基于FlexSim的制造業生產線平衡優化與仿真

摘 要：隨著市場需求的不斷增長，人工成本日益增高，中小型制造企業受資金、技術等因素的影響，無法及時開展生產方式的轉型，在行業中的競爭力較弱。文章從中小型制造企業生產線平衡率偏低的問題著手，對S公司的生產線進行系統化分析，結合FlexSim仿真方法評估其生產線存在的問題，并提出生產線平衡優化的改進方案。對比分析仿真前后的效果數據發現，S公司生產線的平衡率提升了21.9百分點，解決了該企業生產線不平衡的問題，文章的研究有助于推進制造企業物流流程和生產工藝流程實現進一步優化。

關鍵詞：生產線;平衡優化;FlexSim;仿真

中圖分類號：TP278 文獻標志碼：A

0 引言（Introduction）

在數字經濟背景下，新一代信息技術以及人工智能技術的發展，為我國制造業的轉型升級、可持續性發展帶來新的機遇與挑戰[1]。然而，在新一輪科技革命大背景下，制造企業尤其是中小型制造企業面臨技術創新、產品迭代、產業周期不斷提速的嚴峻競爭形勢，傳統的生產經營模式和技術手段已經不能適應企業發展的要求[2]。為保證制造業可持續發展，避免產業同構化、價值鏈低端化，應該對中小型制造企業給予更多的關注和幫助，使其盡快突破自身瓶頸，獲得更好的社會效益和經濟效益[3-4]。

隨著城鎮化建設的不斷推進，鋁合金門窗產品已經成為我國建筑門窗產品中市場份額占比較大的一個門類，高達55%[5]。然而，我國的鋁合金門窗制造業因為發展時間短、入行門檻低，所以中小型企業的占比偏高。很多中小型企業的生產線利用率不高，無法達到規模化生產，產品收益率較低[6]。因此，本文以S公司為例，針對其生產線平衡率偏低的問題，利用仿真建模工具FlexSim 對S公司的生產線布局進行重新規劃，對生產線的瓶頸工序進行分析，結合研究結果提出一套適合中小型企業的低成本、高效率的生產線改進方案，以期提升中小型企業在行業中的競爭力和收益。

1 現狀分析（Current situation analysis）

S公司經營業務范圍為專業承包金屬門窗工程、批量定制金屬門窗，生產的產品類型主要為普通鋁合金門窗、斷橋式鋁合金門窗，以及批量定制各種尺寸的鋁合金門窗。生產流程包括原材料分割、缺口切割、組裝3個工序，共有取料、切割、沖孔、安裝密封條、銑角、組角、打包7個步驟。

作業時間是用來核算生產線平衡率的重要數據，本文采用秒表測時法對定制門窗生產線的各工序進行測時[7]。由于S公司是按照訂單進行分批生產，因此作業時間測定以一批產品（4個窗框成品不包含窗戶及玻璃）的成型為周期進行測量。標準時間的計算公式為[8]

正常時間=觀測時間×評定系數（1）

標準時間=正常時間×（1+放寬率）×（1+評定系數）（2）

對S公司生產線各工序的工時實測數據進行計算，計算公式如公式（1）和公式（2）所示。考慮到操作員的心理和生理因素以及機械故障等因素，對測量的時間進行放寬處理，放寬率定為5%;評定系數采用西屋法（也稱平準化法）獲得，通過工作環境、作業一致性、努力度、熟練度等指標對操作員的作業狀況進行等級評價[9]，并計算出相應系數，最后計算出評定系數為1.21。標準作業時間計算結果見表1。

根據生產線平衡率計算公式（3），計算得到S公司的生產線平衡率為62.3%，平衡損失率為37.7%，沒有達到生產線平衡率的最低標準（70%），說明S公司的生產線存在作業時間浪費、各工序之間配合不協調等問題，生產效率有較大的提升空間。

本文利用FlexSim仿真軟件對S公司生產線進行仿真模擬，通過分析模型運行情況，找出瓶頸工序或導致生產線平衡率低的原因。建立以S公司生產線實際布局為依據的FlexSim仿真模型，對模型中的相應數據進行分析，同時在建立模型前對其做出一些假設：不考慮機械故障，員工只負責其工作范圍內的工作內容。圖1為S公司生產線實際布局仿真模型。

