面向航空機載企業機加車間的物流仿真研究

劉 剛，張光濤 （中航工業慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

LIU Gang,ZHANG Guangtao (AVIC Qing'an Group Co.,LTD,Xi'an 710077,China)

0 引言

據統計，制造企業的加工和裝配時間只占總生產時間的5%～10%，而生產物流中的輔助時間占90%～95%，物流成本占到生產成本的30%以上。由此可見，生產物流和企業生產過程密切相關，通過對企業生產物流進行優化、減少生產物流輔助時間可以有效縮短降低物流成本，提升企業生產效率。

航空機載產品具有多品種、小批量、變狀態的特點，在生產物流方面體現出高度離散、高度波動、高度柔性的特征，目前大部分機載企業主要依靠經驗的生產調度物流模式，缺乏提前策劃，通過事后型的解決措施彌補不足，造成生產停滯。本文主要研究基于Witness系統仿真軟件根據生產排產計劃、生產準備及實際物流參數等要素建立準確的生產物流仿真模型，通過虛擬仿真手段實現生產物流方案優化，解決因物流因素導致的生產停滯問題，從而提升航空機載企業的制造能力。

1 航空機載企業物流仿真現狀分析

航空機載產品屬于典型的多品種小批量生產特性，例如，某航空機載企業機加車間生產產品1.9萬余種，年產量160萬件。生產過程中所需要零件、夾具、刀具、量具等種類繁雜；零件工序長，物料周轉頻繁，物流調度計劃和物流路線復雜。目前生產物流方式主要以人工為主，雖然簡單易行、方便靈活，但完全依賴生產調度人員的經驗和執行力，無法形成快速響應的生產物流管理機制。

復雜物流環境下，要實現物流能力的顯性分析和調整均衡，預防因物流計劃不合理導致的生產停滯問題，需要使用系統的仿真工具。Witness仿真軟件是一個面向于生產、運輸、規劃等方面的離散事件系統仿真軟件。通過該軟件，以未來建設的生產系統為對象，建立起一個抽象的物流模型，進行虛擬模型仿真分析，得到不同物流方案對生產系統性能的影響指標，如：機器設備的利用率、生產系統的平均產出、人員配置的評價、產品及時交付率等指標的統計。以此提前顯性化物流配送問題，為生產線的規劃、運行和優化調整提供了依據。

2 航空機載企業物流仿真環境構建研究

構建物流仿真環境需按生產系統中產生物料流動的環節定義物流網絡模型，描述模型內每個元素的特征和元素之間的鏈接關系。航空機載企業機加車間長期的生產過程在本質上就是一個大型復雜的物流系統，產品按照既定的生產工藝步驟依次獲取系統資源進行處理加工，最后成為成品流出系統，加工機床、作業人員、工裝夾具、倉儲物流設備等所有生產要素都被認為是系統內的元素。利用Witness軟件對物流系統內的元素進行虛—實映射，組成物流網絡模型，通過制定物流規則，構建真實的物流環境進行物流仿真。流程如圖1所示：

2.1 物流網絡設計

物流網絡，即物流系統的空間網絡結構，是指物流系統（物流企業或組織）構造和組織的與經營有關的物流節點、物流線路的空間網絡結構。物流網絡的主要構成要素是物流系統的節點及節點連接方式（物流路線）。所有的物流活動都是在物流路線和物流節點上進行的，運輸線路上進行的運輸活動是物流的主要功能要素，而物流功能要素中的其他要素，如倉儲、配貨、包裝、裝卸、流通加工等，則是在物流節點上完成的。因此物流網絡的設計工作主要分為物流節點和物流路線設計。

