用離散事件仿真平衡優(yōu)化一個(gè)實(shí)例講解

用離散事件仿真平衡優(yōu)化一個(gè)實(shí)例生產(chǎn)線本文我們介紹了一個(gè)通過用平衡和離散事件仿真對(duì)生產(chǎn)線優(yōu)化的學(xué)習(xí)方法，首先介紹了平衡生產(chǎn)線的基本理論和步驟，這個(gè)真實(shí)的生產(chǎn)過程由兩條生產(chǎn)線和一個(gè)組裝的工作點(diǎn)組成，由此建立仿真模型并得到初始結(jié)果，然后介紹了平衡生產(chǎn)過程和用仿真模型更好的提高優(yōu)化生產(chǎn)過程，從這篇文章的研究結(jié)果中可以明顯看出通過把平衡生產(chǎn)線和過程優(yōu)化結(jié)合能夠極大的提高生產(chǎn)率。說明在《FactoriesoftheFuture》的討論中一個(gè)主要的目標(biāo)就是找到一個(gè)方法能夠有效的管理不可避免的限制和需求能力系統(tǒng)得到一個(gè)實(shí)時(shí)產(chǎn)品。然而現(xiàn)在的生產(chǎn)實(shí)例經(jīng)常是基于不同生產(chǎn)理論，像精藝生產(chǎn)，時(shí)間最優(yōu)，.......系統(tǒng)等，對(duì)供應(yīng)鏈和整體裝配效率都達(dá)到最優(yōu)。對(duì)于大公司和SMEs精藝系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化生產(chǎn)和整體工作已經(jīng)變成一個(gè)參考模型。所以一些研究工作集中研究生產(chǎn)過程仿真和原料運(yùn)輸和批量優(yōu)化。任何過量生產(chǎn)和過量庫存都被認(rèn)為是一種資源浪費(fèi)，精藝生產(chǎn)的一個(gè)主要原則就是僅僅生產(chǎn)顧客真正需要的。所以，產(chǎn)品組裝的一個(gè)主要目標(biāo)是使產(chǎn)品貨品短缺和過度存儲(chǔ)最小化。在許多公司，組裝過程在基于預(yù)期需求由“輸出”系統(tǒng)得出，在這種情況下完成產(chǎn)品并且送到下一個(gè)工作點(diǎn)或者是由最后一個(gè)工作點(diǎn)送入到完成貨品的存放地。在另一個(gè)“輸入‘系統(tǒng)，工作的進(jìn)行是由下一個(gè)工作站需求決定的，每一個(gè)隨后的工作站的需求輸入都由都由前一個(gè)工作站輸出決定。下一個(gè)工作站決定被請(qǐng)求的輸出是什么時(shí)候和輸出多少，最后一個(gè)工作站的輸出是由顧客需求和經(jīng)理人的生產(chǎn)進(jìn)度表決定。因?yàn)閷?duì)這個(gè)問題的理解不夠充分和對(duì)這兩個(gè)策略的決定都不簡單，所以主要精力要放在通過提出針對(duì)性的動(dòng)機(jī)交互精益游戲發(fā)展一個(gè)更完整的輸入----輸出系統(tǒng)。它特別適合用在大學(xué)的教育體系或者工廠的工作間。對(duì)于TSP問題中減少浪費(fèi)提高生產(chǎn)效率的一個(gè)有效方法也是生產(chǎn)平準(zhǔn)化，一個(gè)裝配線的循環(huán)時(shí)間是由理想生產(chǎn)率預(yù)先決定的，理想生產(chǎn)率就是在一個(gè)確定的時(shí)間里生產(chǎn)出理想數(shù)量的最終產(chǎn)品。就這點(diǎn)而言，一個(gè)主要的問題就是怎樣在這個(gè)要完成的生產(chǎn)線中安排任務(wù)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的一個(gè)有效方法就是平衡生產(chǎn)線和工作單元。這個(gè)有效的工具可以提高整個(gè)裝配線和工作單元從而減少花費(fèi)和人力需求。平衡生產(chǎn)線就是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線中的工作站和工作量進(jìn)行調(diào)平分配從而達(dá)到工作安排最優(yōu)并且消除瓶頸。考慮到生產(chǎn)過程的特殊方面平衡生產(chǎn)線通常需要不同的方法和算法。