張如杰 ，楊自建 ，王 偉 ，何 純

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.寧波賽維思機(jī)械有限公司，浙江 寧波 315135）

在機(jī)車企業(yè)的裝配生產(chǎn)線中，難免存在著工序安排不合理、生產(chǎn)周期長、人員待工時間多、設(shè)備利用率低等一系列的問題。針對機(jī)車裝配線的特點，采用人工歸納等數(shù)學(xué)方法來解決問題，非常復(fù)雜，對人的邏輯思維能力要求較高，且需要占用大量資源和時間，因機(jī)車裝配線可看成離散事件。故可采用計算機(jī)仿真的方法，利用系統(tǒng)仿真軟件，來尋求解決方案。

基于離散事件的生產(chǎn)線仿真，是指運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機(jī)中對生產(chǎn)線的元素和生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，模擬出整個生產(chǎn)線的運(yùn)行過程[1]。通過分析生產(chǎn)線的設(shè)備利用率、平均節(jié)拍、生產(chǎn)線平衡率等參數(shù)，并進(jìn)行合理的優(yōu)化和調(diào)整，從而更有效地組織生產(chǎn)計劃[2]。

現(xiàn)針對某機(jī)車廠裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文選用eM-Plant軟件，對機(jī)車預(yù)組裝生產(chǎn)線進(jìn)行建模和仿真，并在保證設(shè)備利用率的基礎(chǔ)上，通過壓縮節(jié)拍，達(dá)到了生產(chǎn)線均衡的效果，從而提高了機(jī)車預(yù)組裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)水平。

1 eM-Plant軟件簡介

eM-Plant是Tecnomatix公司開發(fā)的一款面向?qū)ο蟮碾x散事件動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是工廠、生產(chǎn)線及生產(chǎn)物流過程中仿真與優(yōu)化的解決方案之一。

eM-Plant能夠分析和優(yōu)化生產(chǎn)線的多種性能指標(biāo)，幫助用戶評價規(guī)劃方案，如生產(chǎn)線平衡率、設(shè)備利用率、在制品生產(chǎn)節(jié)拍、工人負(fù)荷情況、物流密度、物流順暢程度等[3]，并以多種形式輸出結(jié)果，以便用戶設(shè)計出性能更好的生產(chǎn)系統(tǒng)。

軟件內(nèi)置的SimTalk語言，為用戶提供了控制仿真環(huán)節(jié)、定義自定義功能的方法，用戶通過編程，可以對仿真模型進(jìn)行詳細(xì)控制，提高了仿真模型的準(zhǔn)確性。eM-Plant為系統(tǒng)建模與仿真提供了一種完全面向?qū)ο蟮?、圖形化的、集成的工作環(huán)境[4]。

2 生產(chǎn)線建模與仿真

生產(chǎn)線建模是指運(yùn)用仿真軟件，對生產(chǎn)線的各個元素，生產(chǎn)制造過程進(jìn)行建模，在計算機(jī)內(nèi)構(gòu)建出整個生產(chǎn)線的模型[5]。離散事件系統(tǒng)的模型，一般可以用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖的方法來描述[6]。

下面對使用普遍的實體業(yè)務(wù)流程圖做簡單介紹。實體業(yè)務(wù)流程圖法，采用與計算機(jī)程序業(yè)務(wù)流程圖相類似的圖示符號和原理，建立表示臨時實體產(chǎn)生、在系統(tǒng)中流動、接受永久實體“服務(wù)”以及消失等過程的業(yè)務(wù)流程圖。借助實體業(yè)務(wù)流程圖，可以表示事件、狀態(tài)變化及實體間相互作用的邏輯關(guān)系。由于計算機(jī)程序框圖的思想和編制方法，已廣為人們所接受，加上實體業(yè)務(wù)流程圖的編制方法簡單，且對離散事件系統(tǒng)的描述比較全面等優(yōu)點，實體業(yè)務(wù)流程圖法的應(yīng)用較普遍。

仿真，就是通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所建模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的過程。系統(tǒng)仿真的一般步驟，如圖1所示。

