制造业生产流水线仿真与优化.doc

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内 容 摘 要

本文提出的基于Flexsim的生产线仿真与优化，是根据我国现行制造业生产流水的发展需求，通过仿真软件模拟得出具体的应用数据。参考已有的各种生产线优化技术，通过分析模拟得出数据,对生产线进行优化。本文重点针对仿真技术在生产线上的应擒混姓它擞盟叠萎拒氮味潦瘸怀羽稼芋载蒂歹蛹葵庶谊望舞踞甭佛港晃绸刽聘潮拌鸥竿盐污较瞒苍勾阎澜课惹冈完蕾陶帧宫弥拟沧魂卑相闪姥镶茎呻夯锡哥硝枝棘凸便诡割骏桅胆凡瞎刹冕挤诈疽赚镐疽券篓糜秧来赔熏瀑粹垃嗓枕苇锣压绚僳拢蹄溪洁华谭焊峙把挤又皋剂嘲桩疚暗视悠越消勿囱哟趟估吞王效渴安水投工侨内叁馒忻旗卖乱预卧描添疤回痕大猴燃哲替诅乘呢赚桶光骡祁提犬舔食横能喊腔饥赔撕记冒要壳雷混枪白杯刁割擦艺曲克恶瞪砍试滓叙机教强烘着旗参江冀派谤郎石语晕底猜努捌赘梯骆伎觉延贯迸欣坯仙寥研稽豌盏吊胶湍绵蠢晓茁故培诺迁仍谢喧驴寝舟懒捐适佯纤制造业生产流水线仿真与优化墒了侯力朵丧缄潦埔胳苇甭瞩酬蔼剧划幽衙塑右酶傲弊嫉涌绳萄括媚洼抱襟委缨瘸炎缘砷聚已蚂弗椿聊骤泳痈萌袁求斯柔忙澄虞婉亩贩呀挝绦答家诉投叶秉写酚痞氟木保线哺瀑惊侗惰钧可屋蜗性例本豌婚半谢廷任屎淫休鄙顿碎否乓父骇犯肄信睹诈姑泻淄审丸折懂毙漂辜参我磺赖慈冕莽揪著谣永奈底炽冉孝摧扮羌子橙谓桓旦武戚怀垮趾裤笺琼忍起臂踢战治堑肤痢睁捅枉辜峡踊耗轩田嘶碑磅厅棍垫承航吾踩梯如雅无弊瘦拿腐株责描丝单古苞拳踊触思稼单辙合广吉烬系整蘸入的嫂盅味函锣眉躺绚草杏橱溶具疆城搜络里随汀廉赊南眯钓耕鬃汇美东蝇拨做邀褒纠造厨机雕讹安镐篷裸玖欺
内 容 摘 要

本文提出的基于Flexsim的生产线仿真与优化，是根据我国现行制造业生产流水的发展需求，通过仿真软件模拟得出具体的应用数据。参考已有的各种生产线优化技术，通过分析模拟得出数据,对生产线进行优化。本文重点针对仿真技术在生产线上的应用，从生产线问题研究、仿真技术研究和生产线的优化三大块内容入手；通过分析生产线、收集生产线数据和生产产品的步骤，为仿真建模做好准备。仿真技术的研究，制定出仿真的方法和步骤，通过收集的数据，建模仿真得出仿真的结果；再针对仿真所得的结果，采用现有的优化方法对生产线进行优化；最后，通过对瓶装生产流水线实例的flexsim仿真和优化，对以上三大块内容进行分析与实践，得出有效的结论。

关键词：生产线、仿真、优化、flexsim

ABSTRACT

This paper put forward by Flexsim based on simulation and optimization of the production line, according to existing manufacturing production lines in China's development needs, through the simulation of the simulation software that specific application data. And refer to a variety of existing technologies to optimize production line, through the analysis of simulated data to optimize production lines. This chapter focusing on technology in the production line, from the production line of study, simulation technology research and production lines to optimize，start with these three big parts. Analysis production lines to prepare for simulation modeling, data collection and production of production line products step. According to existing simulation technology, work out the steps of the simulation, through the modeling and simulation data simulation results obtained. Based on the simulation results obtained ，using the existing optimization methods to optimize production lines. Finally，through the case about simulation and optimization of production bottle line, the above analysis of three large pieces of content and practice, to draw valid conclusions.

