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摘要：数字化生产车间是制造业现代化建设与智能化发展的重要表现。随着数字化工程技术的应用与发展，企业生产力、管控力、竞争力大幅度提升。因此，做好数字化生产车间设计工作至关重要。车间布局作为数字化车间设计中的重点内容，其质量的高低对数字化生产车间作用发挥存在直接影响。对此，文章围绕数字化生产车间布局，就其意义、基础理论、实施步骤进行了分析，并以采煤机生产车间为例，对数字化生产车间布局进行仿真分析，促进数字化生产车间优化的有效实现。
关键词：数字化生产车间;车间布局;布局优化;智能制造
在社会经济全球化发展的背景下，经济主体市场竞争日益激烈，产品生产质量、生产效率、生产成本、技术含量、服务水平等成为衡量产品制造企业市场竞争力的核心指标。而数字化工厂技术的提出与应用为制造企业创新与可持续竞争发展提供了路径。由于我国数字化生产车间的研究与应用起步较晚，在车间布局与优化方面仍存在诸多不足，制约了数字化生产车间应用价值的发挥。因此，有必要加强数字化生产车间的布局及优化研究，以更好指导车间规划设计实践，提升车间生产力。
一、数字化生产车间布局及优化意义分析
生产车间布局是生产车间设计与建设工作中的基础内容、重点内容，需要根据产品性质、类型、加工工艺、生产数量等要求，科学选择设备，并进行空间布局，以保证设备配置与运行空间上的连续性、适应性、协调性、安全性。而应用传统生产车间布局方法进行车间設计时，通常将车间单元布局与车间物流布局分开规划，且多凭借现场布局经验操作。这在一定程度上使生产车间布局具有了不确定性，很难保证设计规划方案的最优性，容易出现各种各样的问题。
例如，运用计算机辅助二维平面设计法，进行生产车间布局，无法有效判定设备空间布局是否满足设备运行需求，且对实践工作指导不足，降低车间布局实用性;凭借现场经验进行生产车间布局，对设计人员布局能力具有较高要求，如果设计人员对各类设备属性了解不足，将无法实现生产设备、加工设备、物流设备、辅助设备等之间的互联互通，不利于车间生产质量与效率提升。既有研究表示，优化的布局能够节约10%～30%的物料运输费用，提升20%～40%的生产效率，推动车间生产系统化、程序化、规范化发展，达到柔性生产需求。
基于制造业信息化、智能化建设进程的不断推进，数字化工厂技术得到迅速发展。它可通过设计、制造、装配、运输等虚拟仿真，加强工作人员对生产车间布局的认识，并根据生产车间各要素之间存在的关系，进行布局调整，从而获得最优布局方案。数字化工厂技术应用下的数字化生产车间布局及优化，为生产车间设计与建设提供了充足依据，利于制造企业生产车间生产力、管控力提升，利于企业创新与可持续竞争发展。
二、数字化生产车间布局的基础理论分析
（一）生产车间布局基本类型
基于经验归纳与总结可知，当前较为常见的生产车间布局类型主要“工艺式布局”、“产品式布局”、“固定工位式布局”、“细胞作业式布局”以及“成组式布局”等几种。合理选择布局类型，对布局优化存在积极影响。
工艺式布局，又被称为“功能式布局”，即将工艺一致或功能相似的设备集中起来进行生产车间布局。该布局虽然能够在一定程度上提高设备利用率，但生产物流成本增加，且需要工作人员具备多种作业能力。通常适用于小批量多类型产品生产车间。
产品式布局，又被称为“流水线布局”，即在特定产品生产中，将标准化的生产工序分成多个作业环节，一个环节视为一个单元模块，每个模块配有专用设备与操作人员完成相应生产任务。该布局能够有效提高工件运输效率，缩短产品生产时间，但对设备故障响应不足，适用于大批量少种类规范化产品生产。
固定工位式布局，是以生产对象为中心，围绕生产对象位置进行布局。该布局虽然能够减少物料运输，但增加了人员与设备移动距离。一般运用于大型产品生产车间，如飞机生产车间、船舶生产车间等。
