路 畅 周 健

(同济大学 机械与能源工程学院 上海201804)

自2018年以来，受全球经济增速放缓影响，中国车市未能延续28年的单边上升趋势，出现首跌后进入深度调整。国内乘用车市场连续数月负增长，正式步入了低速缓增长阶段。各大车企竞争的主战场已从增量争夺转成存量争夺，严峻的国内汽车市场形势导致车企承受的压力不断增加，以提升产品竞争力、降低制造成本为主的开源节流措施势在必行。

传统汽车的动力总成（发动机及变速箱）制造，有着工艺复杂、质量要求高、投资大的特点。动力总成项目的精益规划和实施，可以有效地降低整车成本，提高整车的核心竞争力。在当前整体车市低迷的大环境下，严谨和精细的制造规划显得尤为重要[1]。

1 生产系统仿真概述

生产系统是由机器、物料以及操作人员组成的离散事件系统。生产系统仿真，是指运用计算机技术对生产系统的各个组成环节建立仿真模型并运行测试，模拟真实生产系统的运作和变化场景，在规定时间内顺序地改变实体或设备的状态，最终输出仿真结果的过程。在针对复杂生产系统的规划过程中, 计算机仿真技术在提高系统运行效率、缩短开发周期、降低投资成本方面发挥着巨大作用[2-5]。

每一个成功的仿真研究项目都遵循特定的步骤。不论该研究的类型和目的，仿真的过程是保持不变的。一般需要进行问题定义、制定目标、描述系统并对所有假设列表、罗列所有可能替代方案、收集数据和信息、建立计算机模型、校验和确认模型、运行模型、分析输出等9个步骤[6]。具体仿真流程如图1所示。

图1 系统仿真流程图

Witness仿真软件由英国Lanner公司推出，是功能强大且灵活性高的仿真平台，适用于离散系统或连续流体系统等多种形式的系统仿真建模及数据分析，目前已被3000多家国际知名企业用于解决项目规划问题[7]。本文采用 Witness仿真平台，对 S汽车公司的发动机缸盖分装线进行仿真与评价。

2 缸盖分装线工艺规划及设备配置

2.1 发动机缸盖简介

发动机作为汽车的动力装置，是将某一种形式的能量（如汽油、柴油等）转化成机械能的机器。发动机由机体、曲柄连杆机构、配气机构、冷却系、润滑系、燃料系、启动系和点火系组成，按照内燃机所用燃料可分为汽油机和柴油机。

缸盖，又称为发动机机盖，位于发动机的上部，其底平面经气缸衬垫用螺栓紧固在汽缸体顶面上。作为内燃发动机的重要结构组件之一，缸盖的主要功用如下：

(1）封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室；

(2）作为顶置气门发动机的配气机构，进排气管和出水管的装配基体；

(3）缸盖内部有冷却水套，其底面上的冷却水孔与汽缸体冷却水孔相通，以便利用循环水套冷却燃烧室等高温部分。

2.2 缸盖分装线工艺流程及生产纲领

缸盖从毛坯件进厂到装配主线上线，需要经过缸盖机加工和分装这两类工艺步骤，本论文以处于规划阶段的缸盖分装线为研究对象，其装配工艺过程如图2所示。

图2 缸盖装配工艺过程

该缸盖分装线年生产纲领为45万，年生产天数为300天，整线规划开动率目标为95%。生产运行方式为三班运转，每班正常出勤8小时，排除就餐与休息时间共0.9小时（就餐0.5小时，休息0.4小时），有效工作时间为7.1小时/班。根据以上信息，计算生产线JPH（Jobs Per Hour，每小时生产件数）和ATT（Actual Takt Time，考虑系统产量损失因素后的产能规划节拍目标），JPH和ATT将作为衡量生产线能否达到规划产能的指标对后续仿真结果进行评价。

经计算，本系统JPH为：

经计算，本系统ATT为：

2.3 缸盖分装线设备配置及工艺布局

基于以上工艺流程及生产纲领，根据时间研究预估缸盖分装线自动及手动工位设备节拍，如图3所示。同时根据设备配置，绘制缸盖分装线布局图，如图4所示。

图3 缸盖分装线设备节拍配置表

图4 缸盖分装线布局图

3 生产系统建模

3.1 模型的简化与假设

建模活动是通过对实际系统的观测和检测，在忽略次要因素以及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行系统描述，从而获得实际系统的简化近似模型。本文对缸盖分装线生产系统的仿真模型作如下假设：

(1)模型中的每一道工序都定义为一个机器（Machine）；各项工序的操作工步都抽象为时间延迟，时间参数按实际操作时间设置（根据以往生产管理系统数据，操作时间符合三角分布）。

