林超群，樊樹海，陳 鵬，周 策

(南京工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程系，南京 210009)

0 引言

混合作業(yè)車間布局設(shè)計(jì)不僅需要考慮機(jī)器設(shè)備之間、人與機(jī)器設(shè)備之間、流水線與作業(yè)車間空間之間的干涉性問題，還要考慮機(jī)器設(shè)備之間的穩(wěn)定性、相鄰性，還要考慮間距約束、邊界約束及特殊約束等一些功能約束條件[1]。混合作業(yè)車間布局設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使整個(gè)作業(yè)車間的生產(chǎn)效率最高、物流費(fèi)用最低、運(yùn)送時(shí)間最短以及空間利用率最大等[2]。混合作業(yè)車間布局與傳統(tǒng)布局問題相比較，是一個(gè)具有不確定性、多且復(fù)雜的條件約束問題，不僅需要定性分析，而且還需要進(jìn)行定量性的計(jì)算，同時(shí)還需要考慮混合作業(yè)車間本身的工程難度。因此，對混合作業(yè)車間布局的研究存在一定的難度，使得混合作業(yè)車間布局設(shè)計(jì)在理論研究層面上具有挑戰(zhàn)性和擴(kuò)展性，同時(shí)在技術(shù)層面上也具有一定的困難性[3]。

混合作業(yè)車間布局設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)可以從系統(tǒng)工程的角度考慮，建立布局輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將建模、求解、優(yōu)化、評價(jià)等一系列方法和工具加以集成[4]，對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、布局流程進(jìn)行分析管理、協(xié)調(diào)控制。本文對混合作業(yè)車間輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)布局運(yùn)用公理的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了基于獨(dú)立性公理的設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)矩陣，降低了設(shè)計(jì)的難度，保證了設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中能夠按照適當(dāng)?shù)捻樞蜃龀龊侠淼臎Q策，保證了布局的合理性與高效性。

1 公理設(shè)計(jì)方法

公理化設(shè)計(jì)是Suh教授及其同事在1990年正式提出的[5]。公理化設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)概念[6]：域、“Z”型映射、層次結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)公理。域是不同設(shè)計(jì)活動的界限線[7]，包括4個(gè)設(shè)計(jì)活動，如圖1所示。

圖1 公理化設(shè)計(jì)的4個(gè)域

在兩個(gè)相鄰的領(lǐng)域中，左邊的領(lǐng)域是“想要完成的目標(biāo)(What)”，右邊的領(lǐng)域是“選擇什么方法來實(shí)現(xiàn)左邊領(lǐng)域的要求(How)”[8]。

公理化設(shè)計(jì)通過兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)公理來決定決策的合理性和優(yōu)劣。第一個(gè)公理是獨(dú)立性公理，第二個(gè)公理是信息公理。

2 混合作業(yè)車間布局的設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化工廠的混合作業(yè)車間布局的設(shè)計(jì)主要包括待布物建模、布局設(shè)計(jì)及協(xié)同設(shè)計(jì)、優(yōu)化與評價(jià)等主要環(huán)節(jié)，它不只是一個(gè)軟件的設(shè)計(jì)，而是一個(gè)可擴(kuò)展的智能設(shè)計(jì)平臺[9]?；旌献鳂I(yè)車間布局設(shè)計(jì)的目的是使布局評價(jià)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[10]。

對混合作業(yè)的布局設(shè)計(jì)流程如下：

(1)首先根據(jù)企業(yè)的需求，提出設(shè)計(jì)需求；

(2)建立布局的3D模型及待布物簡化模型；

(3)依據(jù)布局設(shè)計(jì)需求和布局設(shè)計(jì)知識，加入布局約束條件；

(4)利用布局工具得到車間的初始布局；

(5)從優(yōu)化算法庫中選擇算法，進(jìn)行布局優(yōu)化，給出布局優(yōu)化后的結(jié)果；

(6)對布局優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行專家評價(jià)其可行性。

具體設(shè)計(jì)過程如下：FR0=混合作業(yè)車間布局輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要你滿足這個(gè)要求，對應(yīng)的策略為：DP0=混合作業(yè)車間布局輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