圖1 仿真步驟

首先，根據(jù)系統(tǒng)的特點和仿真要求，選擇合適的算法，建立起系統(tǒng)的模型；然后進(jìn)行程序設(shè)計，即將仿真模型用計算機(jī)能執(zhí)行的程序描述，程序中應(yīng)包括仿真試驗的要求，如仿真運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求等；下一步對仿真模型進(jìn)行校驗，一方面是程序的調(diào)試，另一方面是檢驗所選仿真算法的合理性；接下來根據(jù)仿真的目的，對模型進(jìn)行試驗，得到相應(yīng)的輸出；最后對仿真輸出進(jìn)行分析[7]。

3 仿真目標(biāo)的設(shè)定

面對裝配生產(chǎn)線這類離散事件系統(tǒng)，具有以下一些重要的系統(tǒng)評價指標(biāo)[8]。

（1）設(shè)備利用率。是指設(shè)備實際工作時間與總工作時間之比。設(shè)備利用率是很多仿真都關(guān)注的一個指標(biāo)。利用率越高，說明設(shè)備的工作時間越長，但是可能會造成生產(chǎn)瓶頸；利用率越低，說明設(shè)備閑置時間越長，可能會浪費(fèi)資源。

因此，當(dāng)利用率過高時，需要增加設(shè)備來降低利用率，消除生產(chǎn)瓶頸；當(dāng)利用率過低時，可增加作業(yè)量，減少資源的浪費(fèi)。通常調(diào)整各種設(shè)備的利用率，使其保持在一個比較接近的范圍內(nèi)，使得各種設(shè)備均能得到合理使用，充分利用資源[9]。

（2）生產(chǎn)節(jié)拍。是指連續(xù)完成相同的兩個產(chǎn)品之間的間隔時間。換句話說，即指完成一個產(chǎn)品所需的平均時間。生產(chǎn)節(jié)拍的計算公式如下:

式中，

CT代表生產(chǎn)節(jié)拍；

TW代表總工作時間；

Q代表總產(chǎn)量。

（3）生產(chǎn)線平衡。是指對生產(chǎn)的全部工序進(jìn)行平均化，調(diào)整作業(yè)負(fù)荷，以使各作業(yè)時間盡可能相近的技術(shù)方法。其目的是消除作業(yè)間不平衡的效率損失以及生產(chǎn)過剩。生產(chǎn)線平衡的計算方法公式如下:

式中，

P代表生產(chǎn)線平衡率；

S代表各工序時間總和；

D代表工位數(shù)；

CT代表生產(chǎn)節(jié)拍。

4 應(yīng)用實例研究

4.1 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)建立預(yù)組裝生產(chǎn)線的仿真模型，生產(chǎn)線布置圖如圖2所示。其中北面兩條生產(chǎn)線生產(chǎn)A型車，其余5條生產(chǎn)線生產(chǎn)B型車。圖中代表車體入口,代表牽車軌道，代表車體。

圖2 生產(chǎn)線布置圖

利用eM-Plant強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，實現(xiàn)了對A型車和B型車生產(chǎn)線產(chǎn)量的統(tǒng)計，為機(jī)車的生產(chǎn)決策提供了重要依據(jù)。

（1）A型車生產(chǎn)線。1條A型車生產(chǎn)線運(yùn)行一年300 d，生產(chǎn)的車體數(shù)目為95節(jié)。A型車生產(chǎn)線評價指標(biāo)如下：

P=S×100/（D×CT）=6×72/（6×75.8）=95%。

（2）B型車生產(chǎn)線。1條B型車生產(chǎn)線運(yùn)行一年300 d，生產(chǎn)的車體數(shù)目為145節(jié)。B型車生產(chǎn)線評價指標(biāo)如下：

（3）仿真結(jié)果分析。按照現(xiàn)階段年生產(chǎn)情況，A型車年產(chǎn)量190節(jié)，B型車年產(chǎn)量725節(jié)。由于該機(jī)車的A型車與B型車的數(shù)目比為1:3，所以能夠組裝95列機(jī)車，余下155節(jié)B型車。

綜上所述，B型車的產(chǎn)量過大，A型車產(chǎn)量過小。由兩種車體生產(chǎn)線的仿真結(jié)果可知，B型車的生產(chǎn)節(jié)拍要比A型車的快；兩種車體生產(chǎn)線的平衡率，臺位的利用率均達(dá)到90%以上，且保持在一個比較接近的范圍內(nèi)，無需作出調(diào)整，只需平衡好二者之間的產(chǎn)量關(guān)系。

