基于仿真的混流装配线物料供应策略研究

刘梦湘 袁利娜 陈晶晶 管在林

摘要：高效、准确且成本最低是针对工程机械、汽车等混流装配生产企业规划设计物料供应系统持续追求的目标。文章以汽车混流装配线的零部件供应策略为研究对象，充分分析了混流装配线零部件配送物流现状，建立多场景的物料供给过程仿真模型，并设计多种物流配送策略或调度方法;通过结合仿真试验进行分析，寻找混流装配线系统和零部件的相关特征参数、计划方案与物料供给策略之间的关系，从而为混流装配线物料供给策略的设计和优化提供重要参考依据。

关键词：混流装配线;物料供应;配送策略;仿真优化

中图分类号：F253文献标识码：A

O引言

随着客户定制化需求的增加，越来越多的汽车生产企业采用了柔性化的混流装配线，物料配送的效率、准确率、降低成本等要求日益受到人们的重视。汽车混流生产总装线旁的库存空间有限，只能存放少量的零件，需要频繁地及时补充库存才能保证高速装配线的顺利进行。由于不同车型共线生产，各种车型需要装配的零部件不同，企业每天的生产计划也不同，对于不同车型共线生产场景下的物流配送系统的设计优化成为企业要重点考虑的问题。

从近年来国内外关于装配线物料配送问题的研究动向来看，国内外学者运用了大量的研究方法，现有的方法主要分为定性研究和定量研究。近年来，在文献中已经越来越关注将零部件运输到装配线过程中物料供给策略选择方法的定性标准。WanstrSm和Medbo从一般角度讨论了材料供应系统的设计选择以及材料供给设计和包装实践对装配系统性能的影响。他们采取以操作者为中心的观点，并专注于组织和人体工程学方面。Hua and Johnson讨论了影响台套与批量配送选择的因素，突出了仍有待解决的研究问题目。更笼统地说，Hanson and Brolin深入讨论了影响台套配送和连续供应之间选择的大多数因素，同时也提供了来自厂内实验的经验证据。

定量研究主要集中在物料配送优化模型的设计上，最早研究配送模式的最优组合的是Caputo和Pelagagge，他们采用了基于经济价值的ABC物料分类对应不同的配送方式组合试验对比的方法来选择配送方式，并进一步开发了遗传算法进行方式选择的物料分类优化。随后，Caputo等人不仅为台套配送开发了详细的规划模型，还开发了看板配送和线边供应的连续供应系统的规划模型。Limere等人利用线性规划模型对成套配送和线边供应策略进行最佳的零件分配，并相继扩展该模型以考虑可变操作员的步行距离。然而，他们忽视了JIT的替代方案，只考虑了与拣取、运输、套件准备以及物料补给相关的工人成本。Vijaya Ramnath等人开发了多标准决策支持系统，根据定量和定性因素选择装配系统中的物料供给策略，主要关注台套配送与看板配送。

以上研究多采用组合搜索的方法寻求系统最优设置，少有研究涉及物料配送模式与混流装配线系统特征匹配关系，或者决定物料配送策略最佳选择的关键要素分析等。因此，本文针对汽车装配等混流生产系统的物料供给过程建立仿真模型，设计多种场景下的物流配送策略或调度方法，并结合仿真试验进行分析，探索装配线系统和零件的相关参数、计划方案与物料供给策略之间的关系。

1混流装配线物料配送问题概述

混流装配线物料配送主要目标是以最低成本提供与装配序列对应的物料，根据物料的需求、尺寸等特征，一般可以设计不同类型的物料配送模式，即根据装配计划按序列设计齐套配送的Kitting模式、按批量配送的线边库存Ls（Line Stocking）模式以及需要及时配送的Kanban模式等。物流配送系统需要选择设置合理的配送模式，配送模式的选择直接决定了任务的组合、调度方式以及物料配送路径、载具等系统各环节的软硬件配置，其范围贯穿了物料配送系统从物料出库到最后进入装配线的全部过程。所以，要想设计好的物料配送系统应该考虑到每日的生产计划，将正确的物料按正确的数量在正确的时刻运送到正确的地点，本文将重点研究物料供给策略的选择问题来满足物料配送目标并降低配送成本。为了设置合理的物料供给策略，需综合考虑以下因素的影响：

