基于PlantSimulation的航空综合机加厂房布局仿真研究

第２０卷第３期　２０１３年６月　工　程　设　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　报　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｖｏ１．２Ｏ　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１３　ＤＯＩ：１０．３７８５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７５４Ｘ．２０１３．０３．００６　基于Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的航空综合机加厂房　布局仿真研究　张　超　，李　慧，田　恺　（中国航空规划建设发展有限公司工程技术研究院，北京１００１２０）　摘　要：科学的生产设置布局规划对航空制造业降低生产成本、提高产品质量尤为重要．以某民用航空发动机传动　系统的齿轮和机匣综合加工厂房的规划设计为例，根据厂房设施布置的一般原则，以齿轮和机匣的年产量目标、产　品加工工艺、单工艺加工面积需求为设计输人，并考虑各加工区的加工特点而带来的位置约束性，采用遗传算法与　模拟退火算法相结合的混合遗传算法为优化工具，将特定的功能区固化在基因串特定的位置上来满足位置约束．　计算得出优化方案后，以Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ为仿真平台，建立该综合机加厂房的仿真模型，从产量满足率、设备利用　率、在制品库存量和生产线稳健性等多个指标进行了设施布局的仿真评价．结果表明，优化后的系统能够很好满足　生产纲领，各关键设备负载比较均衡，同时维持低水平的在制品库存量，且生产线稳健性较好．因此，综合运用混合　学．计　．Ｅ蕃ｅ皇　遗传算法与Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ仿真可以为生产设施布局问题给出一种有效、直观的解决方案，且由离散事件仿真获　取的评价指标能深刻体现方案的优劣．　关键词：生产系统；设施布局；混合遗传算法；Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　中图分类号：Ｖ　２６８．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００６～７５４Ｘ（２Ｏ１３）０３～０１９９—０９　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｌａｙｏｕｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｃｈａｏ，ＬＩ　Ｈｕｉ，ＴＩＡＮ　Ｋａｉ　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｃｈｉｎａ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ　ｓｏｕｎｄ　１ａｙｏｕｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｓ　ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆｏｒ　ａｎ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ｍａｎｕｆａｃ—　ｔｕｒｉｎｇ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｗｈｏｓｅ　ｓｕｒｖｉｖａｌ　ｌａｒｇｅｌｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｄ　ｏｎ　ｌｏｗ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｓｔｓ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ—ｑｕａｌｉｔｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ．　Ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｌａｙｏｕｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｆａｃｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｄｕｃｅｓ　ｇｅａｒｓ　ａｎｄ　ｈｏｕｓｉｎｇｓ　ｆｏｒ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｃｉｖｉｌ　ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ，ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ．Ｃｏｍｐｌｙｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｐｒｉｎ—　ｃｉｐｌｅｓ　ｆｏｒ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｌａｙｏｕｔ，ｗｉｔｈ　ａｎｎｕａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ｇｅａｒｓ　ａｎｄ　ｈｏｕｓｉｎｇｓ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃ　ａｎｄ　ａｒｅａ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｉｎｐｕｔｓ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｌａｙｏｕｔ　ｐｌａｎ　ｗａｓ　ｄｅ—　ｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｖｉａ　ｈｙｂｒｉｄ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕ—　ｎｉｔ，ｂｒｏｕｇｈｔ　ｉｎｔｏ　ｂｅｉｎｇ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃｓ，ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ｆｉｘｉｎｇ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｚｏｎｅｓ　ｕｐｏｎ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ｓｔｒｉｎｇ　ｃｏｍｐｕｌｓｉｖｅｌｙ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｌａｙｏｕｔ　ｐｌａｎ　ｗａｓ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ，ｉｔ　ｗａｓ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｎ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａ　ｆｅｗ　ｋｅｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｒａｔｅ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ，ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　ｓｅｍｉ－ｆｉｎ—　ｉｓｈｅｄ　ａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｌａｙｏｕｔ　ｃｏｕｌｄ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｄｅｍａｎｄｓ．ｔｈｅ　ｌｏａｄｓ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｂａｌａｎｃｅｄ　ａｎｄ　ｌＯＷ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｏｆ　ｓｅｍｉ—ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗａｓ　ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ．Ｈｅｎｃｅ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｇｅ一　收稿日期：２０１２一ｉ０—２２．　作者简介：张超（１９８１一），男，湖北黄石人，高级工程师，博士，从事启发式优化算法、计算机仿真等研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｔｔｌｅｈｅｕｎｇ＠　ｑｑ・ｃｏｒｎ．　工程设计学报　第２Ｏ卷　ｎｅｔｉｃ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｖｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｏｃｕｌａｒ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｒｏｄｕｃ—　ｔｉｏｎ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｌａｙｏｕｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ　ａｓｓｅｓｓｅｄ　ｖｉａ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｖｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｌａｙｏｕｔ　ｄｅｓｉｇｎ；ｈｙｂｒｉｄ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　高质量的产品、低成本、准确的交货期是企业应　对激烈的市场竞争的基础．企业的设施布局是否合　理、物流是否顺畅有序直接影响着企业的生产效率　和生产成本．