4.2 方案調(diào)整及驗證

（1）方案調(diào)整。該機(jī)車預(yù)組裝生產(chǎn)線的現(xiàn)狀是，B型車的產(chǎn)量過大，A型車產(chǎn)量過小，需要調(diào)整A型車的生產(chǎn)周期，從而達(dá)到兩型車的產(chǎn)量平衡，改進(jìn)方案如下：

改變A型車的生產(chǎn)周期，是指調(diào)整A型車在每個臺位的預(yù)組裝工藝流程，縮短其臺位流水節(jié)拍時間，從而縮短整個生產(chǎn)周期。對A型車每個臺位的工藝流程作出調(diào)整，將臺位流水節(jié)拍縮短，與B型車的臺位流水節(jié)拍一致。

對仿真模型進(jìn)行調(diào)整后，1條A型車生產(chǎn)線運(yùn)行一年300 d，生產(chǎn)的A型車數(shù)目為145節(jié)。經(jīng)計算得出，調(diào)整后的生產(chǎn)線可組裝出120列機(jī)車，余下50節(jié)A型車5節(jié)B型車。相比現(xiàn)狀95列有明顯提高，但A型車的產(chǎn)量還是過大。

分析上述結(jié)果，由于改進(jìn)后A型車和B型車的生產(chǎn)節(jié)拍相同CT=49.7 h/節(jié)，但兩者生產(chǎn)線之比為2:5。由于車體數(shù)目之比為1:3，所以必然會造成A型車產(chǎn)量過大。需要對一條A型車的生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整，使其混合生產(chǎn)，即部分時間生產(chǎn)A型車，部分時間生產(chǎn)B型車。假定這條生產(chǎn)線年產(chǎn)X節(jié)A型車，Y節(jié)B型車，可列出方程組

經(jīng)求解得出，X=108，Y=36。即一年 300 d，當(dāng)該生產(chǎn)線生產(chǎn)108節(jié)A型車，36節(jié)B型車時，兩種車體的總產(chǎn)量之比為1:3，正好能組裝出126列機(jī)車。

（2）仿真驗證。為確保計算所得結(jié)論正確，需要對計算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗證。修改仿真模型，在混合生產(chǎn)的A型車生產(chǎn)線的入口Source處增加Method對象，用于記錄A型車生產(chǎn)線調(diào)整轉(zhuǎn)而生產(chǎn)B型車時的仿真時間，SimTalk程序如下：

if source.statNumOut>107 then

.Models.DEMO.EventController.stop;

print EventController.simtime;

end;

表示當(dāng)入口Source處的退出車體數(shù)大于107時，仿真模型停止，在控制臺打印出仿真時間；否則仿真繼續(xù)進(jìn)行。

調(diào)用上述程序，運(yùn)行仿真模型得出：當(dāng)A型車生產(chǎn)線生產(chǎn)108節(jié)車體時，仿真模型停止，仿真時間為216:00:07:17.7000。即在第216天，該條A型車生產(chǎn)線轉(zhuǎn)而生產(chǎn)B型車。剔除該程序，繼續(xù)運(yùn)行仿真，當(dāng)仿真時間為300:00:00:00.0000時，車體總數(shù)為144節(jié)，增加了36節(jié)B型車體。經(jīng)過仿真驗證得出，調(diào)整方案成立。

（3）改進(jìn)前后對比。機(jī)車預(yù)組裝生產(chǎn)線改進(jìn)前后相關(guān)數(shù)據(jù)比較如表1所示。

表1 改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比

從表中得知，縮短A型車的生產(chǎn)周期后，機(jī)車產(chǎn)量提高26列，為120列；縮短A型車的生產(chǎn)周期，一條A型車生產(chǎn)線混合生產(chǎn)時，機(jī)車的產(chǎn)量達(dá)到最大化，為126列。

5 結(jié)束語

本文研究表明，面對機(jī)車生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍規(guī)劃及生產(chǎn)線平衡問題，運(yùn)用eM-Plant仿真軟件，可以對基于生產(chǎn)線建模的生產(chǎn)情況進(jìn)行全局物流仿真。通過物流仿真模型的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線中存在的瓶頸，并經(jīng)推理驗證進(jìn)行方案調(diào)整，從而，在一定程度上達(dá)到了優(yōu)化工藝，節(jié)約成本，提高效率的目的，進(jìn)一步提高了機(jī)車生產(chǎn)水平。

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