用离散事件仿真平衡优化一个实例讲解

用离散事件仿真平衡优化一个实例生产线
本文我们介绍了一个通过用平衡和离散事件仿真对生产线优化的学习方法，首先介绍了平衡生产线的基本理论和步骤，这个真实的生产过程由两条生产线和一个组装的工作点组成，由此建立仿真模型并得到初始结果，然后介绍了平衡生产过程和用仿真模型更好的提高优化生产过程，从这篇文章的研究结果中可以明显看出通过把平衡生产线和过程优化结合能够极大的提高生产率。

说明
在《Factories of the Future》的讨论中一个主要的目标就是找到一个方法能够有效的管理不可避免的限制和需求能力系统得到一个实时产品。

然而现在的生产实例经常是基于不同生产理论，像精艺生产，时间最优，.......系统等，对供应链和整体装配效率都达到最优。

对于大公司和SMEs精艺系统对优化生产和整体工作已经变成一个参考模型。

所以一些研究工作集中研究生产过程仿真和原料运输和批量优化。

任何过量生产和过量库存都被认为是一种资源浪费，精艺生产的一个主要原则就是仅仅生产顾客真正需要的。

所以，产品组装的一个主要目标是使产品货品短缺和过度存储最小化。

在许多公司，组装过程在基于预期需求由“输出”系统得出，在这种情况下完成产品并且送到下一个工作点或者是由最后一个工作点送入到完成货品的存放地。

在另一个“输入‘系统，工作的进行是由下一个工作站需求决定的，每一个随后的工作站的需求输入都由都由前一个工作站输出决定。

下一个工作站决定被请求的输出是什么时候和输出多少，最后一个工作站的输出是由顾客需求和经理人的生产进度表决定。

因为对这个问题的理解不够充分和对这两个策略的决定都不简单，所以主要精力要放在通过提出针对性的动机交互精益游戏发展一个更完整的输入----输出系统。

它特别适合用在大学的教育体系或者工厂的工作间。

对于TSP问题中减少浪费提高生产效率的一个有效方法也是生产平准化，一个装配线的循环时间是由理想生产率预先决定的，理想生产率就是在一个确定的时间里生产出理想数量的最终产品。

就这点而言，一个主要的问题就是怎样在这个要完成的生产线中安排任务，实现这个目标的一个有效方法就是平衡生产线和工作单元。

这个有效的工具可以提高整个装配线和工作单元从而减少花费和人力需求。

平衡生产线就是对整个生产线中的工作站和工作量进行调平分配从而达到工作安排最优并且消除瓶颈。

考虑到生产过程的特殊方面平衡生产线通常需要不同的方法和算法。

平衡装配线最早是在1961年提出的，从那以后，许多学者又提出许多不同的方法和实例研究。

在本文中我们提出了一个离散事件仿真模型和在一个周期时间内平衡操作时间。

在第二节我们介绍了一个真正的生产线的平衡和它基于的理论。

和以前的研究相比，本文介绍了一个结合离散时间仿真（DES）对生产过程进行较小的平衡调整和修改的实例研究，运用“what-if”情节进一步预先优化生产过程。

2平衡生产线的理论
2.1参数符号
tNAJ – NAJ循环时间[min/piece]
tShf –每轮时间[min/shift]
NShf –每工作一天需要N轮[Shift/Wd]
mnaj –每工作一天需要的数量[piece/Wd]
p –浪费量的缩放因子
ηCB –传送带的影响
NPOi –执行操作i所要求的并行操作的数量
te1i –操作i每个单元所需时间[min/piece]
–工人的平均影响水平
λi –操作i在工作站的时间利用率[%]
NPOchoi –操作i选择Nr并行工作
我们要优化的变量参数是循环时间tNAJ和时间利用率λi
2.2方法论
为了平衡生产线实现的可能性，要求确定循环时间tNAJ，工作量NPOi，时间利用率λi，和一个操作循环时间里的调优时间.
a)确定循环时间
循环时间或者工作循环时间就是产品被生产的时间，对于产品在生产线上的循环时间可以由公式（1）得出：
b）确定在一个工作点工作数量
对于操作i每个工作点必须执行的工作数量可以由下面公式（2）确定：
C）确定工作的时间利用率
在下列情况下计算工作数量NPOi总是四舍五入到整数：
——整个数量超过10%我们舍去
——
所以工作凑整影响工作站的时间利用率（3）
d）在一个操作的循环时间里面调优时间的方法（平衡执行）
有三种可能的在一个操作的循环时间里面调优时间的方法:
1把所有或部分观测的操作重新分配到先前的或之后的操作中去（图1）
2 提高工作方法从而减少每个单元的所用时间te1i
3 对很多相同的工作分享所有的工作站—并行操作（图2）
图1 重新分配操作
图2 并行工作的介绍
3生产线的配置
整个生产线有两条生产线和一个最终组装的地方组成，这个产品由4个不同的部件组成（图3）
图3 组合生产过程方案
第一条生产线加工两种不同的部件CP1和CP2，第二条生产线只加工一种部件CP3，这3种部件在这个工厂里加工产生，而第四种部件CP4由外部供应商提供，在生产线结束的地方有一个组装的地方，在这里四种部件组合的一起形成一个完整的产品。