细胞作业式布局，即根据生产对象类型、工艺、数量等要求，灵活设置生产单元，用以应对市场需求。该模式可在一定程度上节约生产空间，保证各单元之间沟通与交流。
成组生产式布局（如图1），则是将同类型工件或同工艺工件划分为一组，如“零件组”、“机械组”等。并在此基础上，将使用频率相对较高的设备按照工艺操作流程进行科学摆放，将工艺布局转化为伪产品布局。相对于工艺布局、产品布局而言，其柔性更强，能够提高设备利用率，节约物流时间，但对管理具有较高要求，属于较为先进的生产车间布局方式，在批量生产适中的多类型产品生产车间具有较强实用性。
（二）生产车间布局基本原则
在生产车间布局过程中，为保证布局的科学性、有效性，需要注重以下基本原则的遵守：1.系统性原则，即产品生产过程是一个系统、综合、复杂过程，涉及生产设备、生产工艺、生产人员、生产物料等众多内容。对此，在车间布局时需要遵循系统性原则，进行综合分析。2.物流优化原则，物流运输（包括设备、物料、人员、成品等）是生产车间必不可少的内容。物流速率在一定程度上决定了生产速度。在保证工艺稳定运行，产品生产安全的基础上，缩短物流路线现实意义显著。因此，车间布局时需遵循物流优化原则，加强物流单元设计，保证流入与流出通畅。3.各种流统一原则，即在生产车间布局及优化过程中，需要对物流、信息流、人流、价值流等进行统一设计，提升对各种流的管理监督能力，促进流与流之间的互联互通。4.扩展性原则，即在充分利用现有资源进行生产车间布局设计时，需要根据企业战略发展目标，为后续布局留有余地，以满足车间生产可持续发展需求。
三、数字化生产车间布局及优化实施步骤
在生产车间布局及优化过程中，设计利用建模与仿真技术构建数字化生产车间布局模型，基于模型进行定性与定量分析（如设备利用情况、空间利用情况、物流运输情况等）获取布局优化方案，为实践工作开展提供有益指导。实施步骤如下。 1.基于调查研究对厂房面积、现有生产设备、区域内工艺流程、厂房加工能力、场地利用率等具有全满且准确了解。
2.在既有条件下完成生产车间平面布局图设计工作，包括生产单元平面设计图、物流单元平面设计图等。
3.运用Deeep Exploration软件对二维模型进行处理，利用Creator、Flexsim、Witness、ExtendSim等仿真软件将二维布局图定位在三维模型中，让模型具备立体化、可视化特征。
4.通常情况下，三维模型中涉及到的物理信息主要有生产车间建筑模型、生产车间设备模型、生产车间制品模型、生产车间输送系统模型、生产车间工人模型等;涉及到的逻辑信息主要有生产信息、产品生产工艺信息等。
5.在完成生产车间可视化三维模型搭建之后，由相关工作人员对模型进行综合分析，及时发现车间布局存在的问题，并给予调整、修改、完善。对于存在较多争议的地方，可通过多种布局方案比较的方式，进行最优方案选择与确定满足制造业对生产车间布局的要求。
四、数字化生产车间布局及优化仿真分析
（一）生产车间基本情况
本研究中的采煤机生产车间长252m，宽96m，涉及摇臂壳体加工、行走壳体加工、牵引壳体精加工、单板加工、电控箱焊接、机械涂装等众多工艺。其生产制造过程属于典型的离散过程。根据数字化生产车间布局及优化实施步骤，在仿真准备阶段，需要生产车间核心工艺流程具有全面了解。例如，摇臂壳体在生产过程中需要严格遵循“划线—半精加工1—焊水道盖板—热处理—耐磨网焊接—水压试验—退火—喷丸—底漆—划线—基准—装夹—半精加工2——精加工—钻孔—腔体水压试验—面漆—转部装”等流程操作。涉及到的输送设备主要有牵引车、行车、平板车、叉车等。
（二）仿真分析基本目标
仿真分析的目的在于：验证物流系统配置与规划的合理性;验证生产设备、物流设备、辅助设备等配置是否满足车间生产能力;确定缓冲区容量是否满足实际需求;确定生产控制与物流控制逻辑关系;验证生产车间整体布局的科学性、合理性、有效性，明确布局方案存在的不足并进行优化。
