生產(chǎn)車(chē)間布局優(yōu)化研究

1、第一章緒論1.1車(chē)間布局設(shè)計(jì)概述從一般意義上說(shuō)，布局設(shè)計(jì)就是將一些物體按一定的要求合理放置在一個(gè)空間內(nèi)，它是一個(gè)涉及參數(shù)化設(shè)計(jì)、人工智能、圖形學(xué)、信息處理、優(yōu)化、仿真等技術(shù)的交叉學(xué)術(shù)領(lǐng)域，實(shí)踐證明它還是一個(gè)復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題。它存在于現(xiàn)實(shí)生活的許多行業(yè)和方面:1) 航空航天工業(yè)中，航天器上各種儀器的布局?jǐn)[放問(wèn)題;2) 造船、汽車(chē)等交通工具內(nèi)不同形狀、大小的物體放置問(wèn)題;3) 集成電路設(shè)計(jì)中，各種元件的合理布置問(wèn)題;4 建筑設(shè)計(jì)中，各房間的合理布置及廠(chǎng)房、設(shè)備等布局問(wèn)題;5) 機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，各種基于裝配的機(jī)床布局設(shè)計(jì)問(wèn)題;布局問(wèn)題具有廣泛的應(yīng)用背景，布局結(jié)果的好壞對(duì)整個(gè)行業(yè)生產(chǎn)的合理性、經(jīng)濟(jì)性

2、、安全性等都有重大的影響。本課題主要研究制造系統(tǒng)中車(chē)間布局設(shè)計(jì)問(wèn)題。生產(chǎn)車(chē)間是制造系統(tǒng)的基本組成部分，直接承擔(dān)著企業(yè)的加工、裝配任務(wù)，是將原材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的部門(mén)。所謂車(chē)間布置就是按照一定的原則，合理地確定車(chē)間內(nèi)部各組成單位(工段、班組)及工作地，設(shè)備之間的相互位置，從而使它們成為一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)車(chē)間的具體功能和任務(wù)。車(chē)間布置一般包括:基本生產(chǎn)部分、輔助生產(chǎn)部分、倉(cāng)庫(kù)部分、過(guò)道部分、車(chē)間管理部分、生活福利部分等。由于車(chē)間布置決定了以后車(chē)間的物流方向和速率，從而從結(jié)構(gòu)上限定了車(chē)間的功能潛力，因此車(chē)間布置是構(gòu)造一個(gè)有效車(chē)間系統(tǒng)最為重要的環(huán)節(jié)，相同車(chē)間地址、相同的人員、相同的設(shè)備和技術(shù)，僅僅是由于布

3、置的方式不一樣，生產(chǎn)系統(tǒng)的功能可以有天壤之別。高效率的車(chē)間布置作為提高企業(yè)生產(chǎn)效率和效益的重要手段之一，越來(lái)越受到人們的重視。1.1. 2 物流設(shè)計(jì)概述物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)車(chē)間布局的一個(gè)重要部分，也是本文考慮的問(wèn)題之“物流”是指社會(huì)物質(zhì)資料從生產(chǎn)一直到消費(fèi)前的全部流通過(guò)程?！肮S(chǎng)物流”是指工廠(chǎng)從原料進(jìn)廠(chǎng)，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)、加工、制造、裝配廠(chǎng)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中(包括原料、材料、半成品、配套件、包裝直至成品出成品)的每個(gè)環(huán)節(jié)流動(dòng)、儲(chǔ)存的全過(guò)程。“工廠(chǎng)物流技術(shù)”是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和方法，實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)部的物流系統(tǒng)(Material handling system, MHS)合理化技術(shù)車(chē)間布局的實(shí)質(zhì)就是對(duì)制造資源(

4、包括人、機(jī)具和物料)在空間上密切有機(jī)結(jié)合，時(shí)間上適當(dāng)連接、減少物料搬運(yùn)工作量，減少自制零件和外購(gòu)件的損壞，節(jié)省費(fèi)用。在布局設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮物流因素，不僅能降低其過(guò)程中的運(yùn)輸成本而且還能加快生產(chǎn)流程，最終達(dá)到提高生產(chǎn)能力和降低企業(yè)生產(chǎn)成本的目的。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，除了降低原材料和能源消耗外，己把改進(jìn)物料搬運(yùn)、改善工廠(chǎng)中的物流組織看作是減少和節(jié)省開(kāi)支以獲取利潤(rùn)的“第三源泉”，這是值得我們很好地研究和挖掘的。因此，工藝設(shè)計(jì)人員除了要根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)正確選擇生產(chǎn)工藝和機(jī)器設(shè)備外，還必須進(jìn)行物流分析和設(shè)計(jì)。因?yàn)楹侠淼奈锪髟O(shè)計(jì)也同樣能大大提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本11-21一個(gè) 有 效 的物料流程是物料在工

