发动机车间布局优化设计研究

发动机车车间布局局优化设设计研究究摘要车间布局局设计是是制造系系统设计计的重要要内容之之一，车车间布局局的优劣劣直接决决定着产品质质量、生生产率和和经济效效益论论文阐述述了设施施布局设设计的基基本原则则、理论论及方法，分分析了国国内外生生产系统统中常见见的布局局设计原原理及方方法，提提出了车车间布局优化设设计框架架该框框架避免免了传统统设计方方法过于于依赖经经验、约约束过多多及复杂杂难解的缺缺点，从从理论上上拓展了了布局设设计的方方法本本文以该该框架为为指导，本本着理论与实践践统一的的基本立立意，应应用SLLP法，实实现了发发动机车车间平面面布局的的优化;;并结合计计算机建建模和仿仿真技术术，应用用人因工工程、生生产线平平衡等关关于设施施布局及及工作地优优化等相相关理论论和方法法完成了了发动机机车间三三维布局局的部分分优化工工作从从而验证了了车间布布局优化化设计框框架的指指导作用用，实现现了发动动机车间间布局的的优化设设计关键词:: 车间间布局建建模与仿仿真发动动机生产产线平衡衡Reseearcch oon OOptiimall Deesiggn oof EEngiine Worrkshhop LayyouttAbsttracctTh eed ees iign o ffw oorksshoppl aayouutiss o neoo ftt heei mmporrtanntc onttenttin theedessignn off maanuffactturiing sysstemm, aand a ggoodd woorksshopp laayouut oor nnot deccideeddiirecctlyy thhe pprodductts qquallityy, tthe prooducctivvityy annd tthe ecoonommy eeffiicieencyy·Thiis ppapeer eexpaatiaatess thhe bbasiic pprinncipple,, thheorry aand metthodd off thhe ffaciilittylaayouut ddesiign,, annalyysess prrincciplle aand metthodds oof tthe traadittionnal layyoutt deesiggndoomessticc annd ooverrseaas, andd thhen prooviddes a fframme oof ooptiimumm deesiggn fforwworkkshoop llayoout.. Thhis fraame avooidss thhe ddemeeritt off thhe ttradditiionaal ddesiignmmethhod thaat rrelyyingg exxcesssivvelyy onn exxperriennce,, haavinng ooverr-reestrricttionn anndbeeingg coompllicaatedd, aand theerebby, exttendd thhe mmethhod of thee deesiggn oof llayoout..Dirrecttedbb ytt hiisfrr ammea ndbb assedoo ntt heeu nnifiicattionno ffth eorrya ndpp raactiice,,th epllanaar eengiine worrkshhop layyoutt iss opptimmizeed bby uusinng SSLP;; coombiininng wwithh thhedeevellopmmentt off coompuuterr moodellingg annd ssimuulattionn teechnnoloogy andd ussinggcorrrellatiive theeoriies andd meethoods aboout facciliity layyoutt suuch as erggonoomiccs aandllinee baalanncinng, somme ooptiimizzingg woork in thrree--dimmenssionnal engginee woorksshopplayyouttis im pleemenntedd.C onssequuenttly,,th ea vaiilabbiliityoo ftth eef rrameei ssv aaliddateed,aand thee opptimmal dessignn off ennginne wworkkshoop llayoout is commpleetedd.keeywoordss: WWorkkshoopL ayooutLLin e bb all ann ciin ggModdeliing andd Siimullatiion第一章绪绪论1.1车车间布局局设计概概述1.1..1布局局设计概概述从一般意意义上说说，布局局设计就就是将一一些物体体按一定定的要求求合理放放置在一一个空间内，它它是一个个涉及参参数化设设计、人人工智能能、图形形学、信信息处理理、优化化、仿真等技术术的交叉叉学术领领域，实实践证明明它还是是一个复复杂的组组合优化化问题。

它它存在于现实生生活的许许多行业业和方面面:1) 航航空航天天工业中中，航天天器上各各种仪器器的布局局摆放问问题;2) 造造船、汽车等等交通工工具内不不同形状状、大小小的物体体放置问问题;3) 集集成电路路设计中中，各种种元件的的合理布布置问题题;4} 建建筑设计计中，各各房间的的合理布布置及厂厂房、设设备等布布局问题题;5) 机机械设计计领域中中，各种种基于装装配的机机床布局局设计问问题;布局问题题具有广广泛的应应用背景景，布局局结果的的好坏对对整个行行业生产产的合理理性、经经济性、安安全性等等都有重重大的影影响本本课题主主要研究究制造系系统中车车间布局局设计问问题生生产车间间是制造造系统的的基本组组成部分分，直接接承担着着企业的的加工、装装配任务务，是将将原材料料转化为为产品的的部门所所谓车间间布置就就是按照照一定的的原则，合合理地确确定车间间内部各各组成单单位(工段、班班组)及工作作地，设设备之间间的相互互位置，从从而使它它们成为为一个有有机整体体，实现现车间的的具体功功能和任任务车车间布置置一般包包括:基本生生产部分分、辅助助生产部部分、仓仓库部分分、过道道部分、车车间管理理部分、生生活福利利部分等等。