平衡裝配線最早是在1961年提出的，從那以后，許多學(xué)者又提出許多不同的方法和實(shí)例研究。在本文中我們提出了一個(gè)離散事件仿真模型和在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)平衡操作時(shí)間。在第二節(jié)我們介紹了一個(gè)真正的生產(chǎn)線的平衡和它基于的理論。和以前的研究相比，本文介紹了一個(gè)結(jié)合離散時(shí)間仿真（DES）對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行較小的平衡調(diào)整和修改的實(shí)例研究，運(yùn)用“what-if”情節(jié)進(jìn)一步預(yù)先優(yōu)化生產(chǎn)過程。2平衡生產(chǎn)線的理論參數(shù)符號(hào)tNAJ-NAJ循環(huán)時(shí)間[min/piece]tShf-每輪時(shí)間[min/shift]NShf-每工作一天需要N輪[Shift/Wd]mnaj-每工作一天需要的數(shù)量[piece/Wd]p-浪費(fèi)量的縮放因子nCB-傳送帶的影響NPOi-執(zhí)行操作i所要求的并行操作的數(shù)量teli-操作i每個(gè)單元所需時(shí)間[min/piece]-工人的平均影響水平H操作i在工作站的時(shí)間利用率[%]NPOchoi-操作i選擇Nr并行工作我們要優(yōu)化的變量參數(shù)是循環(huán)時(shí)間WAJ和時(shí)間利用率友方法論為了平衡生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)的可能性，要求確定循環(huán)時(shí)間WAJ，工作量NPOi，時(shí)間利用率萬，和一個(gè)操作循環(huán)時(shí)間里的調(diào)優(yōu)時(shí)間.a）確定循環(huán)時(shí)間循環(huán)時(shí)間或者工作循環(huán)時(shí)間就是產(chǎn)品被生產(chǎn)的時(shí)間，對(duì)于產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的循環(huán)時(shí)間可以由公式（1）得出：tNA）=———'n?T[min/piece]（1）小曲|pPb）確定在一個(gè)工作點(diǎn)工作數(shù)量對(duì)于操作i每個(gè)工作點(diǎn)必須執(zhí)行的工作數(shù)量可以由下面公式（2）確定:C）確定工作的時(shí)間利用率在下列情況下計(jì)算工作數(shù)量NPOi總是四舍五入到整數(shù):——整個(gè)數(shù)量超過10%我們舍去所以工作湊整影響工作站的時(shí)間利用率（3）d）在一個(gè)操作的循環(huán)時(shí)間里面調(diào)優(yōu)時(shí)間的方法（平衡執(zhí)行）有三種可能的在一個(gè)操作的循環(huán)時(shí)間里面調(diào)優(yōu)時(shí)間的方法：1把所有或部分觀測(cè)的操作重新分配到先前的或之后的操作中去（圖1）2提高工作方法從而減少每個(gè)單元的所用時(shí)間teli3對(duì)很多相同的工作分享所有的工作站一并行操作（圖2）圖1重新分配操作Uma_OlfljotMl^^rhpliacaIUma_OlfljotMl^^rhpliacaIwoJolwwwDnlkplLkLzw/e.OpAiT^CiDn^圖2并行工作的介紹3生產(chǎn)線的配置整個(gè)生產(chǎn)線有兩條生產(chǎn)線和一個(gè)最終組裝的地方組成，這個(gè)產(chǎn)品由4個(gè)不同的部件組成（圖3)Firwprodwcnanline(5woriqJsct^JSrcaiidproEutiMlun?Firwprodwcnanline(5woriqJsct^JSrcaiidproEutiMlun?