预制混凝土构件生产过程中的库存仿真与控制研究

well as constant work-in-process system. Then the discrete event
simulation method was used to analyze the inventory, productivity and flow time in the PC production process. Taking the precast stairs in a plant as an example, through field investigation, the paper establishes the simulation models of the push production system and the constant work-in-process system in the precast staircase production process based on JaamSim software, and then conducts simulation analysis on this basis. The simulation results show that the CONWIP system can control the inventory level in the production process of precast concrete components effectively and shorten the production flow ti me.
Key words prefabricated building; precast concrete; discrete event simulation; production process simulation; inventory control
我国建筑业正从传统的现场作业模式转向工业化生产建造模式，各地政府如深圳、西安、天津等地都在推行新建建筑100%采用装配式建造。

然而，对于以混凝土结构为主要体系的装配式建筑而言，其建造成本要显著高于现浇式建筑，这在很大程度上阻碍了装配式建筑的进一步发展
[1]。

此外，目前我国预制混凝土构件厂主
要采用传统的生产管理方式，由于缺少精益计划与控制，导致预制混凝土构件的生产库存浪费严重[2]。

在生产活动中存在两种类型的变量，一种是在特定的工位执行某个任务所消耗的时间，另一种是某个任务达到工位的时间
[3]。

生产过程中的不确定性和变异性是
影响生产表现的重要因素。

为降低变量对生产的影响，通常采用库存作为缓冲
[4]。

然而，额外的库存不仅会使
摘要 我国建筑业正从传统的现浇方式向工业化生产转型，诸
多企业投资建设了预制混凝土构件生产工厂，然而受到生产计划与过程控制的影响，生产成本显著增加。

为此，文章首先分析了预制混凝土构件生产工厂不同的生产控制系统，包括推动生产系统、拉动生产系统及定量在制品生产系统的原理和特点。

然后，通过采用离散事件仿真方法，对预制混凝土构件生产过程中的库存、生产效率、流程时间进行模拟分析。

接着，以某预制构件厂生产的楼梯为例，通过实地调研，基于JaamSim 软件建立了预制楼梯生产过程中的推动生产系统和定量在制品生产系统仿真模型，在此基础上进行仿真分析。

仿真结果表明，定量在制品生产系统可有效控制预制混凝土构件生产过程中的库存水平，并减少生产流程时间。

关键词 装配式建筑；预制混凝土；离散事件仿真；生产过程
模拟；库存控制中图分类号 TU741文献标识码 A 基金项目 
深圳职业技术大学2023年质量工程项目
（7023310159，7023310184）DOI 10.19892/ki.csjz.2023.22.45
Abstract The building and construction industry of China is transforming from the traditional cast-in-place method to the industrialized construction method. Many firms have invested and built the precast concrete (PC) components plants in recent years. However, due to the influence of the planning control and process control, the production costs increase significantly. Thus, the paper firstly analyzes the principles and characteristics of different production control system of the precast concrete component manufacturing factories, including push system, pull system as
作者简介：李晓丹（1991—），男，讲师。

研究方向：工业化建造、精益管理、数字化转型。

通信作者：喻博（1994—），男，讲师。

研究方向：可持续工程建造与管理。

作者单位：深圳职业技术大学建筑工程学院
预制混凝土构件生产过程中的库存仿真与控制研究
Research on Simulation and Control of Inventory in Production Process of Precast Concrete Components
李晓丹 喻 博
Li Xiaodan, Yu Bo
成本增加，而且还会阻碍对需求变量的快速响应。

此外，从精益管理的角度来看，搬运、储存和管理库存均属于不增加价值的活动[5]。

因此，一种综合考虑生产变量和库存控制的策略对提高生产表现非常关键。

离散事件仿真（discrete event simulation, DES）方法在工程项目施工、机械制造等领域均有广泛应用，具体表现为施工进度计划仿真与进度风险识别[6]、施工过程的环境影响评价[7]、生产线布置与生产调度[8]等。

例如，罗时朋等[9]针对建筑工程施工中普遍存在的随机性与重复性，构建了基于离散事件仿真的房屋建筑通用调度优化仿真模型，能有效实现项目资源、成本与工期的优化。

连宇臣等[10]在对航空发动机的装配线进行建模的基础上，结合离散事件仿真和价值流分析方法，对关键生产指标和主要影响要素进行了仿真与优化。

付建林等[11]针对柔性制造系统，以生产周期和设备利用率等为评价指标进行了仿真试验，求解最优生产策略。

综上，本文以预制混凝土构件生产过程为研究对象，基于离散事件仿真模拟不同生产方式下预制构件生产过程的库存水平，在此基础上提出改进建议和策略，以期减少和消除预制混凝土构件生产过程中的浪费，为工厂生产计划和控制提供决策依据。

