基于数字化工厂的车间布局仿真与物流优化
于焕春
[摘 要]当今的制造系统是集现代机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应用，由于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理，也是不经济的。所以在制造系统的设计阶段，通过仿真对系统的结构和配置方案进行优化，以保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的柔性、可靠性和经济性，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情况下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而充分发挥制造系统的生产能力，提高经济效益。本文主要通过对工厂数字化生产线建模仿真与优化技术的研究，为构建数字化制造生产线提供帮助。
[关键词]工厂；数字化生产线；建模仿真；
中图分类号：TN525 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0110-01
1.引言
现代制造系统规划问题日趋复杂，在制造系统建立之前，必须进行充分的分析论证和合理的规划设计。数字化生产线建模仿真与优化技术是在虚拟制造环境下，应用面向对象仿真建模方法建立制造系統模型，利用仿真技术对制造系统的运行性能进行分析与评价，为现代制造过程中复杂问题的解决提供理想方法。在仿真技术的支持下，实时、并行模拟出未来制造的全过程，使工厂和车间的资源得到优化配置，生产布局更加合理，生产效率最高。实现现有生产线的仿真建模，生产状况的同步监测，实际生产问题（瓶颈等）的及时调整。因此本文基于工厂数字化生产线建模仿真与优化进行研究具有重要的现实意义。
2.数字化生产线建模仿真与优化的重要性
数字化生产线强调整个制造活动的有效控制与管理，以及内外部资源的合理应用与优化配置，是数字化制造与数字化管理技术的集成，涵盖了数字化加工、数字化装配、数字化生产准备、生产线仿真和重组以及虚拟企业等概念。通过数字化生产线提供的仿真环境，设计人员可对产品及其生产过程进行建模、仿真及优化，以加快产品生产周期，减少失误、降低成本。数字化生产线建模仿真是通过构建物理生产线的数学模型，通过相应仿真算法模拟实际生产线活动和状态，从而为生产线布局设计及调度决策提供科学依据的技术。
3.数字化生产线建模仿真与优化的关键技术
3.1 三维可视化生产线建模
实现基于三维可视化产品、资源、工装、厂房、设备、人员模型，并依据生产路径和制造、输送时间搭建其虚拟生产线模型；
3.2 开放的输出接口
开放的输入输出接口，仿真、分析结果可输出到如电子表格（Excel）等软件中；
3.3 适用多层次分析手段
利于理解和操作，利用图形化用户界面快速构建生产线模型，对于高级用户，可以以功能强大的控制语言构建灵活、准确的仿真模型；
3.4 层次化建模及重复利用
使用面对对象的技术，对经验、技巧、知识库的建立和利用；
3.5 可视化的统计分析
对图形和数据的输出进行分析，通过标准xml的报表定制，充分发挥仿真和分析的效果。
3.6 生产线构建模型快速变更
通过工艺规划结果，对动态物流过程进行验证，包含多物流方案及排班的验证，减少首次建模时间，实现工艺方案变更快速更新生产线模型；对复杂的生产过程寻优，通过仿真优化快速寻求可行的替代方案；根据工艺过程，在预算、设备能力、工时、周期、最大/小批量、库存等不同布局方案，给出确定最高产能建议。
4.数字化生产线建模仿真及优化方案
4.1 生产现场数据收集与分析
要进行数字化生产线建模仿真，需要在生产现场收集以下类型数据：
1）空间位置信息
空间位置信息主要是描述各个元素在厂区的实际地理位置信息，使用AUTOCAD等二维软件对所需内容进行采集描绘。
2）三维实体模型数据
用于描述工作区实体元素的三维实体模型（厂房、设备等厂区需要规划布局的实体），利用CATIA，UG，PRO/E等软件的模型数据（针对车床、铣床、多轴加工床、输送带等，缺少部分需要建模补充）。
3）构建模型库
将外部数据转换成可供生产线构建工具使用的模型，构建模型库统一管理。
4）元素的属性信息
元素的属性信息为布局规划系统中各元素的属性信息，包括生产设备名称，生产设备的特征、用途等需要在系统中描述的信息。
5）工艺信息
包括定义产品生产计划、定义资源设备、定义工艺过程行为策略、定义输送方案、定义班次日程、定义仿真周期
4.2 生产线仿真模型建立
建立工艺参数、物流参数、制造资源布局等的数据逻辑模型，包括其他含生产计划、资源模型、工艺参数、工艺逻辑、物流参数、仿真结果等
1）生产线整体布局的导入
将二维平面布局图以DWF或DWG格式导入生产线建模工具，并保存到模型库。
2）建立生产线仿真模型
根据生产线的实际布局在三维生产线布局中创建相应的要素模型。
>创建和接收零件的要素：其中“来源”具体为从库房运输过来及其他产线运输过来，即生产单元的输入；“接收”为生产单元生产完毕后，输出至位置。
来源（sources）：用来生成零件并使零件进入到仿真系统的要素；
接收（sinks）：用来接收零件的要素。
>储存零件的要素：“缓冲”具体为在产品生产过程中，不同设备、物流产生的堆叠
缓冲（buffers）：储存零件的要素。
>处理器要素：“机器”具体为生产过程中，执行加工或装配行为的设备。
机器（machines）：加工零件的要素
>原料传递要素：“传送带”、“自动导向小车”、“劳动力”具体指在产品运输、转换工位时，参与协助其完成位移的设备或人员。
传送带（conveyor）：标准的或者PNF（抓起和释放）型的传送带都能运送零件。
自动导向小车AGV（AutomaticGuidedVehicles）：该要素能够在预先定义的轨道上运行并运送零件。
劳动力（Labor）：搬运零件或做其他工作的工人。
>模型的布置
依托描述规划元素的二维布局图，将厂区规划的各个元素三维模型从模型库中调入生产线环境，按实际位置信息调整元素的位置，完成物理布局模型的构建。
>模型属性信息设置
通过元素属性项来描述各元素的属性信息，还可以通过自定义项，来扩展用户需要描述的属性信息，完成总体布局模型的构建。
>定义仿真模型逻辑关系
定义布局模型中各个元素的逻辑关系，添加各个设备的工艺信息，完成物理模型与逻辑模型的构建。
>工艺设置
在人机交互界面中设置各个工艺的参数，包括加工时间，控制逻辑，输入输出零件等。
4.3 生产线仿真及结果分析
1）生产线模拟仿真
運行模型开启虚拟生产，通过多种实时仿真信息显示工具，统计数据可以以表格，各种形式的图形，如饼图、直方图等显示和表达。
2）定制开发及仿真结果输出
通过仿真的统计数据的直观显示，直接保存为文件，其他软件包直接使用这些数据。制定具备多种标准的仿真结果报告模板，实现方便的报告定制功能。通过修改参数以及改变逻辑模型等方法进行多次仿真，观测和比较各次仿真的不同行为和结果。自动捕获每一次仿真运行的结果并根据用户要求的多次仿真结果进行比较和交叉分析。
随着数字化制造的发展，数字化生产线建模和仿真成为必然的发展趋势，拥有与市场快速响应能力相匹配的柔性化、精益化生产组织模式，实现产品“高质量、低成本、短交付”是制造业务追求的终极目标。
参考文献
[1] 周泓，邓修权，高德华著.生产系统建模与仿真[M]机械工业出版社，2012.
[2] 温浩宇，刘芬芳，刘燕燕著.多视图下的生产线建模与仿真[J].计算机工程与科学，2014，36（9）：1823-1828.
