孟 哲，王紅軍

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

基于Flexsim的混合流水線系統(tǒng)仿真與優(yōu)化*

孟 哲，王紅軍

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

對(duì)某企業(yè)的一條混流生產(chǎn)線進(jìn)行了研究，分析了其車間混流生產(chǎn)線加工的特點(diǎn)和現(xiàn)狀。應(yīng)用工業(yè)工程方法和物流系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，在建立車間加工流程圖的基礎(chǔ)上，利用Flexsim仿真軟件建立車間系統(tǒng)加工流程模型，并進(jìn)行生產(chǎn)線加工流程仿真。在多次優(yōu)化仿真運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)輸出結(jié)果的分析，得出生產(chǎn)線“瓶頸”所在的工位。通過(guò)分析其生產(chǎn)特點(diǎn)，提出針對(duì)性的改善方案，通過(guò)對(duì)不同改善方案的實(shí)際仿真運(yùn)行，對(duì)比仿真輸出結(jié)果，最后驗(yàn)證得出改善方案二的可行性。

Flexsim；混流生產(chǎn)線；系統(tǒng)仿真；方案優(yōu)化

0 引言

在混合流水生產(chǎn)線中，多對(duì)象生產(chǎn)是其基本生產(chǎn)形式。其特點(diǎn)是：在相同的加工時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)方式按照預(yù)先排定好的混合生產(chǎn)方式組織生產(chǎn)，多種類型的產(chǎn)品在車間流水線上混合同時(shí)生產(chǎn)，即把不同類型的產(chǎn)品按預(yù)先設(shè)定好的比例和生產(chǎn)順序編制成組，生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)成組工藝的原理編排成組，產(chǎn)品按編制的組形式，在流水線上進(jìn)行生產(chǎn)。

生產(chǎn)線仿真是對(duì)生產(chǎn)線及其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，在虛擬的環(huán)境中反應(yīng)出生產(chǎn)制造的全過(guò)程，從而有效的確定生產(chǎn)瓶頸位置，有針對(duì)性地進(jìn)行改善，解決流水線生產(chǎn)能力不平衡及效率低等問(wèn)題［1-3］。Flexsim是一個(gè)集系統(tǒng)仿真、模型設(shè)計(jì)、制作與分析的三維生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件，可以幫助企業(yè)生產(chǎn)者建立生產(chǎn)線的三維虛擬生產(chǎn)環(huán)境，分析設(shè)備的空閑時(shí)間、工作時(shí)間、產(chǎn)品在設(shè)備的等待時(shí)間、產(chǎn)品的平均停留時(shí)間、輸入和輸出產(chǎn)品數(shù)等目標(biāo)。

基于生產(chǎn)系統(tǒng)建模及工業(yè)工程的方法，以某企業(yè)的一條混合生產(chǎn)線為例，對(duì)該混流生產(chǎn)線進(jìn)行了建模與仿真，分析其生產(chǎn)瓶頸工位，并提出相應(yīng)的改善方案，并對(duì)改善方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 Flexsim仿真軟件

Flexsim是由美國(guó)的Flexsim Software Production公司開發(fā)的，是一個(gè)基于Windows的，面向?qū)ο蟮姆抡姝h(huán)境，是一款商業(yè)化的三維物流仿真軟件，它是迄今為止世界上唯一的一個(gè)在圖形建模環(huán)境中集成了C++IDE和編譯器的仿真軟件［4］。在這個(gè)軟件環(huán)境中，C++不但能夠直接用來(lái)定義模型，而且不會(huì)在編譯中出現(xiàn)任何問(wèn)題。這樣，就不再需要傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和用戶定義變量的復(fù)雜鏈接。與早期的仿真軟件如Arena、ProModel和AutoMod相比，F(xiàn)lexsim有很好的面向?qū)ο笮?，此外，F(xiàn)lexsim具備上述軟件所沒(méi)有的新功能。軟件的所有可視窗體都可以向定制的用戶公開，建模者可以根據(jù)自己的需要建立部件，而且能夠一次進(jìn)行多套方案的仿真實(shí)驗(yàn)，這些方案能自動(dòng)進(jìn)行，同時(shí)Flexsim可以把仿真結(jié)果輸出到微軟的Word、Excel等大眾應(yīng)用軟件里（這是其它仿真軟件不具備的功能），而且可以從Excel表中讀取數(shù)據(jù)，可以從生產(chǎn)線上讀取實(shí)時(shí)資料以用來(lái)分析。Flexsim具有強(qiáng)大的分析能力，可以解決服務(wù)、制造、物流等方面的問(wèn)題，也可以按照操作人員的不同需求進(jìn)行仿真分析。另外，F(xiàn)lexsim可以使用戶利用Microsoft Visual C++的層次體系特性進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)［5-6］。

