浅析整车厂车体分配中心库容量规划方法

2020-01-01黄林林

中国设备工程 2019年23期

黄林林

（上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

随着工业生产的扩大，土地政策收紧及成本上升，自动立体仓库已成为现代物流系统中最重要的环节之一。从系统的经济性及入出库效率来看，货架长高比是系统合理规划的重要指标，而系统库容量直接决定货架尺寸，因此，系统库容量作为整个系统的基础数据及设计依据，其设定的合理性显得尤为重要。传统物流自动立体库主要作为离线物料存储，其库容量根据应用场合，综合考虑货物的入出库量、入出库形式、存储周期、安全库存量、缺货率目标值等因素设定。但整车厂车体分配中心，形式上虽是自动立体库，但其实际为上下游生产线的一部分，主要是服务于上下游车间的生产平衡及车型再排序，因此，其库容量将直接影响上下游车间正常生产，应根据上下游车间生产需求合理设定。

1 车体分配中心简介

车体分配中心BDC 是联接汽车整车厂三大车间（车身、油漆、总装）的输送系统。目前广泛使用的车体分配中心与三大工艺车间的布局如图1 所示，由两大循环路径组成：车身车间至油漆车间的白车身循环路径；油漆车间至总装车间的油漆车身循环路径；其中主体是自动立体库（ASRS）的应用，白车身及油漆车身均进库暂存。

图1

自动立体库及相关机运系统，作为上下游车间的缓冲区，其主要功能：（1）平衡车身、油漆、总装三大车间生产节拍及生产班次差异；（2）缓冲各车间进出口一定时间的停机影响，以维持上下游车间正常生产；（3）满足总装车间以线平衡或准时准序为目的的车型再排序要求；（4）满足工程车或雪橇临时存储需求。以上功能需求，全基于自动立体库的相应库容量得以实现，因此，本文将针对整车厂车体分配中心库容量的规划方法进行深入探讨。

2 传统库容量规划方法

根据上述车体分配中心的功能定义，其库容量由以下四方面构成：

（1）缓存容量（缓冲各车间进出口一定时间的停机影响）；（2）计划波动容量（平衡各车间的生产节拍及生产班次差异化）；（3）排序容量（以线平衡或准时准序生产为目的的再排序容量）；（4）其他容量（工程车或雪橇临时存储等固定容量需求）。

由于整车厂生产模式的不同，一些工厂的车体分配中心不以再排序为主要功能，因此，传统库容量规划方法，仅考虑缓存容量及计划波动容量。

缓存容量以各车间的缓冲时间为设计指标，根据各车间的历史停机数据设定最大可接受停机时间为缓存时间。缓存容量设计原则：1/3 缓存容量用于白车身储存；1/3 缓存容量用于油漆车身储存；预留1/3 空位，考虑到两个车间同时出现大停机的可能性微乎其微，因此，该预留空位为油漆车间入口停机引起的白车身储存或总装车间入口停机引起的油漆车身储存共用。假设缓冲时间设定为45min，以48JPH（Job Per Hour）整车厂为例，其毛速度CT（Circle Time）为64s，则45min 缓存时间相当于在立库内需储存43 辆白车身或油漆车身，因此，缓存容量总共为129 个。

计划波动容量由上下游车间规划产能及生产班次决定，即需设定库容量满足一天内上下游间的最大产量差。各车间出入口故障引起的产能波动，由缓存容量吸收，计划波动容量不考虑。假设各车间产能如下：（1）车身车间净产能 30JPH，每天两班，每班8 小时。（2）油漆车间、总装车间净产能48JPH，每天一班，每班10 小时。

以一天为周期，各车间一天产量平衡为480 辆。

车身车间出口每小时产量为30 辆车，两班8 小时制，油漆及总装车间每小时为48 辆车，单班10 小时制，则每天车身车间较其他车间多生产6 小时，总共产出180（6×30）辆，即需有180 个空库位用于储存车身车间多生产的180 辆白车身用于第二天油漆车间生产；第二天油漆车间以每小时多生产18 辆车，共10 小时，消耗前一天白车身库存，在单班完成生产后，车体分配中心内空出180 个空库位用于车身车间的错班生产，达到整个工厂生产平衡。

传统库容量规划中，计划波动容量是可以根据工厂规划的生产模式准确计算的。一般情况下各车间或上下游的生产模式及产能是平衡的，表1 的错班生产模式仅是生产启动阶段或特殊时期的需求，因此基于精益规划，实际库容量取缓存容量或计划波动容量之间的大值。

3 以线平衡为目的再排序库容量规划方法

由于车型、配置不同，在总装车间各工位对应的操作时间不同，随着在产车型的增多，可能导致某一时间段，连续超工时车辆进入总装，导致总装整条线超时，从而影响车间产能。为保证在各别工位超时情况下，整条线不会超时而停线，需对进入总装车间装配序列的车型进行线平衡再排序，以优化进车序列，减少超工时车连续进入。