伴随着系统仿真技术的出现与迅速发　１厂房设施布置一般原则　厂房设施布置是根据企业的经营目标和生产纲　领，在已确定的空间场所内，按照从材料的接收、零　件和产品的制造、装配，到成品的包装、发运的全过　程，将人员、设备、物料等形成的经济活动单元所需　展，将仿真技术应用于企业的设施规划与设计、分析　和验证，可以动态模拟产品的生产制造流程，不消耗　任何真实制造资源，预测制造系统状态，从而可以做　出前瞻性的决策和优化实施方案，因而被广泛应用　于复杂制造系统的设计、调度和规划中，对于提高设　施布置水平和生产线效率具有重要的意义．已经有　众多研究者利用仿真工具研究设施规划问题，主要　研究聚焦在设施布置仿真和生产节拍控制仿真上．　肖吉军等［１］讨论了在生产物流系统规划中利用　Ｗｉｔｎｅｓｓ软件进行仿真的方法，进行方案优选，并通　过设置参数达到优化生产过程的目的．何智春　采　用Ｆｌｅｘｓｉｍ对机加工车间布置的基本布局形式、物　流路径以及搬运系统作了整体的建模与仿真，并结　合ＡＨＰ法对多方案进行了综合评价，获得了改善　后的最优方案．李晓峰等［３　以某厂搅拌机车问为研　究对象，利用Ｄｅｌｍｉａ／Ｑｕｅｓｔ，对车间物流的建模和　仿真进行了分析，为工厂的前期规划提供了优化建　议．谢磊¨４　利用ｅＭ—Ｐｌａｎｔ对船舶建造流程进行了建　模与仿真，对提高造船效率、改善资源平衡进行了有　意义的研究．张如杰等　］应用ｅＭ～Ｐｌａｎｔ对机车预组　装生产线进行了物流仿真，并在保证设备利用率的　基础上，通过压缩节拍，达到了生产线均衡的效果．　肖超等　以汽车变速器装配线为研究对象，用ＳＩ　Ｐ　理论和ｅＭ－Ｐｌａｎｔ仿真相结合的方法进行变速器装　配线规划．　就众多生产设施规划问题研究而论，多数研究　对象的规模相对较小、产品种类相对较少，而航空制　造业以多品种、小批量为主要特点，对设施布置方案　进行多指标仿真评价的相关仿真研究尚不多见．本　文以某航空发动机传动系统的齿轮与机匣综合加工　厂房的规划设计为例，结合混合遗传算法给出了基　础优化方案，并以Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ为仿真平台，建　立了该综合机加厂房的仿真模型，从产量满足率、设　备利用率、在制品库存量和生产线稳健性等多个指　标进行了设施布置的仿真评价，为生产设施布局问　题给出一种有效、直观的解决方案．　要的空间作最适当的分配和最有效的组合，以便获　得最大的生产经济效益．　设施布置有３种基本类型：工艺原则布局、产品　原则布局和固定位置布局，另外还有一种混合形式　（成组技术或单元布置）的布局．不论采取何种布局　形式，合理的生产线应尽量减少迂回、停顿和搬运，　并有效利用人力资源和厂房面积，这不仅能使物流　更加畅通，而且能有效提高生产效率．厂房设施布置　应遵循以下原则．　１．１流动有序。移动距离最短　航空制造业最显著特点是“多品种、小批量”，对　生产设施适应性要求较高．综合机加厂房里的主要　流动可分为物料流动和人员流动．合理的物流可以　减少在物流上所花费的人力、物力，达到降低成本和　改善质量的效果．生产线布置设计要与相应产品机械　加工和装配工艺流程统一协调，保证物料流设计的合　理性，即尽可能保证主产产品的机械加工和装配过程　连续、流畅，尽可能避免或减少中间停顿、物料流交叉　和长距离运输，尽可能缩短主流程的移动距离．　１．２合理有效利用面积　厂房面积应合理有效地利用，当需要对未来生　产面积预留时，应留出整块的面积．设备之间的间隔　设计除防止工作面干涉外，还应在保证一定维修空　间的条件下尽量减小．这样不仅可以提高面积利用　率，也减少了人员的步行距离．通道宽度的设计需根　据人员的流量、物流量来考虑，并考虑可能出现的大　体积物料发生干涉．　１．３弹性原则　弹性是指设施设计要具有灵活性，能够适应扩　建和一定程度的变更，即在花费最小化的条件下，对　生产线布置进行调整．在生产线设计阶段，必须对易　于移动设备和固定位设备加以分析，尤其对酸洗等　第３期　张超，等：基于Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的航空综合机加厂房布局仿真研究　工艺设备应仔细斟酌布置位置，否则一旦建成后再　往复，顺序化特征明显．齿轮产品序列中，小齿轮的　产量需求高达３．８万件，因此齿轮的生产布置成流　水线生产，且按照齿轮的直径分为小齿轮、中齿轮、　要移动将造成巨大的成本支出；对易于移动的设备　则应留有余地，以适应可能的变化．此外，还应将如　何防止加工设备之间的相互干扰纳人考虑，如振动　光饰等振动较强的设备宜远离精密机床．　１．４现场可视化管理　大齿轮进行分线生产．机匣产品序列中，不同类型产　品在独立的生产区加工，而且机匣的热处理前加工　依靠单台数控加工中心即可完成，因此机匣和变速　箱壳分成２个独立的加工区，且设备按照成组式单　元布局．　生产现场的可视化管理能显著提高管理效率、　生产效率、产品质量，提高生产现场问题的快速响应　能力，这就要求将现场办公区置于厂房中间区域，周　综合机加厂房内的物流搬运发生于２３个区域　之间：毛坯检验区、毛坯存放区、热处理前机加区、机　边没有遮挡视线的设施，如立体库等．　１．５安全和简单化　安全生产是任何生产厂的基本目标之一．保证　工人工作安全、身心健康是生产线设计的基本要求，　必须遵循一系列相应的设计规范和强制条件．此外，　生产线的布置力求简洁，各功能单元职能清晰，使管　理简便，避免复杂化．　２设施布置设计实例及仿真建模　２．１基本设计输入　某航空综合加工厂房主要承担直升机传动系统　的产品生产，主产品为航空发动机传动系统的齿轮　与机匣，具体包括传动系统的齿轮、机匣、变速箱壳、　转接座的机械加工，并包括了振动光饰、酸洗、荧光　检验、喷漆、试验、装配、包装等生产工艺．　