在所有产生的产品中大约有5%是废品。

生产过程每天操作2轮，每周5天。

第一轮从6:00AM到2:00PM，中间9:00 AM-9:15AM 和12:00 PM -12:45PM是休息时间，第二轮从2：00PM到12:45PM，中间6:00 PM -6:30 PM和8:30 PM -9:00PM是休息时间。

3.1第一条生产线
第一条生产线有5个工作站，每一个工作站在同一时间只能生产一个部件。

原材料来自最初的操作。

所有的下一个操作都是接着上一操作的。

每一个工作站在操作之前都有一个缓存区可以存储所有等待被运输的部件。

在第一条生产线中第一种部件CP1被第一条生产线上的每个工作站都加工一次，而CP2跳过了砖孔这个工作站（图4）。

从生产线到组装站的运输由一个铲车完成，这个铲车一次能运输20个部件，运输一次需要2分钟，CP1和CP2的合格率是100%。

第一条生产线的其他信息由表1给出
图4第一条生产线上每一个部件的加工顺序
3.2第二条生产线
第二条生产线和第一条非常像，不同之处就是它只有4个工作站，这条线只加工一种部件CP3，它的加工顺序见图5
图5 第二条生产线上CP3的加工顺序
在控制站有50%的次品，从第二条线到组装站的运输铲车一次能运输2个部件，一次需要12分钟。

第二条线的去其他信息由表1给出，最后的产品P1的组装情况由图6说明，组装站的其他信息由表1给出
图6 P1的组装情况说明
表1生产过程中的其他信息说明
4对于现有的生产线的仿真模型和仿真结果
在定义完问题之后，就必须开始收集所有的信息包括生产过程中的特性和内部物流。

根据所有收集的信息建立仿真模型。

生产线的仿真模型由Plant Simulation软件包做出（图7），这个仿真模型说明了当前产品当前状态，包括了当前产品的所有特性。

最初的仿真模型也叫做“未平衡”模型，描述了没有优化生产线之前的状态，它是根据一个表建立的，这个表包含了生产线的最初数据和最初生产计划。

仿真的结果由表，图和过程变量呈现出来。

缓存区的状态可以直接由图的状态得出，表和变量给出下列信息：
——生产产品的数量。

——在组装站和第二条生产线中不合格的数量。

——花费（总的和部分的），收入和利益。

图7 组装生产的仿真模型
最初的仿真模型中，只是一些未优化生产之前的内容输入进去，得出现在的系统怎样运转的一些信息。

在这个仿真运行了8个工作日之后，仿真的结果由表2给出。

表2 未优化仿真模型的结果
这个结果说明生产的现存模型没有收益，因为生产线没有平衡所以在表2中会有不必要的花费，另一个指标就是缓存区的状态，从图8中可以看出库存量太高。

在一个缓存区能够达到500件，所有缓存区加起来超过1700件。

因为仿真的结果显示不必要的花费所以要对现有生产平衡化。

根据第二节得出的方程式和原则对两条生产线平衡化。

4.1 平衡操作
在开始平衡生产线之前应该首先确定整个生产线必须生产多少产品。

由图3看出现存生产线在8个工作日仅仅产生76个完整产品，目标是相同的生产线应该在8个工作日生产300个产品或者是1个工作日38个。

图8缓存区状态（表a是第一条生产线，表b是第二条生产线，表c是等待组装的部件）通过用公式1和公式2确定工作数量和用公式3确定平衡生产线的时间利用率之后，之前的和平衡之后的生产线的状态如表3所示
表3 未平衡仿真模型的结果
如表3所示：在一些情况下一些额外的工作（车削，铣削等等）是必须的，在某种情况下会做出工作的重新分配，例如在第一条生产线工人车削的操作也为下个铣削的工作做了准备。

