整车生产物流系统中模拟仿真技术应用专题研究

整车生产物流系统中模拟仿真技术应用专题研究

孙振华

宾夕法尼亚州立大学，上海 200003

摘要：本文结合新能源整车制造焊装车间物流运作仿真实例，探讨运用Flexsim仿真软件对生产物流系统进行方案验证，并提出解决方案。通过建立物流运作仿真模型和输出关键统计参数，验证并优化设计方案，测算出滑橇、无人搬运车(AGV)、叉车等物流设备最优投入数量。同时通过仿真模型的虚拟运行提前识别和解决运作流程中的瓶颈点和风险点，实现实际物流运作系统和仿真模型的虚实映射，为企业优化投资策略，降低运作风险。

关键词：模拟仿真；虚实映射；整车生产物流系统

引言：随着新能源整车企业向数字化转型，业务流程数字化与模拟仿真技术的大规模应用成为构建和提升企业数字化能力的必备要素。模拟仿真技术的应用逐步扩展并贯穿于汽车产品生产制造的全生命周期。与此同时，在新能源企业整车年交付量以2-3倍的速度增长和行业竞争日趋激烈的大背景下，对整车生产物流系统也提岀了降本增效的需求。另外，更加注重数字化和智能化制造的新能源整车企业的生产物流系统正快速地从传统人工密集型的操作方式向自动化物流过渡，其复杂性大大提升。自动化方案实施后变更成本很高，这无疑给物流前期规划提出了很高要求。因此，模拟仿真技术在生产物流系统规划和实施中的应用已成为行业内趋势。

自动化物流系统与需要依靠大量人力的传统物流系统相比而言，其前期规划更具挑战性，主要原因在于：首先，其复杂性高，需要在自动化程序驱动的复杂逻辑下进行运作，通过传统的规划方法很难进行准确的预测；其次，对尚未建成的物流系统的资源需求进行静态的数学计算，很难对系统中的随机事件和系统状态随时间的变化趋势进行准确的评估。在这种背景下，模拟仿真技术就成为了一种数字化和智能化的解决方案，将物流系统的运作逻辑通过计算机进行建模，并输出有效的统计通过，帮助企业决策者基于数据更高效地作出决策，降低决策风险。

一、全自动物流配送工厂的仿真需求

1.模拟仿真技术的发展应用

将模拟仿真技术应用于物流系统是一项伟大的突破，其实际意义明显，它不仅能够有效控制成本，更重要的是提高了物流的运作效率，一些汽车生产企业已经通过实际运用证实了它的价值。

（1）基于汽车企业物流生产的现状。汽车企业生产物流所处的环境及需求比较特殊，主要表现在：首先，企业需要从供应商仓库将生产需要的原材料、零件装卸好运往汽车企业，然后放置到指定生产线，并按加工流程依次经过每个环节，形成涉及多个用户的完整供应链流。所以，汽车企业的生产物流并非局限于某个单一环节，相反，它涉及到所有环节。所以 物流系统建设成本、复杂程度也相应提高。

（2）基于新项目投入成本的考虑。如果不依托模拟仿真技术，一般要在生产后才能判断出工艺物流是否能够满足生产所需，但是无论实际结果如何，生产系统都无法做出更改。所以，规划人员为确保方案与实际生产需求更相符，会耗用更多的时间进行规划，备产周期会被延长，生产线以及输送系统的成本投入也会随之提高。但模拟仿真却不同，有了它，以上问题便迎刃而解，而且仿真分析在规划初便开始运用，直到物流系统的全生命周期结束止，极大的方便了物流规划工作，规划人员也能更早的掌握实际运行情况。

（3）基于提高技术人员规划水平的需要。车企物流被形象的喻为汽车工厂的“第五大工艺”，在汽车生产及制造方面的地位日渐突显。与传统汽车生产工艺相比，最大的不同就在于它的自主性强。工厂进行物流规划时，必须结合车型的工艺特点、产能、供应商供给、生产进度等来选择，因此对物流技术人员的要求比较高。而运用仿真技术以后，技术人员在进行规划时的准确度会明显提高，同时还能更深入的解读工厂物流指示，找到物流生产体系中存在的问题，然后进行针对性的优化和调整。

2.全自动物流配送仿真难点

脱离人工操作，提前设定好各项参数和流程，机器或机械设备按照指令完成生产的整个过程即属于机械自动化。在机械自动化领域，物流自动配送早已是其中不可或缺的一部分，而汽车生产企业大力推广和使用的原因在于：首先，机械自动化容错率高，生产效率显著；其次，降低了人力资源成本，增强了企业的整体竞争实力。今后，机械自动化还会向更多领域、更多产业发展，适用场景也会逐渐增多 。[1]

