摘" 要：該文以某智能電子組裝生產(chǎn)車間的AGV（自動(dòng)引導(dǎo)小車）物流配送系統(tǒng)作為背景，研究在該系統(tǒng)中AGV運(yùn)載能力和數(shù)量對(duì)物料配送及時(shí)率的影響。結(jié)合數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)及C++編程等知識(shí)，設(shè)計(jì)拉動(dòng)式的物料配送響應(yīng)規(guī)則，通過仿真軟件建立實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景的AGV物流配送仿真模型。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，進(jìn)行20組全因子試驗(yàn)。結(jié)果表明，AGV的數(shù)量、運(yùn)載能力對(duì)物料配送及時(shí)率具有顯著影響。基于響應(yīng)優(yōu)化方法獲得最優(yōu)的AGV配置方案，提高物流效率，減少投入成本，為企業(yè)決策提供參考。

關(guān)鍵詞：電子車間；物流配送；AGV（自動(dòng)引導(dǎo)小車）；拉動(dòng)式；仿真模型

中圖分類號(hào)：TP391" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0070-04

Abstract： Based on the AGV （automatic guided vehicle） logistics distribution system of an intelligent electronic assembly workshop， this paper studies the influence of AGV carrying capacity and quantity on the just-in-time rate of material distribution in this system. Combined with the knowledge of mathematics， operations research and C++ programming， the pull response rules of material distribution are designed， and the AGV logistics distribution simulation model of the actual production scene is established through the simulation software. Twenty groups of full-factor experiments were carried out by statistical method. The results show that the quantity and carrying capacity of AGV have a significant impact on the just-in-time rate of material distribution， and the optimal AGV configuration scheme is obtained based on the response optimization method， which can improve the logistics efficiency， reduce the input cost， and provide reference for enterprise decision-making.

Keywords： electronic workshop; logistics distribution; AGV （automatic guided vehicle）; pull type; simulation model

隨著客戶需求逐漸定制化，大量的多品種、小批量訂單涌入制造型企業(yè)[1]，快供料、快換線等需求成為制約快速交付的生產(chǎn)瓶頸。與此同時(shí)，企業(yè)卻遇到招工難的困境，這就需要對(duì)工廠進(jìn)行精益化、智能化和數(shù)字化升級(jí)改造，逐步建造少人化或無人化的智慧型工廠，在即將到來的“工業(yè)4.0”時(shí)代中占得先機(jī)[2]。AGV為自動(dòng)引導(dǎo)小車，可以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行、自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)避障和自動(dòng)充電等功能，其導(dǎo)航方式目前有視覺、激光雷達(dá)、磁導(dǎo)條[3]等，可以完成物料的全自動(dòng)化配送，解決企業(yè)人力資源少、成本高的問題，在制造業(yè)和物流業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在車間物流設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如何設(shè)置合理的AGV水平和調(diào)度規(guī)則，使物料配送及時(shí)率、AGV利用率及投入成本相對(duì)最優(yōu)，是需要重點(diǎn)考慮的。對(duì)于AGV的物流配送與調(diào)度，常見優(yōu)化目標(biāo)有最小化延遲時(shí)間、最小化任務(wù)完成時(shí)間[4]等。石宇強(qiáng)等[5]基于最少總?cè)蝿?wù)完工時(shí)間，設(shè)計(jì)多AGV在交叉路口通行的避碰規(guī)則，提高物流效率。岳磊等[6]采用SIMIO的仿真分析方法，對(duì)物料配送的臺(tái)套數(shù)、配送工具數(shù)量及物流調(diào)度模式進(jìn)行研究，確定車間最佳物流配送方案。劉建等[7]對(duì)自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，分析了系統(tǒng)所需AGV的數(shù)量，驗(yàn)證了所提建模方法的有效性。上述學(xué)者針對(duì)不同領(lǐng)域的AGV使用問題進(jìn)行研究，均取得了很好的理論效果。