(1)第一級分解

FR0可分解為：

FR1=簡化待布物；

FR2=確定混合作業(yè)車間布局；

FR3=評價(jià)混合作業(yè)車間布局。

采用相應(yīng)的策略為：

DP1=建立車間布局的數(shù)字化仿真模型；

DP2=確定混合作業(yè)車間布局方案；

DP3=選取多種混合車間布局評價(jià)方法。

其中，F(xiàn)R1由DP1獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)R2由DP1、DP1共同完成，F(xiàn)R3與DP1、DP2、DP3聯(lián)系緊密。該設(shè)計(jì)屬于準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)矩陣為下三角陣，其設(shè)計(jì)方程為：

(2)第二級分解

①FR1可分解為：

FR11=數(shù)學(xué)優(yōu)化待布物數(shù)量；

FR12=待布物簡化過程符號化；

FR13=布局3D虛擬仿真模型。

采取相應(yīng)的策略為：

DP11=選擇數(shù)字化模型；

DP12=選擇符號化模型；

DP13=選擇仿真模型。

其設(shè)計(jì)方程為：

②FR2分解為：

FR21=確定混合作業(yè)車間的初始布局；

FR22=優(yōu)化混合作業(yè)車間布局。

采取相應(yīng)的策略為：

DP21=獲取混合作業(yè)車間初始布局方案；

DP22=獲取混合作業(yè)車間布局優(yōu)化方案。

③FR3可分解為：

FR31=對布局方案進(jìn)行定性與定量分析；

FR32=對布局方案進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)的方法分析；

FR33=研究模糊、不明確信息的現(xiàn)象；

FR34=研究并解決不相容的布局問題。

采取相應(yīng)的策略為：

DP31=選擇層次分析法；

DP32=選擇模糊綜合評價(jià)法；

在心功能改善方面，觀察組LVESD、LVEDD及LVEF評分明顯更高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表2。

DP33=選擇灰關(guān)聯(lián)分析法；

DP34=選擇物元分析法。

其設(shè)計(jì)方程為：

(3)第三級分解

①FR21可分解為：

FR211=獲取車間布局方案信息；

FR212=獲取車間布局方案3D模型。

采取相應(yīng)的策略為：

DP211=采用計(jì)算機(jī)輔助獲取布局方案信息；

DP212=采用仿真布局軟件獲取3D模型。

其設(shè)計(jì)方程為：

②FR22可分解為：

FR221=獲取車間布局優(yōu)化算法；

FR222=確定車間布局優(yōu)化算法。

采取相應(yīng)的策略為：

DP221=從算法庫中獲取優(yōu)化算法信息；

DP222=采用專家評價(jià)方式確定算法選擇。

其設(shè)計(jì)方程為：

(4)第四級分解

①FR221可分解為：

FR2211=獲取遺傳算法信息；

FR2212=獲取多機(jī)并行算法信息；

FR2213=獲取啟發(fā)式算法信息；

FR2214=獲取模擬退火算法信息。

采取相應(yīng)的策略為：

DP2211=采用計(jì)算機(jī)輔助獲取方式；

DP2212=采用查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取方式；

DP2213=采用計(jì)算機(jī)搜索獲取方式；

DP2214=采用查閱專業(yè)書籍獲取方式。

其設(shè)計(jì)方程為：

②FR222可分解為：

FR2221=采用遺傳法；

FR2222=采用多機(jī)并行算法；

FR2223=采用啟發(fā)式方法；

FR2224=采用模擬退火法。

采取相應(yīng)的策略為：

DP2221=遺傳算法；

DP2222=多機(jī)并行算法；

DP2223=啟發(fā)式算法；

DP2224=模擬退火算法。

其設(shè)計(jì)方程為：

在以上公理化設(shè)計(jì)獨(dú)立性公理的運(yùn)用中，設(shè)計(jì)矩陣均是對角陣或三角陣，屬于非耦合設(shè)計(jì)或準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)，均滿足獨(dú)立性公理，均屬于合理的設(shè)計(jì)。