（1）零部件类型及体积。在混流装配车间中，零件类型的多样性与体积的差异会影响打包容器的选择，又因为不同运输车的容量大小不同，即运输车一次所装的打包容器和运输趟数都会随之不同，所以同样会影响物料供给策略的选择。

（2）生产计划中的品种组合变动。在混流装配过程中由于客户需求的不确定性导致每日的生产计划在不停的变动，所以生产线上的产品品种组合也将有多种变化，这直接影响了配送物料的顺序和数量等参数。

在一个物料配送系统中，无论是计划改变还是现场某一个因素的改变都会导致整个系统运作发生巨大的变化，并且由于本文研究的配送系统同时牵涉生产、配送以及仓库等多方面问题，问题的复杂性、随机性可想而知。对不同类型的零件在变动的生产计划下选择不同的物料供给策略时，不仅要考虑实际的意义还要考虑可行性。因此，下文将通过对物料配送系统进行仿真建模，设计不同场景的仿真试验来探究装配线系统和零件的相关参数、计划方案与物料供给策略之间的关系。

2混流装配线物料配送模型构建

2.1案例研究

R公司作为一家专业的物流配送公司主要负责汽车制造D公司的物料配送，其为D公司的生产车间提供零部件调达运输、场内零部件配送、整车运输及售后零部件运输等全方面的专业服务。如图1所示，R公司的物料配送系统由中转配送中心和混流装配生产车间组成，为保证物料配送根据生产计划按时完成，系统作业需及时将零部件从中转配送中心向混流装配生產车间配送。中转配送中心有5个存储区域、4个出货平台，装配生产车间有与4个出货平台相对应的4个人货平台，装配生产车间有4个物料暂存区和1条生产线。该配送系统主要的作业流程有备货作业、牵引作业、出货作业、运输作业、入库作业，以等待上线及牵引上线。

本论文分别建立了台套配送、看板配送和批量配送下的仿真模型，这三种模型根据物料配送的特点不同采用了相同的物流资源，不同的任务操作方式和物料存放形态。装配线由10个工作站组成，每个工作站的操作时间设置为1分钟的相同值，半成品零部件在工作站之间自动传输，连续工作站之间的缓冲区具有有限容量和先进先出的排队规则。

2.2仿真模型建立

物料配送系统的复杂程度高且随机性强，因此常用到仿真分析的方法对物料配送系统中的问题进行研究。Simio仿真软件可对离散事件动态系统的各种性能指标进行统计分析，十分适合对配送系统进行建模仿真。本次建模仿真目的主要有以下几点：

（1）对从实际配送系统的记录中无法获取或是计算复杂的研究对象进行动态分析，发现配送系统中存在的问题。

（2）通过运行仿真模型，对不同的方案进行仿真实验，以在制品数量、车辆运输趟次、仓库积压量、准备成本与线边存储成本作为评估指标，作为决策支持。

（3）验证方案的有效性与合理性，为最终物料供给策略的选择方案确定提供依据。

本次建模仿真先将物料配送系统研究的配送系统的计划、配送模式以及作业流程在仿真模型中进行简化还原，进而通过仿真对系统作业情况进行分析和评估，确定方案设计的变化参数与评估指标，最后进行多场景的仿真实验分析验证，确定最终的方案，建模仿真分析与优化流程如图2所示。

2.2.1数据输入

考虑到实际系统的复杂程度和数据量之大，而仿真建模时只需要实现系统功能和作业情景的还原就可以实现研究目的，因此为了便于仿真模型的建立和运行，本模型对配送系统进行了简化处理。在流程方面，模型做到了较为完整地还原配送系统，建模所用的数据是使用设定的基础数据根据原配送系统的上线计划、备货清单生成的规则得到的。简化后的数据通过Excel表录入并转化为仿真模型能够识别的数据模式，最终数据输入后的仿真模型能够按照实际生产计划模拟运作，数据生成的基本流程如图3所示。

