虛擬仿真在汽車生產全自動物流中的應用

裴 彬，韓新亮，李春峰，高 璞

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

1 引言

相比于汽車企業中的傳統人工物流系統，自動化物流系統的評估挑戰更大，這是因為：第一，自動物流系統具有極大的復雜性，需通過物聯網的各環節交互邏輯自動銜接，人類通過腦力活動幾乎不可能預測；第二，在真實存在的前提下，對一套剛建立的新物流系統進行評估，其準確性和前瞻性都難以得到保障。虛擬仿真技術可以從中找到一種智能化的解決方案，將實際的狀況通過電腦模擬出來，從而使企業的決策者能夠從中找到依據，得出正確判斷。

2 全自動物流配送工廠的仿真需求

2.1 虛擬仿真技術的發展應用

虛擬仿真技術在物流系統應用中有著十分重要的意義，它可以幫助企業決策者降低企業成本，提升生產效率，帶來經濟效益，在很多汽車生產企業中已被證明對傳統物流規劃十分必要。

（1）基于汽車企業物流生產的現狀。汽車企業的生產物流，有其特殊的環境及需求。在當下的汽車企業生產中，物流體現為：企業生產所需的原料、零部件等從供應商的倉庫運出，幾經周轉后進入到生產線的各個位置，隨生產加工過程依次有序進入到每一個環節中，形成一個“供應鏈流”，是一個完整的多用戶生產物流過程。因此，汽車企業生產物流決不能只是針對企業加工的某一個環節，而是要把這些環節連在一起，其對于物流系統建設的復雜性要求、成本要求等便呼之欲出。

（2）基于新項目投入的成本考慮。在沒有虛擬仿真技術的支持下，往往在實際生產后才能驗證工藝物流的設置是不是正好能滿足生產的需求，而這時無論是滿足、不滿足還是遠遠高于需求，現實生產系統都不能進行修改了。因此，規劃人員為了使規劃方案能夠滿足生產需求，往往導致規劃周期加長、生產準備周期變長、產線及輸送系統成本增加等。這些問題就像影子一樣，一直存在于單單基于經驗的規劃中。而虛擬仿真能很好地解決這些問題。仿真分析可以從規劃初期開始，一直伴隨生產線的整個生命周期，為規劃和生產提供仿真技術支持，使規劃人員在生產系統規劃階段就能知道最終運行情況。

（3）基于提高技術人員規劃水平的需要。現代汽車企業的物流，也被人們稱為汽車工廠的“第五大工藝”，在汽車生產的工藝流程中占據著越來越重要的地位。其不同于傳統汽車生產四大工藝的最大區別，就是具有最大的自主性。工廠需要根據車型生產工藝特點、供應商布局、產能及節拍等諸多因素，選擇適合的物流規劃，這就對物流技術人員提出了規劃水平上的高要求。通過運用現代仿真技術，可以讓技術人員的規劃容錯率提高，并更好地理解工廠物流相關指示，進一步掌握工業領域的理論，發現物流生產系統中的關鍵問題，做出改善。

2.2 全自動物流配送仿真難點

機械自動化是指在沒有人操作的情況下，機器或者機械按照預先設定的數據以及操作順序進行智能生產的過程。物流自動配送是機械自動化領域中的重要組成部分。其之所以在汽車生產行業受到追捧，一方面是因為機械自動化生產效率高、容錯率高，另一方面減少了勞動力成本的支出，使企業具有較強的競爭力。未來機械自動化將向物流領域進行發展，擴大自動化使用的范圍和場景，但目前自動化物流仍處在剛剛起步的發展階段。

汽車生產物流自動化配送仿真的難點在于：

（1）汽車廠內以生產線作為主導，零件配送物流需按生產線需求進行線上供給。而此過程受生產計劃排產順序、可動率、加工不良等多種因素影響，難以形成固定的配送路徑及配送周期。

（2）人為操作難以徹底消除。汽車工廠內物流與外物流之間需進行零件的二次分揀。外物流考慮零件運輸成本的優化，使得零件工廠需按照標準包裝，以月或日為單位訂單，完成整個訂貨過程。被包裝成標準包裝的零件驗收進場后，需按照生產線需求，或以看板形式、或以定時不定量形式送至生產線旁。零件分揀及投棚等人工操作過程難以實現自動化仿真。

3 紅旗新H總裝車間虛擬仿真實現

3.1 模型的假設與構建

本實例主要研究紅旗新H總裝車間內的全自動物流配送環境，通過合理的前期規劃，實現模型的假設與構建。

首先，確定物流工藝流程。新H 總裝車間零件主要采用三種物流方式，如圖1所示。

（1）絕大部分小物零件采用SPS單輛份揀選上線方式，取消線邊料架，實現線邊投棚人員的消除。上線采用AGV 自動配送，線旁使用AGV 進行線邊隨線，確保操作者的人機工程學。小物零件的存儲地點位于新H 總裝車間北側廠房，通過二層通廊實現SPS臺車的跨廠房運輸；新H總裝需進行器具的自動分類識別及排序待發，實現線邊的有序上線。