(4^,orkplar?j'|GooiW*9iepwiljicts圖3組合生產(chǎn)過程方案第一條生產(chǎn)線加工兩種不同的部件CP1和CP2,第二條生產(chǎn)線只加工一種部件CP3,這3種部件在這個(gè)工廠里加工產(chǎn)生，而第四種部件CP4由外部供應(yīng)商提供，在生產(chǎn)線結(jié)束的地方有一個(gè)組裝的地方，在這里四種部件組合的一起形成一個(gè)完整的產(chǎn)品。在所有產(chǎn)生的產(chǎn)品中大約有5%是廢品。生產(chǎn)過程每天操作2輪，每周5天。第一輪從6:00AM到2:00PM，中間9:00AM-9:15AM和12:00PM-12:45PM是休息時(shí)間，第二輪從2：00PM到12:45PM，中間6:00PM-6:30PM和8:30PM-9:00PM是休息時(shí)間。第一條生產(chǎn)線第一條生產(chǎn)線有5個(gè)工作站，每一個(gè)工作站在同一時(shí)間只能生產(chǎn)一個(gè)部件。原材料來自最初的操作。所有的下一個(gè)操作都是接著上一操作的。每一個(gè)工作站在操作之前都有一個(gè)緩存區(qū)可以存儲(chǔ)所有等待被運(yùn)輸?shù)牟考Ｔ诘谝粭l生產(chǎn)線中第一種部件CP1被第一條生產(chǎn)線上的每個(gè)工作站都加工一次，而CP2跳過了磚孔這個(gè)工作站（圖4）。從生產(chǎn)線到組裝站的運(yùn)輸由一個(gè)鏟車完成，這個(gè)鏟車一次能運(yùn)輸20個(gè)部件，運(yùn)輸一次需要2分鐘，CP1和CP2的合格率是100%。第一條生產(chǎn)線的其他信息由表1給出->i-];卜1山皿 IliilliaujGnudju:]仁["小小”0]CPI*匚吶》圖4第一條生產(chǎn)線上每一個(gè)部件的加工順序第二條生產(chǎn)線第二條生產(chǎn)線和第一條非常像，不同之處就是它只有4個(gè)工作站，這條線只加工一種部件CP3，它的加工順序見圖5

圖5第二條生產(chǎn)線上CP3的加工順序在控制站有50%的次品，從第二條線到組裝站的運(yùn)輸鏟車一次能運(yùn)輸2個(gè)部件，一次需要12分鐘。第二條線的去其他信息由表1給出，最后的產(chǎn)品P1的組裝情況由圖6說明，組裝站的其他信息由表1給出圖6P1的組裝情況說明表1生產(chǎn)過程中的其他信息說明ThesequenceOperation/partOperafionalTime(Gaussiandistributed)￡)閭Cost冏].(li[line)Turning300,60-10Hne)Milling4區(qū)?90-93.(1stJine)DrillingS4a1052134.(1i[line)Gnnding390,70工155.(1S[line)Polishing600t1202a1.(Inline)Bending4*。,120252.(2*line)Drilling360,90-103.(2^line)Grinding240a452104,Qlim匕)Control]20a30-5Assembly1200,300-30MaterialforCPIandCP2/陰MateriallibrCP3/26CP4/I4對(duì)于現(xiàn)有的生產(chǎn)線的仿真模型和仿真結(jié)果在定義完問題之后，就必須開始收集所有的信息包括生產(chǎn)過程中的特性和內(nèi)部物流。根據(jù)所有收集的信息建立仿真模型。生產(chǎn)線的仿真模型由PlantSimulation軟件包做出（圖7），這個(gè)仿真模型說明了當(dāng)前產(chǎn)品當(dāng)前狀態(tài)，包括了當(dāng)前產(chǎn)品的所有特性。最初的仿真模型也叫做“未平衡”模型，描述了沒有優(yōu)化生產(chǎn)線之前的狀態(tài)，它是根據(jù)一個(gè)表建立的，這個(gè)表包含了生產(chǎn)線的最初數(shù)據(jù)和最初生產(chǎn)計(jì)劃。仿真的結(jié)果由表，圖和過程變量呈現(xiàn)出來。緩存區(qū)的狀態(tài)可以直接由圖的狀態(tài)得出，表和變量給出下列信息：——生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量?！诮M裝站和第二條生產(chǎn)線中不合格的數(shù)量。