2 混合流水線系統(tǒng)建模與仿真

2.1 混合流水線簡(jiǎn)述

某制造型企業(yè)有5個(gè)不同的加工車間（普通車間、鉆床車間、銑床車間、磨床車間、檢測(cè)車間），加工生產(chǎn)三種不同類型的產(chǎn)品（產(chǎn)品A、產(chǎn)品B、產(chǎn)品C）。這三種不同類型的產(chǎn)品按照加工工藝需在5個(gè)不同的車間完成5道工序。車間加工流程圖如圖1所示。

假定車間設(shè)備在保持每天工作8個(gè)小時(shí)，每周5天，連續(xù)工作的條件下生產(chǎn)三種不同類型的產(chǎn)品，在加工生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)控制不同加工順序來(lái)生產(chǎn)固定數(shù)量的三種產(chǎn)品。通過(guò)改變加工順序使產(chǎn)品加工時(shí)間、產(chǎn)品平均停留時(shí)間、在制品等待時(shí)間和負(fù)荷趨于平衡，來(lái)縮小成本和減小時(shí)間損失。

圖1 車間加工流程圖

在車間產(chǎn)品加工生產(chǎn)過(guò)程中，如果產(chǎn)品A在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)下一道加工工序時(shí)，發(fā)現(xiàn)該工序組的加工設(shè)備都忙著，則產(chǎn)品A就在該工序組機(jī)器處實(shí)施“排隊(duì)規(guī)則—等待制”，排入一個(gè)FIFO規(guī)則（Fist In Fist Out規(guī)則）的隊(duì)列的暫存區(qū)，在暫存區(qū)等待前面產(chǎn)品B加工完成后，產(chǎn)品A按照排隊(duì)規(guī)則進(jìn)入加工設(shè)備，如果有前一天沒(méi)有完成的任務(wù)，第二天則繼續(xù)前一天的加工任務(wù)［7-9］。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集

通過(guò)觀察裝配流水線，了解加工工序的前后關(guān)系，得知該企業(yè)生產(chǎn)三種不用類型的產(chǎn)品需要普通車床3臺(tái)，鉆床3臺(tái)，銑床2臺(tái)，磨床3臺(tái)，檢測(cè)設(shè)備1臺(tái)。通過(guò)對(duì)每道工序的觀察和計(jì)時(shí)，得到該生產(chǎn)線每道工序的加工時(shí)間和等待時(shí)間、一類產(chǎn)品每批生產(chǎn)數(shù)量、每道工序的故障率和解決故障所耗時(shí)間等。三種不同類型產(chǎn)品的加工時(shí)間數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 各工序加工時(shí)間（min）

該車間生產(chǎn)這三種類型的產(chǎn)品總數(shù)量為1800個(gè)，產(chǎn)品A總數(shù)為1000個(gè)，每隔3 min生產(chǎn)一批10個(gè)；產(chǎn)品B總數(shù)為500個(gè)，每隔3 min生產(chǎn)一批5個(gè)；產(chǎn)品C總數(shù)300個(gè)，每隔3 min生產(chǎn)一批3個(gè)。

2.3 建立仿真模型并設(shè)置參數(shù)

根據(jù)圖1所示，所要建立的模型中對(duì)象實(shí)體包括1個(gè)發(fā)生器，5個(gè)暫存區(qū)，12個(gè)處理器，1個(gè)控制器，1個(gè)吸收器，發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生原材料，暫存區(qū)用來(lái)臨時(shí)存放排隊(duì)的加工工件，處理器主要是各種機(jī)床，控制器用來(lái)控制事件的觸發(fā)，吸收器用來(lái)存放成品產(chǎn)品，所建立的模型如圖2所示。

圖2 在Flexsim中建立的仿真模型

根據(jù)車間加工流程及表1中的數(shù)據(jù)設(shè)置各個(gè)實(shí)體對(duì)象的參數(shù)如下：

（1）指定Source實(shí)體流到達(dá)參數(shù)。雙擊Source，在屬性窗口中，在“Arrivals Editors”一欄中，添加4個(gè)Arrival。Arriavl1～Arriavl4的各個(gè)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 Source實(shí)體流參數(shù)設(shè)置

