基于Fiexsim的動車組五級修仿真研究

張鶴，趙慧

（大連交通大學(xué)　電氣信息學(xué)院，遼寧 大連　116028）

基于Fiexsim的動車組五級修仿真研究

張鶴，趙慧

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧 大連116028）

伴隨著高速鐵路的發(fā)展，動車組運(yùn)營里程和開行量的不斷增大，進(jìn)入高級修階段的動車組不斷增加。如何根據(jù)現(xiàn)有的動車組五級檢修方案，發(fā)現(xiàn)工藝流程中潛在的瓶頸工序，對檢修方案做出優(yōu)化調(diào)整，以滿足當(dāng)下不斷擴(kuò)大的檢修需求，最終保證動車組運(yùn)行安全已成為鐵路局和軌道車輛制造企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。本文針對動車組五級修工藝流程，以某檢修中心裝配車間設(shè)備布局為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建五級修仿真模型，在Flexsim軟件上實(shí)現(xiàn)了對真實(shí)檢修系統(tǒng)仿真模擬的同時(shí)，分析和改善現(xiàn)有檢修線存在的生產(chǎn)效能問題，具有很重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

動車組五級修；工藝流程；Flexsim；生產(chǎn)線仿真

我國動車組的檢修流程共分為五級［1］，其中，一級修和二級修屬于運(yùn)用檢修，三級修、四級修和五級修屬于定期檢修。各級修程的劃分與檢修周期運(yùn)行里程數(shù)和動車組運(yùn)用時(shí)間相對應(yīng)［2］。五級修作為動車組檢修的最高修程，是針對整車所進(jìn)行的全面分解檢修，較大范圍地更新零部件，完成車體和制動系統(tǒng)等其他方面的檢修作業(yè)，最終目的在于消除動車組上各零部件在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的不良狀態(tài)［3］。依照五級修工藝流程將其裝配作業(yè)環(huán)節(jié)視為一條完整的生產(chǎn)線進(jìn)行仿真模擬分析，研究不同檢修工位的生產(chǎn)負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)瓶頸工序，依據(jù)生產(chǎn)線優(yōu)化的理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過在Flexsim軟件上對五級修工藝流程建模并仿真運(yùn)行，得到檢修線的運(yùn)行數(shù)據(jù)，易于發(fā)現(xiàn)和改善檢修方案中存在的生產(chǎn)線問題，為提高檢修線的均衡性、削減瓶頸工序、增強(qiáng)檢修系統(tǒng)性能提供可靠的依據(jù)。并且優(yōu)化檢修方案可為操作人員和工裝設(shè)備的配置提供決策性建議，可視化的仿真模型能夠低成本、高效率的模擬高級修檢修線實(shí)際作業(yè)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)檢修生產(chǎn)線的智能化。

1　仿真模型設(shè)計(jì)

本文主要以某軌道客車股份有限公司的某型號動車組五級檢修項(xiàng)目的裝配環(huán)節(jié)為研究對象，主機(jī)廠內(nèi)檢修中心裝配車間的五級修工藝流程為研究主體，檢修線的生產(chǎn)效能為研究目標(biāo)，建立系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)仿真技術(shù)可以應(yīng)用到生產(chǎn)線研究的各個(gè)方面：生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃模擬、生產(chǎn)成本預(yù)測、生產(chǎn)物料管理和生產(chǎn)線協(xié)調(diào)。如今，國外對于生產(chǎn)線仿真的研究已經(jīng)較為成熟［4-7］。

1.1仿真模型邏輯設(shè)計(jì)

1）工藝模型連線

在建立仿真模型之前，依據(jù)五級修工藝流程需要將檢修作業(yè)進(jìn)程做抽象化處理，設(shè)定一個(gè)發(fā)生器作為待檢修動車組的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)批次的模擬；將待檢修的每節(jié)動車抽象為一個(gè)臨時(shí)實(shí)體，按照八節(jié)動車構(gòu)成一列動車組計(jì)算，將臨時(shí)實(shí)體類型從1至8編號，做以相應(yīng)的區(qū)分設(shè)定；每道檢修工序?qū)?yīng)的檢修臺位用實(shí)體庫中的處理器實(shí)體模型表示，不同工序設(shè)置不同參數(shù)和邏輯；牽車臺只能沿特定軌道前后移動，在仿真模型中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，模擬相應(yīng)軌道的移動路徑。各個(gè)工序的每項(xiàng)檢修工作處理過程都視為臨時(shí)實(shí)體經(jīng)過處理器，通過調(diào)用腳本中不同的加工時(shí)間來描述。

