鄧鴻劍，付建林，程 振，張 劍，丁國富

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266000；2.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

0 引言

車間布局規(guī)劃是智能制造、數(shù)字化工廠領(lǐng)域的普遍性問題，尤其在國家智能制造戰(zhàn)略引領(lǐng)下，國內(nèi)制造企業(yè)從舊的生產(chǎn)模式向智能化制造升級改造的需求十分迫切，而車間布局規(guī)劃是升級改造首先要實施的第一步，合理的車間生產(chǎn)線規(guī)劃布局對于生產(chǎn)系統(tǒng)的良好運行和系統(tǒng)性能具有至關(guān)重要的作用，也是生產(chǎn)制造領(lǐng)域的一個研究熱點。

車間布局規(guī)劃問題是個復雜的、具有非線性、NPhard等特征的組合優(yōu)化問題[1]，針對車間布局規(guī)劃問題出現(xiàn)了多種研究方法：經(jīng)驗設計方法、SLP系統(tǒng)布置規(guī)劃方法、智能優(yōu)化方法、仿真方法等。經(jīng)驗設計結(jié)合定性分析的方法，也就是比較不同方案的優(yōu)缺點，很難得到最優(yōu)解[2]，美國Richard Muthe提出的系統(tǒng)布置設計（SLP）方法強調(diào)車間布局中各作業(yè)單元之間密切程度，將密切程度高的作業(yè)單元擺放在一起形成布局方案。葉連發(fā)[9]霍穎[10]均采用SLP方法來進行車間布局規(guī)劃，智能優(yōu)化方法用來求解NP-hard的組合優(yōu)化布局問題比較有效，胡廣華等[6]采用智能優(yōu)化算法求解單元間布局問題，王鵬云[12]采用遺傳算法求解車間布局問題，但出于求解可行性，本身智能優(yōu)化模型對實際情況做了很多簡化與取舍，并不能完全反應實際布局細節(jié)、約束與限制。也有部分學者采用仿真方法求解布局問題，如霍穎[10]采用witness仿真軟件來進行布局規(guī)劃。康留濤[10]采用QUEST仿真軟件對機加工車間進行布局仿真，張超[13]通過仿真軟件對航空綜合機加廠房布局方案進行性能分析。

雖然對車間布局問題已經(jīng)做了大量研究，但仍然沒有找到通用的徹底解決問題的方法。鑒于無論SLP方法或智能優(yōu)化方法等都很難建立起與實際完全一致的精確解析模型，而“離散事件仿真獲取的評價指標能深刻體現(xiàn)方案的優(yōu)劣”[13]，因此對布局方案進行仿真驗證與評估能夠確認布局方案的有效性。本文采用虛擬仿真的方法研究布局問題，為了彌補仿真方法不能針對性主動搜索問題解的缺陷，本文提出迭代仿真優(yōu)化的思想，通過“布局方案→仿真驗證→局部修正”循環(huán)方式，不斷迭代仿真，逐步修復每一次的缺陷，直到達到滿意為止，最終得到最優(yōu)化布局方案。

1 基于仿真迭代的兩步車間布局規(guī)劃

根據(jù)仿真迭代優(yōu)化的思想，車間布局規(guī)劃思路如圖1所示。

首先根據(jù)現(xiàn)場真實情況對生產(chǎn)線的各類設備進行三維建模，擬清工藝過程和物流過程定義與限定，然后采用經(jīng)驗設計方法、SLP方法或智能優(yōu)化方法得到初步布局方案，進行第一步：按照布局方案建立三維車間仿真布局模型，然后對布局模型進行空間合理性分析，主要檢驗空間距離，碰撞干涉等情況，根據(jù)檢驗評估情況，對布局進行局部修正，如果沒問題，進行第二步：將三維車間仿真布局模型導入生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件中，模擬生產(chǎn)線生產(chǎn)的全過程，主要檢驗生產(chǎn)性能指標如設備利用率、產(chǎn)能、在制品等指標是否最優(yōu)。根據(jù)檢驗評估情況，對布局進行局部修正，修改布局方案，然后進入下一輪的仿真驗證，以上過程可以反復進行，逐步修正布局方案，直到得到滿意的最優(yōu)化布局方案，最后輸出最優(yōu)化生產(chǎn)線布局圖、三維布局模型、模擬生產(chǎn)仿真模型等結(jié)果。

