基于Flexsim的某汽车装配车间物流建模与仿真的研究.docx

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基于Flexsim的某汽车装配车间物流建模与仿真的研究

随着制造企业的竞争从规模竞争、质量竞争转向速度竞争，缩短从订货到交货的周期成了企业贏得市场的首要因素。

而企业的制造设施布局是否合理直接影响着企业的生产率和生产周期。

作为工业工程领域重要的分支之一，设施规划设计正是对一个企业中的实物设施进行组织，以提高企业资源（人员、设备、物料和能源等）的有效利用来达到使企业高效运行的目的。

传统的设施规划设计主要采用定量分析与经验设计相结合的方法，此种方法计算复杂、设计周期较长，而且需通过实际生产才能检验所设计的方法是否合理，这给企业带来了过多的成本负担和较高的风险，不利于企业的现代化生产。

随着系统仿真技术的迅速发展，将仿真技术应用于设施规划设计方案的设计、验证和分析等阶段能有效的避免企业改变现有设施布局的风险。

论文的主要研究内容有如下几个方面：

首先对制造企业物流系统基本理论进行分析，给出了物流仿真的原则，对制造企业设施规划设计的方法和分析技术进行了详细的探讨并给出了制造企业物流系统性能评价方法，然后引出了Petri理论，分析了普通Petri不适合生产物流建模的原因，引出扩展随机高级判断Petri网（ESHLEP-N）对制造企业物流系统进行建模，指出了用ESHLEP-N进行制造企业物流系的步骤。

介绍本文所使用的仿真软件Flexsim〇

通过对某汽车装配车间生产线进行调研和数据收集，得到该车间的简化模型，并针对该生产线的特点，分析装配车间的生产特点和仿真原则，得出按工位建模的思想，按照车间工位的特点，进行独立工位的ESHLEP-N建模、非独立工位的ESHLEP-N建模和整个装配车间的生产物流ESHLEP-N建模，并指出了ESHLEP-N模型的缺点和解决方法。

研究ESHLEP-N模型到装配车间Flexsim模型的转换方法，进行仿真模型Flexsim接口函数设计，特别对物流路径的规划、加工时间和准备时间、随机发生故障、加工计划、装配方法进行了详细的研究，

并通过修改接口函数和脚本函数得到实现。

生产系统物流仿真的目的是通过对生产计划进行仿真，分析仿真结果，进而找出整个生产线问题的所在，针对该问题找出一个解决方式，并再次进行仿真分析。

如此反复，得到一种合理的生产线组织形式。

在Flexsim模型建立后，对仿真模型校核和验证，在得到与实际模型相同的结果后，首先在模型上运行一个原始的生产计划，并分析其各个工位的性能指标，进行分析后做相应的调整。

针对模型输出结果，对系统运行状况进行详细分析，探讨装配车间瓶颈，对其发展提出改善措施。

本文研究方法对企业资源配置前后改善程度进行纵深研究从而为企业发展提供切实可行的建议。

关键词生产线；ESHLEP-N;仿真；建模；Flexsim;物流

ABSTRACT

Whencompetitionofmanufacturingenterprisesturnstoimprovetheproductionspeedfromexpandingproductionscaleandimprovingproductionquality,howtoshortenthetimebetweenorderstodeliveryistheprimaryfactortowinthemarketforenterprise.Andwhetherthemanufacturingfacilitylayoutofenterpriseisreasonabledirectlyinfluencesitsproductivityandproductionperiod.AsoneofimportantbranchofIndustrialEngineering,themanufacturingfacilitydesignistoorganizethefacilityofenterprisetoimprovetheutilizationofenterpriseresources（human,equipments,materials,energyetc.）toachievetheefficientperformance.Thetraditionalmethodoffacilitydesignismainlyquantitativeanalysiscombiningwithexperience，thismethodiscomplexincomputingandthedesignperiodislong,andwhetherthedesignplanisreasonableneedtoverifythroughrealproductionsoitincreasescostandrisk，anddoesn'tadapttotheenterpriseproduction.Withrapidlydevelopmentofsystemsimulationtechnique,usingsimulationtechniquetothedesign,verificationandanalysisphasesoffacilitydesignplanscaneffectivelyavoidriskofchangingrealfacilitylayout.

