农机装备是农业现代化进程中的重要装备，是“中国制造2025”十大领域之一。我国丘陵山地幅员辽阔，微耕机具有广阔的应用前景。目前，微耕机生产企业普遍存在产能不足，生产管理水平亟需提高的难题，主要表现为生产线不平衡、生产效率低下。如何以较少的投入，快速提高生产率是较多微耕机生产企业迫切需要解决的问题。通过计算机仿真技术寻找瓶颈工位，同时利用工业工程方法进行生产线平衡优化，是提高机器设备和人员利用率、提高劳动生产率的有效解决方案^[1-2]。可视化计算机仿真技术的迅速发展，降低了建模成本，提高了建模准确度^[3-4]，基于FlexSim的仿真优化获得了相关研究者的青睐。宝斯琴塔娜等^[5]在研究相关建模仿真理论的基础上，应用FlexSim软件对多条流水生产线进行仿真优化，验证了设计方案的合理性。龚立雄等^[6]对摩托车涂装生产线流程进行了研究，建立了基于FlexSim的仿真模型，针对模型中的工艺流程瓶颈，进行了二次优化，使摩托车涂装线达到满足要求的平衡。朱小蓉^[7]对仓储作业系统进行了研究，利用FlexSim模拟出入库作业，理清了物流中心仓储作业系统的综合效率跟货架的存储策略、设备人员的协调运作之间的密切关系，并提出了优化方案。Garrido^[8]认为FlexSim可以在短时间内帮助用户发现问题，并找出多个选择方案。Bai等^[9]以重庆汽车生产线为研究对象，提出不改动生产线、引进新技术和改进工人效率等条件，通过FlexSim找出瓶颈工序，获得了两个优化方案供企业选择，最终提高了生产效率。Chen等^[10]提出对3条单生产线组成的混合生产线进行研究，使用FlexSim找出混合生产线的瓶颈工序，优化后实现了高效的混流生产，满足了多品种小批量的定制化生产要求。

本文针对HTBS公司微耕机包装线产能亟待提高的问题，结合FlexSim仿真技术分析包装线瓶颈，依据经验排序法对包装线的工序进行优化^[11]，短时间内在很少投资或无需投资的情况下，提高企业的生产效率，有效增强企业的核心竞争力。

1 HTBS微耕机生产线瓶颈分析

近年来，HTBS公司微耕机国际国内订单数量稳步增加，现有产能已经不能满足市场需求，提高劳动生产率成为公司当前最为紧迫的任务之一。HTBS公司微耕机生产主要包括部件装配、水检、整机装配、性能调试和包装5个部分，如图1所示。

部件装配包括行走箱和变速箱的装配两部分，装配完成后进行连接和密封；对密封箱体进行气密性检测，检查是否存在漏气问题；然后，将检测合格的产品运送至整机装配线，将发动机、扶手架等其他部件安装于箱体上，完成整机装配；整机装配完成后，运至调试车间，进行性能测试；对调试合格的微耕机进行包装，最后将完成包装的成品入库。由于空间限制，调试车间和包装线之间的暂存区允许的最大在制品库存为20台，但目前约为70台，为整个车间在制品最多的暂存区。因此，包装线是整个微耕机生产流程中的“瓶颈”环节。

2 微耕机包装线现状 2.1 包装线流程

包装线工位布置如图2所示，共9个工位，13名操作工人。

其中，工位1负责将调试合格的产品送上包装线；工位2负责拆卸扶手架和发动机；工位3需要为工位4准备足量的零部件(铁架)；工位4负责铁架的固定；工位5对微耕机表面脏污进行清洁作业；工位6是领取微耕机的部装件，比如挡泥板、刀具等；工位7负责对产品进行装箱，贴标签，将产品信息录入系统；工位8利用起重打包机对产品进行外部塑料包装；工位9将完成包装的产品进行下线入库。微耕机包装线流程如图3所示。

2.2 包装线作业测定

为方便后续仿真模型参数的设置，利用秒表时间研究法在生产现场进行数据收集。通过秒表测时法来进行各个工序的作业时间测量，利用三倍标准差法剔出观测数据中的异常值，计算平均观测时间并记录；根据包装线的实际情况确定宽放率，得出各工序及工位的标准作业时间，即实际生产节拍^[12]，如表1所示。

3 微耕机包装线仿真优化 3.1 仿真模型设计与分析 3.1.1 建立微耕机包装线仿真模型

步骤1 　创建对象。

从对象库中用鼠标拖动一个发生器(Source)、9个处理器(Processor)、8个传送带(Conveyor)、2个队列(Queue)、一个任务分配器(Dispatcher)、一个叉车(Transporter)和一个货仓(Rack)(作用等同于吸收器)。

