生產(chǎn)線布局規(guī)劃與物流仿真的集成技術(shù)研究

聶 斌，范秀敏，杜吉旺，何其昌

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院CIM研究所，上海 200240)

生產(chǎn)線布局規(guī)劃與物流仿真的集成技術(shù)研究

聶 斌，范秀敏，杜吉旺，何其昌

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院CIM研究所，上海 200240)

在分析了CAD系統(tǒng)、生產(chǎn)信息和生產(chǎn)線仿真建模系統(tǒng)之間存在信息“孤島”，不能高效地進(jìn)行生產(chǎn)線模型仿真的問題后，提出了快速構(gòu)建車間生產(chǎn)線仿真模型的方法并開發(fā)了相應(yīng)的原型系統(tǒng)。通過定義車間生產(chǎn)線模型的層次化表達(dá)結(jié)構(gòu)，在CAD系統(tǒng)中規(guī)劃二維生產(chǎn)線布局及物流模型，同時生成資源信息描述文件，并結(jié)合工藝規(guī)程和零部件信息作為輸入，快速建立三維生產(chǎn)線仿真模型并能對仿真方案進(jìn)行評估。應(yīng)用該方法，提高了企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃和建模仿真的效率。

生產(chǎn)線；布局；物流；仿真；自動建模

0 引言

現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)是復(fù)雜的離散制造系統(tǒng)，具有動態(tài)性和復(fù)雜性等特點。利用計算機(jī)輔助設(shè)計，通過企業(yè)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP的信息數(shù)據(jù)接口提取和分析數(shù)據(jù)，采用合理的調(diào)度策略，進(jìn)行車間生產(chǎn)線的設(shè)施規(guī)劃布局與物流仿真，獲得生產(chǎn)設(shè)備的利用率、產(chǎn)品的生產(chǎn)與等待時間以及生產(chǎn)線效率等生產(chǎn)線的性能參數(shù)，對瓶頸設(shè)備和生產(chǎn)線能力進(jìn)行評估，為生產(chǎn)線規(guī)劃布局及生產(chǎn)調(diào)度計劃制定提供可靠的科學(xué)依據(jù)[1]。一般采用通用的CAD系統(tǒng)，按照一定的拓?fù)潢P(guān)系規(guī)劃布局車間生產(chǎn)線的加工設(shè)備、運輸工具、工人等資源模型，形成二維車間生產(chǎn)線布局圖，并以此車間布局圖為基準(zhǔn)，在生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真工具中實現(xiàn)仿真模型的構(gòu)建。根據(jù)不同布局及物流規(guī)劃方案下的生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，逐步獲得最優(yōu)的生產(chǎn)線設(shè)計方案[2-5]。

在企業(yè)的實際應(yīng)用中，主要使用AutoCAD軟件進(jìn)行二維車間設(shè)施布局規(guī)劃，繪制二維車間生產(chǎn)線布局圖，然后根據(jù)布局圖中各資源模型的位置分布狀態(tài)，在制造系統(tǒng)仿真建模軟件中創(chuàng)建三維生產(chǎn)線布局模型，并規(guī)劃物流路徑，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真運行。比較廣泛應(yīng)用的商業(yè)化制造系統(tǒng)仿真建模軟件有Quest，Arena，Witness等[6]。國內(nèi)外也有很多針對生產(chǎn)線布局規(guī)劃和仿真建模的研究，但是相對比較孤立，缺乏貫通生產(chǎn)線布局規(guī)劃到物流仿真全局的系統(tǒng)集成。

目前CAD系統(tǒng)中的生產(chǎn)線布局規(guī)劃、生產(chǎn)信息以及仿真建模系統(tǒng)三者之間存在著信息“孤島”問題，各系統(tǒng)間的接口不夠完善，不能有效集成共享數(shù)據(jù)，給快速車間生產(chǎn)線的仿真建模帶來了一定的困難。針對以上問題，提出描述車間生產(chǎn)線布局模型的層次化表達(dá)結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建生產(chǎn)線的模型庫，在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行生產(chǎn)線平面布局和物流規(guī)劃，獲得以工藝、零部件和資源(Process/Product/Resource,PPR)結(jié)構(gòu)形式組織的生產(chǎn)線PPR信息；再將該信息映射為仿真環(huán)境下生成資源模型、定義層次結(jié)構(gòu)關(guān)系和交互行為的指令，實現(xiàn)生產(chǎn)線的物流仿真模型的自動化創(chuàng)建。通過該方法可以快捷高效地完成從生產(chǎn)線的布局和物流規(guī)劃到仿真運行的完整建模流程，且能有效支持布局方案的快速評估。