（2）少量大物零件采用廠內排序方式，在新H總廠房東側受入區卸貨、周轉，之后人工與AGV 對接，按生產線生產順序進行零件配送。

（3）輪胎、座椅等多品種大物零件，采用供應商按生產計劃排序后直送工廠的方式。利用現今較為成熟的自動輸送線，實現直送工位的自動配送。

其次，設定仿真驗證路線。針對規劃的全自動物流方案進行虛擬仿真后的可行性驗證，若有重大瓶頸或問題，則對方案進行二次修改再驗證。在得到較優方案后，通過物流量和物流時間等量化數據的測算和分析，驗證整體方案、設備配置等的可行性，如圖2所示。

3.2 模型基礎數據參數的輸入

該模型基礎數據參數包含：生產線基礎參數、廠房Layout參數、物流自動設備參數、配送容器參數。

圖1 紅旗新H總裝物流工藝流程

圖2 仿真驗證路線圖

3.2.1 生產線基礎參數

產線節拍：8min/6.9min/6min；

產線速度：3.9m/min；

產線運行時間：上午8點開始，10點停線10min，12點停線30min，14點30停線10min，17點停線。

3.2.2 廠房Layout參數。輸入各廠房間位置、路線信息；各區域面積、尺寸、路徑等。如倉庫和H 平臺高度差1m，通廊據倉庫高度3.5m，寬度9m等，統一通過CAD圖示提供，如圖3所示。

3.2.3 物流自動設備參數

（1）電梯

電梯數量：8個；

電梯節拍：96s、80-90s；

電梯速度：20m/min。

圖3 紅旗新H總裝車間總體Layout圖

（2）AGV參數

AGV脫鉤時間：8～12s。

AGV速度、數量等參數見表1。

表1 AGV速度參數

3.2.4 配送容器參數。指定自動配送的對象—容器的發貨點、收容數、配送工位、收容數等信息，供給32種器具，見表2。

3.3 仿真結果輸出

仿真模型運行極限時間為10h，為正常生產所用時間。首先預熱30 000s，使車身鋪滿整條產線，并開始進行消耗。分為兩個區域輸出仿真結果。

3.3.1 物流廠房和通廊。小物零件全部需經過通廊實現物流廠房與總裝廠房間的跨廠房運輸，通過Layout參數繪制通廊3D圖，進行虛擬仿真，如圖4所示。

圖4 物流庫房-通廊物流仿真3D圖

表2 配送容器清單

3.3.2 線邊。小物運至新H 總裝車間后，與大物零件一同在廠房內進行上線配送。在獲取生產工位信息之后，按工位對應的各AGV 及自動輸送線物流方式，確定初始AGV位置及料架狀態，如圖5所示。

圖5 線邊上線仿真3D圖

3.4 仿真瓶頸分析及優化

3.4.1 布局方案的驗證。該方案中，新H 總裝車間內的物流區主要分為發貨區和返空區，分布在物流區上下兩側，AGV 攜一個容器經通廊送至總裝廠房物流區。

通廊及上線部分規劃能夠滿足要求，但物流區返空線路單一，造成返空區AGV 擁堵，需重新優化，如圖6所示。

圖6 仿真結果輸出

3.4.2 改進方案。接下來需針對驗證后產生瓶頸的方案進行改進。主要針對返空區域的AGV自動輸送環境進行優化。

（1）物流區發貨和返空分塊設置，設置多條返空和送貨AGV路線，最大程度上避免因AGV故障造成的AGV堵塞，如圖7所示。

圖7 改進后Layout圖

（2）容器進入新H總廠房前，AGV一次攜兩個容器由物流廠房通過通廊下電梯，增加返空交通能力；并在總裝廠房物流區和通廊之間設置轉運區，轉運后，AGV一次攜一個容器送到物流區。如圖8所示。

（3）容器隨線方式，因廠房面積制約，全部改成AGV隨行，取消AGV上線掛接裝置和上線掛接時間，提升返空效率。

（4）對上線AGV送貨線路進行優化，減小配送總距離；二次內飾區域由單輛份供給方式改為多量份排序供給，減少經過返空區的滿容器運送數量。

仿真運行結果表明，減少容器數量能夠顯著改善物流系統運行效果。因此，仿真結果建議每節拍通過通廊運輸的容器數量最多17個，見表3。

（5）無人區AGV返空容器到轉接位置時，由于充電樁設置于此，會出現排隊現象，兩條返空道最大排隊數量分別為8和7，因此，規劃時建議考慮提前把道路分流，預留足夠排隊空間。