2.2.2仿真静态模型

如图4所示，该仿真模型是对R公司实际运行的物料配送系统的抽象与简化，所以基于R公司的配送系统布局，仿真静态模型也由中转配送中心和装配生产车间两部分构成，中转配送中心共有5个存储区域用来存放零部件，4个出货平台，装配生产车间也有与之对应的4个入货平台，4个线边暂存区和l条混流装配生产线。

2.2.3仿真逻辑构建

（1）备货及配送逻辑

仿真建模过程中主要以零部件作为实体建立模型，零部件在中转配送中心的存储区域按照备货清单进行备货，接着被装人中转车通过出货与入货平台，最终运送至线边暂存区。备货及配送流程如图5所示。

（2）生产线装配逻辑

混流装配生产线需要线边有足够的零件才能顺利完成装配任务，如果线边没有补充相应的零件，那么工位将等待零件牵引上线才能继续装配。如图6所示为生产线装配逻辑。

2.2.4模型假设条件

研究该物料配送系统时，时间是重要的研究因素之一，因此在仿真建模过程中时间的设置是至关重要的，本文建立的仿真模型所涉及的时间设置与调研得到的数据相同，如表1所示。各牵引车、容器的容量设置以及出货、卸货平台的处理容量设置如表2所示。

3仿真实验设计与结果讨论

3.1方案设计

通过前面对配送系统的仿真建模，可以了解到混流装配车间的物料供给系统具有独特性和一般物流系统的普遍性。因此在物料配送方面，本文需根据配送系统的实际情况提出针对性的解决方案。由于汽车零部件的数量与种类的多样性，为使得物料配送系统的效益最大，采用高效的物料分类法对零部件进行分类处理。所以，本文根据零部件的特征及使用频率，按照零部件的种类将物料分为三类，并针对其特征采用不同的物料供给策略，将R公司实际生产情况将变体数、生产系数、通用率、包装数作为物料配送的分类标准，这样可以更好地研究零部件的特征与物料供给策略的关系。其中，变体数是指某种零件具有的不同变体数量。生产系数是指某种车型需要某种零件的个数。通用率是指在每日生产批次中该零件被需求的频次比例，比例越高通用性越高。零件的体积可以转化为包装数来表示，一个批次的零件体积越小，那么该零件的包装数越大。通用率和包装数是通过计算得到的，其计算公式如下：

通用率=该零件当天使用车型数/派生总车型数 （1）

包装数（台份）=包装数（个）/生产系数 （2）

通过仿真数据、计算的结果、物料配送情况和结合参考文献分析得到物料配送分类标准的数值范围，最终变体数设定为1、2、3，生产系数的值为1和2，通用率设为40%、50%、60%、70%，包装数的值为20、40、60。

在不同的时刻同一混流装配线上生产的车型和数量不同，所以每个工位对不同零部件的需求也是不一样的，那么物料供给的方式也会有所不同。有些工位是通过生产时间段进行零部件的供给，而有些地方是通过生产节拍进行零部件的供给，所以如何根据生产计划的改变来选择合理的物料供给策略是确保物料及时供应的重要研究内容。

由于客户需求的不确定性，每日的生产计划将会随之改变，本文将研究生产计划中批量大小与是否完全混流等参数的改变导致对物料供给策略选择的影响。批量大小是指订单中每种产品生产批次的批量大小。完全混流是指产品按照品种顺序混流生产，批量混流是指产品按照订单批次混流生产。根据R公司的生产计划将批量大小取值设为10和20，完全混流设定为O，批量混流设定为1。

本论文生成了大量的方案，其中每个方案都以系统参数采用的特定值为特征。从仿真实验的情况来看，可变参数有望对物料供给策略的性能产生重大影响。如表3所示，列出了用于生成方案的变量参数及数值设定。其中，1个變量有4个层次，2个变量有3个层次，3个变量有2个层次，当组合所有不同的可变参数值时，可以得到4x3x3x2x2x2=288种不同的场景。对所有的场景进行仿真实验，根据仿真评估指标进行全面的数据分析，确定这些参数在某种场景下有助于解释哪种物料供给策略是最适合的。