Firstly,thispaperanalysisthebasictheoryonmanufacturelogisticssystem,pusforwardthelogisticssimulationprinciplediscussestheschedulewaysandanalysistechnologyofmanufacturelayoutindetailsandgivesthevaluemeansonmanufacturelogisticssystemperforaiance.ThenitputsforwardthePertitheoryandanalysiswhythenormalPertiNetcannotfitthelogisticsmodeling,educestheESHLEP-Ntomodelingmanufacturelogisticssystem,pointsoutthebasicstepsusingESHLEP-Ntomodelingmanufacturelogisticssystem.AndintroducetheFlexsimsoftware.

Second,itstudiestheconvertmeansfromESHLEP-NmodelstoFleximmodels,designstheFlexsiminterfacefunctionofFleximmodels,especiallystudieslogisticsroutelayouts,manufacturetimeandsetuptime,randbreakout,plan,andassemblemeansindetails.Throughrevisinginterfacefunctionandscriptfunction,thisfunctioncanberealized.

m

Theaimsofmanufacturelogisticsmodelsaretoanalysissimulationresultsandfindouttheproblemsonthewholeproducelines.Aimatthesesproblems,findsoutthesolutionsandsimulateitagain.Throughthemanytime,itgetstherationalproductionline.Tothispaper,aftersettinguptheFlexsimmodelsandvalidateitcomparability.ThenItrunsthescheduleplanandanalysistheperformanceofsomeGONGWEI,adjustsitafteranalyzing.Totheresults,analysisthesystemstates,discussesthebottleneck,putsforwardsthereformmeasure.

Atlast,thepaperbringsforwardseveralfeasiblesuggestionsonthesimulationoutput.

KeyWordProductionline;ESHLEP-N;Computersimulation;Modeling;Logistics

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

日期：

关于学位论文使用授权的声明

本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

论文作者签名：

狀_导师签名：

加毯曰期：

上nf

第1章绪论

1.1课题研究背景

目前我国众多企业还是沿用着几十年前的生产模式，落后的厂区布局，不合理的车间设施规划，严重的影响了企业的经营状况。

随着工业的快速发展，我国已成为了世界制造加工中心，众多的制造企业开始意识到合理的设施规划将给他们带来新一轮的利润，国际化竞争的冲击也迫使这些企业进行转型和流程再造，产品模块化、多产品小批量生产、柔性制造和成组技术等先进制造技术的广泛应用，使企业由传统的生产方式向现代生产方式转变。

现代生产方式不仅对生产能力而且对制造企业设施布置提出了更高的要求&2]。

因此，目前很多企业进行了流程再造，新建或改建厂房，改进车间设施规划以提高企业的综合竞争力。

我国工业企业传统的系统设施布置设计存在着两种不足，一方面传统的系统设施布置设计主要采用定量分析和经验设计相结合的方法，各作业单元间生产物流呈现分散化和个体化，与现代生产制造不相适应。

另一方面传统的系统设施布置设计流程是：

分析、规划设计、实施、评价、再改造完善。

在物流系统设计完成后，很难即刻对系统做出评价，只有在项目实施以后，才能对系统做出评价，然后再改造完善。

这种传统的系统设计方法往往造成物流系统较高的建设成本和较长的设计周期。

目前先进的系统设计方法是采用计算机仿真技术，在物流系统还未建立起来的情况下，把系统规划转换成仿真模型，通过模拟系统运行后的性能和效果，评价规划方案的优劣。

这样可以在系统建成或改造之前就能发现系统存在的问题，对不合理的设计进行修正，从而避免了资金、人力和时间的浪费[3_5]。

因此，本文就在此基础上采用一种现代系统设施布置方法，即将系统工程理论、物流分析技术、计算机仿真技术等进行综合应用，综合考虑各种因素，以实现系统物流效率和物流成本的最优化。

