基于Flexsim的混流装配线投产排序研究

刘 星，吴玉国，陈 思，戴光辉，李 文

（1.安徽工业大学 管理科学与工程学院，安徽 马鞍山 243032；2.芜湖江森云鹤汽车座椅有限公司，安徽 芜湖 241009）

1 引言

随着经济的快速发展，客户的个性化需求不断增加，为了迎合客户的需求以及满足企业自身的发展需要，在制造型企业进行产品装配的过程中，很多企业通过实行不同型号的产品混合装配这种形式来提高生产效率[1-3]。装配线是指在一条生产线上，按照产品加工工艺流程，依次进行产品的零部件装配，直至完成整个产品的装配[4]。而混流装配线则是指在同一时间内，同一条流水线上进行几种不同型号规格产品的装配[5-6]。它最主要的特点就是不同型号的产品交替生产，而不是一直生产某一种型号的产品。它可以使公司适应市场多元化需求，满足客户对产品多样化的要求，提高资源的有效利用率。其中，混流装配生产的关键就在于如何确定一个最优的产品投产顺序。如果投产顺序安排不合理，将会影响到装配线平衡，进而影响到座椅的产量以及作业人员的工作积极性。

混流装配线投产排序问题是典型的NP难问题，求解困难[7]。一般而言，混合装配投产排序问题的求解方法主要有以下几种：传统数学建模分析法、现代智能优化算法以及建模仿真分析法[8]。传统数学建模分析法要求调度人员拥有很强的数学模型分析和运算能力，这对于一个公司职员来说很难做到。采用现代智能优化算法来解决投产排序问题的难度也很大，首先，智能优化算法的选择与学习是一个长期过程；其次，智能优化算法的实现要求公司职员拥有很强的计算机语言编程能力。建模仿真分析法简单易学，而且能很好地模拟实际生产中产品的装配过程，鉴于此，在确定产品投产顺序的问题上，本文采用建模仿真分析法，借助Flexsim仿真软件模拟产品的装配过程。

2 Flexsim仿真软件

Flexsim是美国Flexsim公司研发的一款系统仿真软件，其编程语言是C++语言，采用面向对象编程和Open GL技术[9]。它提供三维立体建模环境，可以依据现实情况，建立起三维立体动态仿真模型。它支持连续流系统和离散系统建模，在模拟生产制造和物流运输等方面应用广泛。

Flexsim软件中提供了很多对象类型，如传送带、仓库、操作员、货架、储罐等，在建立仿真模型时，可以依据实际环境，选取相应的实体单元，快速高效地构建生产制造、物料运输、服务等系统模型。同时，Flexsim还可以与不同的软件系统实现对接，例如，Flexsim可以直接导入3D Studio、STL、VRML、DXF和SKP等3D图形文件。Flexsim软件的功能模块如图1所示。

图1 Flexsim软件功能结构图

3 混合流水装配线建模与仿真

3.1 座椅混合装配线简述

混流装配线大都具有以下几个方面的特点[10-12]：（1）在相同的时间内，按照预先确定好的投产顺序组织生产；（2）同一工位上，装配不同型号的产品时，作业时间可能不同；（3）同一条流水线上，同时进行多种型号产品的装配。

本文以某汽车座椅生产公司的一条前椅混合装配线为例建立混合装配线模型。某汽车座椅生产公司是从事汽车座椅研究、开发和生产经营的专业企业，公司拥有熟练的汽车座椅生产技术。公司生产区域包括四大区域：金属件区、面套区、发泡区以及总装区，其中，总装是汽车座椅生产的最后一道流程，包括前椅总装和后椅总装。本文主要研究公司的前椅混合装配线，前椅装配工艺流程如图2所示。

图2 前椅总装工艺流程

据调查，该公司目前主要的客户有D汽车有限公司和E汽车有限公司，公司目前主要的一条前椅装配线需要装配三种不同型号的汽车座椅，分别是A型、B型、C型。公司的生产模式为订单生产模式，根据客户的需求算出每天的座椅生产量。本文调查了客户近几个月来的产品需求量，计算得到一个产品的日均计划产量，见表1。