由于车间间布置决决定了以以后车间间的物流流方向和和速率，从从而从结结构上限限定了车车间的功功能潜力力，因此此车间布布置是构构造一个个有效车车间系统统最为重重要的环环节，相相同车间间地址、相相同的人人员、相相同的设设备和技技术，仅仅仅是由由于布置置的方式式不一样样，生产产系统的的功能可可以有天天壤之别别高效效率的车车间布置置作为提提高企业业生产效效率和效效益的重重要手段段之一，越越来越受受到人们们的重视视1.1.. 2物物流设计计概述物流系统统的设计计是整个个车间布布局的一一个重要要部分，也也是本文文考虑的的问题之之“物流”是指社社会物质质资料从从生产一一直到消消费前的的全部流流通过程程工厂物物流”是指工工厂从原原料进厂厂，经过过存储、加加工、制制造、装装配厂的的整个生生产过程程中(包括原原料、材材料、半半成品、配配套件、、包包装直至至成品出出成品))的每个个环节流流动、储储存的全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发达的国国家，除除了降低低原材料料和能源源消耗外外，己把把改进物物料搬运运、改善善工厂中中的物流流组织看看作是减减少和节节省开支支以获取取利润的的“第三源源泉”，这是是值得我我们很好好地研究究和挖掘掘的因因此，工工艺设计计人员除除了要根根据产品品生产纲纲领正确确选择生生产工艺艺和机器器设备外外，还必必须进行行物流分分析和设设计因因为合理理的物流流设计也也同样能能大大提提高生产产率，降降低生产产成本111-221一个个有效的物料料流程是是物料在在工艺过过程中按按顺序一一直不断断地向前前流动直直至完成成，没有有过多地地迁回或或倒流物流与生生产同时时发生，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) 人人工物流人人工物流流是原始始的形式式，物料料的输送送、存取取由人或或借助于于简单的的机械来实现这种方方式由于于方式灵灵活、初初期投资资少、设设备简单单，而被被一些中小规模的企业广广泛采用用。

这种种方法的的缺点是是节奏慢慢、劳动动强度大大、工资支出多，且不利利于集成成控制2) 刚刚性自动化化物流这这种方式式是以汽汽车制造造为代表表的专业业化、大大批量生生产的产产物，在在二十世世纪五、六六十年代代达到顶顶峰它它以输料料道、输输料槽、传传送机等等机械自自动输送机构为特征，物物料的输输送按某某一节拍拍或某一一固定的的方式进进行，物物料存取取由人、机器人、机机械手或或搬运设设备等媒媒介实现现特点点为生产产节奏快快，设备备布置相对固定，设备备专门化化程度高高，缺点点为初期期投资大大，灵活活性差，一一般只能能用于大批量的生产产本文文所考虑虑的就是是这种物物流3) 柔柔性自动化化物流这这种方式式出现于于二十世世纪六十十年代，应应市场需需求和自自动化技术的发展而产生生，并处处于不断断发展之之中一一般由自自动存取取系统((A SS/R S AA utto mma tte dd Sttoraage andd ReetriievaalS ysttem))，自动引引导小车车AG V( Au tomm att edd G u iideddV eehiccle))、物流流自动识识别系统统、计算算机控制制系统等等组成，所有活动由计算算机集中中控制，能能够实现现物流的的自由流流动和随随机存取取，便于系统的集成和和优化，并并能进一一步实现现智能化化控制。

1. 11.3车车间布局局综述1.1..3.11车间布布局的原原则确保设备备布置形形式合理理根据车车间的生生产纲领领，分析析产品一一产量关关系，确确定生产类型型(是大量量生产、成成批生产产，还是是单件生生产)，由生生产类型型决定恰当的设设备布置置形式((是流水水线式、成成组单元元式，还还是机群群式)2)确保保车间其其它组成成部分位位置合理理车间布布置时，除除了给主主要生产产设备，还还需要给给其它组组成部分分(在制品品暂存地地、检验验实验地地、工人人工作、通通道、辅辅助设施施如办公公室等))安排合合理的位位置外外地3)确保保工艺流流程要求求满足车车间布置置应保证证工艺流流程顺畅畅、物料料搬运方方便，避避免或减减少物流流往返交交叉现象象4)确保保建筑形形式合理理根据工工艺流程程的要求求和产品品的特点点，选择择恰当的的生产加加工设备备，并进进一步确确定建筑筑物的尺尺寸和形形状此外，还还需考虑虑通风、照照明、防防尘、防防噪等要要求，并并使布置置具有适适当的柔柔性，有有利于生生产的扩扩大和设设备的补补充，以以适用生生产变化化的要求求1.1..3.22车间布布局的目目标车间布置置的目标标一般可可分为两两大类，一一类是以以提高工工作效率率为导向向的，另另一类是以以鼓舞士士气为导导向的。