自动化配送仿真的难点主要体现在：

（1）汽车制造厂目前主要依靠的还是生产线，零件配送和供给需要按照生产线需求来完成。但这个过程的实现同时要受排产顺序、可动率等诸多因素的影响，所以很难形成一种固定的配送路径和周期。

（2）人为操作始终存在，无法根除。汽车工厂内外物流的衔接需要通过二次分拣来实现，外物流更多的是考虑运输成本，所以零件工厂必须按标准进行包装，在规定的周期内完成订货。而经过检验合格的标准包装按生产线的需要，以定时不定量或看板等形式放置在生产线旁。[2]

二、仿真模型的假设与搭建

本实例主要研究新建的焊装车间的生产物流系统环境。整个车间全线采用虚拟安装、调试、仿真技术，通过数字化设计，对工艺、信号等所有环节的可行性有多高、可靠性有多强进行测试，希望通过虚拟的方式，完成设计到实际生产的顺利衔接。

1.工艺流程

基本流程如下：

（1）完成冲压的地板线、侧围线等零件进行焊接、组装，然后调整装配线完成四门两盖的安装，最后将得到的白车身送至涂装生产线。

（2）车间内分为多层，车身和空滑橇通过升降机、滚床和移行机等设备，在多层空间形成循环。

（3）系统受厂房面积和产能提升限制，方案存在不确定因素。

2.仿真目标

根据实际需求，基于Flexsim三维仿真软件开始仿真，建立焊装车间、AGV物流配送模型，通过系统仿真手段完成方案的评估与验证，以实现以下目标：

（1）借助三维仿真软件，建立机械化输送系统的仿真模型，确保动态性和模块化。

（2）对目前使用的工艺能否达到既定产能进行验证，如果无法达产，就要进行分析，同时提出具体的优化方案和措施。

（3）利用虚拟技术并结合仿真数据进行分析，对焊装车间的设计方案进行不断改进，然后评估出需要的滑撬、AGV、叉车数量，找出焊装车间产能的瓶颈点所在。

（4）一直进行多随机数的仿真和验证，从而得到车身库系统至少需要多少滑撬、AGV和叉车。

（5）运用多媒体技术，通过虚拟化的手段制作出三维焊装车间的生产动画。

（6）连接车间信息系统数据库获取实时生产和物流信号，实现虚实互联。

3.工艺参数

生产线基础数据：

开动率：85%。

节拍：18JPH (门盖 20JPH)。

工作时间：16h/天(双班8 +8)， 250天/年。

生产纲领：单班144辆。

生产节拍:170s，年产7万台。

厂房Layout参数

焊装车间占地面积约为15000 rf,厂房为两层结构，整体高度21. 5m左右。

物流搬运设备

叉车：5台，尺寸2880mm x 1083mm x2018mmc

货车

装载方式(规则)：积载率50% a

装卸完成的作业时间(空满交换)：5min。

装卸完成的作业速度：25km/h。

AGV：AGV参数见下表。

4.仿真过程

以生产线布局图为背景，根据工艺流程，在Flexsim建立各工艺段，再利用“Internet”接口在顶层模型中连接所有存在联系的子模型，最后构建出完整的仿真模型。单线体仿真界面如图所示。

单线体仿真界面

最后，在Flexsim中建立二维模型，完成仿真编成后导入数模搭建三维模型

三、仿真的流程和意义

1.确定仿真流程

（1）仿真输入：方案整体布局图和时序图、节距和节拍、可能需要的设备数量等。

（2）进行分析：建模、输入程序和参数，对方案进行验证。

（3）调整方案：再次进行仿真，完成验证，直到获得最优解。

（4）做出结论：完成报告，制作视频。

2.应用仿真的意义

（1）模拟布局和线路，可获得清晰明了的物流方案落实情况和可能达到的效果。

（2）基于仿真数据分析，获取最优的设备和资源投入，提高资源利用率，节省成本。

（3）预测实际生产中可能出现的瓶颈，提前优化，以减少后期时间和成本的浪费。

结论：本实例基于Flexsim软件对焊装车间的生产物流流程进行全过程仿真,同时与实际情况相结合,验证涉及方案的可行性，提前发现并解决了多个瓶颈问题，降低了后期方案调整的成本。通过实例也可验证说明，仿真技术的运用可以实现费用、能源、资源的节约以及相应流通环节时间的减少,为企业带来长远的利益。

参考文献

1.杨耀勇，李华峰，延玉军，俞雪申。汽车总装车间智能物流输送技术研究[C]。2020中国汽车工程学会年会论文集（5）：pp546。

2.王力锋，杨华玲，杨浩雄。计算机仿真软件模拟物流系统的实例研究。山东农业工程学院学报。2017,34(11):pp50-53。

作者简介：孙振华（1986.7-），男，汉族，上海人，硕士，高级工程师，研究方向为智能物流、模拟仿真