Flexsim仿真軟件通過連接對象的方式［8］在對象上創(chuàng)建相應(yīng)的端口。對象之間通過端口進(jìn)行通信。輸入和輸出端口用于傳遞臨時(shí)實(shí)體，中間端口用來創(chuàng)建一個(gè)對象到另一個(gè)對象的引用。在五級修的仿真模型中，作為通道功能的線路需要保持空閑狀態(tài)。因此，仿真模型在此處需要包含一個(gè)邏輯預(yù)判，其效果需要上游實(shí)體和下游實(shí)體間的配合。

2）運(yùn)輸工具邏輯設(shè)置

在實(shí)際檢修作業(yè)過程中，由于檢修對象為動車組整車，所以對檢修對象的移動作業(yè)提出特殊要求。整體上，檢修中心裝配車間布局中北線和南線內(nèi)部的每行線路都包含軌道，檢修車輛可沿本行線路的軌道平行移動到相鄰的下一臺位。在仿真模型中，代表檢修車輛的臨時(shí)實(shí)體可依次在同行相鄰的處理器實(shí)體間相繼流動。對于跨區(qū)域移動的檢修臺位需使用運(yùn)輸工具——牽車臺，即處于區(qū)域兩端的處理器需設(shè)定使用運(yùn)輸工具項(xiàng)。以北11-5（北11-5代表檢修中心裝配車間北線11-5這一檢修臺位）為例，其處理器屬性中的輸出端口項(xiàng)如圖1所示。

圖1　處理器北11-5常規(guī)屬性項(xiàng)輸出端口圖

在仿真建模過程中，F(xiàn)lexsim軟件能夠自動地依照實(shí)體間連線的先后順序?yàn)槊總€(gè)輸出端口編號，若一個(gè)處理器包含多個(gè)輸出端口，而且某些端口對應(yīng)的實(shí)體與本處理器實(shí)體屬于不同區(qū)域線路，則在前后工序銜接時(shí)需勾選“使用運(yùn)輸工具”項(xiàng)。

3）標(biāo)簽識別與觸發(fā)設(shè)定

在動車組五級修項(xiàng)目中，不是每個(gè)臺位都執(zhí)行單一的檢修項(xiàng)目。因此在對這類處理器的屬性設(shè)置時(shí)，不論是加工時(shí)間還是發(fā)送至端口項(xiàng)都需要在邏輯上加以區(qū)分。設(shè)定仿真模型中，發(fā)生器產(chǎn)生臨時(shí)實(shí)體時(shí)賦予標(biāo)簽，命名為“加工工序”。進(jìn)行邏輯設(shè)置時(shí)，通過腳本語言調(diào)用臨時(shí)實(shí)體的“加工工序”標(biāo)簽，獲取標(biāo)簽值作為判斷條件使用。在Flexsim仿真軟件中，設(shè)定每個(gè)處理器的最大容量為1，五級修場地具有橫向軌道線路的限制，于是存在一些臨時(shí)實(shí)體的“加工工序”標(biāo)簽重疊在一個(gè)臺位的特殊情況，因此需要對處理器實(shí)體的輸出端口臨時(shí)實(shí)體的流動是否存在越位和沖突作分析。

4）隨機(jī)可用端口腳本編輯

五級修項(xiàng)目任務(wù)繁多，設(shè)備資源豐富，同一道工序會包含多個(gè)可用檢修臺位共同完成一樣的檢修任務(wù)。針對這種情況，可以設(shè)置隨機(jī)可用端口的腳本程序，通過均勻分布函數(shù)duniform（）等概率地產(chǎn)生一個(gè)定義區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，在仿真模型中實(shí)體的臨時(shí)實(shí)體流屬性里發(fā)送至端口項(xiàng)做相應(yīng)邏輯設(shè)置。

1.2仿真模型參數(shù)設(shè)計(jì)

