生产物流数字化平台汽车发动机装配线仿真案例建设.docx

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生产物流数字化平台汽车发动机装配线仿真案例建设

生产物流数字化平台（汽车发动机装配线仿真案例）建设

工业工程专业05级王冬芝

1课题的来源及意义

上汽集团于2006年2月22日投资36.8亿人民币成立上汽汽车制造有限公司，全力打造上汽自主品牌项目。

在收购罗孚75和25平台核心知识产权之后，上汽集团决定以75和25为基础，依托工程院，并借助韩国双龙的开发力量，开发覆盖全新整车平台和动力开发技术。

罗孚75和25的整车和动力技术是比较成熟的，因此上汽汽车要想拥有自己的自主品牌，必须对工艺进行相应的调整甚至是提高。

规划一条新的生产线有很多不确定的因素，因此正式生产后会出现一些规划没有考虑的问题。

就上汽汽车发动机总装线而言，每个工位的具体时间、操作工的熟练程度、维修机器的时间等都是估算的，这些不确定的成分可能使该线正式生产之后出现诸如瓶颈、全线停产的问题。

为了事先能预见这些问题的存在与否，运用仿真技术分析是比较好的方法。

随着计算机仿真技术的不断发展，其的运用领域越来越广，尤其对分析生产系统的问题很有帮助，国内外很多大型生产企业都运用各种仿真软件对生产线进行研究，特别是在规划期间仿真结果有一定的指导意义，它能使规划者预见将来可能会发生的问题并且这些问题的发生率比较高，这就给企业提早采取应对措施，预防问题的发生。

上汽汽车的自主品牌具有里程碑式的意义，发动机又是整车的核心，因此为了使上汽集团的第一辆自主品牌的汽车顺利下线，对发动机总装线进行仿真是非常有必要的。

世界先进国家的生产企业将生产仿真研究作为研究生产系统的一个重要手段，如英特尔、戴儿、马士基等，在企业扩建和改造的前期、新产品生产的投入之前，都会运用计算机仿真技术对企业将要采用的生产系统进行仿真和预测，为生产系统的调度决策、生产能力预测、生产设备的合理匹配、生产线的效率提高提供量化依据，为生产系统的早日投入正常生产运行起到出谋划策的作用。

仿真技术的不断成熟使的它的运用范围和领域越来越大，尤其是在生产系统方面起的作用越来越明显。

生产系统是一个复杂的系统，它受到市场需求、原料供应、生产环境、生产状态等多方面因素的制约。

由于这些因素的不确定性，很难用数学函数或者数学模型来分析它的运作过程。

正是由于它的随机性特别强，仿真技术在其的运用日渐显著。

目前国内外制造型企业大量运用仿真技术对自己的生产线进行研究。

例如：

上海通用采用Witness仿真软件对自己的最新发动机总装线L850进行仿真研究。

仿真技术在生产系统方面的运用主要表现在以下几个方面：

（1）加工过程仿真:

产品设计的合理性、可加工性、加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷等，这些问题需要经过仿真、分析与处理。

（2）产品装配仿真:

机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和信誉损失。

采用虚拟装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失

（3）企业生产过程仿真与优化 :

产品生产过程的合理制定、工厂人力资源、制造资源的合理配置，对缩短生产周期和降低成本有重大影响。

本案例的主要内容：

（1）详细介绍了仿真的2个重要的理论基础：

排队论理论基础和系统仿真技术。

对离散事件系统仿真的10个步骤做了比较明确的说明。

（2）对K4发动机生产线的布局和基本的组成部分做了说明，着重分析了这条生产线的工艺流程并将其与ROVER公司的工艺流程做了比较，列举了该线的优势和不足之处。

同时制定了几个评价指标，作为将来对该生产线仿真数据结果分析的主要数据来源。

（3）对仿真模型运行得到的数据结果进行了详细的分析，并对发现的问题根据生产线相关知识（瓶颈问题的解决方法，在线缓冲区的建立）提出了针对性的改进措施，并在仿真模型上对改进后的生产线再次进行模拟，验证这些措施的有效性和合理性。

2系统仿真技术

2.1系统仿真技术简介

系统仿真是建立在系统理论、控制理论、相似理论、数理统计、信息技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和系统资料对试验结果进行分析研究，做出决策的一门综合性和试验性的学科。