1 快速生產(chǎn)線規(guī)劃方法

圖3 生產(chǎn)線模型的層次化表達(dá)結(jié)構(gòu)

快速生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示?；谏a(chǎn)線的資源對象庫，在CAD系統(tǒng)中對設(shè)施模型進(jìn)行管理及加載；以滿足生產(chǎn)計劃、工藝規(guī)程需求為目標(biāo)，利用加載的設(shè)施模型進(jìn)行生產(chǎn)線的布局及物流路徑的規(guī)劃，得到二維生產(chǎn)線規(guī)劃圖的設(shè)施資源模型信息；再集成工藝規(guī)程和零部件信息，形成不同的生產(chǎn)線仿真方案；根據(jù)仿真方案信息生成仿真建模指令，自動化創(chuàng)建生產(chǎn)線仿真模型，以進(jìn)一步對仿真方案評估和優(yōu)化。

圖1 快速生產(chǎn)線規(guī)劃系統(tǒng)總體圖

1.1 布局模型的層次化表達(dá)結(jié)構(gòu)

按照對象的功能和派生關(guān)系，來組織生產(chǎn)系統(tǒng)下的對象，如圖2所示。生產(chǎn)系統(tǒng)中最基本的結(jié)構(gòu)單元是工作站，工作站有加工型、裝配型、檢測型等等，盡管不同工作站的功能差異較大，但從構(gòu)成對象來看，都可以分為資源對象和信息/控制對象兩大類[7]。資源類對象包括零件、設(shè)備和操作人員。信息/控制對象類，即工藝規(guī)程和物流路徑信息，可指導(dǎo)、控制資源類對象來執(zhí)行具體的生產(chǎn)動作。

圖2 生產(chǎn)系統(tǒng)對象的結(jié)構(gòu)

車間生產(chǎn)線模型是個集成化的信息模型，包括與制造有關(guān)的活動和過程，不僅要考慮設(shè)施資源的幾何特征信息、空間位置信息和管理屬性信息，還要考慮到制造過程的工藝信息。利用面向?qū)ο蟮乃枷氤橄蟪鲕囬g生產(chǎn)線模型[8]。根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)下對象所包含的信息抽象程度，可以將其描述成四層結(jié)構(gòu)，包括生產(chǎn)線層、對象類層、對象層和屬性層。圖3為生產(chǎn)線布局模型的層次化表達(dá)結(jié)構(gòu)圖。

(1)生產(chǎn)線層：描述車間中具體的生產(chǎn)線，包括名稱、位置。

(2)對象類層：按照生產(chǎn)線系統(tǒng)中不同對象的功能作用，將其劃分為設(shè)施資源對象類、物流控制資源對象類和工藝對象類，依據(jù)類別確定對象的建模指令集和流程。其中設(shè)施資源對象類包括機(jī)器類、AGV類、傳送帶類、緩沖站類、操作者類、工具類、和附件類；物流控制資源對象類包括控制器類、運輸路徑類和決策類[9]。

(3)對象層：以車間生產(chǎn)線的資源為基本組成單位。描述生產(chǎn)線各對象類下的具體的組成對象，包括設(shè)施資源、物流控制資源、工藝等對象。

(4)屬性層：對具體的對象添加屬性描述。設(shè)施資源對象的屬性包括名稱、類別、幾何模型、位置和邏輯連接對象；工藝對象屬性包括名稱、工藝參數(shù)和工藝邏輯。

1.2 布局及物流模型的信息存儲結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃模型包含的信息可以通過工藝、零部件和資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式來存儲。

(1)工藝信息：生產(chǎn)線系統(tǒng)中每個工作站都有特定的任務(wù)，通過在工作站內(nèi)的各個設(shè)備上完成不同工藝來實現(xiàn)。定義工藝名稱、輸入零部件、輸出零部件、工藝時間、工人、設(shè)備等參數(shù)來描述工藝特征，以及工件的工藝處理路徑。

(2)零部件信息：工藝針對的對象是生產(chǎn)線中流動的零部件。每道工藝的始端和末端都分別是零部件的輸入和輸出。定義零部件的標(biāo)識和幾何模型來描述零部件特征。

(3)資源信息：生產(chǎn)線系統(tǒng)是由各類功能的加工設(shè)備、檢測設(shè)備、運輸設(shè)備、緩沖站和工人等設(shè)施實體，以及決策點、運輸路徑等物流控制實體構(gòu)成的一個有機(jī)系統(tǒng)，這些實體統(tǒng)稱為資源。通過資源標(biāo)識名稱、類屬、空間位置、幾何模型和連接對象等信息來描述資源特征，以及資源間的布局關(guān)系。

