何 磊，王 岳

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

現(xiàn)代化的船廠管子車間已逐漸從加工車間(Job Shop,JS)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型為流水車間(Flow Shop,FS)生產(chǎn)，一些具備能力的管子JS已實(shí)現(xiàn)混合流水車間(Hybrid flow shop,HFS)的生產(chǎn)加工模式[1]。HFS往往在加工時(shí)間較長(zhǎng)的工序安排更多的工位，加工時(shí)間較少的工序安排更少的工位，因此能在一定程度上避免生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生工位阻塞和工位空閑的情況。但僅僅只是工位的增加而不采取符合船廠管子HFS生產(chǎn)模式的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，則難以實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品產(chǎn)出速率及維持工位負(fù)荷平衡等目標(biāo)。

傳統(tǒng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，例如看板管理(Kanban)和定量在制品法(Constant Work-In-Process,CONWIP)，在處理船廠管子這種加工時(shí)間可變性大的訂單時(shí)都不能有效解決各工位間的負(fù)荷平衡問(wèn)題；此外，這2種控制系統(tǒng)的研究對(duì)象通常并非HFS[2]。近年來(lái)，THüRER等[3]提出一種能夠控制工位間負(fù)荷平衡的卡片導(dǎo)航平衡控制(Control of Balance by Card Based Navigation,COBACABANA)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在生產(chǎn)領(lǐng)域主要運(yùn)用于JS，在FS的有效性[4]方面也有文獻(xiàn)加以探討，但未曾有文獻(xiàn)證實(shí)該系統(tǒng)在HFS中是否有效。綜合考慮上述控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合船用管件的加工特點(diǎn)，以某船廠管子HFS為研究對(duì)象，對(duì)CONWIP的環(huán)路設(shè)置方案進(jìn)行改進(jìn)，提出以工序?yàn)閱挝粚?duì)同一工序的工位縱向設(shè)置環(huán)路；在此基礎(chǔ)上，融合COBACABANA系統(tǒng)的思想，設(shè)置工位負(fù)荷平衡表和訂單池，從而控制各工位的負(fù)荷平衡。最后，通過(guò)在仿真軟件中建模并加載不同控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)比，驗(yàn)證新控制系統(tǒng)在控制工位負(fù)荷平衡方面的有效性及優(yōu)越性。

1 新控制系統(tǒng)描述

1.1 基于HFS的CONWIP改進(jìn)方案

CONWIP由SPEARMAN等[5]提出，該系統(tǒng)通過(guò)從FS中選擇一條出口工位到入口工位的反饋環(huán)路來(lái)限制環(huán)路中的在制品數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)路中系統(tǒng)的負(fù)荷控制。CONWIP能夠很好地解決生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在制品的控制問(wèn)題，然而面對(duì)船廠管子生產(chǎn)這一多品種、小批量、加工時(shí)間可變性大的柔性生產(chǎn)模式卻不具備工位間的負(fù)荷平衡能力，因?yàn)樵撓到y(tǒng)僅僅只是在加工時(shí)間可變性較小的情況下控制環(huán)路中系統(tǒng)的負(fù)荷，并不考慮單個(gè)工位的負(fù)荷平衡。對(duì)于FS，即每道工序只含1個(gè)工位的流水線，當(dāng)面對(duì)加工時(shí)間可變性較大的船廠管子時(shí)，則可能由于不同管子或同一管子的不同工序?qū)е录庸r(shí)間差距較大，出現(xiàn)大量管子堵塞于某一工序或者某一工序長(zhǎng)期空閑的狀態(tài)。傳統(tǒng)CONWIP解決這一問(wèn)題的有效方法只能是不斷縮小環(huán)路中工序的數(shù)量，但環(huán)路中工序數(shù)越少就越接近Kanban控制系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)路只含有1道工序時(shí)即為Kanban控制系統(tǒng)[6]。