（2）設(shè)定各個(gè)車間機(jī)床加工參數(shù)。首先設(shè)定預(yù)處理車間的3臺(tái)機(jī)床加工參數(shù)，雙擊Machine1，在Process Time一欄中選擇Value By Case，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)設(shè)置加工時(shí)間參數(shù)。然后根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)分別設(shè)置其他車間的機(jī)床加工時(shí)間參數(shù)。

（3）設(shè)定暫存區(qū)最大容量。雙擊Queue各個(gè)實(shí)體對(duì)象，在Maximum Content一欄中，設(shè)定暫存區(qū)最大容量為1800。

（4）設(shè)置模型停止時(shí)間。由于Flexsim的默認(rèn)設(shè)置是不會(huì)自動(dòng)停止模型的，然而本流水線加工的是固定總數(shù)的產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)傳送帶Conveyor進(jìn)行設(shè)置，可以使模型處理完1800個(gè)產(chǎn)品后，自動(dòng)停止。雙擊Conveyor實(shí)體，選擇Triggers欄，點(diǎn)擊OnConveyEnd右邊的代碼編輯窗口，加入如下語(yǔ)句“if（condition==1799）｛stop（）；｝，即當(dāng)Conveyor送走第1800個(gè)產(chǎn)品時(shí)，模型自動(dòng)停止仿真。

2.4 仿真結(jié)果輸出與分析

編譯模型、重置模型并運(yùn)行模型。在仿真運(yùn)行的過(guò)程中，可以看到三種不同產(chǎn)品（即紅、綠、藍(lán)三種不同顏色的產(chǎn)品）在生產(chǎn)系統(tǒng)中流動(dòng)，經(jīng)過(guò)不同的機(jī)器組的加工，最后離開系統(tǒng)到達(dá)吸收器即倉(cāng)庫(kù)所在位置，如圖3所示。

圖3 仿真運(yùn)行場(chǎng)景

在仿真運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)工具欄中的Run Speed工具（鼠標(biāo)左鍵按住比例尺拖移）加快仿真模型運(yùn)行速度，迅速得到仿真結(jié)果。從圖中可以看出各個(gè)工位上沒(méi)有滯留產(chǎn)品，并且在吸收器Storage中顯示進(jìn)入1800個(gè)產(chǎn)品，表明所以的產(chǎn)品都以加工完成并進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)存放。

仿真完成以后，就要對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析，看是否符合企業(yè)規(guī)定的生產(chǎn)指標(biāo)，采用以下幾個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即“空閑時(shí)間、產(chǎn)品加工時(shí)間、產(chǎn)品加工完成后，在該設(shè)備等待時(shí)間、產(chǎn)品平均停留時(shí)間、設(shè)備輸入輸出產(chǎn)品數(shù)”來(lái)衡量生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)。當(dāng)仿真運(yùn)行結(jié)束后，打開Flexsim菜單欄里的Statistics菜單下的Reports and Statistics選項(xiàng)，選擇Summary Report選項(xiàng)，通過(guò)來(lái)增加以及來(lái)減少需要輸出的報(bào)告內(nèi)容，使得輸出結(jié)果包含以上5個(gè)部分的數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果如圖6所示。

從圖4中可以看出總加工運(yùn)行時(shí)間是6085s，總共完成1800件產(chǎn)品。其中stats_input是輸入產(chǎn)品數(shù)，stats_output是輸出產(chǎn)品數(shù)，stats_staytimeavg是產(chǎn)品平均停留時(shí)間，idle空閑時(shí)間，processing是產(chǎn)品加工時(shí)間，blocked是產(chǎn)品加工完成后，在該設(shè)備等待時(shí)間。

從圖4輸出結(jié)果數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，T_Queue中等待加工的產(chǎn)品等待時(shí)間最長(zhǎng)，為1518.067222s，觀察其他工位的等待時(shí)間，除了傳送帶（Conveyor）10s外，均沒(méi)有超過(guò)6s的，可以認(rèn)為T_Queue是整個(gè)混流生產(chǎn)線加工的主要“瓶頸”，如果要提高整體的生產(chǎn)率，就要從此處進(jìn)行改善。

圖4 輸出結(jié)果

3 改善方案的提出

分析加工中出現(xiàn)的“瓶頸”環(huán)節(jié)［10-11］：

（1）T_Queue作為產(chǎn)品檢測(cè)前的暫存區(qū)，只有一個(gè)，有可能是數(shù)量不夠?qū)е聲捍鎱^(qū)產(chǎn)品堆積。

