基于仿真技術的車間布置方案評價與優化

韓曉龍，湯宗翔

(上海海事大學科學研究院物流研究中心， 上海201306)

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基于仿真技術的車間布置方案評價與優化

韓曉龍，湯宗翔

(上海海事大學科學研究院物流研究中心， 上海201306)

摘要：為提高車間布置設計與實際生產環境的契合度，將系統布置設計與仿真技術相結合。采用系統布置設計方法得出初始布置方案，并對其進行物料搬運分析以確定物料流動路線與搬運方式。進而設計生產、搬運與存儲規則，對不同布置方案分別進行仿真分析。根據仿真輸出結果對方案進行綜合評價與針對性的調整。實驗結果表明：經過仿真技術評價與優化后得出的車間布置方案更加真實有效，可以改善車間生產過程中在制品堆積，物料搬運低效無序，不同作業區域生產能力不均等問題。

關鍵詞：車間布置設計；仿真技術；綜合評價

0引言

在生產過程中，物料主要有加工、搬運、暫存三種狀態。隨著加工技術的日益進步，加工步驟占用的時間逐漸縮短，物料搬運與儲存時間所占的比重越來越大。一個好的車間布置方案不僅可以縮短生產過程中物料的流動距離，減少搬運時間，還可以平衡工序間的生產節拍，減少在制品數量。這在制造企業競爭激烈的今天顯得尤其重要。然而，由于生產系統的復雜性，無論布置方案是根據生產操作經驗還是數學算法得出，都不能確定其與實際生產情況的契合度，從而解決生產過程中的問題。因此，必須找到一種可以綜合評價車間布置方案且能夠針對性優化的方法。

近年來，國內外學者對布置設計領域不斷探索，并取得了一定的成果。文獻[1]回顧了設施布置問題的歷史，總結了傳統的布置設計中存在的問題，并對未來設施布置設計的發展做出了展望；文獻[2]將綜合相關度作為目標函數，把物流園區設施布置問題轉變為一個數學問題并使用遺傳算法得出布置方案；文獻[3]同時使用系統布置設計(SLP)與圖論法(GBT)生成了數個布置方案并根據效率值對各方案評分，應用兩兩交換法對效率值最高的方案做進一步優化；文獻[4]與文獻[5]將SLP與SHA相結合，在合理布置空間的同時，注重搬運方式的合理化，使得布置方案更加真實有效；文獻[6]以搬運矩最小和鄰接相關度最高為目標函數，提出了制造業緩存區布置優化方法，并在仿真分析過程中根據搬運機械利用率與道路使用情況提出進一步優化方案；文獻[7]和文獻[8]在使用SLP法得出最優布置方案后，進一步使用仿真技術對生產線進一步平衡與優化；文獻[9]將精益生產引入車間優化，從車間布置、生產節拍、不合理因素等角度對車間進行整體優化，并利用仿真技術檢驗優化結果；文獻[10]以生產效率最大化和生產平衡為目標，使用調合搜索算法得出了最優方案；文獻[11]提出了單元制造系統的多目標模型，比較了MOSS，SPEA-Ⅱ，NSGA-Ⅱ三種算法的優劣；文獻[12]～文獻[16]將SLP法應用于實際案例，很好地解決了行業內的設施布置問題。

然而，以往的相關文獻多是以物流量及其他非生產因素為目標，從理論角度推導并得出最優的布置方案，沒有將理論得來的布置方案放到真實的生產環境中去檢驗，并根據實際情況做出進一步的優化。本文將SLP法與eM-Plant仿真軟件相結合，根據SLP法得出的初始方案，進一步對布置方案進行搬運分析并仿真建模。以總產量、車間平均稼動率、產成品平均移動距離、公共緩存區物料總數為評價指標，根據仿真輸出結果選擇最優方案。最后，以搬運機械利用率、區域平均稼動率、公共緩存區最大物料輸為優化指標，對布置方案做進一步的針對性優化。