4.2平衡生产线的仿真模型
在完成平衡生产线之后所有新的要求和提高的信息必须输入到仿真模型，现在这个模型就叫做平衡生产线的模型。

这个仿真模型显平衡模型更有效但是又出现了新的瓶颈——铲车运输和原材料输入到每条生产线的间隔。

铲车不能从第一和第二生产线运输所有新的部件到组装站，并且因为每条生产线上第一个操作正在等待输入，所以输入到每条生产线上第一个操作的时间间隔是不充分的(如表4)
这个仿真模型实际上对“what-if”情节是个很好的工具，通过在每条生产线上加铲车就可以解决第一个瓶颈。

通过调节原材料进入到每条生产线的时间间隔第二个瓶颈也可以解决。

怎样调节间隔和加入几辆铲车的影响如表4,在表中只有一小部分做为举例列了出来。

第一条生产线的最佳原材料输入间隔是3分20秒，第二条生产线的是5分10秒并且每条生产线配2辆铲车。

如果时间间隔减少，缓存区里将会有更多的聚集的产品，如果时间间隔增加，就会减少生产量。

生产线的提高也会很大程度上减少缓存区的库存，在第一条生产线的缓存区只有4个部件，第二条生产线的缓存区只有76个部件。

表4 原材料输入时间间隔对生产的影响
4.3仿真的最终结果
当输入提高后系统的所有参数后，仿真得到的结果如表5
表5 提高后的仿真结果
5平衡模型和未平衡模型的分析和比较
模型提高后，生产量从76增加到302,而且缓存区没有那么多的库存，仿真的结果也可以对每条生产线的时间利用率提供一个概述（图9），图9呈现了平衡之前和之后的状态。

很明显平衡生产之后很大程度上减少了等待上一个操作完成的时间。

图9平衡之前（左）和平衡之后（右）的机器利用率
在执行完平衡生产之后，几乎没有下一个操作要等上一个操作的情况。

同时之前在缓存区产生的库存也没有了。

循环时间也从88.5分降到22.25，约下降到原来的四分之一。

并且现在的循环时间更接近组装时间15-25分（表1）
6结论
在这篇文章中介绍了一个实际生产过程的实例学习，在这个实例中最初的生产率非常低并且亏损。

在利用平衡生产线和离散事件仿真模型后，生产量从72增加到302，几乎增加了4倍，收益也从之前的8天亏损€48591到盈利€122836，生产的循环时间也从88分30秒降到22分15秒，在每个操作上要等的时间比也达到最小，之前等的时间占工作时间的30%，而优化后只有2.6%，每个缓存区的库存也达到最小，由之前的1700件减少到80件。

在之前的研究文献中仅仅用平衡生产线得到好的结果，但不是最优的。

如果我们想更好的优化我们可以用很多不同的方法，在这篇文章中我们介绍了离散事件仿真模型，它可以预先在很短的时间内检测不同的“what-if”情节，它是我们找到最优的最简单最快速的方法。

这种方法非常适合SMEs和大企业，因为他们可以把这种方法使用到现有的和未平衡的生产线上。

这个仿真模型建立在商业平台上但是它也能使SMEs有效的利用它对实际生产过程进行优化。

执行不同的“what-if”情节可以仅仅在几分钟得出整年的生产计划。

通过简单的改变生产参数可以立即看到确定参数对生产过程的影响。

由于提前用了“what-if”情节，就可以避免不必要的花费，因为它可以准确的预知仓库什么时候和多大程度上需要进原材料，准确的预知产品什么时候完成可以避免向买方支付罚款，通过确切的知道在一个特定时间段里产品的生产量可以得出工作时间，当需要为一个特定机器服务时就可以提前知道并准备而且减少牛鞭效应。

本文的研究结果证明平衡生产线和离散事件仿真结合的方法对生产线的优化特别是提高生产率是非常有用和有效的。