用離散事件仿真平衡優(yōu)化一個實例講解

用離散事件仿真平衡優(yōu)化一個實例生產(chǎn)線本文我們介紹了一個通過用平衡和離散事件仿真對生產(chǎn)線優(yōu)化的學習方法，首先介紹了平衡生產(chǎn)線的基本理論和步驟，這個真實的生產(chǎn)過程由兩條生產(chǎn)線和一個組裝的工作點組成，由此建立仿真模型并得到初始結果，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果中可以明顯看出通過把平衡生產(chǎn)線和過程優(yōu)化結合能夠極大的提高生產(chǎn)率。說明在《FactoriesoftheFuture》的討論中一個主要的目標就是找到一個方法能夠有效的管理不可避免的限制和需求能力系統(tǒng)得到一個實時產(chǎn)品。然而現(xiàn)在的生產(chǎn)實例經(jīng)常是基于不同生產(chǎn)理論，像精藝生產(chǎn)，時間最優(yōu)，.......系統(tǒng)等，對供應鏈和整體裝配效率都達到最優(yōu)。對于大公司和SMEs精藝系統(tǒng)對優(yōu)化生產(chǎn)和整體工作已經(jīng)變成一個參考模型。所以一些研究工作集中研究生產(chǎn)過程仿真和原料運輸和批量優(yōu)化。任何過量生產(chǎn)和過量庫存都被認為是一種資源浪費，精藝生產(chǎn)的一個主要原則就是僅僅生產(chǎn)顧客真正需要的。所以，產(chǎn)品組裝的一個主要目標是使產(chǎn)品貨品短缺和過度存儲最小化。在許多公司，組裝過程在基于預期需求由“輸出”系統(tǒng)得出，在這種情況下完成產(chǎn)品并且送到下一個工作點或者是由最后一個工作點送入到完成貨品的存放地。在另一個“輸入‘系統(tǒng)，工作的進行是由下一個工作站需求決定的，每一個隨后的工作站的需求輸入都由都由前一個工作站輸出決定。下一個工作站決定被請求的輸出是什么時候和輸出多少，最后一個工作站的輸出是由顧客需求和經(jīng)理人的生產(chǎn)進度表決定。因為對這個問題的理解不夠充分和對這兩個策略的決定都不簡單，所以主要精力要放在通過提出針對性的動機交互精益游戲發(fā)展一個更完整的輸入----輸出系統(tǒng)。它特別適合用在大學的教育體系或者工廠的工作間。對于TSP問題中減少浪費提高生產(chǎn)效率的一個有效方法也是生產(chǎn)平準化，一個裝配線的循環(huán)時間是由理想生產(chǎn)率預先決定的，理想生產(chǎn)率就是在一個確定的時間里生產(chǎn)出理想數(shù)量的最終產(chǎn)品。就這點而言，一個主要的問題就是怎樣在這個要完成的生產(chǎn)線中安排任務，實現(xiàn)這個目標的一個有效方法就是平衡生產(chǎn)線和工作單元。這個有效的工具可以提高整個裝配線和工作單元從而減少花費和人力需求。平衡生產(chǎn)線就是對整個生產(chǎn)線中的工作站和工作量進行調(diào)平分配從而達到工作安排最優(yōu)并且消除瓶頸?？紤]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，許多學者又提出許多不同的方法和實例研究。在本文中我們提出了一個離散事件仿真模型和在一個周期時間內(nèi)平衡操作時間。在第二節(jié)我們介紹了一個真正的生產(chǎn)線的平衡和它基于的理論。和以前的研究相比，本文介紹了一個結合離散時間仿真（DES）對生產(chǎn)過程進行較小的平衡調(diào)整和修改的實例研究，運用“what-if”情節(jié)進一步預先優(yōu)化生產(chǎn)過程。2平衡生產(chǎn)線的理論參數(shù)符號tNAJ-NAJ循環(huán)時間[min/piece]tShf-每輪時間[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每個單元所需時間[min/piece]-工人的平均影響水平H操作i在工作站的時間利用率[%]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)時間WAJ和時間利用率友方法論為了平衡生產(chǎn)線實現(xiàn)的可能性，要求確定循環(huán)時間WAJ，工作量NPOi，時間利用率萬，和一個操作循環(huán)時間里的調(diào)優(yōu)時間.a）確定循環(huán)時間循環(huán)時間或者工作循環(huán)時間就是產(chǎn)品被生產(chǎn)的時間，對于產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的循環(huán)時間可以由公式（1）得出：tNA）=———'n?T[min/piece]（1）小曲|pPb）確定在一個工作點工作數(shù)量對于操作i每個工作點必須執(zhí)行的工作數(shù)量可以由下面公式（2）確定:C）確定工作的時間利用率在下列情況下計算工作數(shù)量NPOi總是四舍五入到整數(shù):——整個數(shù)量超過10%我們舍去所以工作湊整影響工作站的時間利用率（3）d）在一個操作的循環(huán)時間里面調(diào)優(yōu)時間的方法（平衡執(zhí)行）有三種可能的在一個操作的循環(huán)時間里面調(diào)優(yōu)時間的方法：1把所有或部分觀測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單元的所用時間teli3對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)線的配置整個生產(chǎn)線有兩條生產(chǎn)線和一個最終組裝的地方組成，這個產(chǎn)品由4個不同的部件組成（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種部件在這個工廠里加工產(chǎn)生，而第四種部件CP4由外部供應商提供，在生產(chǎn)線結束的地方有一個組裝的地方，在這里四種部件組合的一起形成一個完整的產(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是休息時間。