基于SLP和AHP的輸液器組裝車間布局優化及仿真

黃鵬鵬，魏春珊，鄭雅琳

（江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000)

0 引言

設施布局的優劣決定了生產效率和生產成本的高低，并且被認為是僅次于增加新設備節約投資的關鍵性措施[1]。特別醫療器械生產行業中對車間無塵化要求較高?？茖W有效的設施布局能夠減少物料在流通過程中的等待和搬運時間，節約生產管理成本，縮短產品周期，有效提高生產能力。

寧芳等采用SLP從物流、人流與應急部門的關聯進行分析，通過加權因素法對優化前后的設施建筑布局評價[2]。周佶睿等在SLP的基礎上，僅采用物流—距離分析法從物流成本角度比較布局方案，存在一定的局限性[3]。一些學者運用SLP和AHP結合得出最佳方案，為設施布局的選擇提供了一種新的方法，但沒有進行仿真驗證[4～6]。周爾民等通過對福州臺鉆廠的基本要素分析，運用SLP法進行平面布置優化，利用Em-plant仿真驗證了模型的有效性[7]。彭飛等采用SLP法和Plant Simulation仿真，對多品種小批量的高鐵小部件生產車間進行產線工藝規劃，可有效彌補SLP法的不足[8]。侯智等以搬運總費用和總面積最小為目標，采用SLP和遺傳算法相結合的方式對倉儲布局進行優化，彌補了遺傳算法易陷入局部最優的缺陷[9]。

基于前人的研究成果，本文針對A公司輸液器組裝車間的特點，通過運用SLP和AHP方法，考慮實際約束條件，確定優化布局方案，再采取Flexism仿真軟件驗證了優化方案的可行性。該套方法體系對其他設施布局優化提供一定參考意義。

1 基于SLP輸液器組裝車間布局分析

組裝車間作為輸液器生產的核心，共有六條生產線，包括袋式、普通型、止液型和避光型這四條人工組裝線以及B3型全自動組裝線和輸液針全自動組裝線。市場需求條件下，公司需要引進大型全自動化B3輸液器組裝機及輸液自動組裝機、滴斗自動組裝機等。由于車間面積有限，為提高車間物流效率，所以需要對車間布局進行更系統的改善，其中輸液器車間照各作業單位的代號及尺寸如表1所示，接下來的圖中均用代號表示各區域單位名稱。

表1 各作業單位代號及尺寸表

采用“曼哈頓距離”計算各作業單位之間的距離，根據各類產品的工藝路線和年產量以及在各類在制品的重量可以計算出年物流量，將物流量和距離的乘積量距積作為衡量物流強度的指標，結果如表2所示。

表2 各作業單位間物流量距積

由于直接分析大量物流數據比較困難且沒有必要，可以用如表3所示的物流強度等級劃分表來確定作業單位間物流強度。

表3 物流強度等級劃分表

對表2的量距積降序排列，再結合表3的物流強度等級，建立各作業單位物流強度分析表如表4所示。

表4 各作業單位物流強度分析表

非物流關系與物流效率密不可分，非物流關系分析主要考慮工作流程的連續性、生產服務、物料搬運、管理方便、安全及污染、共用設備及輔助動力源、振動和人員聯系之間的密切程度[10]。

結合輸液器組裝車間的實際情況，按照物流與非物流加權值為1∶1對得出的作業單位物流強度等級和非物流關系密切程度等級進行計算。不同的物流強度等級和密切程度等級對應著不同的分值，取A=4，E=3，I=2，O=1，U=0，X=-1。建立各作業單位綜合相互關系圖如圖1所示。

圖1 各作業單位間綜合相互關系圖

由圖1可以清晰看到各個作業單位間的相互綜合關系，如為A級的作業單位對有3對，分別是8和12、12和13、12和14。

綜上對作業單位間關系進行分析，繪制車間作業單位面積相關圖如圖2所示。

圖2 作業單位面積相關圖

根據作業單位面積相關圖，并參考車間實際可用面積，各設施之間的最小間距等作出改善后的設施布局方案如圖3、圖4所示。由于每平方米的建設及維持成本遠高于一般車間，故方案一在布局時考慮增加較大的預留面積；同類型產品生產過程的高連續性可降低物流成本，故方案二在布局時著重考慮縮短生產同種類型輸液器的各作業單位之間的距離。其中方案一、方案二布局圖中虛線下方空白部分為優化布局后減少的占地面積。

