汽車線束自動機(jī)看板順序優(yōu)化方案

前言：如何把一個項目的所有回路（約1500~2000），根據(jù)生產(chǎn)模式（拉動模式or推動模式）科學(xué)合理地根據(jù)生產(chǎn)批量安排到所給定數(shù)量的設(shè)備上，即看板（生產(chǎn)任務(wù)）在自動機(jī)工序的排程作業(yè)過程，一直是行業(yè)制造的難點。

本文結(jié)合筆者個人的工作和研究經(jīng)歷，介紹了線束制造過程中工藝路線設(shè)計的邏輯，行業(yè)標(biāo)桿D公司自動下線壓接機(jī)排程的模型方法論和局限性，然后介紹了筆者在對D公司模型應(yīng)用過程中遇到的一些經(jīng)驗總結(jié)以及筆者的補(bǔ)充性研究，最終介紹筆者研究的一種能有效優(yōu)化看板順序降低換型總時間的BSC算法和算法的目標(biāo)應(yīng)用場景。

01

線束制造加工路線的靈活性和復(fù)雜性

線束制造主要分為前工序和后工序（見圖1）。前工序主要是將回路兩端加上插接件，后工序主要是將各回路完成組裝、包扎。前后工序單臺設(shè)備速率差別太大，故需要前工序頻繁換型以平衡前后工序節(jié)拍，一般還通過在前后工序之前設(shè)置庫存來解耦前后工序，以抑止生產(chǎn)異常帶來的影響。

前工序的加工路線組合非常靈活，且不同加工路線組合效率差異非常大（感興趣的朋友，可以結(jié)合自己工廠的設(shè)備情況，測算下不同加工路線的費率）。制定合理的工藝路線選擇規(guī)則，對前工序的成本和效率起著決定性的作用。

▲圖1線束制造流程▲

在當(dāng)前人工成本越來越貴且招工越來越難的社會大背景下，“盡可能采用自動化程度高的工藝路線”已成為越來越多公司的共識，支撐這一推論的依據(jù)之一是“各工廠半自動壓接機(jī)的數(shù)量越來越少”。近些年陸續(xù)出現(xiàn)了自動下線壓接插護(hù)套一體的自動化設(shè)備，也是這種共識的表現(xiàn)之一，非本文核心關(guān)注點，暫不做深入探討。 線束制造前工序工藝路線的選擇，發(fā)生在前工序制造系統(tǒng)設(shè)計階段，其主要過程見圖2：

▲圖2前工序制造系統(tǒng)設(shè)計流程▲

該過程將回路表信息結(jié)合工藝參數(shù)生成下線壓接表，根據(jù)工廠設(shè)備能力和產(chǎn)能選擇工藝路線；如果選擇拉動式生成系統(tǒng)，還需要制定生成批量和安全庫存等信息；最終將加工藝路線和拉動式生產(chǎn)所需信息輸出指定格式的看板（見圖3）或任務(wù)單。

▲圖3看板實例▲

在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，看板綁定在制品（WIP）并指示W(wǎng)IP經(jīng)過的各個位置，直到總裝取料，看板被釋放最初的工序，周而復(fù)始，維持生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

02

標(biāo)桿企業(yè)自動下線壓接機(jī)排程的實踐

由于“盡可能采用自動化程度高的工藝路線”的共識和相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化的突破，自動下線壓接機(jī)被作為最核心的加工設(shè)備應(yīng)用于線束加工過程中，其特點是原材料品種少（電線、端子、防水栓）但規(guī)格多（線種&線色&線徑、端子n種型號、防水栓n種型號），通過工藝參數(shù)進(jìn)行組合，實現(xiàn)多品種小批量的生產(chǎn)

由于單機(jī)多品種生產(chǎn)，不同品種之間的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換需要判斷相鄰兩個任務(wù)之間的差異，根據(jù)差異更換相應(yīng)元素（見圖5），理論上相鄰兩個任務(wù)的差異越小，換型過程更換的元素越少，換型時間越短。考慮到自動機(jī)機(jī)型的能力差異導(dǎo)致的特殊任務(wù)與特殊機(jī)臺的鎖定，那么剩余的任務(wù)理論上存在一組任務(wù)序列使得換型總時間最短。

