发动机车间布局优化设计研究
摘要
车 间布 局设计是制造系统设计的重要内容之一，车间布局的优劣直接决定 着产品质量、生产率和经济效益。论文阐述了设施布局设计的基本原则、理论 及方法，分析了国内外生产系统中常见的布局设计原理及方法，提出了车间布 局优化设计框架。该框架避免了传统设计方法过于依赖经验、约束过多及复杂 难解的缺点，从理论上拓展了布局设计的方法。本文以该框架为指导，本着理 论与实践统一的基本立意，应用SLP法，实现了发动机车间平面布局的优化; 并结合计算机建模和仿真技术，应用人因工程、生产线平衡等关于设施布局及 工作地优化等相关理论和方法完成了发动机车间三维布局的部分优化工作。从 而验证了车间布局优化设计框架的指导作用，实现了发动机车间布局的优化设 计。
关键词: 车间布局建模与仿真发动机生产线平衡
Research on Optimal Design of Engine Workshop Layout
Abstract
Th ed es ign o fw orkshopl ayoutis o neo ft hei mportantc ontentin the design of manufacturing system, and a good workshop layout or not decided directly the products quality, the productivity and the economy efficiency· This paper expatiates the basic principle, theory and method of the facility layout design, analyses principle and methods of the traditional layout design domestic and overseas, and then provides a frame of optimum design for workshop layout. This frame avoids the demerit of the traditional design method that relying excessively on experience, having over-restriction and being complicated, and thereby, extend the method of the design of layout. Directedb yt hisfr amea ndb asedo nt heu nificationo fth eorya ndp ractice,th e planar engine workshop layout is optimized by using SLP; combining with the development of computer modeling and simulation technology and using correlative theories and methods about facility layout such as ergonomics and line balancing, some optimizing work in three-dimensional engine
workshop layoutis im plemented.C onsequently,th ea vailabilityo fth ef ramei sv alidated,and the optimal design of engine workshop layout is completed. keywords: WorkshopL ayout Lin e b al an cin g Modeling and Simulation
第一章绪论
1.1车间布局设计概述
1.1.1布局设计概述
从 一般 意 义上说，布局设计就是将一些物体按一定的要求合理放置在一个 空间内，它是一个涉及参数化设计、人工智能、图形学、信息处理、优化、仿 真等技术的交叉学术领域，实践证明它还是一个复杂的组合优化问题。它存在 于现实生活的许多行业和方面:
1) 航空航天工业中，航天器上各种仪器的布局摆放问题;
2) 造船、汽车等交通工具内不同形状、大小的物体放置问题;
3) 集成电路设计中，各种元件的合理布置问题;
4} 建筑设计中，各房间的合理布置及厂房、设备等布局问题;
5) 机械设计领域中，各种基于装配的机床布局设计问题;
布局问题具有广泛的应用背景，布局结果的好坏对整个行业生产的合理性、经济性、安全性等都有重大的影响。本课题主要研究制造系统中车间布局设计问题。生产车间是制造系统的基本组成部分，直接承担着企业的加工、装配任务，是将原材料转化为产品的部门。所谓车间布置就是按照一定的原则，合理地确定车间内部各组成单位(工段、班组)及工作地，设备之间的相互位置，从而使它们成为一个有机整体，实现车间的具体功能和任务。车间布置一般包括:基本生产部分、辅助生产部分、仓库部分、过道部分、车间管理部分、生活福利部分等。
由于车间布置决定了以后车间的物流方向和速率，从而从结构上限定了车间的功能潜力，因此车间布置是构造一个有效车间系统最为重要的环节，相同车间地址、相同的人员、相同的设备和技术，仅仅是由于布置的方式不一样，生产系统的功能可以有天壤之别。高效率的车间布置作为提高企业生产效率和效益的重要手段之一，越来越受到人们的重视。
1.1. 2 物流设计概述
物流系统的设计是整个车间布局的一个重要部分，也是本文考虑的问题之“物流”是指社会物质资料从生产一直到消费前的全部流通过程。“工厂物流”是指工厂从原料进厂，经过存储、加工、制造、装配厂的整个生产过程中(包括原料、材料、半成品、配套件、、包装直至成品出成品)的每个环节流动、储存的全过程。“工厂物流技术”是应用现代科学技术和方法，实现车间内部的物流系统(Material handling system, MHS)合理化技术.车 间布 局 的实质就是对制造资源(包括人、机具和物料)在空间上密切有机结合，时间上适当连接、减少物料搬运工作量，减少自制零件和外购件的损坏，节省费用。在布局设计的过程中考虑物流因素，不仅能降低其过程中的运输成本而且还能加快生产流程，最终达到提高生产能力和降低企业生产成本的目的。
在工业发达的国家，除了降低原材料和能源消耗外，己把改进物料搬运、改善工厂中的物流组织看作是减少和节省开支以获取利润的“第三源泉”，这是值得我们很好地研究和挖掘的。因此，工艺设计人员除了要根据产品生产纲领正确选择生产工艺和机器设备外，还必须进行物流分析和设计。因为合理的物流设计也同样能大大提高生产率，降低生产成本11-21一个 有 效 的物料流程是物料在工艺过程中按顺序一直不断地向前流动直至完成，没有过多地迁回或倒流。
物流与生产同时发生，并随着加工技术的提高，加工在整个生产过程中比重下降而逐渐为人们所重视，物流技术的提高借助于自动化技术的发展得以实现。物流技术的发展大致经历了以下几个阶段121.
1) 人 工 物流。人工物流是原始的形式，物料的输送、存取由人或借助于简单 的机 械 来 实 现 。 这种方式由于方式灵活、初期投资少、设备简单，而被一 些 中 小 规 模 的 企业广泛采用。这种方法的缺点是节奏慢、劳动强度大 、工 资 支 出 多 ， 且不利于集成控制。
2) 刚 性 自动化物流。这种方式是以汽车制造为代表的专业化、大批量生产的产物 ，在二十世纪五 、六十年代达到顶峰。它以输料道、输料槽、传送机等机械 自
动 输 送 机 构 为 特征，物料的输送按某一节拍或某一固定的方式进行，物料存 取 由 人 、 机 器 人、机械手或搬运设备等媒介实现。特点为生产节奏快，设备 布 置 相 对 固 定 ，设备专门化程度高，缺点为初期投资大，灵活性差，一般只 能 用 于 大 批 量 的生产。本文所考虑的就是这种物流。
3) 柔 性 自动化物流。这种方式出现于二十世纪六十年代，应市场需求和自动 化 技 术 的 发 展 而产生，并处于不断发展之中。一般由自动存取系统(A S/R S A uto ma te d Storage and RetrievalS ystem)， 自动引导小车AG V( Au tom at ed G u idedV ehicle)、物流自动识别系统、计算机控制系统等组 成 ，所 有 活 动 由计算机集中控制，能够实现物流的自由流动和随机存 取 ，便 于 系 统 的 集成和优化，并能进一步实现智能化控制。
1. 1.3车间布局综述
1.1.3.1车间布局的原则
确保 设备布置形式合理根据车间的生产纲领，分析产品一产量关系，确 定 生产 类型(是大量生产、成批生产，还是单件生产)，由生产类型决 定 恰 当的设备布置形式(是流水线式、成组单元式，还是机群式)。
2)确保车间其它组成部分位置合理车间布置时，除了给主要生产设备，还需要给其它组成部分(在制品暂存地、检验实验地、工人工作、通道、辅助设施如办公室等)安排合理的位置。外地
3)确保工艺流程要求满足车间布置应保证工艺流程顺畅、物料搬运方便，避免或减少物流往返交叉现象。
4)确保建筑形式合理根据工艺流程的要求和产品的特点，选择恰当的生产加工设备，并进一步确定建筑物的尺寸和形状。
此外，还需考虑通风、照明、防尘、防噪等要求，并使布置具有适当的柔性，有利于生产的扩大和设备的补充，以适用生产变化的要求。
1.1.3.2车间布局的目标
车间 布 置 的目标一般可分为两大类，一类是以提高工作效率为导向的，另 一类是以鼓舞士气为导向的。
1) 以 提 高工作效率为导向的目标该目标主要是为了高效率地完成生产任 务 ，它 包 括 :
① 使物 料 的 运 输成本最小，它要求运输路线尽可能短、尽量增大生产的连续性 ， 减 少 装 卸 ，防 止物料被堵塞、延误;
②使 空 间 、 设 备、人员等资源的利用率提高，有助于降低成本、增加利润 ;③使 系 统 具 有 尽可能大的应变能力，表现在扩展的余地、高柔性等方面。
2) 以 鼓 舞士气为导向的目标该目标主要是通过激发生产人员士气来实现组 织 的 目 标 ， 同 时使生产者在工作中有更加良好的心里感受，它包括 :
①增 强 生 产 安 全性包括采取各种安全措施，防火、防潮、防止工伤事故，也包括增进职工职业健康的各类措施。防噪、防震及有害气体、污染物的处理等; ②减 少 工 作 的 单调感包括建立趣味盎然的班组园地以及千净整洁的休息区，以赋予工人更多、更广泛的任务和自主性，加深工作中独特性、责任性的心理体验。
1.1. 3.3车间布局的评价
总之 ， 车 间布置是影响深远的一项工作，一个良好的车间布置可以用埃普尔
(Apple)的“良好布置标志”来衡量[31 “良好布置标志”主要包括:围绕某一预先计划好的布置设计建造建筑物;通道笔直、清楚、有标记;保持最低限度的后退倒行;有关作业紧靠在一起:生产时间可以预测;安排进度计划的困难最小;最少量的在制品;条件改变时容易调整，具有高柔性;扩展计划时容易编制:实际加工时间对生产总时间之比最大;检查最少而质量最好:材料搬运距离最短;手工搬运最少;无不必要的材料重复搬运;材料放在负载单元中搬运;作业之间的搬运最少;材料能及时传递给工人;材料能从工作区域及时搬开:由间接工人来做材料搬运工作:有秩序地搬运和储存材料;工人能以最高效率工作等。
1.2课题提出的背景和意义
1.2. 1设施布局研究的现状
设施 的 布 局设计已不是新问题，即使在原始的小作坊里，工匠们也要根据工序流程和物件移动的需要来合理布置他们的工作间。随着生产复杂性和生产规模的日益增强和扩大，各种布局方案应运而生，如工程布局，功能布局，作业线布局等方案14-51o M utherl5]提出了系统布置方案SLP( Sy stematicL ayoutPlanning)。由于设备布局设计问题的复杂性及其实用性，从六十年代开始，有学者着手研究计算机辅助设计问题。随后产生了一系列计算机辅助布局设计和分析的商用软件包，如CORELAP, PLANET, SHAPE, CRAFT等，它们在布局设计建模、布局求解算法及系统交互式等方面做出了卓有成效的工作。Kusiak和Meller等人对制造设备布局问题进行了全面的回顾并着重研究了柔性制造系统(FMS)环境下的布局设计16-71. Badiru和Ari产]开发了一个设备专家布局系统，并在其中采用模糊逻辑方法来实现关系代码，以反映未来生产设备需求的不精确性.Montreuil提出了基于人工智能、优化、仿真和CAD于一体的集成的布局方案，在此基础上，进一步对基于物流的布局问题提出了并行布置和网络布置的设计方法。
Ko uv eli se t.a1.191 曾指出，生产设备的位置是制造系统设计早期需要解决的最关键的问题之一。到目前为止，研究人员己经提出了数个解决制造系统布局问题的公式和规则，涌现了大量的方法和技术手段，可以将它们粗略地分为两个类别:最优化方法和近似优化方法。
Ku siak 和 Heragu[IO]则对已有的设备布局问题进行了归纳，它们可以分为以下几类:二次分配问题模型QAP (quadratic assignment problem)，二次布置占有模型QSP (quadratic set covering problem)，线性整数规划模型，混合整数规划模型和图论模型0}1
从 以往 的 研究成果来看，设施布局问题的求解大多是利用二次分配问题方法，QAP方法已经在很多领域有了广泛的应用，包括城市规划、计算机控制面板布局以及配线布局等。QAP解决的是一个布局问题的特例，因为它假定所有的布局实体都是具有相互关系的等面积的实体，并且所有可能的放置点都是事先指定的。QAP将布局实体与可能的放置点一一对应。将一个布局实体放置于某个特定位置的费用取决于其实体的位置。这就是二次分配问题命名的由来。它最早是由Koopmans和Beckman[12 ]提出来的。Liao[
在1976年，Sahni和Gonzalez[16]己经证明了设施布局问题是一个NP完全问题。此后人们采用了许多启发式的手段来获得问题的近似最优解，即近似优化方法，这些方法可以大致归纳为五个基本类别:构造法、改进法、图论法和模拟退火法、混合法等。以上 综 述 的这些方法及理论大多数是针对特定约束条件下二维平面布置问题特别是设备布局问题的研究提出及验证的。事实上，三维布局问题广泛存在于工业生产当中，特别是机械工业生产中。随着布局问题得到广泛研究，近年来，三维布局问题由于其复杂多样性和在实际工业中的广泛应用而得到了一些领域学者和研究人员的关注。
Szy km an 和Cagan等[17-18]人将二维超大规模集成电路技术扩展到了三维空间内，在考虑了容器和其它布局物体约束的前提下，提出了一种适用于具有空间约束的布局物体和布局容器的布局问题。这种方法在理论上是通用可行的。但他们的工作还只是局限在简单几何形状物体(例如矩形块和圆柱体)的布局方面.Tiziana