对系统进行理论分析，并应用仿真软件进行二维仿真设计和动态优化决策，以增强系统设施布置设计的系统性、合理性和柔性，提高设备工作效率和效益，同时也对当前企业新建或改建项目的规划设计具有一定的指导意义[6_7]。

1.2国内外研究现状

在国外，直接采用仿真方法对企业物流系统进行分析已经相当普遍，一般都是采用商用仿真软件或仿真语言对系统直接进行建模和仿真分析[8]。

M.Eric，Johnson等采用SIMAN仿真语言对HP公司的北美新配送中心建模，建立了自动分拣系统、订单采集、大宗订单出货和再包装过程四个子模型，通过对各个模型进行仿真实验，得出了整个配送中心的优化模型，加速了北美新配送中心的建设[9]。

E.JackChen等对一个化学制造企业（连续系统）的物流系统运用离散事件仿真方法和相应的仿真软件（eM-Plant）进行建模和仿真，以达到确定该制造企业运行所需要的物流操作[1°]。

FelixT.S.Chan等在对一个新的PCB（印刷电路板）制造企业进行设计时，采用将专家系统与仿真方法相结合的手段对制造企业的可选方案和物流系统进行了评估，得出了较好的制造企业和物流系统布局[113。

YoungshinHan等对一个300mm晶圆厂的整个生产系统进行建模和仿真，通过仿真模型详细研究了该晶圆厂的自动化物料搬运系统，给出了减少搬运系统回转时间的方法[12]。

K.S.El-Kilany等发现半导体生产设施逐步的转向300mm制程，且仿真广泛的用于测试新系统的效能，所以他们开发了一种用于快速建立自动化搬运系统的仿真模型的工具，以达到使专业用户能够建立好的仿真模型的目的[13_14]。

P.V.Sevastjanov等采用模糊理论的方法对制造和物流系统的建模和仿真进行了探索，在一些缺少详细建模信息的方面有一定的指导意义[15]。

EKPengChew等对配送中心的补充策略进行了建模，采用启发式算法进行求解，最后用仿真的方法进行了验证。

并且出现了将仿真方法和人工智能相结合，来对物流系统进行仿真分析的相关研究[16]。

国内在物流方面的研究起步较晚，在物流系统仿真方面的研究多侧重于企业外部物流的研究，许多高校和学者都在这方面进行研究并取得了一定的成果。

对于企业内部生产物流仿真方面的研究，也有一些先行者如清华大学的熊光愣教授1999年提出将仿真技术应用于制造系统的研究，而研究人员更多的是采取先用解析法计算出一些最优解，然后或用仿真语言编写仿真程序，或用商业仿真软件进行建模仿真[17]»西安电子科技大学的区伟民等在有关物流调度系统的研究中就是采取先用排队论进行描述，利用串行与并行排队模型建立系统的数学模型，并对系统进行仿真分析和数值计算，验证了系统模型的正确性。

直接将仿真方法用于优化和设计企业内部物流系统，也有一定的研究[18]。

东北大学的宋伟刚等在对一个LCD检测车间的物流系统分析时，就是直接使用仿真语言编写仿真程序来模拟系统，得出了最佳操作工配置方案；颜海涛对仿真技术在物流系统设计中的应用进行了论述，同时以一个物流自动化仓储系统的设计为例，使用仿真软件AutoMod设计出经济合理的设计方案[19_21]。

武汉理工大学的周强等人在对某港口的物流系统进行设计时，基于离散事件动态系统理论，直接采用Witness对系统进行建模仿真，对港口的生产能力进行了评价，识别了系统中的瓶颈，提出了改进策略，优化了港口物流方案[17'22]。

从仿真软件的开发方面来看，国内也取得了一定的成果。

东北大学的袁锋等对生产线制造过程的数字化制造环境进行分析，提出了基于扩展事件过程链的生产线制造过程建模仿真方法，并采用面向对象软件方法实现了仿真系统的各组成模块。

