劉 剛,張光濤 (中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710077)
LIU Gang,ZHANG Guangtao (AVIC Qing'an Group Co.,LTD,Xi'an 710077,China)
據(jù)統(tǒng)計,制造企業(yè)的加工和裝配時間只占總生產(chǎn)時間的5%~10%,而生產(chǎn)物流中的輔助時間占90%~95%,物流成本占到生產(chǎn)成本的30%以上。由此可見,生產(chǎn)物流和企業(yè)生產(chǎn)過程密切相關(guān),通過對企業(yè)生產(chǎn)物流進(jìn)行優(yōu)化、減少生產(chǎn)物流輔助時間可以有效縮短降低物流成本,提升企業(yè)生產(chǎn)效率。
航空機(jī)載產(chǎn)品具有多品種、小批量、變狀態(tài)的特點,在生產(chǎn)物流方面體現(xiàn)出高度離散、高度波動、高度柔性的特征,目前大部分機(jī)載企業(yè)主要依靠經(jīng)驗的生產(chǎn)調(diào)度物流模式,缺乏提前策劃,通過事后型的解決措施彌補(bǔ)不足,造成生產(chǎn)停滯。本文主要研究基于Witness系統(tǒng)仿真軟件根據(jù)生產(chǎn)排產(chǎn)計劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備及實際物流參數(shù)等要素建立準(zhǔn)確的生產(chǎn)物流仿真模型,通過虛擬仿真手段實現(xiàn)生產(chǎn)物流方案優(yōu)化,解決因物流因素導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯問題,從而提升航空機(jī)載企業(yè)的制造能力。
航空機(jī)載產(chǎn)品屬于典型的多品種小批量生產(chǎn)特性,例如,某航空機(jī)載企業(yè)機(jī)加車間生產(chǎn)產(chǎn)品1.9萬余種,年產(chǎn)量160萬件。生產(chǎn)過程中所需要零件、夾具、刀具、量具等種類繁雜;零件工序長,物料周轉(zhuǎn)頻繁,物流調(diào)度計劃和物流路線復(fù)雜。目前生產(chǎn)物流方式主要以人工為主,雖然簡單易行、方便靈活,但完全依賴生產(chǎn)調(diào)度人員的經(jīng)驗和執(zhí)行力,無法形成快速響應(yīng)的生產(chǎn)物流管理機(jī)制。
復(fù)雜物流環(huán)境下,要實現(xiàn)物流能力的顯性分析和調(diào)整均衡,預(yù)防因物流計劃不合理導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯問題,需要使用系統(tǒng)的仿真工具。Witness仿真軟件是一個面向于生產(chǎn)、運(yùn)輸、規(guī)劃等方面的離散事件系統(tǒng)仿真軟件。通過該軟件,以未來建設(shè)的生產(chǎn)系統(tǒng)為對象,建立起一個抽象的物流模型,進(jìn)行虛擬模型仿真分析,得到不同物流方案對生產(chǎn)系統(tǒng)性能的影響指標(biāo),如:機(jī)器設(shè)備的利用率、生產(chǎn)系統(tǒng)的平均產(chǎn)出、人員配置的評價、產(chǎn)品及時交付率等指標(biāo)的統(tǒng)計。以此提前顯性化物流配送問題,為生產(chǎn)線的規(guī)劃、運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)整提供了依據(jù)。
構(gòu)建物流仿真環(huán)境需按生產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生物料流動的環(huán)節(jié)定義物流網(wǎng)絡(luò)模型,描述模型內(nèi)每個元素的特征和元素之間的鏈接關(guān)系。航空機(jī)載企業(yè)機(jī)加車間長期的生產(chǎn)過程在本質(zhì)上就是一個大型復(fù)雜的物流系統(tǒng),產(chǎn)品按照既定的生產(chǎn)工藝步驟依次獲取系統(tǒng)資源進(jìn)行處理加工,最后成為成品流出系統(tǒng),加工機(jī)床、作業(yè)人員、工裝夾具、倉儲物流設(shè)備等所有生產(chǎn)要素都被認(rèn)為是系統(tǒng)內(nèi)的元素。利用Witness軟件對物流系統(tǒng)內(nèi)的元素進(jìn)行虛—實映射,組成物流網(wǎng)絡(luò)模型,通過制定物流規(guī)則,構(gòu)建真實的物流環(huán)境進(jìn)行物流仿真。流程如圖1所示:
