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摘 要：数字化工厂物流仿真技术可有效降低设计规划到应用实施的不确定性，在工厂生产线规划和持续改善过程中提供合理的物流方案和建议。文章利用过程分析与数学计算相结合的方法对某企业规划建设中的管道成型车间配送模式、运输工具数量、暂存区进行初步规划，然后通过Quest仿真软件进行物流方案的仿真验证，得到一系列参考指标进行分析并优化，找到较优的物流方案。该方法提高了企业规划的准确性，有效地降低了规划成本。
关键词：Quest；车间物流；物流规划；仿真
中图分类号：F273 文献标识码：A
随着制造业自动化、智能化水平的不断提高，企业通过在加工阶段提高效率来降低成本的潜力越来越小，目前企业竞争的关键在于能否充分运用与制造业密切相关的物流技术，帮助企业缩短占产品生产周期90%～95%的物流时间，提高效率降低成本。同时有资料表明，已运行的复杂制造系统约有80%没有完全达到设计要求，其存在的问题中60%可以归结为初期规划不合理或失误，其中尤其需要解决生产能力不匹配和现场物流规划以及布局不合理等问题[1-2]。
随着计算机仿真技术的不断发展与成熟，在产品越来越复杂、生产设备和制造系统日趋复杂和昂贵的今天，引入数字化工厂技术，并通过定量的手段来分析和优化各环节，进行工厂建设的成本分析和生产过程变更分析，能保证在可制造的前提下，实现快速、低成本和高质量的制造[3]。尤其在生产线物流的规划过程中，利用计算机虚拟仿真技术对未来生产现场进行模拟，建立三维物流仿真模型，物流规划工程师可以直观地进行物流线路的分析，分析物流的瓶颈点，并提供柱状图或饼状图的分析工具以便捷地进行物流线路的调整以及物流负荷的调整。因此，它被广泛地应用于产业园以及厂房的规划设计中[4-6]。
本文将以某重型机械上市集团公司新规划的管道生产车间为例进行基于Quest的车间物流规划与仿真优化问题研究，从车间物流运作模式、运输工具数量、各类暂存区规划，以及通道拥塞程度分析等角度进行车间物流规划与仿真验证优化，最终得到一个可行并较优的物流方案。
1 车间物流规划
车间物流规划即是将车间内的所有生产设备、运输工具、附属设施（休息室、卫生间等）和各种作业流程（转运、仓储等），依照生产流程，作适当的安排与布置，使工厂的生产活动能够顺利和流畅[6]。
本文以某重型机械上市集团公司新规划的管道生产车间为例，对其车间物流进行研究。首先利用过程分析与数学计算相结合的方法对物流配送模式、运输工具数量、暂存区面积进行初步规划，然后通过Quest仿真软件进行物流方案的仿真验证，得到一系列参考指标并进行分析优化，找到较优的物流方案。实现的过程如图1.1所示。
1.1 车间生产流程
该车间主要包括单层淬火管（六代管）、双层淬火管（五代管）、拖泵管、法兰、和弯管等产品生产线。由卷管线生产出的各管件经过各自的生产线加工成型再依次经过热处理、涂装以及产出成品运至立体仓库。车间物流简图如图1.2所示。
卷管线的原材料由门S2经过通道由货车运输到卷管线线前端，吊装上线，然后依次经过纵剪分条，开卷对校平焊，活套等工序，产生管件原材料。该生产线共生产5种类型的管件，分别为单层淬火管、双层淬火管（由于是复合管，需要两种类型的管件原料）、拖泵管、弯管生产线的管件原材料，前4种经地下运输线（图1.2中蓝色线路）分类暂存于法兰生产线右端的焊管缓存区，弯管原材料则直接由卷管线左端配送至弯管线边（传送带）。
