張曦文 呂瑞強(qiáng) 杜曦晨 張家諤

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

飛機(jī)總裝是飛機(jī)制造過程的重要環(huán)節(jié)，對(duì)最終的產(chǎn)品質(zhì)量、成本和交付日期等具有決定性影響。近年來，我國(guó)飛機(jī)總裝開始從機(jī)庫(kù)式作業(yè)向脈動(dòng)式、移動(dòng)式作業(yè)模式發(fā)展[1-2]。飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線根據(jù)裝配工藝進(jìn)行站位劃分，通過對(duì)裝配過程進(jìn)行流程再設(shè)計(jì)、優(yōu)化和平衡，使飛機(jī)以固有的脈動(dòng)生產(chǎn)節(jié)拍在各個(gè)站位之間進(jìn)行移動(dòng)，操作人員在固定區(qū)域進(jìn)行裝配作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)提高裝配效率、縮短裝配周期的目標(biāo)。飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線作為一種先進(jìn)的、高效的飛機(jī)生產(chǎn)組織模式，具有生產(chǎn)線工藝流程清晰、站位專業(yè)化程度高、分工明確細(xì)致、產(chǎn)線運(yùn)行更平穩(wěn)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的研制生產(chǎn)中得到了應(yīng)用[3]。

飛機(jī)總裝普遍具有多專業(yè)交叉作業(yè)、人工裝配環(huán)節(jié)多、作業(yè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，合理的工藝劃分方案和資源配置方案是保證總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線均衡運(yùn)行的關(guān)鍵[4]。傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主的工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線規(guī)劃方式難以對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能、資源配置等進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，無法對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，建設(shè)后往往存在很多瓶頸和不必要的資源浪費(fèi)，無法按照既定要求運(yùn)行[5-6]。生產(chǎn)線仿真技術(shù)利用生產(chǎn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行模擬和優(yōu)化，尋找最佳生產(chǎn)方案和資源配置方案，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化和成本的最小化[7-8]。

一、生產(chǎn)線規(guī)劃仿真技術(shù)

隨著生產(chǎn)線規(guī)劃仿真技術(shù)的發(fā)展，目前世界上已有大量的商業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)仿真分析軟件，其中主流的軟件包括美國(guó)Systems Modeling 公司開發(fā)的Arena、美國(guó)Flexsim Software Products 公司開發(fā)的Flexsim、美國(guó)Pro Model 公司開發(fā)的Pro Model、英國(guó)Lanner 公司開發(fā)的Witness、西門子公司的Plant Simulation、達(dá)索公司的DELMIA/Quest 等。利用軟件平臺(tái)對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)態(tài)仿真，可以預(yù)先測(cè)算生產(chǎn)線運(yùn)行情況，查找出可能發(fā)生的設(shè)備布局、物流方案、生產(chǎn)調(diào)度與管理等方面的問題，為生產(chǎn)線的規(guī)劃、運(yùn)行和改造提供量化的依據(jù)。這些仿真分析軟件各有特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外已有越來越多的學(xué)者借助生產(chǎn)系統(tǒng)仿真分析軟件進(jìn)行生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計(jì)。西北工業(yè)大學(xué)的屈琦等[9]以飛機(jī)中機(jī)身典型部件裝配生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，利用Plant Simulation 建立了飛機(jī)中機(jī)身典型部件裝配生產(chǎn)線模型，對(duì)裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、瓶頸、平衡率等問題進(jìn)行了仿真及優(yōu)化分析。連宇臣等[10]利用離散事件仿真技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)式裝配線進(jìn)行了建模，對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)及其主要影響要素進(jìn)行仿真及優(yōu)化，為脈動(dòng)式裝配線的建設(shè)和規(guī)劃論證提供了技術(shù)參考。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的李巖等[11]針對(duì)某型導(dǎo)彈生產(chǎn)過程中工位分配、產(chǎn)能平衡、AGV 數(shù)量規(guī)劃和路徑規(guī)劃等問題，建立了基于Plant Simulation 的導(dǎo)彈裝配生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了理論分析與仿真試驗(yàn)。