3 混合作業(yè)車間布局實(shí)例

目前，世界上大部分主要的汽車制造業(yè)以及知名的工程機(jī)械公司都采用數(shù)字化工廠對其布局進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)與仿真，其中包括對工藝、物流和人機(jī)工程的規(guī)劃與模擬。

這里以A汽車制造企業(yè)車間布局系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，A制造車間布局模塊包括沖壓區(qū)域、焊接區(qū)域、涂裝區(qū)域以及總裝區(qū)域。其布局模塊繁多，工程量大。

3.1 A汽車制造車間布局系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

A汽車是引進(jìn)了數(shù)字化工廠的汽車制造商，借助數(shù)字化工廠的解決方案，A企業(yè)能夠有效的降低投資成本，達(dá)到設(shè)施布置合理、工序配合高效、工藝流程完善等實(shí)際效果。但從整個(gè)車間的布局系統(tǒng)設(shè)計(jì)來看，車間布局模塊繁多，工程量之大，相應(yīng)的對設(shè)計(jì)人員能力的要求就會增加，單純的采取傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法顯然已經(jīng)無法取得很好的效果，因此本文提出了基于獨(dú)立公理的A汽車制造車間的布局設(shè)計(jì)流程(圖2)，公理設(shè)計(jì)方法提供的設(shè)計(jì)過程簡便性與實(shí)用性，能有效的降低設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性,保證布局的合理性。

表1 功能結(jié)構(gòu)表(FR0=混合作業(yè)車間布局輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì))

圖2 A汽車制造車間布局系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3.2 A汽車制造車間布局系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

按照本文中基于公理設(shè)計(jì)方法中獨(dú)立公理的應(yīng)用，經(jīng)某設(shè)計(jì)院進(jìn)行了對A汽車車間布局系統(tǒng)的跟蹤設(shè)計(jì)與分析，并且對車間進(jìn)行了整體檢查和結(jié)果展示，得到了功能結(jié)構(gòu)總匯表(表1)。從接收訂單開始到交貨時(shí)間減少了33%，采用公理化設(shè)計(jì)后設(shè)計(jì)方案更改的總量減少了33%，因有效減少了布局設(shè)計(jì)方案的更改率，每年至少能夠節(jié)約240萬美元的成本。

事實(shí)證明，數(shù)字化工廠下A汽車制造車間布局采取公理設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際中取得了良好的效果。應(yīng)用公理化設(shè)計(jì)于面向數(shù)字化工廠的汽車制造企業(yè)，提高了布局規(guī)劃的準(zhǔn)確性、縮短了規(guī)劃的時(shí)間，降低了成本。

4 結(jié)束語

(1)提出了一種面向數(shù)字化工廠混合作業(yè)車間布局設(shè)計(jì)的新方法。該方法能有效降低設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性，同時(shí)能夠降低布局設(shè)計(jì)方案的更改率，保證布局的合理性，對大型制造業(yè)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)在建立作業(yè)車間布局模型時(shí)，需要考慮車間的實(shí)際生產(chǎn)狀況，以做出對原始布局方案的優(yōu)化，包括對作業(yè)單元移動成本、物流搬運(yùn)路徑以及特殊單元處理的優(yōu)化等。

(3)在尋求最優(yōu)算法的設(shè)計(jì)步驟中，需要優(yōu)先考慮約束條件，在滿足約束條件的前提下，作業(yè)單元布置的任意性，增加了算法選擇的難度。在算法評價(jià)的方法上采用專家評價(jià)法，有助于尋求更優(yōu)算法。