物流網(wǎng)絡(luò),即物流系統(tǒng)的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),是指物流系統(tǒng)(物流企業(yè)或組織)構(gòu)造和組織的與經(jīng)營有關(guān)的物流節(jié)點、物流線路的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。物流網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成要素是物流系統(tǒng)的節(jié)點及節(jié)點連接方式(物流路線)。所有的物流活動都是在物流路線和物流節(jié)點上進(jìn)行的,運(yùn)輸線路上進(jìn)行的運(yùn)輸活動是物流的主要功能要素,而物流功能要素中的其他要素,如倉儲、配貨、包裝、裝卸、流通加工等,則是在物流節(jié)點上完成的。因此物流網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計工作主要分為物流節(jié)點和物流路線設(shè)計。
圖1 物流仿真流程
(1)物流節(jié)點設(shè)計。物流節(jié)點是物流網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,物流效率的發(fā)揮依賴于物流節(jié)點的位置和功能配置。作業(yè)單元布局是設(shè)計物流節(jié)點的基礎(chǔ),并決定了物流網(wǎng)絡(luò)的形式和結(jié)構(gòu),設(shè)計物流節(jié)點的第一步就是按現(xiàn)場實際情況采集各個作業(yè)單元的位置、功能等特征,繪制作業(yè)單元布局圖。以某航空機(jī)載企業(yè)機(jī)加智能車間為例,按產(chǎn)品成組技術(shù)設(shè)置了筒體、閥、活塞、殼體、齒輪、結(jié)構(gòu)件、小型回轉(zhuǎn)體、中型結(jié)構(gòu)件等8組典型零件的機(jī)加生產(chǎn)區(qū)。作業(yè)單元按產(chǎn)品加工流程中的功能劃分為:生產(chǎn)區(qū)(機(jī)加、鉗工、清洗、刻字、檢驗等)和存儲區(qū)。根據(jù)機(jī)加現(xiàn)場實際情況布局如圖2所示:
圖2 作業(yè)單元布局
完成作業(yè)單元布局后,接下來需對涉及到物料流動的節(jié)點按功能進(jìn)行統(tǒng)計分類,方便后續(xù)在物流模型中對不同功能類型的節(jié)點設(shè)置相應(yīng)的物流特征。物流節(jié)點按其功能可分為緩存型節(jié)點(以存放貨物為主要職能的節(jié)點,貨物在這種節(jié)點停滯時間較長)、轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)點(以組織物流快速流轉(zhuǎn)為主要職能)和作業(yè)節(jié)點。按照車間布局,統(tǒng)計物流節(jié)點類型和數(shù)量如表1所示:
(2)物流路線設(shè)計。機(jī)加車間主要分為南北兩個部分,南北區(qū)域各細(xì)分為10個區(qū)域。廠房東側(cè)為工具包準(zhǔn)備區(qū)域和原料成品存儲區(qū)域。所有生產(chǎn)資源由物料存儲區(qū)配送到各生產(chǎn)工位或特種加工單元。按廠房內(nèi)現(xiàn)有的倉儲、準(zhǔn)備和作業(yè)區(qū)的整體布置,使用魚骨型物流路線:東西通道作為主物流通道,負(fù)責(zé)從零件、夾具存儲區(qū)域和刀具、量具準(zhǔn)備區(qū)分別運(yùn)送零件包、準(zhǔn)備包到達(dá)各個生產(chǎn)線始端,南北向的20條支物流通道負(fù)責(zé)生產(chǎn)線內(nèi)的加工設(shè)備之間物料傳輸,加工設(shè)備進(jìn)行加工操作要求零件包和準(zhǔn)備包全部到位才能開始。如圖3所示:
表1 物流節(jié)點統(tǒng)計
圖3 物流路線設(shè)計
物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完成后,需通過Witness軟件構(gòu)建物流模型。由于機(jī)加車間的物流節(jié)點數(shù)量較多,使用手動構(gòu)建相關(guān)物流模型的工作量非常大,可通過“讀取外部數(shù)據(jù)”模塊將含有物流節(jié)點特征、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)的Excel表格自動導(dǎo)入模型,存儲于各個具體變量當(dāng)中。以加工設(shè)備為例,前期收集的特征含設(shè)備型號、名稱、用途、所屬生產(chǎn)線、一次加工數(shù)量等數(shù)據(jù)(如圖4所示)。
