基于Flexsim的混流裝配線投產(chǎn)順序的仿真

基于Flexsim的混流裝配線投產(chǎn)順序的仿真一．問題陳述1．混流裝配線投產(chǎn)順序問題的提出隨著市場競爭越來越激烈以及用戶對產(chǎn)品的個性化要求，基于定單的多品種、小批量混流生產(chǎn)模式被企業(yè)廣泛采用?；炝魃a(chǎn)線中不同種產(chǎn)品的投產(chǎn)順序影響著企業(yè)的整體生產(chǎn)效率。裝配線平衡就是在工藝條件的約束下，按裝配線節(jié)拍將所有裝配工序進行合理分配，使每個工位（工作站）的負荷量盡量充足和均衡。混合裝配線必須解決兩個獨立而且緊密相關(guān)的問題：流水線的平衡和產(chǎn)品排序問題?；旌闲脱b配線由于要在同一條線上裝配不同品種的制品,所以必然就會有按什么順序裝配為好的問題。在決定投產(chǎn)順序時，主要采用以下兩種評價標準:①使最大延遲時間最短。按交貨時間從早到遲的順序安排投產(chǎn)可以使最大延遲時間最短；而在交貨時間相同的情況下最大延遲時間是相同的，此時按加工時間由小到大的順序安排投產(chǎn)可以使總延遲時間最短。②保持各種零部件的消耗率基本平衡。不同種產(chǎn)品在生產(chǎn)裝配時需要的零部件是不完全相同的，如果連續(xù)地投入一種相同的產(chǎn)品，這樣會造成供應(yīng)零部件的各工作中心或者子裝配線的產(chǎn)量或運送量的負荷不均,為了盡量避免這種情況，就要使生產(chǎn)線各種零部件的在單位時間使用量（使用速度）應(yīng)盡可能保持相當。生產(chǎn)線的設(shè)計和平衡問題是生產(chǎn)中的長期決策問題，而投產(chǎn)排序決策是一個短期的決策問題。投產(chǎn)順序決定混流裝配線的生產(chǎn)效率，從而影響整個企業(yè)生產(chǎn)過程。如果確定投產(chǎn)排序計劃后先進行試生產(chǎn)，這樣會加大成本。因此需要采用仿真的方法預(yù)先對投產(chǎn)排序計劃運行分析，節(jié)約成本。2．基于Flexsim的混流投產(chǎn)排序計劃仿真Flexsim是一套新開發(fā)的離散系統(tǒng)仿真軟件，具有很多優(yōu)點。它允許用戶建立自己的模型對象來滿足用戶自己的要求。下面利用Flexsim對不同種產(chǎn)品的投產(chǎn)順序進行仿真,通過仿真,比較不同方案的優(yōu)劣,指導(dǎo)實際生產(chǎn)。3．案例以某廠發(fā)動動機總成裝配線為例,進行建模。該發(fā)動機裝配生產(chǎn)線根據(jù)市場需要生產(chǎn)A、B、C、D四種型號的發(fā)動機。需求量分別為:A型300臺,B型200臺,C型400臺,D型300臺。則四種型號的需求比例為:3:2:4:3。批量制造的產(chǎn)品在生產(chǎn)運作中,對不同產(chǎn)品的單位數(shù)量進行排序生產(chǎn),稱為一個循環(huán)流程。因此一個生產(chǎn)循環(huán)可以定義為生產(chǎn)3臺A型發(fā)動機,2臺B型發(fā)動機,4臺C型發(fā)動機,3臺D型發(fā)動機。在仿真建模時,只考慮生產(chǎn)線上的某關(guān)鍵裝配工位,表1為該工位上各個型號發(fā)動機所需要的零部件清單。總成裝配生產(chǎn)線上該工位的裝配時間為100s,供應(yīng)該工位的三個零部件的機加工子生產(chǎn)線（或者由倉庫向生產(chǎn)線上運輸）的節(jié)拍分別為:零部件S1的供應(yīng)節(jié)拍為25s;S2為16.5s;S3為44s。表1各種發(fā)動機型號需要的零部件數(shù)（件）車型每個生產(chǎn)循環(huán)中生產(chǎn)每種發(fā)動機數(shù)量零部件S1S2S3A31507B2112C42160D3062每個生產(chǎn)循環(huán)需要的零部件數(shù)558431采用如下四種投產(chǎn)順序方案:方案1:C-D-B-B-C-A-D-AC-A-D-C;方案2:C-A-B-D-C-A-B-D-C-A-D-C;方案3:CC-C-C-A-A-A-B-B-D-D-D;方案4:B-B-C-C-C-C-D-D-DA-A-A。