1.3 二維生產(chǎn)線規(guī)劃

生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃模型中的實體對象包括零部件資源對象，設(shè)施資源對象和生產(chǎn)物流控制對象三類。在CAD系統(tǒng)中，針對設(shè)施資源對象和物流控制資源對象進(jìn)行規(guī)劃。資源對象由其管理屬性、幾何屬性、和邏輯連接屬性來描述。

(1)管理屬性：定義具備唯一性的ID，標(biāo)識生產(chǎn)線布局中具體的資源對象，以及其在層次結(jié)構(gòu)模型中的所屬類特征。

(2)幾何模型：設(shè)施資源類、物流控制類對象的二維幾何模型表示，并附加屬性對資源對象進(jìn)行特征描述。

(3)邏輯連接：生產(chǎn)線中資源對象并不是孤立存在的。根據(jù)具體的工藝規(guī)程、生產(chǎn)計劃，定義生產(chǎn)線系統(tǒng)中的資源對象間的邏輯關(guān)系，形成拓?fù)溥B接網(wǎng)絡(luò)，描述零部件在整個生產(chǎn)線系統(tǒng)中的流動路徑。

資源對象的模型圖塊作為信息存儲基本單元，根據(jù)CAD系統(tǒng)中進(jìn)行布局及物流規(guī)劃的操作，與圖形數(shù)據(jù)庫交互導(dǎo)入、提取圖形信息，以描述資源對象的特征。各類資源對象模型的圖塊信息集合構(gòu)成了二維生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃圖信息。在圖形數(shù)據(jù)庫中遍歷圖塊模型的數(shù)據(jù)記錄，提取資源對象的空間位置，幾何特征及管理屬性信息，通過人機(jī)交互獲得導(dǎo)出路徑，寫入資源信息描述文件。

1.4 三維生產(chǎn)線建模仿真

為實現(xiàn)與仿真環(huán)境下生產(chǎn)線模型的信息集成，還需要工藝和零部件信息，形成完整的PPR信息描述文件。通過特定的信息映射流程將PPR信息轉(zhuǎn)換成仿真批控制指令集，通過消息傳遞機(jī)制，建立對應(yīng)各種資源對象的三維幾何形狀，定義靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)交互行為，實現(xiàn)生產(chǎn)線的仿真運行[10]。

完整的批控制指令集可歸納為五類，即：①仿真環(huán)境設(shè)置；②虛擬對象建模；③虛擬布局；④工藝建模；⑤控制邏輯建模；⑥仿真支持，見表1所示。仿真批控制指令集按照①～⑥的序列向?qū)ο蟀l(fā)出控制消息。

零部件數(shù)據(jù)的變動，生產(chǎn)線布局、工藝規(guī)程的調(diào)整，相應(yīng)的PPR信息也會發(fā)生更改，這就對應(yīng)于不同的仿真方案。通過以上映射機(jī)制可以將現(xiàn)實中不同設(shè)計方案的生產(chǎn)線系統(tǒng)通過虛擬物理建模和邏輯建模的方式映射到虛擬環(huán)境下對應(yīng)的生產(chǎn)線仿真模型，從而對不同的仿真方案進(jìn)行評估[11]。

表1 仿真批控制指令集

2 系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

2.1 原型系統(tǒng)的開發(fā)

該快速布局規(guī)劃仿真原型子系統(tǒng)包括四個模塊，即模型管理模塊、生產(chǎn)線布局及物流設(shè)計模塊、仿真方案管理模塊和仿真模型自動化創(chuàng)建模塊，模塊間信息流向如圖4所示。以AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫和EXCEL軟件為后臺數(shù)據(jù)庫，Delmia/Quest軟件為虛擬環(huán)境。

(1)模型管理模塊

實現(xiàn)對生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃所需資源的管理，包括：資源庫創(chuàng)建，模型轉(zhuǎn)換，模型記錄增加、刪除、圖形數(shù)據(jù)加載等功能，加載的資源模型在生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃中被調(diào)用。

(2)生產(chǎn)線布局及物流設(shè)計模塊

實現(xiàn)生產(chǎn)線布局及物流的合理規(guī)劃。在對AutoCAD軟件二次開發(fā)后的環(huán)境中，根據(jù)實際需要，通過布局及物流規(guī)劃工具選取相應(yīng)的資源模型進(jìn)行放置，設(shè)計物流路徑，同時在AutoCAD模型空間的圖形數(shù)據(jù)庫中讀寫圖塊記錄，并根據(jù)規(guī)劃的操作建立屬性來描述特征，輸出生產(chǎn)線資源布局及物流信息。

