一种工业流水线车间布局规划方法

摘要

本发明公开了一种工业流水线车间布局规划方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，基于工艺的模块划分，得到工艺模块，将工艺模块和流水线进行简化；步骤2，建立工艺模块数据库并对工艺模块数据库进行配置；步骤3，建立数学模型；步骤4，采用启发式算法得到工业流水线车间布局结果。本发明规划方法解决了现有流水线车间布局方法易造成空间浪费且设计周期长的问题。

说明书

技术领域

本发明属于流水线车间布局技术领域，具体涉及一种工业流水线车间布 局规划方法。

背景技术

目前我国绝大多数企业在工业制造环节中对生产线及其在车间中的布 局主要处于“经验式”阶段，导致生产过程出现了大量时间资源与空间资源 上的浪费，车间的生产线科学化、合理化布局成为目前企业生产环节整改的 重要对象。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业流水线车间布局规划方法，解决了现有流 水线车间布局方法易造成空间浪费且设计周期长的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种工业流水线车间布局规划方法，具体 按照以下步骤实施：

步骤1，基于工艺的模块划分，得到工艺模块，将工艺模块和流水线进 行简化；

步骤2，建立工艺模块数据库并对工艺模块数据库进行配置；

步骤3，建立数学模型；

步骤4，采用启发式算法得到工业流水线车间布局结果。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，将基于流水线设备的子功能进行设备结构的模块划分，假设 流水线总工艺的集合为P＝{P

步骤1.2，将步骤1中的工艺模块和流水线均简化为三维包络方体，其 中三维包络方体的长度方向为流水线中整体物料流方向，三维包络方体的宽 度方向为垂直于流水线中整体物料流方向的方向，三维包络方体的高度方向 为垂直于地面竖直向上的方向；

步骤1.3，将步骤1.2中流水线简化的三维包络方体简化为其俯视图的二 维矩形包络，得到流水线二维矩形包络，根据具体工艺将流水线二维矩形包 络划分为上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模块二维矩形包络、收料工 艺模块二维矩形包络。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，根据步骤1得到的工艺模块划分工艺模块数据，将工艺模块 数据存储至工艺模块数据库，工艺模块数据库提取和整理工艺模块数据生成 工艺模块数据模型，则工艺模块数据模型为：

M＝{ID，Name，ls，ws，lp，wp，N，Ps} (1)

其中，ID为工艺模块的编码，是工艺模块的唯一标示，包含生产工艺、 模块接口类型、是否柔性的类型；Name为工艺模块的名称，一般为模块生 产工艺和企业的专用称呼；ls为工艺模块二维矩形包络长度，ws为工艺模 块二维矩形包络宽度，lp为工艺模块允许工作的最大长度，wp为工艺模块 允许工作的最大宽度，N为统一标准下的工艺模块最大工作效率，是流水线 配置设计的重要参考和筛选条件；Ps为工艺模块的制造成本；

步骤2.2，对步骤2.1的工艺模块数据库进行配置。

步骤2.2中，配置包括单规格流水线配置、多规格流水线配置；

其中，单规格流水线配置是指生产固定品类和规格产品的流水线，具体 过程为：

(1)根据需求确定生产工序和工艺；

(2)根据工艺的需求对工艺模块进行粗筛、细筛，筛除无效和瑕疵工 艺模块；

(3)进行工艺与工艺模块的匹配，生成流水线配置方案；

(4)通过关键指标对生成的流水线配置方案进行优先排序，关键指标 指通过(2)中对流水线二维包络进行粗筛得到的最优方案及该流水线搭建 方案的性价比；

(5)确定方案并进行人工调整得到最终流水线配置方案；

其中，多规格流水线配置是指生产多个规格或多个品类产品的流水线， 具体过程为：

(1)对每个品类产品按照单规格流水线配置过程中的(1)-(3)完成 每个单规格流水线初步配置方案；

(2)通过对多个规格的多个初步配置方案中进行相似性匹配与检索， 并筛选相似性较高的配置方案；

(3)按照柔性化、大尺寸的工艺交集原则对配置方案进行人工调整， 得到最终流水线配置方案。

单规格流水线配置与多规格流水线配置过程中筛选配置方案的过程为：

S1、粗筛

通过车间二维矩形包络面积与流水线二维规划矩形包络面积的比值计 算在不考虑车间二维矩形包络、流水线二维规划矩形包络的长宽比值的情况 下车间中能够初步布局的流水线数量G，筛掉数量靠后的50％方案，即