花費(fèi)（總的和部分的），收入和利益。Sgnu ddfrXJLCaeG5FL39BTrbtcwt」，陰機(jī)圖7組裝生產(chǎn)的仿真模型最初的仿真模型中，只是一些未優(yōu)化生產(chǎn)之前的內(nèi)容輸入進(jìn)去，得出現(xiàn)在的系統(tǒng)怎樣運(yùn)轉(zhuǎn)的一些信息。在這個(gè)仿真運(yùn)行了8個(gè)工作日之后，仿真的結(jié)果由表2給出。表2未優(yōu)化仿真模型的結(jié)果Productmade76Rejecredproduers4Income83625€Profil-48591€Costs132216€RawmaterialforCPIandCP226208€RawmaterialIbrCP334刈eCP4Costofoperaliohs70154e這個(gè)結(jié)果說明生產(chǎn)的現(xiàn)存模型沒有收益，因?yàn)樯a(chǎn)線沒有平衡所以在表2中會(huì)有不必要的花費(fèi)，另一個(gè)指標(biāo)就是緩存區(qū)的狀態(tài)，從圖8中可以看出庫存量太高。在一個(gè)緩存區(qū)能夠達(dá)到500件，所有緩存區(qū)加起來超過1700件。因?yàn)榉抡娴慕Y(jié)果顯示不必要的花費(fèi)所以要對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)平衡化。根據(jù)第二節(jié)得出的方程式和原則對(duì)兩條生產(chǎn)線平衡化。4.1平衡操作在開始平衡生產(chǎn)線之前應(yīng)該首先確定整個(gè)生產(chǎn)線必須生產(chǎn)多少產(chǎn)品。由圖3看出現(xiàn)存生產(chǎn)線在8個(gè)工作日僅僅產(chǎn)生76個(gè)完整產(chǎn)品，目標(biāo)是相同的生產(chǎn)線應(yīng)該在8個(gè)工作日生產(chǎn)300個(gè)產(chǎn)品或者是1個(gè)工作日38個(gè)。buffersbeforethso口心『不皿口nsonrtwfirs*llrwbuffferbeforethetran*portof€P1Gotthea-Eisemhlywork.pl-acea)500piuceGbuff&rabeforeth*opcjatlon^□nfilesecondlineLdff&rb&forotransportofCP3

totheassemliFyworkplace助pi&cesCP■tompo□電且pi&cesCP■tompo□電且IpartBnifersofcomponentpmm(CPL...A)1甲犯「卓th什355Pmbhr圖8緩存區(qū)狀態(tài)（表a是第一條生產(chǎn)線，表b是第二條生產(chǎn)線，表c是等待組裝的部件）通過用公式1和公式2確定工作數(shù)量和用公式3確定平衡生產(chǎn)線的時(shí)間利用率之后，之前的和平衡之后的生產(chǎn)線的狀態(tài)如表3所示表3未平衡仿真模型的結(jié)果BeforebaJaitcingTijneperunitoftheoperadoni,N(teH,e1)回NumberofoperationsAfterbalancingTimeperunitoftheoperalioni,N(螞i，J)間NumberofparalleloperadonsTurning300,6021Turningandpreparation39OJO22Milling480,90二1Milling3907爐2Drilling540,105*1Drilling540JO521Grinding390,7021Grinding39叫那2Polishing600,12011Polishing600J加3Bendingofcase480,12021Bendingandpreparation600J2O22Drillingofcase360,9021Drillingofcase100,7021Grindingofcase240,4521Dritidingofcaseandconirol300,7021Controlofcase120,5021TOGETHER351。