【裝備理論與裝備技術(shù)】

某航天器裝配中心流程仿真與優(yōu)化設(shè)計研究

任凌云1，2,費(fèi)允鋒2，占金春2，3，黃凱雁3

(1.空軍指揮學(xué)院，北京100089； 2.第二炮兵工程設(shè)計研究院，北京100089；

3.航天科工系統(tǒng)仿真科技(北京)有限公司，北京100089)

摘要：以某航天器裝配中心為研究對象，分別建立了系統(tǒng)進(jìn)程分析、三維可視化流程仿真兩種不同粒度的分析模型，在不同分辨率條件下研究了系統(tǒng)的行為，并以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率為目標(biāo)，開展了布局調(diào)整和要素配置優(yōu)化設(shè)計研究；為多層級系統(tǒng)運(yùn)行效率分析及優(yōu)化設(shè)計研究探索了一條可行的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品裝配；流程仿真；Flexsim；優(yōu)化設(shè)計

收稿日期：2014-07-19

基金項(xiàng)目：國家社科基金(12GJ003-155)

作者簡介：任凌云(1976—)，女，工程師，碩士研究生，主要從事軍事建模與仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.008

中圖分類號：TP391

文章編號：1006-0707(2015)01-0028-03

本文引用格式：任凌云,費(fèi)允鋒，占金春，等.某航天器裝配中心流程仿真與優(yōu)化設(shè)計研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(1):28-30.

Citationformat:RENLing-yun,FEIYun-feng,ZHANJin-chun,etal.ProcessSimulationandDesignOptimizationofOneSpacecraftAssemblyCenter[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):28-30.

ProcessSimulationandDesignOptimizationof

OneSpacecraftAssemblyCenter

RENLing-yun1,2,FEIYun-feng2, ZHAN Jin-chun2,3,HUANGKai-yan3

(1.AirForceCommandCollege,Beijing100089,China;

2.TheSecondArtilleryEngineeringDesign&ResearchInstitute,Beijing100089,China;

3.CASICSystemSimulationTechnology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing100089,China)

Abstract:Taking a spacecraft assembly center as the study object, systematic process analysis and 3D visualization process simulation analysis model in two different particle sizes were established, and the behaviors of the systems in different resolutions conditions were studied, and the layout and design optimization research of the configuration elements to improve the system efficiency as the goal was carried out, which would explore a possible technical mean for the multi-level system efficiency analysis and optimization studies of design.

Keywords:productassembly;processsimulation;Flexsim;optimaldesign

自動化產(chǎn)品裝配中心是一種典型的離散制造系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計需要進(jìn)行多個層次的分析，包括加工中心(部件預(yù)處理)生產(chǎn)能力和效率分析、裝配生產(chǎn)線的布置設(shè)計、生產(chǎn)線的平衡與緩存區(qū)設(shè)定、整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間與產(chǎn)能分析。解析方法可以分析某道工序的產(chǎn)能和負(fù)荷率，但很難建立整個系統(tǒng)的分析模型并對其開展優(yōu)化設(shè)計。在此將采用離散事件系統(tǒng)分析方法，以某航天器裝配中心為例，建立全系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的不同粒度的仿真模型，開展系統(tǒng)布局及要素配置優(yōu)化設(shè)計研究。

1系統(tǒng)進(jìn)程建模及人工仿真運(yùn)行

離散事件系統(tǒng)可采用事件、活動和進(jìn)程來描述[1]。某航天器裝配中心模型，如圖1所示[2,3]。圖1中，帶圈字符表示事件，有向連線表示活動，連線上方的數(shù)值表示活動持續(xù)時間，整個系統(tǒng)描述了6個相對獨(dú)立的進(jìn)程。實(shí)際上，這些進(jìn)程基于統(tǒng)一的時間軸來描述，因系統(tǒng)空間資源共用，這些進(jìn)程的發(fā)展存在一定的邏輯關(guān)系。具體而言，在特定時間點(diǎn)上，前一個進(jìn)程的某個事件結(jié)束，才可觸發(fā)后一個進(jìn)程的相應(yīng)事件。

圖1　多進(jìn)程模型及其人工推演

以第1個進(jìn)程為例，101表示主部件送達(dá)、拆包裝、就位、外觀檢查；101+表示部件1準(zhǔn)備；102為主部件功能檢查；103為部件1安裝；104為組件1安裝前準(zhǔn)備工作；105為組件1安裝；1.1為部件2準(zhǔn)備；1.1+為部件3準(zhǔn)備；1.2表示部件2、部件3安裝成組件1。第2個進(jìn)程的201事件發(fā)生以第1個進(jìn)程的101事件結(jié)束為條件，201+事件發(fā)生以101+事件結(jié)束為條件。此外，結(jié)合空間邏輯關(guān)系，這里約定2.1或2.1+事件的發(fā)生以104事件的結(jié)束為條件。后續(xù)進(jìn)程，依此類推。

在上述建模中，約定2.1或2.1+事件以104事件的結(jié)束為觸發(fā)條件，是一種模型簡化，在模型的人工運(yùn)行中經(jīng)常采用[1]。而實(shí)際系統(tǒng)中，1.1、1.1+結(jié)束后，2.1、2.1+即可發(fā)生，在系統(tǒng)中此處可能出現(xiàn)邏輯判斷、阻塞和等待。