(3)仿真方案管理模塊

實現(xiàn)將生產(chǎn)線布局及物流、零部件、工藝規(guī)程信息映射成仿真批控制指令集。由生成的資源信息，再結(jié)合制定的零部件和工藝規(guī)程信息，即形成PPR信息描述文件。在C#開發(fā)的三維生產(chǎn)線布局及物流規(guī)劃仿真平臺內(nèi)，通過數(shù)據(jù)讀取接口，讀取PPR描述信息，生成Quest支持的BCL仿真控制指令集文件。

(4)仿真模型自動化創(chuàng)建模塊

實現(xiàn)虛擬環(huán)境下生產(chǎn)線系統(tǒng)的仿真運行。通過Dos下的批處理文件，系統(tǒng)調(diào)用Cmd.exe并按照批處理文件中的命令順序依次執(zhí)行，運行Delmia/Quest軟件，加載BCL仿真控制指令集文件，生成仿真模型。

圖4 功能模塊信息流圖

2.2 應(yīng)用案例驗證

以某公司空調(diào)氣密性檢測生產(chǎn)線的布局及物流規(guī)劃仿真為例。如圖5所示，在對AutoCAD二次開發(fā)出的模型管理界面中，加載生產(chǎn)線規(guī)劃所需的加工/檢測設(shè)備、緩沖區(qū)、傳送帶、工人等資源模型，利用左側(cè)的布局及物流規(guī)劃工具條，放置各資源模型并設(shè)定空調(diào)零部件的物流路徑；根據(jù)布局圖，輸出資源布局和物流路徑信息，并結(jié)合零部件和工藝規(guī)程信息，得到PPR信息描述文件；然后以PPR信息為輸入，在生產(chǎn)線仿真方案管理平臺(見圖7)中進(jìn)行BCL命令映射轉(zhuǎn)換(見圖8)，最后在Quest環(huán)境下生成空調(diào)氣密性檢測生產(chǎn)線的物流仿真模型，如圖9。

圖5 基于AutoCAD的二維生產(chǎn)線規(guī)劃工具

圖6 PPR信息描述文件格式

圖7 生產(chǎn)線仿真方案管理平臺

圖8 BCL指令集文件格式

圖9 QUEST生產(chǎn)線仿真模型效果圖

3 結(jié)束語

通過分析當(dāng)前CAD系統(tǒng)、生產(chǎn)信息以及生產(chǎn)線仿真建模系統(tǒng)三者之間存在的信息“孤島”問題，對車間生產(chǎn)線模型信息進(jìn)行抽象和總結(jié)，提出了車間生產(chǎn)線模型的層次化表達(dá)結(jié)構(gòu)，該模型不僅包含生產(chǎn)線設(shè)施資源、工藝的靜態(tài)特征信息，還兼顧到生產(chǎn)物流等動態(tài)特征信息。利用商品化CAD軟件AutoCAD提供的開發(fā)包ObjectARX二次開發(fā)工具包開發(fā)了二維生產(chǎn)線布局工具；利用Visual Studio C#2005開發(fā)了三維生產(chǎn)線布局仿真方案管理平臺FPS(Facility Planning System)，作為PPR信息到生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真模型的接口，較好地實現(xiàn)CAD系統(tǒng)、生產(chǎn)信息以及生產(chǎn)線仿真建模系統(tǒng)的信息集成化，提高了快速構(gòu)建生產(chǎn)線仿真模型的能力。

[1] 王福吉，賈振元，王林平，等. 生產(chǎn)線的設(shè)備規(guī)劃布局設(shè)計與加工仿真的實現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2007(9):96-99.

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(編輯 李秀敏)

Research of Integration Technology between Layout and Logistics Simulation of Production Line

NIE Bin, FAN Xiu-min, DU Ji-wang, HE Qi-chang

(CIM Institute, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

After analyzing the problem of information isolation among CAD system, production information and simulation system of production line, which causes inefficiency in establishing and simulating the model of production line, one method of rapidly building simulation model of production line is put forward, and a corresponding prototype system developed. 2d layout and logistics model of production line can be designed through defining the hierarchical structure of production line model, meanwhile forming a resource information worksheet. With this worksheet added into by process and product information as input, 3d production line simulation model can be established quickly to evaluate the simulation plan. The above research enhances the efficiency of planning and simulating the layout and logistics of production line for enterprises.

production line; layout; logistics; simulation; auto-modeling

1001-2265(2014)07-0154-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.045

2013-10-11;

2013-10-21

聶斌(1990—)，男，安徽阜陽人，上海交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為制造系統(tǒng)建模與仿真，(E-mail)ballboy9005@163.com。

TH166;TG65

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