3.2仿真评估指标

仿真评估指标包括车辆运输趟次、线边货物积压量、卸载等待时长，这些评估指标主要构成人工成本、设备成本和存储成本，具体说明如表4所示。为了使得物料配送系统的效益最大化，需要保证该物料供给策略下的总成本最小。因此，随着参数的变化，仿真实验所设计的每种场景将会在三种物料供给策略下相互比较，最终每种场景都会存在最适合的一种物料供给策略，即在该场景下此物料供给策略比其他策略的评估指标更优，总成本更小。

3.3实验结果与讨论

仿真实验结果如图7所示，在每种零件的变体数、生产系数、包装数、通用率、批量大小、完全混流与批量混流等参数确定后，它们对三种供给策略的影响也随之变化，相应配送模式的配送特点也随即确定，根据特定场景的参数设置可以选择最适合的配送模式。三种配送模式的适合配送零件及其他参数设置如下：

对于具有高度多样性，通用率及生产系数较低的中型零件，台套配送的性能最高。台套配送按照物料需求适合少量多次的配送，其特点是物流均衡，但需要准备的工作量会增多且装配过程中具有较低的积载率。其優势主要体现在减少了装配线上的在制品数量和零件的存储成本，劣势主要是需要耗费更多的人工成本来准备套件。当订单产品是完全混流生产时，台套配送的相对性能得到提高。

对于具有低多样性，通用率高但低生产系数的大型零件，看板配送的性能最高。看板配送按照物料需求适合多量少次的配送，其特点是物流较均衡，但工人的备货工作量会增多且装配过程中具有较高积载率。其优势主要体现在能有效控制线边拥堵的情况，按照生产计划产生特定的数量不仅能够减少库存降低成本，还可以提高资金周转率。看板配送的车间空间利用率更高，装配线上的在制品数量更多。

对于具有低多样性，通用率及生产系数高的小型组件，批量配送产生最佳性能。批量配送按照物料需求适合大批量的集中配送，其特点是物料不均衡，因只按照备货单将零件备好货而不需再做不同零件组配的工作，会减少备货的工作量且装配过程中具有较高的积载率。其优势在于减少了中间环节的周转作业，直接在线边暂存区存储，但会增加线边的存储成本，使得线边物料管理不便。当订单批量大幅度增加时，批量配送的相对性能较高。

3.4最优方案结果

根据3.3节多场景下各方案的仿真结果，采用权重法和专家评估法对每种场景的方案进行评分，得出如表5所示最优方案下的三种物料供给策略对应的零件特征与系统参数设置，此时的综合评估指标达到最优，基本可以保证线边空间充足，确保了作业质量和安全生产。卸载平台拥堵的问题得到了解决，卸货平均等待时间大大降低，运输车的运输趟次有所减少，物料配送系统的总成本与原始方案相比较低。

下面将最优方案与原始方案的部分评估指标进行对比：

（1）如表6所示为线边货物积压量优化结果，可以看出线边货物的积压量有了明显的降低，这说明卸载平台的拥堵问题得到了有效解决，中转车卸货等待时长也相比原始方案的等待时长降低了20%。

（2）如表7所示为车辆运输趟次的优化结果，由于台套配送一方面提高了车辆的积载率，另一方面使得中转车及牵引车的运输趟次都有所减少，所以物料运输成本大幅度降低。

4结束语

本文以某汽车混流装配车间为例，运用仿真软件对其进行物流供给策略的研究，通过仿真软件设定不同的生产场景对车间的不同物流配送过程模拟实验，结合实验分析，得出了不同生产场景应该选择的物料供应策略并确定了最优方案结果。通过对实际生产线系统仿真，探讨了装配线系统相关参数及零件特点与物料供给策略选择的关系，为以后的生产线建模与仿真提供参考。