本文以飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線為背景，研究飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的仿真與優(yōu)化方法。首先，對(duì)飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)分析，包括站位及布局規(guī)劃、工藝規(guī)劃及人力資源規(guī)劃等。在此基礎(chǔ)上，利用生產(chǎn)線仿真技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的建模仿真，對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能、瓶頸、資源等進(jìn)行分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行工藝均衡優(yōu)化和資源配置優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的生產(chǎn)線進(jìn)行再次仿真，獲得了較優(yōu)的生產(chǎn)線規(guī)劃方案及生產(chǎn)線運(yùn)行結(jié)果，整體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 整體技術(shù)路線

二、飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的分析與規(guī)劃

（一）站位及布局規(guī)劃

脈動(dòng)生產(chǎn)線的核心問題之一就是確定脈動(dòng)節(jié)拍并根據(jù)節(jié)拍進(jìn)行站位劃分。脈動(dòng)節(jié)拍取決于生產(chǎn)線內(nèi)工作周期最長(zhǎng)的站位，不平衡的脈動(dòng)生產(chǎn)線會(huì)造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi)，降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，劃分站位時(shí)應(yīng)盡可能均衡各站位工作內(nèi)容，使各站位節(jié)拍一致。根據(jù)生產(chǎn)線的產(chǎn)能要求及總裝工藝內(nèi)容，將生產(chǎn)線初步劃分為7個(gè)站位，分別為電纜導(dǎo)管安裝站位、導(dǎo)管起落架安裝站位、起落架調(diào)試—導(dǎo)管氣密—高低壓收放站位、精加工—全機(jī)電纜測(cè)試站位、電傳成品安裝調(diào)試站位、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝—系統(tǒng)調(diào)試站位以及總調(diào)測(cè)試檢查站位。

結(jié)合廠區(qū)整體布局安排與生產(chǎn)線站位規(guī)劃方案，考慮現(xiàn)場(chǎng)的大型工裝、工藝種類、生產(chǎn)線面積約束及外圍環(huán)境約束等，確定總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的布局方案，如圖2 所示。

圖2 總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線布局示意

（二）工藝規(guī)劃

詳細(xì)梳理飛機(jī)總裝工藝流程，確定各工序所需設(shè)備、人員、物料等資源的類型和數(shù)量及工序間的前后順序關(guān)系，并根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范各工序的工時(shí)信息。在工序梳理的基礎(chǔ)上，將總裝各工序分配至各站位，分配時(shí)應(yīng)注意合理性，使各站位關(guān)鍵路徑上的工序作業(yè)時(shí)間盡可能接近，這有利于生產(chǎn)線的均衡運(yùn)行。經(jīng)工藝梳理及分配，各站位的工序數(shù)量及總工作時(shí)間見表1，其中，一站位部分專業(yè)的工藝流程如圖3 所示。

表1 各站位工序數(shù)及總工作時(shí)間

圖3 一站位部分專業(yè)的工藝流程

（三）人力資源規(guī)劃

飛機(jī)總裝過程主要為人工手工作業(yè)，整個(gè)總裝過程需要各專業(yè)工人數(shù)量達(dá)上百人，是飛機(jī)總裝過程中最主要的資源之一。因此，需對(duì)各專業(yè)工人進(jìn)行合理分配，在保障生產(chǎn)線運(yùn)行的同時(shí)減少資源的浪費(fèi)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，總裝過程共涉及13 個(gè)專業(yè)，根據(jù)站位劃分及工藝規(guī)劃情況，初步規(guī)劃總裝工人總數(shù)量為126 人，各專業(yè)工人數(shù)量見表2，其中50～66 為工人專業(yè)代碼。