上海交通大学的侯扬等采用面向对象的仿真技术对制造系统进行全面建模，结合制造系统的各项功能，提出了构建新型生产系统仿真器的总体结构，开发了原型系统。

1.3本课题的研究意义

实际中的制造系统是非常复杂的，目前有很多情形都无法仅用数学解析的方法来解决，而仿真技术则给解决这类问题提供了新的手段。

离散事件仿真方法目前是制造系统的评估工具中用得最广的方法。

系统仿真重在对系统过程中逻辑关系的描述，在生产计划与调度优化研究中应用仿真技术不仅能对系统进行比较、分析、评价并选择、分析生产系统随时间变化的动态特性，而且能够选择系统结构和优化系统的参数。

在传统的仿真方法中通常是用Matlab工具或者编写仿真程序进行仿真，但是这些只能用于小规模系统的仿真，而且它们忽略了许多要考虑的因素，其实这些因素对实际的生产过程也有很大的影响。

本文通过对某汽车装配车间物流系统进行分析，建立、验证、运行该车间装配线的Flexim仿真模型，既可以避免资金、人力和时间的浪费，也可以分析其供应商按不同频次、不同数量所提供的零配件对生产线产生的影响，找出生产线潜在的作业“瓶颈”，平衡整个生产线，为生产实际提供决策依据。

因此，开展基于Flexsim的某汽车装配车间物流系统仿真的研究具有很强的实际意义。

本文的研究方法可以对制造企业生产线的设计与制造企业布局有实际的指导意义。

1.4本课题的研究内容

本文以某汽车装配车间内部运输及物流系统为研究对象，对制造企业新建或改扩建时的设施总体布局规划问题进行物流系统分析，并进行建模与仿真研究。

通过对该制造企业改扩建的不同规划方案进行仿真，分析对比输出结果，对传统的物流分析方法和物流系统建模及仿真方法进行了比较分析，进而得出一种最优的生产线设计方案。

本文的章节安排和主要内容如下：

第一章阐述了本课题的研究背景、国内外研究状况和研究意义。

该部分是全文的概要和总领。

第二章介绍了生产物流流程建模方法与仿真理论，通过对某汽车装配车间生产线的描述，得出该生产线是Flow-Shop的FMS系统。

同时研究了FMS系统生产线物流系统建模的多种方法，介绍了本文的建模工具-可扩展标识Petri网。

第三章研究了制造物流流程模型的建立，对制造物流进行分层。

之后，按照某汽车装配车间生产线的装配工艺进行按物流系统的

ESHLEP-N建模，然后对整个装配车间进行建模，为生产系统物流仿真打下基础。

第四章利用本文的仿真工具Flexsim，对第三章的ESHLEP-N模型进行仿真模型的建立，同时按照某汽车装配车间的特性进行仿真模型的参数设计，使得Flexsim模型能真正代表具体生产线。

第五章对仿真模型进行验证，在验证基本符合后，对装配车间的不同设计方案进行比较，在分析了系统的性能指标后，得出一种较优的设计方案。

最后是对全文研究课题的结论，指出本文的不足和以后研究的方向。

第2章生产物流流程建模与仿真理论

2.1制造企业物流系统分析理论

制造企业物流系统是将生产企业的原材料输入、储存、加工、包装、运输及售后服务看作一个整体系统。

制造企业设施规划决定了企业物料的流动方式、流动路径和流动距离，直接关系到物流系统的效率和物流费用，从而对产品生产成本产生重要影响[21]。

2.1.1制造企业物流系统的结构

制造企业物流系统的结构形式主要有以下几种[23%]:

