基于Fiexsim的動車組五級修仿真研究

張鶴，趙慧

（大連交通大學　電氣信息學院，遼寧 大連　116028）

基于Fiexsim的動車組五級修仿真研究

張鶴，趙慧

（大連交通大學電氣信息學院，遼寧 大連116028）

伴隨著高速鐵路的發展，動車組運營里程和開行量的不斷增大，進入高級修階段的動車組不斷增加。如何根據現有的動車組五級檢修方案，發現工藝流程中潛在的瓶頸工序，對檢修方案做出優化調整，以滿足當下不斷擴大的檢修需求，最終保證動車組運行安全已成為鐵路局和軌道車輛制造企業關注的熱點。本文針對動車組五級修工藝流程，以某檢修中心裝配車間設備布局為基礎，通過構建五級修仿真模型，在Flexsim軟件上實現了對真實檢修系統仿真模擬的同時，分析和改善現有檢修線存在的生產效能問題，具有很重要的理論研究和實際應用價值。

動車組五級修；工藝流程；Flexsim；生產線仿真

我國動車組的檢修流程共分為五級［1］，其中，一級修和二級修屬于運用檢修，三級修、四級修和五級修屬于定期檢修。各級修程的劃分與檢修周期運行里程數和動車組運用時間相對應［2］。五級修作為動車組檢修的最高修程，是針對整車所進行的全面分解檢修，較大范圍地更新零部件，完成車體和制動系統等其他方面的檢修作業，最終目的在于消除動車組上各零部件在運行過程中產生的不良狀態［3］。依照五級修工藝流程將其裝配作業環節視為一條完整的生產線進行仿真模擬分析，研究不同檢修工位的生產負荷，發現瓶頸工序，依據生產線優化的理論進行優化設計。

通過在Flexsim軟件上對五級修工藝流程建模并仿真運行，得到檢修線的運行數據，易于發現和改善檢修方案中存在的生產線問題，為提高檢修線的均衡性、削減瓶頸工序、增強檢修系統性能提供可靠的依據。并且優化檢修方案可為操作人員和工裝設備的配置提供決策性建議，可視化的仿真模型能夠低成本、高效率的模擬高級修檢修線實際作業進度，實現檢修生產線的智能化。

1　仿真模型設計

本文主要以某軌道客車股份有限公司的某型號動車組五級檢修項目的裝配環節為研究對象，主機廠內檢修中心裝配車間的五級修工藝流程為研究主體，檢修線的生產效能為研究目標，建立系統仿真模型。系統仿真技術可以應用到生產線研究的各個方面：生產系統規劃、生產計劃模擬、生產成本預測、生產物料管理和生產線協調。如今，國外對于生產線仿真的研究已經較為成熟［4-7］。

1.1仿真模型邏輯設計

1）工藝模型連線

在建立仿真模型之前，依據五級修工藝流程需要將檢修作業進程做抽象化處理，設定一個發生器作為待檢修動車組的到達時間和到達批次的模擬；將待檢修的每節動車抽象為一個臨時實體，按照八節動車構成一列動車組計算，將臨時實體類型從1至8編號，做以相應的區分設定；每道檢修工序對應的檢修臺位用實體庫中的處理器實體模型表示，不同工序設置不同參數和邏輯；牽車臺只能沿特定軌道前后移動，在仿真模型中設置網絡節點，模擬相應軌道的移動路徑。各個工序的每項檢修工作處理過程都視為臨時實體經過處理器，通過調用腳本中不同的加工時間來描述。

Flexsim仿真軟件通過連接對象的方式［8］在對象上創建相應的端口。對象之間通過端口進行通信。輸入和輸出端口用于傳遞臨時實體，中間端口用來創建一個對象到另一個對象的引用。在五級修的仿真模型中，作為通道功能的線路需要保持空閑狀態。因此，仿真模型在此處需要包含一個邏輯預判，其效果需要上游實體和下游實體間的配合。