5、藝過(guò)程中按順序一直不斷地向前流動(dòng)直至完成，沒(méi)有過(guò)多地遷回或倒流。物流與生產(chǎn)同時(shí)發(fā)生，并隨著加工技術(shù)的提高，加工在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中比重下降而逐漸為人們所重視，物流技術(shù)的提高借助于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展得以實(shí)現(xiàn)。物流技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段1) 人工物流。人工物流是原始的形式，物料的輸送、存取由人或借助于簡(jiǎn)單的機(jī) 械 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 這種方式由于方式靈活、初期投資少、設(shè)備簡(jiǎn)單，而被一些中小規(guī)模的企業(yè)廣泛采用。這種方法的缺點(diǎn)是節(jié)奏慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大 、工資支出多，且不利于集成控制。2) 剛性自動(dòng)化物流。這種方式是以汽車(chē)制造為代表的專(zhuān)業(yè)化、大批量生產(chǎn)的產(chǎn)物 ，在二十世紀(jì)五、六十年代達(dá)到頂峰。它以輸料道、輸

6、料槽、傳送機(jī)等機(jī)械自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)為特征，物料的輸送按某一節(jié)拍或某一固定的方式進(jìn)行，物料存取由人、機(jī)器人、機(jī)械手或搬運(yùn)設(shè)備等媒介實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)為生產(chǎn)節(jié)奏快，設(shè)備布置相對(duì)固定，設(shè)備專(zhuān)門(mén)化程度高，缺點(diǎn)為初期投資大，靈活性差，一般只能用于大批量的生產(chǎn)。本文所考慮的就是這種物流。3) 柔性自動(dòng)化物流。這種方式出現(xiàn)于二十世紀(jì)六十年代，應(yīng)市場(chǎng)需求和自動(dòng) 化 技 術(shù) 的 發(fā) 展 而產(chǎn)生，并處于不斷發(fā)展之中。一般由自動(dòng)存取系統(tǒng)(A S/R S A uto ma te d Storage and RetrievalS ystem)， 自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē)AG V( Au tom at ed G u idedV ehicle)、

7、物流自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，所有活動(dòng)由計(jì)算機(jī)集中控制，能夠?qū)崿F(xiàn)物流的自由流動(dòng)和隨機(jī)存 取 ，便于系統(tǒng)的集成和優(yōu)化，并能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化控制。1. 1.3車(chē)間布局綜述確保設(shè)備布置形式合理根據(jù)車(chē)間的生產(chǎn)綱領(lǐng)，分析產(chǎn)品一產(chǎn)量關(guān)系，確定生產(chǎn)類(lèi)型(是大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)，還是單件生產(chǎn))，由生產(chǎn)類(lèi)型決定恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備布置形式(是流水線(xiàn)式、成組單元式，還是機(jī)群式)。2)確保車(chē)間其它組成部分位置合理車(chē)間布置時(shí)，除了給主要生產(chǎn)設(shè)備，還需要給其它組成部分(在制品暫存地、檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地、工人工作、通道、輔助設(shè)施如辦公室等)安排合理的位置。外地3)確保工藝流程要求滿(mǎn)足車(chē)間布置應(yīng)保證工藝流程順暢、物料搬運(yùn)方便，避免或

8、減少物流往返交叉現(xiàn)象。4)確保建筑形式合理根據(jù)工藝流程的要求和產(chǎn)品的特點(diǎn)，選擇恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)加工設(shè)備，并進(jìn)一步確定建筑物的尺寸和形狀。此外，還需考慮通風(fēng)、照明、防塵、防噪等要求，并使布置具有適當(dāng)?shù)娜嵝?，有利于生產(chǎn)的擴(kuò)大和設(shè)備的補(bǔ)充，以適用生產(chǎn)變化的要求。車(chē)間布置的目標(biāo)一般可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是以提高工作效率為導(dǎo)向的，另一類(lèi)是以鼓舞士氣為導(dǎo)向的。1) 以提高工作效率為導(dǎo)向的目標(biāo)該目標(biāo)主要是為了高效率地完成生產(chǎn)任務(wù) ，它包括 : 使物料的運(yùn)輸成本最小，它要求運(yùn)輸路線(xiàn)盡可能短、盡量增大生產(chǎn)的連續(xù)性 ，減少裝卸，防止物料被堵塞、延誤;使空間、設(shè)備、人員等資源的利用率提高，有助于降低成本、增加利潤(rùn) ;使系統(tǒng)具

