汽车混流装配线物料动态配送研究*

王 旭，张芳珍，李文川

（1.重庆大学 贸易与行政学院，重庆 400044；2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400044）

汽车混流装配线物料动态配送研究*

王 旭1，张芳珍2，李文川2

（1.重庆大学 贸易与行政学院，重庆 400044；2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400044）

为解决汽车混流装配线物料准确地动态配送问题，设计了基于RFID技术的汽车混流装配的零部件动态配送方案。通过RFID识别跟踪实际生产进度，将配送单动态地发给配送人员，采用惩罚函数对人员配送效率进行考核，并计算配送开始的最佳时间。结合算例验证了方案的可行性和实用性。

惩罚函数；混流装配线；物料配送

混流装配线（sequencing mixed models on an assembly line）在尽量小的库存水平下满足客户多样化需求，是准时制（JIT）生产方式的具体应用。汽车装配线就是其中一种典型的混流装配，它在同一条装配线上生产不同种类、不同配置、不同颜色的车辆[1]，使得装配线效率最大化。混流装配线因物料种类多、配送频率大、复杂性高等特点得到很多研究，而动态配送更因其时间、数量的难以确定得到了广泛关注。

在混流装配线动态配送研究方面，曹振新等研究了混流装配线上的物料拉动系统和物料管理信息系统[2]；Monden描述了汽车装配线的零部件配送系统，建立了按照生产能力和混合模型的粗生产顺序，使汽车装配车间的零部件的消耗更平稳[3]；王卫东等将微粒算法、关系矩阵、启发式算法、目标导向法、迭代算法、非线性整数规划等用于零部件消耗及配送的研究上[4-9]，使物料动态配送更加经济。在车体识别方面，刘洋、朱建新等提出了采用条码技术实现对汽车制造物料配送的管理[10]；谭杰等提出了采用RFID实现对生产线物料监控的管理[11]。

以上研究对混流装配线的调度以及物料的配送研究较多，对物料配送人员的选择及配送时间研究较少，且缺乏车体队列的跟踪识别研究。随着顾客需求越来越个性化，对产品的需求越来越多样化，每辆车装配需要多种不同类型的部件，导致了生产和物流过程的混乱以及管理的复杂性。因此本文提出了一个动态零部件配送方案，它参照实际生产进度估计动态零部件的消耗并将配送单动态地发给配送人员，使混流装配线不因物料短缺而停工。

1 问题的描述

在汽车生产过程中，由于紧急订单的加入或者装配线零部件的质量问题，可能导致零部件的需求发生变化，因此根据原有生产计划的静态物料配送已不能满足要求，故需要根据车体的实时队列进行物料的动态配送。本文研究的装配车间有如下假设：

（1）装配线是混流装配，传送带以一定速度连续移动；

（2）每个配送人员使用的工具配送能力有限；

（3）每个配送人员有多个零部件需要配送。

本文定义混流装配线零部件的消耗速率为每小时消耗的零部件数量（本文所研究的物料主要是厂内仓库的零部件）。通过涂装存储区域（PBS）涂装车间、装配车间的传送带上车辆信息预测零部件的消耗率，对单个零部件（i）的需求则为在涂装车间的涂装完成之后对所有车辆的该零部件进行求和。零部件的消耗量等于单位小时的汽车产量 UPH（Unit Production per Hour）乘以消耗率。工作站的库存水平根据车辆的装配进度进行估计，当车辆从PBS进入装配线时，假设每辆车转换到传送带上了，当车辆离开一个工作站的边界，通过减去车辆对该零部件的需求来立即更新工作站的库存水平，从而获得工作站库存。