式(2)中，L和W分别表示车间的长度和宽度；l和w分别表示流水 线二维规划矩形包络的长度和宽度；

流水线二维规划矩形包络指流水线二维矩形包络加维修保养距离和车 间物流搬运路径宽度或流水线二维简化矩形包络加车间物流搬运路径宽度；

流水线二维简化矩形包络指流水线二维矩形包络加维修保养距离；

或者，通过流水线二维矩形包络长宽比与车间二维矩形包络长宽比值的 相近度进行最多布局的流水线方案的筛选；

S2、细筛

通过公式(2)对粗筛后保留的流水线配置方案进行流水线数量的计算， 输出流水线数量最多的一种或多种配置方案。

步骤3具体过程如下：

模型假设：以车间二维矩形包络的左下角为原点，建立二维直角坐标系， 取向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，并从左下角开始进行流水线二 维简化矩形包络的排布；

以流水线二维简化矩形包络长度加车间物流搬运路径宽度为长，以流水 线二维简化矩形包络宽度加上车间物流搬运路径宽度为宽，进行流水线二维 规划矩形包络排布；

以排布流水线二维规划矩形包络最多为目标建立数学模型，具体为：

(Δx

其中，

式(4)中，t和T表示工艺模块的编号和集合；b表示流水线维修保养 的预留宽度；z表示流水线规划的宽度；ls为工艺模块二维矩形包络长度；

w＝max{ws

式(5)中，ws为工艺模块二维矩形包络宽度；

约束条件为：

(1)流水线布局时流水线二维规划矩形包络小于等于车间的二维边界；

(2)

(3)

(4)min{Δx

(5)min{Δy

(6)车间中任意两个二维规划矩形包络之间互相不重叠，任意c，v∈O， 其中，O表示流水线二维矩形包络的集合，c，v为流水线集合O中的任意两个 子集；

(7)|x

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，初始化车间二维矩形包络尺寸、流水线二维规划矩形包络尺 寸，设置初始布局的流水线二维规划矩形包络的数量K，K＝0；设置初始横 向横排的编号e，e＝0；设置初始横向竖排的编号d，d＝0；设置初始车间的 剩余空间的编号h，h＝0；设置初始剩余空间左上角、右下角坐标(l

步骤4.2，判断当前车间的剩余空间是否能够排布流水线二维矩形包络， 若l

其中，l

步骤4.3，试排并比较计算st，st＝max{a

其中，

若st＝a

若st＝β

若st＝γ

若st＝ω

步骤4.4，更新横向横排的编号e＝e+1，更新布局的流水线二维规划矩形 包络的数量K＝K+h

步骤4.5，更新横向竖排的编号d＝d+1，更新布局的流水线二维规划矩 形包络的数量K＝K+m

步骤4.6，更新竖向横排的编号i＝i+1，更新布局的流水线二维规划矩形 包络的数量K＝K+p

步骤4.7，更新竖向竖排的编号j＝j+1，更新布局的流水线二维规划矩形 包络的数量K＝K+q

步骤4.8，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号h， h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

其中，x

步骤4.9，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号h， h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

步骤4.10，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号 h，h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

步骤4.11，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号 h，h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

步骤4.12，清除车间的剩余空间的编号h的二维矩形包络排布，计算并 判断是否m

步骤4.13，在车间剩余空间中按照横向横排，竖向竖排进行排布，更新 布局的流水线二维规划矩形包络的数量K＝K+m

步骤4.14，在车间剩余空间中按照横向竖排排布，更新布局的流水线二 维规划矩形包络数量K＝K+n

步骤4.15，输出布局的流水线二维规划矩形包络的数量及车间布局结果。

本发明的有益效果在于，

(1)本发明一种工业流水线车间布局规划方法，设有工艺模块数据库， 能够根据生产线实际需求将所需的工艺模块直接从数据库调取及组合使用， 快速搭建生产线的布局方案，极大缩短生产线设计周期；