1) 以以提高工作作效率为为导向的的目标该该目标主主要是为为了高效效率地完完成生产产任务，它包括 :①使物料料的运输成本本最小，它它要求运运输路线线尽可能能短、尽尽量增大大生产的的连续性性，减少装卸，防止物物料被堵堵塞、延延误;②使空间间、设备、人人员等资资源的利利用率提提高，有有助于降降低成本本、增加加利润 ;③使系统具有尽可能能大的应应变能力力，表现现在扩展展的余地地、高柔柔性等方方面2) 以以鼓舞士气气为导向向的目标标该目标标主要是是通过激激发生产产人员士士气来实实现组织织的目标，同时使生生产者在在工作中中有更加加良好的的心里感感受，它它包括 :①增强生生产安全性包包括采取取各种安安全措施施，防火火、防潮潮、防止止工伤事事故，也也包括增增进职工工职业健健康的各各类措施施防噪噪、防震震及有害害气体、污污染物的的处理等等;②减少工工作的单调感感包括建建立趣味味盎然的的班组园园地以及及千净整整洁的休休息区，以以赋予工工人更多多、更广广泛的任任务和自自主性，加加深工作作中独特特性、责责任性的的心理体体验1.1.. 3..3车间间布局的的评价总之，车车间布置置是影响响深远的的一项工工作，一一个良好好的车间间布置可可以用埃埃普尔((Appple))的“良好布布置标志志”来衡量量[311 “良好布布置标志志”主要包包括:围绕某某一预先先计划好好的布置置设计建建造建筑筑物;通道笔笔直、清清楚、有有标记;;保持最最低限度度的后退退倒行;;有关作作业紧靠靠在一起起:生产时时间可以以预测;;安排进进度计划划的困难难最小;;最少量量的在制制品;条件改改变时容容易调整整，具有有高柔性性;扩展计计划时容容易编制制:实际加加工时间间对生产产总时间间之比最最大;检查最最少而质质量最好好:材料搬搬运距离离最短;;手工搬搬运最少少;无不必必要的材材料重复复搬运;;材料放放在负载载单元中中搬运;;作业之之间的搬搬运最少少;材料能能及时传传递给工工人;材料能能从工作作区域及及时搬开开:由间接接工人来来做材料料搬运工工作:有秩序序地搬运运和储存存材料;;工人能能以最高高效率工工作等。

1.2课课题提出出的背景景和意义义1.2.. 1设设施布局局研究的的现状设施的布布局设计计已不是是新问题题，即使使在原始始的小作作坊里，工工匠们也也要根据据工序流流程和物物件移动动的需要要来合理理布置他他们的工工作间随随着生产产复杂性性和生产产规模的的日益增增强和扩扩大，各各种布局局方案应应运而生生，如工工程布局局，功能能布局，作作业线布布局等方方案144-511o MM uttherrl5]]提出了了系统布布置方案案SLPP( SSy sstemmatiicL ayooutPPlannninng)由由于设备备布局设设计问题题的复杂杂性及其其实用性性，从六六十年代代开始，有有学者着着手研究究计算机机辅助设设计问题题随后后产生了了一系列列计算机机辅助布布局设计计和分析析的商用用软件包包，如CCOREELAPP, PPLANNET,, SHHAPEE, CCRAFFT等，它它们在布布局设计计建模、布布局求解解算法及及系统交交互式等等方面做做出了卓卓有成效效的工作作Kuusiaak和Melllerr等人对对制造设设备布局局问题进进行了全全面的回回顾并着着重研究究了柔性性制造系系统(FFMS))环境下下的布局局设计116-771. Baddiruu和Arii产]开发了了一个设设备专家家布局系系统，并并在其中中采用模模糊逻辑辑方法来来实现关关系代码码，以反反映未来来生产设设备需求求的不精精确性..Monntreeuill提出了了基于人人工智能能、优化化、仿真真和CAAD于一一体的集集成的布布局方案案，在此此基础上上，进一一步对基基于物流流的布局局问题提提出了并并行布置置和网络络布置的的设计方方法。

Ko uuv eeli se t.aa1.1191 曾指出出，生产产设备的的位置是是制造系系统设计计早期需需要解决决的最关关键的问问题之一一到目目前为止止，研究究人员己己经提出出了数个个解决制制造系统统布局问问题的公公式和规规则，涌涌现了大大量的方方法和技技术手段段，可以以将它们们粗略地地分为两两个类别别:最优化化方法和和近似优优化方法法Ku ssiakk 和 Heeraggu[IIO]则则对已有有的设备备布局问问题进行行了归纳纳，它们们可以分分为以下下几类::二次分分配问题题模型QQAP (quuadrratiic aassiignmmentt prrobllem))，二次次布置占占有模型型QSP (quuadrratiic sset covveriing proobleem)，线线性整数数规划模模型，混混合整数数规划模模型和图图论模型型0}11从以往的的研究成成果来看看，设施施布局问问题的求求解大多多是利用用二次分分配问题题方法，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["],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，这其实还是一个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Caggan等等[177-188]人将将二维超超大规模模集成电电路技术术扩展到到了三维维空间内内，在考考虑了容容器和其其它布局局物体约约束的前前提下，提提出了一一种适用用于具有有空间约约束的布布局物体体和布局局容器的的布局问问题这这种方法法在理论论上是通通用可行行的但但他们的的工作还还只是局局限在简简单几何何形状物物体(例如矩矩形块和和圆柱体体)的布局局方面..Tizzianna CCalaamonnerii[lss]等提提出了互互联网的的三维布布局优化化问题，指指出互联联网的三三维布局局的主要要益处是是节省材材料(以体积积来计算算)和缩短短电缆长长度MMikeeSchhafeer[220]等等提出了了一种用用于产生生三维电电子模块块矩形体体自动布布局结果果及线域域估计的的集成方方法.LLoriis FFainna介绍绍了一种种三维布布局问题题的全局局优化几几何模型型邱英英汉[2211用用二叉树树结构来来表示三三维实体体布局问问题何何大勇等等则在集集装箱布布局问题题中提出出一种利利用三叉叉树结构构表达三三维矩形形布局状状态空间间的方法法王金金敏[222)提提出了一一种适合合于三维维实体布布局的优优化算法法。