单层和双层淬火管的原材料由焊管缓存区通过积放链（图1.2红色线路所示）运至线边缓存区，部分由行车直接吊装进行切割下料并除锈焊接，焊接所需的法兰由法兰输送系统自动配送到达，焊接完成的产品由地下运输线输送至U形热处理线，热处理线采用单件悬挂方式流动生产，然后再经悬挂链送至涂装线缓存区，管件在缓存区进行分类装框，再经抛丸，涂装形成成品，最后在涂装区的左侧区域进行贴标、打包、小货车运送入库。与单层和双层淬火管不同的是，拖泵管焊接线的成品直接通过轨道电动车运送至涂装线进行加工而不进行热处理，但其后的加工过程与上述类似。
弯管原材料由焊管线通过传送带运至线边缓存，此线类似复合管，每一个成型的弯管毛坯需要同厂外配送的内管一对一进行组合，加工地点与法兰组装地点相邻，成型的弯管再经过涂装抛丸成品打包运至车间内的立体仓库。
眼切产品则是原材料由厂外运至加工地点，完成之后由小货车运至立体仓库入库。
根据车间设计规划的需求，本文主要对物流运作模式、各缓存区以及线边库存量、运输设备数量进行设计规划，然后进行Quest仿真建模，对运输工具的利用率以及门径吞吐进行验证，由此反应出该车间的物流状况。
1.2 物流配送模式规划
拉式物流配送是按JIT准时化生产的思想，“在需要的时候，按需要的量配送所需的产品”，通过生产的计划控制及库存的管理，追求所谓的“零库存”或库存的最小化。其优点为按需配送，避免线边物料堆积；应变能力强，后方系统支持线边物料需求的变动；对物料需求的回馈及时性好，配送组盘过程能够在物料需求指令发出后，全力满足此指令的需求。缺点为系统分析较复杂，应变的情况较多，随机性大；存在配送到货延时的风险。
推式（非JIT）物流配送中物流控制的基本原理是根据最终需求结构计算出各阶段的物料需求量，考虑各阶段的提前期之后，向各阶段发布物料分拣或配送指令。此种配送方式的特点是流程控制集中依赖于发货顺序表，可对之进行独立的优化，人员和设备利用率高，但机动性不够强，每个节点的物料配送主要根据主生产计划进行安排，按照一定时间间隔配送，线边库存水平相对较高，同时也不利于生产过程中各个环节的紧密联系。
本文所涉管道成型车间的配送流程主要包括：直缝焊接线板材、内管（弯管）、眼切原材料、法兰的配送。特点为：品种少、批量大、配送频次低。对此，我们选择采用一种改进的批量拉式配送模式，其流程如图1.3所示。 各个需求点的物料低于最低库存时，便向暂存区发送要料请求，物料暂存区接受指令并向配送人员传达发货指令进行组盘和配送。
此种配送方案继承了拉式配送的优点：按需配送，避免线边物料堆积；应变能力强，支持线边物料需求的变动；对物料需求的回馈及时性好，配送过程能够在物料需求指令发出后，全力满足此指令的需求，同时由于该车间配送品种少批量大的特点，也避免了JIT模式下系统复杂、反应能力要求过高的缺点。
1.3 配送工具数量规划
根据物流配送路径、配送方式以及工艺部门提供的流程规划和配送工具信息对各个通道内部的车辆数目进行初步分析，具体过程如下。
获取各种运输工具的基础数据：其中叉车的空载速度为1.5m/s，负载速度为1m/s；并获取各个配送流程的装载时间和卸载时间等。
1.4 暂存区规划
该车间暂存区规划主要为满足延续性生产的各加工单元线边最低库存的规划。加工单元线边为满足生产连续性而设置的临时库存，一般直接摆放在加工机器附件的区域以便及时满足加工需求。线边最低库存不仅与生产有着直接联系，更是JIT生产（或者看板生产等拉式生产模式）的源头，该管道车间的拉式生产模式如图1.3所示，最低库存作为原动力拉动整个配送体系正常运转。
2 基于Quest的仿真与优化
Quest是达索（Dassault）公司旗下产品Delmia的一部分，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字化工厂环境。它提供强有力的交互式仿真建模功能，是用于实现系统过程可视化和确认生产流程决策是否满足产品生产要求的强大的仿真开发和分析工具。
2.1 Quest建模
