某航天器裝配中心流程仿真與優化設計研究

【裝備理論與裝備技術】

某航天器裝配中心流程仿真與優化設計研究

任凌云1，2,費允鋒2，占金春2，3，黃凱雁3

(1.空軍指揮學院，北京100089； 2.第二炮兵工程設計研究院，北京100089；

3.航天科工系統仿真科技(北京)有限公司，北京100089)

摘要：以某航天器裝配中心為研究對象，分別建立了系統進程分析、三維可視化流程仿真兩種不同粒度的分析模型，在不同分辨率條件下研究了系統的行為，并以提高系統運行效率為目標，開展了布局調整和要素配置優化設計研究；為多層級系統運行效率分析及優化設計研究探索了一條可行的技術途徑。

關鍵詞：產品裝配；流程仿真；Flexsim；優化設計

收稿日期：2014-07-19

基金項目：國家社科基金(12GJ003-155)

作者簡介：任凌云(1976—)，女，工程師，碩士研究生，主要從事軍事建模與仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.008

中圖分類號：TP391

文章編號：1006-0707(2015)01-0028-03

本文引用格式：任凌云,費允鋒，占金春，等.某航天器裝配中心流程仿真與優化設計研究[J].四川兵工學報，2015(1):28-30.

Citationformat:RENLing-yun,FEIYun-feng,ZHANJin-chun,etal.ProcessSimulationandDesignOptimizationofOneSpacecraftAssemblyCenter[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):28-30.

ProcessSimulationandDesignOptimizationof

OneSpacecraftAssemblyCenter

RENLing-yun1,2,FEIYun-feng2, ZHAN Jin-chun2,3,HUANGKai-yan3

(1.AirForceCommandCollege,Beijing100089,China;

2.TheSecondArtilleryEngineeringDesign&ResearchInstitute,Beijing100089,China;

3.CASICSystemSimulationTechnology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing100089,China)

Abstract:Taking a spacecraft assembly center as the study object, systematic process analysis and 3D visualization process simulation analysis model in two different particle sizes were established, and the behaviors of the systems in different resolutions conditions were studied, and the layout and design optimization research of the configuration elements to improve the system efficiency as the goal was carried out, which would explore a possible technical mean for the multi-level system efficiency analysis and optimization studies of design.

Keywords:productassembly;processsimulation;Flexsim;optimaldesign

自動化產品裝配中心是一種典型的離散制造系統，其系統設計需要進行多個層次的分析，包括加工中心(部件預處理)生產能力和效率分析、裝配生產線的布置設計、生產線的平衡與緩存區設定、整個系統的響應時間與產能分析。解析方法可以分析某道工序的產能和負荷率，但很難建立整個系統的分析模型并對其開展優化設計。在此將采用離散事件系統分析方法，以某航天器裝配中心為例，建立全系統及各子系統的不同粒度的仿真模型，開展系統布局及要素配置優化設計研究。

1系統進程建模及人工仿真運行

離散事件系統可采用事件、活動和進程來描述[1]。某航天器裝配中心模型，如圖1所示[2,3]。圖1中，帶圈字符表示事件，有向連線表示活動，連線上方的數值表示活動持續時間，整個系統描述了6個相對獨立的進程。實際上，這些進程基于統一的時間軸來描述，因系統空間資源共用，這些進程的發展存在一定的邏輯關系。具體而言，在特定時間點上，前一個進程的某個事件結束，才可觸發后一個進程的相應事件。

圖1　多進程模型及其人工推演

以第1個進程為例，101表示主部件送達、拆包裝、就位、外觀檢查；101+表示部件1準備；102為主部件功能檢查；103為部件1安裝；104為組件1安裝前準備工作；105為組件1安裝；1.1為部件2準備；1.1+為部件3準備；1.2表示部件2、部件3安裝成組件1。第2個進程的201事件發生以第1個進程的101事件結束為條件，201+事件發生以101+事件結束為條件。此外，結合空間邏輯關系，這里約定2.1或2.1+事件的發生以104事件的結束為條件。后續進程，依此類推。

在上述建模中，約定2.1或2.1+事件以104事件的結束為觸發條件，是一種模型簡化，在模型的人工運行中經常采用[1]。而實際系統中，1.1、1.1+結束后，2.1、2.1+即可發生，在系統中此處可能出現邏輯判斷、阻塞和等待。

2Flexsim三維可視化流程仿真[4]

圖2為在Flexsim軟件中建立的該裝配中心的三維可視化流程仿真模型，這是一個包含了空間位置信息的進程模型。為簡化表達和便于理解，圖示“1.1區域”即為事件1.1發生的場所，其余類推。

圖2　三維可視化流程仿真模型

在該系統空間布局中，事件1.1、1.1+分別需要借助一個轉盤來銜接，此外，事件1.1+過渡至事件1.2、事件1.2過渡至事件105的活動以及事件105的繼發活動，都需要借助第3個轉盤來銜接。

仿真得到航天器裝配時間間隔，如圖3所示，其與人工運行中忽略交通阻塞因素的估算時間間隔都有所延長。可見，第3個轉盤處出現了交通阻塞，影響了系統效率。

圖3　航天器裝配時間間隔

(1)

該工位組件i至組件i+1完成裝配的間隔時間記為Xi，其服從參數為λ的負指數分布，即Xi的分布密度為

(2)

其中 λ>0。

因而,計算所得的整套航天器完成裝配的時間間隔亦繼承了一定的隨機性，如圖3所示。

3基于流程仿真的系統優化設計[5-9]

直觀理解，可以將1.1+區域調整至1.1區域同一側，使其向1.2過渡時不需通過轉盤三。但在該系統中，由于其工作對象本身的互斥性，這種布局調整在工程上是不許可的。為此需要進一步研究其他優化設計手段。

通過進一步研究各區域繁忙程度，轉盤三并未成為真正的系統瓶頸。由圖4可見，轉盤三空置98.2%，通過制定優先通行策略，將不會引發嚴重的阻塞。

而在101～105區域，由于工步較多、占用時間較長，經常出現其他區域工作皆已完成，等待該區域的現象。圖5、圖6、圖7分別顯示的是1.2、101+、101～105區域的忙閑程度。可以看出，1.2區域起重機81.3%的時間處于閑置狀態；而101+區域工作時間達72.4%；區域101～105航天器需等待組裝、打包，約69.5%的時間有航天器在該區域等候。

圖4　轉盤三占用狀態統計

圖5　1.2區域起重機占用率

圖6　101+區域流水線工作狀態統計

圖7　101～105區域占用狀態統計

通過多次仿真試驗，提出在101+、101～105區域分別設置兩條并行的流水線。新布局條件下，計算得到的航天器裝配時間間隔，如圖8所示。

可見，通過這樣的布局調整，除第一件航天器裝配時間與原系統相當外，后續航天器裝配時間間隔近似為原系統的一半，大大提高了整個系統的運行效率。這樣，若在原系統基礎上按此擴建少量的流水線，可實現近兩倍于原系統的裝配能力，效益非常顯著。

圖8　系統修改后的航天器裝配時間間隔

4結論

本文以某航天器裝配中心為研究對象，分別建立了系統的進程分析模型、三維可視化流程仿真模型，在不同的分辨率下研究了系統的行為，并開展了布局調整和要素配置優化設計，提高了系統運行效率。

研究成果為多層級系統運行效率分析及優化設計研究探索了一條可行的技術途徑。

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(責任編輯周江川)