Calamoneri[ls]等提出了互联网的三维布局优化问题，指出互联网的三维布局的主要益处是节省材料(以体积来计算)和缩短电缆长度。MikeSchafer[20]等提出了一种用于产生三维电子模块矩形体自动布局结果及线域估计的集成方法.Loris Faina介绍了一种三维布局问题的全局优化几何模型。邱英汉[211用二叉树结构来表示三维实体布局问题。何大勇等则在集装箱布局问题中提出一种利用三叉树结构表达三维矩形布局状态空间的方法。王金敏[22)提出了一种适合于三维实体布局的优化算法。Teng Hong-fei[23-242等研究了具有行为约束的三维布局问题，提出了一种位于旋转容器内的物体的优化布局方法。由于 一 维 布局问题己经属于NP完全问题，所以求解三维布局问题就更加复杂。从商业上的应用来看，至今尚没有成熟的用于工业布局的商品化软件，在学术团体研究较多的都是一些规则物体的布局问题，要实现任意形状的三维布局问题，至今尚无成功的通用的布局方法。虽然已经有很多非线性技术应用到物体布局问题上，但这些方法大多数因物体的几何形状、方位及问题复杂程度的不同而施加不同的限制。除此之外，对于布局问题大多数研究是在运筹学(Operation Research)领域完成的。这些方法的缺点是因为它们一般都是启发式的方法，只能应用在专门的一类问题之中，另一个限制是在运筹学中只能使用相对简单几何形状的物体[25]。但在工程实际中，由于解决问题的要求和目标的多样性，找出一种通用于所有问题的方法几乎是不可能的。
__1.2.2课题提出的工程背景及研究意义
本论 文 的 课题来源于江淮汽车集团发动机生产系统仿真项目。发动机生产系统仿真项目是江汽集团和合肥工业大学工业工程教研室合作项目，合肥工业大学工业工程教研室负责建立该项目的物理模型、数字模型，车间设施规划及动作研究部分。作者正是以此确定本论文的题目和研究内容。在全 球 制 造业竞争激烈的今天，一个优良的生产系统对于增强企业的竞争力来说是至关重要的，其中布局是一个重要的工作，这其中包括新系统的形成和旧系统的改良。车间布局设计是制造系统设计的重要内容。车间布局的优劣直接决定着产品质量、生产率和经济效益。一个良好的车间布置和一个较差的车间布置相比较，两者在投资方面可能相差无几，但良好的车间设施布置可以提高生产率，改进质量，消除或减少间接劳动成本，简化物流，仅需更少监督，简化成本会计系统，并可提高员工的自我成就感，便于工作团队的自我决策，提供可集成的模型等[261。国内外的资料表明，在工厂的生产活动中，
从原材料进厂到成品出厂，物料真正处于加工检验的时间只占生产周期的5%-10%,而90%-95%的时间都处于停滞和搬运，这严重影响了企业的经济效益的提高.在制造业中，总经费的20%-50%是物料搬运费用，而优良的平面布置可使这一费用至少减少10%^'30%，也为企业赢得效益和收益，从而在激烈的市场竞争中处于不败之地。因此，有必要展开对制造系统的布局设计及优化问题的研究。
本课 题 旨 在是以发动机车间为例，研究合理规划车间制造资源布局的一些方法或手段，从而对发动机及其它相关厂房或车间的布局设计优化起到一个较好的参考和引荐作用。因此，本课题具有明显的现实意义。
1，3论文的主要内容和组织结构
本文 的 工 作是在发动机生产系统仿真项目的背景下展开的，论文主要研究布局设计的相关理论、方法及其在发动机车间布局设计及优化中的应用，具体包括以下几个方面内容:
第一 章 为 绪论。首先对车间布局设计进行了概述，接着分析了布局设计国内外相关研究现状，阐明本论文研究的工程背景及研究意义，最后阐述了本课题研究的关键问题、现有条件及解决关键问题的方法和途径。
第二 章 简 要介绍了制造系统中的布局问题，分析了传统的布局设计过程、设计流程并指出它们的缺点和不足，从而提出了车间布局优化设计框架。
第三 章 阐 述了设施布置的依据及平面布局方案的求解方法，结合发动机车间的特点，利用SLP实现了平面布局方案的优化设计。
第四 章 对 制造系统建模与仿真在企业中的应用作了简单的介绍，然后建立了发动机车间布局的数字化模型。
第 五章 基 于数字模型，进行了作业场地布置的人机学设计的研究，给出了作业空间设计的目标评价体系。探讨了工业工程中关于作业测定技术、生产线平衡技术等在模型中的应用研究，并给出了应用的具体示例。
第 六 章 是对全文的总结与对进一步工作的展望。
本 论 文 的内容组织结构如图1-1所示。
__
1.4课题中的关键问题及解决办法
本课 题 的关键问题为:
1) 建 立 车间布局设计及优化流程;
2) 实 现 发动机车间平面布局优化设计;
3) 实 现 发动机车间三维布局的部分优化设计。
目前 的 状 况:
1)目前，车间布局设计及优化流程一般是针对总体平面布局形式而提出的，较少涉及局部范围立体空间设计及优化，布局设计及优化流程中缺乏从平面到三维空间的系统集成性。
2)制造系统二维平面布局问题研究理论上已经处于一定的高度，但这些理论及方法在实现时一般都是针对某类问题或施加许多限制。本文的发动机车间布局关系复杂，约束过多，用这些理论方法优化布局时难以满足使用该方法
的前提条件或计算量太大难以实现。
3)目前对三维布局问题的研究还处于探索阶段，没有成熟的用于工业三维布局优化设计的商品化软件，在学术团体中多是对一些规则物体的三维布局设计研究，无法解决任意形状的三维布局优化设计问题。
关键问题的解决办法为:
1)车间布局设计及优化是个复杂的系统工程，架构车间从宏观层次的平面布局到微观层次的三维立体布局的优化流程，构建车间布局优化设计的框架。
2)结合发动机车间的特点及数据，应用SLP实现布局瓶颈的调整。
3)利用仿真平台，构建布局数字模型，为车间的三维优化提供可靠、有效的数据。
基于数据模型，应用工业工程及人因工程的相关原理及方法完成三维布局的部分优化工作。
第二章布局优化设计框架
2.1 制造系统中的布局问题
制造 系 统中的布局设计是工业工程研究和实践中一个重要并且长期存在的领域，是一个典型的工程问题。长期以来，制造系统的布局设计一直被当作制造工业中最关键和最困难的设计任务之一。它是将加工设备、物料运输设备、工作单元和通道走廊等制造资源合理放置在一个有限的生产空间里面的过程，可看作是制造系统的组织过程。
在 一个 制造系统中，布局不是一个孤立的问题，它与整个系统设计的其他工作是紧密关联并且相互影响的，其相互关系可以用图2-1表示
1271.
制造 系 统 布局的好坏将直接影响到整个生产系统的总体性能，如物流、信 息流、生产能力、生产效益、生产成本以及生产安全等1281布置 的 基 本形式可分为1291:产品原则布置、工艺原则布置、成组原则布置
和定位布置。
1) 产 品 原则布置(ProductL ayout) 根据产品制造的步骤安排各组成部分。从理论上看，流程是一条从原料投入到成品完工为止的连续线。固定制造某种部件或产品的封闭车间，其设备、人员按加工或装配的工艺过程顺序布置，形成一定的生产线，适合于少品种、大批量的生产方式。这种布置形式的例子有汽车装配线、食品加工和家具制造业等。本文的发动机车间就属于这种布置形式。图2-2为产品原则布置示意图。
2) 工 艺 原则布置(ProcessL ayout) 又称机群布置，是同类设备和人员集中放置在一个地方的布置形式。如按车床组、磨床组等分区，各类机床组之间也保持一定的顺序，按照大多数零件的加工路线来排列。适用于多品种小批量的生产方式。根据所执行的一般功能，对各工艺组成部分进行布置，并不考虑到任何特殊产品。如单件小批加工车间、百货商店和医院通常是这样的。图2-3为工艺原则布置示意图。
3) 成 组 原则布置(GroupL ayout) 这是实施成组加工的布置形式，介于产品原则布置和工艺原则布置之间，适应于中小批量生产。图2-4为其布置示意图。
图2-4成组原则布置示意图
4)定位布置(Fixed Layout) 根据体积或重量把产品保留在一个位置上设备、人员、材料都围绕着产品而转。如飞机制造厂、造船厂等。其布置示意图见图
2-5a
图2一5固定工位布置示意图
2.2传统的布局设计过程
传统 的布 局设计过程一般是依据车间任务、设计原则、基础数据资料及对机械化设备、非标准设备的计算数据等进行平面布置，局限于平面布置方案的获得或者是优化。传统的布局设计及优化的一般框架及流程如图2-6和图2-7
所示。传统的布局流程虽然可以解决物流网络及作业功能布局的设计问题，但传统的布局设计大多研究平面布局问题，具有局限性，不可能全面反映车间各个方面，尤其是一些供进行技术经济分析的数据以及立体空间数据等是无法在平面图中给出的，所以要在工艺说明书中对车间平面图予以描述，包括车间在总图中的位置，与相邻车间的关系，平面布置的特点，运输方式的特点，各工作区及车间工段的划分和组成情况，在设计及评价布局方案时人为假设各种条件和约束过多，布局设计缺乏从平面设计到三维设计的集成研究.
.制造系统作
业功能区划分
物流及非物流关系问题
图2-6传统布局设计一般框架
图z-7传统布局设计一般流程
前文 已 经 说明，目前还没有找到解决任意形状的三维物体的布局问题的通用方法。非线性技术应用到三维物体的布局问题时，需根据物体的几何形状、方位和问题复杂程度的不同而施加不同的限制。在运筹学中只能使用几何形状相对简单的物体(如矩形体和块状物)来研究它们的三维布局问题[301这表 明 : 对于复杂制造系统三维布局问题的设计及优化，例如各种复杂设备的三维空间布局，作业工人与设备、工件等的相对位置等，依据各种算法来解决显得有些无能为力。
2.3车间布局优化设计框架的提出
从上 一 节 的分析中可以看出，传统的平面布局设计流程及框架很少涉及三维布局的优化设计研究，缺乏布局设计从二维到三维空间的有效集成，不能全面实现企业布局设计及优化的需要。
计算 机 仿 真技术作为一门高新技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。尤其在航空航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的技术，它可优化企业结构、组织和生产的各个方面。
当今 的 制 造系统是集现化机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应用，山于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。所以在制造系统的设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案，以保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的经济性、柔性和可靠性，又能有效防止较大的经济损失;在制造过程阶段，通过仿真可以预测系统在不同调度下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而能充分发挥制造系统
的生产能力，提高经济效益[31)
在布 局 设 计及优化研究中，我们可以借助于建模及仿真工具，在二维平面布局的基础上构建制造系统的三维布局模型，利用可视化仿真技术的“所见即所得”功能，在三维模型中应用人机工程学、工业工程的思想及方法来实现布局优化，获得能真正指导实际生产的布局模型及生产安排计划等目标，为布局设计及优化工作开辟了一条切实可行的新方法，拓宽了布局设计的思路。为此，笔者提出了车间布局优化设计框架，见图
2-80
图2-8车间布局优化设计框架
这里 的 初 步前期规划包括确定生产纲领、确定生产节拍、确定生产布局模式等。本文 就 是 以此框架为指导，按照从二维初始布局优化到三维布局优化的设计流程，实现对发动机车间布局优化设计的。
2.4本章小结
本章 阐 述 了制造系统中的布局问题，分析了传统平面布局设计的一般流程，指出传统平面布局设计方法存在着过于依赖经验、约束过多及复杂难解的缺点;分析了传统布局设计的一般框架，指出传统的布局设计框架缺乏从制造系统二维布局到三维布局设计及优化的集成.从而提出了车间布局优化设计框架，该框架旨在避免传统设计方法的缺点和不足，从理论上拓展了布局设计的方法。
第三章发动机车间平面布局方案优化研究
3. 1设施布1的依据
“产 品 或 者 生 产计划应该是工厂设计的出发点，并从中推导出它的全部设计基础。”[321缪瑟也将产品、生产路线、时间、辅助服务部门作为设施布置分析的原始资料，并将产品和数量列为最重要的资料。因为从生产计划的角度来讲，产品产量分析是产品组成问题的基础和库存控制的基本概念。而对工厂设计人员而言，则是决定基本布置分析的基础。布置决策问题，可以定义为确定生产系统内各物质部分的最优安排。设施布置的依据主要有以下几个方面。
1) 生 产 系统目标。通常实施布置应达到的目标是:使存储费用、劳动力、闲置的设备和管理费用保持在一定的水平下并达到预期的产量。生产系统目标常常相互矛盾，诸种布置考虑因素几乎存在于所有布置决策之中，但其相对重要性则不一致。
2) 生 产 能力决策。生产需求的预测对布置决策的“目标确定”有着重要意义。对制造企业而言，生产能力主要取决于生产性固定资产及其技术组织条件，对服务企业来说，除了取决于设施和设备能力外，还取决于人力水平。企业的生产能力一旦确定，企业整个生产经营活动的最大规模也就基本上被规定了。在西方国家将生产能力的充分利用问题看作生产成本控制的首要问题。生产非均衡，设备、人员的闲置被看作是最大的浪费，我国以往忽视这一问题，只强调节约原材料和费用，常常出现前后工序能力不匹配，部分设备、设施长期闲置，浪费、占用大量资金。
3) 加 工 过程的要求。加工过程的要求是选择布置类型的主要依据。决定布置所需要的数据因所制造的产品的不同而不同。在品种少且比较固定的制造业，装配图是主要的布置信息。在品种繁多的制造系统中，机器规格说明也有重要的意义。
4) 进 行 布置的场地的有效空间。工厂总体布局受场地范围的限制，车间设备布置一般是在建筑空间的实际范围之内。工厂设计包括工厂内部和外部两者所需要的空间设计，包括本文主要考虑的是工厂内设施布置研究。
3.2设施布篮设计技术
最初 的 设 施布置设计主要是凭经验和感觉。但是到了五十年代，布置设计从传统的只涉及较小系统发展到大而复杂的系统设计，凭经验己难以胜任。于是，在综合各学科发展的基础上，一方面，布置设计中运用起系统工程的概念和系统分析的方法，在1961年由美国的缪瑟提出的极具代表性的系统布置设计(SLP)理论;另一方面，从60年代开始，以J. M.摩尔等为代表的一批设施规划和设计者，应用计算机技术对平面布置及其优化问题进行了较为系统地研究，产生了许多用高级语言写成的平面布置程序，如用于新建设施的CORELAP,ALDEP程序和用于改建布置的COFAD,CRAFT程序，形成了计算机辅助设施布置(CAL)方法[331随着制造业生产方式的不断演变，这些理论、方法都在不断的发展完善。
3.2.1系统布置法(SLP)
设施 系 统 布置规划方法是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合求得合理布置的技术，因此在布置设计领域获得极其广泛的运用。国内在八十年代以后引进这一理论，收效非常显著。
设施 系 统 布置的起点是对企业生产的产品和产量进行分析和综合，这些数据来自设计部门和市场调研机构的预测分析。所以设施系统布置首先是调查研究、收集资料，其次是分析有关资料的相互关系，在综合调研的基础上设计方案，最后对若干方案进行选择并组织实施。SLP的具体程序如下:见图3-1.
