发动机车间布局优化设计研究

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，车间布局的优劣直截了当决定
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差不多原则、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。

该框架幸免了传统设计方法过于依靠体会、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
论与实践统一的差不多立意，应用SLP法，实现了发动机车间平面布局的优化;
并结合运算机建模和仿真技术，应用人因工程、生产线平稳等关于设施布局及
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稳
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
从一样意义上说，布局设计确实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，实践证明它依旧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阻碍。

本课题要紧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差不多组成部分，直截了当承担着企业的加工、装配任务，是将原材料转化为产品的部门。

所谓车间布置确实是按照一定的原则，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。

车间布置一样包括:差不多生产部分、辅助生产部分、仓库部分、过道部分、车间治理部分、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，生产系统的功能能够有天壤之别。

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，通过储备、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)的每个环节流淌、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.车间布局的实质确实是对制造资源(包括人、机具和物料)在空间上紧密有机结合，时刻上适当连接、减少物料搬运工作量，减少自制零件和外购件的损坏，节约费用。

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约开支以猎取利润的“第三源泉”，这是值得我们专门好地研究和挖掘的。

因此，工艺设计人员除了要依照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淌直至完成，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步为人们所重视，物流技术的提高借助于自动化技术的进展得以实现。

物流技术的进展大致经历了以下几个时期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纳。

这种方法的缺点是节奏慢、劳动强度大、工资支出多，且不利于集成操纵。

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
动输送机构为特点，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，一样只能用于大批量的生产。

本文所考虑的确实是这种物流。

3) 柔性自动化物流。

这种方式显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，并处于不断进展之中。

一样由自动存取系统(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、运算机操纵系统等组成，所有活动由运算机集中操纵，能够实现物流的自由流淌和随机存取，便于系统的集成和优化，并能进一步实现智能化操纵。

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依照车间的生产纲领，分析产品一产量关系，确定生产类型(是大量生产、成批生产，依旧单件生产)，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，依旧机群式)。

2)确保车间其它组成部分位置合理车间布置时，除了给要紧生产设备，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，幸免或减少物流往返交叉现象。

4)确保建筑形式合理依照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
车间布置的目标一样可分为两大类，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要紧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要紧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内心感受，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，以给予工人更多、更广泛的任务和自主性，加深工作中专门性、责任性的心理体验。

1.1. 3.3车间布局的评判
总之，车间布置是阻碍深远的一项工作，一个良好的车间布置能够用埃普尔
(Apple)的“良好布置标志”来衡量[31 “良好布置标志”要紧包括:围绕某一预先打算好的布置设计建筑建筑物;通道笔直、清晰、有标记;保持最低限度的后退倒行;有关作业紧靠在一起:生产时刻能够推测;安排进度打算的困难最小;最少量的在制品;条件改变时容易调整，具有高柔性;扩展打算时容易编制:实际加工时刻对生产总时刻之比最大;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，工匠们也要依照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事实上用性，从六十年代开始，有学者着手研究运算机辅助设计问题。

随后产生了一系列运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忆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，并在其中采纳模糊逻辑方法来实现关系代码，以反映以后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，能够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，它们能够分为以下几类: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 方法差不多在专门多领域有了广泛的应用，包括都市规划、运算机操纵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差不多上具有相互关系的等面积的实体，同时所有可能的放置点差不多上事先指定的。

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事实上体的位置。

这确实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["],K usiak和Heragu[141等人运用了修改后的QAP 解决不等面积实体的布局问题，具体的方法是将每个布局实体都规划若干个同样大小的块，这事实上依旧一个QAP，但它的“布局实体”增加了，从而实际可求解问题的规模减少了。

Bozer和Meiler[151指出，这是一种效率较低的方法，因为它增加了
布局实体的形状约束。

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。

此后人们采纳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，这些方法能够大致归纳为五个差不多类别: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专门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，专门是机械工业生产中。

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要紧益处是节约材料(以体积来运算)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量的集成方法.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，因此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差不多上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。

尽管差不多有专门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，关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样差不多上启发式的方法，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。

在全球制造业竞争猛烈的今天，一个优良的生产系统关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。

车间布局的优劣直截了当决定着产品质量、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能够提高生产率，改进质量，排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，并可提高职员的自我成就感，便于工作团队的自我决策，提供可集成的模型等[261。

国内外的资料说明，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刻只占生产周期的5%-10%,而90%-95%的时刻都处于停滞和搬运，这严峻阻碍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，从而在猛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论文的要紧内容和组织结构
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，论文要紧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。

第一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判体系。

探讨了工业工程中关于作业测定技术、生产线平稳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方法
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样是针对总体平面布局形式而提出的，较少涉及局部范畴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差不多处于一定的高度，但这些理论及方法在实现时一样差不多上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
的前提条件或运算量太大难以实现。

3)目前对三维布局问题的研究还处于探究时期，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。

关键问题的解决方法为:
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同时长期存在的领域，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同时相互阻碍的，其相互关系能够用图2-1表示
1271.
制造系统布局的好坏将直截了当阻碍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) 依照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点的布置形式。

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。

依照所执行的一样功能，对各工艺组成部分进行布置，并不考虑到任何专门产品。

如单件小批加工车间、百货商店和医院通常是如此的。

图2-3为工艺原则布置示意图。