2Flexsim三維可視化流程仿真[4]

圖2為在Flexsim軟件中建立的該裝配中心的三維可視化流程仿真模型，這是一個包含了空間位置信息的進(jìn)程模型。為簡化表達(dá)和便于理解，圖示“1.1區(qū)域”即為事件1.1發(fā)生的場所，其余類推。

圖2　三維可視化流程仿真模型

在該系統(tǒng)空間布局中，事件1.1、1.1+分別需要借助一個轉(zhuǎn)盤來銜接，此外，事件1.1+過渡至事件1.2、事件1.2過渡至事件105的活動以及事件105的繼發(fā)活動，都需要借助第3個轉(zhuǎn)盤來銜接。

仿真得到航天器裝配時間間隔，如圖3所示，其與人工運(yùn)行中忽略交通阻塞因素的估算時間間隔都有所延長?？梢?，第3個轉(zhuǎn)盤處出現(xiàn)了交通阻塞，影響了系統(tǒng)效率。

圖3　航天器裝配時間間隔

(1)

該工位組件i至組件i+1完成裝配的間隔時間記為Xi，其服從參數(shù)為λ的負(fù)指數(shù)分布，即Xi的分布密度為

(2)

其中 λ>0。

因而,計算所得的整套航天器完成裝配的時間間隔亦繼承了一定的隨機(jī)性，如圖3所示。

3基于流程仿真的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[5-9]

直觀理解，可以將1.1+區(qū)域調(diào)整至1.1區(qū)域同一側(cè)，使其向1.2過渡時不需通過轉(zhuǎn)盤三。但在該系統(tǒng)中，由于其工作對象本身的互斥性，這種布局調(diào)整在工程上是不許可的。為此需要進(jìn)一步研究其他優(yōu)化設(shè)計手段。

通過進(jìn)一步研究各區(qū)域繁忙程度，轉(zhuǎn)盤三并未成為真正的系統(tǒng)瓶頸。由圖4可見，轉(zhuǎn)盤三空置98.2%，通過制定優(yōu)先通行策略，將不會引發(fā)嚴(yán)重的阻塞。

而在101～105區(qū)域，由于工步較多、占用時間較長，經(jīng)常出現(xiàn)其他區(qū)域工作皆已完成，等待該區(qū)域的現(xiàn)象。圖5、圖6、圖7分別顯示的是1.2、101+、101～105區(qū)域的忙閑程度。可以看出，1.2區(qū)域起重機(jī)81.3%的時間處于閑置狀態(tài)；而101+區(qū)域工作時間達(dá)72.4%；區(qū)域101～105航天器需等待組裝、打包，約69.5%的時間有航天器在該區(qū)域等候。

圖4　轉(zhuǎn)盤三占用狀態(tài)統(tǒng)計

圖5　1.2區(qū)域起重機(jī)占用率

圖6　101+區(qū)域流水線工作狀態(tài)統(tǒng)計

圖7　101～105區(qū)域占用狀態(tài)統(tǒng)計

通過多次仿真試驗(yàn)，提出在101+、101～105區(qū)域分別設(shè)置兩條并行的流水線。新布局條件下，計算得到的航天器裝配時間間隔，如圖8所示。

可見，通過這樣的布局調(diào)整，除第一件航天器裝配時間與原系統(tǒng)相當(dāng)外，后續(xù)航天器裝配時間間隔近似為原系統(tǒng)的一半，大大提高了整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率。這樣，若在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上按此擴(kuò)建少量的流水線，可實(shí)現(xiàn)近兩倍于原系統(tǒng)的裝配能力，效益非常顯著。

圖8　系統(tǒng)修改后的航天器裝配時間間隔

4結(jié)論

本文以某航天器裝配中心為研究對象，分別建立了系統(tǒng)的進(jìn)程分析模型、三維可視化流程仿真模型，在不同的分辨率下研究了系統(tǒng)的行為，并開展了布局調(diào)整和要素配置優(yōu)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

研究成果為多層級系統(tǒng)運(yùn)行效率分析及優(yōu)化設(shè)計研究探索了一條可行的技術(shù)途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊歡，王小平.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]李明雨，楊萍，畢義明.仿真技術(shù)在常規(guī)導(dǎo)彈批量測試優(yōu)化中的應(yīng)用[J].裝備指揮學(xué)院學(xué)報，2006，16(2):107-110.

[3]李明雨，畢義明，杜雨.導(dǎo)彈批量測試流程與仿真研究[J].計算機(jī)仿真，2007(5):44-46.

[4]秦天保，周向陽.實(shí)用系統(tǒng)仿真建模與分析——使用Flexsim[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[5]陳兵.基于綠色制造的XX車間設(shè)施規(guī)劃研究[D].武漢；武漢科技大學(xué)，2008.

[6]高彩芝.基于Flexsim的生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計[D].天津:天津大學(xué)，2010.

[7]宋偉峰.Flexsim在物流系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[8]徐麗.工廠設(shè)施規(guī)劃中的物流分析與仿真研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[9]鄭鑫.基于Flexsim的集裝箱堆場布局優(yōu)化與仿真研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2008.

(責(zé)任編輯周江川)