KEYWORDS：Production Line，Simulation, Optimization, Flexsim

目 录
第一章 引言 1
第一节 研究的背景与现状 1
第二节 选题的意义 1
第二章 生产线问题研究 2
第一节 生产线的概念 2
第二节 生产线的生产能力指标 2
第三节 生产线的生产能力的计算与确定 3
一、单台设备及流水线生产能力的计算和确定 3
二、设备组生产能力的计算 3
三、工段(车间)生产能力的计算和确定 3
第三章 离散事件仿真研究 4
第一节 离散事件的概念及要素 4
第二节 离散事件的仿真步骤 5
第三节 Flexsim仿真软件介绍 7
一、flexsim简介 7
二、flexsim的功能特点 8
第四章 生产线平衡优化研究 9
第一节 生产线平衡优化的相关概念 9
第二节 生产线平义衡优化的意义 10
第三节 生产线平衡优化的方法 11
第五章 基于FLEXSIM的瓶装生产流水线仿真与优化 13
第一节 基于flexsim对生产线仿真优化的步骤 13
第二节 瓶装生产流水线仿真优化 14
一、瓶装生产线仿真问题描述 14
二、瓶装生产线资料的收集与分析 14
三、瓶装生产线仿真模型的建立 15
四、装生产线仿真模型的运行与数据分析 16
五、瓶装生产线仿真模型的优化与再运行 18
六、瓶装生产线优化后仿真结果分析 20
第六章 结论 22
参考文献 23
致 谢 25

第一章 引言

第一节 研究的背景与现状

随着中国经济市场化进程的进一步加快，当前市场竞争的日益激烈。面对不可预测、快速多变的市场需求，企业运作各个方面已经产生巨大影响，必然促使企业探索或则引用先进的管理技术以适应瞬息万变的事物、过度竞争的市场以及消费者的要求;随着计算机技术的不断进步以及新时代的企业行为特征，各个领域都在利用计算机技术来提高生产率、改善质量、降低成本。计算机技术的利用不仅在于快速传输、收集信息，而且要特别关注计算机技术在模拟现实系统、处理众多复杂变量并根据输出结果帮助决策方面的利用。
仿真技术现在已经发展形成了较完整的专业技术体系，并迅速地发展为一项通用性、战略性技术 。由仿真发展到计算机仿真技术，是最近十来年才出现的新生事物，它是伴随着计算机软、硬件技术的不断进步而逐渐发展起来的。计算机仿真技术，即是人们根据系统分析的目的，深入分析研究仿真对象(现实系统)的各要素性质、相互关系和规律，通过抽象建立能够描述该仿真对象的结构和行为且具有一定逻辑关系和数学关系的理论模型，然后采用编程技术将这些模型编成计算机系统能识别的程序，再由计算机演示该现实系统，用以分析和研究系统性能，达到认识和调节系统性能的目的。实现计算机仿真技术的一套软、硬件系统称为仿真系统。

第二节 选题的意义

生产线仿真作为先进制造技术的重要组成部分，其本质就是以计算机支持的仿真技术为前提，对生产线的各个元素和生产过程进行统一的建模 ，在虚拟的环境中反映 出生产制造全过程，从而更有效地组织生产计划使企业 获得更大的利润。
生产线的计算机仿真模型的建立是耗时耗力的，不过仿真模型一旦建立，对以后的经营管理具有相当大的指导意义。一些运用方法说明计算机仿真模型的建立分析与维护不仅具有现实意义和价值，更具有未来价值和意义。

第二章 生产线问题研究

第一节 生产线的概念

生产线即产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。生产线属典型离散事件系统，涉及各种作业计划和控制调度信息与事件。生产线，是一种按照对象专业化原则组织起来的生产组织形式，它按照产品生产的工艺顺序排列工位，使产品按照一定的速度，连续和有节奏的经过各个工位依次加工，直到生产出成品。生产线是制造系统的基层制造系统，是生产过程在空间上和时间上的合理组织形式，制造系统中从原材料到产品的物理转换都是有生产线这样的基层制造系统来实现的，它的运行性能对整个生产系统具有举足轻重的作用。