1不同类型生产控制系统的原理及特点
1.1推动生产系统
推动生产系统是指生产任务提前计划，主要表现为使用物料需求计划来管理和控制生产。

由于需要提前制订详细的计划，往往将前置期设定为一个定值，而不是根据产能利用情况来设定，因此诸多学者指出推动生产系统制定的计划不够灵活、没有考虑生产内在的随机因素所导致的生产提前或延误[12]。

然而，推动生产系统具有适用范围广的优点，目前广泛应用于离散产品制造环境中。

1.2拉动生产系统
不同于推动生产系统，拉动生产系统不提前计划任务的开始时间，而是按照指令生产。

最具代表性的拉动生产系统为Kanban系统，其中“Kanban”是“传票卡”的意思，通过Kanban授权上游的工位开始生产或部件的传送，因而Kanban的数量决定了生产制造系统中的在制品数量。

在Kanban系统中，随着最后一个环节的产品离开生产线，将反流程向前拉动整个生产线的运转。

拉动生产系统对生产环境的要求较为严格，系统中的各项需求均为现场触发，通过现场灵敏的反应来满足不断变化的需要，主要应用于生产大量且重复制造的产品[13]。

1.3定量在制品生产系统
由于推动生产系统和拉动生产系统各有利弊，因此有学者将两者结合起来，形成混合生产系统，被称为定量在制品生产系统（constant work-in-process，CONWIP）。

在定量在制品生产系统中，由于在制品的生产过程为原材料准备到加工完毕，是有计划地实施，因此可将定量在制品生产系统认为是一个推动生产系统。

同时，又由于制品的生产过程是在前一个产品生产完成后开始的，因此又可将定量在制品生产系统认为是一个拉动生产系统。

定量在制品生产系统采用的控制策略既不同于推动生产系统中使用的集中式控制策略，也不同于拉动生产系统中使用的分散式控制策略，其属于一种混合式控制策略，既保留了集中控制的优点，又保留了分散控制适应变化能力强的优点[14]。

此外，在定量在制品生产系统中，一个新的任务开始时，仅有一个已经存在的任务完成，新的任务与刚完成的任务为同一条生产线，但可以是不同型号和规格的产品。

因此，定量在制品生产系统比推动生产系统和拉动生产系统的适用范围更广，可适用于生产多品种、小批量的产品。

2生产控制系统的仿真
JaamSim软件是面向对象的仿真软件，能让离散事件仿真所需的仿真实体、随机分布函数、时钟、仿真参数统计等元素以对象的形式存在，且具备仿真元素可视化、能通过使用文件编辑的方式建立模型等优点，因而本文使用JaamSim软件建立预制混凝土构件生产系统的仿真模型。

预制混凝土构件生产中的元素主要由计划任务、生产资源（包括人工、机械和材料）及生产活动组成。

本文在JammSim软件中，设定的预制混凝土构件生产系统主要元素的图例如图1所示。

本文通过对预制混凝土构件生产企业的实地调研，厘清了预制混凝土构件的生产流程。

在此基础上，分别模拟了预制混凝土构件采用传统的推动生产系统和定量在制品生产系统的生产过程，并从库存水平、生产效率、流程时间等方面对两者进行了对比分析。

2.1预制混凝土构件生产流程
以预制楼梯构件为例，其生产流程如图2所示。

具体的生产活动包括：模具装配、钢筋及预埋件的位置测量、钢筋安装、预埋件安装、质检、浇筑混凝土、混凝土养护、模具拆除、构件抹平、构件起吊与运输、模台清理。

所需的生产资源包括：模具装配工、测量工、钢筋安装工、预埋件安装工、质检工、混凝土浇筑工、模具拆除工、抹平工、起吊运输工、模台清理工、边模、底模、混凝土、钢筋、预埋件、行车和卡车。

预制楼梯构件生产过程中，各工序所需的资源和平均操作时间如表1所示。

根据现有研究可知，各工序的操作时间服从三角分布[15]。

2.2推动生产系统
由于本文的任务和资源种类较多，因此使用代码创建更加便捷，本文在JaamSim 软件中进行仿真分析的部分代码及其含义表示如下：
1 assemble_molds_S NextComponent{assemble_molds}
2 a s s e m b l e _m o l d s D u r a t i o n {T r i a n g u l a r Distribution_assemblemolds}
3 a s s e m b l e _m o l d s _S W a i t Q u e u e {Q u e u e _assemble}
4 assemble_molds_S Resource {assemble_worker bottom_molds side_molds}
5 assemble_molds_S NumberOfUnits{{'1.0'} {'1.0'} {'1.0'}}
第一行：assemble_molds_S 表示对象负责占用资源，NextComponent{assemble_molds}表示占用资源后执行装配模具的活动。