在Witness模型初始化窗口(ModelInitialize Action)中通過“模型初始化函數(shù)”和“創(chuàng)建機(jī)器”兩個函數(shù)來實現(xiàn)模型初始化和布局的自動生成。函數(shù)設(shè)置完成后,點擊“初始化”按鈕,軟件執(zhí)行“模型初始化”函數(shù)和“創(chuàng)建機(jī)器”函數(shù)循環(huán)執(zhí)行讀取外部鏈接Excel表數(shù)據(jù)的方式,自動生成物流模型。如圖5所示:
模型的背景是通過圖層管理工具導(dǎo)入根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場繪制的CAD平面布置圖,用于定位各個物流節(jié)點和物流路線的位置。模型中不同類型的元素代表車間內(nèi)相應(yīng)特征的實物。如:用“BUFFER”元素表示立體庫、周轉(zhuǎn)庫等緩存節(jié)點和轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)點,用“MACHINE”元素表示加工設(shè)備等作業(yè)節(jié)點,用“PART”元素表示待加工零件,用“TRACK”元素表示物流路線,用“VEHICLE”元素表示物料運(yùn)載設(shè)施等。
圖4 節(jié)點特征數(shù)據(jù)
物流模型構(gòu)建完成后,還需對物流仿真的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置才能運(yùn)行仿真,輸出仿真報告。物流仿真的參數(shù)包含元素參數(shù)和物流規(guī)則。
(1) 元素參數(shù)設(shè)置
元素是仿真模型的基本結(jié)構(gòu),元素參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性直接影響仿真的真實性。參數(shù)的設(shè)置有兩種方式:精確設(shè)置和模糊設(shè)置。在有詳細(xì)的外部統(tǒng)計數(shù)據(jù)情況下,一般采用精確設(shè)置參數(shù)以保證物流模型仿真的真實性;當(dāng)輸入數(shù)據(jù)難以收集而需要估計時,采用模糊設(shè)置參數(shù)的方法,從而使系統(tǒng)的仿真結(jié)果具有一定的隨機(jī)性。以加工設(shè)備為例,需要設(shè)置的參數(shù)有:一次加工的零件數(shù)量、加工時間、維護(hù)時間、故障率、觸發(fā)加工的條件、完成加工后的動作等。由于實際生產(chǎn)過程中,不同種類零件的加工時間有偏差,精確設(shè)置“加工時間”參數(shù)需要讀取外部零件清單Excel列表中每項零件的加工時間統(tǒng)計數(shù)據(jù),根據(jù)正在加工的零件號自動選擇相應(yīng)的加工時間;模糊設(shè)置“加工時間”參數(shù)需對零件的加工時間進(jìn)行分析處理,選用合適的概率分布。如圖6所示三角隨機(jī)分布:
圖6 三角隨機(jī)分布示例
Minimum為加工時間的最小值;Mode為加工時間的大概率值;Maximum為加工時間的最大值。設(shè)備每次更換零件加工時均從此分布中隨機(jī)取值。
(2) 物流規(guī)則設(shè)置
物流規(guī)則是驅(qū)動模型運(yùn)行的血液。生產(chǎn)物流調(diào)度根據(jù)其目標(biāo)可以描述為:有n種產(chǎn)品在m臺設(shè)備上依據(jù)指定的工藝路線進(jìn)行加工,已知各產(chǎn)品在各工序的單位加工時間固定并已知,確定一種物流規(guī)則使各設(shè)備的總等待時間或產(chǎn)品偏離準(zhǔn)時交付節(jié)點最少。如基于優(yōu)先級的物流規(guī)則(圖7):對生產(chǎn)物流信息進(jìn)行賦權(quán)處理,依據(jù)待加工設(shè)備的忙閑狀態(tài)、零件關(guān)鍵性、零件松弛率等變量賦權(quán),將權(quán)重表按從大到小的順序進(jìn)行物流調(diào)度排序和更新。