作为该综合加工厂房的重要设计输入，其主产　产品的生产纲领为：１）小齿轮（　≤１８０　ｒａｍ）３８　０００　件；２）中齿轮（１８０　ｍｍ＜　≤５００　ｍｍ）４　５００件；３）大　齿轮（　＞５００　ｒａｍ）２００件；４）机匣２８０件，其中４０　件为装配成品（由机匣壳、大齿轮、中齿轮、小齿轮和　转接座装配而成）；５）变速箱壳１　６５０件；６）转接座　１０　０００件．　由于该厂房属于综合机加厂房，产品加工所依　赖的设备以机械加工设备为主，毛坯件经过检验后，　运往粗加工区进行粗加工，如去车床、钻床、数控加　工中心等，随后的热处理工艺通过厂房外部的热处　理中心进行，然后进行精加工、精密磨削，接着进行　酸洗、检测、部装、总装等工艺，直至最终成品．齿轮　和机匣的主体工艺流程见图１．　２．２设施布置方案　２．２．１物流量从至袁　由前述的齿轮、机匣、转接座类产品的生产工艺　可知，这些产品的工艺流程尽管繁多但基本不存在　匣机加区、机匣钳工区、机匣检验区、荧光检验区、综　合存放区、热处理后机加区、酸洗间、齿轮钳工区、振　动光饰间、齿轮检验间、齿轮终检间、机匣部装区、机　匣压力试验区、机匣喷漆区、机匣清洗区、机匣测量　区、齿轮测量区、装配准备区、机匣装配区和复检包　装区．各功能区的加工设备台套数决定了其面积需　求．将生产纲领输入后经简化可形成矩阵规模为　２３×２３的物流量从至表（表１）．　２．２．２　目标函数　设施布置的目标函数有多种形式，常用的有物　流运输成本最小化和综合指标最优化，其约束条件　包括：车间面积及形状、生产单元面积及形状要求、　位置有特殊要求的生产单元限制等　］．本文采用物　流运输成本最小化为目标函数．　设物料从至矩阵为Ｑ，物料的运输单位成本矩　阵为ｃ，优化目标函数为　Ｆ—ｒａｉｎ（∑∑∑∑ｑｏｃｏａ　ｎ　），　ｉ＝　一　ｌ＝１　其中：　为设备总数；ｍ为位置总数；ｑ　ｆ表示设备ｉ到　设备Ｊ的物料流量，该流量可以用质量或输运频次　表示　Ｃ表示单位流量物料从设备ｉ到设备　的单位　运输成本，与两设备之间的运输距离成正比，设ｄ　表示设备ｉ到设备Ｊ的物料运输距离，成本系数为　，　且Ｃ　，一Ａｄ　ｎ　Ｅ｛０，１），当设备ｉ在位置ｋ时，口　一　１，否则ａ　＝０；ａ　Ｅ｛０，１），当设备Ｊ在位置ｌ时，　一１，否则ａ，￡一０．　本研究简化了各生产单元的面积约束，将其视　为点，其位置约束通过基因模板，即将特定的功能区　固化在基因串特定的位置上强制实现．通过这种设　定能大幅减少搜索空间，实现对现有条件的考虑，使　优化后的结果更贴合实际需求．　２．２．３混合遗传算法　ＧＡＳＡ混合优化算法既包含了遗传算法的选　择、复制、交叉、变异等操作，又包含拟退火算法的状　态产生函数等不同的邻域搜索结构．　第３期　张超，等：基于Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的航空综合机加厂房布局仿真研究　・２０３・　表１运输量从至表　Ｔａｂｌｅ　１　Ｆｒｏｍ－ｔｏ　ｍａｔｒｉｘ　…　毛坯毛坯热前机匣机匣机匣荧光综合热后酸洗齿轮振动齿轮齿轮机匣压力机匣机匣机匣齿轮装配机匣复检　　。检验存放机加机加钳工检验检验存放机加间钳工光饰检验终检部装试验喷漆清洗测量测量准备装配包装　变异算子采用随机生成２个变异基因位，并交　降函数．ＧＡＳＡ算法终止准则采用搜索到的最优个　换基因位基因形成新个体．对某个个体，当满足变异　体对应的适应度函数连续若干代不变化时终止．　概率时，随机生成一对整数（ｒ　，ｒ　）作为变异基因　２．２．４　方案计算　位，ｒ　，ｒ　∈｛０，ｍ｝，　为待布置的位置数；交换染　本厂房内的物料流动可以分为齿轮流和机匣　色体中第ｒ　位、第ｒ　位的基因，得到新个体，此时应　流，尽量缩小这２条价值流的流动距离，可以使全部　注意防止２个基因位均为空的无效变异发生．模拟　的物流量为最小或接近最小值．另外考虑以下约束　退火算法的突变操作也由变异算子完成．ＳＡ操作　条件：１）本综合加工厂房的热处理工艺需要外协，而　时当前状态变量最终能否迁移到新的状态变量取决　热处理厂房位于本地块的东侧，在要求距离越短越　于接受概率．为进一步防止早熟，采取小部分精英个　好的条件下，这就确定了收发货车门斗位于本厂房　体直接进人下一代的进化策略．　的东墙；２）喷漆问根据国家建筑防爆规范要求必须　在每一代的模拟退火计算过程中，抽样稳定准　贴近外墙；３）酸洗间因为本身存在污染，也宜布置在　则用来确定ＳＡ操作的循环次数ｎ　，本文设定循环　贴近外墙的部位；４）振动光饰间因设备存在振动，应　上限及连续检查若干次目标函数值的变化，如果达　将其布置到远离高精度机加、检测等设备的位置，从　到循环上限或者个体适应度函数变化小于某个给定　而避免影响质量；５）现场办公室布置在加工区中间　的小的正实数，则进入下一代的计算，并执行温度下　区域，可以有效减少人员的步行距离，也有利于生产　工程设计学报　第２Ｏ卷　此处仅选取利用率在８０　９，６以上的设备进行分析．由　表３可知，小齿轮的各机加区的关键设备利用率都　较高，平均在８５％左右，而对于中齿轮热处理前区　域的车铣复合加工中心和转接座加工区的五轴加工　中心，其利用率达到了９０％以上，可能构成实际生　产线的瓶颈．　表３利用率８０％以上的设备　Ｔａｂｌｅ　３　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ≥８０　３．