(2)本发明一种工业流水线车间布局规划方法，将工艺模块和流水线 均简化为三维包络方体，计算出车间内多个相同生产线布局的最优解，以提 高车间面积的有效使用率。

附图说明

图1本发明一种工业流水线车间布局规划方法中工艺模块划分示意图；

图2是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中工艺模块划分及其对 应的二维矩形包络示意图；

图3是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中工艺模块一的二维包 络图形库；

图4是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中工艺模块二的二维包 络图形库；

图5是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中工艺模块三的二维包 络图形库；

图6是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中流水线配置方案；

图7是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中流水线车间布局示意 图；

图8是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中启发式算法的流程图；

图9是本发明一种工业流水线车间布局规划方法中工艺模块编码示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种工业流水线车间布局规划方法，以缝纫生产线为例，具体按 照以下步骤实施，如图8所示：

步骤1，基于工艺的模块划分，得到工艺模块，将工艺模块和流水线进 行简化；

步骤1.1，基于工艺的模块划分指将基于流水线设备的子功能进行设备 结构的模块划分，如图1所示，假设流水线总工艺的集合为P＝{P

其中工艺模块包括上料工艺模块、加工工艺模块和收料工艺模块；

步骤1.2，将步骤1中的工艺模块和流水线均简化为三维包络方体，其 中三维包络方体的长度方向为流水线中整体物料流方向，三维包络方体的宽 度方向为垂直于流水线中整体物料流方向的方向，三维包络方体的高度方向 为垂直于地面竖直向上的方向；

步骤1.3，如图2所示，将步骤1.2中流水线简化的三维包络方体简化为 其俯视图的二维矩形包络，得到流水线二维矩形包络，根据具体工艺将流水 线二维矩形包络划分为上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模块二维矩形 包络、收料工艺模块二维矩形包络；

不同机械结构的工艺模块均可完成相同工艺，但因其机械结构不同导致 其尺寸大小不同，因此，简化成的上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模 块二维矩形包络、收料工艺模块二维矩形包络在尺寸上也各有不同；

如图3-图5为根据流水线设备子功能划分的单独的工艺模块子库；

上料工艺模块、加工工艺模块、收料工艺模块简化为上料工艺模块二维 矩形包络、加工工艺模块二维矩形包络、收料工艺模块二维矩形包络的原则 具体为：

(1)上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模块二维矩形包络、收料 工艺模块二维矩形包络分别为上料工艺模块、加工工艺模块、收料工艺模块 的俯视图的外切矩形；

其中，上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模块二维矩形包络、收料 工艺模块二维矩形包络的长度均为沿流水线物料行进方向的工艺模块首末 端最长距离；

上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模块二维矩形包络、收料工艺模 块二维矩形包络的宽度均为与物料行进方向垂直方向的最长距离；

(2)上料工艺模块、加工工艺模块、收料工艺模块存在自身运动，若 自身运动方向与物料行进方向相同或相反，则忽略自身运动，若自身运动方 向与物料行进方向垂直或成一定角度，则按照自身运动的最大动作尺寸生成 二维矩形包络；

(3)采用上料工艺模块二维矩形包络、加工工艺模块二维矩形包络、 收料工艺模块二维矩形包络宁大勿小的的原则，上料工艺模块二维矩形包络、 加工工艺模块二维矩形包络、收料工艺模块二维矩形包络不小于上料工艺模 块、加工工艺模块、收料工艺模块的俯视图的外切矩形，能够为后续的配置 预留出设计余量；

步骤2，建立工艺模块数据库并对工艺模块数据库进行配置，其中工艺 模块数据库用于存储、提取和整理划分好的工艺模块数据并生成工艺模块数 据模型；

步骤2.1，根据步骤1得到的工艺模块划分工艺模块数据，将工艺模块 数据存储至工艺模块数据库，工艺模块数据库提取和整理工艺模块数据生成 工艺模块数据模型，则工艺模块数据模型为：