利用Quest进行生产线仿真首先要在设计厂房的CAD布局图以及工艺流程的基础上建立几何模型，然后确定几何模型之间的关联关系和其对应的仿真参数仿真以及使用SCL仿真语言对仿真模型内在的逻辑进行设定。
该管道车间的部分系统参数与运输工具参数如表2.1和表2.2所示。
根据厂房规划的CAD图纸用Quest建立几何模型，根据车间工艺流程、规划的物流配送模式（1.2小节）以及初步评估出的运输工具数量（1.3小节）等进行逻辑建模，最终模型如图2.1所示。
然后通过SCL语言控制仿真结果的输出，包括计数器数值输出、利用率报表的输出等。具体过程为：Quest通过编写的SCL语言将仿真结果输出到DAT文件中，Excel再通过VBA读取DAT文件中的数值，最终在Excel中将数据转化为表达更加直观的图表。该实验中，我们用SCL语言编写了对各个运输工具的利用情况和主要门径（N1、S1、S2）的吞吐状况的统计分析程序语句，随着仿真的进行，目标事件触发程序计数器，将结果输出到指定路径的DAT文件中，最后在预先用VBA语句编制好的EXCEL文档中读出DAT文件并转化成直方图和表格数据。
2.2 仿真结果分析及优化
每天的加工时间为20h，由于该车间的换线周期为3天，即可将此实验的仿真时钟设为60h，进行仿真实验，得到各运输工具的利用情况如图2.2所示。
由此可见，该物流方案下，所有配送点均满足配送及时性，但成品运送（图中的成品小货车1和2）的平均利用率偏高，达到了82%。根据经验值，利用率超过75%，视为不安全，即超过安全阈值（实际生产中总会有类似设备故障等各种异常事件发生，仿真分析中配送工具的利用率如果超过75%，则在实际生产过程中极可能遇到因异常事件发生而无法满足正常配送的风险），需改善。
将成品入库的配送车辆数目增加一辆，其他物理模型以及逻辑模型不变，再次进行仿真试验和数据统计分析，得到的运输工具利用情况如图2.3所示。
此时成品小货车利用率降为了58.2%，所有的配送工具利用率都在安全阈值范围内，判定方案合理。
在车间物流的研究中，除了运输工具的工作负荷和利用率至关重要以外，门径吞吐量也直接反应了相关通道的拥塞程度，从而可以一定程度上衡量该车间的物流状况是否良好。为了验证该物流方案是否较优，对改进后的方案再次进行仿真试验，得到门径吞吐统计输出结果如图2.4所示。
横坐标统计时间间隔为30min，纵坐标为每30min经过该门径的车辆数目。图中显示，在3个周期的生产中，门径吞吐最高峰出现在S2门，此时每30min通过测试点的车辆数目最多为12，即最高峰时期，每两辆车之间经过测试点的平均时间间隔为2.5min，负载速度（实则为车间里最慢的行驶速度）为1m/s，则物流最高峰时两辆车之间的距离最近为150m，叉车间的安全行驶距离为90m，这个距离远远超出安全阈值，即通道畅通，物流状况良好。
由此，对于该车间从物流运作模式、暂存区的规划到运输工具的规划这一整体的物流方案，可作为工厂产线规划和持续改善过程中的有效参考。
3 结 论
本文以某管道车间为案例，对其各项物流要素进行规划，并利用Quest数字工厂平台进行仿真优化，最终得到一个可行并较优的物流方案。研究表明，利用仿真软件对生产运作进行仿真，可弥补传统设计规划方法所考虑不到的因素，并且快捷方便，效果明显。此种研究方法可提高企业规划的准确性，有效地降低规划成本，不失为工厂物流设计的一个有效方法。
参考文献：
[1] 高举红，陈思宇，刘晓宇. 基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善[J]. 工业工程，2010，13（1）：90-96.
[2] 冯定忠，吴能，范佳静，等. 基于SLP和SHA的车间设施布局与仿真分析[J]. 工业工程与管理，2012（4）：12-25.
