生產線布局規劃與物流仿真的集成技術研究

聶 斌，范秀敏，杜吉旺，何其昌

(上海交通大學 機械與動力工程學院CIM研究所，上海 200240)

生產線布局規劃與物流仿真的集成技術研究

聶 斌，范秀敏，杜吉旺，何其昌

(上海交通大學 機械與動力工程學院CIM研究所，上海 200240)

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

生產線；布局；物流；仿真；自動建模

0 引言

現代生產系統是復雜的離散制造系統，具有動態性和復雜性等特點。利用計算機輔助設計，通過企業的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP的信息數據接口提取和分析數據，采用合理的調度策略，進行車間生產線的設施規劃布局與物流仿真，獲得生產設備的利用率、產品的生產與等待時間以及生產線效率等生產線的性能參數，對瓶頸設備和生產線能力進行評估，為生產線規劃布局及生產調度計劃制定提供可靠的科學依據[1]。一般采用通用的CAD系統，按照一定的拓撲關系規劃布局車間生產線的加工設備、運輸工具、工人等資源模型，形成二維車間生產線布局圖，并以此車間布局圖為基準，在生產系統建模仿真工具中實現仿真模型的構建。根據不同布局及物流規劃方案下的生產線系統仿真結果，進行參數優化，逐步獲得最優的生產線設計方案[2-5]。

在企業的實際應用中，主要使用AutoCAD軟件進行二維車間設施布局規劃，繪制二維車間生產線布局圖，然后根據布局圖中各資源模型的位置分布狀態，在制造系統仿真建模軟件中創建三維生產線布局模型，并規劃物流路徑，實現生產系統的仿真運行。比較廣泛應用的商業化制造系統仿真建模軟件有Quest，Arena，Witness等[6]。國內外也有很多針對生產線布局規劃和仿真建模的研究，但是相對比較孤立，缺乏貫通生產線布局規劃到物流仿真全局的系統集成。

目前CAD系統中的生產線布局規劃、生產信息以及仿真建模系統三者之間存在著信息“孤島”問題，各系統間的接口不夠完善，不能有效集成共享數據，給快速車間生產線的仿真建模帶來了一定的困難。針對以上問題，提出描述車間生產線布局模型的層次化表達結構，采用面向對象的方法構建生產線的模型庫，在CAD系統中進行生產線平面布局和物流規劃，獲得以工藝、零部件和資源(Process/Product/Resource,PPR)結構形式組織的生產線PPR信息；再將該信息映射為仿真環境下生成資源模型、定義層次結構關系和交互行為的指令，實現生產線的物流仿真模型的自動化創建。通過該方法可以快捷高效地完成從生產線的布局和物流規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 快速生產線規劃方法

圖3 生產線模型的層次化表達結構

快速生產線布局及物流規劃仿真系統的結構如圖1所示。基于生產線的資源對象庫，在CAD系統中對設施模型進行管理及加載；以滿足生產計劃、工藝規程需求為目標，利用加載的設施模型進行生產線的布局及物流路徑的規劃，得到二維生產線規劃圖的設施資源模型信息；再集成工藝規程和零部件信息，形成不同的生產線仿真方案；根據仿真方案信息生成仿真建模指令，自動化創建生產線仿真模型，以進一步對仿真方案評估和優化。

圖1 快速生產線規劃系統總體圖

1.1 布局模型的層次化表達結構

按照對象的功能和派生關系，來組織生產系統下的對象，如圖2所示。生產系統中最基本的結構單元是工作站，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、設備和操作人員。信息/控制對象類，即工藝規程和物流路徑信息，可指導、控制資源類對象來執行具體的生產動作。

圖2 生產系統對象的結構

車間生產線模型是個集成化的信息模型，包括與制造有關的活動和過程，不僅要考慮設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。利用面向對象的思想抽象出車間生產線模型[8]。根據生產系統下對象所包含的信息抽象程度，可以將其描述成四層結構，包括生產線層、對象類層、對象層和屬性層。圖3為生產線布局模型的層次化表達結構圖。

(1)生產線層：描述車間中具體的生產線，包括名稱、位置。

(2)對象類層：按照生產線系統中不同對象的功能作用，將其劃分為設施資源對象類、物流控制資源對象類和工藝對象類，依據類別確定對象的建模指令集和流程。其中設施資源對象類包括機器類、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：以車間生產線的資源為基本組成單位。描述生產線各對象類下的具體的組成對象，包括設施資源、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、工藝參數和工藝邏輯。

1.2 布局及物流模型的信息存儲結構

生產線布局及物流規劃模型包含的信息可以通過工藝、零部件和資源的數據結構形式來存儲。

(1)工藝信息：生產線系統中每個工作站都有特定的任務，通過在工作站內的各個設備上完成不同工藝來實現。定義工藝名稱、輸入零部件、輸出零部件、工藝時間、工人、設備等參數來描述工藝特征，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。定義零部件的標識和幾何模型來描述零部件特征。

(3)資源信息：生產線系統是由各類功能的加工設備、檢測設備、運輸設備、緩沖站和工人等設施實體，以及決策點、運輸路徑等物流控制實體構成的一個有機系統，這些實體統稱為資源。通過資源標識名稱、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系。

1.3 二維生產線規劃

生產線布局及物流規劃模型中的實體對象包括零部件資源對象，設施資源對象和生產物流控制對象三類。在CAD系統中，針對設施資源對象和物流控制資源對象進行規劃。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，標識生產線布局中具體的資源對象，以及其在層次結構模型中的所屬類特征。