船廠管子HFS根據(jù)管子生產(chǎn)的特點(diǎn)，在不同工序設(shè)置不同數(shù)量的工位，可以有效避免由于工位不足而造成的工位堵塞現(xiàn)象，但由于沒(méi)有對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的在制品數(shù)量進(jìn)行有效控制，造成在制品積壓，不僅增加現(xiàn)場(chǎng)管理工作的負(fù)擔(dān)，也延長(zhǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期[7]。通常，CONWIP在FS中以橫向設(shè)置環(huán)路的方式來(lái)控制不同工序的在制品數(shù)量[8]，而在HFS中的在制品，在前道工序完工后可以選擇后道工序的任何空閑工位進(jìn)行加工，所以不適用于橫向設(shè)置CONWIP環(huán)路。因此，以工序?yàn)閱挝豢v向設(shè)置環(huán)路，環(huán)路設(shè)置可以是包含1道工序的單工序環(huán)路，也可以是包含多道工序的多工序環(huán)路，1條混合流水線可以設(shè)置1個(gè)環(huán)路，也可以設(shè)置多個(gè)環(huán)路[9]。環(huán)路設(shè)置方式如圖1所示，假設(shè)該HFS有n道工序，每道工序有k個(gè)并行工位，其中Mi,j代表第i道工序的第j個(gè)工位。

圖1 基于縱向CONWIP環(huán)路設(shè)置的HFS

1.2 考慮工位負(fù)荷平衡的新CONWIP控制系統(tǒng)

該方案對(duì)每道工序設(shè)置1個(gè)訂單池和該工序各工位的負(fù)荷平衡表。訂單池存放按加工順序排列的投放卡；各工位的負(fù)荷平衡表顯示工位的實(shí)時(shí)負(fù)荷情況。理論上，每張投放卡的大小由工件在該工序加工時(shí)間的大小按比例縮小后決定。當(dāng)工件在該工位加工完成后便將投放卡取出，放置在代表該工位的負(fù)荷平衡表中，如此該工位在每加工完1個(gè)工件后就累加1張大小代表工件加工時(shí)長(zhǎng)的投放卡，直到最后1個(gè)工件達(dá)到或剛剛超過(guò)工位設(shè)定的負(fù)荷最大界限，就關(guān)閉該工位不再接收工件。訂單池和工位負(fù)荷平衡表的具體原理如圖2所示。實(shí)際操作中，投放卡可以記錄工件的加工時(shí)間和其他需要附加的生產(chǎn)信息，每當(dāng)1個(gè)工件開(kāi)始進(jìn)入該工序的某個(gè)工位，就把該工件對(duì)應(yīng)的投放卡放置在工件上。加工完成后，將帶有加工時(shí)長(zhǎng)信息的投放卡取下，在計(jì)算機(jī)端輸入相應(yīng)的加工工時(shí)，直接在電子屏幕或者電子看板上顯示該工位工時(shí)累加的過(guò)程。

圖2 某工序的訂單池與工位負(fù)荷平衡表

其中，各工位加工工時(shí)負(fù)荷的上限，基于按工位性能平均分?jǐn)偟乃枷氩⒏鶕?jù)每批待加工工件的加工工時(shí)，由式(1)決定：

(1)

式中：Si為工序i的工位總數(shù)；Ti為生產(chǎn)計(jì)劃中所有工件在工序i的加工時(shí)長(zhǎng)；δi,j為工序i中工位j的加工性能系數(shù)；Li,j為工序i中工位j的負(fù)荷上限時(shí)長(zhǎng)。

2 船廠管子HFS仿真

2.1 船廠管子HFS建模及環(huán)路設(shè)定

以某船廠管子HFS為例，使用生產(chǎn)仿真軟件Plant Simulation 12建立無(wú)控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)CONWIP控制系統(tǒng)和新CONWIP控制系統(tǒng)等3種模型，各控制系統(tǒng)的工藝流程相同。圖3為考慮工位負(fù)荷平衡的縱向CONWIP環(huán)路模型。在HFS中，管子只能從初始工序進(jìn)入，從最后一道工序離開(kāi)，并嚴(yán)格按照工序進(jìn)行加工，每個(gè)工件在每道工序只需選擇1個(gè)工位加工，加工完成后即可移動(dòng)至后道工序，每個(gè)工位1次只能加工1個(gè)工件[10]。工件的加工原則是先到先加工，依次優(yōu)先分配給空閑機(jī)器。假定各工位加工能力相同，且不考慮機(jī)器故障率和機(jī)器的休息時(shí)間。