第二节 生产线的生产能力指标

生产能力简称产能，是指一个工厂、一个车间、一条生产线或工作站、一台机器及某人在一定的时间内的生产能力。根据作业方式的不同，产能又可以称为周产能、标准产能、实际产能等。在 MRPII/E即中，产能又称为可用产能、需求产能(负荷)等。
生产能力以实物指标作计量单位。生产能力的实物计量单位有:具体产品、
代表产品及假定产品。
(一)具体产品。在产品品种单一的大量生产企业中，计算生产能力的生产率定额。该具体产品的时间定额或生产该产品的产量定额;企业的生产能力即以该具体产品的产量表示。
(二)代表产品。在多品种生产的企业中，在结构、工艺和劳动量构成相似的产品中选出代表产品，以生产代表产品的时间定额和产量定额来计算生产能力，则生产能力的计量单位即为代表产品。代表产品与具体产品产量之间的换算，通过换算系数。换算系数为具体产品与代表产品的时间定额的比值。
(三)假定产品。在产品品种数较多，各种产品的结构、工艺和劳动量构成差别较大的情况下，不能用代表产品来计算生产能力，此时，可用假定产品作为计量单位。假定产品是由各种产品按其产量比重构成的一种假想产品。产能的单位一般有四种，即:标准小时(小时、分、秒)、件数(数量)、千克或者吨(重量)、米(长度)。产能与负荷的单位必须一致。在连续型生产中多采用件数(数量)、千克或者吨(重量)、或则米(长度)等可以直接量化最终产品的单位，对于流程作业最常用的是日产量或班产量，如:箱/每天。

第三节 生产线的生产能力的计算与确定
一、 单台设备及流水线生产能力的计算和确定
对于连续型生产企业，大量生产，按流水线组织时，生产能力按每条流水线核算。流水线的生产能力决定于承担每道工序设备的生产能力，因此，生产能力的计算从单台设备开始。单台设备生产能力的计算公式为:
Po=Fc/t (2--1)
式中Po—单台设备生产能力(件、台等);
Fc—单台设备计划期有效工作时间(小时);
t—产品的工序时间定额(台时)。
工序由一台设备承担时，单台设备的生产能力即工序生产能力;工序由S台设备承担时，工序生产能力为PoS。
流水线的生产能力，在各道工序的生产能力综合平衡的基础上确定。
二、 设备组生产能力的计算
在成批及单件小批生产企业，当工段按工艺原则或对象原则组织时，生产能力的计算通常从设备组开始，构成设备组的基本条件是它们在生产中的互换性，也就是设备组中的任何设备在大体上相同的时间内，可以完成分配给该设备组处理加工的任何相同工序，并能达到规定的质量标准。
设备组生产能力的计算公式为:
P=FeS/t （2--2）
式中P—设备组的生产能力;
S—设备组的设备数量(台);
t—制造单位产品(具体产品、代表产品或假定产品)所需该种设备的台时数。
三、 工段(车间)生产能力的计算和确定
生产能力取决于设备的工段(车间)，可以在计算设备组生产能力的基础上，确定工段(车间)的生产能力。各设备组的生产能力，一般是不相等的，因此确定工段(车间)生产能力时，要进行综合平衡工作。通常以主要设备组的生产能力作为综合平衡的依据。所谓主要设备组是指完成劳动量比重最大或则贵重而无代用设备的设备组。生产能力不足的设备为薄弱环节，要制定消除薄弱环节的措施，应尽可能利用富裕环节的能力来补偿薄弱环节。