某智能電子組裝車間采用JIT（準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)）的生產(chǎn)模式，拉動(dòng)式的物料配送方式，單條線體工位超過60個(gè)。在生產(chǎn)過程中，若因?yàn)閱蝹€(gè)工位的供料異常而停線，將導(dǎo)致線體效率的嚴(yán)重?fù)p失。為保證生產(chǎn)效率，需嚴(yán)格把控物料配送的及時(shí)率，避免物料供應(yīng)不及時(shí)的情況發(fā)生。針對(duì)這一實(shí)際問題，本文以該車間的AGV物流配送系統(tǒng)為例，使用Flexsim仿真軟件建立車間的物流配送模型，并在仿真模型基礎(chǔ)上，以車間物料配送及時(shí)率為優(yōu)化目標(biāo)，研究不同情況下的AGV數(shù)量和規(guī)格配置，為企業(yè)提供最優(yōu)的AGV配置決策方案。

1" 問題描述

某企業(yè)規(guī)劃建設(shè)全新的路由器產(chǎn)品裝配生產(chǎn)車間，該車間由4條流水生產(chǎn)線、1個(gè)原材料庫(kù)和1個(gè)成品周轉(zhuǎn)庫(kù)組成。每條流水線分為3個(gè)工段，分別是裝配段、測(cè)試段、包裝段。裝配段包括預(yù)安裝、投板、盤纖和組裝等工序；測(cè)試段包括測(cè)試1、測(cè)試2、測(cè)試3等7項(xiàng)檢測(cè)工序；包裝段包括粘貼條碼、掃描、包裝和裝箱等工序，生產(chǎn)流程如圖1所示。

原材料倉(cāng)到生產(chǎn)線及生產(chǎn)線到成品周轉(zhuǎn)庫(kù)之間的物流運(yùn)輸擬通過智能AGV小車來完成，AGV小車的管理系統(tǒng)由物料信息系統(tǒng)和中央調(diào)度管理系統(tǒng)2部分構(gòu)成。物料信息管理系統(tǒng)接收到產(chǎn)線工位叫料的信息后，向中央管理調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送呼叫AGV的信號(hào)，中央管理調(diào)度系統(tǒng)便命令A(yù)GV前往上料區(qū)并將物料搬運(yùn)至指定工位，若此時(shí)沒有空閑可用的AGV，該任務(wù)則在中央管理調(diào)度系統(tǒng)中等待，直到有空閑可用的AGV后再次調(diào)用，2個(gè)系統(tǒng)間通過信息交互，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)化配送。車間布局示意圖如圖2所示。

智能裝配車間是直線形流水線的生產(chǎn)模式，當(dāng)開始生產(chǎn)時(shí)，原材料由AGV小車通過車間物流通道從原材料倉(cāng)庫(kù)配送到生產(chǎn)線的各個(gè)工位，成品從線尾經(jīng)過物流通道運(yùn)輸至成品倉(cāng)。為避免因?yàn)槲锪隙倘背霈F(xiàn)停工，同時(shí)盡量減少線邊物料堆放的數(shù)量，AGV小車的配送及時(shí)率就顯得尤為重要。如何配置合理數(shù)量和運(yùn)載能力的AGV，使物料能夠準(zhǔn)時(shí)送達(dá)產(chǎn)線，不影響產(chǎn)線正常生產(chǎn)，同時(shí)保證自身利用率最高，是需要解決的問題。

2" 物流配送仿真模型的建立

2.1" 模型假設(shè)

對(duì)該企業(yè)的裝配生產(chǎn)車間AGV調(diào)度問題做以下假設(shè)。

1）車間整體布局方案和AGV的行走路線已知。

2）同一時(shí)間點(diǎn)，1臺(tái)AGV只能執(zhí)行1個(gè)任務(wù)且只運(yùn)輸同一種物料。

3）生產(chǎn)線操作員持續(xù)工作。

4）AGV等設(shè)備不會(huì)發(fā)生故障。

2.2" 仿真模型構(gòu)建

運(yùn)用Flexsim軟件搭建智能裝配車間的仿真模型，模擬仿真技術(shù)可以動(dòng)態(tài)地模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，對(duì)工廠的物料配送系統(tǒng)等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃，并在仿真模型“預(yù)演”的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行分析、評(píng)估和驗(yàn)證，一般來說，仿真建模分為以下5個(gè)步驟。