2.2.2系统仿真的应用

仿真本质上是一种知识处理的过程，典型的系统仿真过程包括系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真试验和数据分析处理等，它涉及多学科、多领域的知识与经验。

随着现代信息技术的高速发展以及军用和民用领域对仿真技术的迫切需求，系统仿真技术也得到了飞速的发展。

理论上系统仿真可以解决任何系统分析的问题。

然而，由于先验知识和手段所限，迄今为止，并不是任何系统都能运用系统仿真分析得到满意的结果。

系统仿真技术的发展和应用首先在人们对其规律比较熟悉、已经可以进行较准确描述的某些领域中取得突破。

我们面对的系统各式各样，有政治系统、人文系统、生态系统、经济系统、医学系统、工程系统等等。

最先成功应用系统仿真技术的是工程系统，其中航空航天、自动控制、电力等系统已经运用相当成熟。

而在其他领域，例如经济系统、生态系统、医学系统等，人们也已经开始了系统仿真的研究和应用，但是不够成熟也不够普遍。

2.3生产线的仿真

计算机仿真技术的不断发展为生产系统的调度决策、生产能力预测、生产设备的合理匹配、生产线的效率提高提供了量化的依据。

就目前的仿真技术而言，其在生产线上的运用是比较广泛的，可行性也是比较强的，国内外许多大型制造企业都将生产仿真研究作为研究生产系统的一个重要手段。

由于生产系统是一个离散系统，它的很多变量都是随机变化的。

因此它的仿真属于离散时间系统的范畴。

描述一个离散事件系统需要五个要素，它们是：

实体、属性、事件、活动、进程，下面结合发动机总装线对它们做简单的介绍。

（1）实体（单元）：

诸如加工设备和工人，发动机的各个零件。

在离散事件系统中实体分为永久实体和临时实体两类。

临时实体是系统活动的外部驱动，有了这些实体源源不断地流入，系统才被激活。

而永久实体则是系统活动的基础和必要条件。

永久实体为临时实体提供了活动的条件，从而保持系统动态过程的持续进行。

（2）属性：

诸如各台设备的开动率，发动机的各项性能指标等。

实体所有的特性称为实体的属性。

这里需要强调的是，只有那些与系统仿真相关的特征，才称其为属性。

（3）事件：

诸如发动机上线、下线，缸盖上线。

在离散事件系统仿真中，事件有两类，一类是引起系统状态变化的行为。

例如仓储系统物品入库到达被称为一个事件。

物品的出库离去也被称为一个事件。

可以看出这一类事件是系统所固有的，是系统状态变化的主要驱动力。

另一类事件是所谓的程序事件。

例如在仿真过程中为了使仿真结束，专门定义一个事件，使其终止仿真。

这类事件称为程序事件。

程序事件并非系统所固有的，而是根据需要设定的。

（4）活动：

诸如发动机进入返修区进行“返修”活动。

事件与事件之间的过程被称为活动。

显然事件是系统状态转变的起因，而活动则是系统状态转移的标志。

例如仓储物品的到达是一个事件，由于这一事件的发生，仓储系统的货位可能会从“空闲”变为“非空闲”。

从物品到达事件直至这一物品从该货位取出，物品都是处于在货位中存储的状态，也可以说是处于“存储”活动中。

存储活动的开始或结束标志着物品的到达和离去，也标志着货位的空闲与非空闲的转变。

（5）进程：

诸如从第一个工位开始到最后发动机下线的整个过程。

有序的事件与活动组成的过程。

进程描述了其中的事件、活动的相互逻辑关系和时序关系。

例如一种物品进入仓库，经过在货位的存储，直到从仓库中被出库，物品经历了一个进程。

离散事件系统仿真基本步骤

离散事件系统仿真基本步骤为：

确定仿真目标；系统调研；建立系统模型；确定仿真算法；建立仿真模型；确定仿真输入参数；模型验证与模型确认；运行仿真模型；仿真结果分析；仿真结果输出。

1确定仿真目标

在进行系统仿真时，首先要确定仿真的目标，也就是仿真要解决的问题。

这是系统调研和建模的依据。

2系统调研

系统调研的目的是为了深入了解系统的总体流程、各种建模参数，以便建立系统模型。

系统调研是了解系统运行状况和采集系统数据资料的过程。

3建立系统模型

系统模型由模型和模型参数两部分组成。

模型参数是对系统调研结果的整理。

由于系统仿真的专业性特点，仿真建模和运行模型的工作一般由专业的仿真人员来做。

但是对系统的分析常常需要仿真需求方的密切配合。

为了使仿真需求方了解仿真的一般过程，以配合仿真前期的调研工作，可以将上述调研所需获取的数据和参数整理并列表，由仿真需求方进行针对性的填写，以保证资料的完整性和准确性。

