基于离散仿真技术的整车制造物料齐套判断方法与实践

胡杰明　姜旭东　金纯旺　竺一铮　胡晓峰

摘 要：针对目前MRP等信息化工具基于即时在制情况时间序列预测与生产实际偏差较大的情况，本文通过结合系统实时在制队列信息和离散仿真平台技术，提出了精确预测生产时序队列的方法，并结合零件库存信息，验证物料齐套状态和提供紧缺物料断点时间预测。

关键词：离散仿真 生产队列仿真 物料齐套 断点预测

Method and Practice in the Inspection of Vehicle Production Material Completeness based on Discrete Simulation Technology

Hu Jieming Jiang Xudong Jin Chunwang Zhu Yizheng Hu Xiaofeng

Abstract：In view of the large deviation between the forecast and the actual production sequence from the current information tools，such as MRP/MES，based on the real-time in-process time series  situation， a method of combining the real-time in-process sequence information and discrete simulation platform technology is offered， to promote the production sequence forecast accuracy and to verify the completeness of materials and to provide time prediction for the breakpoint of materials in shortage by combining parts inventory information.

Key words：discrete simulation， production sequence simulation， material completeness， breakpoint prediction

1 背景介绍：当前汽车行业物料齐套检查业务逻辑、弊端及原因分析

自丰田精益生产体系在中国汽车企业广泛传播以来，生产线的物料准备从传统的推动式备料，逐渐转为拉动式备料。所谓拉动式备料，就是生产线需要什么，就从供应商或自制车间拉动相应数量和品种的零件。该模式的优点是可以降低主机厂的零件库存天数，释放零部件的库存周转资金，同时可以减少主机厂的物流存储成本和运营管理成本。然而，该模式有严格的使用条件：零部件需求数量和时间是按预测生产队列计算获得，如果生产实际队列和预测偏差较大，超过了库存天数覆盖的范围，则极易导致零件短缺造成生产停线。因此提前判断次日物料是否齐套，成了生产和供应链管理日常业务的最后底线。

一般物料齐套判斷由人工或信息系统辅助完成，如常用的MRP、WMS等。但这些方式对于未来生产序列的预测，都采用了简单的、静态的时序预测模式，并没有考虑实际的生产情况（如涂装颜色编组、套色生产分支工艺路线差异、缓存调度导致队列变化等），由此导致实际生产序列和预测生产序列有较大的偏差，进而导致零件需求预测出现偏差，如图1。

图1另外，这类传统方法预测序列的偏差，导致物料齐套管理还存在以下几种弊端，如：1、所预测的未上线车辆可能在推算时间段内物料并不是全部被需要;2、所被统计的库存不仅需要支持未上线的车辆，同时也需要支持目前已上线但未过物料拉动点的车辆;3、出现紧缺物料后，无法预测精确的断点时间，造成紧急响应措施额外的成本。

面对传统模式的这几个问题，关键是解决生产序列预测中如何加入工艺路径和缓存调度因素，使得预测获得的序列更加接近真实的生产情况。

2 解决方案：利用离散仿真技术模拟生产工艺路径和缓存调度提升队列预测准确率

汽车行业生产是典型的离散生产行业，适合用离散仿真软件来模拟生产路径及缓存调度过程，从而使仿真的生产序列比传统方式更加接近实际的生产序列。本文用西门子的PlantSimulation 16.0软件为仿真平台，利用其现有的组件搭建工厂生产路径和调度算法模型，将三大工艺的MES在制过点队列信息映射到仿真平台中作初始化，关联生产作息、节拍等信息，通过仿真获得生产队列通过每个工位的时间序列，结合制造BOM获取每个零件通过每个岗位的时间，即计算出了零件在各个岗位上的精确到秒的需求时序，最后匹配零件的库存状况，即可获得零件的齐套状态及紧缺件的断点时间。

2.1 PlantSimulation仿真平台的工厂工艺路径构建

为了提升仿真的运行效率，在PlantSimulation中做了如下的简化工作：1、工厂工艺路径的构建范围限定在生产工单的运行范围，即只包含了焊涂总三大工艺车间;2、只对工位和缓存搭建模拟组件，其中工位的加工时间等于节拍时间，缓存的通过时间参数采用实际通过时间。以图2为例，某主机厂涂装生产工艺路径模型，其中包含了套色生产工艺路径。