1）設(shè)置模型布局：根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)際布局或者layout圖紙，將對(duì)象從實(shí)體庫(kù)拖拽到仿真視圖窗口中的適當(dāng)位置，并調(diào)整實(shí)體的尺寸、外觀等。

2）定義邏輯流程：依據(jù)仿真實(shí)體之間的各種邏輯關(guān)系，將其進(jìn)行連線，以此來定義仿真模型的邏輯流程。

3）實(shí)體參數(shù)設(shè)定：依據(jù)各個(gè)實(shí)體對(duì)象的物理特征，分別在實(shí)體選項(xiàng)卡中設(shè)定其參數(shù)。

4）運(yùn)行模型：設(shè)定不同的條件或者參數(shù)進(jìn)行反復(fù)多次的運(yùn)行，來獲取相對(duì)穩(wěn)定并且可信度高的仿真數(shù)據(jù)。

5）仿真結(jié)果輸出：模型運(yùn)行的結(jié)果能夠通過預(yù)先采集和設(shè)定數(shù)據(jù)圖表來輸出，輸出之后便可進(jìn)行分析。

根據(jù)生產(chǎn)車間的實(shí)際布局，在Flexsim軟件用戶界面中進(jìn)行建模。從實(shí)體庫(kù)（Library）中拖動(dòng)16個(gè)發(fā)生器到界面中，分別代表需要AGV運(yùn)輸?shù)母鞣N原材料庫(kù)；拖動(dòng)16個(gè)處理器到模型界面中，分別代表需要物料供應(yīng)的裝配和包裝工序。

在模型生產(chǎn)區(qū)域放置4條傳送帶，代表生產(chǎn)路由器的流水線，流水線運(yùn)行速度為0.05 m/s，在線體兩邊布置好各個(gè)生產(chǎn)工位，按照物料名字，修改各個(gè)生產(chǎn)線工序和原材料庫(kù)的名稱。已知各種原材料每標(biāo)準(zhǔn)托盤存儲(chǔ)的量，分別是上蓋體3 840個(gè)/托盤、下蓋體2 340個(gè)/托盤、散熱片90 000個(gè)/托盤、適配器96 000個(gè)/托盤、天線12 000個(gè)/托盤、泡沫棉540 000個(gè)/托盤、入網(wǎng)許可證6 912 000個(gè)/托盤、用戶手冊(cè)168 000個(gè)/托盤、電源3 888個(gè)/托盤、紙盒3 000個(gè)/托盤、內(nèi)部卡片10 080個(gè)/托盤、集合箱120個(gè)/托盤和隔板2 000個(gè)/托盤。4條產(chǎn)線均按照9 s的節(jié)拍進(jìn)行生產(chǎn)并消耗各種原材料，其中每生產(chǎn)20個(gè)路由器需要1個(gè)大集合箱和2片隔板進(jìn)行包裝，當(dāng)各工位原材料達(dá)到安全庫(kù)存時(shí)便觸發(fā)AGV補(bǔ)貨的指令，AGV便從倉(cāng)庫(kù)將原材料運(yùn)送至產(chǎn)線。

拖動(dòng)5個(gè)Vehicle小車到建模區(qū)，代表執(zhí)行物料運(yùn)輸任務(wù)的AGV，根據(jù)物流配送路徑，繪制AGV所有搬運(yùn)路徑的路網(wǎng)，構(gòu)建的車間物流仿真模型如圖3所示。

2.3" AGV物流配送模型運(yùn)行機(jī)制

假設(shè)當(dāng)前有足夠多的訂單，車間連續(xù)性進(jìn)行生產(chǎn)，AGV按照產(chǎn)線需要進(jìn)行原材料配送。為模擬該情景，采用生產(chǎn)線各工位按照節(jié)拍消耗各種物料，當(dāng)某種物料達(dá)到安全庫(kù)存量時(shí)發(fā)生叫料信息。在仿真模型中對(duì)AGV的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行編程，判斷每個(gè)工位需要哪一種物料，當(dāng)該物料達(dá)到安全庫(kù)存量時(shí)，系統(tǒng)呼叫空閑可用的AGV執(zhí)行任務(wù)，否則等待。AGV的響應(yīng)規(guī)則如圖4所示。