該規(guī)則的物流調(diào)度方案基于生產(chǎn)信息制定,因此需要先導(dǎo)入相應(yīng)的排產(chǎn)計劃,這也是整個流程的輸入。生產(chǎn)計劃包括需要生產(chǎn)產(chǎn)品的種類、數(shù)量、精確到工序的計劃開工時間以及各工序的加工設(shè)備。在導(dǎo)入相應(yīng)信息數(shù)據(jù)后,開始進(jìn)行優(yōu)先級賦權(quán),在所有物流操作都賦權(quán)完畢后,進(jìn)入物流調(diào)度方案的制定階段。將權(quán)重表按從大到小的順序進(jìn)行排序,權(quán)重高的物流操作具有更高的優(yōu)先級。每當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部任一加工設(shè)備完成加工任務(wù)并且由物流系統(tǒng)運(yùn)輸回庫時,系統(tǒng)內(nèi)部所有的物流任務(wù)按照上述規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先級的重排。
完成仿真建模后導(dǎo)入排產(chǎn)計劃開始運(yùn)行仿真,可以得到整個生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行指標(biāo)的仿真報告,以便從中探尋到系統(tǒng)的性能表現(xiàn),對比不同物流方案的優(yōu)劣。對比和分析物流方案時需結(jié)合多個指標(biāo)進(jìn)行分析,對于機(jī)加車間的物流系統(tǒng)性能主要評價指標(biāo)如表2所示:
圖7 基于優(yōu)先級的物流規(guī)劃
表2 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)
設(shè)備利用率和物流設(shè)施利用率指標(biāo)結(jié)合,可判斷加工能力與物流能力是否匹配。若加工設(shè)備利用率偏低、物流設(shè)施的利用率較高、產(chǎn)品產(chǎn)出量較低,說明在仿真時間內(nèi)出現(xiàn)斷料狀態(tài),在假設(shè)排產(chǎn)滿負(fù)荷的前提下,物流運(yùn)輸系統(tǒng)的能力不足,需結(jié)合物流設(shè)施的相關(guān)指標(biāo)判斷物流瓶頸出現(xiàn)在主物流線還是支線AGV小車; 設(shè)備利用率和產(chǎn)品及時交付率指標(biāo)結(jié)合,可判斷物流規(guī)則的合理性。若設(shè)備利用率較高、零件及時交付率較低,說明物流配送的優(yōu)先級設(shè)置不合理,需調(diào)整物流松弛率的優(yōu)先級賦權(quán)。主物流線仿真結(jié)果如表3所示:
表3 主物流線仿真結(jié)果
由表3可看出,主物流線中的運(yùn)輸設(shè)備都有將近20%的堵塞率,通過觀察仿真過程發(fā)現(xiàn),當(dāng)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行到每條生產(chǎn)線的頭部布置主—支線交換站進(jìn)行裝載或者卸載時,后方的運(yùn)輸機(jī)會等待前方運(yùn)輸機(jī)操作完成之后才能繼續(xù)運(yùn)行,因此造成了主物流線的堵塞。針對這樣的情況,我們在設(shè)計物流方案時需考慮在主物流線的主—支線交換站處設(shè)置岔道,使得每個區(qū)域能夠同時處理多個運(yùn)輸機(jī)的裝卸/運(yùn)行,在不增加主物流線運(yùn)輸設(shè)備的情況下,主物流能夠更加及時地響應(yīng)物料運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>
本文針對航空機(jī)載企業(yè)“多品種、小批量”離散制造環(huán)境下的機(jī)加車間建立基于Witness的仿真模型,根據(jù)廠房設(shè)施布局、排產(chǎn)計劃、工時統(tǒng)計、設(shè)備能力等實際數(shù)據(jù)設(shè)置模型參數(shù),結(jié)合已有的排產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)置基于優(yōu)先級的物流規(guī)則進(jìn)行物流仿真。通過對輸出數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程的物流瓶頸,提出相應(yīng)的優(yōu)化策略,對實際生產(chǎn)制造系統(tǒng)的改善與優(yōu)化有一定的借鑒意義。
航空機(jī)載企業(yè)“多品種、小批量”的生產(chǎn)制造環(huán)境非常復(fù)雜,利用Witness軟件的讀取外部數(shù)據(jù)功能,可快速、精準(zhǔn)地自動建立物流模型,并根據(jù)現(xiàn)場不斷變化的實際情況精準(zhǔn)動態(tài)設(shè)置相應(yīng)的模型參數(shù),仿真結(jié)果與實際生產(chǎn)現(xiàn)場貼合度較高,是指導(dǎo)物流方案建設(shè)和優(yōu)化的有效方法。