基于仿真的混流裝配線物料供應策略研究

劉夢湘 袁利娜 陳晶晶 管在林

摘要：高效、準確且成本最低是針對工程機械、汽車等混流裝配生產企業(yè)規(guī)劃設計物料供應系統持續(xù)追求的目標。文章以汽車混流裝配線的零部件供應策略為研究對象，充分分析了混流裝配線零部件配送物流現狀，建立多場景的物料供給過程仿真模型，并設計多種物流配送策略或調度方法;通過結合仿真試驗進行分析，尋找混流裝配線系統和零部件的相關特征參數、計劃方案與物料供給策略之間的關系，從而為混流裝配線物料供給策略的設計和優(yōu)化提供重要參考依據。

關鍵詞：混流裝配線;物料供應;配送策略;仿真優(yōu)化

中圖分類號：F253文獻標識碼：A

O引言

隨著客戶定制化需求的增加，越來越多的汽車生產企業(yè)采用了柔性化的混流裝配線，物料配送的效率、準確率、降低成本等要求日益受到人們的重視。汽車混流生產總裝線旁的庫存空間有限，只能存放少量的零件，需要頻繁地及時補充庫存才能保證高速裝配線的順利進行。由于不同車型共線生產，各種車型需要裝配的零部件不同，企業(yè)每天的生產計劃也不同，對于不同車型共線生產場景下的物流配送系統的設計優(yōu)化成為企業(yè)要重點考慮的問題。

從近年來國內外關于裝配線物料配送問題的研究動向來看，國內外學者運用了大量的研究方法，現有的方法主要分為定性研究和定量研究。近年來，在文獻中已經越來越關注將零部件運輸到裝配線過程中物料供給策略選擇方法的定性標準。WanstrSm和Medbo從一般角度討論了材料供應系統的設計選擇以及材料供給設計和包裝實踐對裝配系統性能的影響。他們采取以操作者為中心的觀點，并專注于組織和人體工程學方面。Hua and Johnson討論了影響臺套與批量配送選擇的因素，突出了仍有待解決的研究問題目。更籠統地說，Hanson and Brolin深入討論了影響臺套配送和連續(xù)供應之間選擇的大多數因素，同時也提供了來自廠內實驗的經驗證據。

定量研究主要集中在物料配送優(yōu)化模型的設計上，最早研究配送模式的最優(yōu)組合的是Caputo和Pelagagge，他們采用了基于經濟價值的ABC物料分類對應不同的配送方式組合試驗對比的方法來選擇配送方式，并進一步開發(fā)了遺傳算法進行方式選擇的物料分類優(yōu)化。隨后，Caputo等人不僅為臺套配送開發(fā)了詳細的規(guī)劃模型，還開發(fā)了看板配送和線邊供應的連續(xù)供應系統的規(guī)劃模型。Limere等人利用線性規(guī)劃模型對成套配送和線邊供應策略進行最佳的零件分配，并相繼擴展該模型以考慮可變操作員的步行距離。然而，他們忽視了JIT的替代方案，只考慮了與揀取、運輸、套件準備以及物料補給相關的工人成本。Vijaya Ramnath等人開發(fā)了多標準決策支持系統，根據定量和定性因素選擇裝配系統中的物料供給策略，主要關注臺套配送與看板配送。

以上研究多采用組合搜索的方法尋求系統最優(yōu)設置，少有研究涉及物料配送模式與混流裝配線系統特征匹配關系，或者決定物料配送策略最佳選擇的關鍵要素分析等。因此，本文針對汽車裝配等混流生產系統的物料供給過程建立仿真模型，設計多種場景下的物流配送策略或調度方法，并結合仿真試驗進行分析，探索裝配線系統和零件的相關參數、計劃方案與物料供給策略之間的關系。

1混流裝配線物料配送問題概述

混流裝配線物料配送主要目標是以最低成本提供與裝配序列對應的物料，根據物料的需求、尺寸等特征，一般可以設計不同類型的物料配送模式，即根據裝配計劃按序列設計齊套配送的Kitting模式、按批量配送的線邊庫存Ls（Line Stocking）模式以及需要及時配送的Kanban模式等。物流配送系統需要選擇設置合理的配送模式，配送模式的選擇直接決定了任務的組合、調度方式以及物料配送路徑、載具等系統各環(huán)節(jié)的軟硬件配置，其范圍貫穿了物料配送系統從物料出庫到最后進入裝配線的全部過程。所以，要想設計好的物料配送系統應該考慮到每日的生產計劃，將正確的物料按正確的數量在正確的時刻運送到正確的地點，本文將重點研究物料供給策略的選擇問題來滿足物料配送目標并降低配送成本。為了設置合理的物料供給策略，需綜合考慮以下因素的影響：