图3-1系统布置设计基本程序
生产路线或工艺过程;S(Services):辅助服务部门;T(Time):时间(劳动量定额)。P, Q, R, S, T被称为“设施规划工程师的字母”。
2) 物 流 分析。物流分析包括确定物流在生产过程中每个必要的工序间移动的最有效的顺序，以及这些移动的强度或数量值。一个有效的物流流程应该没有过多的迁回或倒流。物流应该根据P-Q分析对不同的生产方式画出“工艺过程图”、“多种产品工艺过程图”或“从至图”。
3) 作 业 单位相互关系分析。所谓作业单位。对于一个工厂总平面布置来说，可以是一个厂房、一个车间、一个仓库等单位。对于一个生产车间来说，可以是一台机床、一个装配台、一个检查设施等。作业单位相互关系的分析是对各单位或作业活动之间关系的密切程度进行评价。将P, Q和S结合起来研究辅助部门与作业单位的相互关系，考虑到诸如避免干扰、人员来往频繁程度、是否使用同一设备等非物流关系，将各作业单位之间的相互关系分为绝对必要(Absolutely necessary)、特别重要(Especially Important)、重要(Important)、一般(Ordinary)、不重要
(Unimportant)和不能接近等不同等级，分别以大写元音字母A, E, 1, O, U, X来表示并给予一个系数值。见表3.10
表3.1作业单位相互关系分类及代号
4) 物 流 与作业单位相互关系的分析。在作业单位相互关系图完成以后，根据物流分析的结果，同时考虑到非物流相互关系就可以绘制表明各作业关系的“物流与作业单位相互关系图” (见图3-2)。在绘制时可以考虑或不考虑作业单位的实际位置，也可以不考虑作业单位所需的面积。为把相互关系图中的数据资料更形象、更直观地表现出来，通常要将作业单位之间的关系绘制成“相互关系图解”(见图3-3)，图解中的图例符号如表3-1所示，以线条数来表示密切程度等级。
5) 面 积 设定，在实际的实施布置设计过程中，常受到现有厂房或可利用土地面积与形状等的限制，而不得不把需要的面积与可利用的面积结合起来权衡考虑。面积设定的方法如表3.2所示。
6) 面 积 相关图解。根据己经确定的物流及作业单位相互关系，以及确定的面积，就可以利用面积相关图进行图解，即把每个作业单位按面积用适当的形状和比例在图上进行配置。同时，根据现有实际条件以及运输方式、道路要求、贮存设施、场地形状、环境需要、管理控制等因素进行修正。最后形成几个可供选择的方案。 表3.2面积设定方法及其特点
方法特点
计算法按照设各和作业空间要求计算所需面积，主要用丁详细设计中确定制造区域的面积转化法把现在需要的面积转化为将来布置方案中提山的必要面积，一般用于确定未来辅助设施和储存区的面积概略布置法应用模拟或设备模型进行布置并确定面积，主要用丁总体布置
标准面积法采用某种工业标准来确定面积
比率趋向预测法以单位人员和产品为基础预测复合设施总面积，主9
用于设施规划
7) 布 置 设计的寻优。根据现有设施空间的实际制约和各种修正条件(如: 运输方式、存储设备、场地环境、人的要求、厂房特征、辅助设施及管理控制 要求、安全防护等)。对各部门的位置、形状进行调整，最终形成几个可行和 初步优化的布置方案。
8) 布 置 的评价。对以上阶段初步筛选的各备选方案进行技术经济分析和 综合评价，从定性和定量的结合，综合主观和客观两个方面，确定每个方案的 “价值”，进行设施布置的评价和选择。费用一一效果分析法、关联矩阵、模 糊综合评判法、层次分析法以及比较简易的实验工厂法、成本比较法、生产率 评价法等均可用于方案评价。
9) 详 细 布置。对选中方案在其空间相互布置图的基础上予以改进，得到 具体有可操作性的详细布置。
3.2.2计算机辅助设施布置技术
上面 已分 析到，设施布置考虑的因素日趋复杂，生产系统规模越来越大， 多重技术与经济问题的交织使布置分析依赖于设计者经验的广泛整合与积淀， 显然单个设计者的经验和能力是十分有限的。由于计算机系统的许多优良性能 和新的分析方法的发展，近年来在系统布置规划的基础上应用计算机及其相关 技术辅助进行设施布置设计己日渐普及。利用计算机辅助进行设施布置的设计 不但能大大改善和加速布置设计的过程及其进程，而且因人一一机交互和计算 机绘图等的应用，可以迅速创成多种布置方案及其图案，以启发设计者的思路， 且输出结果直观优美。计算机辅助设施布置程序为以下两种。
1) 向 新 建型系统布置程序。主要有CORELAP(计算机辅助相关布置规划) 和ALDEP(自动化布置设计)程序。采用优先评价法，优点是把车间布置中重 要的特性包括在内。另一方面，这些方法中应用的计分技术，要求以数量表示 主观的优先选择，这本身是有风险的。
2) 面 向 改进型的系统布置程序。主要有CRAFT(计算机辅助确定设施布 置相对位置技术)和COFAD(计算机辅助设施设计)程序。CRAFT是在原有 布置方案上求得改进布置，得到一个以降低物料搬运成本的布置方案，而 COFED还考虑搬运设备及成本评价，是对CRAFT的改进。
近 年 来 ，伴随着生产系统的发展，设施规划较多的采用仿真技术来模拟物 流运行的动态过程，从而求得最佳设计。
需要 强 调 的是，系统布置设计等理念与计算机辅助设施布置方法不是相互 独立两种技术，两者之间是相互补充、相互发展的关系。
3.3发动机车间初始平面布局方案的优化
SL P 不 但对设计院从事工厂设计有指导作用，而且对机械行业的技术改造 也是大有裨益的[341
下 面 就 是我们针对发动机车间的初始平面布局方案给出调整及改进的意 见。
根据 发 动 机车间的初始资料，我们调研以后把该车间作业单位核定为机加 车间辅房、总装车间辅房、加工试制区域、缸盖机加工生产线、机体机加工生 产线、零部件存储区、零部件库存区、发动机总装线、缸盖总成分装线、发动 机热试返修以及下线存储等综合区等10个，见表3.3.
表3.3发动机车间各作业区域空间数据表
根据 技 术 改造的目标是立足于现有工厂布局上进行物流分析，各作业单位 之间己存在着实际距离，因而我们用“吨米/天”来计量物流量，其具体意义 即指在两个作业区的一定距离之间每天有多少吨的物流量。在对各作业单位物 流情况调查、核实后，我们制作了“物流量起迄表”。见表3.4。表中起点和 重点的作业单位参见表3.3中所示。
__
、
第四章发动机车间布局数字模型的构建
4.1制造系统建模与仿真
4.1.1制造系统建模与仿真的发展
制造 业 ( 包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型 材制造等部类)是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的 20%-55%。在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。 在制造系统的规划、设计、运行过程中，所追求的目标是:提高制造系统的总 体优化水平，提高系统运行效率、降低设计开发费用和制造成本，增加系统柔 性，灵活地适应产品品种和批量的变化，即合理地利用企业资源(包括资金、设 备、人力等)，优化企业组织结构，从而优化设计生产，以获得最大的经济效益。 为此，需要对所研究的系统进行分析和研究。然而，由于制造系统的复杂性、 递阶结构、操作规范、资源容量、不确定因素和反馈等特点，至使迄今为止还 没有恰当的数学方法能很好地处理这类问题。在当今，现代制造系统正朝着集 成化、柔性化和智能化方向发展，如计算机集成制造系统(CIMS),精益制造系 统(LPS)、灵敏制造系统(AMS),智能制造系统(IMS)等。这些系统对产品制造 过程组织和过程控制的柔性和智能性要求越来越高，分析这样的系统，采用传 统的理论算法己经很难处理，甚至有时得不到可以参考的结论。制造系统建模 和仿真技术便应运而生。它是对制造系统进行分析、实验、评价的最经济、最 安全的一种方法。尤其在分析复杂程度高的系统，它可能是唯一的途径口‘1。 制造 系 统 建模和仿真是伴随着计算机软、硬件技术和软件工程方法的进步 而发展起来的。制造系统仿真软件的发展阶段和主要特点大致如图4-1所示
[35]
4. 1.2典型的制造系统建模与仿真软件概况介绍
由于 传 统 上大量的企业资源是用于产品开发的，使得没有留下充分的资源 提供给制造者，使其跟上设计，因此需要有基于CAD 的制造过程仿真工具， 使车间设计者具有设计、测试生产线的可靠度和生产布局的能力，下面简要介 绍几个仿真软件工具[36]
1) Q U EST
Qu eui ng E ventS imulationT ool(Q UEST)是一个离散事件仿真I具包〔37]0 用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环 境。
QU ES T 为工业设计工程师、制造工程师和管理人员提供了一个单一的协同 环境，以在整个产品设计过程中开发和确证最好的生产工艺流程。在为实际设 施投资之前，改善设计，减少风险与成本，使数字工厂效益最大化，可使产品 从一开始就能尽如人意。用QUEST测试各种参数，例如设施布局、资源配置、 其它可替换方案，产品开发小组可以量化他们的决策对生产产量和成本的影响。 QU ES T 灵活的、基于对象的离散事件仿真环境结合了强大的可视化和健壮 的导入、导出功能，使其成为对生产工艺流程仿真与分析的工程与管理首选解 决方案。
2) E -F actory
E-F ac tor y为工厂的设计、物流过程分析等提供了一种可视化、参数化的设 计手段，可以缩短工厂布局的设计周期，提高设施规划和物流分析的效率，为 工厂及车间的所有布局设计和优化、设施规划及物流改善等诸多问题提供了足 够选择的解决方案，如进行工作空间的组织安排、物料存放系统设计、通道拥 塞程度的分析、机器设备安装和布局的成本核算、生产中物料搬运路线的优化、 物料运输容器、设备及人员配置的合理化等。
E-F ac tor y利用灵巧设计和智能工厂对象技术实现了整个工厂的并行设计， 而不仅仅只是局部的优化。它可以迅速而简便地建立、分析和展示数字化的、 可视化的工厂或车间模型，并能及时对其进行修改，同时也为工程师及绘图人 员提供了简单、友好的界面和小型的模型尺寸，使操作者使用方便。 E-F ac tor y主要由三个功能模块FactoryCAD , FactoryFLOW 和
FactoryPLAN/OPT组成，这三个模块可以相互补充、协调以增进工作的效率。 FactoryCAD提供了智能工厂对象，使设计者可以高效建立智能的2D&3D工厂模 型:FactoryFLOW，提供了进行物流分析、比较、改进布置方案的功能; FactoryPLAN/OPT，可以进行生产区域平面布置的优化设计[381
3) S IL MA: ProductP LIOT
SIL M A 是一个包含build-in综合经济模型的装配过程规划工具，它使得设 计者可以用经济术语如现金流动、利润等快速和有目地评估每个装配场景。 Product PLIOT交互式软件包括:PLIOT Yield PLIOT Line和PLIOT Cell等模 块。PLIOT Yield用于决定抓取点的有效斜面:PLIOT Line用于确定生产线生 产量、线平衡、经济模型;PLIOT Cell是一套详细的仿真产品Ce11FLEX，包 括机器人和机构库、参数化车间设备等[39]
4) e -M anufacturingE ngineer
eM Po we rE ngineer允许用户设计、分析、仿真、优化生产过程。可以从鸟 瞰的角度分析整个车间，逐步向下直至车间作业。支持工作空间设计、过程仿 真、装配/分解作业、质量公差管理、加工。它的功能模块允许设计、仿真、可 视化和优化生产系统和过程，分析瓶颈、优化生产量和缓冲区大小(401
4.1.3车间布局建模与仿真意义
车 间布 局 建模与仿真是制造系统建模和仿真中的一个重要组成部分，其优 点主要表现在以下几个方面:
1) 车 间 布局建模与仿真能够节约成本，提高企业的生产效率。车间布置 仿真是在计算机上对现实车间布置进行模拟，通过对车间布置在不同参数下的 运行，找出车间布置中的不足之处，实现对车间布置的优化，节约真实车间布 置的运行成本。
幻 由 于 车间布置直接影响着车间的功能特性，随着当前产品生命周期的 不断缩短，工厂生产的产品始终处于动态的转换过程之中，车间布置再也不是 一劳永逸了，它需要根据主导产品对它的要求进行调整，以确保车间结构对其 功能的保障能力。因此，车间布置的变化在当今也越来越频繁了。车间布置仿 真是以车间模型为对象的研究方法，而不用干扰实际车间正常的作业活动;同 时由于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间 的生产设备布置，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。
3) 另 外 ，应用计算机仿真来对车间的布置规划作出检验，并对车间布置 可能出现的问题作出早期的判断，并提出相应的防范措施，节省了投资成本和 运行周期。
正是 由于 上述优点，布局建模与仿真在企业布局和设施规划中发挥着重要 的作用。
4.2发动机车间布局数字化建模
发动 机 车 间是复杂的生产系统.本文所研究的发动机车间分别由缸盖、机 体机加工生产线、缸盖分装线、发动机总成装配线、各零部件存储区、发动机 热试区等作业区构成。设计生产纲领为年产量6万台，总装线生产节拍为
2.9Min/台。布局建模包含三个层次:建筑实体建模;宏观的各作业区之间整体 布局;具体的微观布局的优化方法参见第五、六章内容
4.2. 1建筑实体建模
主要 包 括 立柱群、墙体、门窗与地面等实体建模。模型与实际建筑布局相 一致。地面为整个发动机车间确定了海拔基准;立柱群从仿真建模的角度来说 实际上是整个车间的一个坐标系。
4.2. 2各作业区之间整体布局
由车 间 的 二维平面布置图设定车间各作业区的位置、面积以及它们的相对 位置约束，然后根据各作业区自身特点进行建模。装配流水线由生产工艺等确 定布置形式(在此选择适合发动机装配生产的U型布置[411形式)，并根据车间 中的物流、信息流状况确定流水线各工序的大体位置情况;存储区及热试区从 基于减小物料搬运量出发，结合生产线的工艺流程，总体确定缸体、缸盖、曲 轴等大件及各中小件的摆放位置，以及发动机成品存储区域等。总之，整体布 局建模是基于各作业区相对和绝对位置、车间作业衔接、流水作业的实际情况，
仿真主要的物流、信息流、能量流，其注重于车间内物流堵塞处理，确保车间 全局生产过程协调一致。
4.2.3各作业区内细节布局