2）運輸工具邏輯設置

在實際檢修作業過程中，由于檢修對象為動車組整車，所以對檢修對象的移動作業提出特殊要求。整體上，檢修中心裝配車間布局中北線和南線內部的每行線路都包含軌道，檢修車輛可沿本行線路的軌道平行移動到相鄰的下一臺位。在仿真模型中，代表檢修車輛的臨時實體可依次在同行相鄰的處理器實體間相繼流動。對于跨區域移動的檢修臺位需使用運輸工具——牽車臺，即處于區域兩端的處理器需設定使用運輸工具項。以北11-5（北11-5代表檢修中心裝配車間北線11-5這一檢修臺位）為例，其處理器屬性中的輸出端口項如圖1所示。

圖1　處理器北11-5常規屬性項輸出端口圖

在仿真建模過程中，Flexsim軟件能夠自動地依照實體間連線的先后順序為每個輸出端口編號，若一個處理器包含多個輸出端口，而且某些端口對應的實體與本處理器實體屬于不同區域線路，則在前后工序銜接時需勾選“使用運輸工具”項。

3）標簽識別與觸發設定

在動車組五級修項目中，不是每個臺位都執行單一的檢修項目。因此在對這類處理器的屬性設置時，不論是加工時間還是發送至端口項都需要在邏輯上加以區分。設定仿真模型中，發生器產生臨時實體時賦予標簽，命名為“加工工序”。進行邏輯設置時，通過腳本語言調用臨時實體的“加工工序”標簽，獲取標簽值作為判斷條件使用。在Flexsim仿真軟件中，設定每個處理器的最大容量為1，五級修場地具有橫向軌道線路的限制，于是存在一些臨時實體的“加工工序”標簽重疊在一個臺位的特殊情況，因此需要對處理器實體的輸出端口臨時實體的流動是否存在越位和沖突作分析。

4）隨機可用端口腳本編輯

五級修項目任務繁多，設備資源豐富，同一道工序會包含多個可用檢修臺位共同完成一樣的檢修任務。針對這種情況，可以設置隨機可用端口的腳本程序，通過均勻分布函數duniform（）等概率地產生一個定義區間內的隨機數，在仿真模型中實體的臨時實體流屬性里發送至端口項做相應邏輯設置。

1.2仿真模型參數設計

1）多重時間參數編輯

動車組五級檢修項目的仿真模型構建是以五級修工藝流程為主主體，通過設備布局實現檢修模型中檢修臺位的模擬；借助仿真模型邏輯設置反映真實的檢修過程；簡化每個部件的檢修工藝，整合為每個檢修臺位的檢修工時，體現為仿真模型中處理器的加工時間參數。檢修臺位的工時單位為小時，在模型單位設定時，為了減小誤差，防止時間細節的忽略，需設置時間單位為秒。在Flexsim軟件的樹結構中找到units節點，更改time選項。包含多個加工時間的處理器需要對加工時間項的腳本進行編輯，獲取臨時實體“加工工序”標簽值，按照工序設置加工時間。例如對處理器北13-1加工時間設置如圖2所示。

圖2　處理器北13-1加工時間設置

2）多輸出端口參數編輯

在仿真模型中多數的處理器承擔著多道工序的檢修任務，不同的工序對應的輸出端口不同。對應于某些處理器有多個輸出端口的情況，參數需另做編輯。對于同一個檢修臺位，重疊于該臺位上的各道工序由不同上游實體連線至該處理器實體，再相應地連線至下游實體，實現一條臨時實體傳送的通道。所以在臨時實體流選項中對發送至端口項的設置依據只有工序號這一參數，通過腳本語言進行編輯。

2　仿真結果

在Flexsim仿真軟件中，對構建好的仿真模型進行仿真模擬時，包含以下操作步驟：

1）編譯：本文采用Flexsim7.3版本，已實現編譯和運行的無縫連接。當建模過程中的參數選擇和屬性設置為用戶自定義腳本編輯時需通過編譯查錯后應用保存。

2）重置：為保證仿真結果不受外界因素干擾，需確保模型運行之前參數處于初始狀態，在運行開始前，選擇“重置”按鈕。

3）運行：完成編譯及重置，選擇“運行”按鈕開始運行仿真模型。運行過程中，可觀察到臨時實體的當前工作狀態和整個仿真系統的運行情況；通過在Dashboard選項中設置的不同餅狀圖、曲線圖等動態統計系統工作狀況。