（1）零部件類型及體積。在混流裝配車間中，零件類型的多樣性與體積的差異會影響打包容器的選擇，又因為不同運輸車的容量大小不同，即運輸車一次所裝的打包容器和運輸趟數都會隨之不同，所以同樣會影響物料供給策略的選擇。

（2）生產計劃中的品種組合變動。在混流裝配過程中由于客戶需求的不確定性導致每日的生產計劃在不停的變動，所以生產線上的產品品種組合也將有多種變化，這直接影響了配送物料的順序和數量等參數。

在一個物料配送系統中，無論是計劃改變還是現場某一個因素的改變都會導致整個系統運作發(fā)生巨大的變化，并且由于本文研究的配送系統同時牽涉生產、配送以及倉庫等多方面問題，問題的復雜性、隨機性可想而知。對不同類型的零件在變動的生產計劃下選擇不同的物料供給策略時，不僅要考慮實際的意義還要考慮可行性。因此，下文將通過對物料配送系統進行仿真建模，設計不同場景的仿真試驗來探究裝配線系統和零件的相關參數、計劃方案與物料供給策略之間的關系。

2混流裝配線物料配送模型構建

2.1案例研究

R公司作為一家專業(yè)的物流配送公司主要負責汽車制造D公司的物料配送，其為D公司的生產車間提供零部件調達運輸、場內零部件配送、整車運輸及售后零部件運輸等全方面的專業(yè)服務。如圖1所示，R公司的物料配送系統由中轉配送中心和混流裝配生產車間組成，為保證物料配送根據生產計劃按時完成，系統作業(yè)需及時將零部件從中轉配送中心向混流裝配生產車間配送。中轉配送中心有5個存儲區(qū)域、4個出貨平臺，裝配生產車間有與4個出貨平臺相對應的4個人貨平臺，裝配生產車間有4個物料暫存區(qū)和1條生產線。該配送系統主要的作業(yè)流程有備貨作業(yè)、牽引作業(yè)、出貨作業(yè)、運輸作業(yè)、入庫作業(yè)，以等待上線及牽引上線。

本論文分別建立了臺套配送、看板配送和批量配送下的仿真模型，這三種模型根據物料配送的特點不同采用了相同的物流資源，不同的任務操作方式和物料存放形態(tài)。裝配線由10個工作站組成，每個工作站的操作時間設置為1分鐘的相同值，半成品零部件在工作站之間自動傳輸，連續(xù)工作站之間的緩沖區(qū)具有有限容量和先進先出的排隊規(guī)則。

2.2仿真模型建立

物料配送系統的復雜程度高且隨機性強，因此常用到仿真分析的方法對物料配送系統中的問題進行研究。Simio仿真軟件可對離散事件動態(tài)系統的各種性能指標進行統計分析，十分適合對配送系統進行建模仿真。本次建模仿真目的主要有以下幾點：

（1）對從實際配送系統的記錄中無法獲取或是計算復雜的研究對象進行動態(tài)分析，發(fā)現配送系統中存在的問題。

（2）通過運行仿真模型，對不同的方案進行仿真實驗，以在制品數量、車輛運輸趟次、倉庫積壓量、準備成本與線邊存儲成本作為評估指標，作為決策支持。

（3）驗證方案的有效性與合理性，為最終物料供給策略的選擇方案確定提供依據。

本次建模仿真先將物料配送系統研究的配送系統的計劃、配送模式以及作業(yè)流程在仿真模型中進行簡化還原，進而通過仿真對系統作業(yè)情況進行分析和評估，確定方案設計的變化參數與評估指標，最后進行多場景的仿真實驗分析驗證，確定最終的方案，建模仿真分析與優(yōu)化流程如圖2所示。

2.2.1數據輸入

考慮到實際系統的復雜程度和數據量之大，而仿真建模時只需要實現系統功能和作業(yè)情景的還原就可以實現研究目的，因此為了便于仿真模型的建立和運行，本模型對配送系統進行了簡化處理。在流程方面，模型做到了較為完整地還原配送系統，建模所用的數據是使用設定的基礎數據根據原配送系統的上線計劃、備貨清單生成的規(guī)則得到的。簡化后的數據通過Excel表錄入并轉化為仿真模型能夠識別的數據模式，最終數據輸入后的仿真模型能夠按照實際生產計劃模擬運作，數據生成的基本流程如圖3所示。