车 间布 局微观层次的建模是在宏观建模的基础上对各个作业区进行细节建 模:①核心是流水线作业区细节建模。在宏观建模确定了流水线布置形式和总 体位置后，从工艺规程、工序内容的角度出发，确定装配线各工位的作业范围、 空间等;针对各工序作业内容，从方法研究、人因工程角度出发，确定操作工 的动作内容甚至行走路径等;设定物料周转箱、工作台、设备的空间位置等等， 具体优化过程和方法见第五章，需要后续工作来支持、实现，仿真的重点是制 造工艺过程的精细分析，考虑操作的可行性和合理性，避免干涉，对人员、物 料、缓冲区及生产设备等进行微观层次的合理布局。②存储区及热试区建模。 满足最大程度地减小车间物流量，依据装配线的细节布局确定各零部件在存储 区中的存储位置及所用周转箱的类型等。同时建立车间物流运输网络。 根据 以 上 分析，采用美国EAI公司的VisFactory作为平台，搭建了虚拟制 造系统布局模型的研究环境。利用仿真平台实现实体、事件等属性、规则及活 动方面的定义，使物理实体与逻辑实体对应一致，对建立的虚拟车间不断进行 布局和物流的评价和改善，直到获得满意的发动机车间布局模型。图4-2表达 了车间布局的建模流程。图4-3是基于仿真平台建立的初始的车间布局参数化 仿真模型。由于模型具有数字化的、可视化的特点，并能及时对其进行方便的 修改，我们把建立的车间布局模型称为发动机车间布局数字模型。
利 用 仿 真平台建立的发动机车间布局模型反映了车间的物理和逻辑信息: 物理信息包括建筑模型、车间空间布局、在制品、设备、工人的几何模型、工 位安排、输送系统等;逻辑信息包括工艺流程及生产组织信息等，为仿真研究
__
第五章发动机车间三维布局优化设计研究
5.1人因工程在发动机车间布局优化中的应用
5.1.1人因工程
人 因 工 程是以生理学、心理学、人体测量学与工程技术为基础，研究人、 机和环境的相互关系和作用，以使人、机和环境高度协调统一，在保证作业者 安全、卫生、舒适、方便的前提下提高工作效率的学科。在研究重点上，人因 工程着重于研究人类以及在工作和日常生活中所用到的产品、设备、设施、程 序与环境之间的相互关系。随着近几十年来技术的发展，人因工程学的地位越 来越重要，逐步渗透到宇航系统、城市规划、工厂运作、机械设备、交通工具、 家具制造、服装、生活用品等领域。本章主要阐述基于车间布局的数字模型， 人因工程在设施规划中作业场地设计及作业空间评价的应用及研究。
5.1. 2作业场地布置的人机学设计
5.1.2.1作业场地
作业 场 地 是作业者进行操作的场所，工作地布置问题日趋受到关注。工作
地布置的目标不仅仅在于提高劳动效率、减轻劳动强度、实现文明生产，目前 的研究表明:工作地优化设置有助于减轻现代工业的简单、单调操作对工人心 理的压力。忽视社会心理因素的影响，会大大限制技术经济的充分发挥。工作 地布置是以组织心理学、人体工程学、工程心理学为基础，符合“动作经济原 则”，考虑工人的感觉、反应、注意力、情绪、个性、持续能力等心理特点。 作业 场 地 的设计包括生产设备、生产工具、必要的辅助设备的布置以及作 业者的人机学设计。对他们的摆放、布置应考虑以下因素:
1) 在 流 水生产中，设备的排列与摆放要使在制件能连续不断向前移动，中 途 没 有 延 迟 。
2) 在 多 品种生产的单体中，以搬运量最小为原则来排列与摆放设备，以简 捷 的 步 骤 进 行生产。
3) 在 各 种生产类型中，特别是自动、半自动设备的排列与摆放，应有利于 多机 床 看 管 。
4) 设 备 的排列与摆放要有利于节省面积、生产安全、易于维护、易于安装 等 。
在作 业 场 地中人机工程的合理运用与作业者的工作方便、舒适、安全有着 密切的关系。为此，本文就作业者的作业场地中操作的宜人化(工作方便)、 安全感和舒适性进行人机学设计。
对象的特点选择适当的评价方法。在评价过程中，应采用从上到下、从总体到
局部的顺序。图5-4是设计评价的一般步骤，但在设计评价中还应视具体情景
而灵活处理。
5.1. 2.3作业空间的设计评价
图 5-5 是 进行作业场地布局评价所用的作业空间设计评价树。
Zu一坐姿作业空间的尺寸应在人的作业范围之内
Z,:一站姿作业空间的尺寸应在人的作业范围之内
Z,。一对于站、立交替的作业空间应适合人体站立交替的特点
Z二一显示器放置在人的视觉范围之内Zz,一防止眩目，避免明暗强烈对比 Z。一灯光位、亮度的布置要合理
Z_一工作台舒适性
Z4:一控制面板布置的合理性
Z。一避免费力操作
Z、一坐椅舒适性
Z4:一机器设备布置的合理性
Z51避免长期注视某一处
Z。一留有足够的心理空间
结合 布 局 模型进行作业空间的评价，若评价结果不满足优化目标，则反馈不满足 布局设计的数据，重构数字模型进行再设计及评价工作，直至获得满意的评价结果。 同时，将此时的车间布局方案进行实施工作，为下一步工作的进行提供较准确可靠的
数据来源。
52发动机车间生产线平衡
5.2.2作业测定
标准 时间 直接影响企业的劳动力成本及生产周期，也是企业编制生产计划、 平衡生产能力、确定劳动力需求计划等必需的基础数据。科学地确定标准时间， 可以提高生产效率、降低人工成本、制定合理的生产计划。近年来，我国企业 已经逐步应用先进的作业测定技术制定标准时间[441
作业 测 定 技术一般包括4种方法，即时间研究、工作抽样、预定时间标准 和标准资料法。我国企业常用的方法是时间研究与预定时间标准法中的模特法 进行作业测定，但一般只把它们应用在现实的制造系统中测定标准时间，便于 企业重新编制生产计划、重新确定劳动力需求计划等。而制造系统正常投产运 行后，改变生产计划、布局设计及劳动力人员配置等是一个棘手的问题，有些 由于改造起来人力物力浪费严重而放弃对制造系统进行改进，从而使制造系统 不能发挥其应有的能力。因此，在制造系统投产之前，如何进行制造系统作业 测定从而使之为相关决策的制定提供依据，使设计工作更具成效，是个急需解决 的问题。而借助于仿真技术，通过在计算机上建立制造系统的仿真模型，采集 应用模特法进行预定的标准工时测定所需要的数据信息，并利用模特法的原理 和思想，根据动作经济原则和“ECRS
5.2.2.1模特法
MO D AP TS(模特)法是澳大利亚的哈依德博士在60年代提出的一种确定
标准时间(PTS)的方法，是PTS技术中比较完善和先进的方法，其意为“以模特 数的排列来预定动作所需的标准时间”。模特法把人力操作时的动作共归纳为 21种基本动作，见表5.4，规定在作业条件相同的情况下各人做同一动作所需 的时间值基本相同，而身体不同部位做动作时，其动作所用的时间值互成比例。 __
工序060与070之间，100与110之间，130与140之间的作业顺 上表 中，
序可以前后调整而不影响装配作业。
有 了缸 盖 分装线各工序的人员标准工时，就可以进行生产线的能力平衡设 计了。
虽 然 缸 盖分装线配置了一些自动化程度高的作业设备，如气门拍打机、锁 片自动压装机等，但就整体而言，该装配流水线仍以工人的手工劳动为主，这 是因为缸盖总成的装配关系极其复杂，完成如此复杂的操作是当今的装配机器 人等自动化设备难以完成的。因此研究如何降低装配线的人力成本是极具现实 意义的。而降低人力成本可通过合理的人员配置使得各操作工人的生产负荷尽 量均衡，接近流水线的生产节拍，减少工人忙闲不均现象，使流水线按节拍运 转和高效率生产。在此，考虑到装配过程的各种复杂因素，不易对作业元素进 行有效的合并使各个工作地的作业时间等于或接近节拍或者节拍的倍数，采用 把每个操作工人所看管的所有工序看作一个工作地，以人员配置来代替工作地 的划分。缸盖分装线正是基于在满足生产节拍的需要下进行合理的人员配置， 从而达到装配流水生产线平衡的目标.
对缸 盖 分 装线进行人员配置时，首先要满足该装配线根据公司的规划，装 配的生产节拍为3.9min的需要，然后运用Helgeson等提出的启发式算法一一阶 位算法[4e]对作业人员的作业配置进行平衡。应用阶位算法进行作业人员的作业 配置平衡的流程如图5-8所示。
具体步骤如下:
1)确定生产节拍。该装配线根据江淮汽车公司的规划，装配的生产节拍 为 3. 9m ino
2)确定装配的正常工作时间。根据上面的表格，统计出缸盖装配的正常 工作 时 间为37mino
3)依据周期时间和装配作业时间，计算出最少工作地数，即最小需要作 业人 员 的 数目。
Nm in= [T /C ]
Nm in =[ 37 /3 .9 ]= 10
4)绘制缸盖装配作业要素示意图(见图5-9)(时间单位
:S)
5) 依 据 阶位算法的规则划分工作地(或工序)，同时根据数据模型中布局 的约 束 和 限 制 ， 分 配各工作地的操作单元，并进行人员平衡配置。 运用 阶 位 算法进行缸盖分装线人员配置的步骤如下:
① 编 制 作 业 要素先后矩阵(见表5.7)。若作业要素i先于作业要素J> 则矩阵元素值为j的作业时间。处于对角线上的元素也表明了作业时间。
② 计算各作业要素的阶位，计算公式为Wi=ti+艺‘」
式中:W。一一作业要素i的阶位;
ti一一作业要素i的作业时间;
P一 一 所 有 在 i作 业 要素以后的作业要素集合。
③ 按阶位由大到小排列，并标明各作业要素的紧前作业要素(表
5.8)0
④ 作 业 要 素 的分配。根据表5.8 ，按作业要素阶位由大到小的顺序，并 考虑紧前作业要素和作业时间。在本例中，首先分配作业要素1，其时间为45s, 和节拍3.9min(234s)相差189s。再将2分配给第一个作业工人，仍和节拍相差 117s。若将3, 4或5任何一个作业要素也分配给第一个作业工人则会超出节拍， 而将6, 7及8作业都分配给第一个作业工人作业时间之和也小于生产节拍，理论 上可以分配给第一个作业工人的作业1, 2, 6, 7及8甚至8以后的工位，但根据 生产线数字模型，作业工位6, 7及8与工位1, 2的距离较远，其中包括4, 5和6 工位，若这样分配，所有作业时间包括第一个作业工人工位间行走时间大于节 拍，还会出现第一个作业工人与其后工人操作发生干涉等不良后果。根据实际 生产状况，把工位1, 2及最后一个工位16(工位16与工位1相邻)分配给第一个 作业工人比较切合实际生产需要。删除己分配的作业要素，继续按阶位由大到 小的顺序分配第二个工人及后续工人的作业工序，同时根据实际生产状况制约 及整条生产线作业工人的负荷相对均衡进行适当的调整。具体生产线的人员配 置平衡如表5.9所示。
表5 .9 中 ，作业人员OPER1,O PER4,O PER5,O PER9的作业时间分别为其看管 工序的标准作业工时之和再加上其在看管工序间的行走时间。
参考 此 人 员配置，缸盖分装线不但可以获得较好的能力平衡，还为发动机 车间人员安排计划的制定给出了切实可行的数据支持，解决了缸盖分装线人员 设计的布局问题。
5.3本章小结
本章 阐 述 了人因工程对车间微观布局设计优化的应用，分析研究了作业空间的安 全性设计，给出了作业空间设计的目标评价体系，可借助于数字模型，实现对作业空
间的设计评价及优化。论述了虚拟环境下应用模特法对制造系统进行作业测定的流程
及作用，突破了一般只在现实生产系统中应用模特法进行作业测定的传统应用范围， 同时，标准时间的获得也为解决布局设计中生产线平衡问题提供了依据，并依据此流
程和方法实现了缸盖分装线的人员合理配置，解决了布局设计中的人员安排计划问 题，
第六章总结和展望
6.1论文的工作总结
本文 研 究 了车间布局方案设计及优化的相关理论、方法及其在现实中的应 用，其工程背景是课题组承担的发动机生产系统仿真研究目。有鉴于此，论文 主要在以下几个方面进行了相关的研究工作。
1) 综 述 了设施布局问题的研究现状并提出了本文的发动机车间布局设计 问题 研 究 途 径 。
2) 提 出 了车间布局优化设计框架，以该框架为指导，实现了发动机车间 布局 优 化 设 计 的 部 分工作。
3) 研 究 了模特法在数字模型中进行作业测定的应用，突破了模特法的传 统应 用 范 围 。 并 由 此引申了布局设计过程中生产线平衡及人员配置的 研 究 ，优 化 了 车 间 布局中的人员配置设计。
4) 分 析 了基于车间布局数字模型进行作业空间评价的可行性。
6.2后续工作展望
回顾 论 文 的 研 究工作及项目工作过程中的切身经历，作者认为可在以下几 个方面进行更深入的探讨:
1) 车 间 初始平面布局方案的进一步研究。随着生产规模的日益扩大，设 施布 局 设 计 愈 加 复 杂、抽象，应根据具体的布局类型开发相关的界面 友好 的 布 局 设 计 及 评价系统平台。
2) 离 散 事件仿真的研究。论文中没有设计像车间调度、缓冲区设计等离 散事 件 的 仿 真 研 究 工作，因而相关的布局设计及优化问题没有得到妥 善 的解 决 ， 今 后 应深入进行这方面的研究。
3) 近 年 来，随着虚拟制造技术发展，其潜在优势受到了广泛的关注和认 可 ， 限于 项 目仿 真 平台的约束，没能展开虚拟制造技术在设施规划研 究 中 的具 体 运 用 ， 以后应开展这方面的研究工作。
4) 进 一 步实现工业工程、人因工程理论和方法在布局设计及空间优化中 的 具 体 应用 。
5} 结 合 生产线工艺流程，进行存储区内部的规划设计。
因为 水 平 有限，论文存在一定的疏漏和缺陷，请各位评卷老师和学友不吝 赐教，以便于今后展开进一步的研究。
发动机车间布局优化设计研究
摘要
车 间布 局设计是制造系统设计的重要内容之一，车间布局的优劣直接决定 着产品质量、生产率和经济效益。论文阐述了设施布局设计的基本原则、理论 及方法，分析了国内外生产系统中常见的布局设计原理及方法，提出了车间布 局优化设计框架。该框架避免了传统设计方法过于依赖经验、约束过多及复杂 难解的缺点，从理论上拓展了布局设计的方法。本文以该框架为指导，本着理 论与实践统一的基本立意，应用SLP法，实现了发动机车间平面布局的优化; 并结合计算机建模和仿真技术，应用人因工程、生产线平衡等关于设施布局及 工作地优化等相关理论和方法完成了发动机车间三维布局的部分优化工作。从 而验证了车间布局优化设计框架的指导作用，实现了发动机车间布局的优化设 计。
关键词: 车间布局建模与仿真发动机生产线平衡
Research on Optimal Design of Engine Workshop Layout
Abstract
