1. 生產能力分析
生產能力（產能）指生產系統在一段時間內的有效產出量，比如每年的產量、每小時的產量等。產能有多種表述形式，比如最大產能、實際產能、標準產能、平均產能等。產能指標可以落腳在設備或工位，也可以落腳在生產線或車間。比如，針對單工位，如果是自動化設備，可用UPH（units per hour）表示產能，即每小時的產量UPH=年生產量/12月/每個月的工作日/8（每天8小時工作制），如果是人工工位，可用UPPH（units per people per hour）表示產能，即每小時每個人的產量UPPH=年生產量/12月/每個月的工作日/8/工人人數（每天8小時工作制，某個工位的工人數）。在計算產能時，要考慮以下諸多因素。
（1）工作日歷：每天的有效工作時間。
（2）節拍時間：對于單臺設備，就是生產一個產品所需時間，對于生產線，就是相鄰兩個產品產出的平均間隔時間。
（3）生產系統的復雜性：多臺設備構成的生產系統的產能取決于瓶頸設備，但瓶頸識別較為困難，特別是在產品品種較多的情況下。
（4）產品的規格和類型數量：如果生產多類產品，產能和不同產品的構成比例、生產順序等的關系很大。
（5）產品質量、設備可靠性等：產品質量低則有效產出低，設備可靠性不足也會減少設備工作時間，從而降低產能。
如果生產系統較為復雜，僅憑計算來評估產能是較為困難的，最好能通過仿真來模擬生產過程運行并分析產能的動態變化，基本過程如下：
（1）建立生產系統仿真模型，對影響產能的因素盡可能全面準確地進行描述，包括工藝路線、設備工時、工廠日歷、設備故障與維修、物流時間等。
（2）確定產品類型組合，比如車間生產A、B、C三類產品，比例分別為0.5，0.3，0.2。
（3）設計產品的投入順序和批量，調整產品投放間隔。一般來講，合理的投放策略，可以得到最大產能，過密或過疏的產品投放間隔都可能降低產能。（過密易導致生產的相互干擾，過疏則導致設備等待）。
（4）如果存在隨機因素，就需要多次仿真運行，得到產能的平均值。比如，某生產線仿真5次，每小時平均產量分別為100，120，114，116，120，則最終的產能為(100+120+114+116+120)/5=114個/h。
（5）產能分析與改善。如果產能達不到預期，改善途徑包括調整工藝路線、增加設備能力、優化布局縮短物流時間、優化產品投放順序、優化生產調度策略等，改善方案可通過仿真進行驗證。
「 2. 工件通過時間分析 」
工件從進入系統到離開系統的時間差稱為通過時間。如圖1所示，通過時間一般由等待時間、物流時間、工作時間和計劃外時間4部分構成。
（1）等待時間（waiting time）。在緩沖區或設備上的等待時間，包括物流等待時間和故障等待時間；
（2）物流時間（logistics time）。與物流相關的時間，包括裝卸時間（比如AGV裝卸、機械手上下料）和移動時間（比如AGV運輸時間）；
（3）工作時間（working time）。包括準備時間和加工時間；
（4）計劃外時間（unplanned time）。包括計劃停機時間和非工作日歷時間。
（1）計算工件通過時間及其數據分布。同一類型不同編號工件的通過時間一般是變化的，通過統計可以得到平均通過時間以及直方圖分布。 （2）計算等待時間、物流時間、工作時間的時長占比。定義有效工作時間=通過時間-計劃外時長，工作時間在有效工作時間中占比越大，說明生產過程越高效，反之，則可能物流效率低，或者生產計劃不夠優化。在生產系統中，緩沖區（buffer）起到臨時存放在制品的作用，處于等待狀態的零部件一般放置在緩沖區中。仿真運行過程中，緩沖區的工件數量隨時間在不斷變化。
進一步，可以分析緩沖區容量設置對于產能和生產效率的影響，緩沖區容量過小，可能引發更多的阻塞情況，導致工件無法及時離開當前位置，緩沖區容量過大，則造成資源浪費。為了確定最佳緩沖區容量，可以先設置無限容量緩沖區，通過仿真得到最大在制品數量n后，再限定緩沖區容量為n及周圍幾個數值，然后通過仿真試驗方法找到最佳容量。
在仿真生命周期內，生產系統中各類物流對象（AGV、天車等）的時間分布如圖3所示，包括3部分時間：（1）等待時間。此時，物流設施已就緒，但無任務分配。（2）計劃外時間。非工作日歷時間，或者物流設施在維修保養、充電等。（3）服務時間。該時間又包括空載移動時間、負載移動時間和裝卸時間。