圖3 船廠管子HFS仿真模型

隨機(jī)選取某批管子訂單共286根，按照排產(chǎn)順序進(jìn)行仿真。表1中顯示部分待加工管子的加工工時(shí)信息。

表1 部分待加工管子在各工序的額定工時(shí) h

待加工的管子在各工序的總加工時(shí)長(zhǎng)分別為：切割，53 h 36 min；彎管，70 h 22 min 48 s；校管，478 h 22 min 12 s；氬弧焊，82 h 27 min 36 s；CO2焊，295 h 34 min 48 s；修正，189 h 1 min 12 s。綜合考慮各工序工位數(shù)量及管子在各工序的平均加工時(shí)間后，將切割工序和彎管工序設(shè)置為環(huán)路1，校管工序和氬弧焊工序設(shè)置為環(huán)路2，CO2焊工序和修正工序設(shè)置為環(huán)路3，共3條環(huán)路。

2.2 仿真模型參數(shù)設(shè)置

CONWIP環(huán)路需要輸入每個(gè)工序縱向環(huán)路的最大在制品數(shù)量。如圖3(a)所示，x1、x2、x3分別為環(huán)路1、環(huán)路2、環(huán)路3的最大在制品數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，考慮各工位負(fù)荷平衡的CONWIP環(huán)路需要輸入上述工序各工位的負(fù)荷上限時(shí)間，各工序的限定值對(duì)應(yīng)模型的輸入變量依次為CutLimit、BendLimit、CheckLimit、AAWLimit、CO2WLimit、TrimLimit?？紤]每道工序各工位的生產(chǎn)能力相同，因此根據(jù)式(1)及各工序的總加工時(shí)間得出各工序的負(fù)荷上限值分別為：切割，26 h 48 min；彎管，17 h 35 min 42 s；校管，47 h 50 min 13 s；氬弧焊，27 h 29 min 12 s；CO2焊，32 h 50 min 32 s；修正，47 h 15 min 18 s。

3 仿真分析

3.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

規(guī)定無(wú)控制系統(tǒng)為方案1，傳統(tǒng)CONWIP控制系統(tǒng)為方案2，考慮工位負(fù)荷平衡的新CONWIP控制系統(tǒng)為方案3。需要分析的仿真結(jié)果包括：產(chǎn)品產(chǎn)出速率(TH)；產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期(CT)；總產(chǎn)量(Output)；全部工件完工時(shí)間(TotalTime)；各工位的負(fù)荷(WorkLoad)。對(duì)于方案2和方案3，為分析各環(huán)路中不同在制品數(shù)量對(duì)模型輸出結(jié)果的影響，運(yùn)用仿真軟件中基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiment,DOE)理論的Experiment Manager(試驗(yàn)管理器)來(lái)定義試驗(yàn)。

船廠HFS每道工序包含多個(gè)并行工位，環(huán)路中在制品數(shù)量可根據(jù)工位數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，因此在試驗(yàn)時(shí)設(shè)置環(huán)路1的在制品數(shù)量從6開(kāi)始，以1個(gè)工件為增量增至16；環(huán)路2的在制品數(shù)量從13開(kāi)始，以1個(gè)工件為增量增至23；環(huán)路3的在制品數(shù)量從14開(kāi)始，以1個(gè)工件為增量增至24。即，x1的取值范圍為6～16，x2的取值范圍為13～23，x3的取值范圍為14～24，共計(jì)1 331場(chǎng)試驗(yàn)。