4）速度控制：在該五級修項目仿真模型中，系統時間單位為秒，而每個檢修臺位對應的檢修作業時間平均在12小時左右，通過適當的速度調整加快模型運行速度。

針對仿真模型的運行情況，Flexsim仿真軟件可以通過“報告與統計”選項中相應的設置，實現自動生成匯總報告和狀態報告，能夠涵蓋多個類型的標準屬性，例如加工時間、堵塞時間等。本次動車組五級修項目仿真是希望通過樣本模型來進行瓶頸工序的分析，得到各檢修臺位的利用率、堵塞率和閑置率，達到一個完整檢修周期的時間長度，以及規定時間內的檢修產量情況。于是，匯總報告中設定的統計屬性是所有檢修臺位即模型中全部處理器的輸出、空閑時間、加工時間、堵塞時間和平均停留時間5個統計量。

對于仿真模型運行情況的分析包括結果分析和過程分析。動車組五級修中處理器數量大不適合做過程分析，借助仿真結束后輸出的統計數據、狀態圖進行結果數學分析。在Dashboard選項中利用餅狀圖可以統計檢修臺位的利用率。將整個檢修場地中的檢修臺位分為3個區域：北上半區、北下半區、南區。北上半區域的狀態統計餅狀圖如圖3所示。

圖3　北上半區域狀態檢修臺位統計圖

由于檢修車輛進入檢修中心場地后，首先在北上半區域進行五級修裝配環節的拆解過程，之后離開北上半區域至進入北下半區域進行進一步進修作業，然后進入男區域進行裝配環節的安裝過程，最終回到北區域完成最終檢修任務。在仿真模型中，代表檢修車輛的臨時實體在整個仿真模型中流動的趨勢。由于在北上區域匯集了檢修車輛進入和離開的出入口，在一定程度上導致存在堵塞時間的現象，但并不嚴重。此外，還存在部分處理器加工時間較短，利用率低以及檢修臺位平均利用率低等問題。

3　五級修優化方案設計

3.1五級修仿真項目優化方案

在上世紀70年代，以色列物理學家E.M.Goidratt博士首次提出最優生產技術［9］（Optimized Production Technology，OPT）的概念。起初，它稱為最優生產時間表，直至20世紀80年代才改進稱為最優生產技術。在生產線優化分析方面，最優生產技術是通過發現并分析生產線中出現的瓶頸環節，來達到改善生產管理狀況，提高生產效率的最終目的。在OPT系統中，瓶頸環節是限制整個生產系統產出能力的主要因素。

動車組五級修項目涉及82個檢修臺位，若對其檢修工藝流程進行優化將涉及到場地改造、通道設置等多方面因素，難度較大，技術局限性較強。從檢修周期方面來看，動車組五級檢修方案完成對一整列動車的檢修任務需要近60個工作日，生產周期長，并且在生產周期中處于工藝流程后邊的檢修臺位等待時間較長，造成空閑時間的大量累積，以至于整體檢修臺位的利用率不高。所以，針對五級檢修方案的特殊性，優化的重點在生產計劃方面，即檢修臺位的數量不變，檢修工藝流程不變，每道檢修工序對應的檢修作業時間不變，調整不同批次的待檢修動車組進入檢修中心的間隔時間，縮短整列動車組檢修任務完成的周期長度。

通過對仿真模型的模擬運行于數據統計，得到仿真模型中代表檢修臺位的處理器實體在仿真運行過程中的總時間等于加工時間、空閑時間和堵塞時間的總和。具體優化方案為：

1）在仿真數據分析中，根據五級修工藝流程中相關工序的檢修任務完成時間要求，現有檢修計劃是上一列動車組全部進入檢修場地后，間隔12天檢修中心裝配車間再進入下一列待檢修的動車組?，F考慮改善整列動車組之間的進廠間隔時間安排，將原來的均勻時間差12天調整為12天、11天兩個間隔時間交替進行。對檢修計劃的該調整即為約束理論中對“鼓點”的控制，減少區域檢修工位的生產準備時間，縮短生產節拍。