4确定仿真算法

仿真算法是控制仿真钟推进的方法，是系统仿真的核心。

目前最为常用的有事件调度法、活动扫描法和进程交互法三种。

5建立仿真模型

前面建立的系统模型仅仅是对系统的抽象化描述，是仿真者对系统深入了解的必经过程。

然而这种模型仅仅能够被人脑所接受和理解，还无法使其在计算机上运行。

为此还需建立计算机可运行的模型，即仿真模型。

也有人称建立仿真模型为二次建模。

仿真模型是将系统模型规范化和数字化的过程，同时也需要根据计算机运行的特点增加一些必要的部件。

仿真模型主要部件有初始化模块、输入模块、仿真钟、随机数发生器、状态统计计数器、事件表、事件处理子程序和输出模块等。

6确定仿真输入参数

在系统仿真中，需要输入大量的数据，这些数据的正确性直接影响着仿真结果的正确性，因此正确地收集、整理、计算系统输入参数便成为系统仿真的重要组成部分。

通过这项工作，提供系统仿真运行所需的参数数值以及基础资料（如有关装备的各种性能参数等），确定各项随机变量的分布函数形式及其相应参数。

所以从一定程度上说，系统输入参数的确定工作是系统仿真得以进行的重要前提。

7模型验证与模型确认

对建立的仿真模型必须进行验证，保证通过仿真软件或者仿真语言所建立的仿真模型，准确地反映了所描述的系统模型。

模型的验证主要检验所建立的仿真模型（包括系统组成的假设、系统结构、参数及其取值、对系统的简化和抽象）是否被准确地描述成可执行的模型（如计算机程序）。

8运行仿真模型

运行仿真模型时需要确定终止仿真的时间。

一般有两种终止方法，一是确定一个仿真时间长度，如仿真100小时。

另一种方式是确定仿真事件的数量。

以工件到达仓库为例，可以设定100批物到达后终止仿真。

选择哪种方式可依仿真系统的具体情况定。

9仿真结果分析

关于仿真结果可以有两种角度的分析：

一种是从系统优化的角度考虑问题，即对照仿真目标考察仿真结果是否满意，如果满意，表明系统的参数无需再做改动；另一种分析是仿真结果是否可信，也就是说仿真结果以多大的可信度和精度能够反映我们所研究的真实系统。

仿真结果分析是采用统计学方法，对仿真结果的可信度和精度进行分析，不断增加仿真次数（或仿真时间）以提高统计结果的可信度和精度，直至令人满意为止。

10仿真结果输出

仿真结果输出有实时在线输出和在仿真结束时输出两种方式。

当对系统进行动态分析时，往往需要了解各种中间变量或输出变量的实时变化情况。

对于这些变量可以设定在仿真钟推进的每一或某一时刻输出该变量的瞬时值，即实时在线结果输出，输出的是仿真阶段性的结果。

最后在仿真结束后，需要输出最终的仿真结果。

目前成熟的仿真软件一般都可以提供多种仿真结果输出形式，如表格输出、直方图、饼图、曲线图等图形以及数据文件等输出。

3K4发动机总装线的分析

3.1K4发动机总装线的基本组成与布置

上海汽车制造有限公司的这条K4发动机生产线的基本组成主要分为31个工位（手动工位18个，自动工位3个，半自动工位10个）,输送带,线旁料架,铲车和电动拖车等搬运设备。

除了发动机整线以外，还设有缸盖部装线，一些工位还包含部装台。

整条生产线的占地面积为4860平方米，其中长90米，宽54米。

由于线旁料架，铲车和电动拖车以及缸盖部装线不在仿真的范围之内，因