Teeng Honng-ffei[[23--2422等研究究了具有有行为约约束的三三维布局局问题，提提出了一一种位于于旋转容容器内的的物体的的优化布布局方法法由于于一维布局问问题己经经属于NNP完全全问题，所所以求解解三维布布局问题题就更加加复杂从从商业上上的应用用来看，至至今尚没没有成熟熟的用于于工业布布局的商商品化软软件，在在学术团团体研究究较多的的都是一一些规则则物体的的布局问问题，要要实现任任意形状状的三维维布局问问题，至至今尚无无成功的的通用的的布局方方法虽虽然已经经有很多多非线性性技术应应用到物物体布局局问题上上，但这这些方法法大多数数因物体体的几何何形状、方方位及问问题复杂杂程度的的不同而而施加不不同的限限制除除此之外外，对于于布局问问题大多多数研究究是在运运筹学((Opeerattionn Reeseaarchh)领域域完成的的这些些方法的的缺点是是因为它它们一般般都是启启发式的的方法，只只能应用用在专门门的一类类问题之之中，另另一个限限制是在在运筹学学中只能能使用相相对简单单几何形形状的物物体[225]但但在工程程实际中中，由于于解决问问题的要要求和目目标的多多样性，找找出一种种通用于于所有问问题的方方法几乎乎是不可可能的。

1..2.22课题提提出的工工程背景景及研究究意义本论文的的课题来来源于江江淮汽车车集团发发动机生生产系统统仿真项项目发发动机生生产系统统仿真项项目是江江汽集团团和合肥肥工业大大学工业业工程教教研室合合作项目目，合肥肥工业大大学工业业工程教教研室负负责建立立该项目目的物理理模型、数数字模型型，车间间设施规规划及动动作研究究部分作作者正是是以此确确定本论论文的题题目和研研究内容容在全全球制造业竞竞争激烈烈的今天天，一个个优良的的生产系系统对于于增强企企业的竞竞争力来来说是至至关重要要的，其其中布局局是一个个重要的的工作，这这其中包包括新系系统的形形成和旧旧系统的的改良车车间布局局设计是是制造系系统设计计的重要要内容车车间布局局的优劣劣直接决决定着产产品质量量、生产产率和经经济效益益一个个良好的的车间布布置和一一个较差差的车间间布置相相比较，两两者在投投资方面面可能相相差无几几，但良良好的车车间设施施布置可可以提高高生产率率，改进进质量，消消除或减减少间接接劳动成成本，简简化物流流，仅需需更少监监督，简简化成本本会计系系统，并并可提高高员工的的自我成成就感，便便于工作作团队的的自我决决策，提提供可集集成的模模型等[[2611。

国内内外的资资料表明明，在工工厂的生生产活动动中，从从原材料料进厂到到成品出出厂，物物料真正正处于加加工检验验的时间间只占生生产周期期的5%%-100%,而而90%%-955%的时时间都处处于停滞滞和搬运运，这严严重影响响了企业业的经济济效益的的提高..在制造造业中，总总经费的的20%%-500%是物物料搬运运费用，而而优良的的平面布布置可使使这一费费用至少少减少110%^^'300%，也也为企业业赢得效效益和收收益，从从而在激激烈的市市场竞争争中处于于不败之之地因因此，有有必要展展开对制制造系统统的布局局设计及及优化问问题的研研究本课题旨旨在是以以发动机机车间为为例，研研究合理理规划车车间制造造资源布布局的一一些方法法或手段段，从而而对发动动机及其其它相关关厂房或或车间的的布局设设计优化化起到一一个较好好的参考考和引荐荐作用因因此，本本课题具具有明显显的现实实意义1，3论论文的主主要内容容和组织织结构本文的工工作是在在发动机机生产系系统仿真真项目的的背景下下展开的的，论文文主要研研究布局局设计的的相关理理论、方方法及其其在发动动机车间间布局设设计及优优化中的的应用，具具体包括括以下几几个方面面内容::第一章为为绪论。

首首先对车车间布局局设计进进行了概概述，接接着分析析了布局局设计国国内外相相关研究究现状，阐阐明本论论文研究究的工程程背景及及研究意意义，最最后阐述述了本课课题研究究的关键键问题、现现有条件件及解决决关键问问题的方方法和途途径第二章简简要介绍绍了制造造系统中中的布局局问题，分分析了传传统的布布局设计计过程、设设计流程程并指出出它们的的缺点和和不足，从从而提出出了车间间布局优优化设计计框架第三章阐阐述了设设施布置置的依据据及平面面布局方方案的求求解方法法，结合合发动机机车间的的特点，利利用SLLP实现现了平面面布局方方案的优优化设计计第四章对对制造系系统建模模与仿真真在企业业中的应应用作了了简单的的介绍，然然后建立立了发动动机车间间布局的的数字化化模型第五章基基于数字字模型，进进行了作作业场地地布置的的人机学学设计的的研究，给给出了作作业空间间设计的的目标评评价体系系探讨讨了工业业工程中中关于作作业测定定技术、生生产线平平衡技术术等在模模型中的的应用研研究，并并给出了了应用的的具体示示例第六章是是对全文文的总结结与对进进一步工工作的展展望本论文的的内容组组织结构构如图11-1所所示1.4课课题中的的关键问问题及解解决办法法本课题的的关键问问题为::1) 建建立车间布布局设计计及优化化流程;;2) 实实现发动机机车间平平面布局局优化设设计;3) 实实现发动机机车间三三维布局局的部分分优化设设计。