对于焊和涂分支路线，采用了分支点逻辑判断，根据当前工位工单的属性，判断工艺路径的去向，比如套色工单，则前往套色工艺路线，非套色工单则不需要通过套色工艺路径。对于汇合路线，则采用了FIFO的原则进行处理。总装工艺相对简单，一般是单一的路径，不涉及工单的分支和汇合。

较为复杂的区域是位于涂装和总装之间的缓存区，由于总装的生产限制和涂装存在较大区别，导致涂装的出车序列往往无法满足总装的连续生产，因此在缓存区需要对区内的工单按总装的需求进行重排序，该逻辑需要在PlantSimulation中进行算法编写实现路由调度的功能。

2.2 仿真初始化和队列映射

工厂模型完成后，需要将MES系统中在制和待上线的队列信息导入工厂模型。由于本文采用的PlantSimuation是离线仿真平台，因此需要将MES中的信息导出，通过人工简单排序后将队列信息导入仿真平台，实际工位上的工单和仿真空间工位的工单一一对应，未上线订单则不需要。最后，在仿真平台将工厂生产、间休、停产等信息进行维护。至此，仿真平台的初始化作业完成。

2.3 工位级零件时序和齐套检查

通过仿真运行可以获得各工位的工單时序结果，结合制造BOM信息，将工单拆解到零件，即可获得该工位上零件的需求时序、零件单车耗量、累计消耗等信息。将零件的需求时序结合库存信息，即可计算物料的齐套和缺口情况，如图3。

若出现零件库存为负的情况，则认为该零件出现断点，若无到货信息，则该时刻对应的工单和过点时间，即为断点时间和断点车号，如图4。

1 某主机厂应用案例介绍

某品牌主机厂在华东基地生产两种车型，工厂已具备SAP、MES、WMS、ANDON等常规IT系统。由于物料预测不准，厂内库存平均在5天以上，即便如此，出现缺料停线的情况也时有发生。因此，生产管理和供应链管理很重要的一个工作就是检查次日生产工单的零件齐套情况。

由于没有现成的系统模块支持，导致大量的人工检查作业，同时预测序列的精度只有80%，手工计算模式无法考虑复杂的套色工单工艺路径差异和涂-总缓存区的调度对序列的重置情况。

为此，该主机厂生产和供应链管理，利用PlantSimulation软件仿真结果替换了传统的序列预测结果，将次日物料齐套检查结果的准确率提升了15%，同时plantsimulation的自动过程计算也带来了手工计算负荷的大幅减少。另外，由于紧缺件的断点有了精确的时间和工单号，对于零件紧急拉动管控的也有更精确的目标，减少了不必要的拉动成本和现场管理成本。

3 结束语

生产和供应链管理在传统的IT系统中分属于不同的业务模块，因此系统与系统之间的信息沟通程度有限，如传统的MRP、MES、WMS各有各的数据库系统，关联并不紧密。随着业务精细化的程度越来越高，也导致了传统的IT系统更不上业务需求的发展，比如混线生产的工艺路径差异和缓存调度导致的生产队列序列变化。除此以外，生产序列的变化还有许多其他因素，比如离线反工、分支路线设备故障等，这些情况导致了生产序列预测难上加难。

面对这些难题，系统仿真在数学建模和算法方式外，提供了一个新的思路。通过仿真，可以构建实体在虚拟空间映射，通过虚拟空间的模拟，来影响实体空间的决策和运作过程这个思路，正变得越来越清晰。同时，计算机仿真空间也为打通不同IT系统提供一个合作平台。系统仿真平台有望成为一个连接各个系统、完成信息收集、分析、决策的大平台，帮助工厂的实现智能制造和智能运营。

参考文献：

[1]范淑瑾. 产品复杂度对于混装线系统负面影响的应对研究 [D]：[硕士学位论文]. 南京：东南大学，2013.

[2]王学勤. 基于MRP汽车零部件生产计划系统研究与实现：[D].大连工业大学，2006.

[3]沈振宇. 面向汽车混线生产线的排产与调度问题研究 [D]：[硕士学位论文]. 重庆：重庆大学，2019.