表2 人力資源初步規(guī)劃

三、飛機(jī)總裝生產(chǎn)線建模與仿真分析

（一）仿真模型搭建

1.仿真軟件選擇

生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件Plant Simulation 是西門子公司的一款面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真軟件，可用于生產(chǎn)、物流和工程領(lǐng)域的分析研究，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流程的控制。其仿真過程圍繞時(shí)間展開，通過對(duì)仿真系統(tǒng)中出現(xiàn)的實(shí)體進(jìn)行建模，并模擬實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)體被加工、被移動(dòng)、被存儲(chǔ)的過程來模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行。其基本建模對(duì)象分為物料流對(duì)象、信息流對(duì)象、用戶接口對(duì)象和移動(dòng)對(duì)象等[12-13]。

飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線仿真屬于典型的離散事件仿真，本文以飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，使用Plant Simulation 軟件作為工具，進(jìn)行裝配生產(chǎn)線的建模和仿真分析。

2.生產(chǎn)線仿真模型建立

首先，根據(jù)生產(chǎn)線的工藝及布局進(jìn)行生產(chǎn)線物理模型的建立，物理模型元素主要包括零件（MU）、工位（Station）、緩存區(qū)（Buffer）、來料站（Source）及物料終結(jié)站（Sink）、AGV車等類型；然后，根據(jù)生產(chǎn)線工藝梳理結(jié)果，為物理模型元素賦予參數(shù)，包括工時(shí)、所需資源、運(yùn)行速度等；最后，編寫模型的控制方法，設(shè)置各部分的運(yùn)行邏輯，使各類型元素有機(jī)組合起來，真實(shí)地模擬生產(chǎn)線的運(yùn)行。生產(chǎn)線的運(yùn)行邏輯應(yīng)滿足各站位需求，按照工序的優(yōu)先順序關(guān)系進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)一個(gè)工序的所有前置工序執(zhí)行完畢，并且所需資源全部就位，該工序才具備開始執(zhí)行的條件；當(dāng)一個(gè)站位內(nèi)所有工序執(zhí)行完畢后，同時(shí)后一站位的飛機(jī)已經(jīng)移至下一站位，那么可以使用飛機(jī)移動(dòng)支撐系統(tǒng)將當(dāng)前站位的飛機(jī)移動(dòng)至后一站位，后一站位的工序可以按順序執(zhí)行。根據(jù)上述步驟在Plant Simulation 中建立飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線仿真模型，如圖4 所示，其中部分站位具體建模情況如圖5所示。

圖4 生產(chǎn)線仿真模型

圖5 部分站位建模情況

3.仿真時(shí)間設(shè)置

生產(chǎn)線采用單班工作制，每天工作8 小時(shí)，每年運(yùn)行300 天，班次日歷設(shè)置如圖6 所示。

圖6 班次日歷設(shè)置

（二）仿真結(jié)果分析

1.產(chǎn)能分析

飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線以滿足產(chǎn)能要求為核心需求，通過仿真分析產(chǎn)能情況及規(guī)劃方案，并以滿足產(chǎn)能為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃方案的優(yōu)化。經(jīng)仿真，當(dāng)前生產(chǎn)線方案下的年產(chǎn)能為23 架機(jī)，如圖7 所示。當(dāng)前規(guī)劃方案下的產(chǎn)能小于目標(biāo)產(chǎn)能30 架/年，結(jié)果不能滿足生產(chǎn)線建設(shè)要求，需進(jìn)一步結(jié)合各站位節(jié)拍及主要資源利用情況，分析當(dāng)前生產(chǎn)線規(guī)劃方案，針對(duì)當(dāng)前方案中的問題進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 初次仿真產(chǎn)能結(jié)果

2.生產(chǎn)節(jié)拍分析

分析各站位生產(chǎn)節(jié)拍可以了解生產(chǎn)線的瓶頸站位及各站位的工作情況，找出產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)的原因，從而更有針對(duì)性地進(jìn)行規(guī)劃方案的優(yōu)化。經(jīng)仿真計(jì)算，各站位的節(jié)拍見表3。