（三）生产车间模型搭建
基于科学技术的创新发展，仿真软件呈现出多样化发展，综合分析各软件平台在本研究项目中的适应性，最终确定选择QUEST软件进行生产车间生产线模型构建。为提高软件操作简便性，先根据调查研究所的信息，进行ProE模型构建，在运用Deep Exploration软件处理，最后导入QUEST软件。通过Display下的“3D File/Select from library”找到机械模型并通过模型替换获取生产车间物流仿真模型，并在相应界面将仿真参数输入，运用SCL语言编写模型控制逻輯。
（四）仿真结果与布局优化
仿真结果显示，焊水道盖板工序、摇臂钻孔工序中的设备利用率较低，在5%～10%左右;划线台对车间生产能力的影响较大，属于生产瓶颈区。优化后，设备利用率提高2.1～50.7%;关键工序制品量有所增长，基本符合车间生产需求。
五、结语
综上所述，数字化生产车间的布局及优化对生产制造企业可持续竞争发展的意义是显著的。然而数字化生产车间布局及优化是一项复杂工程，设计内容相对较多。需要车间设计规划人员能够立足生产车间实际情况与需求，严格遵循数字化工厂技术应用原则进行布局，同时善于通过仿真模型构建进行布局优化分析，为车间建设实践工作开展提供支持，推动数字化生产车间在现实中的运用与发展。
参考文献：
[1]王明超，周明康.数控机床与机器人一体化车间多目标优化布局[J].组合机床与自动化加工技术，2020（07）：142-146+150.
[2]余文泰，张得志.基于智能制造的生产车间物流配送优化[J].物流工程与管理，2020，42（06）：6-11.
[3]赵浩然，刘检华，熊辉，等.面向数字孪生车间的三维可视化实时监控方法[J].计算机集成制造系统，2019，25（06）：1432-1443.
[4]唐堂，滕琳，吴杰，等.全面实现数字化是通向智能制造的必由之路——解读《智能制造之路：数字化工厂》[J].中国机械工程，2018，29（03）：366-377.
*基金项目：湖南省大学生创新创业训练计划项目：中小制造企业生产车间设备布局设计（项目编号：S202013924006）。
（作者单位：湖南交通工程学院）
关键词：数字化生产车间;车间布局;布局优化;智能制造
在社会经济全球化发展的背景下，经济主体市场竞争日益激烈，产品生产质量、生产效率、生产成本、技术含量、服务水平等成为衡量产品制造企业市场竞争力的核心指标。而数字化工厂技术的提出与应用为制造企业创新与可持续竞争发展提供了路径。由于我国数字化生产车间的研究与应用起步较晚，在车间布局与优化方面仍存在诸多不足，制约了数字化生产车间应用价值的发挥。因此，有必要加强数字化生产车间的布局及优化研究，以更好指导车间规划设计实践，提升车间生产力。
一、数字化生产车间布局及优化意义分析
生产车间布局是生产车间设计与建设工作中的基础内容、重点内容，需要根据产品性质、类型、加工工艺、生产数量等要求，科学选择设备，并进行空间布局，以保证设备配置与运行空间上的连续性、适应性、协调性、安全性。而应用传统生产车间布局方法进行车间設计时，通常将车间单元布局与车间物流布局分开规划，且多凭借现场布局经验操作。这在一定程度上使生产车间布局具有了不确定性，很难保证设计规划方案的最优性，容易出现各种各样的问题。
例如，运用计算机辅助二维平面设计法，进行生产车间布局，无法有效判定设备空间布局是否满足设备运行需求，且对实践工作指导不足，降低车间布局实用性;凭借现场经验进行生产车间布局，对设计人员布局能力具有较高要求，如果设计人员对各类设备属性了解不足，将无法实现生产设备、加工设备、物流设备、辅助设备等之间的互联互通，不利于车间生产质量与效率提升。既有研究表示，优化的布局能够节约10%～30%的物料运输费用，提升20%～40%的生产效率，推动车间生产系统化、程序化、规范化发展，达到柔性生产需求。