在實際生產(chǎn)之前，構(gòu)建模型并用Flexsim對這四種投產(chǎn)順序進行仿真。根據(jù)不同的方案，建立不同的模型，設(shè)置模型中對象的參數(shù)。在模型運行時記錄每種方案中各個參數(shù)指標，對每種方案進行分析并提出改進方法。概念模型如圖1。其中發(fā)生器1是上游下來的發(fā)動機半成品，發(fā)生器2、3、4分別是供應(yīng)零件SI、S2、S3的零件供應(yīng)商；暫存區(qū)1、2、3分別存放零部件SI、S2、S3；合成器是用來加工、裝配發(fā)動機的工位；傳送帶用來傳輸產(chǎn)成品到下游；吸收器用來吸收產(chǎn)成品A、B、C、D。圖1概念模型二．模型設(shè)計1．建模步驟（1）選擇實體：根據(jù)論文描述分析，得出需要四個發(fā)生器，一個合成器，一個輸送帶，三個暫存區(qū)，一個吸收器。（2）根據(jù)布局連接相應(yīng)實體。（3）參數(shù)設(shè)置：1）soursel:設(shè)置臨時實體到達方式為“按序列表到達”，臨時實體種類為“pallet”，序列表順序為四種方案順序，即：方案1：C-D-B-B-C-A-D-AC-A-D-C;方案2:C-A-B-D-C-A-B-D-C-A-D-C;方案3:CC-C-C-A-A-A-B-B-D-D-D;方案4:B-B-C-C-C-C-D-D-DA-A-A。2）新建全局表F做為四種產(chǎn)品的零件配置方案，如圖：3）合成器：處理時間為100；進入觸發(fā)為“根據(jù)全局表F設(shè)定合成器的組成列表”。4）下游輸送帶：設(shè)置產(chǎn)品統(tǒng)計代碼如下：intnType=getitemtype（item）;switch（nType）{case1case2case3case4inc(label(current,"A"),1);break;inc(label(current,"B"),1);break;inc(label(current,"C"),1);break;inc(label(current,"D"),1);break;default:break;}5）三個零件發(fā)生器：實體到達時間分別為常值：25S，16.5S，44S6）其他參數(shù)默認設(shè)置。2.建成模型如圖：三．仿真運行與分析1．仿真模型的運行與分析模型布局,確立單元關(guān)系和對象參數(shù)設(shè)置之后,編譯模型,然后運行,模型運行效果如圖3。設(shè)置仿真時間為一班7.5個小時（27000秒）,按照不同的投產(chǎn)順序,生產(chǎn)完一個循環(huán)后開始下一個循環(huán)的生產(chǎn),直到一班生產(chǎn)時間結(jié)束。模型運行后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。（1）首次運行得出數(shù)據(jù)如下：方案一的產(chǎn)量：經(jīng)過分析比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)與材料給出的差距相差甚大，故推測此暫存區(qū)的容量設(shè)置有問題。我們發(fā)現(xiàn)，默認的容量設(shè)置為10成為影響效率的一個主要原因。當原材料SI,S2,S3到達時，由于庫存已滿，則只能等待。與此同時，加工件到達加工機器時，卻因為缺乏某個零件而出現(xiàn)不必要的等待，從而影響了工位的效率。（2）于是，本小組將暫存區(qū)的最大容量設(shè)置為10000，以試圖消除因容量問題而影響整個系統(tǒng)的運行效率，從而造成了一個不必要的瓶頸。