下面以某工廠轉(zhuǎn)向架軸箱生產(chǎn)線布局規(guī)劃為案例，詳述基于仿真迭代的布局規(guī)劃具體實施過程：

1.1 生產(chǎn)線布局資源建模

以目前轉(zhuǎn)向架輪對軸箱線為例，轉(zhuǎn)向架軸箱生產(chǎn)線主要是將軸箱各類零部件組裝到轉(zhuǎn)向架輪對上去，具體工藝為：同溫→軸承壓裝→后蓋組裝（節(jié)點壓裝）→軸箱體組裝→前蓋組裝→電氣件組裝→補漆檢驗。AGV充當移動裝配站，在各組裝區(qū)之間流動，軸箱零部件放置于AGV托盤上跟隨運輸。

圖1 基于仿真迭代的兩步車間布局規(guī)劃

首先收集生產(chǎn)線資料，包括廠房的平面圖，各加工設備，物流設備，倉儲設備，工裝工具等的模型和尺寸參數(shù)，建立生產(chǎn)線各個設備，工裝工具，廠房框架等對象的三維模型，以供后續(xù)仿真使用。同時，需要規(guī)范出生產(chǎn)線工藝流程，生產(chǎn)的物流過程，生產(chǎn)計劃排程數(shù)據(jù)等。

具體步驟如下：

1）完成廠房區(qū)域建模，應包括：廠房結(jié)構(gòu)框架、柱子、地板、墻面等。

2）完成資源建模，應包括：生產(chǎn)設備、工藝裝備、物流設施、產(chǎn)品物料等。

3）完成輔助設施建模，應包括：標識線、工位看板、電子屏等。

4）清點和整理所布局的模型，檢查應包括：模型是否遺漏、模型信息是否完整、模型位置是否正確、模型是否按照規(guī)定組合。

1.2 空間合理性分析

圖2 轉(zhuǎn)向架軸箱生產(chǎn)線原始布局

采用Delmia DPM軟件，將布局資源三維模型導入三維場景中，按照布局方案組裝起來，形成三維車間仿真布局模型，根據(jù)工藝流程和物料配送過程，在三維空間中進行生產(chǎn)線的空間合理性檢測，主要包括：各類資源空間距離的合理性、人員操作通暢性、設備的碰撞干涉、工裝工具的可達性、物流通暢性等，對布局方案進行空間合理性分析評估，可以得到具體的量化指標，根據(jù)檢驗指標情況，對布局方案進行局部修正。