,S629TOCETHER5510,S6214如表3所示：在一些情況下一些額外的工作（車削，銃削等等）是必須的，在某種情況下會(huì)做出工作的重新分配，例如在第一條生產(chǎn)線工人車削的操作也為下個(gè)銃削的工作做了準(zhǔn)備。4.2平衡生產(chǎn)線的仿真模型在完成平衡生產(chǎn)線之后所有新的要求和提高的信息必須輸入到仿真模型，現(xiàn)在這個(gè)模型就叫做平衡生產(chǎn)線的模型。這個(gè)仿真模型顯平衡模型更有效但是又出現(xiàn)了新的瓶頸一一鏟車運(yùn)輸和原材料輸入到每條生產(chǎn)線的間隔。鏟車不能從第一和第二生產(chǎn)線運(yùn)輸所有新的部件到組裝站，并且因?yàn)槊織l生產(chǎn)線上第一個(gè)操作正在等待輸入，所以輸入到每條生產(chǎn)線上第一個(gè)操作的時(shí)間間隔是不充分的（如表4）這個(gè)仿真模型實(shí)際上對(duì)“what-if”情節(jié)是個(gè)很好的工具，通過在每條生產(chǎn)線上加鏟車就可以解決第一個(gè)瓶頸。通過調(diào)節(jié)原材料進(jìn)入到每條生產(chǎn)線的時(shí)間間隔第二個(gè)瓶頸也可以解決。怎樣調(diào)節(jié)間隔和加入幾輛鏟車的影響如表4,在表中只有一小部分做為舉例列了出來。第一條生產(chǎn)線的最佳原材料輸入間隔是3分20秒，第二條生產(chǎn)線的是5分10秒并且每條生產(chǎn)線配2輛鏟車。如果時(shí)間間隔減少，緩存區(qū)里將會(huì)有更多的聚集的產(chǎn)品，如果時(shí)間間隔增加，就會(huì)減少生產(chǎn)量。生產(chǎn)線的提高也會(huì)很大程度上減少緩存區(qū)的庫存，在第一條生產(chǎn)線的緩存區(qū)只有4個(gè)部件，第二條生產(chǎn)線的緩存區(qū)只有76個(gè)部件。表4原材料輸入時(shí)間間隔對(duì)生產(chǎn)的影響interval1stlineInterval2ndLineNr.offbrkJifuoneachJine>r.ofcomponentsinallbuffersNr.ofproductsmade[Pieces]5min5min11320SI4min5min11520H43minSmin117201455min4min11952&15minSmin23072004minSmin21992533min30sec5min21252903min2。sec5min21063023min10sec5min12223023minSmin23415023min20sec4min50sec21，93023mtn2IFsecSmln10sec2SO3023min20sec5min20sec21072964.3仿真的最終結(jié)果當(dāng)輸入提高后系統(tǒng)的所有參數(shù)后，仿真得到的結(jié)果如表5表5提高后的仿真結(jié)果Productsmade302Rejectedproducts16Income336730€Profit122S36fCosts213894€RawmaterialforCPIandCP23^12￡RawmaterialforCP333&26€CP41290€Cosiofoperations137466￡5平衡模型和未平衡模型的分析和比較

模型提高后，生產(chǎn)量從76增加到302，而且緩存區(qū)沒有那么多的庫存，仿真的結(jié)果也可以對(duì)每條生產(chǎn)線的時(shí)間利用率提供一個(gè)概述（圖9），圖9呈現(xiàn)了平衡之前和之后的狀態(tài)。很明顯平衡生產(chǎn)之后很大程度上減少了等待上一個(gè)操作完成的時(shí)間?！鯪ot:Wokrlng■顯平衡生產(chǎn)之后很大程度上減少了等待上一個(gè)操作完成的時(shí)間?！鯪ot:Wokrlng■Warbing■Wokfing圖9平衡之前（左）和平衡之后（右）的機(jī)器利用率在執(zhí)行完平衡生產(chǎn)之后，幾乎沒有下一個(gè)操作要等上一個(gè)操作的情況。同時(shí)之前在緩存區(qū)產(chǎn)生的庫存也沒有了。循環(huán)時(shí)間也從88.5