數(shù)字化生產(chǎn)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(chǎn)車間是制造業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)與智能化發(fā)展的重要表現(xiàn)。隨著數(shù)字化工程技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)力、管控力、競爭力大幅度提升。因此，做好數(shù)字化生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要。車間布局作為數(shù)字化車間設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，其質(zhì)量的高低對(duì)數(shù)字化生產(chǎn)車間作用發(fā)揮存在直接影響。對(duì)此，文章圍繞數(shù)字化生產(chǎn)車間布局，就其意義、基礎(chǔ)理論、實(shí)施步驟進(jìn)行了分析，并以采煤機(jī)生產(chǎn)車間為例，對(duì)數(shù)字化生產(chǎn)車間布局進(jìn)行仿真分析，促進(jìn)數(shù)字化生產(chǎn)車間優(yōu)化的有效實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化生產(chǎn)車間;車間布局;布局優(yōu)化;智能制造

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的背景下，經(jīng)濟(jì)主體市場競爭日益激烈，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、技術(shù)含量、服務(wù)水平等成為衡量產(chǎn)品制造企業(yè)市場競爭力的核心指標(biāo)。而數(shù)字化工廠技術(shù)的提出與應(yīng)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(chǎn)車間的研究與應(yīng)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(chǎn)車間應(yīng)用價(jià)值的發(fā)揮。因此，有必要加強(qiáng)數(shù)字化生產(chǎn)車間的布局及優(yōu)化研究，以更好指導(dǎo)車間規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐，提升車間生產(chǎn)力。

一、數(shù)字化生產(chǎn)車間布局及優(yōu)化意義分析

生產(chǎn)車間布局是生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)與建設(shè)工作中的基礎(chǔ)內(nèi)容、重點(diǎn)內(nèi)容，需要根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)、類型、加工工藝、生產(chǎn)數(shù)量等要求，科學(xué)選擇設(shè)備，并進(jìn)行空間布局，以保證設(shè)備配置與運(yùn)行空間上的連續(xù)性、適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性、安全性。而應(yīng)用傳統(tǒng)生產(chǎn)車間布局方法進(jìn)行車間設(shè)計(jì)時(shí)，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(yàn)操作。這在一定程度上使生產(chǎn)車間布局具有了不確定性，很難保證設(shè)計(jì)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(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助二維平面設(shè)計(jì)法，進(jìn)行生產(chǎn)車間布局，無法有效判定設(shè)備空間布局是否滿足設(shè)備運(yùn)行需求，且對(duì)實(shí)踐工作指導(dǎo)不足，降低車間布局實(shí)用性;憑借現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)車間布局，對(duì)設(shè)計(jì)人員布局能力具有較高要求，如果設(shè)計(jì)人員對(duì)各類設(shè)備屬性了解不足，將無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、加工設(shè)備、物流設(shè)備、輔助設(shè)備等之間的互聯(lián)互通，不利于車間生產(chǎn)質(zhì)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(yùn)輸費(fèi)用，提升20%～40%的生產(chǎn)效率，推動(dòng)車間生產(chǎn)系統(tǒng)化、程序化、規(guī)范化發(fā)展，達(dá)到柔性生產(chǎn)需求。

基于制造業(yè)信息化、智能化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，數(shù)字化工廠技術(shù)得到迅速發(fā)展。它可通過設(shè)計(jì)、制造、裝配、運(yùn)輸?shù)忍摂M仿真，加強(qiáng)工作人員對(duì)生產(chǎn)車間布局的認(rèn)識(shí)，并根據(jù)生產(chǎn)車間各要素之間存在的關(guān)系，進(jìn)行布局調(diào)整，從而獲得最優(yōu)布局方案。數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)用下的數(shù)字化生產(chǎn)車間布局及優(yōu)化，為生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了充足依據(jù)，利于制造企業(yè)生產(chǎn)車間生產(chǎn)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(chǎn)車間布局的基礎(chǔ)理論分析