1系統布置設計與仿真技術相結合

1.1基本思想

系統布置設計(SLP)由理查德繆瑟教授在1961年提出，該方法從物流與非物流角度對作業區域進行相關性分析，得出多個布置方案并進行經過評價后選出最優方案。然而，對于設計的布置方案，往往只能從物流量等非生產角度對方案進行評價。未將布置方案代入到生產系統中實際檢驗。也不能根據生產系統的實際情況作進一步優化。因此，本文將系統布置設計與仿真技術相結合，利用仿真輸出數據對方案進行綜合評價以及針對性優化。其基本流程如圖1所示。

1.2系統布置設計與搬運分析

除了使用系統布置設計基本方法外，還需要對不同方案進行搬運分析，以選定搬運工具和確定搬運路線。步驟如下：

Step 1:數據收集。系統布置設計與仿真建模均需要收集大量數據，主要包括：P(物料種類)、Q(物料數量)、R(物料流動路線)、S(輔助功能區)、T(時間參數)以及區域功能與面積。

圖1　布置方案仿真評價與優化流程圖

Step 2:初始方案設計。基于step 1所收集的數據，此時需要綜合考慮物流因素與非物流因素。通過等級劃分的方式得出作業區域物流相關表與非物流相關表，并進一步得出作業區域綜合相關表，根據綜合相關表形成初始布置方案。

Step 3:進行布置方案搬運分析，在初始方案的基礎上選定搬運工具和確定搬運路線。得出車間搬運方案。并將車間布置方案與搬運方案合并為車間詳細布置方案。

1.3仿真建模、評價與優化

相對于單一的系統布置設計方法，仿真評價與優化需要進一步細化車間布置方案，并做更多的數據收集與分析工作。步驟如下：

Step 1:根據車間詳細布置方案以及收集的仿真數據可以搭建不同布置方案下車間的仿真模型。仿真模型需要包括車間的制造、搬運、儲存規則，以有效的檢驗布置方案與車間實際情況的契合度。

Step 2:提出評價指標，根據不同車間布置方案的仿真輸出數據綜合評價得出最優方案。以提高產量和生產效率、減少物料移動距離、減少在制品數量為目標，將總產量、車間平均稼動率、產成品平均移動距離、公共緩存區物料總數作為評價指標，按公式(1)對布置方案進行綜合評價：

(1)

(2)

ym≤1,

(3)

P+Q=1,

(4)

Step 3:選定最優方案后，根據仿真輸出的搬運機械利用率、各區域平均稼動率以及公共緩存區最大物料數等數據從調整作業區域面積、搬運設備與道路優化、公共緩存區面積分配等角度進一步調整與優化方案。

表1　仿真輸出數據

2車間布局方案的仿真評價與優化

本文以某企業的變壓器生產車間為例。該車間日產小型變壓器2.5萬件以上，總占地面積3 800 m2。經過實地調研，發現車間存在在制品數量過多、各工序節拍差異過大、物料搬運距離過長、搬運設備調度困難等問題。為解決以上問題，本文選用SLP法設計出兩個車間布置方案，使用eM-Plant仿真軟件對兩種布置方案以及原車間布置方案進行仿真建模。并根據仿真輸出數據對方案進行綜合評價與進一步優化。

2.1案例基本資料收集

除了系統布置設計所需的P、Q、R、S、T以及設計區域信息外，還需要收集仿真建模所需數據。數據主要通過現場調研、歷史資料、設備說明書以及與工作人員交流等方式獲得。

①Product(物料種類)：物料包括原材料、在制品與產成品。本文選擇該車間目前生產最多的4種產品參與布置方案設計與仿真評價。

②Quantity(物料數量)：由于搬運方式與物料種類的不同，搬運的難度與消耗的資源必然也是有所差異的。為了減少這種誤差，本文將選用定制的網箱托盤作為物料搬運載體，在度量各區域間物流量時以托盤為單位。根據該車間某月4種主要產品生產量推算出的區域間物料流動量如表2所示。

表2　物流量從至表

③Route(物料流動路線)：該車間只生產變壓器，因此物料流動路線較為單一。然而，原材料區需要向多個工序提供原材料。公共緩存區的設立增加了物料流動的迂回與沖突。這些都增加了物料流動路線的復雜度，具體的搬運路線將在詳細布置方案中給出。

