數字化生產車間的布局及優化分析

楊軍　丁周　閆德鑫

摘要：數字化生產車間是制造業現代化建設與智能化發展的重要表現。隨著數字化工程技術的應用與發展，企業生產力、管控力、競爭力大幅度提升。因此，做好數字化生產車間設計工作至關重要。車間布局作為數字化車間設計中的重點內容，其質量的高低對數字化生產車間作用發揮存在直接影響。對此，文章圍繞數字化生產車間布局，就其意義、基礎理論、實施步驟進行了分析，并以采煤機生產車間為例，對數字化生產車間布局進行仿真分析，促進數字化生產車間優化的有效實現。

關鍵詞：數字化生產車間;車間布局;布局優化;智能制造

在社會經濟全球化發展的背景下，經濟主體市場競爭日益激烈，產品生產質量、生產效率、生產成本、技術含量、服務水平等成為衡量產品制造企業市場競爭力的核心指標。而數字化工廠技術的提出與應用為制造企業創新與可持續競爭發展提供了路徑。由于我國數字化生產車間的研究與應用起步較晚，在車間布局與優化方面仍存在諸多不足，制約了數字化生產車間應用價值的發揮。因此，有必要加強數字化生產車間的布局及優化研究，以更好指導車間規劃設計實踐，提升車間生產力。

一、數字化生產車間布局及優化意義分析

生產車間布局是生產車間設計與建設工作中的基礎內容、重點內容，需要根據產品性質、類型、加工工藝、生產數量等要求，科學選擇設備，并進行空間布局，以保證設備配置與運行空間上的連續性、適應性、協調性、安全性。而應用傳統生產車間布局方法進行車間設計時，通常將車間單元布局與車間物流布局分開規劃，且多憑借現場布局經驗操作。這在一定程度上使生產車間布局具有了不確定性，很難保證設計規劃方案的最優性，容易出現各種各樣的問題。

例如，運用計算機輔助二維平面設計法，進行生產車間布局，無法有效判定設備空間布局是否滿足設備運行需求，且對實踐工作指導不足，降低車間布局實用性;憑借現場經驗進行生產車間布局，對設計人員布局能力具有較高要求，如果設計人員對各類設備屬性了解不足，將無法實現生產設備、加工設備、物流設備、輔助設備等之間的互聯互通，不利于車間生產質量與效率提升。既有研究表示，優化的布局能夠節約10%～30%的物料運輸費用，提升20%～40%的生產效率，推動車間生產系統化、程序化、規范化發展，達到柔性生產需求。

基于制造業信息化、智能化建設進程的不斷推進，數字化工廠技術得到迅速發展。它可通過設計、制造、裝配、運輸等虛擬仿真，加強工作人員對生產車間布局的認識，并根據生產車間各要素之間存在的關系，進行布局調整，從而獲得最優布局方案。數字化工廠技術應用下的數字化生產車間布局及優化，為生產車間設計與建設提供了充足依據，利于制造企業生產車間生產力、管控力提升，利于企業創新與可持續競爭發展。

二、數字化生產車間布局的基礎理論分析

（一）生產車間布局基本類型

基于經驗歸納與總結可知，當前較為常見的生產車間布局類型主要“工藝式布局”、“產品式布局”、“固定工位式布局”、“細胞作業式布局”以及“成組式布局”等幾種。合理選擇布局類型，對布局優化存在積極影響。

工藝式布局，又被稱為“功能式布局”，即將工藝一致或功能相似的設備集中起來進行生產車間布局。該布局雖然能夠在一定程度上提高設備利用率，但生產物流成本增加，且需要工作人員具備多種作業能力。通常適用于小批量多類型產品生產車間。

產品式布局，又被稱為“流水線布局”，即在特定產品生產中，將標準化的生產工序分成多個作業環節，一個環節視為一個單元模塊，每個模塊配有專用設備與操作人員完成相應生產任務。該布局能夠有效提高工件運輸效率，縮短產品生產時間，但對設備故障響應不足，適用于大批量少種類規范化產品生產。

固定工位式布局，是以生產對象為中心，圍繞生產對象位置進行布局。該布局雖然能夠減少物料運輸，但增加了人員與設備移動距離。一般運用于大型產品生產車間，如飛機生產車間、船舶生產車間等。

細胞作業式布局，即根據生產對象類型、工藝、數量等要求，靈活設置生產單元，用以應對市場需求。該模式可在一定程度上節約生產空間，保證各單元之間溝通與交流。

成組生產式布局（如圖1），則是將同類型工件或同工藝工件劃分為一組，如“零件組”、“機械組”等。并在此基礎上，將使用頻率相對較高的設備按照工藝操作流程進行科學擺放，將工藝布局轉化為偽產品布局。相對于工藝布局、產品布局而言，其柔性更強，能夠提高設備利用率，節約物流時間，但對管理具有較高要求，屬于較為先進的生產車間布局方式，在批量生產適中的多類型產品生產車間具有較強實用性。

（二）生產車間布局基本原則

在生產車間布局過程中，為保證布局的科學性、有效性，需要注重以下基本原則的遵守：1.系統性原則，即產品生產過程是一個系統、綜合、復雜過程，涉及生產設備、生產工藝、生產人員、生產物料等眾多內容。對此，在車間布局時需要遵循系統性原則，進行綜合分析。2.物流優化原則，物流運輸（包括設備、物料、人員、成品等）是生產車間必不可少的內容。物流速率在一定程度上決定了生產速度。在保證工藝穩定運行，產品生產安全的基礎上，縮短物流路線現實意義顯著。因此，車間布局時需遵循物流優化原則，加強物流單元設計，保證流入與流出通暢。3.各種流統一原則，即在生產車間布局及優化過程中，需要對物流、信息流、人流、價值流等進行統一設計，提升對各種流的管理監督能力，促進流與流之間的互聯互通。4.擴展性原則，即在充分利用現有資源進行生產車間布局設計時，需要根據企業戰略發展目標，為后續布局留有余地，以滿足車間生產可持續發展需求。

三、數字化生產車間布局及優化實施步驟

在生產車間布局及優化過程中，設計利用建模與仿真技術構建數字化生產車間布局模型，基于模型進行定性與定量分析（如設備利用情況、空間利用情況、物流運輸情況等）獲取布局優化方案，為實踐工作開展提供有益指導。實施步驟如下。