姜根成，湯 檳

（中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司 系統(tǒng)優(yōu)化研究室，重慶 401122）

1 引言

近年來，汽車產(chǎn)業(yè)全球性競(jìng)爭日益加劇，國內(nèi)汽車制造企業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)。隨著上市車型逐漸增多，為快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，不同車型的生產(chǎn)計(jì)劃會(huì)隨之調(diào)整；同時(shí)為滿足客戶個(gè)性化和多樣化的產(chǎn)品需求，大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)開始采用多品種、小批量的生產(chǎn)方式，因此企業(yè)日常生產(chǎn)的波動(dòng)性越來越大，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度的均衡生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)，為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中立于不敗之地，需要更高效的生產(chǎn)管理手段和更快的決策響應(yīng)時(shí)間來應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化[1-2]。

沖壓車間作為汽車四大生產(chǎn)工藝的排頭兵，在整車的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等方面有著非常重要的影響。當(dāng)前，國內(nèi)眾多車企的沖壓車間普遍存在以下問題：針對(duì)布局規(guī)劃和生產(chǎn)管理缺乏有效的統(tǒng)籌考慮，導(dǎo)致規(guī)劃的布局方案在實(shí)際生產(chǎn)中不斷修正，在應(yīng)對(duì)市場(chǎng)快速需求變化時(shí)處處掣肘；生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)實(shí)際脫鉤，導(dǎo)致排產(chǎn)的計(jì)劃無法按時(shí)完成；生產(chǎn)過程也缺乏預(yù)見性，不能及時(shí)預(yù)見性的進(jìn)行調(diào)整；缺乏快速響應(yīng)市場(chǎng)的決策手段，在面對(duì)新車型、新訂單、新需求情況下，難以確定生產(chǎn)能力能否滿足、資源數(shù)量能否應(yīng)對(duì)、生產(chǎn)周期長短、生產(chǎn)是否經(jīng)濟(jì)化等[3-6]。通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，開發(fā)一套完善、先進(jìn)、高效的沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，將布局規(guī)劃與生產(chǎn)管理結(jié)合、生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境建模來模擬生產(chǎn)過程，為生產(chǎn)管理者提供快速?zèng)Q策的技術(shù)手段，能夠使企業(yè)以最高效的生產(chǎn)、最快的速度、最低的成本和最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)來響應(yīng)市場(chǎng)。

2 仿真平臺(tái)功能及特點(diǎn)

沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)作為面向普通用戶的通用化仿真平臺(tái)，采用面向?qū)ο蟆D形化的建模方式，具有良好的三維可交互的仿真界面，能快速對(duì)沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線、生產(chǎn)過程等進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化。

2.1 模塊化建模

沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，采用樹結(jié)構(gòu)層級(jí)化管理的模塊化建模，根據(jù)沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)中各生產(chǎn)作業(yè)流程逐層進(jìn)行模塊化劃分，充分考慮各模塊及層級(jí)間的功能需求、相互通信便利性、可擴(kuò)展性、可復(fù)制性、可重構(gòu)性等特點(diǎn)進(jìn)行模型架構(gòu)，直至細(xì)化到最小作業(yè)單元，具有良好的通用性，能滿足國內(nèi)大多數(shù)沖壓車間系統(tǒng)仿真需要，沖壓車間模塊劃分見表1。

表1 沖壓車間模塊劃分

在建模過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)方案只需要復(fù)制需要的模塊節(jié)點(diǎn)，采用拖放方式將模塊放置于相應(yīng)位置，并根據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)模型的搭建。為了優(yōu)化比選方案，可在基礎(chǔ)模型上拖動(dòng)對(duì)應(yīng)模塊的布局位置、改變存儲(chǔ)區(qū)（坯料庫、成品庫、焊接線邊緩存、返修區(qū)）的大小、改變資源（生產(chǎn)線、叉車、工人、盛具等）的可用數(shù)量、改變生產(chǎn)模式等操作進(jìn)行多方案的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的顯示與分析

沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)提供了強(qiáng)大的動(dòng)畫顯示功能和分析工具，通過三維模型可以逼真的再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程，直觀的判斷出倉儲(chǔ)庫存、物料流向、擁堵區(qū)域、系統(tǒng)瓶頸等情況。仿真過程根據(jù)各模塊的控制邏輯按照事件激發(fā)方式得以推進(jìn)，過程數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)記錄便于分析，每一個(gè)沖壓件的全生產(chǎn)周期數(shù)據(jù)都可追溯查看，如坯料的入庫時(shí)間、存儲(chǔ)位置、出庫時(shí)間、上沖壓線時(shí)間、下沖壓線時(shí)間，成品的入庫時(shí)間、存儲(chǔ)位置、出庫時(shí)間等。

仿真平臺(tái)也提供了多種綜合分析工具，如設(shè)備利用率分析、周轉(zhuǎn)率分析等，并且以折線圖（如圖1所示）、甘特圖（如圖2所示）、餅狀圖等方式直觀的展現(xiàn)，用戶可以采用不同的分析工具對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 叉車?yán)寐收劬€圖

圖2 沖壓線甘特圖

2.3 仿真與優(yōu)化算法結(jié)合

沖壓車間從規(guī)劃、生產(chǎn)到?jīng)Q策存在諸多可優(yōu)化的點(diǎn)，如沖壓件庫位優(yōu)化、坯料庫庫位優(yōu)化、模具庫庫位優(yōu)化、拖車走行路徑優(yōu)化等[7]。沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)將上述優(yōu)化需求與仿真模型充分結(jié)合，為用戶提供更優(yōu)的解決方案。下面以沖壓件庫房庫位優(yōu)化為例來說明仿真與優(yōu)化算法的結(jié)合。

沖壓件庫房為每一種沖壓件規(guī)劃了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的堆存區(qū)域，沖壓件尺寸及盛具的裝載量決定了不同的沖壓件所分配的區(qū)域大小不同，叉車將沖壓件從沖壓線尾運(yùn)至庫房堆存區(qū)，拖車再從堆存區(qū)運(yùn)送至焊接線邊，沖壓件物流路徑如圖3所示。

圖3 沖壓件物流路徑

為了節(jié)約成本，減少叉車走行浪費(fèi)，借助仿真平臺(tái)提供的物流路徑數(shù)據(jù)，以物流總路徑最少為優(yōu)化目標(biāo)采用遺傳算法對(duì)庫房庫位進(jìn)行優(yōu)化[8-9]。改變沖壓線線尾輸出的沖壓件種類、入庫及出庫通道位置、焊接線邊布局，均可以通過仿真平臺(tái)快速獲取合理的庫房堆位布局，其原理如圖4所示。

圖4 沖壓件庫房布局優(yōu)化原理圖

2.4 良好的用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)

作為通用化的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，必須具備良好的用戶體驗(yàn)，盡量簡化用戶操作，沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)提供了以下功能：

（1）彈出警告信息。在關(guān)鍵的邏輯點(diǎn)都設(shè)置有報(bào)警信息，若數(shù)據(jù)不符合要求、字符有誤、端口有誤均會(huì)彈出警告窗口，及時(shí)提醒修正。

（2）提供了數(shù)據(jù)輸入檢查功能。對(duì)初始的輸入信息，包括沖壓件、坯料庫存信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行初始檢查。

（3）對(duì)系統(tǒng)資源缺乏進(jìn)行記錄。在規(guī)劃階段，系統(tǒng)資源往往存在不足，針對(duì)不足的資源系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生并進(jìn)行記錄，比如盛具，用戶可以參考記錄信息增加。

（4）通過坯料到貨模塊，提供每天的坯料到貨計(jì)劃。用戶可以將該計(jì)劃清單提供給供應(yīng)商進(jìn)行供貨。

（5）提供便捷的數(shù)據(jù)輸入。仿真平臺(tái)的初始數(shù)據(jù)分為兩大類：系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和初始庫存數(shù)據(jù)，均直接在EXCEL中修改。

3 沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)應(yīng)用

隨著精益生產(chǎn)的普及，沖壓車間生產(chǎn)追求更低的坯料庫存和沖壓件庫存，減少資金的積壓降低成本，理想的狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)JIT式生產(chǎn)，需求一件生產(chǎn)一件，由于焊接生產(chǎn)同時(shí)需要幾十種沖壓件，沖壓線同一時(shí)間只能生產(chǎn)一種沖壓件，因此單次沖壓批量/庫存天數(shù)是沖壓車間組織生產(chǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)[10]。理論上庫存天數(shù)越小，資金積壓越小，成本越低，但往往受限于上下游的匹配、設(shè)備的維護(hù)、生產(chǎn)的組織及管理等因素，庫存天數(shù)并非越小越好。