1）多重時(shí)間參數(shù)編輯

動車組五級檢修項(xiàng)目的仿真模型構(gòu)建是以五級修工藝流程為主主體，通過設(shè)備布局實(shí)現(xiàn)檢修模型中檢修臺位的模擬；借助仿真模型邏輯設(shè)置反映真實(shí)的檢修過程；簡化每個(gè)部件的檢修工藝，整合為每個(gè)檢修臺位的檢修工時(shí)，體現(xiàn)為仿真模型中處理器的加工時(shí)間參數(shù)。檢修臺位的工時(shí)單位為小時(shí)，在模型單位設(shè)定時(shí)，為了減小誤差，防止時(shí)間細(xì)節(jié)的忽略，需設(shè)置時(shí)間單位為秒。在Flexsim軟件的樹結(jié)構(gòu)中找到units節(jié)點(diǎn)，更改time選項(xiàng)。包含多個(gè)加工時(shí)間的處理器需要對加工時(shí)間項(xiàng)的腳本進(jìn)行編輯，獲取臨時(shí)實(shí)體“加工工序”標(biāo)簽值，按照工序設(shè)置加工時(shí)間。例如對處理器北13-1加工時(shí)間設(shè)置如圖2所示。

圖2　處理器北13-1加工時(shí)間設(shè)置

2）多輸出端口參數(shù)編輯

在仿真模型中多數(shù)的處理器承擔(dān)著多道工序的檢修任務(wù)，不同的工序?qū)?yīng)的輸出端口不同。對應(yīng)于某些處理器有多個(gè)輸出端口的情況，參數(shù)需另做編輯。對于同一個(gè)檢修臺位，重疊于該臺位上的各道工序由不同上游實(shí)體連線至該處理器實(shí)體，再相應(yīng)地連線至下游實(shí)體，實(shí)現(xiàn)一條臨時(shí)實(shí)體傳送的通道。所以在臨時(shí)實(shí)體流選項(xiàng)中對發(fā)送至端口項(xiàng)的設(shè)置依據(jù)只有工序號這一參數(shù)，通過腳本語言進(jìn)行編輯。

2　仿真結(jié)果

在Flexsim仿真軟件中，對構(gòu)建好的仿真模型進(jìn)行仿真模擬時(shí)，包含以下操作步驟：

1）編譯：本文采用Flexsim7.3版本，已實(shí)現(xiàn)編譯和運(yùn)行的無縫連接。當(dāng)建模過程中的參數(shù)選擇和屬性設(shè)置為用戶自定義腳本編輯時(shí)需通過編譯查錯(cuò)后應(yīng)用保存。

2）重置：為保證仿真結(jié)果不受外界因素干擾，需確保模型運(yùn)行之前參數(shù)處于初始狀態(tài)，在運(yùn)行開始前，選擇“重置”按鈕。

3）運(yùn)行：完成編譯及重置，選擇“運(yùn)行”按鈕開始運(yùn)行仿真模型。運(yùn)行過程中，可觀察到臨時(shí)實(shí)體的當(dāng)前工作狀態(tài)和整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行情況；通過在Dashboard選項(xiàng)中設(shè)置的不同餅狀圖、曲線圖等動態(tài)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)工作狀況。

4）速度控制：在該五級修項(xiàng)目仿真模型中，系統(tǒng)時(shí)間單位為秒，而每個(gè)檢修臺位對應(yīng)的檢修作業(yè)時(shí)間平均在12小時(shí)左右，通過適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)整加快模型運(yùn)行速度。

針對仿真模型的運(yùn)行情況，F(xiàn)lexsim仿真軟件可以通過“報(bào)告與統(tǒng)計(jì)”選項(xiàng)中相應(yīng)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)自動生成匯總報(bào)告和狀態(tài)報(bào)告，能夠涵蓋多個(gè)類型的標(biāo)準(zhǔn)屬性，例如加工時(shí)間、堵塞時(shí)間等。本次動車組五級修項(xiàng)目仿真是希望通過樣本模型來進(jìn)行瓶頸工序的分析，得到各檢修臺位的利用率、堵塞率和閑置率，達(dá)到一個(gè)完整檢修周期的時(shí)間長度，以及規(guī)定時(shí)間內(nèi)的檢修產(chǎn)量情況。于是，匯總報(bào)告中設(shè)定的統(tǒng)計(jì)屬性是所有檢修臺位即模型中全部處理器的輸出、空閑時(shí)間、加工時(shí)間、堵塞時(shí)間和平均停留時(shí)間5個(gè)統(tǒng)計(jì)量。