(2)幾何模型：設施資源類、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行特征描述。

(3)邏輯連接：生產線中資源對象并不是孤立存在的。根據具體的工藝規程、生產計劃，定義生產線系統中的資源對象間的邏輯關系，形成拓撲連接網絡，描述零部件在整個生產線系統中的流動路徑。

資源對象的模型圖塊作為信息存儲基本單元，根據CAD系統中進行布局及物流規劃的操作，與圖形數據庫交互導入、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成了二維生產線布局及物流規劃圖信息。在圖形數據庫中遍歷圖塊模型的數據記錄，提取資源對象的空間位置，幾何特征及管理屬性信息，通過人機交互獲得導出路徑，寫入資源信息描述文件。

1.4 三維生產線建模仿真

為實現與仿真環境下生產線模型的信息集成，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信息轉換成仿真批控制指令集，通過消息傳遞機制，建立對應各種資源對象的三維幾何形狀，定義靜態參數和動態交互行為，實現生產線的仿真運行[10]。

完整的批控制指令集可歸納為五類，即：①仿真環境設置；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的序列向對象發出控制消息。

零部件數據的變動，生產線布局、工藝規程的調整，相應的PPR信息也會發生更改，這就對應于不同的仿真方案。通過以上映射機制可以將現實中不同設計方案的生產線系統通過虛擬物理建模和邏輯建模的方式映射到虛擬環境下對應的生產線仿真模型，從而對不同的仿真方案進行評估[11]。

表1 仿真批控制指令集

2 系統的開發與應用

2.1 原型系統的開發

該快速布局規劃仿真原型子系統包括四個模塊，即模型管理模塊、生產線布局及物流設計模塊、仿真方案管理模塊和仿真模型自動化創建模塊，模塊間信息流向如圖4所示。以AutoCAD圖形數據庫和EXCEL軟件為后臺數據庫，Delmia/Quest軟件為虛擬環境。

(1)模型管理模塊

實現對生產線布局及物流規劃所需資源的管理，包括：資源庫創建，模型轉換，模型記錄增加、刪除、圖形數據加載等功能，加載的資源模型在生產線布局及物流規劃中被調用。

(2)生產線布局及物流設計模塊

實現生產線布局及物流的合理規劃。在對AutoCAD軟件二次開發后的環境中，根據實際需要，通過布局及物流規劃工具選取相應的資源模型進行放置，設計物流路徑，同時在AutoCAD模型空間的圖形數據庫中讀寫圖塊記錄，并根據規劃的操作建立屬性來描述特征，輸出生產線資源布局及物流信息。

(3)仿真方案管理模塊

實現將生產線布局及物流、零部件、工藝規程信息映射成仿真批控制指令集。由生成的資源信息，再結合制定的零部件和工藝規程信息，即形成PPR信息描述文件。在C#開發的三維生產線布局及物流規劃仿真平臺內，通過數據讀取接口，讀取PPR描述信息，生成Quest支持的BCL仿真控制指令集文件。

(4)仿真模型自動化創建模塊

實現虛擬環境下生產線系統的仿真運行。通過Dos下的批處理文件，系統調用Cmd.exe并按照批處理文件中的命令順序依次執行，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 應用案例驗證

以某公司空調氣密性檢測生產線的布局及物流規劃仿真為例。如圖5所示，在對AutoCAD二次開發出的模型管理界面中，加載生產線規劃所需的加工/檢測設備、緩沖區、傳送帶、工人等資源模型，利用左側的布局及物流規劃工具條，放置各資源模型并設定空調零部件的物流路徑；根據布局圖，輸出資源布局和物流路徑信息，并結合零部件和工藝規程信息，得到PPR信息描述文件；然后以PPR信息為輸入，在生產線仿真方案管理平臺(見圖7)中進行BCL命令映射轉換(見圖8)，最后在Quest環境下生成空調氣密性檢測生產線的物流仿真模型，如圖9。

圖5 基于AutoCAD的二維生產線規劃工具

圖6 PPR信息描述文件格式

圖7 生產線仿真方案管理平臺

圖8 BCL指令集文件格式

圖9 QUEST生產線仿真模型效果圖

3 結束語

通過分析當前CAD系統、生產信息以及生產線仿真建模系統三者之間存在的信息“孤島”問題，對車間生產線模型信息進行抽象和總結，提出了車間生產線模型的層次化表達結構，該模型不僅包含生產線設施資源、工藝的靜態特征信息，還兼顧到生產物流等動態特征信息。利用商品化CAD軟件AutoCAD提供的開發包ObjectARX二次開發工具包開發了二維生產線布局工具；利用Visual Studio C#2005開發了三維生產線布局仿真方案管理平臺FPS(Facility Planning System)，作為PPR信息到生產線系統仿真模型的接口，較好地實現CAD系統、生產信息以及生產線仿真建模系統的信息集成化，提高了快速構建生產線仿真模型的能力。

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

[2] Gabriel A. Burnett .Automating the development of shipyard manufacturing models[C]. Proceedings of the 40th Conference on Winter Simulation. December 7-10, 2008. Miami, Florida, USA: Winter Simulation Conference ?2008,1761-1767.

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[7] 范秀敏，任培恩，衛東，等.基于標準作業時間和仿真的裝配線規劃[J].工業工程與管理，2001(5):10-13.

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[11]王長偉.生產線快速建模與仿真系統關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

(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，上海交通大學碩士研究生，研究方向為制造系統建模與仿真，(E-mail)ballboy9005@163.com。

TH166;TG65

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