9、有盡可能大的應(yīng)變能力，表現(xiàn)在擴(kuò)展的余地、高柔性等方面。2) 以鼓舞士氣為導(dǎo)向的目標(biāo)該目標(biāo)主要是通過(guò)激發(fā)生產(chǎn)人員士氣來(lái)實(shí)現(xiàn)組織的目標(biāo)，同時(shí)使生產(chǎn)者在工作中有更加良好的心里感受，它包括 :增強(qiáng)生產(chǎn)安全性包括采取各種安全措施，防火、防潮、防止工傷事故，也包括增進(jìn)職工職業(yè)健康的各類(lèi)措施。防噪、防震及有害氣體、污染物的處理等;減少工作的單調(diào)感包括建立趣味盎然的班組園地以及千凈整潔的休息區(qū)，以賦予工人更多、更廣泛的任務(wù)和自主性，加深工作中獨(dú)特性、責(zé)任性的心理體驗(yàn)。1.1. 3.3車(chē)間布局的評(píng)價(jià)總之，車(chē)間布置是影響深遠(yuǎn)的一項(xiàng)工作，一個(gè)良好的車(chē)間布置可以用埃普爾(Apple)的“良好布置標(biāo)志”來(lái)衡量“良好布置

10、標(biāo)志”主要包括:圍繞某一預(yù)先計(jì)劃好的布置設(shè)計(jì)建造建筑物;通道筆直、清楚、有標(biāo)記;保持最低限度的后退倒行;有關(guān)作業(yè)緊靠在一起:生產(chǎn)時(shí)間可以預(yù)測(cè);安排進(jìn)度計(jì)劃的困難最小;最少量的在制品;條件改變時(shí)容易調(diào)整，具有高柔性;擴(kuò)展計(jì)劃時(shí)容易編制:實(shí)際加工時(shí)間對(duì)生產(chǎn)總時(shí)間之比最大;檢查最少而質(zhì)量最好:材料搬運(yùn)距離最短;手工搬運(yùn)最少;無(wú)不必要的材料重復(fù)搬運(yùn);材料放在負(fù)載單元中搬運(yùn);作業(yè)之間的搬運(yùn)最少;材料能及時(shí)傳遞給工人;材料能從工作區(qū)域及時(shí)搬開(kāi):由間接工人來(lái)做材料搬運(yùn)工作:有秩序地搬運(yùn)和儲(chǔ)存材料;工人能以最高效率工作等。第二章布局優(yōu)化設(shè)計(jì)框架2.1 制造系統(tǒng)中的布局問(wèn)題制造 系 統(tǒng)中的布局設(shè)計(jì)是工業(yè)工程研究

11、和實(shí)踐中一個(gè)重要并且長(zhǎng)期存在的領(lǐng)域，是一個(gè)典型的工程問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，制造系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)一直被當(dāng)作制造工業(yè)中最關(guān)鍵和最困難的設(shè)計(jì)任務(wù)之一。它是將加工設(shè)備、物料運(yùn)輸設(shè)備、工作單元和通道走廊等制造資源合理放置在一個(gè)有限的生產(chǎn)空間里面的過(guò)程，可看作是制造系統(tǒng)的組織過(guò)程。在 一個(gè) 制造系統(tǒng)中，布局不是一個(gè)孤立的問(wèn)題，它與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他工作是緊密關(guān)聯(lián)并且相互影響的，其相互關(guān)系可以用圖2-1表示1271.制造 系 統(tǒng) 布局的好壞將直接影響到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的總體性能，如物流、信息流、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效益、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)安全等1281布置 的 基 本形式可分為1291:產(chǎn)品原則布置、工藝原則布置、成組原則布置