[3] 季金花，陆剑峰，朱志浩，等. 数字化工厂技术在汽车制造企业布局规划中的应用研究[J]. 汽车工程，2009，31（11）：60-69.
[4] 张晓萍，石伟. 物流系统仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2008. （下转第14页）
关键词：Quest；车间物流；物流规划；仿真
中图分类号：F273 文献标识码：A
随着制造业自动化、智能化水平的不断提高，企业通过在加工阶段提高效率来降低成本的潜力越来越小，目前企业竞争的关键在于能否充分运用与制造业密切相关的物流技术，帮助企业缩短占产品生产周期90%～95%的物流时间，提高效率降低成本。同时有资料表明，已运行的复杂制造系统约有80%没有完全达到设计要求，其存在的问题中60%可以归结为初期规划不合理或失误，其中尤其需要解决生产能力不匹配和现场物流规划以及布局不合理等问题[1-2]。
随着计算机仿真技术的不断发展与成熟，在产品越来越复杂、生产设备和制造系统日趋复杂和昂贵的今天，引入数字化工厂技术，并通过定量的手段来分析和优化各环节，进行工厂建设的成本分析和生产过程变更分析，能保证在可制造的前提下，实现快速、低成本和高质量的制造[3]。尤其在生产线物流的规划过程中，利用计算机虚拟仿真技术对未来生产现场进行模拟，建立三维物流仿真模型，物流规划工程师可以直观地进行物流线路的分析，分析物流的瓶颈点，并提供柱状图或饼状图的分析工具以便捷地进行物流线路的调整以及物流负荷的调整。因此，它被广泛地应用于产业园以及厂房的规划设计中[4-6]。
本文将以某重型机械上市集团公司新规划的管道生产车间为例进行基于Quest的车间物流规划与仿真优化问题研究，从车间物流运作模式、运输工具数量、各类暂存区规划，以及通道拥塞程度分析等角度进行车间物流规划与仿真验证优化，最终得到一个可行并较优的物流方案。
1 车间物流规划
车间物流规划即是将车间内的所有生产设备、运输工具、附属设施（休息室、卫生间等）和各种作业流程（转运、仓储等），依照生产流程，作适当的安排与布置，使工厂的生产活动能够顺利和流畅[6]。
本文以某重型机械上市集团公司新规划的管道生产车间为例，对其车间物流进行研究。首先利用过程分析与数学计算相结合的方法对物流配送模式、运输工具数量、暂存区面积进行初步规划，然后通过Quest仿真软件进行物流方案的仿真验证，得到一系列参考指标并进行分析优化，找到较优的物流方案。实现的过程如图1.1所示。
1.1 车间生产流程
该车间主要包括单层淬火管（六代管）、双层淬火管（五代管）、拖泵管、法兰、和弯管等产品生产线。由卷管线生产出的各管件经过各自的生产线加工成型再依次经过热处理、涂装以及产出成品运至立体仓库。车间物流简图如图1.2所示。
卷管线的原材料由门S2经过通道由货车运输到卷管线线前端，吊装上线，然后依次经过纵剪分条，开卷对校平焊，活套等工序，产生管件原材料。该生产线共生产5种类型的管件，分别为单层淬火管、双层淬火管（由于是复合管，需要两种类型的管件原料）、拖泵管、弯管生产线的管件原材料，前4种经地下运输线（图1.2中蓝色线路）分类暂存于法兰生产线右端的焊管缓存区，弯管原材料则直接由卷管线左端配送至弯管线边（传送带）。
单层和双层淬火管的原材料由焊管缓存区通过积放链（图1.2红色线路所示）运至线边缓存区，部分由行车直接吊装进行切割下料并除锈焊接，焊接所需的法兰由法兰输送系统自动配送到达，焊接完成的产品由地下运输线输送至U形热处理线，热处理线采用单件悬挂方式流动生产，然后再经悬挂链送至涂装线缓存区，管件在缓存区进行分类装框，再经抛丸，涂装形成成品，最后在涂装区的左侧区域进行贴标、打包、小货车运送入库。与单层和双层淬火管不同的是，拖泵管焊接线的成品直接通过轨道电动车运送至涂装线进行加工而不进行热处理，但其后的加工过程与上述类似。