▲圖5自動下線壓接機(jī)換型元素▲

標(biāo)桿企業(yè)D公司把結(jié)合設(shè)備能力和產(chǎn)能選擇工藝路線的過程叫做作業(yè)負(fù)荷均衡（Machine Balance），其原理與生產(chǎn)線平衡（Line Balance）類似，設(shè)計了非常實用的Excel模型。以工作負(fù)荷為整體邏輯構(gòu)架（見圖6），分別統(tǒng)計或測算計劃停機(jī)時間、加工時間、換型時間和損失時間，最終在前工序制造系統(tǒng)設(shè)計階段實現(xiàn)工作負(fù)荷的測算。

▲圖6D公司模型邏輯▲

D公司作業(yè)負(fù)荷均衡主要分為制定標(biāo)準(zhǔn)工時、制定換型矩陣、任務(wù)順序?qū)?yōu)、機(jī)臺分配和模具沖突調(diào)整五大步驟（見圖7），基于各機(jī)臺任務(wù)和負(fù)荷的動態(tài)調(diào)整。

▲圖7作業(yè)負(fù)荷均衡五步驟▲ 筆者在2017年推進(jìn)項目過程中跟行業(yè)標(biāo)桿D公司前員工學(xué)習(xí)了標(biāo)桿公司的自2009年建立并優(yōu)化至2016年的自動機(jī)排程的模型，自此開始了自動機(jī)排程學(xué)習(xí)和研究。憑借扎實的IE科班功底和蹩腳的VBA編程能力，筆者一句一句翻譯模型的代碼并反推其邏輯，站在行業(yè)前輩的肩膀上擷取智慧，并結(jié)合當(dāng)時公司的實際情況對進(jìn)行適配改造，很快就小有成就，獲得了一些榮譽(yù)，并負(fù)責(zé)在下屬公司進(jìn)行技術(shù)推廣。

03

標(biāo)桿企業(yè)自動下線壓接機(jī)排程模型的局限性

D公司模型定義了探測人工任務(wù)順序?qū)?yōu)的結(jié)果（換型總時間）的方法，使得衡量同一組任務(wù)不同人員作業(yè)結(jié)果的優(yōu)劣成為可能。遺憾的是，未找到一種可靠的能有效減少換型總時間的算法。 筆者在數(shù)年的研究中，多次跟D公司前員工交流以及在前公司10多家工廠實踐過程中，發(fā)現(xiàn)人工任務(wù)順序?qū)?yōu)過程作業(yè)周期非常長（1000個看板排3~5天都非常正常）、結(jié)果優(yōu)劣嚴(yán)重依賴人員的能力和責(zé)任心和崗位人員變動頻繁等問題普遍存在。

當(dāng)筆者試圖在公司內(nèi)部推廣D公司先進(jìn)做法的時候，從業(yè)者基本上可以理解其理念，但是對于全面吸收應(yīng)用D公司模型，存在較大的抵觸。主要原因如下：

效率衡量方法失效。自動機(jī)產(chǎn)量受標(biāo)準(zhǔn)工時（取決于長度、線徑、作業(yè)內(nèi)容）、生產(chǎn)批量和換型時間（換型類型和該類型發(fā)生次數(shù)）等綜合因素影響，而這生產(chǎn)批量會影響當(dāng)天的換型次數(shù)，彼此之間關(guān)系復(fù)雜。所以傳統(tǒng)的統(tǒng)計每臺機(jī)的日產(chǎn)出，無法衡量出自動機(jī)的真實生產(chǎn)效率；

浪費非常隱蔽，設(shè)計到執(zhí)行交替掩護(hù)。看板順序優(yōu)化專業(yè)性非常強(qiáng)，因人工看板順序優(yōu)化水平低而導(dǎo)致?lián)Q型總時間浪費非常隱蔽，一般工廠無有效稽核手段。自動機(jī)操作員在作業(yè)過程中會根據(jù)經(jīng)驗將相似的看板緊鄰生產(chǎn)，部分彌補(bǔ)因人工看板順序優(yōu)化水平低而導(dǎo)致的換型浪費，使得這種浪費更加隱蔽；久而久之形成了“看板只分配到機(jī)臺，但是不定順序，由自動機(jī)操作員自行排序”的局面，掩蓋了前工序制造系統(tǒng)設(shè)計階段的能力不足問題；