Th ed es ign o fw orkshopl ayoutis o neo ft hei mportantc ontentin the design of manufacturing system, and a good workshop layout or not decided directly the products quality, the productivity and the economy efficiency· This paper expatiates the basic principle, theory and method of the facility layout design, analyses principle and methods of the traditional layout design domestic and overseas, and then provides a frame of optimum design for workshop layout. This frame avoids the demerit of the traditional design method that relying excessively on experience, having over-restriction and being complicated, and thereby, extend the method of the design of layout. Directedb yt hisfr amea ndb asedo nt heu nificationo fth eorya ndp ractice,th e planar engine workshop layout is optimized by using SLP; combining with the development of computer modeling and simulation technology and using correlative theories and methods about facility layout such as ergonomics and line balancing, some optimizing work in three-dimensional engine
workshop layoutis im plemented.C onsequently,th ea vailabilityo fth ef ramei sv alidated,and the optimal design of engine workshop layout is completed. keywords: WorkshopL ayout Lin e b al an cin g Modeling and Simulation
第一章绪论
1.1车间布局设计概述
1.1.1布局设计概述
从 一般 意 义上说，布局设计就是将一些物体按一定的要求合理放置在一个 空间内，它是一个涉及参数化设计、人工智能、图形学、信息处理、优化、仿 真等技术的交叉学术领域，实践证明它还是一个复杂的组合优化问题。它存在 于现实生活的许多行业和方面:
1) 航空航天工业中，航天器上各种仪器的布局摆放问题;
2) 造船、汽车等交通工具内不同形状、大小的物体放置问题;
3) 集成电路设计中，各种元件的合理布置问题;
4} 建筑设计中，各房间的合理布置及厂房、设备等布局问题;
5) 机械设计领域中，各种基于装配的机床布局设计问题;
布局问题具有广泛的应用背景，布局结果的好坏对整个行业生产的合理性、经济性、安全性等都有重大的影响。本课题主要研究制造系统中车间布局设计问题。生产车间是制造系统的基本组成部分，直接承担着企业的加工、装配任务，是将原材料转化为产品的部门。所谓车间布置就是按照一定的原则，合理地确定车间内部各组成单位(工段、班组)及工作地，设备之间的相互位置，从而使它们成为一个有机整体，实现车间的具体功能和任务。车间布置一般包括:基本生产部分、辅助生产部分、仓库部分、过道部分、车间管理部分、生活福利部分等。
由于车间布置决定了以后车间的物流方向和速率，从而从结构上限定了车间的功能潜力，因此车间布置是构造一个有效车间系统最为重要的环节，相同车间地址、相同的人员、相同的设备和技术，仅仅是由于布置的方式不一样，生产系统的功能可以有天壤之别。高效率的车间布置作为提高企业生产效率和效益的重要手段之一，越来越受到人们的重视。
1.1. 2 物流设计概述
物流系统的设计是整个车间布局的一个重要部分，也是本文考虑的问题之“物流”是指社会物质资料从生产一直到消费前的全部流通过程。“工厂物流”是指工厂从原料进厂，经过存储、加工、制造、装配厂的整个生产过程中(包括原料、材料、半成品、配套件、、包装直至成品出成品)的每个环节流动、储存的全过程。“工厂物流技术”是应用现代科学技术和方法，实现车间内部的物流系统(Material handling system, MHS)合理化技术.车 间布 局 的实质就是对制造资源(包括人、机具和物料)在空间上密切有机结合，时间上适当连接、减少物料搬运工作量，减少自制零件和外购件的损坏，节省费用。在布局设计的过程中考虑物流因素，不仅能降低其过程中的运输成本而且还能加快生产流程，最终达到提高生产能力和降低企业生产成本的目的。
在工业发达的国家，除了降低原材料和能源消耗外，己把改进物料搬运、改善工厂中的物流组织看作是减少和节省开支以获取利润的“第三源泉”，这是值得我们很好地研究和挖掘的。因此，工艺设计人员除了要根据产品生产纲领正确选择生产工艺和机器设备外，还必须进行物流分析和设计。因为合理的物流设计也同样能大大提高生产率，降低生产成本11-21一个 有 效 的物料流程是物料在工艺过程中按顺序一直不断地向前流动直至完成，没有过多地迁回或倒流。
物流与生产同时发生，并随着加工技术的提高，加工在整个生产过程中比重下降而逐渐为人们所重视，物流技术的提高借助于自动化技术的发展得以实现。物流技术的发展大致经历了以下几个阶段121.
1) 人 工 物流。人工物流是原始的形式，物料的输送、存取由人或借助于简单 的机 械 来 实 现 。 这种方式由于方式灵活、初期投资少、设备简单，而被一 些 中 小 规 模 的 企业广泛采用。这种方法的缺点是节奏慢、劳动强度大 、工 资 支 出 多 ， 且不利于集成控制。
2) 刚 性 自动化物流。这种方式是以汽车制造为代表的专业化、大批量生产的产物 ，在二十世纪五 、六十年代达到顶峰。它以输料道、输料槽、传送机等机械 自
动 输 送 机 构 为 特征，物料的输送按某一节拍或某一固定的方式进行，物料存 取 由 人 、 机 器 人、机械手或搬运设备等媒介实现。特点为生产节奏快，设备 布 置 相 对 固 定 ，设备专门化程度高，缺点为初期投资大，灵活性差，一般只 能 用 于 大 批 量 的生产。本文所考虑的就是这种物流。
3) 柔 性 自动化物流。这种方式出现于二十世纪六十年代，应市场需求和自动 化 技 术 的 发 展 而产生，并处于不断发展之中。一般由自动存取系统(A S/R S A uto ma te d Storage and RetrievalS ystem)， 自动引导小车AG V( Au tom at ed G u idedV ehicle)、物流自动识别系统、计算机控制系统等组 成 ，所 有 活 动 由计算机集中控制，能够实现物流的自由流动和随机存 取 ，便 于 系 统 的 集成和优化，并能进一步实现智能化控制。
1. 1.3车间布局综述
1.1.3.1车间布局的原则
确保 设备布置形式合理根据车间的生产纲领，分析产品一产量关系，确 定 生产 类型(是大量生产、成批生产，还是单件生产)，由生产类型决 定 恰 当的设备布置形式(是流水线式、成组单元式，还是机群式)。
2)确保车间其它组成部分位置合理车间布置时，除了给主要生产设备，还需要给其它组成部分(在制品暂存地、检验实验地、工人工作、通道、辅助设施如办公室等)安排合理的位置。外地
3)确保工艺流程要求满足车间布置应保证工艺流程顺畅、物料搬运方便，避免或减少物流往返交叉现象。
4)确保建筑形式合理根据工艺流程的要求和产品的特点，选择恰当的生产加工设备，并进一步确定建筑物的尺寸和形状。
此外，还需考虑通风、照明、防尘、防噪等要求，并使布置具有适当的柔性，有利于生产的扩大和设备的补充，以适用生产变化的要求。
1.1.3.2车间布局的目标
车间 布 置 的目标一般可分为两大类，一类是以提高工作效率为导向的，另 一类是以鼓舞士气为导向的。
1) 以 提 高工作效率为导向的目标该目标主要是为了高效率地完成生产任 务 ，它 包 括 :
① 使物 料 的 运 输成本最小，它要求运输路线尽可能短、尽量增大生产的连续性 ， 减 少 装 卸 ，防 止物料被堵塞、延误;
②使 空 间 、 设 备、人员等资源的利用率提高，有助于降低成本、增加利润 ;③使 系 统 具 有 尽可能大的应变能力，表现在扩展的余地、高柔性等方面。
2) 以 鼓 舞士气为导向的目标该目标主要是通过激发生产人员士气来实现组 织 的 目 标 ， 同 时使生产者在工作中有更加良好的心里感受，它包括 :
①增 强 生 产 安 全性包括采取各种安全措施，防火、防潮、防止工伤事故，也包括增进职工职业健康的各类措施。防噪、防震及有害气体、污染物的处理等; ②减 少 工 作 的 单调感包括建立趣味盎然的班组园地以及千净整洁的休息区，以赋予工人更多、更广泛的任务和自主性，加深工作中独特性、责任性的心理体验。
1.1. 3.3车间布局的评价
总之 ， 车 间布置是影响深远的一项工作，一个良好的车间布置可以用埃普尔
(Apple)的“良好布置标志”来衡量[31 “良好布置标志”主要包括:围绕某一预先计划好的布置设计建造建筑物;通道笔直、清楚、有标记;保持最低限度的后退倒行;有关作业紧靠在一起:生产时间可以预测;安排进度计划的困难最小;最少量的在制品;条件改变时容易调整，具有高柔性;扩展计划时容易编制:实际加工时间对生产总时间之比最大;检查最少而质量最好:材料搬运距离最短;手工搬运最少;无不必要的材料重复搬运;材料放在负载单元中搬运;作业之间的搬运最少;材料能及时传递给工人;材料能从工作区域及时搬开:由间接工人来做材料搬运工作:有秩序地搬运和储存材料;工人能以最高效率工作等。
1.2课题提出的背景和意义
1.2. 1设施布局研究的现状
设施 的 布 局设计已不是新问题，即使在原始的小作坊里，工匠们也要根据工序流程和物件移动的需要来合理布置他们的工作间。随着生产复杂性和生产规模的日益增强和扩大，各种布局方案应运而生，如工程布局，功能布局，作业线布局等方案14-51o M utherl5]提出了系统布置方案SLP( Sy stematicL ayoutPlanning)。由于设备布局设计问题的复杂性及其实用性，从六十年代开始，有学者着手研究计算机辅助设计问题。随后产生了一系列计算机辅助布局设计和分析的商用软件包，如CORELAP, PLANET, SHAPE, CRAFT等，它们在布局设计建模、布局求解算法及系统交互式等方面做出了卓有成效的工作。Kusiak和Meller等人对制造设备布局问题进行了全面的回顾并着重研究了柔性制造系统(FMS)环境下的布局设计16-71. Badiru和Ari产]开发了一个设备专家布局系统，并在其中采用模糊逻辑方法来实现关系代码，以反映未来生产设备需求的不精确性.Montreuil提出了基于人工智能、优化、仿真和CAD于一体的集成的布局方案，在此基础上，进一步对基于物流的布局问题提出了并行布置和网络布置的设计方法。
Ko uv eli se t.a1.191 曾指出，生产设备的位置是制造系统设计早期需要解决的最关键的问题之一。到目前为止，研究人员己经提出了数个解决制造系统布局问题的公式和规则，涌现了大量的方法和技术手段，可以将它们粗略地分为两个类别:最优化方法和近似优化方法。
Ku siak 和 Heragu[IO]则对已有的设备布局问题进行了归纳，它们可以分为以下几类:二次分配问题模型QAP (quadratic assignment problem)，二次布置占有模型QSP (quadratic set covering problem)，线性整数规划模型，混合整数规划模型和图论模型0}1
从 以往 的 研究成果来看，设施布局问题的求解大多是利用二次分配问题方法，QAP方法已经在很多领域有了广泛的应用，包括城市规划、计算机控制面板布局以及配线布局等。QAP解决的是一个布局问题的特例，因为它假定所有的布局实体都是具有相互关系的等面积的实体，并且所有可能的放置点都是事先指定的。QAP将布局实体与可能的放置点一一对应。将一个布局实体放置于某个特定位置的费用取决于其实体的位置。这就是二次分配问题命名的由来。它最早是由Koopmans和Beckman[12 ]提出来的。Liao[
在1976年，Sahni和Gonzalez[16]己经证明了设施布局问题是一个NP完全问题。此后人们采用了许多启发式的手段来获得问题的近似最优解，即近似优化方法，这些方法可以大致归纳为五个基本类别:构造法、改进法、图论法和模拟退火法、混合法等。以上 综 述 的这些方法及理论大多数是针对特定约束条件下二维平面布置问题特别是设备布局问题的研究提出及验证的。事实上，三维布局问题广泛存在于工业生产当中，特别是机械工业生产中。随着布局问题得到广泛研究，近年来，三维布局问题由于其复杂多样性和在实际工业中的广泛应用而得到了一些领域学者和研究人员的关注。
Szy km an 和Cagan等[17-18]人将二维超大规模集成电路技术扩展到了三维空间内，在考虑了容器和其它布局物体约束的前提下，提出了一种适用于具有空间约束的布局物体和布局容器的布局问题。这种方法在理论上是通用可行的。但他们的工作还只是局限在简单几何形状物体(例如矩形块和圆柱体)的布局方面.Tiziana
Calamoneri[ls]等提出了互联网的三维布局优化问题，指出互联网的三维布局的主要益处是节省材料(以体积来计算)和缩短电缆长度。MikeSchafer[20]等提出了一种用于产生三维电子模块矩形体自动布局结果及线域估计的集成方法.Loris Faina介绍了一种三维布局问题的全局优化几何模型。邱英汉[211用二叉树结构来表示三维实体布局问题。何大勇等则在集装箱布局问题中提出一种利用三叉树结构表达三维矩形布局状态空间的方法。王金敏[22)提出了一种适合于三维实体布局的优化算法。Teng Hong-fei[23-242等研究了具有行为约束的三维布局问题，提出了一种位于旋转容器内的物体的优化布局方法。由于 一 维 布局问题己经属于NP完全问题，所以求解三维布局问题就更加复杂。从商业上的应用来看，至今尚没有成熟的用于工业布局的商品化软件，在学术团体研究较多的都是一些规则物体的布局问题，要实现任意形状的三维布局问题，至今尚无成功的通用的布局方法。虽然已经有很多非线性技术应用到物体布局问题上，但这些方法大多数因物体的几何形状、方位及问题复杂程度的不同而施加不同的限制。除此之外，对于布局问题大多数研究是在运筹学(Operation Research)领域完成的。这些方法的缺点是因为它们一般都是启发式的方法，只能应用在专门的一类问题之中，另一个限制是在运筹学中只能使用相对简单几何形状的物体[25]。但在工程实际中，由于解决问题的要求和目标的多样性，找出一种通用于所有问题的方法几乎是不可能的。