對于仿真模型運(yùn)行情況的分析包括結(jié)果分析和過程分析。動車組五級修中處理器數(shù)量大不適合做過程分析，借助仿真結(jié)束后輸出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)果數(shù)學(xué)分析。在Dashboard選項(xiàng)中利用餅狀圖可以統(tǒng)計(jì)檢修臺位的利用率。將整個(gè)檢修場地中的檢修臺位分為3個(gè)區(qū)域：北上半?yún)^(qū)、北下半?yún)^(qū)、南區(qū)。北上半?yún)^(qū)域的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)餅狀圖如圖3所示。

圖3　北上半?yún)^(qū)域狀態(tài)檢修臺位統(tǒng)計(jì)圖

由于檢修車輛進(jìn)入檢修中心場地后，首先在北上半?yún)^(qū)域進(jìn)行五級修裝配環(huán)節(jié)的拆解過程，之后離開北上半?yún)^(qū)域至進(jìn)入北下半?yún)^(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步進(jìn)修作業(yè)，然后進(jìn)入男區(qū)域進(jìn)行裝配環(huán)節(jié)的安裝過程，最終回到北區(qū)域完成最終檢修任務(wù)。在仿真模型中，代表檢修車輛的臨時(shí)實(shí)體在整個(gè)仿真模型中流動的趨勢。由于在北上區(qū)域匯集了檢修車輛進(jìn)入和離開的出入口，在一定程度上導(dǎo)致存在堵塞時(shí)間的現(xiàn)象，但并不嚴(yán)重。此外，還存在部分處理器加工時(shí)間較短，利用率低以及檢修臺位平均利用率低等問題。

3　五級修優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1五級修仿真項(xiàng)目優(yōu)化方案

在上世紀(jì)70年代，以色列物理學(xué)家E.M.Goidratt博士首次提出最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)［9］（Optimized Production Technology，OPT）的概念。起初，它稱為最優(yōu)生產(chǎn)時(shí)間表，直至20世紀(jì)80年代才改進(jìn)稱為最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)。在生產(chǎn)線優(yōu)化分析方面，最優(yōu)生產(chǎn)技術(shù)是通過發(fā)現(xiàn)并分析生產(chǎn)線中出現(xiàn)的瓶頸環(huán)節(jié)，來達(dá)到改善生產(chǎn)管理狀況，提高生產(chǎn)效率的最終目的。在OPT系統(tǒng)中，瓶頸環(huán)節(jié)是限制整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)出能力的主要因素。

動車組五級修項(xiàng)目涉及82個(gè)檢修臺位，若對其檢修工藝流程進(jìn)行優(yōu)化將涉及到場地改造、通道設(shè)置等多方面因素，難度較大，技術(shù)局限性較強(qiáng)。從檢修周期方面來看，動車組五級檢修方案完成對一整列動車的檢修任務(wù)需要近60個(gè)工作日，生產(chǎn)周期長，并且在生產(chǎn)周期中處于工藝流程后邊的檢修臺位等待時(shí)間較長，造成空閑時(shí)間的大量累積，以至于整體檢修臺位的利用率不高。所以，針對五級檢修方案的特殊性，優(yōu)化的重點(diǎn)在生產(chǎn)計(jì)劃方面，即檢修臺位的數(shù)量不變，檢修工藝流程不變，每道檢修工序?qū)?yīng)的檢修作業(yè)時(shí)間不變，調(diào)整不同批次的待檢修動車組進(jìn)入檢修中心的間隔時(shí)間，縮短整列動車組檢修任務(wù)完成的周期長度。

通過對仿真模型的模擬運(yùn)行于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到仿真模型中代表檢修臺位的處理器實(shí)體在仿真運(yùn)行過程中的總時(shí)間等于加工時(shí)間、空閑時(shí)間和堵塞時(shí)間的總和。具體優(yōu)化方案為：

1）在仿真數(shù)據(jù)分析中，根據(jù)五級修工藝流程中相關(guān)工序的檢修任務(wù)完成時(shí)間要求，現(xiàn)有檢修計(jì)劃是上一列動車組全部進(jìn)入檢修場地后，間隔12天檢修中心裝配車間再進(jìn)入下一列待檢修的動車組。現(xiàn)考慮改善整列動車組之間的進(jìn)廠間隔時(shí)間安排，將原來的均勻時(shí)間差12天調(diào)整為12天、11天兩個(gè)間隔時(shí)間交替進(jìn)行。對檢修計(jì)劃的該調(diào)整即為約束理論中對“鼓點(diǎn)”的控制，減少區(qū)域檢修工位的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，縮短生產(chǎn)節(jié)拍。