經(jīng)過改進之后，運行結(jié)果如下：則此結(jié)果與給定材料相似，印證了小組的猜想。通過對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2的產(chǎn)量都是232，超過方案3、4的228和230。由于時間都是27000S，所以方案1、2的工位效率最高。繼續(xù)對數(shù)據(jù)進行處理發(fā)現(xiàn)：方案2緩存區(qū)中S1、S2、S3中平均存量最少，而且各零部件消耗更均衡。2.拓展分析（1）經(jīng)過推斷，我們提出一種假設(shè)，即單位周期內(nèi)，生產(chǎn)產(chǎn)品的種類越多，則工位的使用效率就越高。當然，有一定前提，即新增產(chǎn)品消耗的原材料跟零部件的量相對比較均勻，單位制造加工時間不超出生產(chǎn)一個零部件所需要的時間。這個前提是必要的，否則，則可能得到相反的結(jié)果。在這樣的假設(shè)跟前提下，本小組進行了試驗。關(guān)于試驗的設(shè)置，為了便于控制變量，得到直觀的數(shù)據(jù)，利于試驗數(shù)據(jù)的分析比較對比以及得出結(jié)論，驗證假設(shè)，我們決定采用在單位周期內(nèi)只設(shè)置兩種產(chǎn)品這樣一種情況，即AAAAAABBBBBB這種方案。期望通過這種設(shè)置的結(jié)果與給定材料的結(jié)果進行對比分析，得出結(jié)論，驗證我們的假設(shè)。以下為我們得出的給組實驗設(shè)置的結(jié)果，采用標準輸出表，得到以下數(shù)據(jù)：仔細觀察上表，不難發(fā)現(xiàn)其工位效率較低。工位效率=20707/27000.66=0.76，即利用率只有76%，還不到80%！這對于整個系統(tǒng)的效率來講是一個巨大的瓶頸。于此同時，我們再來看產(chǎn)品的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)量為106+106=212，大大低于材料中的任何一種方案，這也初步印證了我們的想法，即種類越少，可能產(chǎn)量越低。最后再來分析此種實驗條件下得暫存區(qū)的狀態(tài)，截圖如下：比較遺憾的是，我們發(fā)現(xiàn)三個暫存區(qū)的存量都很大，這對于企業(yè)降低庫存跟控制成本，降低資金占用率，是很不利的。同時，也與JIT的思想相距甚遠，甚至南轅北轍，造成不必要的損失。(2)在初步想法得到驗證之后，本小組又決定進行進一步的試驗，以期改進現(xiàn)有狀態(tài)，得到優(yōu)化后的方案。本次試驗將單位生產(chǎn)周期內(nèi)的產(chǎn)品種類設(shè)為6種，其他條件，如工位處理時間，零部件打包時間，暫存區(qū)容量等都不變。當然，前提也是消耗相對均勻的零部件跟原材料。產(chǎn)品生產(chǎn)順序安排如下：ABCDEFABCDEF。建立模型，并運行，結(jié)果如下：注意以上紅色字體部分，這個就是此種零部件生產(chǎn)順序下的工位效率，遠遠高出了上一種試驗設(shè)置所得出的工位效率76%，也高于給定材料的四種方案的工位效率84%-86%。我們再來看此種條件下的產(chǎn)量。結(jié)果圖如下：我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量為246！高于給定材料中的任何一種方案！這又進一步驗證了我們的假設(shè)，很好得支持了我們的結(jié)論。于是我們小組認為，優(yōu)化混裝生產(chǎn)線的一種可能有效的方法就是適量提高生產(chǎn)線上的產(chǎn)品的種類。這種思想在實際生活中也是可以找到原型的。舉一個比較常見的例子就是房子鋪地磚的問題。假設(shè)房子的地面是不規(guī)則的，而瓷磚則是規(guī)則的，矩形的，這樣的一個問題就是房子的角落必然就是無法用瓷磚鋪滿的。