增加，但是前前后后一共增加了2台设备，这2台设备会使生产线的占地面积急剧增加。由于当前工厂的资金紧张，而且产品的更新速度较快(很可能完成优化之后就把该产品更新掉了)，当前生产线也没有再容纳2台新设备的空间，所以方案一不可行。

(2)方案二

方案二是围绕瓶颈工序外的其他工序展开的。通过生产资源的再次整合、操作人员的再次分配，使生产线达到生产平衡。根据生产线的实际情况具体操作如下： F公司工厂生产线优化主要从人员的再度分配入手，主要服从合并相邻利用率较低的员工的优化原则。生产线共有9个操作员，9个操作员中利用率最高的为OP10工位的操作员，利用率为15.93%。把OP20和OP30工位的操作员合并只留1个，把OP40A和OP50A工位的操作员合并只留1个，把OP60和OP70工位的操作员合并只留1个，把OP80和OP90工位的操作员合并只留1个。这样操作员就从原来的9个变成了5个，大大节省了资金。

(3)再次优化

在方案二的基础上再次优化，这次优化主要根据生产线工艺的特点进行。根据工艺的特点进行设备的改造，同时优化运输工具释放人力。根据每条线的特点具体操作如下：纵观生产线加工设备在装夹工件时，只要通过Y方向的转动就都能实现，所以工位与工位之间的物流通过传送带来完成，这样不仅能释放人力还能加快运输时间。

按照优化方案建立仿真模型，模型布局图见图6。

运行模型得出相关输出数据如图7和图8所示。

5 结果分析

仿真结束后成品数量为139，在制品数量为45。生产效率和生产线平衡性都有所提高。由上述数据输出图可以看出：设备利用率明显提高了，操作员工的利用率并没有提高。增加了传送带操作员的利用率会下降，但是减轻了操作员的劳动强度。如果这个时候再做合并操作员的优化，会使一个操作员兼顾多个加工工位，操作员的工作区域会过大，外界给操作员带来的干扰会增加，反而不利于生产。

6 总结

应用仿真的手段来解决实际生产问题是今后科研的趋势，这种方式能有效避免依靠计算求解的传统方式，而且还能直观地找到生产过程中的问题，从而优化生产线。但是这种方式很可能忽略一些重要的因素，这就需要仿真要最大程度上与实际生产相同，这也是有待提高的部分。

【1】Pierreval H,Caux C,Paris J L,et al.Evolutionary Approaches to the Design and Organization of Manufacturing Systems[J].Computers and Industrial Engineering,2003,44:339-364.

【2】Amen Matthias.An Exact Method for Cost-oriented Assembly Line Balancing[J].Int J Production Economics,2000,64:187-195.

【3】Oh Keytack H.Expert Line Balancing System(ELBS)[J].Computers & Industrial Engineering,1997,33(1/2):303-306.

【4】Miltenburg John.Balancing U-lines in a Multiple U-line Facility[J].European Journal of Operational Research,1998,109(1):1-23.

【5】Heragu S S,Kusiak A.Efficient Models for the Facility Layout Problem[J].European Journal of Operational Research,1991,53(1):1-13.

【6】Rosenblat Meir J.The Dynamics of Plant Layout[J].Management Science,1986,3(1):76-86.

【7】Rosenblat M J,Kropp D H.The Single Period Stochastic Plant Layout Problem[J].Iie Transatctions,1992,24(2):169-176.

【8】Rosenblatt M J,Sinuany-Stem Z.A Discrete Efficient Frontier Approach to the Plant Layout Problem[J].Material Flow, l986,2(4):277-281.

【9】Welgama P S,Gibson P R.A Construction Algorithm for the Machine Layout Problem with Fixed Pick-up and Drop-off Point[J].International Journal of Production Research,1993,31(11):2575-2589.

【10】Langevin A,Montreuil B,Riopel D.Spine Layout Design[J].International Journal of Production Research,1994,32:429-442.

【11】秦天保，周向阳.使用系统仿真建模与分析[M].北京：清华大学出版社，2013:4.

Simulation and Optimization for F Company’s Existing Production Line

WANG Hui

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044,China)

Applying Flexsim simulation software, auto parts production line of F company was simulated. Combining the simulation data with the actual situation, taking solving production bottleneck, balancing production and improving efficiency as the optimization goal, the production line optimization scheme was determined.According to the condition, the feasibility of the optimized scheme was judged.

Flexsim simulation; Parts production line; Optimization

2015-09-20

王辉(1989—)，男，硕士，研究方向为生产过程管理。E-mail:wh1018321593@126.com。