技術(shù)壟斷且無約束KPI。人工順序?qū)?yōu)方法比較復(fù)雜，人員培養(yǎng)周期較長，一般一個工廠僅有1~2名掌握此技能的工程師，且大多數(shù)時候有師承關(guān)系，存在一定程度的“技術(shù)壟斷”。排序的結(jié)果質(zhì)量不容易判定，管理者不太可能做出明確的KPI，基于“員工只會做管理者要求做的事情”原則，排序人員在順序?qū)?yōu)的過程中不會為了公司的收益折磨自己；

技術(shù)門檻高，工作不被認(rèn)可。人工順序?qū)?yōu)方法比較復(fù)雜，D公司模型沒有減少排序人員的工作量，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)工時、換型矩陣）一般需要排序人員自己去整理收集，費時費力且管理者不認(rèn)可其工作的價值，降低了排序人員對D公司模型應(yīng)用的積極性；

工廠受益的技術(shù)與個人利益沖突。排序人員擔(dān)心集團(tuán)推進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化模型使其工廠內(nèi)“技術(shù)壟斷”地位打破，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化模型之后的成果也是推廣部門的成果，所以往往以“太復(fù)雜，不適用”為由而排斥新模型。

04

D公司模型局限性的補(bǔ)充研究

D公司模型之所以未被行業(yè)廣泛應(yīng)用，其局限性主要是“模型太復(fù)雜，需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多，需要人員的素質(zhì)較高”，若能用算法將最復(fù)雜的“人工順序?qū)?yōu)”解決掉，是否能降低普及D公司模型的門檻呢？

筆者開始嘗試用算法替代繁瑣的人工操作過程，主要有兩大難題：

算法排序結(jié)果跟人工排序結(jié)果，沒有顯著性優(yōu)勢；

VBA程序運(yùn)行時間非常長，1000個看板需要計算3~5小時。

算法先后采用了枚舉算法、蛇形算法、最短路徑算法……已經(jīng)記不清迭代了多少次，但始終沒有突破性進(jìn)展。

2018年離開線束行業(yè)以后，心中一直有一個遺憾，“未能找到一種能有效降低換型總時間的算法”！作為一個技術(shù)控，此研究一直作為個人保留項目進(jìn)行攻關(guān)，只是忙的時候投入得精力少一些，忙里偷閑的時候投入得精力多一些。

05

BSC算法+Python=自動機(jī)智能排序工具

“苦心人，天不負(fù)”。兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，不記得撕了多少種方案，終于找到一種能有效解決減少換型總時間的算法，寄予厚望起名為“Best Sequence Calculator”，簡稱BSC算法。為了解決VBA運(yùn)算卡死的問題，6月份開始自學(xué)Python，從安裝Pycharm開始，折騰了3個月，開發(fā)了“汽車線束自動機(jī)智能排序工具”，為了解決界面問題，又自學(xué)了PyQt5并研究了“多線程”，并在Tony哥設(shè)計技能的加持下升級了軟件的UI，經(jīng)過2個多月某工廠的實際試用反饋后，最終為大家?guī)硪豢钕鄬Τ墒斓钠嚲€束自動機(jī)看板智能排序解決方案——《線束自動機(jī)智能排序工具V5.0》。

其注冊方法和使用方法介紹見下視頻：

06

BSC算法VS.人工排序測試結(jié)果

筆者測試了5個項目，結(jié)果如下：

▲圖8 BSC3.0算法VS.人工排序測試結(jié)果▲

從測試結(jié)果來講，算法排序的質(zhì)量和速度均實現(xiàn)了飛躍，初步實現(xiàn)了預(yù)期。

07

汽車線束自動機(jī)看板智能排序解決方案的目標(biāo)應(yīng)用場景

針對自動機(jī)看板排序作業(yè)過程，目前行業(yè)內(nèi)主要有三種解決方案：

采購第三方APS系統(tǒng)或自研APS。優(yōu)點是能有效集成MES、ERP等系統(tǒng)，算力更強(qiáng)；缺點是價格高，花費預(yù)計在150~200萬之間；

IT+前工序?qū)＜遥?/strong>開發(fā)排序算法并制成專用工具。筆者所走的技術(shù)路線，只不過一般團(tuán)隊短時間完成，筆者沒有團(tuán)隊無奈采用了單人長時間完成。