王忠平，王振宇，苑红磊
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266000)
摘要：科学的生产设置布局规划对动车生产流水线降低生产成本，提高生产质量尤为重要。以铝合金动车新造生产线厂房规划设计为例，根据厂房设施布置的一般原则，运用Plant-Simulation仿真软件建立车体生产线模型，对整个生产流程进行数字模拟仿真，从产量满足率、设备利用率、在制品库存量和生产线稳健性等多个指标进行了台位布局的仿真评价，识别出天车阻塞操作与瓶颈台位，提出解决方案，对关键设备的利用率进行计算，进行相应厂房布局优化。优化后的系统能够很好地满足生产计划，各关键台位负载比较均衡，同时维持低水平的列车库存量，真正实现了流水线的拉动式生产。
关键词：厂房布局;台位分布;车体生产；Plant Simulation
中图分号类：TH181 文献标识码：B
0 引 言
车体作为轨道交通车辆的重要组成部分，提高车体产能是工厂日益迫切需要解决的问题[1]。现已经有众多研究学者开始研究集中在台位布置仿真和生产节拍控制仿真上。Ali Allahaverdi和Jatinder N.D.Gupta等[2]人对前人所涉及的机器调试及材料准备时间(Setup Time)的相关研究进行总结，用于解决车间作业调度问题(Job-Shop Scheduling Problem，JSP)；肖吉军等[3]研究了在生产物流系统规划中利用Witness软件进行仿真的方法，并进行方案优化选择，并通过设置参数实现优化生产过程的目的；R.J.Kuo，C.Y.Yang等人[4]使用仿真优化的方法，借助仿真软件Flexsim，解决装配线的平衡问题。本文以某型号动车组车体生产流水线厂房的规划设计为例，以Plant Simulation为仿真平台，从仿真方案设计与仿真结果的数据分析两部分，模拟系统运作中的瓶颈因素，并分析改善方案，提出优化策略。
1 仿真过程模拟
1.1 分析确认仿真目标
某铝合金动车生产厂房主要承担时速250公里中国标准动车组型车体的生产，具体包括车体顶棚、地板、侧墙、底架等大部件焊接加工，另外包含将车体六面体（其中司机室与端墙为其他厂房生产）进行总装、零件安装、打平交车等工序。涉及58个台位、7个物料存放区域及4台天车。
1.2 原始数据采集与分析
根据仿真需求，依次确定流水线的生产节拍、生产内容、工艺流程、各台位加工时间、天车运行参数等，具体数据见表1所示。通过统计某10天厂房生产计划，作为该车体流水线生产厂房的重要设计输入，其主要生产产品的生产计划为：2台/天。另外车体其他关键尺寸为：头车/中间车长度(25700/25000mm)、宽度(3380mm)、高度(3700mm)。
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2 仿真模型建立
根据现场实际调研，现厂房中主要包含11个班组：顶棚班、侧墙1班、侧墙2班、底架1班、底架2班、底架3班、总装班、零件班、打平交车班、加工班，总共10个班组。
根据车体制造流水线各工序的工时数据及生产计划，结合各班组区域内关键台位布置，结合厂房内天车行程最大范围，最终将厂房现布局进行划分仿真。各个班组区域内添加Plant Simulation库中元件代表生产台位，通过连接线或天车进行逻辑连接，并用Sim-Talk语句按照图１所示的工艺流程进行运输逻辑设定后，即进行单模块的运行测试。其中，对于多台同型设备的任务分配按等概率进行。经过测试无误后，连接各个班组，并布设AGV运输系统进行部分工件运输，例：厂房1纵与2纵厂房间关键大部件的调运需要跨厂房小车进行运输，通过设计AGV小车运输实现此项功能。如图3所示。
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图1 厂房仿真模型
Fig.1 Plant simulation model
其中，各Source元件设置服从正态分布；各处理元件Station的故障率也都是随机的，服从一定的随机数分布。
3 仿真分析
3.1 瓶颈分析
使用Plant Simulation自带的分析工具可以解释仿真结果。表对象能在仿真中存储模型的信息，图对象能够形象地反映数据的变化规律。统计分析工具等可以帮助用户更好观察和分析生产线工作负荷、设备工作、故障、堵塞、空闲时间等，并可以将生产线实际运行情况与理想情况进行对比，找出瓶颈进行优化[5]。侧墙班为例各工况的状态如图2所示（极限产能7天，各台位故障率均为95%）。