3.5 仿真數據評價

3.5.1 AGV數量及利用率分析。本文基于改進方案對AGV 數量及利用率進行數據統計，并提供各段AGV數量建議。

原則：不會因物流廠房AGV及總裝廠房AGV補貨不及時導致線邊缺料，即保證總裝廠房待發區發貨道一直有容器。通過設置控制面板AGV 數量，得到待發區不缺料時，AGV數量配置最小值及合理值，并同時得到AGV利用率，如圖9所示。

圖9 總裝廠房物流待發區缺料時間統計

（1）物流庫房及通廊AGV利用率：考慮20%充電及故障時間，利用率70%～80%之間被認為具備可行性。

整個過程中，AGV 初始配置為 34、32 臺，平均利用率分別為53.5%、56%，利用率較低。AGV 配置數量改為32和31臺時，AGV利用率如圖10、圖11所示。AGV平均利用率提升為78.87%和72.25%。

圖10 倉庫AGV利用率

圖11 無人區AGV利用率

（2）新H 總裝廠房內AGV。通過對線邊各工位AGV 的配送循環時間及利用率統計（如圖12所示），確定線邊AGV需求數量。

圖12 線邊AGV利用率

上線AGV數量建議配備數量為112臺。各工位數量配置見表4。

表4 各工位AGV配置數量輸出

3.5.2 各區域物流量分析。物流庫房到待發區環節，主要有兩個可能出現排隊區域：一是物流庫房到轉接區AGV下電梯位置；二是返空時，待發區到轉接區位置。

（1）物流庫房到轉接區AGV。通過統計，根據AGV 最小速度15km/h（AGV 轉彎時速度）計算，AGV每小時理論最大通行量為220臺，實際通行量遠遠小于理論通行量，道路不會發生擁堵，見表5。

表5 AGV速度與通行量關系輸出

（2）待發區到轉接區返空AGV。通過對H 平臺整個廠區物流量進行計算，得出以下結論：

①倉庫AGV 下電梯后在轉接區存在排隊現象，最大值達到2 個，平均0.35 個，規劃時建議預留2 個AGV車位距離，供AGV進行排隊。

②無人區AGV 返空容器到轉接位置時，通過返空分流設計，排隊AGV數量由15臺減少為4臺，不會發生主路線擁堵。

③上線部分，AGV 轉彎、道路交叉雖有減速、避讓，但整個線路交通流量較小，不會造成排隊擁堵，改善后的方案AGV排隊數量和排隊時間顯著減少。

3.5.3 物流配送起始時間分析（見表6）。分別計算三段送貨物流時間，得出送貨總物流時間，為提前備貨計劃的制定提供指導性建議。三段時間累計，最長需要約26min。因此，提前5個節拍（34.5min）進行配送，預留了足夠的時間彈性。

3.5.4 潛在風險判斷。在實際生產過程中，易于產生風險的區域主要有兩個：

（1）無人區線路控制風險。無人區線路密集，若出現異常情況，需考慮應急預案。

（2）無人區二內發貨道風險。由于三個容器共用一條發貨道，在倉庫發貨的時候需要考慮循環發貨，避免出現線邊斷料。

4 虛擬仿真技術的應用分析

4.1 仿真輸入

在進行物流虛擬仿真建模之前，一定要通過一定時間進行充分的方案規劃，并根據規劃結果形成仿真說明，定義清楚仿真的輸入輸出以及仿真建模范圍和形式等。仿真輸入的準確性決定了仿真輸出的可信性，而仿真輸出直接體現仿真分析的價值。

表6 各工位送貨及返空時間統計

通常全自動物流配送需要的輸入有：

（1）車輛產量、生產節拍、產線速度與布局等；

（2）廠房各區域面積、通道、地理環境；

（3）物流自動化配送的交通工具、路線、配送邏輯；

（4）設備的運行參數、運行邏輯、制約因素等；

（5）物流配送使用容器、尺寸、數量、起止點等。

盡量在仿真前提供盡量準確、詳盡的輸入數據，在產品生命周期盡可能早的階段借助仿真有效進行方案規劃。

4.2 標準化仿真建模

自動化物流配送流程很長，涉及到的自動化搭接、物聯網過程數量繁重，但歸根結底，所有的機械自動化過程都是由一些標準的物流流程、判斷邏輯、物與物的自動銜接組成的，因此，虛擬仿真前應先進行分類總結，對總結出來的標準流程、設備等進行虛擬建模。之后即可反復套用這些標準模塊進行組合應用，或在這個基礎上進行修改。

分析汽車制造企業全自動物流系統，基本分為以下幾個標準類別：

4.2.1 按零件種類，區分零件上線物流方式。在汽車企業生產中，針對不同的零件種類，上線的物流方式也不同。不同的物流方式決定著自動化物流的流程。綜合一般有以下幾種：