弯管原材料由焊管线通过传送带运至线边缓存，此线类似复合管，每一个成型的弯管毛坯需要同厂外配送的内管一对一进行组合，加工地点与法兰组装地点相邻，成型的弯管再经过涂装抛丸成品打包运至车间内的立体仓库。
眼切产品则是原材料由厂外运至加工地点，完成之后由小货车运至立体仓库入库。
根据车间设计规划的需求，本文主要对物流运作模式、各缓存区以及线边库存量、运输设备数量进行设计规划，然后进行Quest仿真建模，对运输工具的利用率以及门径吞吐进行验证，由此反应出该车间的物流状况。
1.2 物流配送模式规划
拉式物流配送是按JIT准时化生产的思想，“在需要的时候，按需要的量配送所需的产品”，通过生产的计划控制及库存的管理，追求所谓的“零库存”或库存的最小化。其优点为按需配送，避免线边物料堆积；应变能力强，后方系统支持线边物料需求的变动；对物料需求的回馈及时性好，配送组盘过程能够在物料需求指令发出后，全力满足此指令的需求。缺点为系统分析较复杂，应变的情况较多，随机性大；存在配送到货延时的风险。
推式（非JIT）物流配送中物流控制的基本原理是根据最终需求结构计算出各阶段的物料需求量，考虑各阶段的提前期之后，向各阶段发布物料分拣或配送指令。此种配送方式的特点是流程控制集中依赖于发货顺序表，可对之进行独立的优化，人员和设备利用率高，但机动性不够强，每个节点的物料配送主要根据主生产计划进行安排，按照一定时间间隔配送，线边库存水平相对较高，同时也不利于生产过程中各个环节的紧密联系。
本文所涉管道成型车间的配送流程主要包括：直缝焊接线板材、内管（弯管）、眼切原材料、法兰的配送。特点为：品种少、批量大、配送频次低。对此，我们选择采用一种改进的批量拉式配送模式，其流程如图1.3所示。 各个需求点的物料低于最低库存时，便向暂存区发送要料请求，物料暂存区接受指令并向配送人员传达发货指令进行组盘和配送。
此种配送方案继承了拉式配送的优点：按需配送，避免线边物料堆积；应变能力强，支持线边物料需求的变动；对物料需求的回馈及时性好，配送过程能够在物料需求指令发出后，全力满足此指令的需求，同时由于该车间配送品种少批量大的特点，也避免了JIT模式下系统复杂、反应能力要求过高的缺点。
1.3 配送工具数量规划
根据物流配送路径、配送方式以及工艺部门提供的流程规划和配送工具信息对各个通道内部的车辆数目进行初步分析，具体过程如下。
获取各种运输工具的基础数据：其中叉车的空载速度为1.5m/s，负载速度为1m/s；并获取各个配送流程的装载时间和卸载时间等。
1.4 暂存区规划
该车间暂存区规划主要为满足延续性生产的各加工单元线边最低库存的规划。加工单元线边为满足生产连续性而设置的临时库存，一般直接摆放在加工机器附件的区域以便及时满足加工需求。线边最低库存不仅与生产有着直接联系，更是JIT生产（或者看板生产等拉式生产模式）的源头，该管道车间的拉式生产模式如图1.3所示，最低库存作为原动力拉动整个配送体系正常运转。
2 基于Quest的仿真与优化
Quest是达索（Dassault）公司旗下产品Delmia的一部分，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字化工厂环境。它提供强有力的交互式仿真建模功能，是用于实现系统过程可视化和确认生产流程决策是否满足产品生产要求的强大的仿真开发和分析工具。
2.1 Quest建模
利用Quest进行生产线仿真首先要在设计厂房的CAD布局图以及工艺流程的基础上建立几何模型，然后确定几何模型之间的关联关系和其对应的仿真参数仿真以及使用SCL仿真语言对仿真模型内在的逻辑进行设定。
该管道车间的部分系统参数与运输工具参数如表2.1和表2.2所示。
