基于FLEXSIM的装配车间设施布局规划与优化.docx

基于FLEXSIM的装配车间设施布局规划与优化.docx

《基于FLEXSIM的装配车间设施布局规划与优化.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FLEXSIM的装配车间设施布局规划与优化.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于FLEXSIM的装配车间设施布局规划与优化

1绪论

1.1研究的目的和意义

随着当今社会的不断发展，我国的企业面临着空前的竞争，因此提高产品质量，增强市场竞争力，服务水平，缩短生产周期，有效降低成本以加快技术进步及，是当前所有企业面临的最主要问题。

随着制造业自动化、智能化、机械化的不断提高和发展，企业在制造过程中降低成本提高效率的潜力在不断地变少[1]。

制造系统设施布局问题是一个非常重要的问题。

在制造业中，20%～50%的总经营费用是属于，而良好的设施布局设计可使物料搬运的费用减少15%～30%。

在工厂的生产活动中，从原材料的进厂到产品的出厂，物料真正处于加工的时间只占生产周期的10%左右。

而85%～90%的时间都处于搬运或停滞状态。

良好的设施布局设计能提高物料处理的效率，减少物品的停留，提高生产效率。

因此，一直以来，企业制造系统的布局设计都被认为是制造工业中最困难和最关键的设计任务之一。

国内的制造型企业大多对新产品的工序过程、研究开发、加工设备的更新换代以及加工或组装技术等非常重视，而忽视了生产线设计安排的方法、机器设备的布置方式、产品的流动管理等物流管理技术，众多企业还是沿用几十年前的生产模式，落后的车间布局，不合理的设施规划，严重的影响了企业的经营状况。

在一些已经不能使加工时间缩短的情况下，原来的设施布置形式成为新产品生产物流时间缩短的障碍，缩短物流时间成为提高生产效率、降低生产成本的有效手段。

随着工业的不断发展，众多的制造型企业开始意识到合理的设施规划可以给他们带来更好的效益，竞争的国际化发展也迫使这些企业进行流程再造和转型，多产品小批量生产、产品模块化、成组技术和柔性制造等先进技术的应用，使企业的生产方式发生了巨大的转变。

现代化的生产方式不仅对生产的能力而且对企业设施规划布置提出了更高的要求[2]。

制造系统都是很复杂的，有很多的情况都无法仅用数学和物理的方法来解决，而仿真技术则提供了新的手段来解决这类问题。

吴澄指出离散事件的仿真方法目前是制造系统的评估工具中用得最为广泛的方法[3]。

系统仿真重在对系统过程中逻辑关系的描述，在调度优化与生产计划的研究中应用仿真技术能对系统进行分析、评价、比较，还能够选择优化系统和系统结构的参数。

在传统的仿真方法中一般是编写仿真程序进行运行仿真，但是这些只能运用于小规模系统的仿真，并且它们忽略了不少重要的因素，这些因素对生产过程也有相当大的影响[4]。

对于一个制造系统而言，常常需要了解它在某些特定条件下运行的性能参数。

对生产线的性能进行分析是虚拟仿真的一个主要的应用，通常牵涉到的性能指标有：

制造周期分析、产品混合比变化对生产率的影响、设备及生产线的利用情况、阻塞及设备负荷平衡分析、瓶颈、生产率分析[5]。

本文以某装配车间作为研究的对象，用Flexsim软件建立它们的模型，再利用Flexsim工具对装配车间的运行性能和生产计划指标进行分析评价，得出一个较合理的车间设施布局规划。

