基于離散仿真技術的整車制造物料齊套判斷方法與實踐

胡杰明　姜旭東　金純旺　竺一錚　胡曉峰

摘 要：針對目前MRP等信息化工具基于即時在制情況時間序列預測與生產實際偏差較大的情況，本文通過結合系統實時在制隊列信息和離散仿真平臺技術，提出了精確預測生產時序隊列的方法，并結合零件庫存信息，驗證物料齊套狀態和提供緊缺物料斷點時間預測。

關鍵詞：離散仿真 生產隊列仿真 物料齊套 斷點預測

Method and Practice in the Inspection of Vehicle Production Material Completeness based on Discrete Simulation Technology

Hu Jieming Jiang Xudong Jin Chunwang Zhu Yizheng Hu Xiaofeng

Abstract：In view of the large deviation between the forecast and the actual production sequence from the current information tools，such as MRP/MES，based on the real-time in-process time series? situation， a method of combining the real-time in-process sequence information and discrete simulation platform technology is offered， to promote the production sequence forecast accuracy and to verify the completeness of materials and to provide time prediction for the breakpoint of materials in shortage by combining parts inventory information.

Key words：discrete simulation， production sequence simulation， material completeness， breakpoint prediction

1 背景介紹：當前汽車行業物料齊套檢查業務邏輯、弊端及原因分析

自豐田精益生產體系在中國汽車企業廣泛傳播以來，生產線的物料準備從傳統的推動式備料，逐漸轉為拉動式備料。所謂拉動式備料，就是生產線需要什么，就從供應商或自制車間拉動相應數量和品種的零件。該模式的優點是可以降低主機廠的零件庫存天數，釋放零部件的庫存周轉資金，同時可以減少主機廠的物流存儲成本和運營管理成本。然而，該模式有嚴格的使用條件：零部件需求數量和時間是按預測生產隊列計算獲得，如果生產實際隊列和預測偏差較大，超過了庫存天數覆蓋的范圍，則極易導致零件短缺造成生產停線。因此提前判斷次日物料是否齊套，成了生產和供應鏈管理日常業務的最后底線。

一般物料齊套判斷由人工或信息系統輔助完成，如常用的MRP、WMS等。但這些方式對于未來生產序列的預測，都采用了簡單的、靜態的時序預測模式，并沒有考慮實際的生產情況（如涂裝顏色編組、套色生產分支工藝路線差異、緩存調度導致隊列變化等），由此導致實際生產序列和預測生產序列有較大的偏差，進而導致零件需求預測出現偏差，如圖1。

圖1另外，這類傳統方法預測序列的偏差，導致物料齊套管理還存在以下幾種弊端，如：1、所預測的未上線車輛可能在推算時間段內物料并不是全部被需要;2、所被統計的庫存不僅需要支持未上線的車輛，同時也需要支持目前已上線但未過物料拉動點的車輛;3、出現緊缺物料后，無法預測精確的斷點時間，造成緊急響應措施額外的成本。

面對傳統模式的這幾個問題，關鍵是解決生產序列預測中如何加入工藝路徑和緩存調度因素，使得預測獲得的序列更加接近真實的生產情況。

2 解決方案：利用離散仿真技術模擬生產工藝路徑和緩存調度提升隊列預測準確率

汽車行業生產是典型的離散生產行業，適合用離散仿真軟件來模擬生產路徑及緩存調度過程，從而使仿真的生產序列比傳統方式更加接近實際的生產序列。本文用西門子的PlantSimulation 16.0軟件為仿真平臺，利用其現有的組件搭建工廠生產路徑和調度算法模型，將三大工藝的MES在制過點隊列信息映射到仿真平臺中作初始化，關聯生產作息、節拍等信息，通過仿真獲得生產隊列通過每個工位的時間序列，結合制造BOM獲取每個零件通過每個崗位的時間，即計算出了零件在各個崗位上的精確到秒的需求時序，最后匹配零件的庫存狀況，即可獲得零件的齊套狀態及緊缺件的斷點時間。