因此，动态配送方案的设计问题可以简化为两个决策问题：（1）需要配送的零部件种类以及配送数量；（2）派发配送单给配送人员以及配送时间的确定。

2 动态配送算法

2.1 识别需要配送的零部件以及数量

2.1.1 零部件种类的识别

为了准确地配送零部件的种类，需要对车身进行准确的识别和跟踪。本文提出了采用射频识别技术RFID对车体进行跟踪识别。RFID作为一种非接触式自动识别技术，主要由RFID标签、阅读器和天线组成。本文提出在车体上安装RFID标签，通过对进入 PBS内的车体的识别，得到相应的物料需求，将此信息发送给物料配送系统进行物料的核对，生成相应的拣货单和配送单，仓库工作人员根据拣货单进行配货操作，操作完成后交与物料配送员，物料配送员根据配送单将正确的物料在正确的时间送到相应的工作站上。

2.1.2 零部件数量的确定

首先对相关参数进行说明：

i为零部件i；j为配送人员j；IOLi（inventory on line）为装配线上零部件i的库存，即线边库存；TLi（transportation level）为发送到工作站的零部件i的所有数量；SSi（safety stock）为零部件i的安全库存；cri（consumption rate）为零部件i的消耗速率；CTi（cycle time）为零部件i的配送周期。

通常情况下SSi和CTi是历史数据，可以随时更新。如果IOLi+TLi＜SSi+CTicri，则i的库存水平降到了安全库存水平以下，所以当IOLi+TLi＜SSi+CTicri时，则i为待配送单的零件，其需配送的数量为SSi+CTicri-IOLi-TLi。

2.2 指派配送单和路线给配送人员

本文定义的配送员为有能力管理零部件i，并有足够的剩余能力去配送该零部件。如果有多于一个的可配送人员，则选择具有最佳评价标准的配送人员，因此引入时间损失函数作为测量配送活动的及时性并作为选择配送员的依据。定义时间损失为配送零部件相对于配送点提前或延后的偏差。理想的配送点[10]IDTi（ideal delivery time）即为零部件i到达工作站的最佳时间点，在该时间点上，工作站的零部件库存水平成为安全库存水平（SSi）。同样定义缺货点SPi（stockout point）为当零部件i的线边库存为0时且没有其他替代品时的库存需求。则：

为了找出最佳配送时间，提出对配送时间DTi（delivery time）和理想配送点IDTi的差异进行惩罚[10]。惩罚函数（penalty function）为：P（t，q）=f（t）+qs（t），t为配送时间点，f（t）为原目标函数，qs（t）为惩罚项，q为惩罚因子，如图1所示。时间性损失在理想的配送点时取得最小值，在其他点取得正值。损失函数的斜率值为 αiβi，配送时间M，分别在区间（0，IDTi），（IDTi，SPi），（SPi，∞），最优的 αiβi值通常是通过经验获得的，推荐取α=-0.5，β=2.5。

为了提高配送系统的效率，除了考虑在仓库内等待的配送人员外，还考虑了已出发进行配送但还未回到仓库的人员。在途配送人员可以被分配一个新的任务，但是只有当他回到仓库后才能带上新的任务离开仓库。

假设零部件i由配送人员j配送，同时假设配送人员的路线包括工作站j1，j2…，jm（m可以为 0）。定义零部件的位置为在j1前、jh和jk之间或者jm之后。延长当前工作站的路线会增加总的运输时间和总的损失时间，令λ为运输时间的增加量和损失时间的增加量。在检查了每个可分配的配送人员后，选择具有最小λ值的配送员。如果所选配送人员的出发时间等于或小于当前时间，则将配送单发送给该配送人员，配送单包括发送零部件的信息以及待访问工作站的顺序；否则配送人员需要等待，直到出发时间，在等待时间内，他可能被分配更多的零部件，并且出发时间可能更新。

2.3 配送员出发时间的确定

假设工作站的路线包括k1，k2，…，km个工作站（m可以为0），除了普通时间损失，假设仓库和工作站 0可以进行交换。首先对参数进行定义：ak（arrival time）为配送人员到达工作站k的时间；dk（departure time）为从工作站k出发的时间；hk（handling time）为工作站k的处理时间；[k]为路线上的第k个工作站；t[k]（transportation time）为从工作站（k-1）到工作站的运输时间，则有：