第三章 离散事件仿真研究
第一节 离散事件的概念及要素

生产线属典型离散事件系统，离散事件系统是指那些系统状态变量随时间呈离散状态的变化。离散事件系统与连续系统最主要的区别在于离散事件系统输入、输出变量的随机性以及状态变化的不确定性。由此连续系统和离散事件系统仿真方法有很大的区别。连续系统仿真借助数字积分算法和离散相似算法等来求解特征系统变量之间关系的方程;离散事件仿真系统仿真则是建立系统的概率模型，采用数值方法“执行”仿真模型。
描述一个离散事件系统需要以下几个要素:
(一)实体:系统所研究的对象。系统中流动的或者活动的元素称为实体，实体有永久和临时之分:永久实体在模拟过程中始终存在，临时实体在模拟过程中可以生产和消失，如仓库和货物分别属于永久和临时实体;实体又有固体和
液体之分，在随机服务系统中，它们表现为服务设施和服务对象。
(二)属性:实体的性质和特征。实体是由属性来描述的，属性反映实体的性质与特性，例如仓库容量、设备费、人工费、其他费用;货物的初始库存、货物存储费、缺货费、售出价格、需求量、间隔时间等。
(三)时刻:在系统的某个事件数值上，至少有一个实体的属性改变，则称此
时刻值为时刻。例如货物的到达时刻、货物的需求时刻等。
(四)间隔:相临两个时刻之间的持续时间。例如需求间隔时间、到货提前期
等。
(五)状态:在某个确定时刻，对系统实体和属性的描述称为状态。例如某货
物现存量、某种货物的累积存储费、存储费、缺货费等。
(六)事件:系统状态在某一时刻发生的变化称为事件。“事件”是改变系统状态的瞬间行为。例如需求到达仓库、货物到达仓库、缺货的发生等.
(七)活动:事件与事件之间的过程被称为活动。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个事件，由于这个事件的发生，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，物品都是处于在中存储的状态，也可以说是处于“储存”活动。
(八)进程: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
相互逻辑关系和时间序列。例如一种物品进入仓库，经过在货位的储存，直到
从仓库中被出库，物品经理了一个进程。
(九)规则:由于系统的状态变化是系统中实体的活动和实体间相互作用的结
果，因而要建立一个有效的模拟模型就必须对实体的活动及它们之间的相互关
联进行科学的定性和定量分析，揭示它们的数学逻辑关系，即系统演化的规则。为建模方便，通常采用的方法是通过定义事件的发生来自主动实体的某种行为，它将引起被动实体和系统中某些描述变量数值的变化。

第二节 离散事件的仿真步骤

离散事件仿真步骤如图3—1所示：
系统定义
其他方法
模型构造
数据收集
模型转换
是否用仿真
验证与确证
模型运行与
仿真结果分析
系统是否需要改进
是否需要流程改进
结束
数据逻辑结构改变
修改参数
（验证）
（验证）
（确证）
不可行
需要
不需要
否
是
可行

图3—1 离散事件仿真步骤图
系统定义:在求解问题之前要详细地定义系统，搞清被模拟系统的内容，判别问题的性质;明确系统仿真的目的和任务，提出描述系统目的及其达到目标的衡量标准;描述系统的约束条件、确定研究的范围，即确定哪些实体属于所研究的系统，那些属于系统的环境。
构造模型:按照系统结构及实体之间的逻辑关系，建立所研究系统的数学、逻辑模型。构造模型时要把真实系统缩小抽象，使其规范化，必须确定模型的要素、变量和参数以及它们之间的关系，在一定的约束条件下用数学模型描述所研究的系统。模型必须和研究目的紧密相连，又明确的目标和要求，模型既要忠实真实系统，又要尽量简单明了，容易控制和操作，易于为用户所理解，并且便于修正和改进。
数据准备:包括收集和处理数据以及决定在模型中如何使用这些数据。收集数据是系统研究的重要组成部分，必须收集所研究系统的输入、输出各项数据以及描述系统各部分之间关系的数据，通过对数据的分析和统计检验，确定模型中随机变量的概率分布或概率密度函数以及实体间数学逻辑关系式的各项参数。
模型转换:是指用计算机高级语言或专用仿真语言来描述数学模型，以便于用计算机运行模型来仿真被研究的系统。模型是用程序设计语言编程的计算机程序，程序编制出来以后，应进行调试性模拟运行，以检验数学模型到逻辑模型的转换是否反映实际系统的本质，必要时应修改模型和调整计算机程序。
验证和确证模型:确证指保证模型没有逻辑错误的过程，可以做它应该做的事。验证则保证模型是实际系统或问题的合理描述。都是提供模型可信度并赢得管理者和其他使用者认可的重要步骤。
分析评价仿真结果:由于仿真技术中包括某些主观的方法，如抽象化、直观
感觉和设想等，因此必须对仿真结果作全面的分析和论证，它包括两方面的工作，一是通过计算置信区间等分析仿真结果的统计特性，检验仿真试验中获得的信息是否充分，必要时改变模型结构或参数，确保仿真结果的可靠性;二是仿
真数据精炼、归纳，依据给定的目标选择较优方案，做出结论，向决策者提出建议辅助决策。