2.1 PlantSimulation仿真平臺的工廠工藝路徑構建

為了提升仿真的運行效率，在PlantSimulation中做了如下的簡化工作：1、工廠工藝路徑的構建范圍限定在生產工單的運行范圍，即只包含了焊涂總三大工藝車間;2、只對工位和緩存搭建模擬組件，其中工位的加工時間等于節拍時間，緩存的通過時間參數采用實際通過時間。以圖2為例，某主機廠涂裝生產工藝路徑模型，其中包含了套色生產工藝路徑。

對于焊和涂分支路線，采用了分支點邏輯判斷，根據當前工位工單的屬性，判斷工藝路徑的去向，比如套色工單，則前往套色工藝路線，非套色工單則不需要通過套色工藝路徑。對于匯合路線，則采用了FIFO的原則進行處理。總裝工藝相對簡單，一般是單一的路徑，不涉及工單的分支和匯合。

較為復雜的區域是位于涂裝和總裝之間的緩存區，由于總裝的生產限制和涂裝存在較大區別，導致涂裝的出車序列往往無法滿足總裝的連續生產，因此在緩存區需要對區內的工單按總裝的需求進行重排序，該邏輯需要在PlantSimulation中進行算法編寫實現路由調度的功能。

2.2 仿真初始化和隊列映射

工廠模型完成后，需要將MES系統中在制和待上線的隊列信息導入工廠模型。由于本文采用的PlantSimuation是離線仿真平臺，因此需要將MES中的信息導出，通過人工簡單排序后將隊列信息導入仿真平臺，實際工位上的工單和仿真空間工位的工單一一對應，未上線訂單則不需要。最后，在仿真平臺將工廠生產、間休、停產等信息進行維護。至此，仿真平臺的初始化作業完成。

2.3 工位級零件時序和齊套檢查

通過仿真運行可以獲得各工位的工單時序結果，結合制造BOM信息，將工單拆解到零件，即可獲得該工位上零件的需求時序、零件單車耗量、累計消耗等信息。將零件的需求時序結合庫存信息，即可計算物料的齊套和缺口情況，如圖3。

若出現零件庫存為負的情況，則認為該零件出現斷點，若無到貨信息，則該時刻對應的工單和過點時間，即為斷點時間和斷點車號，如圖4。

1 某主機廠應用案例介紹

某品牌主機廠在華東基地生產兩種車型，工廠已具備SAP、MES、WMS、ANDON等常規IT系統。由于物料預測不準，廠內庫存平均在5天以上，即便如此，出現缺料停線的情況也時有發生。因此，生產管理和供應鏈管理很重要的一個工作就是檢查次日生產工單的零件齊套情況。

由于沒有現成的系統模塊支持，導致大量的人工檢查作業，同時預測序列的精度只有80%，手工計算模式無法考慮復雜的套色工單工藝路徑差異和涂-總緩存區的調度對序列的重置情況。

為此，該主機廠生產和供應鏈管理，利用PlantSimulation軟件仿真結果替換了傳統的序列預測結果，將次日物料齊套檢查結果的準確率提升了15%，同時plantsimulation的自動過程計算也帶來了手工計算負荷的大幅減少。另外，由于緊缺件的斷點有了精確的時間和工單號，對于零件緊急拉動管控的也有更精確的目標，減少了不必要的拉動成本和現場管理成本。

3 結束語

生產和供應鏈管理在傳統的IT系統中分屬于不同的業務模塊，因此系統與系統之間的信息溝通程度有限，如傳統的MRP、MES、WMS各有各的數據庫系統，關聯并不緊密。隨著業務精細化的程度越來越高，也導致了傳統的IT系統更不上業務需求的發展，比如混線生產的工藝路徑差異和緩存調度導致的生產隊列序列變化。除此以外，生產序列的變化還有許多其他因素，比如離線反工、分支路線設備故障等，這些情況導致了生產序列預測難上加難。

面對這些難題，系統仿真在數學建模和算法方式外，提供了一個新的思路。通過仿真，可以構建實體在虛擬空間映射，通過虛擬空間的模擬，來影響實體空間的決策和運作過程這個思路，正變得越來越清晰。同時，計算機仿真空間也為打通不同IT系統提供一個合作平臺。系統仿真平臺有望成為一個連接各個系統、完成信息收集、分析、決策的大平臺，幫助工廠的實現智能制造和智能運營。

參考文獻：

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