通過對模型的運行結果進行分析，發現S公司的鋁合金鋼窗生產線主要存在如下問題：生產線設備利用率低，生產線設備設施布置不合理，以及員工空載移動距離較大等。切割機操作員搬運半成品的時間占該道工序完整生產時間的79.66%，說明設施布置不夠合理;沖孔機操作員的空閑時間比率接近70%，而沖孔工序是整條生產線中加工時間最短、作業強度最低的工序，說明存在工位浪費的情況;生產線中各工位的生產設備利用率大部分都低于25%，沖孔工序的生產設備以及銑床設備的空閑時間比率普遍高于其他工序生產設備的空閑時間比率，但其空閑時間比率均在70%以上;打包覆膜工序因為需要等待窗框的成品產出，故其空閑時間比率不在研究范圍內;窗框組裝工序的生產負荷最大，操作員的空閑時間僅占整個工序時間的5.30%;暫存區中存在因半成品堆積而不能及時進行下一步生產工序的問題。通過數據分析發現，S公司的生產線存在設備資源利用不充分，設備資源過剩，以及不同工位和設備之間生產負荷不平衡等問題。分析Dashboard記錄的各類數據發現，生產線中存在瓶頸工位。針對以上問題，可以通過布局優化、生產線平衡優化解決，進而提升生產線平衡率。表2和表3為設備運行狀態數據和操作員工作狀態數據。

2 改進方案設計（Improvement plan design）

2.1 瓶頸工位人機操作分析

基于實地調研及軟件仿真模擬的結果，最終發現3個瓶頸工位：沖孔機工位、銑床工位、窗框組裝工位，這3個瓶頸工位對生產線的生產效率的提升造成了很大的阻礙，并且增加了公司的生產成本;根據調研和模擬結果對沖孔機工位、銑床工位、窗框組裝工位進行進一步分析，以便對生產線中的瓶頸工位設計進行改善。

（1）沖孔機工位

沖孔機工位共有6臺沖孔機，每臺沖孔機都能完成打孔這一生產工序中所需的操作，根據仿真建模分析的結果可以看出，沖孔機工位的空閑時間比率是生產線所有工序中最高的，而銑床與沖孔機之間的在制品緩存區中堆積的在制品數量也是最多的，緩存區的平均等待時間為8 026.71 s，說明銑床與沖孔機之間的加工效率不匹配，同時有2名沖孔機操作員空閑時間過高，空閑時間比率最高達到70.45%，說明沖孔機工位的產能過剩，有近一半的操作員因無法分得足夠的在制品而無法實現高效率生產。

（2）銑床工位

沖孔機到銑床之間的距離為24 m，是生產線中搬運距離最長的一道工序，在銑床工位的整個加工時間中，除銑床對在制品進行加工的時間外，操作員從銑床到緩存區提取在制品的時間是整個加工時間中最長的，占整個加工時間的47.80%，操作員在生產加工過程中需要消耗大量的時間用于提取在制品，嚴重影響銑床工序的整體生產加工效率，降低了生產線的整體生產效率。

（3）窗框組裝工位

窗框組裝工位工序的平均完成時間為13.9 min，操作員僅有1人，加工內容為用角碼和螺絲將鋁合金半成品拼接組裝成鋁合金窗框成品，從仿真模擬結果中可以看到，操作員進行窗框組裝操作的時間占總操作時間的58.31%，同時操作員的空閑時間僅占總工序完成時間的5.30%，高負荷的工作量對操作員的生理和心理形成較大的壓力，同時高強度和長時間的重復操作，容易使操作員感到疲勞而逐漸失去工作動力，這一問題對生產線的效率產生了很大的影響。

2.2 瓶頸工位改進方案

針對上述瓶頸工位存在的問題，依據S公司對生產線優化的期望，以低成本快速高效地達到生產線優化的目標，本文提出生產線瓶頸工位優化方案，優化后的生產線設備布局如圖2所示。