1.单一物流系统。

如果将一个制造企业或一个加工单元、设备看作一个物流系统，就成了一个单一的物流系统，如图2-1所示。

其中Q。

为输入系统的物料（原材料），（^为输出系统的物料（产成品），4为加工转换过程。

Qb

s,

Qi

图2-1单一物流系统

2.串联物流系统，如图2-2。

最基本的物流系统，任何复杂的物流系统都可以分解为若干个串联物流系统。

流水生产线、组合机加工线、物流系统装配生产线等都属于此类。

图中S,、S2、S3等为加工单元，Q,、Q2、Q3等为物流量。

图2-2串联物流系统

3.并联物流系统，如图2-3。

如协作件配送系统。

图2-3并联物流系统

4.网络物流系统，如图2-4。

多数物流系统于这种类型，工业企业多品种生产系统、物料搬运系统、工模具配送系统等。

社会上的交通运输、物资配送、商品服务、邮件传送、原材料供应、能源运输等都形成了复杂的网络物流系统，网络物流系统的研究对企业管理乃至国民经济管理都是十分重要的。

2.1.2制造企业物流系统分析

1.物流系统分析的实质

（1）物流系统分析作为一种决策的工具，其主要目的在于为决策者提供直接判断和制定最优方案的信息和资料。

（2）物流系统分析把任何研究对象均视为系统，以系统的整体最优化为工作目标，并力求建立数量化的目标函数。

（3）物流系统分析强调科学的推理步骤，使所研究物流系统中各

种问题的分析均能符合逻辑的原则和事物的发展规律，而不是凭主观臆断和单纯经验。

（4）应用数学的基本知识和优化理论，从而使各种替代方案可比较，不仅有定性的描述，而且基本上都能以数字显示其差异。

至于非计量的有关因素，则运用直觉、判断及经验加以考虑和衡量。

（5）通过物流系统分析，使得待开发的物流系统在一定的条件下能充分利用其能力，做到人尽其才，物尽其用。

2.物流系统分析原则

（1）相近原则；

（2）优先原则，即优先考虑物流最大的有关设施布置；

（3）避免迂回和倒流原则；

（4）在制品和仓储存量最小原则；

（5）集装单元和标准化搬运原则；

（6）尽量简化搬运作业，减少搬运环节原则：

（7）积极而慎重地利用重力原则；

（8）合理提高搬运机械化水平原则；

（9）物料搬运及设施利用方便原则；

（10）物流系统设计应满足安全设计原则；

（11）提高自动化与计算机应用水平原则；

（12）系统化、柔性化原则；

（13）满足工艺、生产和管理要求的原则；

（14）满足环境要求的原则

3.物流系统分析的特点

物流分析是以物流系统整体效益为目标，以寻求解决特定问题的最优策略为重点，运用定性和定量分析方法，给予决策者以价值判断，以求得有利的决策。

物流系统分析的特点如下：

（1）以整体为目标。

在一个系统中，处于各个层次的分系统都具有特定的功能及目标，彼此分工协作，才能实现系统整体的共同目标。

比如，在物流系统布置设计中，既要考虑需求，又要考虑运输、储存、设备选型等；因此，如果只研究改善某些局部问题，而其他分系统被

忽略或不健全，则系统整体效益将受到不利影响。

所以，从事任何系统分析，都必须以发挥系统总体的最大效益为准，不可只局限于个别部分，顾此失彼[26]。

（2）以特定问题为对象。

系统分析是一门处理问题的方法，有很强的针对性，其目的在于寻求解决特定问题的最佳策略。

物流系统中的许多问题都含有不确定因素，而系统分析就是针对这种不确定的情况，研究解决问题的各种方案及其可能产生的结果。

系统分析以能求得解决特定问题的最佳方案为重点。

（3）运用定量方法，解决问题不应单凭想象、臆断、经验和直觉。

在许多复杂的情况下，需要有精确可靠的数字、资料作为科学决断的依据。

有些情况下利用数学模型有困难，还要借助于结构模型或计算机模型解析。

（4）价值判断，在系统分析时，必须对某些事物作某种程度的预测，或者用过去发生的事实做样本，以推断未来可能出现的趋势或倾向。

由于所提供的资料有很多是不确定性的变量，而客观环境又会发生各种变化，因此在进行系统分析时，还要凭借各种价值观念进行判断和选优。

2.2制造企业设施规划设计

在工业工程领域常用的32种方法和技术中，有两种重要的方法和技术即制造企业布置和物料搬运，它们的合理与否直接影响着整个企业的效能。

它