第一條生產(chǎn)線第一條生產(chǎn)線有5個工作站，每一個工作站在同一時間只能生產(chǎn)一個部件。原材料來自最初的操作。所有的下一個操作都是接著上一操作的。每一個工作站在操作之前都有一個緩存區(qū)可以存儲所有等待被運輸?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)線上的每個工作站都加工一次，而CP2跳過了磚孔這個工作站（圖4）。從生產(chǎn)線到組裝站的運輸由一個鏟車完成，這個鏟車一次能運輸20個部件，運輸一次需要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輸鏟車一次能運輸2個部件，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對于現(xiàn)有的生產(chǎn)線的仿真模型和仿真結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），這個仿真模型說明了當前產(chǎn)品當前狀態(tài)，包括了當前產(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)一個表建立的，這個表包含了生產(chǎn)線的最初數(shù)據(jù)和最初生產(chǎn)計劃。仿真的結果由表，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。——在組裝站和第二條生產(chǎn)線中不合格的數(shù)量。

花費（總的和部分的），收入和利益。Sgnu ddfrXJLCaeG5FL39BTrbtcwt」，陰機圖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)容輸入進去，得出現(xiàn)在的系統(tǒng)怎樣運轉(zhuǎn)的一些信息。在這個仿真運行了8個工作日之后，仿真的結果由表2給出。表2未優(yōu)化仿真模型的結果Productmade76Rejecredproduers4Income83625€Profil-48591€Costs132216€RawmaterialforCPIandCP226208€RawmaterialIbrCP334刈eCP4Costofoperaliohs70154e這個結果說明生產(chǎn)的現(xiàn)存模型沒有收益，因為生產(chǎn)線沒有平衡所以在表2中會有不必要的花費，另一個指標就是緩存區(qū)的狀態(tài)，從圖8中可以看出庫存量太高。在一個緩存區(qū)能夠達到500件，所有緩存區(qū)加起來超過1700件。因為仿真的結果顯示不必要的花費所以要對現(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)線之前應該首先確定整個生產(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個工作日僅僅產(chǎn)生76個完整產(chǎn)品，目標是相同的生產(chǎn)線應該在8個工作日生產(chǎn)300個產(chǎn)品或者是1個工作日38個。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銃削的工作做了準備。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)在這個模型就叫做平衡生產(chǎn)線的模型。這個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)線運輸所有新的部件到組裝站，并且因為每條生產(chǎn)線上第一個操作正在等待輸入，所以輸入到每條生產(chǎn)線上第一個操作的時間間隔是不充分的（如表4）這個仿真模型實際上對“what-if”情節(jié)是個很好的工具，通過在每條生產(chǎn)線上加鏟車就可以解決第一個瓶頸。通過調(diào)節(jié)原材料進入到每條生產(chǎn)線的時間間隔第二個瓶頸也可以解決。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。如果時間間隔減少，緩存區(qū)里將會有更多的聚集的產(chǎn)品，如果時間間隔增加，就會減少生產(chǎn)量。生產(chǎn)線的提高也會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個部件，第二條生產(chǎn)線的緩存區(qū)只有76個部件。表4原材料輸入時間間隔對生產(chǎn)的影響interval1stlineInterval2ndLineNr.offbrkJifuoneachJine>r.ofcomponentsinallbuffersNr.ofproductsmade[Pieces]5min5min11320SI4min5min11520H43minSmin117201455min4min11952&15minSmin23072004minSmin21992533min30sec5min21252903min2。sec5min21063023min10sec5min12223023minSmin23415023min20sec4min50sec21，93023mtn2IFsecSmln10sec2SO3023min20sec5min20sec21072964.3仿真的最終結果當輸入提高后系統(tǒng)的所有參數(shù)后，仿真得到的結果如表5表5提高后的仿真結果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，仿真的結果也可以對每條生產(chǎn)線的時間利用率提供一個概述（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操作完成的時間。■Not:Wokrlng■顯平衡生產(chǎn)之后很大程度上減少了等待上一個操作完成的時間。■Not:Wokrlng■Warbing■Wokfing圖9平衡之前（左）和平衡之后（右）的機器利用率在執(zhí)行完平衡生產(chǎn)之后，幾乎沒有下一個操作要等上一個操作的情況。同時之前在緩存區(qū)產(chǎn)生的庫存也沒有了。循環(huán)時間也從88.5