圖1 物流仿真流程

（1）物流節點設計。物流節點是物流網絡的重要組成部分，物流效率的發揮依賴于物流節點的位置和功能配置。作業單元布局是設計物流節點的基礎，并決定了物流網絡的形式和結構，設計物流節點的第一步就是按現場實際情況采集各個作業單元的位置、功能等特征，繪制作業單元布局圖。以某航空機載企業機加智能車間為例，按產品成組技術設置了筒體、閥、活塞、殼體、齒輪、結構件、小型回轉體、中型結構件等8組典型零件的機加生產區。作業單元按產品加工流程中的功能劃分為：生產區（機加、鉗工、清洗、刻字、檢驗等）和存儲區。根據機加現場實際情況布局如圖2所示：

圖2 作業單元布局

完成作業單元布局后，接下來需對涉及到物料流動的節點按功能進行統計分類，方便后續在物流模型中對不同功能類型的節點設置相應的物流特征。物流節點按其功能可分為緩存型節點（以存放貨物為主要職能的節點，貨物在這種節點停滯時間較長）、轉運節點（以組織物流快速流轉為主要職能）和作業節點。按照車間布局，統計物流節點類型和數量如表1所示：

（2）物流路線設計。機加車間主要分為南北兩個部分，南北區域各細分為10個區域。廠房東側為工具包準備區域和原料成品存儲區域。所有生產資源由物料存儲區配送到各生產工位或特種加工單元。按廠房內現有的倉儲、準備和作業區的整體布置，使用魚骨型物流路線：東西通道作為主物流通道，負責從零件、夾具存儲區域和刀具、量具準備區分別運送零件包、準備包到達各個生產線始端，南北向的20條支物流通道負責生產線內的加工設備之間物料傳輸，加工設備進行加工操作要求零件包和準備包全部到位才能開始。如圖3所示：

表1 物流節點統計

圖3 物流路線設計

2.2 物流模型構建

物流網絡設計完成后，需通過Witness軟件構建物流模型。由于機加車間的物流節點數量較多，使用手動構建相關物流模型的工作量非常大，可通過“讀取外部數據”模塊將含有物流節點特征、坐標等數據的Excel表格自動導入模型，存儲于各個具體變量當中。以加工設備為例，前期收集的特征含設備型號、名稱、用途、所屬生產線、一次加工數量等數據（如圖4所示）。

在Witness模型初始化窗口（ModelInitialize Action）中通過“模型初始化函數”和“創建機器”兩個函數來實現模型初始化和布局的自動生成。函數設置完成后，點擊“初始化”按鈕，軟件執行“模型初始化”函數和“創建機器”函數循環執行讀取外部鏈接Excel表數據的方式，自動生成物流模型。如圖5所示：

模型的背景是通過圖層管理工具導入根據生產現場繪制的CAD平面布置圖，用于定位各個物流節點和物流路線的位置。模型中不同類型的元素代表車間內相應特征的實物。如：用“BUFFER”元素表示立體庫、周轉庫等緩存節點和轉運節點，用“MACHINE”元素表示加工設備等作業節點，用“PART”元素表示待加工零件，用“TRACK”元素表示物流路線，用“VEHICLE”元素表示物料運載設施等。

2.3 物流仿真參數設置

圖4 節點特征數據

物流模型構建完成后，還需對物流仿真的參數進行設置才能運行仿真，輸出仿真報告。物流仿真的參數包含元素參數和物流規則。

（1） 元素參數設置

元素是仿真模型的基本結構，元素參數設置的準確性直接影響仿真的真實性。參數的設置有兩種方式：精確設置和模糊設置。在有詳細的外部統計數據情況下，一般采用精確設置參數以保證物流模型仿真的真實性；當輸入數據難以收集而需要估計時，采用模糊設置參數的方法，從而使系統的仿真結果具有一定的隨機性。以加工設備為例，需要設置的參數有：一次加工的零件數量、加工時間、維護時間、故障率、觸發加工的條件、完成加工后的動作等。由于實際生產過程中，不同種類零件的加工時間有偏差，精確設置“加工時間”參數需要讀取外部零件清單Excel列表中每項零件的加工時間統計數據，根據正在加工的零件號自動選擇相應的加工時間；模糊設置“加工時間”參數需對零件的加工時間進行分析處理，選用合適的概率分布。如圖6所示三角隨機分布：

