基于Flexsim的生产线仿真及优化

摘要：介绍了计算机仿真技术的概念及作用，并以电子式定时器产品装配线为例，从生产系统可视化角度出发，运用工业工程思想对生产线优化问题进行研究，建立生产工艺流程程序得出基础信息，利用可视化仿真软件建立模型，对生产线运行状况进行模拟仿真，并展望计算机仿真技术在今后生产制造业中的应用发展。

关键词：计算机仿真技术;生产线优化;工业工程

1    计算机仿真技术的概念及作用

1.1    仿真的概念

仿真在生成数值和逻辑模型的基础上，模拟真实世界的问题，并用计算机模仿找到解决问题的方法与不同的方案。对于高风险或不可能实际测试的复杂问题，计算机仿真技术提供了一种有效的工具来帮助解决问题以及分析和评价不同的选择。计算机硬件和软件的不断完善和更新，使计算机仿真软件计算效率和精度大大提高。近年来许多研究表明，通过整合优化算法，计算机仿真可以更迅速、更有效地决定最佳的组合。在计算机仿真中常见的优化算法有禁忌搜索、神经网络、模拟退火算法和遗传算法等。

1.2    计算机仿真的作用

随着经济的发展，制造企业结构日益复杂，生产线是一个大型的离散的动态系统，对于复杂性、快节奏和柔性的要求越来越高，这就要求生产管理者谨慎考虑每一个决策问题并预测每一个决策所造成的结果。这种情况下，如果仅仅是凭借以往老的经验或感觉来判断，显然可能出现许多疏漏，往往需要付出高昂的代价。而计算机仿真技术则恰恰弥补了这一不足，从而成为生产管理者的得力助手。决策者可以通过电脑模拟现实的结果，得出方案或设计的可行性，从而做出合理的决定。计算机仿真技术对于企业在提高效率、缩短研究开发周期、保证安全、节约开支、提高质量等方面有着不可或缺的作用。

利用仿真技术能够对企业生产系统进行分析、检验、判断，最终做出科学合理的决策。而对于企业来说，利用仿真技术在计算机中建立一个虚拟模型来测试各种方案，就可以避免进行物理试验所需要投入的大量资金，减少了设计研发成本。最关键的是，通过对模型运行过程及结果的验证分析，可以大大提高方案的可行性，极大地降低决策的风险。

2    基于Flexsim的电子式定时器生产线优化

2.1    Flexsim仿真系统

Flexsim是一款离散事件仿真软件，它可以根据特定事件发生的结果，在离散时间点改变相应状态，包容了输入/输出变量的随机性以及状态变化的不确定性，使得仿真结果科学可靠。软件具有原始数据拟合、输入建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真试验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等功能，在图形建模环境中集成了C++、IDE和编译器，并具备与其他工具软件的接口，是一款在生产、物流、交通等各个领域使用非常广泛的软件。

2.2    电子式定时器生产线仿真优化

2.2.1    工业工程思想介绍

工业工程以企业生产系统为研究对象，运用作业测定和方法研究等技术，对生产系统中的人员操作动作及设备运行状态进行分析，找出过程中影响生产效率的各种因素并制定改善策略，以优化工作方法，提高生产效率和整体效益。由于具有投入小、见效快、易推广、能精益求精等优点，工业工程在现代企业管理与运作中非常活跃。

工业工程的宗旨在于通过进行作业研究、时间测定，找出瓶颈工序，依据所得数据合理地划分和重组生产作业要素，使生产线各工序的作业时间尽可能相近，从而推动生产线实现更高水平的平衡及产出;并在新的水平发现新的瓶颈，然后持续改进及完善，促使企业生产效率不断提高。

2.2.2    电子式定时器生产线程序分析及仿真优化

由作业方法表可知，组装由组装簧片、装引出片、装中间座及铆接、组装、内观检查、组装上下盖、测通断等7个工位组成。根据实际操作所获得的数据，可得出其组装流程程序（表1），再运用Flexsim软件建立模型，根据生产基础信息设置其各模块的参数及属性，建立定时器装配生产线模型，通过运行模型1 h获得各工位物流量及利用率（表2）。

通过模型可以看到，对比组装上下盖和测通断两个工序的使用率，组装上下盖的使用率比测通断大较多，说明测通断工序比较空闲，设备利用不够充分，还有可以提高使用率的空间，因此可以增加一个组装簧片及组装上下盖工位（处理时间减少到原来的一半），通过运行模型1 h获得各工位物流量及利用率（表3）。

比较可得，经过操作人员的工作优化及设备参数的调整之后，相同时间内输出量增加，测通断工位设备利用率提升，即设备得到了更充分的利用，流水线得到优化配置。建模仿真后的运行结果，为优化方案的制定以及决策提供了理论依据和数据支持，使管理者能更有针对性地对产线问题进行优化改善。同时，仿真获得的数据及结果也使得生产线设计方案能更符合管理者的要求。

3    计算机仿真技术在今后生产制造业中的应用发展

运用计算机仿真技术对生产系统进行建模和仿真，根据运行結果获得制造上和管理上不同要求的数据资料，为生产线的设计提供了理论依据，并使得设计方案可以更好地满足管理者的要求。众所周知，建立一个生产成本低、产品质量高的生产线需要花费很大的投资，且方案设计及投入过程周期较长，而计算机仿真技术的投入使用，为企业降低设计成本，缩短设计时间提供了很好的途径，因而对生产线的建模和仿真是必不可少的。

随着计算机的普及发展，计算机仿真在制造业生产线中的应用也越来越普遍。对于某些复杂的生产线，特别是对于新设计的生产线，通过仿真就可以在未能确定它的优劣情况之前对其可行性和效率提出明确的评价判断，从根本上避免了无根据地花费大量的投资来实行。通过建立生产线的仿真模型，有助于描述生产线的各种已经出现和有可能出现的现象，加强生产管理者的直观感，从而使他们能够更深刻地理解和分析生产线。在没有实际的物理模型的情况下，把生产线规划转换成仿真模型，通过运行虚拟模型，就可以评价规划方案的优劣并根据实际情况修改方案，最终使生产线得到优化，提高企业效益。

[参考文献]

[1] 宋华明，韩玉启.多目标装配线平衡的优化算法[J].运筹与管理，2002，11（3）：55-62.

[2] 易树平，郭伏.基础工业工程[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 姚海凤，冯勋省，郭丁俊.基于eM-Plant的汽车零部件生产线平衡技术的仿真研究[J].物流技术，2010，29（12）：114-117.

[4] 采峰，曾凤章.一种流程型企业主生产计划优化方法研究[J].工业工程与管理，2006，11（4）：16-20.

[5] 马云，李跃宇.混流生产线的Flexsim仿真应用研究[J].微计算机信息，2009，25（1）：232-234.

[6] KUO R J，YANG C Y.Simulation optimization using particle swarm optimization algori-thm with application to assembly line design[J].Applied Soft Computer，2011（11）：605-613.

收稿日期：2020-05-27

作者简介：黄云笑（1987—），男，浙江慈溪人，工程师，研究方向：机电一体化生产制造。