（1）看板配送：線旁放置料架用于安全在庫，根據安全在庫的使用情況，進行定量不定時的后補充方式配送。此配送方式對線旁面積要求較高，且需人工進行投棚作業。

看板配送在全自動物流環境下的實現，通常需要考慮加入零件包裝收容數因素，通過機械化實現包裝箱的直接空滿交換。并需一套較為復雜、完善的在庫管理系統，實現生產線旁的及時補充。

（2）SPS供貨：零件按照生產計劃，進行單量份揀選后，送至線旁。此種方法可以減少線側面積利用，同時取消線側人員揀選工作，減少零件錯裝率。

此配送方式在全自動物流中屬主要模式，上線邏輯簡單，機械化易于實現。但與看板配送比較，物流區占用資源較多，規劃時需統籌考慮。

（3）順建（廠內JIT）：零件在廠內按照生產計劃，排序后上線。可節省生產線旁面積，適用于種類繁多的大物零件。實際規劃中需注意零件的具體上線方式，并在仿真中準確評估。

（4）順引（廠外JIT）：零件在供應商側按生產計劃排序后上線。適用于供應商地理位置距離工廠較近的多品種大物零件。

4.2.2 按產線裝配特點，區分上線所用自動化設備。按零件種類選定合適的自動配送方式后，需利用自動化輸送設備完成零件的自動上線。通常考慮的自動化配送方式有如下幾種：

（1）利用AGV 進行零件配送，并與隨線機構搭接：AGV 上線后，通過自動掛接裝置，與生產線共同行進的SPS 自動配送方式。規劃時需注意隨線機構的搭接時間參數。

（2）利用AGV/E-FLAME 等進行零件配送，并全程獨自完成配送：零件體積較大、易發生裝配品質問題的特殊零件，采用單點配送方式；線旁設置定位區，或加緊機構實現空滿交換；此種形式只需考慮AGV等自動輸送機械自身運行參數。

（3）自動輸送線：大物零件，或多品種順引、順建零件，采用自動輸送線機構。優點是通常為地下或二層輸送，無需考慮配送路徑的規劃；缺點則是要考慮輸送過程中，為與生產線搭接而設定的緩存區如何設置。

4.3 仿真應用分析

整體來說，自動配送物流的仿真應用還是需要對物流流程和仿真原理有比較深入的認識才能很好的進行。

其優勢主要體現在：

（1）有助于對整個流程的布局、路線進行分析模擬，并通過動態模擬，直觀的得出可行性結論；

（2）可在規劃前期，更好的明確所需設備數量，減少過分投資，節省企業成本；

（3）可在仿真數據的輸出及分析基礎上，提高投入資源的利用率，為企業量產后的運維方式規劃提供有效理論依據；

（4）有利于得出運行中的瓶頸點，有針對性的進行瓶頸分析、優化，并識別各自動化機械設備的依賴關系，尋求可動率提升點。

但其也有著不可避免的局限性，主要集中在：

（1）具體運行場景中的運輸路徑通過性無法被仿真，例如具體的轉彎半徑、物流門等的通過性等。對于具體的運輸通過場景，仿真有它無法運行的一面。

（2）異常發生時，特殊對應的場景無法被仿真。生產線發生的異常件不能被預測，也無規律可查詢，只能通過人為的信息傳遞進行確定，不能通過系統對零件配送時間機械的判斷。發生異常時，仿真難以設置出合適的場景。

（3）設備的可動率無法自動仿真。仿真可以將自動配送過程中的機械化設備正常運行狀態模擬出來，但設備的可動率卻無法真實反映。例如本文中的實例，即采用了仿真后，再綜合考慮可動率，制定最終設備采購量的方式。

綜上，自動物流配送系統在仿真時，與傳統人工操作為主的物流系統的差別，主要在于具體運行場景、異常情況以及設備運行的可動率上。因此在仿真之初，就需要先行定義這些因素，才能更好、更準確地進行全自動物流配送可行性的驗證。

5 結束語

實際物流系統的高效運行，能給物流企業帶來相當可觀的精益效益，而虛擬仿真軟件是用來完善和推進物流系統的最佳方法。利用仿真技術，可以實現費用、能耗、資源的節約以及相應流通環節時間的減少。

在我國汽車物流行業中，全自動物流配送的虛擬仿真還是一個新興產品，許多人不能夠正確全面地理解全自動物流如何聯動，且行業內極度缺乏精通物流仿真軟件的專業性人才。只有充分了解虛擬仿真在全自動物流過程中的優劣勢，才能有的放矢、取長補短，有效的在工廠建設之前完成高效可行的自動化物流規劃，幫助企業確定未來的工廠布局和流程，進而為企業節約人力、物力以及財力，利于企業的決策和經營。