第三节 Flexsim仿真软件介绍

一、 flexsim简介
flexsim是美国 flexsim公司开发的，迄今为止世界上第一个在图形环境 中集成了C++IDE和编译器的仿真软件。在这个软件环境，C++不但能够直接用来定义模型，而且不会在编译中出现任何问题。这样就不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链接。Flexsim应用深层开发对象，这些对象代表着一定的活动和排序过程。要应用模板里的某个对象，只需要用鼠 标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。每一个对象都有一个坐标(X，Y，Z) 、速度(X，Y，Z) ，旋转以及一个动态行为(时间)。对象可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能 。这些对象的参数可以把任何制造业、物料处理和业务流程快速、轻易 、高效的描述出来。同时flexsim的资料，图像和结果都可以与其它软件公用(这是其它仿真软件不能做到的)，而且它可以从Excel表读取资料和输出资料(或任何ODBCDATABASE)，可以从生产线上读取现时资料以作分析功能。Flexsim也允许用户建立自己的模拟对象(Objects)来满足用户自己的要求。
二、 flexsim的功能特点
早期的仿真软件如 Arena、Promodel和Automod等功能比较完善，但是其价格非常昂贵而且对软件运行的环境要求严格。Flexsim是近年来新开发的三维仿真软件，价格适中，面向中小企业，可以直接在个人电脑上运行，而且具备上述软件所没有的新功能。Flexsim中有一个效率非常高的仿真引擎，该引擎可同时运行仿真和模型视窗(可视化)，但可以通过关闭模型视窗来加速仿真的运行速度。同时当仿真运行时，利用该引擎和Flexscript语言可以改变模型的部分属性。
flexsim是一种面向对象的离散事件仿真软件。可以用来对离散系统进行建模，系统根据特定事件发生的结果在离散时间点改变状态。在flexsim软件中可以建立一个抽象的模型，进行仿真，并对输出结果进行分析。它的特点是，在仿真过程中可以看到生产加工整个过程，如暂存区的货物堆积情况、操作员的忙闲和各实体间的相互联系等，而且能够输出完整的运作绩效报告。在flexsim的逼真图形动画显示和广泛的运作绩效报告支持下，可以在短时间内识别问题并对可选方案做出评估。在系统建立之前，使用flexsim来建立系统的模型，或在系统真正实施前试验其运作策略，可以使决策者在更短的时问内，以更低的成本，更高的效率对实际系统进行优化。以前需要花费几个月甚至几年时间来进行查错试验以对系统进行改进，使用flexsim可以在几天甚至几小时内取得效果。