1.2国内外的研究进展

二十世纪四十年代末以来伴随着计算机技术的蓬勃发展而逐步形成了系统仿真的学科技术。

它以多种学科的事实理论为基础，以电脑及其相应的仿真软件为工具，运用虚拟试验的方法来解决和分析问题的一门综合性学科技术[6]。

仿真技术在物流系统设计中的应用是随着信息科学技术、建模仿真技术的发展与物流管理、机械自动化水平的提高而深入的。

在国外，直接采用仿真方法对企业物流系统进行分析己经相当普遍，一般都是采用商用仿真软件或仿真语言对系统直接进行建模和仿真分析。

针对生产线的物流仿真问题，国外已有很多的应用，并且相对应用的比较成熟。

自从20世纪80年代中期，美国福特公司就已经开始应用Witness等软件来提高其汽车生产线设施装备的设计。

福特的很多装配线在正式实施之前都使用了相应的仿真软件进行模拟，用来验证其设计的正确性。

90年代，尼桑公司的森德兰工厂在两条的生产线上分别生产Micra和Primera这两种型号的汽车。

系统软件Witness仿真在尼桑公司实现了在两条生产线上生产三种车型的有效衔接，并且为成功地组织生产过程起到了至关重要的作用。

系统仿真软件在德国大众汽车公司应用的也比较广泛，均运用到了系统仿真技术以及各种系统仿真软件。

国内在物流仿真方面的研究起步相对比较迟，在系统仿真方面的研究多侧重于企业外部物流，很多学者和高校都在进行方面的研究，并且也取得了不少的成果。

对于生产线物流仿真方面的研究，也有一些人比如熊光楞教授提出将仿真技术应用于企业制造系统的研究，更多的是采取用解析法计算出几个最优解，然后或用仿真语言编写仿真程序或用仿真软件进行建模仿真[7]。

武汉理工大学的周强等学者在对港口的物流系统进行设计时，直接采用Witness对系统进行了建模仿真，对港口的生产能力进行了分析和评价，找出了系统中的瓶颈，提出了改进的方法，优化了港口的物流设计方案。

东北大学的袁锋等对生产线制造过程的制造环境进行分析，提出了基于扩展事件过程链的生产线制造过程建模的仿真方法，并采用面向对象软件的方法实现了仿真系统的各组成模块。

1.3研究的内容与途径

主要的研究内容：

（l）装配车间的调查记录；

（2）数据的分析与整理，绘制出现行的程序图和装配布局图；

（3）用Flexsim建立装配车间的仿真模型；

（4）仿真实验的运行，实验结果的分析；

（5）制定可行性整改计划，对生产车间布局进行重新调整，以得到更优化的生产制造系统，最后重新利用Flexsim仿真，查看其整改之后的效果。

通过对生产线的调查，对收集的资料进行整理和归类，建立仿真模型，设置各实体的逻辑参数，建立对象间的联系，动态修改模型参数，输出仿真结果。

分析输出结果，找出装配车间中存在的问题，提高装配车间生产率。

本文的章节安排和主要内容如下：

第一章阐述了课题的研究背景，国内外研究状况和研究意义，是全文的概括和总领。

第二章对制造型企业物流系统做了详细的分析，介绍了设施规划设计的概述和相关信息。

第三章详细的介绍了企业的物流系统仿真的步骤和方法，以及物流仿真技术在设施规划设计中的运用，介绍了物流仿真软件Flexsim的功能和应用方法。

第四章通过对某装配车间生产线基本数据的搜集和描述，利用了本文的仿真软件Flexsim建立仿真模型，运行后进行效果分析，提出改进方案，并在次利用Flexsim进行仿真分析，得出优化方案，画出最后的布局图。

最后是对全文研究课题的结论，指出本文的不足和以后研究的方向。

2物流系统与设施规划设计

2.1企业物流系统分析

把物流系统作为研究对象，利用数学和物理等多科学的分析手段和方法，确定和分析物流系统的功能、目的、费用、环境等问题，找到物流系统中需要解决的关键性问题，根据其要求和性质，在经过充分的调查研究和了解相对正确的信息资料的基础上，确定物流系统的功能和目标，提出能够实现目标的可行性方案，通过建立模型进行仿真试验，优化分析和进行综合性评价，整理出完整的综合资料，从而为企业做出最后的决策提供充分可靠的依据[8]。