表3 各站位生產(chǎn)節(jié)拍

從當(dāng)前生產(chǎn)線各站位節(jié)拍情況可知，各站位節(jié)拍差別較大，生產(chǎn)線存在較嚴(yán)重的不均衡情況，且各站位節(jié)拍均慢于目標(biāo)節(jié)拍10 天/架。進(jìn)一步分析當(dāng)前工藝方案可知，一方面，當(dāng)前工藝方案存在較多串行工序，而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，各裝配工序多數(shù)可并行執(zhí)行，實(shí)際約束較少，因此作業(yè)順序存在一定優(yōu)化空間；另一方面，工時(shí)估算時(shí)因考慮不同工人的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)不同，工時(shí)制定較為保守，有較大的可提升空間。

3.人員負(fù)荷情況分析

工人是飛機(jī)總裝過程中最主要的

資源之一，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注人員的負(fù)荷情況。經(jīng)仿真模擬，各專業(yè)人員的負(fù)荷情況如圖8所示。從仿真結(jié)果可以得知，多數(shù)專業(yè)的人員利用率低于50%，說明在當(dāng)前的生產(chǎn)線運(yùn)行節(jié)奏及人員分配方案下，部分專業(yè)工人的空閑時(shí)間較多，可通過加快整體生產(chǎn)線節(jié)奏提高工人作業(yè)時(shí)間，或調(diào)整空閑時(shí)間較多的專業(yè)人員至人員負(fù)荷較高的專業(yè)來優(yōu)化人員分配方案，以使人員利用更加充分合理。

圖8 人員負(fù)荷情況

四、飛機(jī)總裝生產(chǎn)線優(yōu)化

（一）生產(chǎn)線優(yōu)化方案

仿真結(jié)果不滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，故需要對(duì)生產(chǎn)線方案進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，用于提高生產(chǎn)線產(chǎn)能的優(yōu)化方法包括：調(diào)整班次制度，增加瓶頸處工位時(shí)間以提高產(chǎn)能；優(yōu)化工藝流程，將瓶頸處的工藝進(jìn)行分解，調(diào)整部分工序至其他站位，降低瓶頸處的作業(yè)時(shí)間；優(yōu)化工藝方法，降低加工時(shí)間；優(yōu)化加工設(shè)備，提高加工效率；優(yōu)化資源分配，增加瓶頸處的資源數(shù)量。

由于飛機(jī)總裝生產(chǎn)線的特殊性，場(chǎng)地大小限制了總裝站位數(shù)量；大型工裝、設(shè)備的使用率較低，優(yōu)化加工設(shè)備對(duì)提升產(chǎn)能效果有限；總裝以人工作業(yè)為主，增加班次意味著需增加人員數(shù)量，不是較佳選擇。因此，在上述仿真結(jié)果及優(yōu)化方法分析的基礎(chǔ)上，從工藝均衡及資源配置的角度提出以下優(yōu)化方法：

（1）優(yōu)化工藝方案，針對(duì)部分無嚴(yán)格先后順序的工序，采用并行裝配的方式，同時(shí)進(jìn)行多道工序，加快站位生產(chǎn)節(jié)拍；

（2）針對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍較長(zhǎng)的七站位，詳細(xì)分析具體作業(yè)內(nèi)容，在不影響整體裝配過程的前提下，拆分出部分可以由其他站位完成的工序，調(diào)整該部分工序至生產(chǎn)節(jié)拍相對(duì)短的站位，平衡生產(chǎn)線各站位；

（3）優(yōu)化工時(shí)制定規(guī)則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)成熟的工人作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)工序工時(shí)，同時(shí)加強(qiáng)工人培訓(xùn)，生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格按照制定的工時(shí)進(jìn)行作業(yè)，加快各站位生產(chǎn)節(jié)拍；