车型再排序涉及众多离散因素及车型调度策略，是一个交互影响的复杂离散系统，无法通过简单的计算或经验得出排序容量。因此，规划上需引入离散系统仿真软件，如Plant Simulation，对整个车体分配中心进行建模，分析不同调度策略下的合理库容量。

该模型涉及两个系统输入(车身车间出口、油漆车间出口)，两个系统输出（油漆车间进口、总装车间进口）以及自动立体库。主要输入如下：

（1）各系统输入&输出口独立运行，在操作时间、设备开动率、平均故障时间、平均故障间隔时间等影响下，在一定范围内随机波动，模拟车间出入口能力；

（2）高速堆垛机等机运设备运动参数及立库储存策略模拟自动立体库设备；

（3）车型或配置比例、进入总装的线平衡排序规则等再排序信息。假设如表1 所示。

表1

油漆车间出口根据车型比例随机生成油漆车身，油漆车身进入立库暂存，在系统预热阶段，关闭系统出口，使立库内储存一定量的油漆车身，作为再排序库存；完成预热后，系统出口开启，立库根据表格的规则，检索库内符合要求的油漆车身进入总装装配序列，如无匹配车型则记录为失败。

设定再排序成功比例作为设计指标，调整再排序库存及库容量，进行多次仿真实验，综合兼容缓冲需求及计划波动需求，仿真得出合理的库容量值。由于白车身进油漆车间无排序需求，从精益角度出发，为有效地减小库容量，策略上可使白车身优先直接进油漆车间，一是避免堆垛机频繁运行，降低立库存取能力；二是使库容量最大可能用于油漆车身排序使用。

4 以准时准序生产为目的的再排序库容量规划方法

准时准序生产不同于线平衡仅为总装车间产能服务，其涉及面更广，从车身车间入口排产订单生成到总装车间整车下线，甚至包括零部件供应商的生产订单序列。因此，其对车体分配中心的再排序要求更为严格，但相对地，对车体分配中心的排序策略却较为简单，车体分配中心仅作为执行单元，按车型订单顺序恢复初始排产序列，如无法恢复序列，则检索当前所需序列的相同车身进行替换即可，否则记录为失败。因此，研究准时准序再排序库容量，必须先进行车型乱序分析。

车型序列的乱序主要来自两方面：（1）车身车间各工艺线的下线返修，返修车返回至主线引起的乱序；（2）油漆车间各工艺线的下线返修以及自身的色块排序生产需求，引起的车身序列乱序。

其中，油漆车间是主要的乱序来源，由于生产排色的需求，需把进来的白车身根据色块重新排序，如图2，各储存道按色块储存，以使喷涂色块越大越好；加上各工艺线的下线，导致车身序列经过油漆车间形成较大乱序。

图2

乱序分析主要是车身序列质量统计，即记录车身进入及离开车间时的车身序列，统计车身滞后或提前情况，假设图2 中，第一行序列整齐的15 台车身进入车间，第二行为实际输出序列，其中有11 台车身与原始序列不同，第三行显示两者的比较值，6 台提前到达（负数），5 台滞后到达（正数），绝对值则代表提前或滞后到达的车辆间隔数。第三行即为序列质量。

一般情况下，现有车间可通过记录实际生产数据进行统计；新工厂规划则需采用Plant Simulation 等软件，模拟油漆车间进行分析，采集序列质量。如图3，对某一油漆车间仿真，分析统计的序列质量，结果显示最大滞后893 辆车，最大提前207 辆车，大部分车落在滞后170 至提前150 范围内。

图3

以序列质量为基础，准序率为设计指标，设定车体分配中心排序容量，如图4，排序容量之间为可再排序窗口，即该窗口内提前或滞后的车身进入车体分配中心后，暂存至立库，根据车型序列检索出库，完成车身再排序，记为准序车身；反之，如提前或滞后车身在排序窗口之外，则车体分配中心库容量不足以支持再排序，需检索相同车身替换，替换成功则记为准序车身，无替换车身则记为乱序车身；相同车身的替换，涉及众多离散因素，需由Plant Simulation 仿真具体分析；在规划初期，可将排序窗口外的车身，均记为乱序车身。这样即可根据准序率设计指标，设定合理的排序容量。

图4

假设工厂生产节拍为60JPH，可排序时间为2 小时，则排序容量为120 个库位，即可再排序窗口为-120 ～120；乱序情况在这个范围内的车身，经车体分配中心再排序后，均可记为0（准序）；其余不在该范围内的车身，记为不等于零（乱序）；从而得出油漆车身经车体分配中心后，准序率可达74.94%。同线平衡再排序库容量规划方法一样，总库容量仍需根据规划的车体分配中心功能需求及整车厂生产模式，综合考虑缓冲容量、计划波动容量等。