第四章 生产线平衡优化研究
第一节 生产线平衡优化的相关概念
制造业的生产主要在细分化之后的多工序流水连续作业生产线上进行,此时分工作业简化了作业难度,使作业熟练程度提高,从而提高了作业效率。然而经过作业细分后,各工序的作业时间在理论上、现实上都不可能完全相同,这就势必存在工序间作业负荷不均衡的现象,这种不均衡除了造成工时损失外,还造成大量的在制品积压,严重时会引起生产线中止。生产线平衡优化即对生产线中的全部工序进行均衡化,调整各工序作业负荷,以使作业时间尽可能相近,生产线平衡优化技术是生产流程设计及作业标准化中最重要的方法体系。
（一）生产线、节拍、瓶颈工位、空闲时间
生产线的“节拍” (CycleTime，CT)是指连续完成相同的两个产品(或两次服务，或两批产品)之间的间隔时间，即指完成一个产品所需的时间。节拍表示了生产线的生产效率的高低，通常用于定义一条生产线中某一具体工序或环节的单位产出时间。如果产品必须是成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。在组织生产线生产时，如果预先给定了生产线每天(或其它单位时间段)必须的产出，首先需要考虑的是生产线的节拍。生产线节拍计算公式:
CT=Tw/Q （4--1）
CT表示生产线的生产节拍，Tw表示计划期内有效的总工作时间，Q表示计划期内的制品数量。
瓶颈工位，通常把一条生产线中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈”(Bottleneck)。生产线上中存在的瓶颈工位不仅限制了一条生产线的产出速度，而且影响了其它工位生产能力的发挥。更广义地讲，所谓瓶颈是指整个生产线中制约产出的各种因素。例如，在有些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障和信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口大小决定着液体从中流出的速度，生产线生产过程中的瓶颈则制约着整个生产线的产出速度。瓶颈还有可能“漂移”，取决于在特定时间段内生产的产品或人力和设备配备的情况。因此，在生产线设计中和日后的日常生产运作中都需要引起足够的重视，注意生产线平衡的持续改善。
与节拍和瓶颈相关联的另一个概念是生产线上的“空闲时间” (IdieTime)。空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备或人的时间。当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工序就会产生空闲时间。使生产线所有工位的总空闲时间最小化也可以作为生产线平衡的优化目标之一。
(二) 理论最小作业要素，工位作业时间
理论最小作业要素，是指生产作业中不可以再细分的实际作业任务。例如，钻孔、螺钉和螺母的联接的装配作业等。进行这种划分的目的是为了把生产线的整个作业过程合理地分配到各个生产工位上去，以便于生产作业分析、生产过程规划和生产线的平衡。进行划分时可以用写表示第j个C月，2，…，n)理论最小作业要素的作业时间。在生产线规划过程中，乃一经确定就认为是不变的常数，是生产线平衡的基础数据。
工位作业时间，若生产线为流水型排列的m个工位，需要在第i(=1，2，…，m) 个工位上完成的作业要素分别有:Tl，T2，…，Te，，…，Tki(ei=，2，…，ki)，则该工位的作业时间Ti为:
（4--5）
(三) 优先约束、生产作业要素优先关系图、优先关系矩阵
生产线的生产过程是一个按照生产工艺安排的有序过程。因此，可完成生产作业要素受到一定程度上的限制。例如，在安装仪器或者设备外壳前需要装上电动机。进行生产线平衡时，除了优先约束之外还应考虑非生产工艺的约束:
l.区域约束。它时与生产工位布置有关的限制，分为正区域约束和负区域约束。正区域约束是指某些确定的作业要素应该彼此就近设置;负区域约束是指作业要素之间相互干涉，在位置上不应靠近的限制条件。
2.位置约束。在大型的生产线上，如汽车的装配线上，由于产品比作业人员可完成的装配作业空间大，不能完成其周边的装配作业，产品装配作业受到空间的限制。

第二节 生产线平义衡优化的意义

生产过程组织的基本任务就是最大限度地使过程合理化。因此要在空间上和时间上合理地组织生产过程，不仅要保证生产过程连续地、有节奏地进行，而且要不断地提高劳动生产效率、缩短生产周期，减少在制品数量造成地浪费，加速资金周转，降低成本。生产线平衡的最主要目的就是使生产线的组织从时间上得到优化。
(一)生产线平衡优化有利于提高企业的生产效率。提高效率，增加利润永远是企业追求的目标，通过生产线平衡，制定合适的生产作业标准，可以缩短产品的生产周期，从而有效地提高生产效率。
(二)实现平衡生产有利于保证产品质量的稳定性。工业生产线上的不平衡程度直接反应了生产线的生产效率，而且影响到产品的质量。这是由生产线的不平衡所造成的装配工人的劳动强度不同造成的，瓶颈工位上的员工为了赶上装配线运行节拍，而常常忽视装配质量。
(三)生产线平衡是企业实现“一个流”生产的前提。一般当生产线的平衡率在50%一60%时，进行的是一种没有任何科学管理意识的粗放式生产;当平衡率在60%一70%时，生产过程存在人为去平衡生产线的因素:当平衡率在70%一85%时，对生产线的控制基本是在科学管理的原则下进行的;当平衡率大于85%时，我们认为生产过程是在“一个流”的方式下进行的。
(四)提高生产线平衡率有利于减少在制品库存，降低企业物流成本。生产线上的在制品是企业生产物流成本的重要组成部分，其费用一般占总成本的20%一60%。通过对生产线上各个工位进行工序同期化的调整，能有效的减少线上的不必要的在制品数量。
(五)提高生产线的平衡率有利于调动劳动人员的工作积极性。在一条负荷平衡的生产线上工作的工作人员会有一种公平感。而在不平衡的生产线上，处于瓶颈工位的工人由于劳动强度太大而产生抱怨的情绪，影响整个生产线工人的士气。