2）設(shè)置“緩沖”環(huán)節(jié)，借助暫存區(qū)達(dá)到緩沖效果，使檢修流程進(jìn)展不受上游排隊(duì)因素的影響。仿真模型中在處理器旁增加一個(gè)起停靠站功能的暫存區(qū)，對應(yīng)于實(shí)際檢修操作，則是要根據(jù)場地占用情況將等候進(jìn)入該檢修臺位的檢修車輛暫時(shí)調(diào)車至空閑臺位等待。這樣，可以降低堵塞時(shí)間，保持通道暢通。

3.2優(yōu)化數(shù)據(jù)對比分析

依照優(yōu)化方案對五級修仿真系統(tǒng)進(jìn)行完善，對仿真模型做相應(yīng)的改動。設(shè)定仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為100天，獨(dú)立重復(fù)運(yùn)行20次后，輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果基本穩(wěn)定，取其中一次實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果作為優(yōu)化后的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)情況。優(yōu)化后與優(yōu)化前的部分檢修臺位加工狀態(tài)對比狀況如圖所示。對于利用率對比差值一項(xiàng)，若表中差值為正，則代表該處理器實(shí)體在優(yōu)化方案中的利用率有所提高，反之則為降低。

圖4　部分檢修臺位加工狀態(tài)對比圖

采用概率統(tǒng)計(jì)的分析方法判斷該優(yōu)化方案的可靠性。兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的仿真運(yùn)行次數(shù)相同，滿足應(yīng)用“成對t置信區(qū)間發(fā)“的應(yīng)用條件。利用率對比差值用Zj表示，Zj的均值記為ε=E（Zj），接下來計(jì)算該均值的置信區(qū)間。

取1-α=0.9，即α=0.1那么，ε的近似100（1-2）%的置信區(qū)間為，即區(qū)間（0.3536%，1.0682%）。也就是說，該區(qū)間為ε的置信水平為0.9的置信區(qū)間。顯然，通過計(jì)算得出的置信區(qū)間完全位于0的右側(cè)，那么依據(jù)雙系統(tǒng)方案比較的原則，可以以90%的信心判斷優(yōu)化后方案的加工狀態(tài)性能大于優(yōu)化前方案的加工狀態(tài)性能。

從上表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于第一列動車組，由于進(jìn)場計(jì)劃的時(shí)間安排沒有差異，所以第一列動車組離開檢修中心的時(shí)間基本相同。對檢修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化后，從第二列動車組開始，整組動車檢修完成的時(shí)間周期明顯有所縮短，均值為0.992天，提高了檢修線的整體檢修效率。

表1　檢修動車組的檢修任務(wù)完成時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

4　結(jié)論

目前的動車組檢修技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，不過在提高檢修線生產(chǎn)效率方面還有很大的研究空間。而五級修在動車組修程中難度最大、精密度最高、周期最長、工藝環(huán)節(jié)最復(fù)雜。對五級修的檢修線進(jìn)行仿真研究具有較強(qiáng)的代表性。本文通過系統(tǒng)仿真軟件Flexsim進(jìn)行五級修建模和可視化仿真運(yùn)行，可以發(fā)現(xiàn)檢修線的生產(chǎn)效能問題，并依據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Research of EMU level-five maintenance simulation based on Flexsim

ZHANG He,ZHAO Hui
（School of Electrical&Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China）

With the development of high-speed railway,EMU is continuously increasing in numbers and operating mileages,as well as the quantity of which needs advanced maintenance.According to the current EMU level-five maintenance program,it is a focus of attention for Railways and rail vehicle manufacturing enterprises to find a way out to achieve these goals:finding potential bottleneck process,making optimization adjustments for maintenance program,meeting the growing maintenance needs and ultimately ensuring the operation safety of EMU.In this thesis,based on the EMU level-five maintenance process,equipment layout of a repair center's assembly plant is the foundation.A level-five maintenance model is constructed.In this way, the real maintenance system is simulated by Flexsim software.At the same time,the production efficiency problems of the existing maintenance line can be analyzed and improved with importantly theoretical and practical value.

EMU level-five maintenance；process；flexsim；production line simulation

TN06

A

1674－6236（2016）13-0034-04

2015-07-14稿件編號：201507103

張 鶴（1992—），女，山西忻州人，碩士研究生。研究方向：通信理論及關(guān)鍵技術(shù)。