目前的状状况:1)目前前，车间间布局设设计及优优化流程程一般是是针对总总体平面面布局形形式而提提出的，较较少涉及及局部范范围立体体空间设设计及优优化，布布局设计计及优化化流程中中缺乏从从平面到到三维空空间的系系统集成成性2)制造造系统二二维平面面布局问问题研究究理论上上已经处处于一定定的高度度，但这这些理论论及方法法在实现现时一般般都是针针对某类类问题或或施加许许多限制制本文文的发动动机车间间布局关关系复杂杂，约束束过多，用用这些理理论方法法优化布布局时难难以满足足使用该该方法的前提条条件或计计算量太太大难以以实现3)目前前对三维维布局问问题的研研究还处处于探索索阶段，没没有成熟熟的用于于工业三三维布局局优化设设计的商商品化软软件，在在学术团团体中多多是对一一些规则则物体的的三维布布局设计计研究，无无法解决决任意形形状的三三维布局局优化设设计问题题关键问题题的解决决办法为为:1)车间间布局设设计及优优化是个个复杂的的系统工工程，架架构车间间从宏观观层次的的平面布布局到微微观层次次的三维维立体布布局的优优化流程程，构建建车间布布局优化化设计的的框架2)结合合发动机机车间的的特点及及数据，应应用SLLP实现现布局瓶瓶颈的调调整。

3)利用用仿真平平台，构构建布局局数字模模型，为为车间的的三维优优化提供供可靠、有有效的数数据基基于数据据模型，应应用工业业工程及及人因工工程的相相关原理理及方法法完成三三维布局局的部分分优化工工作第二章布布局优化化设计框框架2.1 制造系系统中的的布局问问题制造系统统中的布布局设计计是工业业工程研研究和实实践中一一个重要要并且长长期存在在的领域域，是一一个典型型的工程程问题长长期以来来，制造造系统的的布局设设计一直直被当作作制造工工业中最最关键和和最困难难的设计计任务之之一它它是将加加工设备备、物料料运输设设备、工工作单元元和通道道走廊等等制造资资源合理理放置在在一个有有限的生生产空间间里面的的过程，可可看作是是制造系系统的组组织过程程在一个制制造系统统中，布布局不是是一个孤孤立的问问题，它它与整个个系统设设计的其其他工作作是紧密密关联并并且相互互影响的的，其相相互关系系可以用用图2--1表示示12771.制造系统统布局的的好坏将将直接影影响到整整个生产产系统的的总体性性能，如如物流、信信息流、生生产能力力、生产产效益、生生产成本本以及生生产安全全等12281布布置的基本形式式可分为为12991:产产品原则则布置、工工艺原则则布置、成成组原则则布置和定位布布置。

1) 产产品原则布布置(PProdducttL aayouut) 根据产产品制造造的步骤骤安排各各组成部部分从从理论上上看，流流程是一一条从原原料投入入到成品品完工为为止的连连续线固固定制造造某种部部件或产产品的封封闭车间间，其设设备、人人员按加加工或装装配的工工艺过程程顺序布布置，形形成一定定的生产产线，适适合于少少品种、大大批量的的生产方方式这这种布置置形式的的例子有有汽车装装配线、食食品加工工和家具具制造业业等本本文的发发动机车车间就属属于这种种布置形形式图图2-22为产品品原则布布置示意意图2) 工工艺原则布布置(PProccesssL aayouut) 又称机机群布置置，是同同类设备备和人员员集中放放置在一一个地方方的布置置形式如如按车床床组、磨磨床组等等分区，各各类机床床组之间间也保持持一定的的顺序，按按照大多多数零件件的加工工路线来来排列适适用于多多品种小小批量的的生产方方式根根据所执执行的一一般功能能，对各各工艺组组成部分分进行布布置，并并不考虑虑到任何何特殊产产品如如单件小小批加工工车间、百百货商店店和医院院通常是是这样的的图22-3为为工艺原原则布置置示意图图3) 成成组原则布布置(GGrouupL ayoout)) 这是是实施成成组加工工的布置置形式，介介于产品品原则布布置和工工艺原则则布置之之间，适适应于中中小批量量生产。

图图2-44为其布布置示意意图图2-44成组原原则布置置示意图图4)定位位布置((Fixxed Layyoutt) 根根据体积积或重量量把产品品保留在在一个位位置上设设备、人人员、材材料都围围绕着产产品而转转如飞飞机制造造厂、造造船厂等等其布布置示意意图见图图2-5aa图2一55固定工工位布置置示意图图2.2传传统的布布局设计计过程传统的布布局设计计过程一一般是依依据车间间任务、设设计原则则、基础础数据资资料及对对机械化化设备、非非标准设设备的计计算数据据等进行行平面布布置，局局限于平平面布置置方案的的获得或或者是优优化传传统的布布局设计计及优化化的一般般框架及及流程如如图2--6和图图2-77所示传传统的布布局流程程虽然可可以解决决物流网网络及作作业功能能布局的的设计问问题，但但传统的的布局设设计大多多研究平平面布局局问题，具具有局限限性，不不可能全全面反映映车间各各个方面面，尤其其是一些些供进行行技术经经济分析析的数据据以及立立体空间间数据等等是无法法在平面面图中给给出的，所所以要在在工艺说说明书中中对车间间平面图图予以描描述，包包括车间间在总图图中的位位置，与与相邻车车间的关关系，平平面布置置的特点点，运输输方式的的特点，各各工作区区及车间间工段的的划分和和组成情情况，在在设计及及评价布布局方案案时人为为假设各各种条件件和约束束过多，布布局设计计缺乏从从平面设设计到三三维设计计的集成成研究...制造系系统作业功能区区划分物流及非非物流关关系问题题图2-66传统布布局设计计一般框框架图z-77传统布布局设计计一般流流程前文已经经说明，目目前还没没有找到到解决任任意形状状的三维维物体的的布局问问题的通通用方法法。