物流系统分析的目标是系统最优化。

通过分析，使得待开发的物流系统在一定的条件下充分挖掘潜力，做到人尽其才，物尽其用。

物流系统分析包含5个基本要素，即目的、可行方案、模型、费用与效益以及评价基准。

制造企业物流系统是将企业的原材料输入、加工、储存、运输、包装及售后服务看作一个完整的系统。

制造型企业的设施规划决定了企业物料和人员的流动方式、流动距离和路径，影响到物流系统的效率和其产生的费用，从而对整个企业的生产效率起到决定性的影响[9]。

2.1.1企业物流系统的结构

企业物流系统的结构主要有以下四种：

（l）单一型物流系统。

将一个制造企业或一个加工单元看作一个独立的物流系统，就成了一个单一型物流系统，如图2.1所示。

其中Q0为输入系统的原材料，Ql为输出系统的成品，S1则表示为加工转换的过程。

图2.1单一型物流系统

（2）如图2.2。

一切复杂的物流系统都可以分解为若干个串联物流系统。

加工线、生产线、装配线等都属于串联型物流系统。

图中Ql、Qn等为物流量，S1，S2等为加工单元。

图2.2串联物流系统

（3）并联的物流系统，如图2.3。

图2.3并联物流系统

（4）网络物流系统，如图2.4。

大多物流系统都属于这种类型，企业工模具配送系统、多品种生产系统、物料搬运系统等。

社会上的商品服务、原材料供应、能源运输、邮件传送、物资配送、交通运输等都形成了相对复杂的网络物流系统。

图2.4网络物流系统

2.1.2制造企业物流系统分析的实质和特点

（l）物流系统分析的实质

物流系统分析是作为企业管理层进行决策的工具，为决策者提供直接判断的能力和制定最优方案的信息和资料是其主要的目的。

它把所有的研究对象均视为系统来进行分析，工作的目标为致力于系统的整体最优化。

物流系统分析重视应用科学的推理，使所研究物流系统中问题的分析均能符合事物的发展规律和逻辑的原则，而不是凭单纯经验和主观臆断。

它还需应用数学的基本知识和理论，使各种方案进行比较，不仅有定性的描述，而且其差异都能以数学形式表达显示。

通过物流系统分析，使得待开发的物流系统在一定的条件下能充分利用其能力，做到人尽其才，物尽其用[10]。

（2）物流系统分析特点

物流分析是以提高物流系统的效益为目标，以寻求解决某些问题的最优方法为重点，运用定量和定性的分析方法，让决策者能够以价值判断从而做出最有利的决策。

进行物流系统分析的特点如下：

以整体为目标。

处于各个层次的分系统都具有相应的目标和功能，彼此相辅相成，协作分工，才能实现优化整体系统的共同目标。

以特定的问题为研究对象。

系统的分析具有很强的针对性，寻求解决特定问题的最佳策略是它的目的，以能求得解决特定问题的最佳方案为首要的任务。

除了确定了目标和研究对象外，物流系统分析还需运用定量方法，解决问题不应单凭经验、直觉、想象和臆断。

在复杂的情况下，需要有可靠的资料、数字作为科学决断的依据。

最后还必须以价值观来进行判断，在系统分析时，必须以某种程度来预测某些事物，或者利用过去发生的事实用作参照，以推断有可能出现的倾向和趋势。

由于所了解的资料中有很多属于不确定性的变量，因此在进行系统分析时，还要借助多种价值观念进行选优和判断。

2.2制造企业设施规划设计

在工业工程领域常用的方法和技术中，有两种是非常重要的，制造企业设施布置和物料搬运，它们直接影响着整个企业的效能。

设施布局设计直接影响产品的质量和成本。

如何在给定产品设计信息、工艺流程信息和生产规划信息等的情况下，设计出合理的制造企业设施布置和物料搬运系统是制造企业能够在高效能的状态下运行的关键问题。

对于一个工业设施或工厂，设施主要包括占用的土地、建筑物、生产加工用的机器设备、固定或移动的辅助设备。

此外，还包括办公服务设施、公用设施、动力设施、维修设施等。

为了实现生产系统的设计目标，收获尽可能大的社会效益和经济效益，企业必须具有合理的运营机制与生产结构。

设施布置设计是在选址以后，设计和分析系统的平面布置，使人流、物流、信息流和人力、财力、物力得到最有效、最合理、最经济的配置，从根本上提高系统的效率，降低系统运行的成本，从而提高综合竞争力[11]。

2.2.1设施规划设计概述

制造企业设施设计是对一个企业中的设施布置进行安排和组织，以提高企业资源和能源等的有效利用率。

在工业设施的规划设计过程中，涉及到土木建筑、机械、电气、等多个工程领域。

从工业工程的角度看，设施规划设计主要包括物料搬运、制造企业选址、厂房设计和制造企业布置。

在企业车间设计中，设施布置占有非常重要的地位，车间设施布置是否合理将直接影响到整个车间的生产效率、生产能力、工艺过程、信息流、物流等方面，并直接反映出一个组织的企业形象及工作质量。

合理的设施布置以至于生产的工艺流程更合理，更能降低车间的物流量大小，因此，设施布置是直接决定生产率的因素之一。

根据资料统计分析，25%～50%产品制造的费用是用在物料的搬运上面的，因此，现代的企业都非常重视物料的搬运系统。

物料搬运系统的设计就是对物料搬运量、搬运方法和设备、储存场地、路线等进行合理安排和布置[12]。

2.2.2设施规划的相关信息

在进行一项设施规划的任务前，必须得获得三个方面的主要信息，分别是时间信息、产品信息和工艺信息。

时间信息是指在生产的过程中，对于每一项的操作任务必须有一个时间标准，即一个合格的生产工人以正常的速度工作完成这个操作所需要的时间。

产品信息是指生产何种产品和每种要生产产品的详细设计信息两个部分。

工艺信息是指工艺设计师根据获得的产品设计信息来确定产品通过哪些加工工序进行生产的。

工艺设计师根据产品的设计信息来确定一个产品、零部件是外购还是自制，然后，对于那些需要自制的产品，需要解决的问题是制造或加工这些产品的加工工艺方法，从而确定加工所需要的设备、机器，给出这个零件的工艺路线，最后是将各零件根据装配表组装起来[13]。