表1 公司产品日均计划产量

由表1可知，公司该条混装线每天的总产量为275套（一套包括左前椅和右前椅）。公司为8h双班制，实际工作时间为每班7.5h，混流装配线的平均节拍计算公式如下：

其中，C为混流装配线的平均节拍，T为每天的实际作业时间，Qi为第i种型号产品的计划产量，n为需要装配的产品品种数。

三种型号汽车座椅的装配流程大致相同，其在流水线上各工位的作业时间见表2。

表2 三种型号座椅的作业时间表

3.2 投产排序方法

通常情况下，一条汽车座椅混合装配线每天的产量大约是几百个型号不同的汽车座椅，如果这些座椅一起进行排序，其所有的排序可能有几十万、几百万甚至上千万种，在实际生产排序时，通常采用最小生产单元排序法。其思路如下：

假设一条混合流水装配线装配n种型号的产品，公司对每种型号的产品的日均需求量分别为m1，m2，m3，……，mn，总的需求量为M，则有：

生产计划期为1d，对日均需求量m1，m2，m3，……，mn求最大公约数，设最大公约数为q，对每种型号的产品的日均需求量进行以下处理：

3.3 建立仿真模型并设置参数

以公司一条前椅混合装配线为建模对象，导入公司装配线的工位布局图，按照装配线的实际情况建立仿真模型。公司前椅装配线上共有18个工位，工位之间以传送带相连接，故设置18个处理器来表示作业人员进行装配作业，处理器与处理器之间用传送带相连接。装配线上还有3个缓存区，在模型中设置3个暂存区用来临时储存待加工零件。另外，设置一个发生器和一个吸收器，发生器用来产生原材料，吸收器用来存放成品座椅。

根据表1、表2中的数据以及生产线的实际情况，设置图3中各个仿真实体的参数如下：

（1）发生器的参数设置。装配线需要装配三种不同型号的座椅，双击发生器，设置类型（Itemtype）属性值为3。依据式（1），计算得到装配线的平均节拍为98.2s，即完成两把座椅装配之间的时间间隔为98.2s，设置发生器相应的到达时间（Arrivetime）。按照最小生产单元排序法确定的生产排序方案将到达方式（Arrive Style）属性设置为到达序列，由式（3）设置到达次数为5，然后点击刷新到达，并勾选重复时间序列表选项。

（2）处理器的参数设置。双击模型中的处理器，按表2中各种型号座椅的装配作业时间设置相应的处理器的加工时间参数。

（3）暂存区的参数设置。双击暂存区，考虑到公司生产线上的暂存区对生产影响不大，设定暂存区最大容量为1 000。

图3 发生器参数设置

（4）模型停止时间设置。Flexsim的默认设置是不会自动停止模型的，考虑到结果的可信度，本次仿真设置12 000s，大概重复投产序列10次。

3.4 仿真结果输出与分析

Flexsim仿真分析可以输出很多种反映生产状态的数据，常用的生产排序目标主要有以下几种：（1）工位作业超负荷导致线外替补作业余量最小；（2）所有工位的空闲时间最小；（3）切换产品型号时生产线的调整时间最小；（4）零部件物料消耗最均衡化。对于座椅混合装配线而言，装配不同型号的座椅会影响一个工位作业人员的等待时间，即工位的空闲时间。合理的生产排序方案能使工位的空闲时间总和最小，据此，以所有工位的空闲时间总和作为目标函数，如下：

其中，Vi表示第i个工位的空闲时间，k表示混合装配线上的工位个数，f表示所有工位的空闲时间总和。

仿真运行结束后，通过Flexsim中的报告与统计，导出运行结果，分析处理导出的数据表格，得到各个排产方案的目标函数值见表3。

从表3中的统计数据表可以看出，以所有工位的空闲时间总和为目标时，混合装配线的最优投产顺序为23211，其运行得到的目标函数值为4 489.64，最差的投产方案为21213，其运行得到的目标函数值为5 091.52。两个排产方案运行的结果相差601.88，所以最优排产方案比最差排产方案所有工位的空闲时间总和减少了11.8%，由此可见，公司采用合理的排产方案，会很大地提升作业人员的利用率。

表3 模型运行后各排产方案结果

4 结论

本文以汽车座椅生产企业的一条前椅混合装配线为例，通过Flexsim仿真软件，建立混合装配线仿真模型，采用最小生产单元排序法进行投产排序，通过模型运行后得到的结果确定了最优的投产序列，从一定程度上证明了合理的投产顺序能够提高作业人员的利用率。同时也证明了该方法的可行性与有效性。另外，本文研究的是座椅混合装配线投产排序，但其研究方法和结论对其他产品的投产排序具有一定的指导借鉴作用。

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