2.2.2仿真靜態(tài)模型

如圖4所示，該仿真模型是對R公司實際運行的物料配送系統的抽象與簡化，所以基于R公司的配送系統布局，仿真靜態(tài)模型也由中轉配送中心和裝配生產車間兩部分構成，中轉配送中心共有5個存儲區(qū)域用來存放零部件，4個出貨平臺，裝配生產車間也有與之對應的4個入貨平臺，4個線邊暫存區(qū)和l條混流裝配生產線。

2.2.3仿真邏輯構建

（1）備貨及配送邏輯

仿真建模過程中主要以零部件作為實體建立模型，零部件在中轉配送中心的存儲區(qū)域按照備貨清單進行備貨，接著被裝人中轉車通過出貨與入貨平臺，最終運送至線邊暫存區(qū)。備貨及配送流程如圖5所示。

（2）生產線裝配邏輯

混流裝配生產線需要線邊有足夠的零件才能順利完成裝配任務，如果線邊沒有補充相應的零件，那么工位將等待零件牽引上線才能繼續(xù)裝配。如圖6所示為生產線裝配邏輯。

2.2.4模型假設條件

研究該物料配送系統時，時間是重要的研究因素之一，因此在仿真建模過程中時間的設置是至關重要的，本文建立的仿真模型所涉及的時間設置與調研得到的數據相同，如表1所示。各牽引車、容器的容量設置以及出貨、卸貨平臺的處理容量設置如表2所示。

3仿真實驗設計與結果討論

3.1方案設計

通過前面對配送系統的仿真建模，可以了解到混流裝配車間的物料供給系統具有獨特性和一般物流系統的普遍性。因此在物料配送方面，本文需根據配送系統的實際情況提出針對性的解決方案。由于汽車零部件的數量與種類的多樣性，為使得物料配送系統的效益最大，采用高效的物料分類法對零部件進行分類處理。所以，本文根據零部件的特征及使用頻率，按照零部件的種類將物料分為三類，并針對其特征采用不同的物料供給策略，將R公司實際生產情況將變體數、生產系數、通用率、包裝數作為物料配送的分類標準，這樣可以更好地研究零部件的特征與物料供給策略的關系。其中，變體數是指某種零件具有的不同變體數量。生產系數是指某種車型需要某種零件的個數。通用率是指在每日生產批次中該零件被需求的頻次比例，比例越高通用性越高。零件的體積可以轉化為包裝數來表示，一個批次的零件體積越小，那么該零件的包裝數越大。通用率和包裝數是通過計算得到的，其計算公式如下：

通用率=該零件當天使用車型數/派生總車型數 （1）

包裝數（臺份）=包裝數（個）/生產系數 （2）

通過仿真數據、計算的結果、物料配送情況和結合參考文獻分析得到物料配送分類標準的數值范圍，最終變體數設定為1、2、3，生產系數的值為1和2，通用率設為40%、50%、60%、70%，包裝數的值為20、40、60。

在不同的時刻同一混流裝配線上生產的車型和數量不同，所以每個工位對不同零部件的需求也是不一樣的，那么物料供給的方式也會有所不同。有些工位是通過生產時間段進行零部件的供給，而有些地方是通過生產節(jié)拍進行零部件的供給，所以如何根據生產計劃的改變來選擇合理的物料供給策略是確保物料及時供應的重要研究內容。

由于客戶需求的不確定性，每日的生產計劃將會隨之改變，本文將研究生產計劃中批量大小與是否完全混流等參數的改變導致對物料供給策略選擇的影響。批量大小是指訂單中每種產品生產批次的批量大小。完全混流是指產品按照品種順序混流生產，批量混流是指產品按照訂單批次混流生產。根據R公司的生產計劃將批量大小取值設為10和20，完全混流設定為O，批量混流設定為1。

本論文生成了大量的方案，其中每個方案都以系統參數采用的特定值為特征。從仿真實驗的情況來看，可變參數有望對物料供給策略的性能產生重大影響。如表3所示，列出了用于生成方案的變量參數及數值設定。其中，1個變量有4個層次，2個變量有3個層次，3個變量有2個層次，當組合所有不同的可變參數值時，可以得到4x3x3x2x2x2=288種不同的場景。對所有的場景進行仿真實驗，根據仿真評估指標進行全面的數據分析，確定這些參數在某種場景下有助于解釋哪種物料供給策略是最適合的。