于是，就可以考慮再加入其他的種類跟形狀的瓷磚，這樣剛好可以是地面的覆蓋率達到或者接近100%，相對于生產(chǎn)企業(yè)而言，就是生產(chǎn)率的提高！用同樣的思想，我們可以在6種產(chǎn)品的情況下進一步調(diào)準順序跟加工件的種類，也可以達到進一步的優(yōu)化。從概率的角度講，種類多，產(chǎn)量更容易提高，當然，也不排除可能沒有種類少時的產(chǎn)量。但是，這個市小概率事件，一般情況下不大會發(fā)生。而事實是，我們小組以上的6種產(chǎn)品的順序只是采用隨機的方法得出的N種方法中的一種，但他卻比以上給定材料的4種方案中的任何一種。這足以驗證我們的結(jié)論！3.問題的提出在我們對論文涉及的模型的研究發(fā)現(xiàn)：各方案產(chǎn)品的順序的設(shè)置是一個隨機產(chǎn)生的過程，這對于驗證模型是否為最優(yōu)方案不是很科學(xué)。如果用枚舉法列舉出所有的方案，可以得出最優(yōu)的方案，但是工作量太大，對整個系統(tǒng)的選擇和運行是不可行的。我們假設(shè)有一種數(shù)學(xué)方法可以在將可行的方案限制在一定的范圍內(nèi)，然后對可行方案再用枚舉法一一驗證。這樣可以使該模型的研究達到最合理的水平。但是我們仔細研究查找之后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)學(xué)方法沒有相關(guān)研究理論作支持?？梢宰鳛榱硪粋€優(yōu)化的方向。四．總結(jié)1．建?？偨Y(jié)通過這次的課程設(shè)計，我們進一步掌握利用flexsim進行建模與分析的方法，了解了混流裝配線投產(chǎn)順序的不同對裝配線的生產(chǎn)效率的影響，并提出相應(yīng)的改進方法。在前期模型的建立、運行過程中，我們遇到了很多的問題，但經(jīng)過大家的討論與努力基本都得到了解決。在對案例中給出的四種投產(chǎn)方案進行建模分析后，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸問題并通過相應(yīng)的方法對模型進行了創(chuàng)新性優(yōu)化，達到提高裝配線生產(chǎn)率的效果。在整個課程設(shè)計過程中，小組每個成員都能認真完成自己的設(shè)計任務(wù)，并積極參與分析討論，對小組最后得到的成果作出貢獻。2.該模型在企業(yè)實際運用中的意義企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，往往考慮削減成本，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)量等問題。但是，由于固定設(shè)備的投資具有一定的延后性，而且往往投入費用比較大，所以一次性改變固定設(shè)備往往是一件比較慎重的事情，需要企業(yè)反復(fù)權(quán)衡。相反，如果在現(xiàn)有設(shè)備的條件下，通過對生產(chǎn)線上投產(chǎn)的產(chǎn)品順序進行比較，優(yōu)化，得出相對比較有效的方案，則是一種更加可行的方法。而且該種方法的成本比較低，只需要進行分析跟比較，而不必對企業(yè)設(shè)備，人員等進行不必要的調(diào)整，不會對企業(yè)的日常生產(chǎn)產(chǎn)生影響。當然，這可能需要企業(yè)花費一定的成本在相關(guān)分析人員身上。所以，綜合各種條件，通過本模型對企業(yè)混流生產(chǎn)線上的投產(chǎn)順序進行比較，可以使企業(yè)以相對最少的成本得到相對較滿意的結(jié)果。3.模型拓展分析此外，通過本模型的運行分析，我們發(fā)現(xiàn)，在混流裝配線的生產(chǎn)過程中，增加產(chǎn)品種類可以提高工位效率