首先對整個生產線的設備布局進行調整，考慮到操作員的慣用手為右手，進行生產制造時，生產線設備的擺放順序應該為逆時針旋轉，便于操作員操作設備和對在制品進行加工、搬運;將第一道工序的兩臺切割機調至廠房大門的左側，相距1.5 m并列擺放;在制品緩存區為長3 m、寬2 m的方形區域，位于切割機左側，介于切割機與沖孔機;將第一個瓶頸工位（沖孔機工位）從廠房中間調至廠房左上側，并將產能過剩的設備撤除兩臺，剩余每臺沖孔機相距1.5 m擺放;將銑床工位的兩臺銑床調整至廠房左下側的位置，同一橫行相距1.5 m靠墻擺放，降低銑床工位操作員的物流強度，提高其生產加工效率，銑床工位的在制品緩存區調整至銑床右側，介于銑床工位與窗框組裝工位，操作區域長2 m、寬2 m;將窗框組裝工位調整到廠房中下側，位于切割機的對側并靠近墻，留出足夠的安全通道，整個操作區域長6 m、寬5 m，同時在該工位安排兩位操作員;打包覆膜工位位于廠房大門右側，靠近窗戶的位置，整個操作區面積與窗框組裝區相同，由2名操作員完成該道工序，同時負責將產成品搬運至成品儲存區，并負責成品儲存區的成品擺放及位置規劃。以上為S公司的鋁合金鋼窗生產線優化方案，下文對該方案的可行性及優化效果進行仿真模擬和分析。

3 優化效果評價（Optimization effect evaluation）

優化仿真模型后，運行模型，表4和表5為生產線優化后的設備運行狀態數據、操作員工作狀態數據。

對比優化后的仿真模型設備運行狀態與優化前的設備運行狀態數據發現，在相同的模型運行時間內，切割機工序的處理時間比率由均值13.00%增加至均值40.57%，效率明顯提升，切割機的空閑時間增加，在制品等待運輸的時間明顯減少，切割機操作員搬運原材料及半成品的時間（空載行進時間+負載行進時間）占比從均值79.66%下降至均值43.67%;沖孔機工序的空閑時間比率明顯下降，由均值82.88%下降至均值50.18%，此工序產能過剩的現狀得到一定程度的緩解;銑床操作員的物流強度顯著下降，占比由61.12%減少到31.61%，空閑時間比率也比較合理，銑床工位的生產率也有所提高;窗框組裝員的空閑時間比率增加至29.01%，有效降低了操作員的作業強度，緩解了操作員的工作壓力;除沖孔機工位的物流強度增長外，其他工位的物流強度都有明顯降低;各工序設備的加工時間均增加，相同時間內產出的鋁合金窗框成品數量更多。

通過對比仿真模擬前后的數據得到以下結論：減少沖孔機設備的數量，能提升沖孔工序的整體生產效率，處理時間比率由均值8.57%提升至均值34.85%;變動最大的銑床工序，其與沖孔機之間的距離由24 m縮小為5.2 m，大幅度降低了操作員的物流強度，銑床工序生產效率提升了40.72百分點;銑床操作員單位時間內需要處理的原材料數量增加，雖然增大了操作員的作業強度，但操作員的空閑時間分別由仿真前的1 461.41 s和545.31 s增加到仿真后的3 917.08 s和2 685.65 s;整個生產線中改善效果最好的為窗框組裝工序，前序工位的效率提高，使得窗框組裝工序能更快地獲得窗框半成品，整個工序中平均停留時間減少了60.83 s，同時操作員的空閑時間也從幾乎沒有，增加到5 537.91 s，占該工序生產時間的29.01%，在提升生產效率的同時，大幅度降低了操作員的作業強度。

進行生產線平衡優化后，經計算生產線平衡率達到84.2%，與優化前相比提升了21.9百分點，改善后的損失時間為15.8 s。可以看出，S公司的生產線的整體生產效率有明顯的提升，減少了大量時間成本的浪費。

4 結論（Conclusion）

本文基于S公司生產線的相關數據，利用FlexSim仿真軟件對其生產線進行仿真模擬，找到生產線中存在的問題和瓶頸工位，結合造成瓶頸工序的原因，對生產線進行重新布局規劃，并利用軟件中數據收集功能，將優化前的數據和優化后的數據進行比對，分析生產線的優化效果并進行評價。優化后的生產線的布局更加合理，減少了作業時間的浪費和操作員不必要的移動距離。生產線平衡優化的效果主要體現在各工位效率的提高上，生產線平衡率由最初的62.3%提升至84.2%，單位時間內加工生產的在制品及產成品數量增加，生產效率明顯提高。本文通過對S公司生產線的優化，改善其生產線存在的問題，對生產線中產能過剩的工位進行調整，平衡了作業分配，也為其他同類企業開展生產線優化提供了思路。

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作者簡介：

高明晶（1990-），女，碩士，副教授。研究領域：制造業綠色創新，系統仿真。

基金項目：遼寧省教育廳面上項目（JYTMS20231877）;大連市科技計劃項目（20231109）