第二行：Duration {TriangularDistribution_assemblemolds}表示模具装配的时间服从三角分布。

第三行：如果模具装配活动正在进行，则到来的任务在WaitQueue {Queue_assemble}队列中等待。

第四行和第五行分别表示占用
资源的种类和数量{assemble_worker bottom_molds side_molds}，即分别占用1个装配工人、1个底模和1个边模。

图3为预制构件生产过程中的模拟快照，其中图3（a）为2个任务正在等待放置钢筋，1个构件正在放置钢筋，1个构件正在放置预埋件；图3（b）为1个
表1 预制楼梯构件生产各工序消耗的资源和平均操作时间
工序消耗资源操作时/min
清理钢模清理工12.5模具拼装装配工，边模20测量划线测量员5安装钢筋钢筋工，钢筋30安装预埋件预埋件安装工，预埋件
28检验检察员10浇筑混凝土及振捣浇筑工，混凝土
22表面压光抹平
抹平工16养护自然养护485模具拆除
拆模工
16
任务
随机分布函数请求资源
连接符
生产活动
产生计划任务任务结束
赋值函数
库存
生产资源
传票卡
释放资源
浇筑混凝土及振捣 表面压光抹平
养护 模具拆除 吊装 堆场存储
清理钢模
模具拼装测量划线安装钢筋安装预埋件
检验
合格
不合格
图1 预制构件生产系统中主要元素的图例（图片来源：作者自绘）图2 预制楼梯构件生产流程（图片来源：作者自绘）
图3 预制混凝土构件生产过程模拟快照（图片来源：作者自绘）
放置钢筋放置钢筋开始放置钢筋完成放置预埋件开始放置预埋件
放置预埋件完成
（a）钢筋放置工位的库存仿真快照
（b）多个构件并行养护的仿真快照
压光抹平
浇筑砼
浇筑砼开始浇筑砼完成压光抹平开始压光抹平完成养护开始养护完成
养护
构件正在浇筑，1个构件正在压光抹平，3个构件正在养护。

2.3定量在制品生产系统
由于定量在制品生产系统比推动生产系统增加了传票卡，因此本文在进行仿真时，增加了一个资源对象，即传票卡。

传票卡在预制构件生产的第一项活动（模具装配）就开始携带，授权模具装配，当预制构件完成模具拆除这一项活动（预制构件吊装离开生产线）时，传票卡被释放，重新回到第一项活动，进而拉动预制构件生产。

JaamSim 软件中的部分代码如下：
1 assemble_molds_S Resource {assemble_worker bottom_molds side_molds card}
2 assemble_molds_S NumberOfUnits {{'1.0'} {'1.0'} {'1.0'} {'1.0'}}
3 strip_R Resource {side_molds strip_worker card}
4 strip_R NumberOfUnits {{'1.0'} {'1.0'} {'1.0'}}5 card Capacity {20}
相比于推动生产系统仿真而言，第一行的assemble_molds_S 对象属性增加了传票卡这一资源；第三行的strip_R 对象表示模具拆除完成，已释放资源，包括边模、模具、拆除工人和传票卡。

3仿真结果分析
通过对预制楼梯构件生产系统的初步仿真可知，位置测量工位和安装钢筋工位之间的库存较长，因此本文重点模拟了上述工位的队列情况并进行了对比分析。

具体而言，本文模拟了100个生产任务，并分别采用传统的推动生产系统和定量在制品生产系统对100个生产任务从第一个工位开始到最后一个工位结束的全过程进行模拟与统计分析，结果如图4所示。