12、和定位布置。1) 產(chǎn) 品 原則布置(ProductL ayout) 根據(jù)產(chǎn)品制造的步驟安排各組成部分。從理論上看，流程是一條從原料投入到成品完工為止的連續(xù)線(xiàn)。固定制造某種部件或產(chǎn)品的封閉車(chē)間，其設(shè)備、人員按加工或裝配的工藝過(guò)程順序布置，形成一定的生產(chǎn)線(xiàn)，適合于少品種、大批量的生產(chǎn)方式。這種布置形式的例子有汽車(chē)裝配線(xiàn)、食品加工和家具制造業(yè)等。本文的發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)間就屬于這種布置形式。圖2-2為產(chǎn)品原則布置示意圖。2) 工 藝 原則布置(ProcessL ayout) 又稱(chēng)機(jī)群布置，是同類(lèi)設(shè)備和人員集中放置在一個(gè)地方的布置形式。如按車(chē)床組、磨床組等分區(qū)，各類(lèi)機(jī)床組之間也保持一定的順序，按照大多數(shù)零件的加

13、工路線(xiàn)來(lái)排列。適用于多品種小批量的生產(chǎn)方式。根據(jù)所執(zhí)行的一般功能，對(duì)各工藝組成部分進(jìn)行布置，并不考慮到任何特殊產(chǎn)品。如單件小批加工車(chē)間、百貨商店和醫(yī)院通常是這樣的。圖2-3為工藝原則布置示意圖。3) 成 組 原則布置(GroupL ayout) 這是實(shí)施成組加工的布置形式，介于產(chǎn)品原則布置和工藝原則布置之間，適應(yīng)于中小批量生產(chǎn)。圖2-4為其布置示意圖。圖2-4成組原則布置示意圖4)定位布置(Fixed Layout) 根據(jù)體積或重量把產(chǎn)品保留在一個(gè)位置上設(shè)備、人員、材料都圍繞著產(chǎn)品而轉(zhuǎn)。如飛機(jī)制造廠(chǎng)、造船廠(chǎng)等。其布置示意圖見(jiàn)圖2-5a圖2一5固定工位布置示意圖2.2傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)過(guò)程傳統(tǒng) 的布

14、 局設(shè)計(jì)過(guò)程一般是依據(jù)車(chē)間任務(wù)、設(shè)計(jì)原則、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料及對(duì)機(jī)械化設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的計(jì)算數(shù)據(jù)等進(jìn)行平面布置，局限于平面布置方案的獲得或者是優(yōu)化。傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)及優(yōu)化的一般框架及流程如圖2-6和圖2-7所示。傳統(tǒng)的布局流程雖然可以解決物流網(wǎng)絡(luò)及作業(yè)功能布局的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)大多研究平面布局問(wèn)題，具有局限性，不可能全面反映車(chē)間各個(gè)方面，尤其是一些供進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的數(shù)據(jù)以及立體空間數(shù)據(jù)等是無(wú)法在平面圖中給出的，所以要在工藝說(shuō)明書(shū)中對(duì)車(chē)間平面圖予以描述，包括車(chē)間在總圖中的位置，與相鄰車(chē)間的關(guān)系，平面布置的特點(diǎn)，運(yùn)輸方式的特點(diǎn)，各工作區(qū)及車(chē)間工段的劃分和組成情況，在設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)布局方案時(shí)人為假設(shè)

15、各種條件和約束過(guò)多，布局設(shè)計(jì)缺乏從平面設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)的集成研究.制造系統(tǒng)作業(yè)功能區(qū)劃分物流及非物流關(guān)系問(wèn)題圖2-6傳統(tǒng)布局設(shè)計(jì)一般框架圖z-7傳統(tǒng)布局設(shè)計(jì)一般流程前文 已 經(jīng) 說(shuō)明，目前還沒(méi)有找到解決任意形狀的三維物體的布局問(wèn)題的通用方法。非線(xiàn)性技術(shù)應(yīng)用到三維物體的布局問(wèn)題時(shí)，需根據(jù)物體的幾何形狀、方位和問(wèn)題復(fù)雜程度的不同而施加不同的限制。在運(yùn)籌學(xué)中只能使用幾何形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的物體(如矩形體和塊狀物)來(lái)研究它們的三維布局問(wèn)題301這表 明 : 對(duì)于復(fù)雜制造系統(tǒng)三維布局問(wèn)題的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，例如各種復(fù)雜設(shè)備的三維空間布局，作業(yè)工人與設(shè)備、工件等的相對(duì)位置等，依據(jù)各種算法來(lái)解決顯得有些無(wú)能為力。3. 1