__1.2.2课题提出的工程背景及研究意义
本论 文 的 课题来源于江淮汽车集团发动机生产系统仿真项目。发动机生产系统仿真项目是江汽集团和合肥工业大学工业工程教研室合作项目，合肥工业大学工业工程教研室负责建立该项目的物理模型、数字模型，车间设施规划及动作研究部分。作者正是以此确定本论文的题目和研究内容。在全 球 制 造业竞争激烈的今天，一个优良的生产系统对于增强企业的竞争力来说是至关重要的，其中布局是一个重要的工作，这其中包括新系统的形成和旧系统的改良。车间布局设计是制造系统设计的重要内容。车间布局的优劣直接决定着产品质量、生产率和经济效益。一个良好的车间布置和一个较差的车间布置相比较，两者在投资方面可能相差无几，但良好的车间设施布置可以提高生产率，改进质量，消除或减少间接劳动成本，简化物流，仅需更少监督，简化成本会计系统，并可提高员工的自我成就感，便于工作团队的自我决策，提供可集成的模型等[261。国内外的资料表明，在工厂的生产活动中，
从原材料进厂到成品出厂，物料真正处于加工检验的时间只占生产周期的5%-10%,而90%-95%的时间都处于停滞和搬运，这严重影响了企业的经济效益的提高.在制造业中，总经费的20%-50%是物料搬运费用，而优良的平面布置可使这一费用至少减少10%^'30%，也为企业赢得效益和收益，从而在激烈的市场竞争中处于不败之地。因此，有必要展开对制造系统的布局设计及优化问题的研究。
本课 题 旨 在是以发动机车间为例，研究合理规划车间制造资源布局的一些方法或手段，从而对发动机及其它相关厂房或车间的布局设计优化起到一个较好的参考和引荐作用。因此，本课题具有明显的现实意义。
1，3论文的主要内容和组织结构
本文 的 工 作是在发动机生产系统仿真项目的背景下展开的，论文主要研究布局设计的相关理论、方法及其在发动机车间布局设计及优化中的应用，具体包括以下几个方面内容:
第一 章 为 绪论。首先对车间布局设计进行了概述，接着分析了布局设计国内外相关研究现状，阐明本论文研究的工程背景及研究意义，最后阐述了本课题研究的关键问题、现有条件及解决关键问题的方法和途径。
第二 章 简 要介绍了制造系统中的布局问题，分析了传统的布局设计过程、设计流程并指出它们的缺点和不足，从而提出了车间布局优化设计框架。
第三 章 阐 述了设施布置的依据及平面布局方案的求解方法，结合发动机车间的特点，利用SLP实现了平面布局方案的优化设计。
第四 章 对 制造系统建模与仿真在企业中的应用作了简单的介绍，然后建立了发动机车间布局的数字化模型。
第 五章 基 于数字模型，进行了作业场地布置的人机学设计的研究，给出了作业空间设计的目标评价体系。探讨了工业工程中关于作业测定技术、生产线平衡技术等在模型中的应用研究，并给出了应用的具体示例。
第 六 章 是对全文的总结与对进一步工作的展望。
本 论 文 的内容组织结构如图1-1所示。
__
1.4课题中的关键问题及解决办法
本课 题 的关键问题为:
1) 建 立 车间布局设计及优化流程;
2) 实 现 发动机车间平面布局优化设计;
3) 实 现 发动机车间三维布局的部分优化设计。
目前 的 状 况:
1)目前，车间布局设计及优化流程一般是针对总体平面布局形式而提出的，较少涉及局部范围立体空间设计及优化，布局设计及优化流程中缺乏从平面到三维空间的系统集成性。
2)制造系统二维平面布局问题研究理论上已经处于一定的高度，但这些理论及方法在实现时一般都是针对某类问题或施加许多限制。本文的发动机车间布局关系复杂，约束过多，用这些理论方法优化布局时难以满足使用该方法
的前提条件或计算量太大难以实现。
3)目前对三维布局问题的研究还处于探索阶段，没有成熟的用于工业三维布局优化设计的商品化软件，在学术团体中多是对一些规则物体的三维布局设计研究，无法解决任意形状的三维布局优化设计问题。
关键问题的解决办法为:
1)车间布局设计及优化是个复杂的系统工程，架构车间从宏观层次的平面布局到微观层次的三维立体布局的优化流程，构建车间布局优化设计的框架。
2)结合发动机车间的特点及数据，应用SLP实现布局瓶颈的调整。
3)利用仿真平台，构建布局数字模型，为车间的三维优化提供可靠、有效的数据。
基于数据模型，应用工业工程及人因工程的相关原理及方法完成三维布局的部分优化工作。
第二章布局优化设计框架
2.1 制造系统中的布局问题
制造 系 统中的布局设计是工业工程研究和实践中一个重要并且长期存在的领域，是一个典型的工程问题。长期以来，制造系统的布局设计一直被当作制造工业中最关键和最困难的设计任务之一。它是将加工设备、物料运输设备、工作单元和通道走廊等制造资源合理放置在一个有限的生产空间里面的过程，可看作是制造系统的组织过程。
在 一个 制造系统中，布局不是一个孤立的问题，它与整个系统设计的其他工作是紧密关联并且相互影响的，其相互关系可以用图2-1表示
1271.
制造 系 统 布局的好坏将直接影响到整个生产系统的总体性能，如物流、信 息流、生产能力、生产效益、生产成本以及生产安全等1281布置 的 基 本形式可分为1291:产品原则布置、工艺原则布置、成组原则布置
和定位布置。
1) 产 品 原则布置(ProductL ayout) 根据产品制造的步骤安排各组成部分。从理论上看，流程是一条从原料投入到成品完工为止的连续线。固定制造某种部件或产品的封闭车间，其设备、人员按加工或装配的工艺过程顺序布置，形成一定的生产线，适合于少品种、大批量的生产方式。这种布置形式的例子有汽车装配线、食品加工和家具制造业等。本文的发动机车间就属于这种布置形式。图2-2为产品原则布置示意图。
2) 工 艺 原则布置(ProcessL ayout) 又称机群布置，是同类设备和人员集中放置在一个地方的布置形式。如按车床组、磨床组等分区，各类机床组之间也保持一定的顺序，按照大多数零件的加工路线来排列。适用于多品种小批量的生产方式。根据所执行的一般功能，对各工艺组成部分进行布置，并不考虑到任何特殊产品。如单件小批加工车间、百货商店和医院通常是这样的。图2-3为工艺原则布置示意图。
3) 成 组 原则布置(GroupL ayout) 这是实施成组加工的布置形式，介于产品原则布置和工艺原则布置之间，适应于中小批量生产。图2-4为其布置示意图。
图2-4成组原则布置示意图
4)定位布置(Fixed Layout) 根据体积或重量把产品保留在一个位置上设备、人员、材料都围绕着产品而转。如飞机制造厂、造船厂等。其布置示意图见图
2-5a
图2一5固定工位布置示意图
2.2传统的布局设计过程
传统 的布 局设计过程一般是依据车间任务、设计原则、基础数据资料及对机械化设备、非标准设备的计算数据等进行平面布置，局限于平面布置方案的获得或者是优化。传统的布局设计及优化的一般框架及流程如图2-6和图2-7
所示。传统的布局流程虽然可以解决物流网络及作业功能布局的设计问题，但传统的布局设计大多研究平面布局问题，具有局限性，不可能全面反映车间各个方面，尤其是一些供进行技术经济分析的数据以及立体空间数据等是无法在平面图中给出的，所以要在工艺说明书中对车间平面图予以描述，包括车间在总图中的位置，与相邻车间的关系，平面布置的特点，运输方式的特点，各工作区及车间工段的划分和组成情况，在设计及评价布局方案时人为假设各种条件和约束过多，布局设计缺乏从平面设计到三维设计的集成研究.
.制造系统作
业功能区划分
物流及非物流关系问题
图2-6传统布局设计一般框架
图z-7传统布局设计一般流程
前文 已 经 说明，目前还没有找到解决任意形状的三维物体的布局问题的通用方法。非线性技术应用到三维物体的布局问题时，需根据物体的几何形状、方位和问题复杂程度的不同而施加不同的限制。在运筹学中只能使用几何形状相对简单的物体(如矩形体和块状物)来研究它们的三维布局问题[301这表 明 : 对于复杂制造系统三维布局问题的设计及优化，例如各种复杂设备的三维空间布局，作业工人与设备、工件等的相对位置等，依据各种算法来解决显得有些无能为力。
2.3车间布局优化设计框架的提出
从上 一 节 的分析中可以看出，传统的平面布局设计流程及框架很少涉及三维布局的优化设计研究，缺乏布局设计从二维到三维空间的有效集成，不能全面实现企业布局设计及优化的需要。
计算 机 仿 真技术作为一门高新技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。尤其在航空航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的技术，它可优化企业结构、组织和生产的各个方面。
当今 的 制 造系统是集现化机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应用，山于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。所以在制造系统的设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案，以保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的经济性、柔性和可靠性，又能有效防止较大的经济损失;在制造过程阶段，通过仿真可以预测系统在不同调度下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而能充分发挥制造系统
的生产能力，提高经济效益[31)
在布 局 设 计及优化研究中，我们可以借助于建模及仿真工具，在二维平面布局的基础上构建制造系统的三维布局模型，利用可视化仿真技术的“所见即所得”功能，在三维模型中应用人机工程学、工业工程的思想及方法来实现布局优化，获得能真正指导实际生产的布局模型及生产安排计划等目标，为布局设计及优化工作开辟了一条切实可行的新方法，拓宽了布局设计的思路。为此，笔者提出了车间布局优化设计框架，见图
2-80
图2-8车间布局优化设计框架
这里 的 初 步前期规划包括确定生产纲领、确定生产节拍、确定生产布局模式等。本文 就 是 以此框架为指导，按照从二维初始布局优化到三维布局优化的设计流程，实现对发动机车间布局优化设计的。
2.4本章小结
本章 阐 述 了制造系统中的布局问题，分析了传统平面布局设计的一般流程，指出传统平面布局设计方法存在着过于依赖经验、约束过多及复杂难解的缺点;分析了传统布局设计的一般框架，指出传统的布局设计框架缺乏从制造系统二维布局到三维布局设计及优化的集成.从而提出了车间布局优化设计框架，该框架旨在避免传统设计方法的缺点和不足，从理论上拓展了布局设计的方法。
第三章发动机车间平面布局方案优化研究
3. 1设施布1的依据
“产 品 或 者 生 产计划应该是工厂设计的出发点，并从中推导出它的全部设计基础。”[321缪瑟也将产品、生产路线、时间、辅助服务部门作为设施布置分析的原始资料，并将产品和数量列为最重要的资料。因为从生产计划的角度来讲，产品产量分析是产品组成问题的基础和库存控制的基本概念。而对工厂设计人员而言，则是决定基本布置分析的基础。布置决策问题，可以定义为确定生产系统内各物质部分的最优安排。设施布置的依据主要有以下几个方面。
1) 生 产 系统目标。通常实施布置应达到的目标是:使存储费用、劳动力、闲置的设备和管理费用保持在一定的水平下并达到预期的产量。生产系统目标常常相互矛盾，诸种布置考虑因素几乎存在于所有布置决策之中，但其相对重要性则不一致。
2) 生 产 能力决策。生产需求的预测对布置决策的“目标确定”有着重要意义。对制造企业而言，生产能力主要取决于生产性固定资产及其技术组织条件，对服务企业来说，除了取决于设施和设备能力外，还取决于人力水平。企业的生产能力一旦确定，企业整个生产经营活动的最大规模也就基本上被规定了。在西方国家将生产能力的充分利用问题看作生产成本控制的首要问题。生产非均衡，设备、人员的闲置被看作是最大的浪费，我国以往忽视这一问题，只强调节约原材料和费用，常常出现前后工序能力不匹配，部分设备、设施长期闲置，浪费、占用大量资金。
3) 加 工 过程的要求。加工过程的要求是选择布置类型的主要依据。决定布置所需要的数据因所制造的产品的不同而不同。在品种少且比较固定的制造业，装配图是主要的布置信息。在品种繁多的制造系统中，机器规格说明也有重要的意义。
4) 进 行 布置的场地的有效空间。工厂总体布局受场地范围的限制，车间设备布置一般是在建筑空间的实际范围之内。工厂设计包括工厂内部和外部两者所需要的空间设计，包括本文主要考虑的是工厂内设施布置研究。
3.2设施布篮设计技术
最初 的 设 施布置设计主要是凭经验和感觉。但是到了五十年代，布置设计从传统的只涉及较小系统发展到大而复杂的系统设计，凭经验己难以胜任。于是，在综合各学科发展的基础上，一方面，布置设计中运用起系统工程的概念和系统分析的方法，在1961年由美国的缪瑟提出的极具代表性的系统布置设计(SLP)理论;另一方面，从60年代开始，以J. M.摩尔等为代表的一批设施规划和设计者，应用计算机技术对平面布置及其优化问题进行了较为系统地研究，产生了许多用高级语言写成的平面布置程序，如用于新建设施的CORELAP,ALDEP程序和用于改建布置的COFAD,CRAFT程序，形成了计算机辅助设施布置(CAL)方法[331随着制造业生产方式的不断演变，这些理论、方法都在不断的发展完善。
3.2.1系统布置法(SLP)
设施 系 统 布置规划方法是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合求得合理布置的技术，因此在布置设计领域获得极其广泛的运用。国内在八十年代以后引进这一理论，收效非常显著。
设施 系 统 布置的起点是对企业生产的产品和产量进行分析和综合，这些数据来自设计部门和市场调研机构的预测分析。所以设施系统布置首先是调查研究、收集资料，其次是分析有关资料的相互关系，在综合调研的基础上设计方案，最后对若干方案进行选择并组织实施。SLP的具体程序如下:见图3-1.