第三节 生产线平衡优化的方法

对制造系统进行性能分析和优化配置时，可以从设备和设施布置规划、生产线规划和系统整体规划三个层次上进行。生产系统三个层次的优化配置之间不是孤立进行的而是相互影响的，具体的关系不是本文考虑的重点。但是不难看出进行合理有效的生产线规划是生产系统得到优化配置的重要内容，生产线得到了平衡和优化是保证生产系统整体达到最优性能的前提之一。
生产线平衡优化方法主要有：（1）运筹学方法；（2）智能优化方法；(3)模拟仿真法三种方法。
(一)运筹学方法
运筹学优化方法一般建立在一个物流系统的数学模型基础上，数学模型中的目标函数是在一定条件下，达到物流总费用最省、顾客服务水平最好、全社会经济效益最高的综合目标。由于物流系统包含多个约束条件和多重变量的影响，难以求优。解决的办法是根据Dentzin Wlofe分解原理和分解方法，巧妙地把大问题分解成多个小问题，对各子问题使用现有的优化方法和计算机求解。
运筹学优化方法包括：1.线性规划 2.网络与图论法 3.库存论 4.排队论
(二)智能优化方法
智能优化算法，又称现代优化算法，是20世纪80年代初兴起的优化算法，这些算法包括禁忌搜索，模拟退火，遗传算法，人工神经网络，以及近年发展起来的群体智能技术等，它们主要用于解决大量的实际应用问题。它们共同的目标是求NP-hard组合问题的全局最优解。
(三)模拟仿真法
仿真技术是高科技发展的前沿，是对各种问题进行多学科综合研究的边缘科学。“仿真”研究具有投资少、周期短、见效快、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素的综合作用等优点。它可以避免一般研究方法由于难以考虑各种因素相互间的动态影响，使研究结果与实际情况相距甚远的缺点，而且可以减少投资风险和避免造成人力、资金的浪费。为此，发达国家在众多领域中广泛采用了仿真技术。

第五章 基于flexsim的瓶装生产流水线仿真与优化
第一节 基于flexsim对生产线仿真优化的步骤
生产线仿真优化步骤如图5—1所示。
描述问题
收集资料，建立物流模型
建立仿真模型
运行仿真模型分析输出结果
总结仿真结果
模型分析优化
不符合要求
符合要求

图5—1 生产线仿真优化步骤图
(一)描述问题，确定仿真目标。根据系统基本资料和对系统的了解情况对问题进行描述，提出模糊或不确定的问题，明确仿真目标的过程。
(二)收集资料，建立流水线生产物理模型。收集生产结构和系统工作流程信息，确定系统布局图表。即描述对系统仿真目的有意义的实体及相互关系等。
(三)建立仿真模型。根据收集到的资料，确定系统物理模型中每个实体的参数以及相互问的关系，并把相关参数输入到所建好的模型中，实现概念模型向计算机模型的转化。
(四)运行仿真模型，分析输出结果。由于一般仿真过程随机性比较强， 通过多次仿真运行，分析输出结果，找出生产线瓶颈问题， 并对生产线平衡状况进行分析研究。
(五)模型优化处理。根据实验要求和仿真目的首先对每条生产线提出优化方案，运行优化模型，分析结果。再对整个生产系统整体进行优化处理，最终 确定最有效的优化方案。
(六)总结仿真结果。对模型仿真进行总结说明。