④Service(輔助功能區)：案例中的輔助區域主要包括原料庫、成品庫以及公共緩存區。

⑤Time(時間參數)：案例中時間參數主要包括仿真建模所需的物料在各作業區域內所需的加工速度、不同搬運方式下的物料移動速度等。

⑥設計區域：包括原料庫與成品庫在內，布置方案共涉及11塊區域。表3給出了各個區域的功能與占地面積。

表3　變壓器車間作業區域

2.2基于SLP的車間布置初始方案

除了物流因素外，案例中需要考慮生產環境生產安全外部物流信息流通等因素。限于篇幅限制，不再描述系統布置設計過程，而是直接給出初始方案。如圖2所示，方案1與方案2是系統布置設計法得出的可行性較高的兩個方案。方案3為原車間布置情況，用于驗證仿真模型的有效性以及備選方案的優越性。

圖2　車間初始布置方案

2.3布置方案的搬運分析

布置方案的搬運分析包括搬運方式的選擇與操作路線的確定。在真實生產過程中，物料的移動路線不會是各功能區的直線距離。由于搬運方式的不同，物料搬運速度與規則也有所不同。因此，需要進一步明確搬運方式與物料流動路線。

由于采用標準化的網狀托盤作為搬運載體，再根據各工序間工作節拍的差異以及物料運送距離，選用電動搬運車、手動液壓搬運車與皮帶輸送機作為搬運工具。對于工序間工作節拍差異不大的物料搬運，選用皮帶輸送機。而節拍差異較大的，如果距離較遠選擇電動搬運車搬運物料，較近則選擇手動搬運車。每輛搬運車負責臨近區域或指定路線上的物料搬運。

在進行物料流動路線設計時，應遵循原則:①盡可能使得物料搬運距離最短；②避免生產過程中物料的逆向流動和交叉迂回；③考慮搬運設備負荷，合理分配搬運任務；④設計物料流動路線時還應充分考慮搬運工具的特性。

綜合以上內容，得出車間搬運方案，將方案2的布置方案與搬運方案整合后得出的詳細布置設計如圖3所示。

圖3　方案2詳細布置圖

2.4布置方案仿真建模

eM-Plant是一款面向對象的離散系統仿真軟件，具有豐富的仿真對象庫，它很好地平衡了軟件的易用性、靈活獨立性以及開放性三者之間的關系。在構建仿真模型時選擇層式結構，將部分復雜的作業區域單獨建模后嵌套在總模型中。為確保仿真模型的真實有效，必須使用與實際相同或相似的生產、儲存與搬運規則。主要規則制定如下：

①生產規則：四種產品以相同的概率隨機進入生產車間；所有加工工位以托盤為單位獨立作業，區域加工所需時間服從正態分布。

②儲存規則：每個公共緩存區負責數個工序的物料暫存，除整形、測試、包裝工序外，工序間的物料流動必須在公共緩存區中轉；為保證生產連續性每個加工區域可以儲存8托盤未加工物料和3托盤加工完成品。

③搬運規則：當加工區域內未加工物料低于3件時調用搬運工具從公共緩存區補貨，加工完成后立即調用搬運車送至下一工序公共緩存區；電動搬運車可一次性運送5托盤物料，手動液壓搬運車的最大容量為3托盤，所有搬運設備按照先到先服務的規則搬運物料；每臺搬運設備均有指定的物料搬運任務。

對仿真模型做假設:員工無缺勤；車間所有生產設備的可用性為99%；原料供應充分且產成品及時運出系統，兩者均不影響車間的生產作業；產品合格率為98%；暫不考慮殘次品與空托盤的流動。

方案2的仿真界面如圖4所示。

圖4　方案2仿真界面

2.5布置方案評價

3種布置方案仿真運行48 h后將分別輸出車間總產量、車間平均稼動率、在制品數量、物料運輸距離等數據，并以此作為評價指標選擇最優方案。輸出的數值如圖5所示。圖5中縱坐標是各指標的單項評分，條形上方的數據標簽為不同方案下各個指標的仿真輸出結果。