３生产线稳健性　为了对生产线的稳健性进行评价，研究中设置　了较为极端的条件：将小齿轮热处理后设备、中齿轮　热处理前设备、大齿轮热处理前设备、转接座机加设　备、变速箱加工设备和主机匣机加设备分别设置为　８０％的可用性，逐次试验并据此观察生产线产量和　在制品库存．结果如表４所示．　个　表４关键设备可用性为８０％的仿真值　Ｔａｂｌｅ　４　Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｈｅｎ　ｋｅｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　８０　表４表明：仅变速箱加工区在设备故障达到　２０　时仍然能够完成生产计划；齿轮区单一区域关　通过仿真分析可以看出，本综合机加厂房的设　计方案基本能够满足生产纲领要求，且在较极端条　键设备故障，不会影响到其他产品的产量；小齿轮热　处理后故障使产出减少约１２　９／６；中齿轮或大齿轮热　处理前故障使产出分别减少约１５　或１Ｏ　；主机匣　加工区设备故障使主机匣减产约１Ｏ　，并且由于参　与装配机匣产量相应降低，将影响到装配产品的产　量；而转接座加工区设备故障造成转接座产量１７　件下，各产品线之间的相互干扰较少．但应注意到，　转接座加工能力刚刚能够满足生产需求，可能构成　整个机匣、变速箱生产的瓶颈，应考虑增加相应加工　设备．　从本设计实例也可以看出，用Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　对规划中的生产线进行建模，能够简单真实地识别　系统存在的问题，为评估、优化系统起到很好的辅助　作用．　的大幅下降，进而影响到主机匣和装配件产品的　产量．　第３期　张超，等｛基于Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的航空综合机加厂房布局仿真研究　・２０７・　４　结　语　利用Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ对规划的生产系统进行　建模，建模的过程较为简单快捷，模块化程度高，层　次化的模型树结构非常便于建模工作展开，而且能　有效地分析出生产系统可能存在的问题，对提高生　产线设计的效率和质量都有重要的意义．通过研究，　可得出以下结论：　１）本文根据生产纲领、工时参数、加工工艺等实　际数据由混合遗传算法得到优化后设计方案，并用　Ｐｌａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ建立系统的仿真模型．　２）通过多次仿真模型试验，对生产绩效评价指　标进行了分析，验证了方案的合理性并识别出应注　意的关键工位．　３）研究结果表明，采用离散事件仿真软件对生　产设施布局的生产物流进行仿真模拟，具有直观、方　便、经济、快捷、结合实际程度较高等优点，是指导设　施布局并辅助决策的一种有效方法．　参考文献：　Ｅｌｌ肖吉军，李军．Ｗｉｔｎｅｓｓ仿真在企业生产物流系统规划　中的应用Ｅｃ］／／全国第十届企业信息化与工业工程学术　年会论文集．北京：电子工业出版社，２００６：１１６一ｎ８．　ＸＩＡＯ　Ｊｉ－ｊ　ｕｎ。ＬＩ　Ｊｕｎ．Ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｔｎｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ　Ｃｃ３／／Ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌＯｔｈ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—　ｉｎｇ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００６　ｌ　Ｉ　１　６－１　１８．　Ｅ２］何智春．基于Ｆｌｅｘｓｉｍ的机加工车间设施布置建模与仿　真［Ｄ］．武汉：武汉理工大学机电工程学院，２００９：　２９—５６．　ＨＥ　Ｚｈｉ—ｃｈｕｎ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉ　ｃａｌ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　ｌａｙｏｕｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｌｅｘｓｉｍ［Ｄ］．　Ｗｕｈａｎ：Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９：２９—５６．　［３１李晓峰，王晓枫．基于Ｑｕｅｓｔ的车间物流建模和仿真　［Ｊ］．物流科技，２０１１（１１）：８５—８９．　ＬＩ　Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ．Ｑｕｅｓｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ－ｂａｓｅｄ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｌｏｇｉｓ—　ｔｉｃｓ　Ｓｃｉ—Ｔｅｃｈ，２０１Ｉ（１１）：８５—８９．　［－４－］谢磊．基于Ｅｍ—Ｐｌａｎｔ的船舶建造流程建模与仿真［Ｄ］．　上海：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，２００９：　４６—８Ｏ．　ＸＩＥ　Ｌｅｉ．　