3" 仿真結(jié)果分析

3.1" 參數(shù)設(shè)置

對(duì)AGV的數(shù)量、運(yùn)載能力進(jìn)行調(diào)配，配置合適的配送資源，使AGV平均利用率達(dá)到最高，物料能夠準(zhǔn)時(shí)送到產(chǎn)線，不影響生產(chǎn)。采用上述Flexsim仿真模型，將案例相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)用到仿真模型中，對(duì)AGV數(shù)量設(shè)置了5個(gè)水平，分別是3、4、5、6、7個(gè)，運(yùn)輸能力設(shè)置了4個(gè)水平，分別為30、40、50、60單位容量，設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為48 h。采用全因子試驗(yàn)方式，共進(jìn)行20組試驗(yàn)，每組運(yùn)行10次。

3.2" AGV配送及時(shí)率分析

運(yùn)行仿真模型，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得到AGV的數(shù)量及容量對(duì)AGV任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的影響曲線圖。由圖5可知，當(dāng)AGV運(yùn)載能力一定時(shí)，隨著AGV數(shù)量的增加，響應(yīng)時(shí)間先快速降低，然后緩慢減少，物料配送及時(shí)率高。

由圖6可知，當(dāng)AGV數(shù)量一定時(shí)，隨著AGV運(yùn)載能力的增加，響應(yīng)時(shí)間逐漸減少，物料配送及時(shí)率高。因此，系統(tǒng)的物料配送及時(shí)率與AGV的數(shù)量和運(yùn)載能力成正相關(guān)。

為保證生產(chǎn)線不受物料供應(yīng)影響導(dǎo)致停線，規(guī)定AGV任務(wù)響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)不超過15 min，即900 s。由表1可得，有3種AGV的配置情況下，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間少于900 s，當(dāng)AGV數(shù)量為7臺(tái)，容量為50時(shí)，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為709 s；當(dāng)AGV數(shù)量為6臺(tái)，容量為60時(shí)，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為790 s；當(dāng)AGV數(shù)量為7臺(tái)，容量為60時(shí)，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為134 s，3種配置方案均滿足生產(chǎn)線物料配送及時(shí)率要求。

20組不同AGV數(shù)量和容量配置方案下的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間分析圖如圖7所示。

經(jīng)調(diào)研，容量為60的AGV價(jià)格為20萬/臺(tái)，容量為50的AGV價(jià)格為19萬/臺(tái)。因此，以上3種配置方案設(shè)備投入成本分別為133萬、120萬和140萬。在滿足物料配送響應(yīng)時(shí)間的前提下，為減少企業(yè)投入成本，選擇配置6臺(tái)容量為60的AGV，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為790 s，平均響應(yīng)時(shí)間為16 s，既滿足車間使用需求，又降低投入成本，為優(yōu)選方案。

優(yōu)選方案權(quán)衡了智能裝配車間的成本投入和物流能力，使企業(yè)的收益最大化。不同企業(yè)可根據(jù)自身情況，可權(quán)衡成本投入、物流效率等需求，調(diào)整AGV配置模式，使企業(yè)具備整體收益最優(yōu)。

4" 結(jié)論

本文以某智能電子裝配車間為研究對(duì)象，使用Flexsim仿真軟件進(jìn)行建模，將物料配送AGV小車的運(yùn)載能力和數(shù)量配置設(shè)置為2個(gè)因子，進(jìn)行20組試驗(yàn)分析，得到了不同組合情況下的分析結(jié)果，最后通過響應(yīng)優(yōu)化，權(quán)衡成本投入、保證物流配送效率，為智能車間AGV的配置決策提供了有效的方法。文中僅考慮生產(chǎn)線單一節(jié)拍運(yùn)行的情況，未來可考慮多品種多節(jié)拍生產(chǎn)模式下的物料配送情況，以進(jìn)一步貼近生產(chǎn)實(shí)際。

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