數(shù)字化生產車間的布局及優(yōu)化分析

楊軍　丁周　閆德鑫

摘要：數(shù)字化生產車間是制造業(yè)現(xiàn)代化建設與智能化發(fā)展的重要表現(xiàn)。隨著數(shù)字化工程技術的應用與發(fā)展，企業(yè)生產力、管控力、競爭力大幅度提升。因此，做好數(shù)字化生產車間設計工作至關重要。車間布局作為數(shù)字化車間設計中的重點內容，其質量的高低對數(shù)字化生產車間作用發(fā)揮存在直接影響。對此，文章圍繞數(shù)字化生產車間布局，就其意義、基礎理論、實施步驟進行了分析，并以采煤機生產車間為例，對數(shù)字化生產車間布局進行仿真分析，促進數(shù)字化生產車間優(yōu)化的有效實現(xiàn)。

關鍵詞：數(shù)字化生產車間;車間布局;布局優(yōu)化;智能制造

在社會經(jīng)濟全球化發(fā)展的背景下，經(jīng)濟主體市場競爭日益激烈，產品生產質量、生產效率、生產成本、技術含量、服務水平等成為衡量產品制造企業(yè)市場競爭力的核心指標。而數(shù)字化工廠技術的提出與應用為制造企業(yè)創(chuàng)新與可持續(xù)競爭發(fā)展提供了路徑。由于我國數(shù)字化生產車間的研究與應用起步較晚，在車間布局與優(yōu)化方面仍存在諸多不足，制約了數(shù)字化生產車間應用價值的發(fā)揮。因此，有必要加強數(shù)字化生產車間的布局及優(yōu)化研究，以更好指導車間規(guī)劃設計實踐，提升車間生產力。

一、數(shù)字化生產車間布局及優(yōu)化意義分析

生產車間布局是生產車間設計與建設工作中的基礎內容、重點內容，需要根據(jù)產品性質、類型、加工工藝、生產數(shù)量等要求，科學選擇設備，并進行空間布局，以保證設備配置與運行空間上的連續(xù)性、適應性、協(xié)調性、安全性。而應用傳統(tǒng)生產車間布局方法進行車間設計時，通常將車間單元布局與車間物流布局分開規(guī)劃，且多憑借現(xiàn)場布局經(jīng)驗操作。這在一定程度上使生產車間布局具有了不確定性，很難保證設計規(guī)劃方案的最優(yōu)性，容易出現(xiàn)各種各樣的問題。

例如，運用計算機輔助二維平面設計法，進行生產車間布局，無法有效判定設備空間布局是否滿足設備運行需求，且對實踐工作指導不足，降低車間布局實用性;憑借現(xiàn)場經(jīng)驗進行生產車間布局，對設計人員布局能力具有較高要求，如果設計人員對各類設備屬性了解不足，將無法實現(xiàn)生產設備、加工設備、物流設備、輔助設備等之間的互聯(lián)互通，不利于車間生產質量與效率提升。既有研究表示，優(yōu)化的布局能夠節(jié)約10%～30%的物料運輸費用，提升20%～40%的生產效率，推動車間生產系統(tǒng)化、程序化、規(guī)范化發(fā)展，達到柔性生產需求。

基于制造業(yè)信息化、智能化建設進程的不斷推進，數(shù)字化工廠技術得到迅速發(fā)展。它可通過設計、制造、裝配、運輸?shù)忍摂M仿真，加強工作人員對生產車間布局的認識，并根據(jù)生產車間各要素之間存在的關系，進行布局調整，從而獲得最優(yōu)布局方案。數(shù)字化工廠技術應用下的數(shù)字化生產車間布局及優(yōu)化，為生產車間設計與建設提供了充足依據(jù)，利于制造企業(yè)生產車間生產力、管控力提升，利于企業(yè)創(chuàng)新與可持續(xù)競爭發(fā)展。

二、數(shù)字化生產車間布局的基礎理論分析

（一）生產車間布局基本類型

基于經(jīng)驗歸納與總結可知，當前較為常見的生產車間布局類型主要“工藝式布局”、“產品式布局”、“固定工位式布局”、“細胞作業(yè)式布局”以及“成組式布局”等幾種。合理選擇布局類型，對布局優(yōu)化存在積極影響。

工藝式布局，又被稱為“功能式布局”，即將工藝一致或功能相似的設備集中起來進行生產車間布局。該布局雖然能夠在一定程度上提高設備利用率，但生產物流成本增加，且需要工作人員具備多種作業(yè)能力。通常適用于小批量多類型產品生產車間。

產品式布局，又被稱為“流水線布局”，即在特定產品生產中，將標準化的生產工序分成多個作業(yè)環(huán)節(jié)，一個環(huán)節(jié)視為一個單元模塊，每個模塊配有專用設備與操作人員完成相應生產任務。該布局能夠有效提高工件運輸效率，縮短產品生產時間，但對設備故障響應不足，適用于大批量少種類規(guī)范化產品生產。

固定工位式布局，是以生產對象為中心，圍繞生產對象位置進行布局。該布局雖然能夠減少物料運輸，但增加了人員與設備移動距離。一般運用于大型產品生產車間，如飛機生產車間、船舶生產車間等。

細胞作業(yè)式布局，即根據(jù)生產對象類型、工藝、數(shù)量等要求，靈活設置生產單元，用以應對市場需求。該模式可在一定程度上節(jié)約生產空間，保證各單元之間溝通與交流。

成組生產式布局（如圖1），則是將同類型工件或同工藝工件劃分為一組，如“零件組”、“機械組”等。并在此基礎上，將使用頻率相對較高的設備按照工藝操作流程進行科學擺放，將工藝布局轉化為偽產品布局。相對于工藝布局、產品布局而言，其柔性更強，能夠提高設備利用率，節(jié)約物流時間，但對管理具有較高要求，屬于較為先進的生產車間布局方式，在批量生產適中的多類型產品生產車間具有較強實用性。

（二）生產車間布局基本原則

在生產車間布局過程中，為保證布局的科學性、有效性，需要注重以下基本原則的遵守：1.系統(tǒng)性原則，即產品生產過程是一個系統(tǒng)、綜合、復雜過程，涉及生產設備、生產工藝、生產人員、生產物料等眾多內容。對此，在車間布局時需要遵循系統(tǒng)性原則，進行綜合分析。2.物流優(yōu)化原則，物流運輸（包括設備、物料、人員、成品等）是生產車間必不可少的內容。物流速率在一定程度上決定了生產速度。在保證工藝穩(wěn)定運行，產品生產安全的基礎上，縮短物流路線現(xiàn)實意義顯著。因此，車間布局時需遵循物流優(yōu)化原則，加強物流單元設計，保證流入與流出通暢。3.各種流統(tǒng)一原則，即在生產車間布局及優(yōu)化過程中，需要對物流、信息流、人流、價值流等進行統(tǒng)一設計，提升對各種流的管理監(jiān)督能力，促進流與流之間的互聯(lián)互通。4.擴展性原則，即在充分利用現(xiàn)有資源進行生產車間布局設計時，需要根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展目標，為后續(xù)布局留有余地，以滿足車間生產可持續(xù)發(fā)展需求。

三、數(shù)字化生產車間布局及優(yōu)化實施步驟

在生產車間布局及優(yōu)化過程中，設計利用建模與仿真技術構建數(shù)字化生產車間布局模型，基于模型進行定性與定量分析（如設備利用情況、空間利用情況、物流運輸情況等）獲取布局優(yōu)化方案，為實踐工作開展提供有益指導。實施步驟如下。