3.2 各控制系統(tǒng)對(duì)比與分析

對(duì)各方案的仿真結(jié)果進(jìn)行匯總和統(tǒng)計(jì)。方案1的TH為5根/h，CT為28.3 h，TotalTime為2.4 d。方案2的TH最優(yōu)值為5.2根/h，最差值為4.9根/h；CT最優(yōu)值為6 h，最差值為9.2 h；TotalTime最優(yōu)值為2.3 d，最差值為2.4 d。方案3的TH最優(yōu)值為5.1根/h，最差值為4.5根/h；CT最優(yōu)值為5.8 h，最差值為9.1 h；TotalTime最優(yōu)值為2.3 d，最差值為2.6 d。

以方案2和方案3的CT為例，繪制如圖4所示的散點(diǎn)圖進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：方案3在各試驗(yàn)場(chǎng)次的CT結(jié)果總體優(yōu)于方案2。隨著在制品投入量的增加，2種方案的CT值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這表明在制品的數(shù)量應(yīng)該控制在一個(gè)較低的范圍，才能縮短生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在制品的等待時(shí)間。

為確定方案3在控制工位負(fù)荷平衡方面的有效性，隨機(jī)選取方案2和方案3中結(jié)果較為接近的試驗(yàn)場(chǎng)次Exp 889進(jìn)行分析。各方案的仿真結(jié)果如表2所示，工位負(fù)荷情況如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：在方案3控制下的各工序工位負(fù)荷總體趨于平穩(wěn)；在切割工序中，方案3的工位負(fù)荷最為平衡，其次為方案1，最差為方案2；在彎管工序中，方案1與方案3的工位負(fù)荷平衡能力相當(dāng)，都優(yōu)于方案2；在校管工序中，方案1的工位負(fù)荷最為平衡，其次為方案2和方案3；在氬弧焊工序中，方案3的工位負(fù)荷最為平衡，其次為方案2，最差為方案1；在CO2焊工序中，方案3的工位負(fù)荷最為平衡，其次為方案1，最差為方案2；在修正工序中，方案1的工位負(fù)荷最為平衡，其次為方案3和方案2。

圖4 方案2和方案3的CT曲線

由上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)設(shè)定環(huán)路使生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)在制品數(shù)量維持在合理范圍時(shí)，方案2和方案3的CT、TH、TotalTime指標(biāo)均優(yōu)于方案1；方案2的TH和TotalTime指標(biāo)略優(yōu)于方案3；方案3的CT、WorkLoad指標(biāo)總體優(yōu)于方案2。這表明：當(dāng)考慮CT和WorkLoad為最優(yōu)目標(biāo)時(shí)，采用方案3進(jìn)行生產(chǎn)控制能取得更好的效果。

表2 各方案的仿真結(jié)果

圖5 各方案的工位負(fù)荷對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的新CONWIP控制系統(tǒng)方案通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，整體反映出在總加工時(shí)間和產(chǎn)出速率保持小范圍浮動(dòng)的情況下，可以有效降低船廠管子HFS的產(chǎn)品平均生產(chǎn)周期并保持各工位的負(fù)荷平衡，有利于緩解工位阻滯現(xiàn)象，提升有效作業(yè)時(shí)間占比，使生產(chǎn)更為精益化。

傳統(tǒng)CONWIP控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于多品種、小批量生產(chǎn)的HFS，其生產(chǎn)平衡難以保障，不符合船廠管子車間多工序、多工位生產(chǎn)的實(shí)際需求。新CONWIP控制系統(tǒng)方案扭轉(zhuǎn)此局面，在保障工位負(fù)荷平衡和調(diào)控生產(chǎn)節(jié)拍等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，新方案在優(yōu)化平均產(chǎn)出速率和總加工時(shí)間等方面仍有不足之處，今后可以對(duì)縱向環(huán)路的劃分方法開(kāi)展進(jìn)一步研究，并結(jié)合新CONWIP控制系統(tǒng)方案，運(yùn)用仿真技術(shù)在計(jì)劃階段準(zhǔn)確預(yù)估系統(tǒng)的產(chǎn)能情況，為精益造船的深入推進(jìn)提供新的有效途徑。