（4）優(yōu)化各專業(yè)人員分配，減少人員利用率較低的專業(yè)人員數(shù)量，增加瓶頸處相應(yīng)專業(yè)的人員數(shù)量，提高效率，同時(shí)平衡生產(chǎn)線各站位。

（二）仿真驗(yàn)證

采用上述方法對(duì)飛機(jī)總裝生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化以后，將工藝信息的修改重新輸入仿真模型進(jìn)行再次仿真，具體仿真結(jié)果如下。

1.人員

基于優(yōu)化后的生產(chǎn)線規(guī)劃方案，對(duì)各專業(yè)的人員數(shù)量進(jìn)行仿真分析，獲取使產(chǎn)能最優(yōu)的人員分配方案。經(jīng)多次仿真，產(chǎn)能最大時(shí)的人員分配方案見表4，該方案對(duì)各專業(yè)人員數(shù)量進(jìn)行了一定優(yōu)化，減少了人員利用率較低的專業(yè)人員數(shù)量，如前機(jī)身成品專業(yè)60 人和發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)64 人，增加了人員利用率較高的專業(yè)人員數(shù)量，如前機(jī)身電纜專業(yè)51 人和前機(jī)身導(dǎo)管專業(yè)54 人，總的人員數(shù)量減少了2 人，優(yōu)化了資源投入。在該分配方案下，各專業(yè)人員的負(fù)荷情況如圖9 所示，可以看出該分配方案下，各專業(yè)人員的負(fù)荷情況更為均衡，沒有人員利用率特別低的專業(yè)。

表4 人員分配方案

圖9 生產(chǎn)線優(yōu)化后人員負(fù)荷情況

2.生產(chǎn)節(jié)拍

方案優(yōu)化后，各站位節(jié)拍見表5，可以看出優(yōu)化后節(jié)拍最長(zhǎng)的站位為六、七站位，節(jié)拍均為9.3 天/架，滿足目標(biāo)節(jié)拍10 天/架的要求。且當(dāng)前方案下，各站位節(jié)拍最長(zhǎng)相差0.3 天，相對(duì)生產(chǎn)線整體生產(chǎn)節(jié)拍，各站位節(jié)拍相差不大，表明生產(chǎn)線整體運(yùn)行更加均衡。

表5 生產(chǎn)線優(yōu)化后各站位節(jié)拍

3.產(chǎn)能

經(jīng)仿真、優(yōu)化后的生產(chǎn)線年產(chǎn)能為32 架機(jī)，產(chǎn)能較原規(guī)劃方案提升了9 架/年，可以滿足目標(biāo)產(chǎn)能要求。

通過對(duì)生產(chǎn)線的迭代仿真可知，經(jīng)工藝均衡及資源配置優(yōu)化后的生產(chǎn)線可以滿足預(yù)期要求，同時(shí)人員總投入有所減少，生產(chǎn)線整體運(yùn)行更加均衡，仿真表明上述優(yōu)化方案取得了較好的效果。

五、結(jié)論與展望

本文針對(duì)飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線，在生產(chǎn)線分析與規(guī)劃的基礎(chǔ)上，利用生產(chǎn)線仿真技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了建模與仿真，對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能、各站位節(jié)拍、人員等進(jìn)行了分析，結(jié)合仿真結(jié)果針對(duì)性地提出了飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的優(yōu)化方案并進(jìn)行了迭代仿真，最終確定了生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃方案和資源配置方案，滿足了預(yù)期生產(chǎn)要求，保證了生產(chǎn)線均衡運(yùn)行。

驗(yàn)證結(jié)果表明，生產(chǎn)線仿真技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。通過對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真可以得到準(zhǔn)確的定量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過程的預(yù)測(cè)，根據(jù)仿真結(jié)果可以對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)布局、工藝方案、資源方案及物流方案等進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而獲得更加合理的生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃方案，減少浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。