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　Ｅｍ－Ｐｌａｎｔ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｎａｖａｌ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９：４６—８０．　［５］张如杰，杨自建，王伟，等．Ｅｍ－Ｐｌａｎｔ在机车预组装生产　线建模与物流仿真中的应用［Ｊ］．装备制造技术，２０１２　（５）：１４０－１４３．　ＺＨＡＮＧ　Ｒｕ－ｊｉｅ。ＹＡＮＧ　Ｚｉ—ｊｉａｎ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ，ｅｔ　ａ１．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｍ—－Ｐｌａｎｔ　ｉｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ　ｓｉｎｍ—＿　ｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｌｉｎｅ［Ｊ］．Ｅ—　ｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２０１２（５）：　１４０－１４３．　［６］肖超，陈书宏．基于ＳＬＰ和Ｅｍ－ｐｌａｎｔ的变速器装配线规　划研究［Ｊ］．工程设计学报，２０１０，１７（６）：４３０—４３４．　ＸＩＡ０　Ｃｈａｏ，ＣＨＥＮ　Ｓｈｕ－ｈｏｎｇ．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｓｔｕｄｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＬＰ　ａｎｄ　Ｅｍ－Ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ，２０１０，１７（６）：４３０　４３４．　［７］张毕西，周艳，刘鑫．离散生产系统车间设施布置优化　［Ｊ］．工业工程，２００４，７（２）：８－１１．　ＺＨＡＮＧ　Ｂｉ—ｘｉ。ＺＨＯＵ　Ｙａｎ，ＬＩＵ　Ｘｉｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｆｏｒ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓ—　ｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００４，７（２）：８—　１１．　［８］ＢＡＲＲＡＬ　Ｄ，ＰＥＲＲＩＮ　Ｊ—Ｐ，Ｄ０ＭＢＲＥ　Ｅ，ｅｔ　ａ１．Ｓｉｍｕｌａ—　ｔｅｄ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｗｏｒｋｃｅｌｌ　ｌａｙｏｕｔ［Ｊ］．Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａ—　ｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２００１，１７（８）：５９３—６０２．　［９］王小平，曹立明．遗传算法一一理论、应用与软件实现　［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，２００２：３３—３４．　ＷＡＮＦ　Ｘｉａｏ—ｐｉｎｇ，ＣＡＯ　Ｌｉ—ｍｉｎｇ．Ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ－－　ｔｈｅｏｒｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ［Ｍ］．Ｘｉ’ａｎ：Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏ—　ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００２：１７—１８．　［１ｏ］王凌．智能优化算法及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出　版社，２００４：１７—１８．　ＷＡＮＦ　Ｌｉｎｇ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｗｉｔｈ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ＇　２００４　ｌ　１７－１８．　［１１］张超，常秀娟，冯烨．基于混合遗传算法的设备布局　设计［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１０（９）：　１０４—１１１．　ＺＨＡＮＧ　Ｃｈａｏ，ＣＨＡＮＧ　Ｘｉｕ－ｉｕａｎ，ＦＥＮＧ　Ｙｅ．Ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｙ—　ｂｒｉｄ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｊ］．Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ＆　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ・　２０１０（９）：　１０４—１１１．