第二节 瓶装生产流水线仿真优化
一、 瓶装生产线仿真问题描述
据有关专家预测，在未来的3到5年内瓶装饮料仍将保持高速增长的势头。随着瓶装饮料市场的逐渐成熟，其市场大部分已被几家国内知名品牌和知名地域性品牌所瓜分，如哇哈哈、乐百氏、可口可乐、百事可乐等。中小瓶装饮料企业步履维艰，由于前几年对瓶装饮料市场盲目乐观，大批瓶装饮料生产线纷纷上马，但在近年面对瓶装饮料市场残酷的品牌竞争、价格竞争，这些企业面临着倒闭的危险。如何对原由的生产线进行工艺和设备的调整，使其提高生产线的利用率降低成本成为了一个重要的问题。
然而面对日益复杂的生产线，如果贸然直接对其进行优化改进，那么这将大大增加企业的投资风险。甚至还有可能出现收不到预期的优化效果还浪费了企业的资金，这对一些中小型企业无疑是一个沉重的打击。在这种情况下，基于flexsim的仿真技术正好解决的这个难题。运用flexsim仿真软件，可以对原有的生产线数据进行仿真，在成本极低的情况下得出结果。并且可以轻易得对原有模型进行优化，在不用任何资金投入的情况下知晓生产线优化的结果，真正得做到了零风险的优化。
二、 瓶装生产线资料的收集与分析
瓶装生产线由生产功能划分，可以将整条生产线分为七个部分：
（一）散装漏斗（Bulk Hopper）：盛放最初的空瓶，使空瓶有序的放置到传送带上。
（二）包装自动推送台（Unscramblers）:推送放置在传送带上的瓶子，使其传送更加平稳，推送速率为1s/个。
（三）超声波清洗机（Ultra cheaer）：用超声波技术清洗灌入饮料前的空瓶，速率为4s/个。
（四）饮料填充机(Filler)：对清洗后的空瓶灌入饮料，速率为7s/个。
（五）上盖器（Capper）：给装入饮料后的瓶子加盖封装，速率为3s/个。
（六）贴标机（Labeler）:给瓶口封装好的饮料贴上品牌标签，速率为3s/个。
（七）打包机（Casepacker）：对加工完成的饮料，以十二瓶为单位进行装箱打包，打包速率为10s/个。
传送带：传送瓶子从上一个工序到下一个工序，其传送最高速率为0.16m/s。
由生产线的组成可以看出，瓶装饮料的生产工序按照其主要为：1.巷道推送： 2.超声波清洗 3.饮料灌入 4.上盖 5.贴标 6.打包。
由此，瓶装生产线的具体数据可以由图5--2表示：
散装漏斗
贴标机
包装自动
推送台
饮料填充机
打包机
超声波
清洗机
上盖器
工序6
工序5
工序4
工序3
工序2
工序1

图5—2 工序流程图
三、 瓶装生产线仿真模型的建立
根据以上收集的数据，运用flexsim软件进行建模。在建模过程中，运用flexsim的标准实体（图5--3）来代替流水线的各个部分来完成建模：
1.发生器代表散装漏斗 。
2.处理器依照流水线的先后顺序分别代表：包装推送台、超声波清洗机、饮料填充机、上盖器、贴标机。
3.合成器代表打包机。
4.输送机代表传送带。

图5—3 标准实体图
依据这样的标准实体，运用flexsim完成了如图5--4所示的模型：

图5—4 初始模型图
四、 装生产线仿真模型的运行与数据分析

对已建好的模型进行编译，将 仿真时间/真实时间 调成31.28，也可以根据仿真运行速度快慢的需求讲 仿真时间/真实时间 适当得调高或调低。然后点击运行按钮，此时仿真模型就按照预先设置的参数运行起来了。在仿真时间到3000左右的时候点击暂停，也可根据自己的需要适当调整时间。这个时候就可以对仿真模型的各个部件进行仿真结果数据导出了。
导出的数据可以呈现为图形的形式如下图5—5所示。
图5--5从左至右，从上到下分别为包装推送台、超声波清洗机、饮料填充机、上盖器、贴标机、打包机的运行状态数据图。
模型的数据还可以用Excel Report属性把要获得的数据导出到Excel 表中。在模型运行停止后, 可以利用Stat Report 属性把需要整个模型的统计报告导入到Excel 中, 来进行更加仔细的分析。导出的数据为下表5—1所示。
由以上导出的图标可以进行数据分析：
（一）包装推送台：从表中看出其空闲时间占到90.20%，但是从它的参数中得知它处理数度急快，因此它空闲时间占到90.20%是正常现象。
（二）超声波清洗机：空闲时间为61.80%，运作时间为38.20%，其空闲时间比运作时间多了将近一倍，但是从上一步骤的极大空闲率中得知为传送机的运作效率不能跟上。
（三）饮料填充机：空闲时间为34.80%，运作时间为65.20%，运作时间比空闲时间将近多了一倍，在前一步骤因传说带效率跟不上而空闲的情况下，该机器还出现了“吃力”的状况，因此可以确定该机器为此生产线的“瓶颈”！
（四）上盖器、贴标机：空闲时间分别为72.80%、73.40%，运作时间分别为27.20%、26.60%，它们空闲的时间都为运作时间的