2.3本章小结

本章对制造型企业的物流系统做了详细的分析，介绍了物流系统分析的实质和特点，阐述了物流系统的几种结构，并对制造型企业设施规划的设计做了一些概述和介绍了相关的信息。

物流系统分析的目标是系统最优化，以提高物流系统的效益，也只有良好的设施规划布局才能从根本上提高系统的效率，降低系统运行的成本，从而提高综合竞争力。

3企业物流系统仿真

计算机仿真之所以被广泛接受，其优点是具有相对的柔性和直观性，可用于难以建立数学模型的大而复杂的系统，可以研究在动态和随机环境中，在各参数相互作用下，给用户和研究人员提供一个明确而清晰的结果，比其他极大多数数学和分析模型更容易做出判断和决策。

目前，在国外已广泛应用物流仿真技术，应用仿真分析方法来进行物流系统设施布置的改进后可减少30%的投资，并且能够对比和评价不同系统的布置设计方案，达到优化系统、优化能力、加快系统建设、减少投资等目标。

随着企业物流合理化意识的不断提高，物流仿真技术将会得到更加广泛的应用[14]。

3.1系统仿真的步骤

由于仿真是基于模型的活动，所以应该先建立系统的模型。

在建模与形式化这一步需要依据研究和分析的目的和意义，确定模型的边界问题，为了使模型更加具有可信性，具备系统的实验知识和必要的试验数据是必需的条件，根据系统的特点和仿真的要求选择合适的算法，使建立的仿真模型在计算精度、计算速度和稳定性方面满足仿真的需要。

下一步是进行设计程序，即将仿真模型用计算机能执行的代码描述，程序中包括仿真实验的一系列的要求，如控制参数、输出要求、仿真运行参数等。

第四步是对仿真模型进行校验，一方面是检验所选择的仿真模型方法的合理性，另一方面是再次对程序进行调试。

最后是对系统仿真的输出进行分析[15]。

系统仿真的步骤如图3.1所示：

图3.1系统仿真的步骤

3.2物流仿真技术

3.2.1物流仿真技术概述

物流系统仿真是一门计算机综合应用技术，主要是一些公司针对企业物流系统的规划设计而开发的仿真软件，集当前最先进的人工智能技术、计算机三维图像处理技术、仿真技术、现代物流技术和高级数据库处理技术为一体。

对系统设施布置的方案利用计算机仿真软件，在计算机内建立虚拟的工厂和装配车间模型，对模型进行各种系统分析，获得改造方案或优化的设计。

在发达国家中，每年总有约四分之一的生产面积要进行重新布置。

如此频繁的重新布置，无论是财力还是人力都显然难以支撑。

由于使用手工布置代价太大并且难以达到预期的目标，因而产生了对计算机辅助设施布置的要求。

目前，设施规划者能够使用两大类功能强大的软件：

第一种的软件能够提供规划布置设计辅助服务，如FACTORYCAD、STORM和FACTORYPLAN等。

第二种就是运行和仿真系统分析软件，如RALC、FLEXSIM、WITNESS和FACTORYELOW、PROMODEL、AUTOMODEL等。

三维仿真软件在目前的市场上是比较受欢迎的[16]。

3.2.2物流仿真技术在系统设施布置设计中的运用

物流仿真技术在系统设施布置中的运用主要体现在以下3个方面：

（l）运用系统仿真软件快速建立系统设施布置模型，如新建或改建厂房、车间，先模拟现实的厂房、设备、机器、物流设施和人员等，构筑虚拟的设施布置，以而取代现实的工人和设备，节省资金。

（2）应用物流仿真软件完成多种多样的三维可视化操作，以检验系统设计的可行性，使枯燥的文件图纸变成了更加实际。

（3）对方案进行动态分析和评价，很容易找出系统的瓶颈，比较各方案的优缺点，便于最优方案的选择。

运用物流仿真技术进行系统设施布置设计的方法，是先对系统应用理论分析，再应用仿真软件进行三维仿真从而进行优化决策。

将物流分析技术、系统工程技术理论和计算机技术综合进行应用，增强了设施布置系统设计的合理性、科学性和高效性，追求实现系统物流成本和物流效率的最优化，为企业减少项目投资费用，缩短项目建设周期，提高了设计工作的效率和企业效益，这是如今新建或改建项目规划设计的最好方法[17]。