非线线性技术术应用到到三维物物体的布布局问题题时，需需根据物物体的几几何形状状、方位位和问题题复杂程程度的不不同而施施加不同同的限制制在运运筹学中中只能使使用几何何形状相相对简单单的物体体(如矩形形体和块块状物))来研究究它们的的三维布布局问题题[3001这表表明 : 对于复复杂制造造系统三三维布局局问题的的设计及及优化，例例如各种种复杂设设备的三三维空间间布局，作作业工人人与设备备、工件件等的相相对位置置等，依依据各种种算法来来解决显显得有些些无能为为力2.3车车间布局局优化设设计框架架的提出出从上一节节的分析析中可以以看出，传传统的平平面布局局设计流流程及框框架很少少涉及三三维布局局的优化化设计研研究，缺缺乏布局局设计从从二维到到三维空空间的有有效集成成，不能能全面实实现企业业布局设设计及优优化的需需要计算机仿仿真技术术作为一一门高新新技术，其其方法学学建立在在计算机机能力的的基础之之上随随着计算算机技术术的发展展，仿真真技术也也得到迅迅速的发发展，其其应用领领域及其其作用也也越来越越大尤尤其在航航空航天天、国防防及其他他大规模模复杂系系统的研研制开发发过程中中，计算算机仿真真一直是是不可缺缺少的技技术，它它可优化化企业结结构、组组织和生生产的各各个方面面。

当今的制制造系统统是集现现化机械械制造、计计算机科科学和管管理工程程于一体体的综合合应用，山山于它技技术复杂杂、投资资巨大，采采用建造造实体系系统进行行研究显显然是不不合理的的所以以在制造造系统的的设计阶阶段，通通过仿真真可以选选择系统统的最佳佳结构和和配置方方案，以以保证系系统既能能完成预预定的设设计要求求又能获获得很好好的经济济性、柔柔性和可可靠性，又又能有效效防止较较大的经经济损失失;在制造造过程阶阶段，通通过仿真真可以预预测系统统在不同同调度下下的性能能，以确确定合理理的、高高效的作作业计划划，找出出系统的的“瓶颈”环节，从从而能充充分发挥挥制造系系统的生生产能力力，提高高经济效效益[331)在布局设设计及优优化研究究中，我我们可以以借助于于建模及及仿真工工具，在在二维平平面布局局的基础础上构建建制造系系统的三三维布局局模型，利利用可视视化仿真真技术的的“所见即即所得”功能，在在三维模模型中应应用人机机工程学学、工业业工程的的思想及及方法来来实现布布局优化化，获得得能真正正指导实实际生产产的布局局模型及及生产安安排计划划等目标标，为布布局设计计及优化化工作开开辟了一一条切实实可行的的新方法法，拓宽宽了布局局设计的的思路。

为为此，笔笔者提出出了车间间布局优优化设计计框架，见见图2--80图2-88车间布布局优化化设计框框架这里的初初步前期期规划包包括确定定生产纲纲领、确确定生产产节拍、确确定生产产布局模模式等本本文就是以此框框架为指指导，按按照从二二维初始始布局优优化到三三维布局局优化的的设计流流程，实实现对发发动机车车间布局局优化设设计的2.4本本章小结结本章阐述述了制造造系统中中的布局局问题，分分析了传传统平面面布局设设计的一一般流程程，指出出传统平平面布局局设计方方法存在在着过于于依赖经经验、约约束过多多及复杂杂难解的的缺点;;分析了了传统布布局设计计的一般般框架，指指出传统统的布局局设计框框架缺乏乏从制造造系统二二维布局局到三维维布局设设计及优优化的集集成.从而提提出了车车间布局局优化设设计框架架，该框框架旨在在避免传传统设计计方法的的缺点和和不足，从从理论上上拓展了了布局设设计的方方法第三章发发动机车车间平面面布局方方案优化化研究3. 11设施布布1的依据据“产品或或者生产计划划应该是是工厂设设计的出出发点，并并从中推推导出它它的全部部设计基基础[3221缪瑟瑟也将产产品、生生产路线线、时间间、辅助助服务部部门作为为设施布布置分析析的原始始资料，并并将产品品和数量量列为最最重要的的资料。

因因为从生生产计划划的角度度来讲，产产品产量量分析是是产品组组成问题题的基础础和库存存控制的的基本概概念而而对工厂厂设计人人员而言言，则是是决定基基本布置置分析的的基础布布置决策策问题，可可以定义义为确定定生产系系统内各各物质部部分的最最优安排排设施施布置的的依据主主要有以以下几个个方面1) 生生产系统目目标通通常实施施布置应应达到的的目标是是:使存储储费用、劳劳动力、闲闲置的设设备和管管理费用用保持在在一定的的水平下下并达到到预期的的产量生生产系统统目标常常常相互互矛盾，诸诸种布置置考虑因因素几乎乎存在于于所有布布置决策策之中，但但其相对对重要性性则不一一致2) 生生产能力决决策生生产需求求的预测测对布置置决策的的“目标确确定”有着重重要意义义对制制造企业业而言，生生产能力力主要取取决于生生产性固固定资产产及其技技术组织织条件，对对服务企企业来说说，除了了取决于于设施和和设备能能力外，还还取决于于人力水水平企企业的生生产能力力一旦确确定，企企业整个个生产经经营活动动的最大大规模也也就基本本上被规规定了在在西方国国家将生生产能力力的充分分利用问问题看作作生产成成本控制制的首要要问题生生产非均均衡，设设备、人人员的闲闲置被看看作是最最大的浪浪费，我我国以往往忽视这这一问题题，只强强调节约约原材料料和费用用，常常常出现前前后工序序能力不不匹配，部部分设备备、设施施长期闲闲置，浪浪费、占占用大量量资金。