圖6 三角隨機分布示例

Minimum為加工時間的最小值；Mode為加工時間的大概率值；Maximum為加工時間的最大值。設備每次更換零件加工時均從此分布中隨機取值。

（2） 物流規則設置

物流規則是驅動模型運行的血液。生產物流調度根據其目標可以描述為：有n種產品在m臺設備上依據指定的工藝路線進行加工，已知各產品在各工序的單位加工時間固定并已知，確定一種物流規則使各設備的總等待時間或產品偏離準時交付節點最少。如基于優先級的物流規則（圖7）：對生產物流信息進行賦權處理，依據待加工設備的忙閑狀態、零件關鍵性、零件松弛率等變量賦權，將權重表按從大到小的順序進行物流調度排序和更新。

該規則的物流調度方案基于生產信息制定，因此需要先導入相應的排產計劃，這也是整個流程的輸入。生產計劃包括需要生產產品的種類、數量、精確到工序的計劃開工時間以及各工序的加工設備。在導入相應信息數據后，開始進行優先級賦權，在所有物流操作都賦權完畢后，進入物流調度方案的制定階段。將權重表按從大到小的順序進行排序，權重高的物流操作具有更高的優先級。每當生產系統內部任一加工設備完成加工任務并且由物流系統運輸回庫時，系統內部所有的物流任務按照上述規則進行優先級的重排。

2.4 物流仿真與分析

完成仿真建模后導入排產計劃開始運行仿真，可以得到整個生產系統動態運行指標的仿真報告，以便從中探尋到系統的性能表現，對比不同物流方案的優劣。對比和分析物流方案時需結合多個指標進行分析，對于機加車間的物流系統性能主要評價指標如表2所示：

圖7 基于優先級的物流規劃

表2 系統性能評價指標

設備利用率和物流設施利用率指標結合，可判斷加工能力與物流能力是否匹配。若加工設備利用率偏低、物流設施的利用率較高、產品產出量較低，說明在仿真時間內出現斷料狀態，在假設排產滿負荷的前提下，物流運輸系統的能力不足，需結合物流設施的相關指標判斷物流瓶頸出現在主物流線還是支線AGV小車； 設備利用率和產品及時交付率指標結合，可判斷物流規則的合理性。若設備利用率較高、零件及時交付率較低，說明物流配送的優先級設置不合理，需調整物流松弛率的優先級賦權。主物流線仿真結果如表3所示：

表3 主物流線仿真結果

由表3可看出，主物流線中的運輸設備都有將近20%的堵塞率，通過觀察仿真過程發現，當運輸機運行到每條生產線的頭部布置主—支線交換站進行裝載或者卸載時，后方的運輸機會等待前方運輸機操作完成之后才能繼續運行，因此造成了主物流線的堵塞。針對這樣的情況，我們在設計物流方案時需考慮在主物流線的主—支線交換站處設置岔道，使得每個區域能夠同時處理多個運輸機的裝卸/運行，在不增加主物流線運輸設備的情況下，主物流能夠更加及時地響應物料運輸的需求。

3 結束語

本文針對航空機載企業“多品種、小批量”離散制造環境下的機加車間建立基于Witness的仿真模型，根據廠房設施布局、排產計劃、工時統計、設備能力等實際數據設置模型參數，結合已有的排產經驗設置基于優先級的物流規則進行物流仿真。通過對輸出數據的分析，發現生產過程的物流瓶頸，提出相應的優化策略，對實際生產制造系統的改善與優化有一定的借鑒意義。

航空機載企業“多品種、小批量”的生產制造環境非常復雜，利用Witness軟件的讀取外部數據功能，可快速、精準地自動建立物流模型，并根據現場不斷變化的實際情況精準動態設置相應的模型參數，仿真結果與實際生產現場貼合度較高，是指導物流方案建設和優化的有效方法。