圖5　仿真輸出數值與單項評分

從圖5中可以看出，相對與車間目前的布置情況，兩種新的布置方案在四項指標上均有優勢。將方案1與方案2相比較可以看出兩種方案各有優劣。方案1的物料移動距離最短，方案2的產能與稼動率更高，且在制品數量更少。由此可見，在實際生產環境中，運輸距離最短的情況下，其他評價指標不一定最優。根據“1.3”中的評分公式得出綜合評分情況如表4所示，方案2為最優方案。

表4　布置方案綜合評分

2.6布置方案進一步優化

選定最優方案后，根據另外三組數據從作業區域面積調整、搬運設備數量與道路寬度調整，公共緩存區面積分配等角度進一步優化車間布置方案。

①作業區域面積調整：根據仿真輸出的各區域平均生產稼動率進一步優化車間布置。稼動率是指設備在所能提供的時間內為了創造價值而占用的時間所占的比重。從圖6中可以看出，繞制與浸錫區域的平均稼動率過高。因此，需要擴大這兩個區域的面積，以容納更多的工人與機械。

圖6　各區域平均稼動率

②搬運設備數量與道路寬度調整：根據仿真輸出的搬運設備負荷率進一步優化搬運設備與道路。從圖7中可以看出，手動搬運車的負荷率過高，應該考慮增加作業設備，或將手動搬運車的部分任務分配給負荷率較低的電動搬運車。另外，在搬運路線設計時發現，浸漆區與浸錫區以及公共緩存區2與裝配區之間的道路流量最大，通過的搬運設備最多。因此，應該考慮拓寬這條道路。

圖7　搬運設備負荷率

③公共緩存區面積分配：通過仿真輸出的公共緩存區最大容量可以估算兩個公共緩存區所需的面積。方案2的公共緩存區1最大容量為54托盤，公共緩存區2最大容量為89托盤，因此按照54∶89的比例分配總共的350 m2。公共緩存區1的面積為132 m2；公共緩存區2的面積為218 m2。

3結語

使用系統布置設計與搬運分析得出車間布置備選方案，從生產、搬運和存儲三個角度確定評價指標并建立了綜合評價模型。進而結合eM-Plant仿真軟件輸出的車間運行數據和其他指標評分對車間整體情況做出評價并從作業區域面積，搬運設備與道路和公共緩存區分配等方面對最優方案做進一步優化。

本文的研究為生產車間的布置設計提供了科學的步驟和整體評價的方法。但是，不同行業和不同生產規模的車間在布置設計過程中仍然有著較大的差別。因此，需要根據實際情況對車間布置設計方法做出調整。

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(責任編輯梁碧芬)

Evaluation and optimization of workshop layout plans based on simulation technique

HAN Xiao-long, TANG Zong-xiang

(Logistics Research Center, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:To improve the integration of workshop layout plan intoactual production environment, SLP (System Layout Planning) combined with simulation techniquearestudied. Theinitial layout plans are derivedfrom SLP, and the material handling analysis isperformed in order to determine the routes andtransport mode. Secondly, with designing the rules of production, handling and storage, different layout schemes are simulated. According to the results of simulation, comprehensive evaluation and adjustments are done.Experimental results show that the workshop layout plan are more efficiency after evaluation and optimization, which canimprove the problems such as accumulated WIP(Work in Product), inefficient material handling and imbalance of production capacity in different working regions.

Key words：workshop layout planning; simulation technique; integrated evaluation

中圖分類號：TB491;TP205

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0579-10

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0579

通訊作者：韓曉龍(1978—)，男，山東濰坊人，上海海事大學副教授，博士；E-mail: superhxl@163.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51409157)；教育部博士點科研基金資助項目(20133121110001)；上海市科委工程中心能力提升項目(14DZ2280200)

收稿日期：2015-10-11；

修訂日期：2015-11-28

引文格式：韓曉龍，湯宗翔.基于仿真技術的車間布置方案評價與優化[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：579-588.