3) 加加工过程的的要求加加工过程程的要求求是选择择布置类类型的主主要依据据决定定布置所所需要的的数据因因所制造造的产品品的不同同而不同同在品品种少且且比较固固定的制制造业，装装配图是是主要的的布置信信息在在品种繁繁多的制制造系统统中，机机器规格格说明也也有重要要的意义义4) 进进行布置的的场地的的有效空空间工工厂总体体布局受受场地范范围的限限制，车车间设备备布置一一般是在在建筑空空间的实实际范围围之内工工厂设计计包括工工厂内部部和外部部两者所所需要的的空间设设计，包包括本文文主要考考虑的是是工厂内内设施布布置研究究3.2设设施布篮篮设计技技术最初的设设施布置置设计主主要是凭凭经验和和感觉但但是到了了五十年年代，布布置设计计从传统统的只涉涉及较小小系统发发展到大大而复杂杂的系统统设计，凭凭经验己己难以胜胜任于于是，在在综合各各学科发发展的基基础上，一一方面，布布置设计计中运用用起系统统工程的的概念和和系统分分析的方方法，在在19661年由由美国的的缪瑟提提出的极极具代表表性的系系统布置置设计((SLPP)理论论;另一方方面，从从60年代代开始，以以J. M.摩摩尔等为为代表的的一批设设施规划划和设计计者，应应用计算算机技术术对平面面布置及及其优化化问题进进行了较较为系统统地研究究，产生生了许多多用高级级语言写写成的平平面布置置程序，如如用于新新建设施施的COORELLAP,,ALDDEP程程序和用用于改建建布置的的COFFAD,,CRAAFT程程序，形形成了计计算机辅辅助设施施布置((CALL)方法法[3331随着着制造业业生产方方式的不不断演变变，这些些理论、方方法都在在不断的的发展完完善。

3.2..1系统统布置法法(SLLP)设施系统统布置规规划方法法是一种种条理性性很强、物物流分析析与作业业单位关关系密切切程度分分析相结结合求得得合理布布置的技技术，因因此在布布置设计计领域获获得极其其广泛的的运用国国内在八八十年代代以后引引进这一一理论，收收效非常常显著设施系统统布置的的起点是是对企业业生产的的产品和和产量进进行分析析和综合合，这些些数据来来自设计计部门和和市场调调研机构构的预测测分析所所以设施施系统布布置首先先是调查查研究、收收集资料料，其次次是分析析有关资资料的相相互关系系，在综综合调研研的基础础上设计计方案，最最后对若若干方案案进行选选择并组组织实施施SLLP的具具体程序序如下::见图3--1.图3-11系统布布置设计计基本程程序生产路线线或工艺艺过程;;S(SServvicees)::辅助服服务部门门;T((Timme)::时间(劳动量量定额))P, Q, R, S, T被称称为“设施规规划工程程师的字字母”2) 物物流分析物物流分析析包括确确定物流流在生产产过程中中每个必必要的工工序间移移动的最最有效的的顺序，以以及这些些移动的的强度或或数量值值一个个有效的的物流流流程应该该没有过过多的迁迁回或倒倒流。

物物流应该该根据PP-Q分分析对不不同的生生产方式式画出“工艺过过程图”、“多种产产品工艺艺过程图图”或“从至图图”3) 作作业单位相相互关系系分析所所谓作业业单位对对于一个个工厂总总平面布布置来说说，可以以是一个个厂房、一一个车间间、一个个仓库等等单位对对于一个个生产车车间来说说，可以以是一台台机床、一一个装配配台、一一个检查查设施等等作业业单位相相互关系系的分析析是对各各单位或或作业活活动之间间关系的的密切程程度进行行评价将将P, Q和S结合起起来研究究辅助部部门与作作业单位位的相互互关系，考考虑到诸诸如避免免干扰、人人员来往往频繁程程度、是是否使用用同一设设备等非非物流关关系，将将各作业业单位之之间的相相互关系系分为绝绝对必要要(Abbsolluteely neccesssaryy)、特特别重要要(Esspecciallly Impporttantt)、重重要(IImpoortaant))、一般般(Orrdinnaryy)、不不重要((Uniimpoortaant))和不能能接近等等不同等等级，分分别以大大写元音音字母AA, EE, 11, OO, UU, XX来表示示并给予予一个系系数值。

见见表3..10表3.11作业单单位相互互关系分分类及代代号4) 物物流与作业业单位相相互关系系的分析析在作作业单位位相互关关系图完完成以后后，根据据物流分分析的结结果，同同时考虑虑到非物物流相互互关系就就可以绘绘制表明明各作业业关系的的“物流与与作业单单位相互互关系图图” (见图图3-22)在在绘制时时可以考考虑或不不考虑作作业单位位的实际际位置，也也可以不不考虑作作业单位位所需的的面积为为把相互互关系图图中的数数据资料料更形象象、更直直观地表表现出来来，通常常要将作作业单位位之间的的关系绘绘制成“相互关关系图解解”(见图3--3)，图图解中的的图例符符号如表表3-11所示，以以线条数数来表示示密切程程度等级级5) 面面积设定，在在实际的的实施布布置设计计过程中中，常受受到现有有厂房或或可利用用土地面面积与形形状等的的限制，而而不得不不把需要要的面积积与可利利用的面面积结合合起来权权衡考虑虑面积积设定的的方法如如表3..2所示示6) 面面积相关图图解根根据己经经确定的的物流及及作业单单位相互互关系，以以及确定定的面积积，就可可以利用用面积相相关图进进行图解解，即把把每个作作业单位位按面积积用适当当的形状状和比例例在图上上进行配配置。