仿真結束后，可自動統計出物流對象的有效利用率：有效利用率=服務時間/(服務時間+等待時間)，如果有效利用率偏低，說明物流對象的數量可能偏多，進一步可以通過試驗設計的方式來優化對象數量，如果有效利用率偏高，則說明物流設施的數量可能偏少，或者裝載數量不合理（一次裝載量太?。?。
除了時間因素外，行駛距離也是物流效率分析的指標，物流行駛距離過長，可能說明物流路徑設置不合理，或者物流調度算法存在問題，導致工件耗費在運輸上的時間過長，這時就需要對物流布局和調度算法進行優化。
設備有7種常見狀態，在仿真生命周期的任意時刻，設備都停留在這7種狀態之一，并在特定事件發生后變遷到其他狀態。仿真結束后，通過對狀態停留時長的統計，可得到每種狀態時長的占比。如何定義設備利用率并沒有一個公認的公式，如圖4，可以定義：設備利用率=（工作時間+準備時間）/（總時間-計劃外時間）
得到仿真周期內設備利用率的平均值后，進一步還可以得到每個時間段的設備利用率，從而看出設備利用率的變化過程。
設備綜合效率（overall equipment effectiveness，OEE）也是一個常見的設備效率指標，用來表示實際的生產能力相對于理論產能的比率。它的計算公式為 OEE = 時間開動率×性能開動率×合格品率=合格產品的理論加工總時間/負荷時間
“開動率”也稱為“稼動率”。
例如，某設備某天工作時間8h，計劃停機10min，故障停機30min，設備調整準備時間35min，產品的理論加工周期為1min/件，一天共加工產品400件，有20件廢品。則
實際運行時間=8×60-10-30-35=405（min）
計劃運行時間=8×60-10=470（min）
時間開動率=405/470=0.86
性能開動率=400×1/405=0.98
合格品率=（400-20/400）=0.95
OEE=0.86×0.98×0.95 = 0.80
通過仿真，很容易得到所有設備的OEE指標值。
「 6. 資源效率分析 」
生產系統中的資源類型很多，資源效率分析主要是對車間人員、設備、工裝、物料和工時等進行分析與管理，保證生產正常進行。下面以物流搬運工人、操作/維修工人、工具類資源3類資源為例，說明資源效率分析的過程。
如果資源利用率偏低，一般意味著資源數量可以減少，具體能減少多少需要通過仿真來驗證，通常采取試驗設計方法，為不同資源設置多個水平值（即資源數量），針對所有可能組合都進行仿真，最后得到最佳資源數量組合。
「 7. 生產瓶頸分析 」
生產瓶頸（production bottleneck），指生產過程中出現的阻礙生產順利進行的因素。生產系統最大產能不是取決于作業速度最快的工位，而是取決于作業速度最慢的工位，也就是所說的瓶頸，最快最慢的差距越大，產能損失就越大。生產瓶頸的表現形式很多，比如：①設備瓶頸，如某臺設備產能低下或者可靠性低，大量在制工件在該設備前等待；②物流瓶頸，如物流效率低，物流請求任務的響應慢，或者物流運輸時間過長；③資源瓶頸，如資源數量和能力不足，任務等待資源的時間長；④供應瓶頸，如原材料或零配件供應跟不上，造成加工設備的閑置或者裝配部件的不齊套；⑤質量瓶頸，如關鍵工序質量問題突出，造成大量返工返修或報廢現象。
所謂生產瓶頸分析，就是通過仿真運行和量化分析，識別出生產瓶頸，并通過對設備、物流、資源、供應以及生產調度等方案的調整，改善或消除瓶頸，并通過仿真進行驗證。
生產瓶頸的識別是第一步。某些生產系統的瓶頸識別較為簡單，比如單一產品流水生產線，生產速率最慢的工位必然是瓶頸?；炝魃a線的瓶頸識別就要困難些，對于多產品多工藝路線并存、具有復雜物流與資源調度的離散制造車間來說，瓶頸識別更為困難，這時候，生產系統仿真分析的價值就非常明顯了。
通過仿真分析來識別生產瓶頸通常有如下方法：
（1）尋找利用率較高的幾臺設備，這些設備可能是瓶頸；
（2）尋找在制品數量最多的幾個緩沖區，這些緩沖區出口對應的設備或者物流設施可能是瓶頸；
（3）如果物流設施利用率較高，或者物流服務響應時間長，物流設施可能是瓶頸；
（4）如果資源利用率較高，或者等待資源就緒的時間長，則資源可能是瓶頸；
（5）產品裝配時，總是在等待幾個工件，這些工件的供應（加工或者倉儲配送）可能是瓶頸。
值得注意的是，上述瓶頸的判斷僅僅是“可能性”，是否確實為瓶頸需要通過仿真來驗證。如果對該“瓶頸”進行改善，生產能力和效率得到明顯提升，那就是真正的瓶頸。生產瓶頸的改善是第二步。瓶頸的改善方案可通過仿真試驗來提出。
部分引自：《生產系統建模與仿真》（作者：朱海平）
公安備案號：11010502039965??? 