（一）生產(chǎn)車間布局基本類型

基于經(jīng)驗(yàn)歸納與總結(jié)可知，當(dāng)前較為常見的生產(chǎn)車間布局類型主要“工藝式布局”、“產(chǎn)品式布局”、“固定工位式布局”、“細(xì)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(duì)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(shè)備集中起來進(jìn)行生產(chǎn)車間布局。該布局雖然能夠在一定程度上提高設(shè)備利用率，但生產(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)車間。

產(chǎn)品式布局，又被稱為“流水線布局”，即在特定產(chǎn)品生產(chǎn)中，將標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)工序分成多個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，一個(gè)環(huán)節(jié)視為一個(gè)單元模塊，每個(gè)模塊配有專用設(shè)備與操作人員完成相應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)。該布局能夠有效提高工件運(yùn)輸效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，但對(duì)設(shè)備故障響應(yīng)不足，適用于大批量少種類規(guī)范化產(chǎn)品生產(chǎn)。

固定工位式布局，是以生產(chǎn)對(duì)象為中心，圍繞生產(chǎn)對(duì)象位置進(jìn)行布局。該布局雖然能夠減少物料運(yùn)輸，但增加了人員與設(shè)備移動(dòng)距離。一般運(yùn)用于大型產(chǎn)品生產(chǎn)車間，如飛機(jī)生產(chǎn)車間、船舶生產(chǎn)車間等。

細(xì)胞作業(yè)式布局，即根據(jù)生產(chǎn)對(duì)象類型、工藝、數(shù)量等要求，靈活設(shè)置生產(chǎn)單元，用以應(yīng)對(duì)市場需求。該模式可在一定程度上節(jié)約生產(chǎn)空間，保證各單元之間溝通與交流。

成組生產(chǎn)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(jī)械組”等。并在此基礎(chǔ)上，將使用頻率相對(duì)較高的設(shè)備按照工藝操作流程進(jìn)行科學(xué)擺放，將工藝布局轉(zhuǎn)化為偽產(chǎn)品布局。相對(duì)于工藝布局、產(chǎn)品布局而言，其柔性更強(qiáng)，能夠提高設(shè)備利用率，節(jié)約物流時(shí)間，但對(duì)管理具有較高要求，屬于較為先進(jìn)的生產(chǎn)車間布局方式，在批量生產(chǎn)適中的多類型產(chǎn)品生產(chǎn)車間具有較強(qiáng)實(shí)用性。

（二）生產(chǎn)車間布局基本原則

在生產(chǎn)車間布局過程中，為保證布局的科學(xué)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(chǎn)品生產(chǎn)過程是一個(gè)系統(tǒng)、綜合、復(fù)雜過程，涉及生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)物料等眾多內(nèi)容。對(duì)此，在車間布局時(shí)需要遵循系統(tǒng)性原則，進(jìn)行綜合分析。2.物流優(yōu)化原則，物流運(yùn)輸（包括設(shè)備、物料、人員、成品等）是生產(chǎn)車間必不可少的內(nèi)容。物流速率在一定程度上決定了生產(chǎn)速度。在保證工藝穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，縮短物流路線現(xiàn)實(shí)意義顯著。因此，車間布局時(shí)需遵循物流優(yōu)化原則，加強(qiáng)物流單元設(shè)計(jì)，保證流入與流出通暢。3.各種流統(tǒng)一原則，即在生產(chǎn)車間布局及優(yōu)化過程中，需要對(duì)物流、信息流、人流、價(jià)值流等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，提升對(duì)各種流的管理監(jiān)督能力，促進(jìn)流與流之間的互聯(lián)互通。4.擴(kuò)展性原則，即在充分利用現(xiàn)有資源進(jìn)行生產(chǎn)車間布局設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，為后續(xù)布局留有余地，以滿足車間生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展需求。

三、數(shù)字化生產(chǎn)車間布局及優(yōu)化實(shí)施步驟

在生產(chǎn)車間布局及優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)利用建模與仿真技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)車間布局模型，基于模型進(jìn)行定性與定量分析（如設(shè)備利用情況、空間利用情況、物流運(yùn)輸情況等）獲取布局優(yōu)化方案，為實(shí)踐工作開展提供有益指導(dǎo)。實(shí)施步驟如下。