圖3 優化布局方案一

圖4 優化布局方案二

根據得出的布局方案圖，按照車間之前月凈化成本為42元/m2計算年凈化成本，按照表4所示方式可計算出改善方案量距積，結果對比如表5所示。

表5 方案對比表

2 基于AHP對布局方案決策評價

由表8可知，方案一與方案二的占地面積基本相等且物流料搬運量距積均小于原始布局方案，方案一的物料搬運量距積卻小于方案二，但不能就此得出方案一即為最佳布局方案的結論。本節將采用層次分析法從凈化成本、物流效率、質量控制、工作環境和設備利用率等多個角度分析輸液器車間原始布局與改善方案的優劣，選擇出最合適的布局方案。

2.1 構建層次分析模型

根據輸液器組裝車間設施布局方案，運用AHP法首先明確決策目標，再對系統各個相關因素進行分析，構建特定的層次結構模型如圖5所示。

圖5 車間布局層次分析結構模型

2.2 構建判斷矩陣

把準則層的元素兩兩比較，根據9級標度法對照元素標度表給準則元素的重要程度進行打分。分數主要利用專家詢問法和問卷調查法得出，分值按照如表6所示的元素標度表進行評定。

表6 元素標度表

選取10位專家及技術相關人員對每項對比準則打分，取所打分值的眾數為該項的最終分值，可得到矩陣如下：

1）準則層對比目標層的判斷矩陣：

2）方案層對準則層的判斷矩陣：

2.3 層次單排序及一致性檢驗

1）由MATLAB可得準則層對比目標層的判斷矩陣的最大特征值λmax=5.32，特征列向量：

根據一致性指標一致性比率的計算公式得出：

CR=0.071＜0.1，表示該判斷矩陣通過了檢驗。

2）由MATLAB程序求解可得方案層元素相對物流效率的判斷矩陣的最大特征值λmax=3.04，特征列向量：

根據一致性指標和一致性比率的計算公式得出：

CR=0.03＜0.1，表示該判斷矩陣通過了檢驗。

由于方案層元素相對準則層其他元素的計算方式與物流效率相同，可以相同的計算方式得到方案層各元素相對準則層各元素的特征向量權重為：

2.4 層次總排序及一致性檢驗

層次總排序計算過程如下：

計算結果為：

通過層次總排序特征向量可以看出，方案一分數最高，其次為方案二，最后為原始布局。因此方案一為最佳設施布局改善方案。

3 仿真驗證方案

上節采用AHP評價，確定方案一為最佳布局方案。由于方案實施需要一定的成本，得出改善方案的最優性和有效性目前只在理論層面上成立。為了直觀看出改善后的設施布局是否滿足企業實際生產要求，采用Flexsim仿真軟件對最優布局方案進行生產模擬。

3.1 條件假設

為了防止計算機仿真建立的模型產生更多誤差，在進行仿真前需要對生產條件做出如下假設。

1）輸液器生產車間一共生產B3輸液器、袋式輸液器、普通輸液器、避光輸液器和止液輸液器五種類型產品，生產方式為按訂單生產，不考慮庫存量。

2）生產期間暫存區物料供應充足，且由于原始方案與優化的兩個方案中設施設備的故障率沒有發生變化，所以直接假設機器設備無故障。

3）不額外添加操作員和搬運人員，處理器加工產品代表工人在操作，產品在作業單位之間的流動代表工人搬運物料。

4）模擬6天工作時間，每天工作8h，因此仿真總時間為216000秒。

3.2 數據收集

完成生產條件假設后，收集輸液器組裝車間生產數據如表7所示。

表7 各作業單位加工時間表

3.3 建立仿真模型

根據A公司輸液器組裝車間的實際生產情況，運用Flexsim軟件建立仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型布局圖

3.4 仿真結果分析

設置完各實體參數待運行結束后，可得到仿真結果報告如表8所示。

表8 仿真結果統計表

（續）

從表7可以清晰看到，改善后組裝車間的平均設備利用率為85.21%。其中輸液器手工組裝線的設備空閑率較低在10%以下，設備利用率較高在90%以上。表明改善后的設備閑置較少，設施布局滿足企業實際生產要求，有效利用了現有資源為產能效力。

4 結語

1）運用SLP法對輸液器組裝車間設施布局進行優化設計，結合工廠設施的現實條件約束獲得兩個優化方案，優化方案在成本和物流強度方面均有較大降低；

2）為選出最佳優化方案，通過運用AHP法從多個維度評價方案證實優化方案具有理論可行性，同時采取Flexsim仿真模擬實際生產證實優化方案具有實踐可行性；

3）本文分析方法及體系具有通用性，只要對優化對象和作業單元進行調整后，就可應用于其他布局優化車間。