在空間合理性分析過程中，應遵循“加工路線最短，人行走距離最短”，“設備之間、設備和墻壁、柱子間的最短和最遠距離”等實際要求，主要檢驗項包括如下內(nèi)容：

1）廠房的空間尺寸：立柱的位置、門窗的距離、路面的寬度等

2）產(chǎn)品、設備等的距離：產(chǎn)品擺放的距離、設備與設備之間的距離、設備與墻壁間的距離等。

3）人機工程距離分析：工人與工位臺的距離、設備空間的高度和可達距離。

4）空間利用率分析：優(yōu)化設備占用場地的面積，提升場地利用率。

5）干涉分析：產(chǎn)品、設備、框架等各類對象在靜態(tài)與動態(tài)下是否存在碰撞干涉，需進行檢驗與優(yōu)化。

圖3 AGV與桁架碰撞

圖4 軸箱體與桁架立柱發(fā)生碰撞

圖5 工人操作設備距離檢測

圖6 工人與護欄距離合理性檢測

圖7 工具與零部件間的干涉指示

圖8 AGV路徑通暢性檢測

1.3 基于生產(chǎn)過程仿真的性能分析

將三維車間仿真布局模型導入生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件中，模擬產(chǎn)品制造全過程，可以采用的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件有西門子PlantSimulation，F(xiàn)lexsim，Simio等。將轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間數(shù)字建模模型導入生產(chǎn)線物流仿真軟件中，按照布局方案進行組裝，配置與開發(fā)生產(chǎn)線的設備參數(shù)，運行邏輯，工藝參數(shù)，輸入生產(chǎn)計劃，然后進行生產(chǎn)線物流仿真，對仿真過程數(shù)據(jù)進行分析，從生產(chǎn)系統(tǒng)物流優(yōu)化角度，檢驗布局的合理性，根據(jù)生產(chǎn)性能指標也可以細化調(diào)整布局方案。

圖9 轉(zhuǎn)向架軸箱生產(chǎn)線過程仿真

主要檢驗生產(chǎn)性能指標如產(chǎn)能效率、產(chǎn)品流通時間、設備利用率、生產(chǎn)節(jié)拍等指標是否最優(yōu)。

1）資源的利用情況：加工設備的利用率、倉儲物流設備的利用率、工人忙閑率等。

2）物流瓶頸識別和分析：包括產(chǎn)生瓶頸的設備位置和程度，其指標包括生產(chǎn)線的瓶頸率、等待隊長、等待時間等。

3）在制品評估：在制品的堆積情況，臨界在制品庫存。

4）車間產(chǎn)能分析：包括最大能力、單位時間生產(chǎn)量等。

5）生產(chǎn)周期分析：如加工件通過時間。

圖10 工位工人效率分析

圖11 設備利用率分析

圖12 在制品分析

圖13 線邊物料庫存

1.4 最優(yōu)化布局方案輸出

經(jīng)過多次仿真迭代優(yōu)化后，得到最優(yōu)化的布局方案，如圖15所示，將生產(chǎn)線為由原來的混疊布局改為平行布局，由兩條并行的子線組成，兩條子線完全相似，由軸承壓裝區(qū)，后蓋組裝區(qū)，軸箱體組裝區(qū)，前蓋組裝，電氣件組裝，補漆檢驗，檢驗區(qū)等串行組成，其中節(jié)點壓裝區(qū)與前三個工序采用并行方式，經(jīng)過仿真檢驗，不僅滿足空間合理性要求，而且在生產(chǎn)線物流過程仿真中的性能指標較為理想。

圖14 優(yōu)化后產(chǎn)生的布局方案

根據(jù)最終優(yōu)化的布局方案得到生產(chǎn)線平面布局圖，生產(chǎn)線三維布局模型，空間合理性分析報告，布局物流仿真分析報告等資料。

2 結(jié)論

本文提出的基于仿真迭代優(yōu)化的兩步車間布局規(guī)劃方法，將車間各類資源按照1:1方式建模，導入三維仿真空間中，同時按照真實生產(chǎn)組織、工藝過程進行仿真，因此能最全面真實地反映實際生產(chǎn)線的狀態(tài)、約束、限制等各方面，采用迭代仿真優(yōu)化的方法能夠逐步逼近最優(yōu)方案。同時提供了最直觀的可視化布局效果，以及生產(chǎn)線過程模擬效果。通過轉(zhuǎn)向架軸箱生產(chǎn)線的布局規(guī)劃實例也證明了此種方法的有效性?；诜抡娴鷥?yōu)化的兩步車間布局規(guī)劃方法可以用于解決絕大多數(shù)車間的布局規(guī)劃問題，具有普遍適用性，對于解決智能制造數(shù)字化工廠的布局規(guī)劃問題提供了解決思路。