步骤2 　连接对象。

按照产品的流动路径，从Source开始两两连接对象，产品将沿着连线在对象间流动，连接时注意连接方向是从起点对象到终点对象^[13-15]，建立如图4所示的Flexsim包装线仿真模型图。

步骤3 　设置实体参数。

1) 设置发生器的参数，根据实际生产中收集的数据，发生器的速率为65 s/台；

2) 设置传送带的参数，传送带的速度可以调节，设定模型中所有传送带的速度为0.5 m/s；

3) 工位1~9处理速率如表2所示，即Processor1~Processor9的处置速率分别满足69 s/台，68 s/台，8 s/台，62 s/台，15 s/台，17 s/台，60 s/台，80 s/台，35 s/台。

4) 根据实际生产中收集的数据，两个暂存区(Q1和Q2)的最大库存为20台；

5) 根据实体Q2的参数，设定运输机(transporter)的容量为1个；根据实际生产中收集的数据，运输机的最大运输速度为6 台/min；

步骤4 　重置和运行模型。

完成上述步骤之后，仿真模型建立完成。

3.1.2 模型运行及分析

在菜单栏中，点击【重置】命令，完成编译。公司目前为单班制生产，每日工作时为8 h，设置运行时间为28 800 s(8 h/d)，点击【运行】按钮开始运行模型。运行结束后，点击【数据】按钮，输出统计报告和仿真结果报告，如表3和表4所示。

表3中货栈R产品数量为354台，暂存区Q1库存为66台，与实际生产情况相符。表4中工位3、8的加工率分别为10.31%、98.71%，表明包装线目前处于较为严重的生产不平衡状态；工位3、5、6的加工率分别为10.31%、19.02%和21.38%，对应的阻塞率平均达70%；工位1、2、8平均加工率达90%以上。由此可知，工位1、2、8是包装线的瓶颈环节，是重点优化对象。

3.2 方案优化设计

为实现包装线各个工位的负荷均衡，运用经验排序法对包装线瓶颈环节进行优化。由测试工段的节拍65 s可知，包装线固定节拍应为65 s左右，因此采用经验排序法来安排工序^[11]。

3.2.1 经验排序法

包装线作业工序顺序如图5所示。

步骤1 　制作作业工序工时和顺序表。

由表5可知，作业工序3、6、9、10、13、14和16没有紧前工序，即这7个工序可更改作业顺序，不需要等待其他工序完成后再进行。

步骤2 　计算工位数。

已知包装线包装一台产品的时间为T_总=414 s，假设T_i为各工位工时，则工位数N为

$\quad\quad N = {T_{\text{总}}}/{\rm{CT}}\text{。}$

(1)

式中CT为生产节拍，由式(1)计算出包装线的工位数为7。

步骤3 　工序初步确定。

根据CT和估算工位数进行工序初步确定。工序4、8、11、15、17和19作业时间较长，初步定为主工序，计算主工序工时与节拍CT的差值，如表6所示。

包装线作业工序工时和顺序如表5所示。

尽管工序5工时相对较短，但优先度较高，因此也作为主工序考虑。

步骤4 　确定未安排工序的作业工位。

未安排的工序分别是1、2、3、5、6、7、9、10、12、13、14、16和18，可以编入表6工时较短的工位，使得各工位工时差为最小。将12编入工位3，将16编入工位4，将18编入工位6，将1、2、3、5和7编入工位1；剩余工序为6、9、10、13和14，组合为一个新工位。

步骤5 　设计工位作业顺序表。

计算各工位工时与CT的差值。

根据表7重新对原工位和工序进行编排，得到优化后的包装线流程如表8所示。

3.2.2 优化效果分析

导入表8中优化后的包装线各工位数据，重新设置模型参数后，点击【运行】，输出模型仿真报告和统计报告如表9和表10所示。

包装线优化前后各指标对比情况如表11所示。

包装线平衡主要优化结果如下：

1) 包装线各工位平均加工时间比例由58.28%提升到90.21%；

2) 各工位没有阻塞现象；

3) 暂存区库存量由66台降低至7台，符合微耕机整条生产线暂存要求；

4) 日产量从354台提升至436台；

5) 减少了包装线工人1名；

6) 减少了2个工位，节省了生产空间；

7) 生产线平衡率从66.67%提高到90.77%。

综合来看，包装线各工位负荷趋于平衡，优化效果显著。

4 结束语

根据HTBS实际情况，公司当前提高生产能力的关键仍然是生产线的平衡优化，因此，对产线平衡进行分析，解决瓶颈问题，提高生产能力是企业关注的核心问题。本文通过对微耕机包装线的平衡优化，包装线平衡率从66.67%提升到90.77%；日产量从354台增加到436台，增长23.2%；暂存区库存从66台降低至7台，减少89.3%；减少了1名操作工人和2个工位，生产成本降低。