图3-1系统布置设计基本程序
生产路线或工艺过程;S(Services):辅助服务部门;T(Time):时间(劳动量定额)。P, Q, R, S, T被称为“设施规划工程师的字母”。
2) 物 流 分析。物流分析包括确定物流在生产过程中每个必要的工序间移动的最有效的顺序，以及这些移动的强度或数量值。一个有效的物流流程应该没有过多的迁回或倒流。物流应该根据P-Q分析对不同的生产方式画出“工艺过程图”、“多种产品工艺过程图”或“从至图”。
3) 作 业 单位相互关系分析。所谓作业单位。对于一个工厂总平面布置来说，可以是一个厂房、一个车间、一个仓库等单位。对于一个生产车间来说，可以是一台机床、一个装配台、一个检查设施等。作业单位相互关系的分析是对各单位或作业活动之间关系的密切程度进行评价。将P, Q和S结合起来研究辅助部门与作业单位的相互关系，考虑到诸如避免干扰、人员来往频繁程度、是否使用同一设备等非物流关系，将各作业单位之间的相互关系分为绝对必要(Absolutely necessary)、特别重要(Especially Important)、重要(Important)、一般(Ordinary)、不重要
(Unimportant)和不能接近等不同等级，分别以大写元音字母A, E, 1, O, U, X来表示并给予一个系数值。见表3.10
表3.1作业单位相互关系分类及代号
4) 物 流 与作业单位相互关系的分析。在作业单位相互关系图完成以后，根据物流分析的结果，同时考虑到非物流相互关系就可以绘制表明各作业关系的“物流与作业单位相互关系图” (见图3-2)。在绘制时可以考虑或不考虑作业单位的实际位置，也可以不考虑作业单位所需的面积。为把相互关系图中的数据资料更形象、更直观地表现出来，通常要将作业单位之间的关系绘制成“相互关系图解”(见图3-3)，图解中的图例符号如表3-1所示，以线条数来表示密切程度等级。
5) 面 积 设定，在实际的实施布置设计过程中，常受到现有厂房或可利用土地面积与形状等的限制，而不得不把需要的面积与可利用的面积结合起来权衡考虑。面积设定的方法如表3.2所示。
6) 面 积 相关图解。根据己经确定的物流及作业单位相互关系，以及确定的面积，就可以利用面积相关图进行图解，即把每个作业单位按面积用适当的形状和比例在图上进行配置。同时，根据现有实际条件以及运输方式、道路要求、贮存设施、场地形状、环境需要、管理控制等因素进行修正。最后形成几个可供选择的方案。 表3.2面积设定方法及其特点
方法特点
计算法按照设各和作业空间要求计算所需面积，主要用丁详细设计中确定制造区域的面积转化法把现在需要的面积转化为将来布置方案中提山的必要面积，一般用于确定未来辅助设施和储存区的面积概略布置法应用模拟或设备模型进行布置并确定面积，主要用丁总体布置
标准面积法采用某种工业标准来确定面积
比率趋向预测法以单位人员和产品为基础预测复合设施总面积，主9
用于设施规划
7) 布 置 设计的寻优。根据现有设施空间的实际制约和各种修正条件(如: 运输方式、存储设备、场地环境、人的要求、厂房特征、辅助设施及管理控制 要求、安全防护等)。对各部门的位置、形状进行调整，最终形成几个可行和 初步优化的布置方案。
8) 布 置 的评价。对以上阶段初步筛选的各备选方案进行技术经济分析和 综合评价，从定性和定量的结合，综合主观和客观两个方面，确定每个方案的 “价值”，进行设施布置的评价和选择。费用一一效果分析法、关联矩阵、模 糊综合评判法、层次分析法以及比较简易的实验工厂法、成本比较法、生产率 评价法等均可用于方案评价。
9) 详 细 布置。对选中方案在其空间相互布置图的基础上予以改进，得到 具体有可操作性的详细布置。
3.2.2计算机辅助设施布置技术
上面 已分 析到，设施布置考虑的因素日趋复杂，生产系统规模越来越大， 多重技术与经济问题的交织使布置分析依赖于设计者经验的广泛整合与积淀， 显然单个设计者的经验和能力是十分有限的。由于计算机系统的许多优良性能 和新的分析方法的发展，近年来在系统布置规划的基础上应用计算机及其相关 技术辅助进行设施布置设计己日渐普及。利用计算机辅助进行设施布置的设计 不但能大大改善和加速布置设计的过程及其进程，而且因人一一机交互和计算 机绘图等的应用，可以迅速创成多种布置方案及其图案，以启发设计者的思路， 且输出结果直观优美。计算机辅助设施布置程序为以下两种。
1) 向 新 建型系统布置程序。主要有CORELAP(计算机辅助相关布置规划) 和ALDEP(自动化布置设计)程序。采用优先评价法，优点是把车间布置中重 要的特性包括在内。另一方面，这些方法中应用的计分技术，要求以数量表示 主观的优先选择，这本身是有风险的。
2) 面 向 改进型的系统布置程序。主要有CRAFT(计算机辅助确定设施布 置相对位置技术)和COFAD(计算机辅助设施设计)程序。CRAFT是在原有 布置方案上求得改进布置，得到一个以降低物料搬运成本的布置方案，而 COFED还考虑搬运设备及成本评价，是对CRAFT的改进。
近 年 来 ，伴随着生产系统的发展，设施规划较多的采用仿真技术来模拟物 流运行的动态过程，从而求得最佳设计。
需要 强 调 的是，系统布置设计等理念与计算机辅助设施布置方法不是相互 独立两种技术，两者之间是相互补充、相互发展的关系。
3.3发动机车间初始平面布局方案的优化
SL P 不 但对设计院从事工厂设计有指导作用，而且对机械行业的技术改造 也是大有裨益的[341
下 面 就 是我们针对发动机车间的初始平面布局方案给出调整及改进的意 见。
根据 发 动 机车间的初始资料，我们调研以后把该车间作业单位核定为机加 车间辅房、总装车间辅房、加工试制区域、缸盖机加工生产线、机体机加工生 产线、零部件存储区、零部件库存区、发动机总装线、缸盖总成分装线、发动 机热试返修以及下线存储等综合区等10个，见表3.3.
表3.3发动机车间各作业区域空间数据表
根据 技 术 改造的目标是立足于现有工厂布局上进行物流分析，各作业单位 之间己存在着实际距离，因而我们用“吨米/天”来计量物流量，其具体意义 即指在两个作业区的一定距离之间每天有多少吨的物流量。在对各作业单位物 流情况调查、核实后，我们制作了“物流量起迄表”。见表3.4。表中起点和 重点的作业单位参见表3.3中所示。
__
、
第四章发动机车间布局数字模型的构建
4.1制造系统建模与仿真
4.1.1制造系统建模与仿真的发展
制造 业 ( 包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型 材制造等部类)是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的 20%-55%。在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占60%左右。 在制造系统的规划、设计、运行过程中，所追求的目标是:提高制造系统的总 体优化水平，提高系统运行效率、降低设计开发费用和制造成本，增加系统柔 性，灵活地适应产品品种和批量的变化，即合理地利用企业资源(包括资金、设 备、人力等)，优化企业组织结构，从而优化设计生产，以获得最大的经济效益。 为此，需要对所研究的系统进行分析和研究。然而，由于制造系统的复杂性、 递阶结构、操作规范、资源容量、不确定因素和反馈等特点，至使迄今为止还 没有恰当的数学方法能很好地处理这类问题。在当今，现代制造系统正朝着集 成化、柔性化和智能化方向发展，如计算机集成制造系统(CIMS),精益制造系 统(LPS)、灵敏制造系统(AMS),智能制造系统(IMS)等。这些系统对产品制造 过程组织和过程控制的柔性和智能性要求越来越高，分析这样的系统，采用传 统的理论算法己经很难处理，甚至有时得不到可以参考的结论。制造系统建模 和仿真技术便应运而生。它是对制造系统进行分析、实验、评价的最经济、最 安全的一种方法。尤其在分析复杂程度高的系统，它可能是唯一的途径口‘1。 制造 系 统 建模和仿真是伴随着计算机软、硬件技术和软件工程方法的进步 而发展起来的。制造系统仿真软件的发展阶段和主要特点大致如图4-1所示
[35]
4. 1.2典型的制造系统建模与仿真软件概况介绍
由于 传 统 上大量的企业资源是用于产品开发的，使得没有留下充分的资源 提供给制造者，使其跟上设计，因此需要有基于CAD 的制造过程仿真工具， 使车间设计者具有设计、测试生产线的可靠度和生产布局的能力，下面简要介 绍几个仿真软件工具[36]
1) Q U EST
Qu eui ng E ventS imulationT ool(Q UEST)是一个离散事件仿真I具包〔37]0 用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环 境。
QU ES T 为工业设计工程师、制造工程师和管理人员提供了一个单一的协同 环境，以在整个产品设计过程中开发和确证最好的生产工艺流程。在为实际设 施投资之前，改善设计，减少风险与成本，使数字工厂效益最大化，可使产品 从一开始就能尽如人意。用QUEST测试各种参数，例如设施布局、资源配置、 其它可替换方案，产品开发小组可以量化他们的决策对生产产量和成本的影响。 QU ES T 灵活的、基于对象的离散事件仿真环境结合了强大的可视化和健壮 的导入、导出功能，使其成为对生产工艺流程仿真与分析的工程与管理首选解 决方案。
2) E -F actory
E-F ac tor y为工厂的设计、物流过程分析等提供了一种可视化、参数化的设 计手段，可以缩短工厂布局的设计周期，提高设施规划和物流分析的效率，为 工厂及车间的所有布局设计和优化、设施规划及物流改善等诸多问题提供了足 够选择的解决方案，如进行工作空间的组织安排、物料存放系统设计、通道拥 塞程度的分析、机器设备安装和布局的成本核算、生产中物料搬运路线的优化、 物料运输容器、设备及人员配置的合理化等。
E-F ac tor y利用灵巧设计和智能工厂对象技术实现了整个工厂的并行设计， 而不仅仅只是局部的优化。它可以迅速而简便地建立、分析和展示数字化的、 可视化的工厂或车间模型，并能及时对其进行修改，同时也为工程师及绘图人 员提供了简单、友好的界面和小型的模型尺寸，使操作者使用方便。 E-F ac tor y主要由三个功能模块FactoryCAD , FactoryFLOW 和
FactoryPLAN/OPT组成，这三个模块可以相互补充、协调以增进工作的效率。 FactoryCAD提供了智能工厂对象，使设计者可以高效建立智能的2D&3D工厂模 型:FactoryFLOW，提供了进行物流分析、比较、改进布置方案的功能; FactoryPLAN/OPT，可以进行生产区域平面布置的优化设计[381
3) S IL MA: ProductP LIOT
SIL M A 是一个包含build-in综合经济模型的装配过程规划工具，它使得设 计者可以用经济术语如现金流动、利润等快速和有目地评估每个装配场景。 Product PLIOT交互式软件包括:PLIOT Yield PLIOT Line和PLIOT Cell等模 块。PLIOT Yield用于决定抓取点的有效斜面:PLIOT Line用于确定生产线生 产量、线平衡、经济模型;PLIOT Cell是一套详细的仿真产品Ce11FLEX，包 括机器人和机构库、参数化车间设备等[39]
4) e -M anufacturingE ngineer
eM Po we rE ngineer允许用户设计、分析、仿真、优化生产过程。可以从鸟 瞰的角度分析整个车间，逐步向下直至车间作业。支持工作空间设计、过程仿 真、装配/分解作业、质量公差管理、加工。它的功能模块允许设计、仿真、可 视化和优化生产系统和过程，分析瓶颈、优化生产量和缓冲区大小(401
4.1.3车间布局建模与仿真意义
车 间布 局 建模与仿真是制造系统建模和仿真中的一个重要组成部分，其优 点主要表现在以下几个方面:
1) 车 间 布局建模与仿真能够节约成本，提高企业的生产效率。车间布置 仿真是在计算机上对现实车间布置进行模拟，通过对车间布置在不同参数下的 运行，找出车间布置中的不足之处，实现对车间布置的优化，节约真实车间布 置的运行成本。
幻 由 于 车间布置直接影响着车间的功能特性，随着当前产品生命周期的 不断缩短，工厂生产的产品始终处于动态的转换过程之中，车间布置再也不是 一劳永逸了，它需要根据主导产品对它的要求进行调整，以确保车间结构对其 功能的保障能力。因此，车间布置的变化在当今也越来越频繁了。车间布置仿 真是以车间模型为对象的研究方法，而不用干扰实际车间正常的作业活动;同 时由于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间 的生产设备布置，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。
3) 另 外 ，应用计算机仿真来对车间的布置规划作出检验，并对车间布置 可能出现的问题作出早期的判断，并提出相应的防范措施，节省了投资成本和 运行周期。
正是 由于 上述优点，布局建模与仿真在企业布局和设施规划中发挥着重要 的作用。
4.2发动机车间布局数字化建模
发动 机 车 间是复杂的生产系统.本文所研究的发动机车间分别由缸盖、机 体机加工生产线、缸盖分装线、发动机总成装配线、各零部件存储区、发动机 热试区等作业区构成。设计生产纲领为年产量6万台，总装线生产节拍为
2.9Min/台。布局建模包含三个层次:建筑实体建模;宏观的各作业区之间整体 布局;具体的微观布局的优化方法参见第五、六章内容
4.2. 1建筑实体建模
主要 包 括 立柱群、墙体、门窗与地面等实体建模。模型与实际建筑布局相 一致。地面为整个发动机车间确定了海拔基准;立柱群从仿真建模的角度来说 实际上是整个车间的一个坐标系。
4.2. 2各作业区之间整体布局