其中，横轴表示库存的数量（两个工位之间的排队数量），纵轴表示库存数量的频率和累积概率。

仿真结果表明，传统的推动生
产系统在测量工位和钢筋安装工位有很大的库存，库存数量为9个的概率最大。

然而，定量在制品生产系统的相比于推动生产系统而言，库存水平有了大幅下降，库存数量保持在5个以下，其中超过80%的工位库存为0个。

为进一步研究定量在制品生产系统在控制库存的同时，是否会影响生产效率和流程时间，本文对比分析了推动生产系统和定量在制品生产系统的生产效率和流程时间。

针对生产效率，即每隔多少分钟生产出一个构件，仿真结果如图5所示。

其中，横轴表示产出的间隔时间，纵轴表示间隔时间频率和累积概率。

研究结果表明，推动生产系统和定量在制品生产系统的产出间隔时间概率分布相似，间隔时间为33 min 的概率均为最大。

因此，定量在制品生产系统在有效控制库存数量的同时，并未降低生产效率。

针对流程时间，即一个任务从第一个工序开始直到最后一个工序结束所消耗的时间。

本文模拟了100个生产任务，仿真结果如图6所示。

其中，横轴表示流程时间，纵轴表示流程时间频率和累积概率。

研究结果表明，推动生产系统的最大流程时间为980 min，流程时间为960 min 的概率最大。

相比之下，定量在制品生产系统的最大流程时间仅为770 min，同时流程时间为670 min 的概率最大。

因此，预制混凝土构件在定量在制品生产系统中的流程时间要明显少于传统的推动生产系统，这就表明由于库存的降低，排队时间减少，构件能够快速在生产系统中向下游传送。

4结论
生产控制管理是精益生产的重要组成部分，是实现生产计划与控制、降低成本的重要手段。

本文介绍了精益生产中的定量在制品生产系统，并将该系统引入工业化建筑预制混凝土构件生产控制中，通过离散事件仿真
806040200
10080
6040200
频率/次
库存数量/个频率 累积概率
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
100806040200
100806040200
频率/次
库存数量/个频率 累积/%
0 1 2 3 4 5
图4 不同生产系统的库存水平对比（图片来源：作者自绘）
（a）推动生产系统的库存水平
（b）定量在制品生产系统的库存水平
累积概率/%
累积概率/%
方法将传统的推动生产系统和定量在制品生产系统进行对比，结果表明定量在制品生产系统在保持生产效率不变的条件下，能控制库存、缩短流程时间、减少浪费和降低成本。

参考文献
[1] 陈富平，王楠．装配式建筑全生命周期能耗成本增量控制仿真[J] ．计算机仿真，2023，40（01）：373-377．
[2] 李天新，李忠富，李丽红，等．基于LC-BIM 的装配式建筑建造流程管理研究[J]．建筑经济，2020，41（07）：38-42．[3] 娄高翔，蔡宗琰，刘清涛．一种新型混合算法在混流装配调度中的应用[J]．计算机工程与应用，2018，54（16）：254-259．[4] 刘勤明，梅嘉健，叶春明，等．考虑多缓冲库存情景的生产系统预防维护研究[J]．系统工程学报，2020，35（06）：782-795．[5] 李晓丹．装配式建筑建造过程计划与控制研究[D]．大连：大连理工大学，2018．
[6] 王飞,刘金飞,尹习双，等．高拱坝智能进度仿真理论与关键技术[J] ．清华大学学报（自然科学版），2021，61（07）：756-767．[7] 
于斌，孙悦．基于离散事件模拟沥青路面施工对环境的影响[J]．
频率 累积概率
10080
6040200
20151050
频率/次
时隔时间/min
19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
频率 累积概率
100806040200
20151050
频率/次
19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45
时隔时间/min
图5 不同生产系统的生产效率对比（图片来源：作者自绘）
（a）推动生产系统的生产效率
（b）定量在制品生产系统的生产效率
交通运输工程学报，2018，18（04）：12-21．
[8] 
李扬，丁顺玉，何月杰，等．基于仿真的装配生产线布局设计与优化[J]．制造技术与机床，2021（01）：51-55．[9] 
罗时朋，LWENJE T，王卫锋．基于离散事件仿真的房屋建筑工程项目调度优化[J]．土木工程与管理学报，2021，38（05）：85-90．
[10] 连宇臣，陈津，程奂翀，等．航空发动机脉动式装配线离散事件仿
真设计[J]．航空制造技术，2021，64（16）：65-71．
[11] 付建林，姜良奎，林蓝，等．基于离散事件仿真的FMS 生产策略
优化[J]．现代制造工程，2020（08）：27-31．
[12] 程小川，李成松，宋海草，等．机械式穴播器装配线在制品优化研
究[J]．现代制造工程，2018（08）：5-10，19．
[13] 李月，李明颖，王德权，等．精益生产的发动机装配线看板管理研
究与应用[J]．组合机床与自动化加工技术，2017（03）：154-157．
[14] 黄夏宝，龚丽云，杨立熙．基于价值流图的车载面板车间优化[J] ．
现代制造工程，2021（02）：8-15．
[15] CHEN J, YANG L, TAI H. Process Reengineering and 
Improvement for Building Precast Production [J]. Automation in Construction, 2016, 68: 249-258.
10080
6040200
706050403020100
频率/次
频率 累积概率
流程时间/min 660 700 740 780 820 860 900 940 980
100806040200
605040302010
频率/次
频率 累积概率
累积概率/%
累积概率/%
累积概率/%
累积概率/%流程时间/min 660 670
680
690
700
710
720
730
740
750
760
770
图6 不同生产系统的流程时间对比（图片来源：作者自绘）
（a）推动生产系统的流程时间
（b）定量在制品生产系统的流程时间。