基于制造业信息化、智能化建设进程的不断推进，数字化工厂技术得到迅速发展。它可通过设计、制造、装配、运输等虚拟仿真，加强工作人员对生产车间布局的认识，并根据生产车间各要素之间存在的关系，进行布局调整，从而获得最优布局方案。数字化工厂技术应用下的数字化生产车间布局及优化，为生产车间设计与建设提供了充足依据，利于制造企业生产车间生产力、管控力提升，利于企业创新与可持续竞争发展。
二、数字化生产车间布局的基础理论分析
（一）生产车间布局基本类型
基于经验归纳与总结可知，当前较为常见的生产车间布局类型主要“工艺式布局”、“产品式布局”、“固定工位式布局”、“细胞作业式布局”以及“成组式布局”等几种。合理选择布局类型，对布局优化存在积极影响。
工艺式布局，又被称为“功能式布局”，即将工艺一致或功能相似的设备集中起来进行生产车间布局。该布局虽然能够在一定程度上提高设备利用率，但生产物流成本增加，且需要工作人员具备多种作业能力。通常适用于小批量多类型产品生产车间。
产品式布局，又被称为“流水线布局”，即在特定产品生产中，将标准化的生产工序分成多个作业环节，一个环节视为一个单元模块，每个模块配有专用设备与操作人员完成相应生产任务。该布局能够有效提高工件运输效率，缩短产品生产时间，但对设备故障响应不足，适用于大批量少种类规范化产品生产。
固定工位式布局，是以生产对象为中心，围绕生产对象位置进行布局。该布局虽然能够减少物料运输，但增加了人员与设备移动距离。一般运用于大型产品生产车间，如飞机生产车间、船舶生产车间等。
细胞作业式布局，即根据生产对象类型、工艺、数量等要求，灵活设置生产单元，用以应对市场需求。该模式可在一定程度上节约生产空间，保证各单元之间沟通与交流。
成组生产式布局（如图1），则是将同类型工件或同工艺工件划分为一组，如“零件组”、“机械组”等。并在此基础上，将使用频率相对较高的设备按照工艺操作流程进行科学摆放，将工艺布局转化为伪产品布局。相对于工艺布局、产品布局而言，其柔性更强，能够提高设备利用率，节约物流时间，但对管理具有较高要求，属于较为先进的生产车间布局方式，在批量生产适中的多类型产品生产车间具有较强实用性。
（二）生产车间布局基本原则
在生产车间布局过程中，为保证布局的科学性、有效性，需要注重以下基本原则的遵守：1.系统性原则，即产品生产过程是一个系统、综合、复杂过程，涉及生产设备、生产工艺、生产人员、生产物料等众多内容。对此，在车间布局时需要遵循系统性原则，进行综合分析。2.物流优化原则，物流运输（包括设备、物料、人员、成品等）是生产车间必不可少的内容。物流速率在一定程度上决定了生产速度。在保证工艺稳定运行，产品生产安全的基础上，缩短物流路线现实意义显著。因此，车间布局时需遵循物流优化原则，加强物流单元设计，保证流入与流出通畅。3.各种流统一原则，即在生产车间布局及优化过程中，需要对物流、信息流、人流、价值流等进行统一设计，提升对各种流的管理监督能力，促进流与流之间的互联互通。4.扩展性原则，即在充分利用现有资源进行生产车间布局设计时，需要根据企业战略发展目标，为后续布局留有余地，以满足车间生产可持续发展需求。
三、数字化生产车间布局及优化实施步骤
在生产车间布局及优化过程中，设计利用建模与仿真技术构建数字化生产车间布局模型，基于模型进行定性与定量分析（如设备利用情况、空间利用情况、物流运输情况等）获取布局优化方案，为实践工作开展提供有益指导。实施步骤如下。 1.基于调查研究对厂房面积、现有生产设备、区域内工艺流程、厂房加工能力、场地利用率等具有全满且准确了解。
2.在既有条件下完成生产车间平面布局图设计工作，包括生产单元平面设计图、物流单元平面设计图等。