由车 间 的 二维平面布置图设定车间各作业区的位置、面积以及它们的相对 位置约束，然后根据各作业区自身特点进行建模。装配流水线由生产工艺等确 定布置形式(在此选择适合发动机装配生产的U型布置[411形式)，并根据车间 中的物流、信息流状况确定流水线各工序的大体位置情况;存储区及热试区从 基于减小物料搬运量出发，结合生产线的工艺流程，总体确定缸体、缸盖、曲 轴等大件及各中小件的摆放位置，以及发动机成品存储区域等。总之，整体布 局建模是基于各作业区相对和绝对位置、车间作业衔接、流水作业的实际情况，
仿真主要的物流、信息流、能量流，其注重于车间内物流堵塞处理，确保车间 全局生产过程协调一致。
4.2.3各作业区内细节布局
车 间布 局微观层次的建模是在宏观建模的基础上对各个作业区进行细节建 模:①核心是流水线作业区细节建模。在宏观建模确定了流水线布置形式和总 体位置后，从工艺规程、工序内容的角度出发，确定装配线各工位的作业范围、 空间等;针对各工序作业内容，从方法研究、人因工程角度出发，确定操作工 的动作内容甚至行走路径等;设定物料周转箱、工作台、设备的空间位置等等， 具体优化过程和方法见第五章，需要后续工作来支持、实现，仿真的重点是制 造工艺过程的精细分析，考虑操作的可行性和合理性，避免干涉，对人员、物 料、缓冲区及生产设备等进行微观层次的合理布局。②存储区及热试区建模。 满足最大程度地减小车间物流量，依据装配线的细节布局确定各零部件在存储 区中的存储位置及所用周转箱的类型等。同时建立车间物流运输网络。 根据 以 上 分析，采用美国EAI公司的VisFactory作为平台，搭建了虚拟制 造系统布局模型的研究环境。利用仿真平台实现实体、事件等属性、规则及活 动方面的定义，使物理实体与逻辑实体对应一致，对建立的虚拟车间不断进行 布局和物流的评价和改善，直到获得满意的发动机车间布局模型。图4-2表达 了车间布局的建模流程。图4-3是基于仿真平台建立的初始的车间布局参数化 仿真模型。由于模型具有数字化的、可视化的特点，并能及时对其进行方便的 修改，我们把建立的车间布局模型称为发动机车间布局数字模型。
利 用 仿 真平台建立的发动机车间布局模型反映了车间的物理和逻辑信息: 物理信息包括建筑模型、车间空间布局、在制品、设备、工人的几何模型、工 位安排、输送系统等;逻辑信息包括工艺流程及生产组织信息等，为仿真研究
__
第五章发动机车间三维布局优化设计研究
5.1人因工程在发动机车间布局优化中的应用
5.1.1人因工程
人 因 工 程是以生理学、心理学、人体测量学与工程技术为基础，研究人、 机和环境的相互关系和作用，以使人、机和环境高度协调统一，在保证作业者 安全、卫生、舒适、方便的前提下提高工作效率的学科。在研究重点上，人因 工程着重于研究人类以及在工作和日常生活中所用到的产品、设备、设施、程 序与环境之间的相互关系。随着近几十年来技术的发展，人因工程学的地位越 来越重要，逐步渗透到宇航系统、城市规划、工厂运作、机械设备、交通工具、 家具制造、服装、生活用品等领域。本章主要阐述基于车间布局的数字模型， 人因工程在设施规划中作业场地设计及作业空间评价的应用及研究。
5.1. 2作业场地布置的人机学设计
5.1.2.1作业场地
作业 场 地 是作业者进行操作的场所，工作地布置问题日趋受到关注。工作
地布置的目标不仅仅在于提高劳动效率、减轻劳动强度、实现文明生产，目前 的研究表明:工作地优化设置有助于减轻现代工业的简单、单调操作对工人心 理的压力。忽视社会心理因素的影响，会大大限制技术经济的充分发挥。工作 地布置是以组织心理学、人体工程学、工程心理学为基础，符合“动作经济原 则”，考虑工人的感觉、反应、注意力、情绪、个性、持续能力等心理特点。 作业 场 地 的设计包括生产设备、生产工具、必要的辅助设备的布置以及作 业者的人机学设计。对他们的摆放、布置应考虑以下因素:
1) 在 流 水生产中，设备的排列与摆放要使在制件能连续不断向前移动，中 途 没 有 延 迟 。
2) 在 多 品种生产的单体中，以搬运量最小为原则来排列与摆放设备，以简 捷 的 步 骤 进 行生产。
3) 在 各 种生产类型中，特别是自动、半自动设备的排列与摆放，应有利于 多机 床 看 管 。
4) 设 备 的排列与摆放要有利于节省面积、生产安全、易于维护、易于安装 等 。
在作 业 场 地中人机工程的合理运用与作业者的工作方便、舒适、安全有着 密切的关系。为此，本文就作业者的作业场地中操作的宜人化(工作方便)、 安全感和舒适性进行人机学设计。
对象的特点选择适当的评价方法。在评价过程中，应采用从上到下、从总体到
局部的顺序。图5-4是设计评价的一般步骤，但在设计评价中还应视具体情景
而灵活处理。
5.1. 2.3作业空间的设计评价
图 5-5 是 进行作业场地布局评价所用的作业空间设计评价树。
Zu一坐姿作业空间的尺寸应在人的作业范围之内
Z,:一站姿作业空间的尺寸应在人的作业范围之内
Z,。一对于站、立交替的作业空间应适合人体站立交替的特点
Z二一显示器放置在人的视觉范围之内Zz,一防止眩目，避免明暗强烈对比 Z。一灯光位、亮度的布置要合理
Z_一工作台舒适性
Z4:一控制面板布置的合理性
Z。一避免费力操作
Z、一坐椅舒适性
Z4:一机器设备布置的合理性
Z51避免长期注视某一处
Z。一留有足够的心理空间
结合 布 局 模型进行作业空间的评价，若评价结果不满足优化目标，则反馈不满足 布局设计的数据，重构数字模型进行再设计及评价工作，直至获得满意的评价结果。 同时，将此时的车间布局方案进行实施工作，为下一步工作的进行提供较准确可靠的
数据来源。
52发动机车间生产线平衡
5.2.2作业测定
标准 时间 直接影响企业的劳动力成本及生产周期，也是企业编制生产计划、 平衡生产能力、确定劳动力需求计划等必需的基础数据。科学地确定标准时间， 可以提高生产效率、降低人工成本、制定合理的生产计划。近年来，我国企业 已经逐步应用先进的作业测定技术制定标准时间[441
作业 测 定 技术一般包括4种方法，即时间研究、工作抽样、预定时间标准 和标准资料法。我国企业常用的方法是时间研究与预定时间标准法中的模特法 进行作业测定，但一般只把它们应用在现实的制造系统中测定标准时间，便于 企业重新编制生产计划、重新确定劳动力需求计划等。而制造系统正常投产运 行后，改变生产计划、布局设计及劳动力人员配置等是一个棘手的问题，有些 由于改造起来人力物力浪费严重而放弃对制造系统进行改进，从而使制造系统 不能发挥其应有的能力。因此，在制造系统投产之前，如何进行制造系统作业 测定从而使之为相关决策的制定提供依据，使设计工作更具成效，是个急需解决 的问题。而借助于仿真技术，通过在计算机上建立制造系统的仿真模型，采集 应用模特法进行预定的标准工时测定所需要的数据信息，并利用模特法的原理 和思想，根据动作经济原则和“ECRS
5.2.2.1模特法
MO D AP TS(模特)法是澳大利亚的哈依德博士在60年代提出的一种确定
标准时间(PTS)的方法，是PTS技术中比较完善和先进的方法，其意为“以模特 数的排列来预定动作所需的标准时间”。模特法把人力操作时的动作共归纳为 21种基本动作，见表5.4，规定在作业条件相同的情况下各人做同一动作所需 的时间值基本相同，而身体不同部位做动作时，其动作所用的时间值互成比例。 __
工序060与070之间，100与110之间，130与140之间的作业顺 上表 中，
序可以前后调整而不影响装配作业。
有 了缸 盖 分装线各工序的人员标准工时，就可以进行生产线的能力平衡设 计了。
虽 然 缸 盖分装线配置了一些自动化程度高的作业设备，如气门拍打机、锁 片自动压装机等，但就整体而言，该装配流水线仍以工人的手工劳动为主，这 是因为缸盖总成的装配关系极其复杂，完成如此复杂的操作是当今的装配机器 人等自动化设备难以完成的。因此研究如何降低装配线的人力成本是极具现实 意义的。而降低人力成本可通过合理的人员配置使得各操作工人的生产负荷尽 量均衡，接近流水线的生产节拍，减少工人忙闲不均现象，使流水线按节拍运 转和高效率生产。在此，考虑到装配过程的各种复杂因素，不易对作业元素进 行有效的合并使各个工作地的作业时间等于或接近节拍或者节拍的倍数，采用 把每个操作工人所看管的所有工序看作一个工作地，以人员配置来代替工作地 的划分。缸盖分装线正是基于在满足生产节拍的需要下进行合理的人员配置， 从而达到装配流水生产线平衡的目标.
对缸 盖 分 装线进行人员配置时，首先要满足该装配线根据公司的规划，装 配的生产节拍为3.9min的需要，然后运用Helgeson等提出的启发式算法一一阶 位算法[4e]对作业人员的作业配置进行平衡。应用阶位算法进行作业人员的作业 配置平衡的流程如图5-8所示。
具体步骤如下:
1)确定生产节拍。该装配线根据江淮汽车公司的规划，装配的生产节拍 为 3. 9m ino
2)确定装配的正常工作时间。根据上面的表格，统计出缸盖装配的正常 工作 时 间为37mino
3)依据周期时间和装配作业时间，计算出最少工作地数，即最小需要作 业人 员 的 数目。
Nm in= [T /C ]
Nm in =[ 37 /3 .9 ]= 10
4)绘制缸盖装配作业要素示意图(见图5-9)(时间单位
:S)
5) 依 据 阶位算法的规则划分工作地(或工序)，同时根据数据模型中布局 的约 束 和 限 制 ， 分 配各工作地的操作单元，并进行人员平衡配置。 运用 阶 位 算法进行缸盖分装线人员配置的步骤如下:
① 编 制 作 业 要素先后矩阵(见表5.7)。若作业要素i先于作业要素J> 则矩阵元素值为j的作业时间。处于对角线上的元素也表明了作业时间。
② 计算各作业要素的阶位，计算公式为Wi=ti+艺‘」
式中:W。一一作业要素i的阶位;
ti一一作业要素i的作业时间;
P一 一 所 有 在 i作 业 要素以后的作业要素集合。
③ 按阶位由大到小排列，并标明各作业要素的紧前作业要素(表
5.8)0
④ 作 业 要 素 的分配。根据表5.8 ，按作业要素阶位由大到小的顺序，并 考虑紧前作业要素和作业时间。在本例中，首先分配作业要素1，其时间为45s, 和节拍3.9min(234s)相差189s。再将2分配给第一个作业工人，仍和节拍相差 117s。若将3, 4或5任何一个作业要素也分配给第一个作业工人则会超出节拍， 而将6, 7及8作业都分配给第一个作业工人作业时间之和也小于生产节拍，理论 上可以分配给第一个作业工人的作业1, 2, 6, 7及8甚至8以后的工位，但根据 生产线数字模型，作业工位6, 7及8与工位1, 2的距离较远，其中包括4, 5和6 工位，若这样分配，所有作业时间包括第一个作业工人工位间行走时间大于节 拍，还会出现第一个作业工人与其后工人操作发生干涉等不良后果。根据实际 生产状况，把工位1, 2及最后一个工位16(工位16与工位1相邻)分配给第一个 作业工人比较切合实际生产需要。删除己分配的作业要素，继续按阶位由大到 小的顺序分配第二个工人及后续工人的作业工序，同时根据实际生产状况制约 及整条生产线作业工人的负荷相对均衡进行适当的调整。具体生产线的人员配 置平衡如表5.9所示。
表5 .9 中 ，作业人员OPER1,O PER4,O PER5,O PER9的作业时间分别为其看管 工序的标准作业工时之和再加上其在看管工序间的行走时间。
参考 此 人 员配置，缸盖分装线不但可以获得较好的能力平衡，还为发动机 车间人员安排计划的制定给出了切实可行的数据支持，解决了缸盖分装线人员 设计的布局问题。
5.3本章小结
本章 阐 述 了人因工程对车间微观布局设计优化的应用，分析研究了作业空间的安 全性设计，给出了作业空间设计的目标评价体系，可借助于数字模型，实现对作业空
间的设计评价及优化。论述了虚拟环境下应用模特法对制造系统进行作业测定的流程
及作用，突破了一般只在现实生产系统中应用模特法进行作业测定的传统应用范围， 同时，标准时间的获得也为解决布局设计中生产线平衡问题提供了依据，并依据此流
程和方法实现了缸盖分装线的人员合理配置，解决了布局设计中的人员安排计划问 题，
第六章总结和展望
6.1论文的工作总结
本文 研 究 了车间布局方案设计及优化的相关理论、方法及其在现实中的应 用，其工程背景是课题组承担的发动机生产系统仿真研究目。有鉴于此，论文 主要在以下几个方面进行了相关的研究工作。
1) 综 述 了设施布局问题的研究现状并提出了本文的发动机车间布局设计 问题 研 究 途 径 。
2) 提 出 了车间布局优化设计框架，以该框架为指导，实现了发动机车间 布局 优 化 设 计 的 部 分工作。
3) 研 究 了模特法在数字模型中进行作业测定的应用，突破了模特法的传 统应 用 范 围 。 并 由 此引申了布局设计过程中生产线平衡及人员配置的 研 究 ，优 化 了 车 间 布局中的人员配置设计。
4) 分 析 了基于车间布局数字模型进行作业空间评价的可行性。
6.2后续工作展望
回顾 论 文 的 研 究工作及项目工作过程中的切身经历，作者认为可在以下几 个方面进行更深入的探讨:
1) 车 间 初始平面布局方案的进一步研究。随着生产规模的日益扩大，设 施布 局 设 计 愈 加 复 杂、抽象，应根据具体的布局类型开发相关的界面 友好 的 布 局 设 计 及 评价系统平台。
2) 离 散 事件仿真的研究。论文中没有设计像车间调度、缓冲区设计等离 散事 件 的 仿 真 研 究 工作，因而相关的布局设计及优化问题没有得到妥 善 的解 决 ， 今 后 应深入进行这方面的研究。
3) 近 年 来，随着虚拟制造技术发展，其潜在优势受到了广泛的关注和认 可 ， 限于 项 目仿 真 平台的约束，没能展开虚拟制造技术在设施规划研 究 中 的具 体 运 用 ， 以后应开展这方面的研究工作。
4) 进 一 步实现工业工程、人因工程理论和方法在布局设计及空间优化中 的 具 体 应用 。
5} 结 合 生产线工艺流程，进行存储区内部的规划设计。
因为 水 平 有限，论文存在一定的疏漏和缺陷，请各位评卷老师和学友不吝 赐教，以便于今后展开进一步的研究。