(2）假设仿真过程中原料供给是充足不间断的，装配成品是及时运出的，即模型不会因为原料和成品出现待料和堵塞的情况，不影响仿真过程。

(3)不考虑出现残次件及返工的情况。

(4)机器的故障维修时间和故障发生频次使用MTTR（Mean Time to Repair，平均停机时间）和MCBF（Mean Cycle Between Failure，平均停机频次）两个指标进行描述。通过对以往生产数据的研究发现，负指数分布能够最好反映MTTR和MCBF的分布类型。（生产线待料堵料时间不计算在故障维修时间中）

3.2 模型的参数描述

根据规划阶段的工艺流程以及生产线布局图，对模型进行参数设置。本系统仿真模型主要实体元素表如表1所示。

表1 仿真模型主要实体元素表

根据上表对仿真系统中各个实体元素的可视化进行设置，包括 Name、Text、Icon、Part Queue、Value等属性。该缸盖分装线各个实体元素的显示特征定义设置如图5所示。

图5 缸盖分装线仿真模型运行图

4 仿真结果验证及在线托盘数量灵敏度分析

4.1 模型运行和数据报告

模型仿真中取系统默认时间，单位为1秒。考虑到生产线铺线过程中存在无产出的情况，设置额外100小时预热时间，之后模型正常运行1000小时，重复10次，得到10组最终产出数据，如表2所示。

基于实验输出数据所构成的样本，分别计算得出样本均值为71.68，自由度为9，样本标准差为0.26，抽样平均误差为 0.08，t分布双侧分位数为 2.26，综合计算得出置信度为 0.95的置信区间为[71.49,71.87]，并绘制JPH的概率密度曲线，如图6所示。根据计算结果，置信区间下限71.49优于目标 JPH=70.42，由此验证该缸盖分装线产能可达到规划目标。

表2 仿真输出结果表

图6 缸盖分装线仿真结果概率密度函数图

4.2 在线托盘数量灵敏度分析

托盘是动力总成生产线常用的转运工具，作为零件在辊道上运行的载体，随着生产线自动化程度的不断提高，生产线对托盘的制造精度要求也日渐提升。自动工位将通过托盘上的特征点进行零件螺栓拧紧或测试等工序前的精定位，较高的制造精度可以带来更高的运行效率和稳定性，同时也会使得托盘的造价较以往大幅增加。

精益的在线托盘数量规划不仅可以最大程度地释放生产线产能，消除托盘数量不足造成的产能制约，又能节省项目前期投资，降低运维成本。但是，基于传统计算方法很难有效地分析出托盘数量与产能之间的相对变化趋势，大多数时候仅能通过经验判断，可能会造成由于托盘数量不足导致的产能瓶颈或者是由于托盘数量过多导致的产线阻塞。

为了科学地解决以上难题，本论文将运用Witness实验器中的自适应温度调节模拟退火算法，通过不断调节托盘数量，寻找其与最终产出之间的内在关联，在不影响总体产出的情况下，计算最优托盘数量。

基于现有缸盖分装线仿真模型，在 Witness高级实验模式界面下，将托盘数量作为变量，进行变量值设置：设置托盘数的变化区间在10到50的范围内，每次实验以步长为2的速度递增，目标为最终产出最大。模型设置100小时预热时间，之后正常运行1000小时，得到仿真结果如表3所示。

基于仿真输出结果绘制对应的缸盖分装线产量趋势图，如图7所示。从图中观察得出以下结论：当托盘数量在10到36区间范围时，产量呈现逐渐上升的趋势，此时产量随着托盘数量的增加而增加；当托盘数量在36到42区间范围时，产量到达峰值且维持不变，此时托盘数量的增加对产量已无影响，处于稳定阶段；当托盘数量大于44之后，产量呈现出逐渐下降的趋势，此时生产线上的托盘数量已有冗余，过多的托盘会造成产线的局部堵塞，形成上游工位的堵料而下游工位的待料情况。

综上，基于当前缸盖分装线的规划状态，在不考虑托盘备件数量的情况下，建议采购36块托盘用于在线运行以保证整线最大产出。

表3 托盘灵敏度仿真结果表

图7 缸盖分装线仿真模型运行图

5 结语

在发动机缸盖分装线的规划过程中，运用Witness仿真工具对产能规划方案进行验证，并结合模拟退火算法进行灵敏度分析，得到了最优的在线托盘数量，减少了项目的先期投资。

建立精益的制造系统，优良的设计方法与工具必不可少。在设计复杂的制造系统过程中，运用系统仿真技术，对系统进行全面、准确、快速地分析评估，为制造型企业提供了分析、判断、决策能力，科学有效地制定和选择正确方案，从而帮助企业提高生产效率，降低制造成本，提升核心竞争力。