16、設(shè)施布1的依據(jù)“產(chǎn) 品 或 者 生 產(chǎn)計(jì)劃應(yīng)該是工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，并從中推導(dǎo)出它的全部設(shè)計(jì)基礎(chǔ)?！?21繆瑟也將產(chǎn)品、生產(chǎn)路線(xiàn)、時(shí)間、輔助服務(wù)部門(mén)作為設(shè)施布置分析的原始資料，并將產(chǎn)品和數(shù)量列為最重要的資料。因?yàn)閺纳a(chǎn)計(jì)劃的角度來(lái)講，產(chǎn)品產(chǎn)量分析是產(chǎn)品組成問(wèn)題的基礎(chǔ)和庫(kù)存控制的基本概念。而對(duì)工廠(chǎng)設(shè)計(jì)人員而言，則是決定基本布置分析的基礎(chǔ)。布置決策問(wèn)題，可以定義為確定生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)各物質(zhì)部分的最優(yōu)安排。設(shè)施布置的依據(jù)主要有以下幾個(gè)方面。1) 生 產(chǎn) 系統(tǒng)目標(biāo)。通常實(shí)施布置應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)是:使存儲(chǔ)費(fèi)用、勞動(dòng)力、閑置的設(shè)備和管理費(fèi)用保持在一定的水平下并達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量。生產(chǎn)系統(tǒng)目標(biāo)常常相互矛盾，諸種布置考慮因素

17、幾乎存在于所有布置決策之中，但其相對(duì)重要性則不一致。2) 生 產(chǎn) 能力決策。生產(chǎn)需求的預(yù)測(cè)對(duì)布置決策的“目標(biāo)確定”有著重要意義。對(duì)制造企業(yè)而言，生產(chǎn)能力主要取決于生產(chǎn)性固定資產(chǎn)及其技術(shù)組織條件，對(duì)服務(wù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，除了取決于設(shè)施和設(shè)備能力外，還取決于人力水平。企業(yè)的生產(chǎn)能力一旦確定，企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的最大規(guī)模也就基本上被規(guī)定了。在西方國(guó)家將生產(chǎn)能力的充分利用問(wèn)題看作生產(chǎn)成本控制的首要問(wèn)題。生產(chǎn)非均衡，設(shè)備、人員的閑置被看作是最大的浪費(fèi)，我國(guó)以往忽視這一問(wèn)題，只強(qiáng)調(diào)節(jié)約原材料和費(fèi)用，常常出現(xiàn)前后工序能力不匹配，部分設(shè)備、設(shè)施長(zhǎng)期閑置，浪費(fèi)、占用大量資金。3) 加 工 過(guò)程的要求。加工過(guò)程的要求是

18、選擇布置類(lèi)型的主要依據(jù)。決定布置所需要的數(shù)據(jù)因所制造的產(chǎn)品的不同而不同。在品種少且比較固定的制造業(yè)，裝配圖是主要的布置信息。在品種繁多的制造系統(tǒng)中，機(jī)器規(guī)格說(shuō)明也有重要的意義。4) 進(jìn) 行 布置的場(chǎng)地的有效空間。工廠(chǎng)總體布局受場(chǎng)地范圍的限制，車(chē)間設(shè)備布置一般是在建筑空間的實(shí)際范圍之內(nèi)。工廠(chǎng)設(shè)計(jì)包括工廠(chǎng)內(nèi)部和外部?jī)烧咚枰目臻g設(shè)計(jì)，包括本文主要考慮的是工廠(chǎng)內(nèi)設(shè)施布置研究。5.1人因工程在發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)間布局優(yōu)化中的應(yīng)用人 因 工 程是以生理學(xué)、心理學(xué)、人體測(cè)量學(xué)與工程技術(shù)為基礎(chǔ)，研究人、機(jī)和環(huán)境的相互關(guān)系和作用，以使人、機(jī)和環(huán)境高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在保證作業(yè)者安全、衛(wèi)生、舒適、方便的前提下提高工作效率的學(xué)科。在研究重點(diǎn)上，人因工程著重于研究人類(lèi)以及在工作和日常生活中所用到的產(chǎn)品、設(shè)備、設(shè)施、程序與環(huán)境之間的相互關(guān)系。隨著近幾十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，人因工程學(xué)的地位越來(lái)越重要，逐步滲透到宇航系統(tǒng)、城市規(guī)劃、工廠(chǎng)運(yùn)作、機(jī)械設(shè)備、交通工具、 家具