为了确定每条路线的出发时间a0，则有a0≥a′，其中a′代表了一次配送的最早可能出发时间，当该配送人员在返回仓库的路上时a′为正值。总的运输时间独立于a0值，但是总的配送损失时间由a0值决定。因此，a0（运输时间+损失时间）的最小值等于使整个路线损失最小的值。

对于本凸函数采用C语言程序求解a0的最优值，主要步骤如下：

第1步：令a0=a′；

第 2步：获得 φ值，φ为p[k]（t）斜率值的总和，t=d[k]；

第 3步：如果 φ≥0，停止取得最优值a0；

第 4步：否则，按照下面方式增加a0的值。

如果 Δ=∞，则停止，最优值为a0；否则更新a0值，令a0=a0+Δ，转到第 2步。

3 应用案例

β=2.5时惩罚函数值最小，即配送时间离理想点时间最为接近，时间差异最小，线边库存也最小。经过初步应用表明，该物料配送系统能满足混线生产的要求，提高了物料配送效率，降低了线边库存。

本文设计的动态零部件配送方案能够指导物料配送员进行准确配送，为物料动态配送提供了保障，使混流装配线的运作更加顺畅。

本文提出的零部件动态配送方案在某微车厂得到了示范应用。该装配线实行两班工作制，装配线总共有42个工作站，涉及需要动态配送的零部件数量为568个，仓库的物料配送员每班6人，平均配送周期为2小时，装配线旁的平均库存单位随着α、β的变化如图2所示。

由图2可知，当α=-1时曲线波动较小且平均值较小，当β=2.5时平均库存单位达到最小。因此当α=-1、

[1]曹振新.混流汽车总装过程的物料协同配送与管理信息系统研究[J].制造业自动化，2008，30（12）：225-229.

[2]曹振新，朱云龙.混流轿车总装配线上物料配送的研究与实践[J].计算机集成制造系统，2006，12（2）：285-291.

[3]MONDEN Y.Toyota production system[J].Institute of Industrial Engineers，1993.

[4]王卫东，安谦，张大兴.一种类微粒群算法及其在混流装配线调度问题中的应用[J].数学的实践与认识，2009，39 （2）：69-76.

[5]于鸿彬，郭伟，赵家黎.面向放错的混合装配线物流监控[J].计算机集成制造系统，2007，13（4）：751-755.

[6]OKAMURA K，YAMASHINA H.A heuristic algorithm for the assembly line model-mix sequencing problem to minimize the risk of stopping the conveyor[J].International Jaournal of production research，1979，17（3）：233-247.

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[10]刘洋，朱建新，黄金国.基于 VIN条码的汽车物料信息管理系统[J].机械制造，2005，43（491）：51-55.

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[12]谭杰.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京：机械工业出版社，2007.

[13]GAUKLER G M.RFID in Supply Chain Management[D]. Stanford：The Department of Management Science and Engineering of Stanford University，2005.

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[15]臧传真，范玉顺.基于智能物件的制造企业信息系统研究[J].计算机集成制造系统，2007，13（1）：50-57.

Research of dynamic material supply in the mixed model automobile assembly lines

WANG Xu1，ZHANG Fang Zhen2，LI Wen Chuan2
（1.Dept.of Trade and Public Administration,Chongqing University,Chongqing 400044，China；2.Dept.of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044，China）

：In order to work out the accurate dynamic material distribution of the automobile mixed assembly line,this essay design a dynamic parts distribution scheme of the automobile mixed assembly line based on the RFID.Firstly the scheme distributes the order to the operators by using the RFID to identify the body and the actual production progress,then assesses the efficiency of the operators by penalty function,and designs the optimal departure time.At last,an example is given to approve the feasibility and practicality of the dynamical distribution scheme.

penalty function；mixed assembly line；material distribution

TP29

A

0258-7998（2010）09-0043-03

国家 863计划（2006AA04A123）；重庆市自然科学基金（2008BB2173）

2010-03-31）

王旭，女，1963年生，教授、博导，主要研究方向：现代物流、项目管理。

张芳珍，女，1985年生，硕士研究生，主要研究方向：现代物流。

李文川，男，1983年生，博士研究生，主要研究方向：制造系统工程。