M＝{ID，Name，ls，ws，lp，wp，N，Ps} (1)

其中，ID为工艺模块的编码，是工艺模块的唯一标示，包含生产工艺、 模块接口类型、是否柔性的类型；Name为工艺模块的名称，一般为模块生 产工艺和企业的专用称呼；ls为工艺模块二维矩形包络长度，ws为工艺模 块二维矩形包络宽度，lp为工艺模块允许工作的最大长度，wp为工艺模块 允许工作的最大宽度，N为统一标准下的工艺模块最大工作效率，是流水线 配置设计的重要参考和筛选条件；Ps为工艺模块的制造成本；其中ID编码 的表示如图9所示；

步骤2.2，对步骤2.1的工艺模块数据库进行配置，其中，配置包括单规 格流水线配置、多规格流水线配置；

单规格流水线配置是指生产固定品类和规格产品的流水线，具体过程为：

(1)进行工序和工艺的决策；

(2)根据工艺的需求对工艺模块进行筛选，筛除无效和瑕疵工艺模块；

(3)进行工艺与工艺模块的匹配，生成流水线配置方案，如图6所示；

(4)通过关键指标对生成的流水线配置方案进行优先排序，关键指标 指通过公式(2)对流水线二维包络进行粗筛得到的最优方案及该流水线搭 建方案的性价比；

(5)筛选方案并进行人工调整得到最终流水线配置方案；

多规格流水线配置是指生产多个规格或多个品类产品的流水线，具体过 程为：

(1)对每个品类产品按照单规格流水线配置过程中的(1)-(3)完成 每个单规格流水线初步配置方案；

(2)通过对多个规格的多个初步配置方案中进行相似性匹配与检索， 并筛选相似性较高的配置方案；

(3)按照柔性化、大尺寸的工艺交集原则对配置方案进行人工调整， 得到最终流水线配置方案，

柔性化指为了满足多规格产品的加工，流水线工艺模块部分需能灵活调 节，以对不同规格产品进行加工，

大尺寸指为了满足多规格产品的加工，使生产流水线各个工艺模块能满 足各个尺寸产品的加工，则生产线规格选取方面应尽可能大；

其中，单规格流水线配置与多规格流水线配置过程中筛选配置方案的过 程为：

筛选配置方案需要考虑车间规划的流水线方案进行筛选，指结合车间的 规划即车间的二维平面长度、宽度和长宽的比值与配置生成的流水线的包括 维修保养距离和车间物流搬运路径宽度在内的二维规划矩形包络面积、长宽 (宽长)的比值对流水线配置方案进行粗筛，筛掉部分占地面积大且与车间 长宽比值差距较大的配置方案，再对剩余的部分进行流水线数量的计算，得 出每种流水线配置方案的流水线数量并输出在已有的车间规划中排布最多 的流水线数量的一种或多种方案，从而使得在现有技术的基础上提升生产的 效率；

流水线二维规划矩形包络指流水线二维矩形包络加维修保养距离和车 间物流搬运路径宽度或流水线二维简化矩形包络加车间物流搬运路径宽度；

流水线二维简化矩形包络指流水线二维矩形包络加维修保养距离；

S1、粗筛

通过车间二维矩形包络面积(长宽的乘积)与流水线二维规划矩形包络 面积的比值计算在不考虑车间二维矩形包络、流水线二维规划矩形包络的长 宽比值的情况下车间中能够初步布局的流水线数量G，筛掉数量靠后的50％ 方案，即

式(2)中，L和W分别表示车间的长度和宽度；l和w分别表示流水 线二维规划矩形包络的长度和宽度；

或者，通过流水线二维矩形包络长宽比与车间二维矩形包络长宽比值的 相近度进行最多布局的流水线方案的筛选，筛选标准为：

当车间长宽比和流水线二维矩形包络长宽比逐渐接近时，车间的空间浪 费率逐渐降低，利用率逐渐增高；当流水线二维规划矩形包络长宽比等于车 间长宽比时，即车间二维矩形包络与流水线二维规划矩形包络为相似矩形时， 则车间的空间浪费率为0，利用率为100％；