（2）暫存區(qū)的產(chǎn)品堆積也有可能是執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)的機(jī)床T_Machine只有一臺(tái)，數(shù)量不足導(dǎo)致的。

針對(duì)以上兩個(gè)原因，做出相應(yīng)改善措施，在方案一中增加T_Queue為3個(gè)（與磨床組3臺(tái)機(jī)器對(duì)應(yīng)），在方案二中增加T_Machine為2臺(tái)。

3.1 改善方案一

從上述分析中得知，方案一在磨床組（G_Machine）后面添加暫存區(qū)，即把磨床組（G_Machine）后面的暫存區(qū)（T_Queue）增加為3個(gè)，如圖5所示。暫存區(qū)（T_ Queue）的增加可以緩解因排隊(duì)規(guī)則引起的產(chǎn)品堆積。

圖5 方案一仿真模型

編譯和運(yùn)行方案一的仿真模型，得到方案一的的輸出結(jié)果，如圖6所示。

圖6 方案一輸出結(jié)果

3.2 改善方案二

在暫存區(qū)（T_Queue）后面添加檢測(cè)機(jī)床，即把暫存區(qū)（T_Queue）后面的檢測(cè)機(jī)床（T_Machine）增加為2個(gè)，如圖7所示。2臺(tái)檢測(cè)機(jī)床（T_Machine）的增加可以加速三種產(chǎn)品快速通過(guò)質(zhì)檢站，又不會(huì)因?yàn)闄C(jī)床數(shù)量的增加而造成整個(gè)生產(chǎn)線的不協(xié)調(diào)和機(jī)床的閑置。

圖7 方案二仿真模型

編譯和運(yùn)行方案二的仿真模型，得到方案二的的輸出結(jié)果，如圖8所示。

圖8 方案二輸出結(jié)果

4 方案對(duì)比分析

從圖6方案一的輸出結(jié)果數(shù)據(jù)中可以看出，雖然增加了2個(gè)T_Queue暫存區(qū)，T_Queue1的產(chǎn)品等待時(shí)間減小了，但是新增加的T_Queue2和T_Queue3的產(chǎn)品等待時(shí)間依然很高。所以這種改善措施不可取。

從圖8方案二的輸出結(jié)果數(shù)據(jù)中中可以看出增加了一個(gè)T_Machine之后，T_Machine1的產(chǎn)品等待時(shí)間（19.596583）與改善前的時(shí)間（1518.067222）相比大大減小。所以這種改善措施在時(shí)間利用上可以采取。并且方案二的產(chǎn)品總加工時(shí)間為3065.333s，和改善前相比，縮短了大約一半的時(shí)間，提高了整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益有很明顯的改善，綜合考慮可知改善后的方案二更為合理。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用Flexsim仿真軟件對(duì)某企業(yè)的混流生產(chǎn)線加工過(guò)程進(jìn)行仿真研究，通過(guò)仿真模型的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，找出生產(chǎn)線系統(tǒng)中的“瓶頸”工位，并提出針對(duì)性的改善方案，通過(guò)對(duì)方案的實(shí)際驗(yàn)證，得到優(yōu)化后的系統(tǒng)相對(duì)于優(yōu)化前，其加工時(shí)間減小了50.33min，整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)率有較大提高，因此，本文提出的改善方案是實(shí)際有效的，為企業(yè)提高生產(chǎn)率、降低成本提供了有效的途徑，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)性的意義。

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（編輯 李秀敏）

Simulation and Optimization of the Mixed Assembly Line Based on Flexsim Software

MENG Zhe，WANG Hong-jun
（School of Mechanic and Electric Engineering，Beijing Information S&T University，Beijing 100192，China）

A mixed production line of an enterprise is studied.The characteristics and situation of this mixed flow production line is analyzed.Industrial engineering methods and logistics systems modeling and simulation technology are introduced.Machining process model of workshop systems and simulation are made by Flexsim simulation software.Run and optimize simulation models many times.Through the analysis of the results of simulation output，the“bottleneck”is found in the production line.Through the analysis of‘'bottleneck''station production characteristics，a targeted improvement program is proposed.Run the simulation of the different programs many times.At last verified the feasibility of Program II through software system.

Flexsim；mixed production line；system simulation；program optimization

TH165；TG65

A

1001-2265（2015）01-0142-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.01.040

2014-04-08；

2014-05-05

北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201211232039）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51275052）；北京市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（D121100004112001）

孟哲（1988—），男，河南焦作人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹圃煨畔⒒‥-mail）mengzhe7679@163.com。