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图2 侧墙班工况统计
Fig.2 Statistics of sidewall shift
具体流水线各台位工作状态如表2所示：
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经过对比分析，发现侧墙反面自动焊台位Blocked时间过长导致后续台位等待时间Waited时间延长，因此侧墙反面自动焊台位为第一瓶颈点。同时，侧墙打磨调修台位Working时间占比时间较长，即台位生产负荷较大，导致后续侧墙自动打磨台位Waiting时间延长，因此侧墙打磨调修台位为第二瓶颈点。
3.2 方案改进
经过统计分析，发现侧墙反面自动焊台位、侧墙打磨调修台位现为瓶颈点。针对侧墙反面自动焊台位，鉴于其工装与台位主要操作为自动焊的特点，可减少该台位操作人员，前调至正面自动焊台位，使得阻塞台位人员流动至负荷较大台位。针对侧墙打磨调修台位，后期发现该操作班组耗时较长，生产耗时受限于台位数量，因此可优化附近台位布局，增加侧墙打磨调修缓冲台位作为应急台位。综上拟定改进方案：1)减少侧墙反面自动焊操作人员数量，调整至前序正面自动焊台位；2)增加侧墙打磨调修缓冲台位作为应急台位。依据上述改进方案对厂房台位进行调整，并模拟仿真结果，优化后瓶颈点信息如图3所示：
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图3 改进后瓶颈点台位工况统计
Fig.3 Statistics on the working conditions of the bottleneck points after improvement
通过对比优化前后，两个瓶颈台位的占比信息，如表3所示。发现优化后，厂房生产效率有了明显改善，在7天全负荷极限条件下，由原来的10辆车增加值12辆，较现行方案提升16.67%的产能。
表3 瓶颈台位优化前后占比明细对比
Table.3 Comparison of the proportion of bottleneck stations before and after optimization
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4 结 论
通过建立现厂房工序台位仿真模型，对标动车体生产流水线进行分析，能有效地分析生产系统可能存在的问题，筛选出瓶颈点，合理调度资源，对工序瓶颈台位进行可视化的分析、改善和平衡，合理提出解决的关键措施，增加厂房精益完成度。另外还可预先调节厂房内天车、设备等调用冲突，达到提高产能的目标。采用离散事件仿真软件对生产厂房的台位布局进行仿真模拟，具有直观、方便、经济、快捷、结合实际程度较高等优点，是指导设施布局并辅助决策的一种有效方法。
参 考 文 献
[1]李树栋, 赵云峰, 丁洁琼,等. 基于Plant Simulation软件的地铁车辆车体生产产能分析[J]. 南京工程学院学报(自然科学版), 2017, 015(001):78-82.
[2]Allahverdi A , Gupta J N D , Aldowaisan T . A review of scheduling research involving setup considerations[J]. Omega, 2000, 27(2):219-239.
[3]肖吉军, 李军. Witness仿真在企业生产物流系统规划中的应用[C]// 全国企业信息化与工业工程学术年会. 2006.
[4]Kuo R J, Yang C Y. Simulation optimization using particle swarm optimization algorithm with application to assembly line design[J]. Applied Soft Computing Journal, 2011, 11(1):605-613.
[5]韩晓东, 刘冬, 丛明,等. 基于Plant Simulation的发动机检测生产线仿真分析[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2015, No.501(11):62-64+68.
第一作者：王忠平，1980年10月，wzp814@163.com，13864878152，山东省青岛市城阳区锦宏东路88号，本科，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，高级工程师，轨道车辆制造技术，