3.运用Deeep Exploration软件对二维模型进行处理，利用Creator、Flexsim、Witness、ExtendSim等仿真软件将二维布局图定位在三维模型中，让模型具备立体化、可视化特征。
4.通常情况下，三维模型中涉及到的物理信息主要有生产车间建筑模型、生产车间设备模型、生产车间制品模型、生产车间输送系统模型、生产车间工人模型等;涉及到的逻辑信息主要有生产信息、产品生产工艺信息等。
5.在完成生产车间可视化三维模型搭建之后，由相关工作人员对模型进行综合分析，及时发现车间布局存在的问题，并给予调整、修改、完善。对于存在较多争议的地方，可通过多种布局方案比较的方式，进行最优方案选择与确定满足制造业对生产车间布局的要求。
四、数字化生产车间布局及优化仿真分析
（一）生产车间基本情况
本研究中的采煤机生产车间长252m，宽96m，涉及摇臂壳体加工、行走壳体加工、牵引壳体精加工、单板加工、电控箱焊接、机械涂装等众多工艺。其生产制造过程属于典型的离散过程。根据数字化生产车间布局及优化实施步骤，在仿真准备阶段，需要生产车间核心工艺流程具有全面了解。例如，摇臂壳体在生产过程中需要严格遵循“划线—半精加工1—焊水道盖板—热处理—耐磨网焊接—水压试验—退火—喷丸—底漆—划线—基准—装夹—半精加工2——精加工—钻孔—腔体水压试验—面漆—转部装”等流程操作。涉及到的输送设备主要有牵引车、行车、平板车、叉车等。
（二）仿真分析基本目标
仿真分析的目的在于：验证物流系统配置与规划的合理性;验证生产设备、物流设备、辅助设备等配置是否满足车间生产能力;确定缓冲区容量是否满足实际需求;确定生产控制与物流控制逻辑关系;验证生产车间整体布局的科学性、合理性、有效性，明确布局方案存在的不足并进行优化。
（三）生产车间模型搭建
基于科学技术的创新发展，仿真软件呈现出多样化发展，综合分析各软件平台在本研究项目中的适应性，最终确定选择QUEST软件进行生产车间生产线模型构建。为提高软件操作简便性，先根据调查研究所的信息，进行ProE模型构建，在运用Deep Exploration软件处理，最后导入QUEST软件。通过Display下的“3D File/Select from library”找到机械模型并通过模型替换获取生产车间物流仿真模型，并在相应界面将仿真参数输入，运用SCL语言编写模型控制逻輯。
（四）仿真结果与布局优化
仿真结果显示，焊水道盖板工序、摇臂钻孔工序中的设备利用率较低，在5%～10%左右;划线台对车间生产能力的影响较大，属于生产瓶颈区。优化后，设备利用率提高2.1～50.7%;关键工序制品量有所增长，基本符合车间生产需求。
五、结语
综上所述，数字化生产车间的布局及优化对生产制造企业可持续竞争发展的意义是显著的。然而数字化生产车间布局及优化是一项复杂工程，设计内容相对较多。需要车间设计规划人员能够立足生产车间实际情况与需求，严格遵循数字化工厂技术应用原则进行布局，同时善于通过仿真模型构建进行布局优化分析，为车间建设实践工作开展提供支持，推动数字化生产车间在现实中的运用与发展。
参考文献：
[1]王明超，周明康.数控机床与机器人一体化车间多目标优化布局[J].组合机床与自动化加工技术，2020（07）：142-146+150.
[2]余文泰，张得志.基于智能制造的生产车间物流配送优化[J].物流工程与管理，2020，42（06）：6-11.
[3]赵浩然，刘检华，熊辉，等.面向数字孪生车间的三维可视化实时监控方法[J].计算机集成制造系统，2019，25（06）：1432-1443.
[4]唐堂，滕琳，吴杰，等.全面实现数字化是通向智能制造的必由之路——解读《智能制造之路：数字化工厂》[J].中国机械工程，2018，29（03）：366-377.
*基金项目：湖南省大学生创新创业训练计划项目：中小制造企业生产车间设备布局设计（项目编号：S202013924006）。
（作者单位：湖南交通工程学院）