3.3Flexsim物流仿真软件

Flexsim是PCBase的数字虚拟企业的仿真系统，来建立各种经营、管理、制造等模型，并且可在微软公司的Windows2000、WindowsXP、及Vista等不同作业平台上执行的全窗口化3D专业仿真软件。

Flexsim是新一代的面向对象的仿真建模工具，它是迄今为止世界上唯一的在图形建模环境中集成了C++IDE和编译器的仿真软件。

在这个软件环境，C++不但能够直接用来定义模型，而且不会在编译中出现任何问题。

这样就不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链接。

它能使决策者轻易地在个人电脑中建构及监控任何工业及企业的分散式流程。

透过Flexsim我们可以率先找出未来工业及企业流程的模式。

Flexsim基础架构设计不只是要满足使用者现今的需求，其架构的概念更是为了企业的未来而准备。

下图3.2为Flexsim的主界面。

图3.2Flexsim的主界面

Flexsim就是帮助工程师，经理和决策者形象化地在动态三维虚拟现实环境中检测新提议的操作，流程或是系统。

这对于创建那些可能出现崩溃，发生中断或是产生瓶颈的复杂系统是必不可少的。

通过预先创建系统模型，可以考察各种假设的场景，同时不会产生改变实际系统时所面临的中断，成本和风险。

3.3.1Flexsim的应用领域

Flexsim不仅已应用于工业自动化仿真、物流中心配送仿真、交通运输仿真、交通流量管制仿真、医疗管理研究、医院动线规划仿真等民用工程，也已经应用于先进国防战略仿真、航天工程仿真等大型研究方向。

Flexsim的应用领域主要在3个方面：

制造业，仓储和配送，运输业。

在制造业中，可应用于）~8\#@5F）p8U*a.P,c4{仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast半导体芯片制造、肉食包装工厂中的牛肉处理、钢铁制造、果酱成品的罐装，标签，包装，发货、0L;]9g$y+W9B3L3D仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast电子器件制造等。

在仓储和配送中，涉及到$s+j*t$g'D*Q仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast5]-c+q-X#y$W%F4c,a+C港口集装箱船只的装卸、配送中心操作、订单取货、传输带系统、5P+U$}%@:

k*S'K1E7W物流货架、传送带和堆垛机。

  Z1l#S'Q:

W）O）G-y/_1?

仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast运输业中有高速路交界处的交通流、,n!

r-P*k0_;Q!

[）Y'P.g中国最大的系统仿真与系统优化交流社区火车站中人群和列车的移动、;}9n0N'T2A:

T"M仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast河流中船的往来穿梭、6x.p$R!

D;I8@;A仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast国际边防路口的交通堵塞[18]。

除了上述的3个行业，Flexsim在/H,v9Y2L7e+w9h8i%P）T除了除了9n-k（p4Z7E9r#U2`4t仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast矿石开采和加工、3g9f.c,{,U#]中国最大的系统仿真与系统优化交流社区快餐店中食物准备和客户服务、2j8Q9B'u1v#X,k:

x仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast参观者在娱乐场所内的活动、喷气式飞机引擎的拆卸，翻新和更换、7g.F*E,T3Y4i医院中病人和食物的处理、9F/T（_9j0t;n%S+f0O6`8i9[仿真,仿真论坛,仿真软件,物流仿真,供应链仿真,生产仿真,系统仿真,流程仿真,arena,anylogic,automod,extend,em-plant,flexsim,promodel,witness,乐龙,swarm,netlogo,repast共享的网络存储器中数据的流动、9G"f!

N.}3u"^中国最大的系统仿真与系统优化交流社区银行处理中心中支票的处理等处也都有很多的应用。

3.3.2Flexsim仿真功能

（1）Flexsim具有离散型和连续型的混合建模功能。

软件本身更多的是离散型仿真方面应用，但它支持连续型生产建模，它有专门的流体部件库，有很多应用于炼钢厂、塗料生产厂及石油输送的成功案例。

（2）Flexsim提供平面与三维建模窗口，可以直接将AutoCAD的平面布置图导入建模窗口，可完全遵循平面布置图的距离关系建立平面模型，平面模型只要换一个窗口，或换一个角度就是三维模型，建立二维模型的同时，同步自动生成三维模型，不需要将二维模型转为三维模型的操作。

同样，也可以直接在三