以某沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，其有A、B兩條自動(dòng)沖壓線，分別為兩種車型生產(chǎn)40種沖壓件，通過仿真平臺(tái)分別進(jìn)行了1.5d、2d、2.5d庫存情況下15d生產(chǎn)周期的仿真模擬，三種方案均假定沖壓車間換模能力足夠，通過模擬可以獲取三種方案下的相關(guān)指標(biāo)，見表2。

從沖壓線利用率數(shù)據(jù)可知，三種方案下沖壓線的利用率基本相同且較低，針對(duì)多批次小批量或小批次大批量生產(chǎn)均能輕松應(yīng)對(duì)，可以推斷出該自動(dòng)沖壓線的實(shí)際產(chǎn)能較大，當(dāng)前仍有近1/3的產(chǎn)能有待挖掘。

表2 三種方案下的主要指標(biāo)

從沖壓件日均庫存量來看，方案一的庫存量大于方案二，主要有兩方面原因：一是由于經(jīng)濟(jì)批量對(duì)生產(chǎn)排產(chǎn)造成的影響，為了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)化，單次沖壓量不能小于經(jīng)濟(jì)批量，從表格數(shù)據(jù)可知，經(jīng)濟(jì)批量基本上等同于2d庫存量；二是由于1.5d的庫存量會(huì)更頻繁的拉動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)貨操作，導(dǎo)致日均庫存量偏高。因此方案一和方案二在降低沖壓件庫存上的效果基本等同，反而方案二略優(yōu)，方案三由于單次產(chǎn)量大，日均庫存量也最高。

從OTD數(shù)據(jù)可知，方案一略高于方案二，均為3d左右，這是因?yàn)橥斜P的坯料裝載量是固定值，方案一單次生產(chǎn)量少，送達(dá)的坯料量往往剩余較多，坯料的庫存時(shí)間較長拉低了平均OTD值，方案三屬于大批量生產(chǎn)，沖壓件的庫存時(shí)間較長拉低了平均OTD值。

從資源需求數(shù)量來看，方案二和方案三均需要增加空盛具數(shù)，但不需要增加坯料庫的貨格數(shù)，而方案一則剛好相反。

以上數(shù)據(jù)從幾個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行了分析，每種方案都各有利弊，用戶可根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇合適方案。此外，還可以通過詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的回溯功能進(jìn)行更深入的分析，比如坯料庫和沖壓件庫的最大庫存量、最小庫存量、每種沖壓件的OTD值、每種空盛具的需求個(gè)數(shù)等。除了上述數(shù)據(jù)外，還提供了庫房叉車流量統(tǒng)計(jì)、返修區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及坯料庫叉車、線尾叉車、線尾裝箱工人、庫存叉車、換模天車等設(shè)備的利用率統(tǒng)計(jì)。

需要指出的是，影響生產(chǎn)系統(tǒng)的因子眾多，在上述實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，還可以增加更多的影響因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如經(jīng)濟(jì)批量、每種沖壓件的庫存天數(shù)、實(shí)際換模能力、模具維修能力、返修能力等一系列參數(shù)進(jìn)行更多的仿真實(shí)驗(yàn)，通過綜合對(duì)比分析，找出成本最小、產(chǎn)出最大的生產(chǎn)方案。

4 結(jié)語

沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)多因素相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，從規(guī)劃階段到實(shí)際生產(chǎn)過程，各種因子相互交織、相互影響，很難用常規(guī)的方法進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)論證。沖壓車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)將布局、工藝流程、管理組織、生產(chǎn)策略等與生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)的因素統(tǒng)籌考慮，采用模塊化參數(shù)化的技術(shù)可進(jìn)行任意的組裝、移植、調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了基于普通工程人員的快速仿真建模，解決了規(guī)劃與生產(chǎn)的脫節(jié)，將傳統(tǒng)仿真與實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)進(jìn)行了緊密的結(jié)合，為沖壓車間的技術(shù)改造、挖潛、個(gè)性化生產(chǎn)等各種需求提供了決策支持，有助于企業(yè)在激烈的行業(yè)競(jìng)爭中取得先天優(yōu)勢(shì)。