同同时，根根据现有有实际条条件以及及运输方方式、道道路要求求、贮存存设施、场场地形状状、环境境需要、管管理控制制等因素素进行修修正最最后形成成几个可可供选择择的方案案表3.22面积设设定方法法及其特特点方法特点点计算法按按照设各各和作业业空间要要求计算算所需面面积，主主要用丁丁详细设设计中确确定制造造区域的的面积转转化法把把现在需需要的面面积转化化为将来来布置方方案中提提山的必必要面积积，一般般用于确确定未来来辅助设设施和储储存区的的面积概概略布置置法应用用模拟或或设备模模型进行行布置并并确定面面积，主主要用丁丁总体布布置标准面积积法采用用某种工工业标准准来确定定面积比率趋向向预测法法以单位位人员和和产品为为基础预预测复合合设施总总面积，主主9用于设施施规划7) 布布置设计的的寻优根根据现有有设施空空间的实实际制约约和各种种修正条条件(如:运输方式式、存储储设备、场场地环境境、人的的要求、厂厂房特征征、辅助助设施及及管理控控制要求、安安全防护护等)对各各部门的的位置、形形状进行行调整，最最终形成成几个可可行和初步优化化的布置置方案8) 布布置的评价价对以以上阶段段初步筛筛选的各各备选方方案进行行技术经经济分析析和综合评价价，从定定性和定定量的结结合，综综合主观观和客观观两个方方面，确确定每个个方案的的“价值”，进行行设施布布置的评评价和选选择。

费费用一一一效果分分析法、关关联矩阵阵、模糊综合评评判法、层层次分析析法以及及比较简简易的实实验工厂厂法、成成本比较较法、生生产率评价法等等均可用用于方案案评价9) 详详细布置对对选中方方案在其其空间相相互布置置图的基基础上予予以改进进，得到到具体有可可操作性性的详细细布置3.2..2计算算机辅助助设施布布置技术术上面已分分析到，设设施布置置考虑的的因素日日趋复杂杂，生产产系统规规模越来来越大，多重技术术与经济济问题的的交织使使布置分分析依赖赖于设计计者经验验的广泛泛整合与与积淀，显然单个个设计者者的经验验和能力力是十分分有限的的由于于计算机机系统的的许多优优良性能能和新的分分析方法法的发展展，近年年来在系系统布置置规划的的基础上上应用计计算机及及其相关关技术辅助助进行设设施布置置设计己己日渐普普及利利用计算算机辅助助进行设设施布置置的设计计不但能大大大改善善和加速速布置设设计的过过程及其其进程，而而且因人人一一机机交互和和计算机绘图等等的应用用，可以以迅速创创成多种种布置方方案及其其图案，以以启发设设计者的的思路，且输出结结果直观观优美计计算机辅辅助设施施布置程程序为以以下两种种1) 向向新建型系系统布置置程序。

主主要有CCOREELAPP(计算算机辅助助相关布布置规划划)和ALDDEP((自动化化布置设设计)程序采采用优先先评价法法，优点点是把车车间布置置中重要的特性性包括在在内另另一方面面，这些些方法中中应用的的计分技技术，要要求以数数量表示示主观的优优先选择择，这本本身是有有风险的的2) 面面向改进型型的系统统布置程程序主主要有CCRAFFT(计计算机辅辅助确定定设施布布置相对位位置技术术)和COFFAD((计算机机辅助设设施设计计)程序CCRAFFT是在在原有布置方案案上求得得改进布布置，得得到一个个以降低低物料搬搬运成本本的布置置方案，而而COFEED还考考虑搬运运设备及及成本评评价，是是对CRRAFTT的改进进近年来，伴伴随着生生产系统统的发展展，设施施规划较较多的采采用仿真真技术来来模拟物物流运行的的动态过过程，从从而求得得最佳设设计需要强调调的是，系系统布置置设计等等理念与与计算机机辅助设设施布置置方法不不是相互互独立两种种技术，两两者之间间是相互互补充、相相互发展展的关系系3.3发发动机车车间初始始平面布布局方案案的优化化SL PP 不但对设设计院从从事工厂厂设计有有指导作作用，而而且对机机械行业业的技术术改造也是大有有裨益的的[3441下面就是是我们针针对发动动机车间间的初始始平面布布局方案案给出调调整及改改进的意意见。

根据发动动机车间间的初始始资料，我我们调研研以后把把该车间间作业单单位核定定为机加加车间辅房房、总装装车间辅辅房、加加工试制制区域、缸缸盖机加加工生产产线、机机体机加加工生产线、零零部件存存储区、零零部件库库存区、发发动机总总装线、缸缸盖总成成分装线线、发动动机热试返返修以及及下线存存储等综综合区等等10个，见见表3..3.表3.33发动机机车间各各作业区区域空间间数据表表根据技术术改造的的目标是是立足于于现有工工厂布局局上进行行物流分分析，各各作业单单位之间己存存在着实实际距离离，因而而我们用用“吨米/天”来计量量物流量量，其具具体意义义即指在两两个作业业区的一一定距离离之间每每天有多多少吨的的物流量量在对对各作业业单位物物流情况调调查、核核实后，我我们制作作了“物流量量起迄表表”见表表3.44表中中起点和和重点的作作业单位位参见表表3.33中所示示第四章发发动机车车间布局局。