3.2仿真評估指標

仿真評估指標包括車輛運輸趟次、線邊貨物積壓量、卸載等待時長，這些評估指標主要構成人工成本、設備成本和存儲成本，具體說明如表4所示。為了使得物料配送系統的效益最大化，需要保證該物料供給策略下的總成本最小。因此，隨著參數的變化，仿真實驗所設計的每種場景將會在三種物料供給策略下相互比較，最終每種場景都會存在最適合的一種物料供給策略，即在該場景下此物料供給策略比其他策略的評估指標更優(yōu)，總成本更小。

3.3實驗結果與討論

仿真實驗結果如圖7所示，在每種零件的變體數、生產系數、包裝數、通用率、批量大小、完全混流與批量混流等參數確定后，它們對三種供給策略的影響也隨之變化，相應配送模式的配送特點也隨即確定，根據特定場景的參數設置可以選擇最適合的配送模式。三種配送模式的適合配送零件及其他參數設置如下：

對于具有高度多樣性，通用率及生產系數較低的中型零件，臺套配送的性能最高。臺套配送按照物料需求適合少量多次的配送，其特點是物流均衡，但需要準備的工作量會增多且裝配過程中具有較低的積載率。其優(yōu)勢主要體現在減少了裝配線上的在制品數量和零件的存儲成本，劣勢主要是需要耗費更多的人工成本來準備套件。當訂單產品是完全混流生產時，臺套配送的相對性能得到提高。

對于具有低多樣性，通用率高但低生產系數的大型零件，看板配送的性能最高?？窗迮渌桶凑瘴锪闲枨筮m合多量少次的配送，其特點是物流較均衡，但工人的備貨工作量會增多且裝配過程中具有較高積載率。其優(yōu)勢主要體現在能有效控制線邊擁堵的情況，按照生產計劃產生特定的數量不僅能夠減少庫存降低成本，還可以提高資金周轉率。看板配送的車間空間利用率更高，裝配線上的在制品數量更多。

對于具有低多樣性，通用率及生產系數高的小型組件，批量配送產生最佳性能。批量配送按照物料需求適合大批量的集中配送，其特點是物料不均衡，因只按照備貨單將零件備好貨而不需再做不同零件組配的工作，會減少備貨的工作量且裝配過程中具有較高的積載率。其優(yōu)勢在于減少了中間環(huán)節(jié)的周轉作業(yè)，直接在線邊暫存區(qū)存儲，但會增加線邊的存儲成本，使得線邊物料管理不便。當訂單批量大幅度增加時，批量配送的相對性能較高。

3.4最優(yōu)方案結果

根據3.3節(jié)多場景下各方案的仿真結果，采用權重法和專家評估法對每種場景的方案進行評分，得出如表5所示最優(yōu)方案下的三種物料供給策略對應的零件特征與系統參數設置，此時的綜合評估指標達到最優(yōu)，基本可以保證線邊空間充足，確保了作業(yè)質量和安全生產。卸載平臺擁堵的問題得到了解決，卸貨平均等待時間大大降低，運輸車的運輸趟次有所減少，物料配送系統的總成本與原始方案相比較低。

下面將最優(yōu)方案與原始方案的部分評估指標進行對比：

（1）如表6所示為線邊貨物積壓量優(yōu)化結果，可以看出線邊貨物的積壓量有了明顯的降低，這說明卸載平臺的擁堵問題得到了有效解決，中轉車卸貨等待時長也相比原始方案的等待時長降低了20%。

（2）如表7所示為車輛運輸趟次的優(yōu)化結果，由于臺套配送一方面提高了車輛的積載率，另一方面使得中轉車及牽引車的運輸趟次都有所減少，所以物料運輸成本大幅度降低。

4結束語

本文以某汽車混流裝配車間為例，運用仿真軟件對其進行物流供給策略的研究，通過仿真軟件設定不同的生產場景對車間的不同物流配送過程模擬實驗，結合實驗分析，得出了不同生產場景應該選擇的物料供應策略并確定了最優(yōu)方案結果。通過對實際生產線系統仿真，探討了裝配線系統相關參數及零件特點與物料供給策略選擇的關系，為以后的生產線建模與仿真提供參考。