2）設置“緩沖”環節，借助暫存區達到緩沖效果，使檢修流程進展不受上游排隊因素的影響。仿真模型中在處理器旁增加一個起?？空竟δ艿臅捍鎱^，對應于實際檢修操作，則是要根據場地占用情況將等候進入該檢修臺位的檢修車輛暫時調車至空閑臺位等待。這樣，可以降低堵塞時間，保持通道暢通。

3.2優化數據對比分析

依照優化方案對五級修仿真系統進行完善，對仿真模型做相應的改動。設定仿真系統運行時間為100天，獨立重復運行20次后，輸出的數據結果基本穩定，取其中一次實驗的運行數據結果作為優化后的狀態統計情況。優化后與優化前的部分檢修臺位加工狀態對比狀況如圖所示。對于利用率對比差值一項，若表中差值為正，則代表該處理器實體在優化方案中的利用率有所提高，反之則為降低。

圖4　部分檢修臺位加工狀態對比圖

采用概率統計的分析方法判斷該優化方案的可靠性。兩個系統設計方案的仿真運行次數相同，滿足應用“成對t置信區間發“的應用條件。利用率對比差值用Zj表示，Zj的均值記為ε=E（Zj），接下來計算該均值的置信區間。

取1-α=0.9，即α=0.1那么，ε的近似100（1-2）%的置信區間為，即區間（0.3536%，1.0682%）。也就是說，該區間為ε的置信水平為0.9的置信區間。顯然，通過計算得出的置信區間完全位于0的右側，那么依據雙系統方案比較的原則，可以以90%的信心判斷優化后方案的加工狀態性能大于優化前方案的加工狀態性能。

從上表數據可以發現，對于第一列動車組，由于進場計劃的時間安排沒有差異，所以第一列動車組離開檢修中心的時間基本相同。對檢修計劃進行優化后，從第二列動車組開始，整組動車檢修完成的時間周期明顯有所縮短，均值為0.992天，提高了檢修線的整體檢修效率。

表1　檢修動車組的檢修任務完成時間統計表

4　結論

目前的動車組檢修技術已經日趨成熟，不過在提高檢修線生產效率方面還有很大的研究空間。而五級修在動車組修程中難度最大、精密度最高、周期最長、工藝環節最復雜。對五級修的檢修線進行仿真研究具有較強的代表性。本文通過系統仿真軟件Flexsim進行五級修建模和可視化仿真運行，可以發現檢修線的生產效能問題，并依據仿真數據進行改進，具有重要的研究意義和應用價值。

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Research of EMU level-five maintenance simulation based on Flexsim

ZHANG He,ZHAO Hui
（School of Electrical&Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China）

With the development of high-speed railway,EMU is continuously increasing in numbers and operating mileages,as well as the quantity of which needs advanced maintenance.According to the current EMU level-five maintenance program,it is a focus of attention for Railways and rail vehicle manufacturing enterprises to find a way out to achieve these goals:finding potential bottleneck process,making optimization adjustments for maintenance program,meeting the growing maintenance needs and ultimately ensuring the operation safety of EMU.In this thesis,based on the EMU level-five maintenance process,equipment layout of a repair center's assembly plant is the foundation.A level-five maintenance model is constructed.In this way, the real maintenance system is simulated by Flexsim software.At the same time,the production efficiency problems of the existing maintenance line can be analyzed and improved with importantly theoretical and practical value.

EMU level-five maintenance；process；flexsim；production line simulation

TN06

A

1674－6236（2016）13-0034-04

2015-07-14稿件編號：201507103

張 鶴（1992—），女，山西忻州人，碩士研究生。研究方向：通信理論及關鍵技術。