S2、细筛

通过公式(2)对粗筛后保留的流水线配置方案进行流水线数量的计算， 输出流水线数量最多的一种或多种配置方案；

步骤3，建立数学模型：

模型假设：

以车间二维矩形包络(将车间的俯视图作为其二维矩形包络)的左下角 为原点，建立二维直角坐标系，取向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向， 并从左下角开始进行流水线二维简化矩形包络的排布；

由于采取从左至右从下至上的排布顺序和方法，同时考虑车间物流搬运 路径，可以将考虑车间物流搬运路径的流水线车间排布简化为如图7所示在 车间左下边缘各减去车间物流搬运路径宽度的矩形内，以流水线二维简化矩 形包络长度加车间物流搬运路径宽度为长，以流水线二维简化矩形包络宽度 加上车间物流搬运路径宽度为宽，进行流水线二维规划矩形包络排布；

以排布流水线二维规划矩形包络最多为目标建立数学模型，具体为：

式(3)中，K表示布局的流水线二维矩形包络的数量；h和H表示车 间的剩余空间的编号和集合，h∈H；e和E表示横向横排的编号和集合，e∈E； d和D表示横向竖排的编号和集合，d∈D；l和w分别表示流水线二维规划 矩形包络的长度和宽度；i和I竖向横排的编号和集合，i∈I；j和J竖向竖排 的编号和集合，j∈J；k表示布局的流水线二维规划矩形包络包络编号；

(Δx

其中，

式(4)中，t和T表示工艺模块的编号和集合；b表示流水线维修保养 的预留宽度；z表示流水线规划的宽度；ls为工艺模块二维矩形包络长度， ws为工艺模块二维矩形包络宽度；

w＝max{ws

式(5)中，ws为工艺模块二维矩形包络宽度；

约束条件为：

(1)流水线布局时流水线二维规划矩形包络小于等于车间的二维边界；

(2)

(3)

(4)min{Δx

(5)min{Δy

(6)车间中任意两个二维规划矩形包络之间互相不重叠，任意c，v∈O， 其中，O表示流水线二维矩形包络的集合，c，v为流水线集合O中的任意两个 子集；

(7)|x

步骤4，采用启发式算法得到工业流水线车间布局结果图，如图9所示；

步骤4.1，初始化车间二维矩形包络尺寸、流水线二维规划矩形包络尺 寸，设置初始布局的流水线二维规划矩形包络的数量K，K＝0；设置初始横 向横排的编号e，e＝0；设置初始横向竖排的编号d，d＝0；设置初始车间的 剩余空间的编号h，h＝0；设置初始剩余空间左上角、右下角坐标(l

步骤4.2，判断当前车间的剩余空间是否能够排布流水线二维矩形包络， 若l

其中，l

步骤4.3，试排并比较计算st，st＝max{a

其中，如图8所示，

若st＝a

若sr＝β

若st＝γ

若st＝ω

步骤4.4，更新横向横排的编号e＝e+1，更新布局的流水线二维规划矩形 包络的数量K＝K+h

步骤4.5，更新横向竖排的编号d＝d+1，更新布局的流水线二维规划矩 形包络的数量K＝K+m

步骤4.6，更新竖向横排的编号i＝i+1，更新布局的流水线二维规划矩形 包络的数量K＝K+p

步骤4.7，更新竖向竖排的编号j＝j+1，更新布局的流水线二维规划矩形 包络的数量K＝K+q

步骤4.8，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号h， h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

其中，x

步骤4.9，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号h， h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

步骤4.10，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号 h，h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

步骤4.11，删除当前车间的剩余空间的编号并生成新的剩余空间的编号 h，h＝h+1，生成左下角坐标(Δx

步骤4.12，清除车间的剩余空间的编号h的二维矩形包络排布，计算并 判断是否m

步骤4.13，在车间剩余空间中按照横向横排，竖向竖排进行排布，更新 布局的流水线二维规划矩形包络的数量K＝K+m

步骤4.14，在车间剩余空间中按照横向竖排排布，更新布局的流水线二 维规划矩形包络数量K＝K+n

步骤4.15，输出布局的流水线二维规划矩形包络的数量及车间布局结果 图。