根据厂房规划的CAD图纸用Quest建立几何模型，根据车间工艺流程、规划的物流配送模式（1.2小节）以及初步评估出的运输工具数量（1.3小节）等进行逻辑建模，最终模型如图2.1所示。
然后通过SCL语言控制仿真结果的输出，包括计数器数值输出、利用率报表的输出等。具体过程为：Quest通过编写的SCL语言将仿真结果输出到DAT文件中，Excel再通过VBA读取DAT文件中的数值，最终在Excel中将数据转化为表达更加直观的图表。该实验中，我们用SCL语言编写了对各个运输工具的利用情况和主要门径（N1、S1、S2）的吞吐状况的统计分析程序语句，随着仿真的进行，目标事件触发程序计数器，将结果输出到指定路径的DAT文件中，最后在预先用VBA语句编制好的EXCEL文档中读出DAT文件并转化成直方图和表格数据。
2.2 仿真结果分析及优化
每天的加工时间为20h，由于该车间的换线周期为3天，即可将此实验的仿真时钟设为60h，进行仿真实验，得到各运输工具的利用情况如图2.2所示。
由此可见，该物流方案下，所有配送点均满足配送及时性，但成品运送（图中的成品小货车1和2）的平均利用率偏高，达到了82%。根据经验值，利用率超过75%，视为不安全，即超过安全阈值（实际生产中总会有类似设备故障等各种异常事件发生，仿真分析中配送工具的利用率如果超过75%，则在实际生产过程中极可能遇到因异常事件发生而无法满足正常配送的风险），需改善。
将成品入库的配送车辆数目增加一辆，其他物理模型以及逻辑模型不变，再次进行仿真试验和数据统计分析，得到的运输工具利用情况如图2.3所示。
此时成品小货车利用率降为了58.2%，所有的配送工具利用率都在安全阈值范围内，判定方案合理。
在车间物流的研究中，除了运输工具的工作负荷和利用率至关重要以外，门径吞吐量也直接反应了相关通道的拥塞程度，从而可以一定程度上衡量该车间的物流状况是否良好。为了验证该物流方案是否较优，对改进后的方案再次进行仿真试验，得到门径吞吐统计输出结果如图2.4所示。
横坐标统计时间间隔为30min，纵坐标为每30min经过该门径的车辆数目。图中显示，在3个周期的生产中，门径吞吐最高峰出现在S2门，此时每30min通过测试点的车辆数目最多为12，即最高峰时期，每两辆车之间经过测试点的平均时间间隔为2.5min，负载速度（实则为车间里最慢的行驶速度）为1m/s，则物流最高峰时两辆车之间的距离最近为150m，叉车间的安全行驶距离为90m，这个距离远远超出安全阈值，即通道畅通，物流状况良好。
由此，对于该车间从物流运作模式、暂存区的规划到运输工具的规划这一整体的物流方案，可作为工厂产线规划和持续改善过程中的有效参考。
3 结 论
本文以某管道车间为案例，对其各项物流要素进行规划，并利用Quest数字工厂平台进行仿真优化，最终得到一个可行并较优的物流方案。研究表明，利用仿真软件对生产运作进行仿真，可弥补传统设计规划方法所考虑不到的因素，并且快捷方便，效果明显。此种研究方法可提高企业规划的准确性，有效地降低规划成本，不失为工厂物流设计的一个有效方法。
参考文献：
[1] 高举红，陈思宇，刘晓宇. 基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善[J]. 工业工程，2010，13（1）：90-96.
[2] 冯定忠，吴能，范佳静，等. 基于SLP和SHA的车间设施布局与仿真分析[J]. 工业工程与管理，2012（4）：12-25.
[3] 季金花，陆剑峰，朱志浩，等. 数字化工厂技术在汽车制造企业布局规划中的应用研究[J]. 汽车工程，2009，31（11）：60-69.
[4] 张晓萍，石伟. 物流系统仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2008. （下转第14页）