（管理科学与工程专业论文）基于仿真技术的制造企业生产物流研究.pdf

摘要 超塑奎苎鎏塾塾型生丕莓崔蹬型重虹良堕塑巡至型壁奎：翌竺主全些奎塑， 一一 生产物流则是整个企业物流的基础环节，因此，优化生产物流对企业来说相当重要。 挺妊睁是在硼斤国内外物流研究现状的基础上，选择相对薄弱的环节生产物流为 研究对象，从一家家纺企业的生产车间布局、资源配置着手分析，旨在改善企业生产 物流运行状况，达到充分利用原有厂房、设备、人员获得良好经济效益的目的。 目前设备布局、资源配置问题的解决大都是在运筹学的领域完成的，建立的数学 模型不易根据复杂的实际变化进行及时修改，且抽象的数学描述不易理解。因此，本 文引入仿真技术为相关优化行为提供一个更有效的改善平台。 本文从生产物流基础环节车间设备布局着手研究，以运营管理、工业工程的 理论为指导，从空问利用、设备数量合理性、物料搬运通畅性等多方面分析车间布局 并提出一个合理化的改善方案。进而，运用优缺点比较法对改善效果进行评价，为了 更客观的分析改善效果，引入仿真技术，并结合物流费用分析模型，对改善前后的方 案进行建模仿真分析，得出物流费用水平、生产周期等改善成果。同时，在运行模型 的基础上，进一步分析了在制品库存、资源使用水平等影响物流绩效的因素，并运用 w i t n e s s 仿真软件自带的优化算法模块提供的模拟退火算法对车问物流的绩效水平进行 优化，最终达到了降低企业改善成本、缩短改善周期、理顺生产物流的目的。 关键词：生产物流，车间布局，系统仿真，优化，家纺企业 a b s t r a c t l o g i s t i c s d on o tg e n e r a t ev a l u ed i r e c t l y , b u th a sad i r e c tb e a r i n go nc o s t f o r m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s ，p r o d u c t i o nl o g i s t i c s i st h eb a s i cp a r to ft h ew h o l ec o m p a n y l o g i s t i c s ，t h e r e f o r e ，i t so p t i m i z a t i o nt u r n st ot h ek e y b a s e do na n a l y s i so fd o m e s t i ca n d f o r e i g nl o g i s t i c sr e s e a r c hs t a t u s ，t h i sp a p e rc h o o s e st h er e l a t i v e l y w e a kp a r t ，n a m e l y , p r o d u c t i o nl o g i s t i c sf o rs t u d y , w h i c hb e g i nw i t ht h ea n a l y s i so fat e x t i l ep r o d u c t i o np l a n t s f a c i l i t yl a y o u ta n d r e s o u r c e sa l l o c a t i o n t h es t u d yp u r p o s ei si m p r o v i n gp r o d u c t i o nl o g i s t i c s o p e r a t i o na n dm a k i n gf u l lu s eo fe x i s t i n gp l a n t s ，e q u i p m e n t sa n dp e r s o n n e l a tp r e s e n t ，t h ep r o b l e m so fw o r k s h o pl a y o u ta n dr e s o u r c e sa l l o c a t i o na r em o s t l y r e s o l v e di nt h ef i e l do fo p e r a t i o n a lr e s e a r c h ，i nw h i c h ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li st o o c o m p l e xt o u n d e r s t a n da n dc h a n g ew i t hp r a c t i c a ld i v e r s i f i c a t i o n s o ，t h i sp a p e ra d o p t s s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt op r o v i d eam o r ee f f e c t i v ep l a t f o r mf o ro p t i m i z a t i o n r e f e r r e dt oo p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n di n d u s t r i a le n g i n e e r i n ga st h e o r yg u i d e ，t h i s p a p e rb e g i ni t ss t u d yw i t hw o r k s h o pd e s i g n ，w h i c hc o n t a i n ss p a c eu s a g e ，r a t i o n a lf a c i l i t y a m o u n ta n dm a t e r i a lc o n v e yr o u t e ，a n dp u tf o r w a r dar e f o r ms c h e m e u l t e r i o r l y , a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sc o m p a r a t i v em e t h o da n dl o g i s t i c sc o s ta n a l y s i sm o d e la r ea d o p t e dt o e v a l u a t et h er e f o r ms c h e m e ，a n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t of o rm o r e a c c u r a t e l ye v a l u a t i o n o nt h eb a s i so fr u n n i n gm o d e l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew i p a m o u n t a n dt h el e v e lo fr e s o u r c e su s a g ef o rf u r t h e r , a n do p t i m i z e sp r o d u c t i o nl o g i s t i c sp e r f o r m a n c e b ya d o p t i n gs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mw h i c he x i s t si nw i t n e s ss o f t w a r e f i n a l l y , a l lo f t h es t u d yr e d u c et h ei m p r o v ec o s t ，s h o r t e nt h ei m p r o v ec y c l ea n do p t i m i z eo p e r a t i o n l o g i s t i c sf o rt h em o s t k e y w o r d s ：p r o d u c t i o nl o g i s t i c s ，w o r k s h o pd e s i g n ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，t e x t i l e c o m p a n y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼 工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 学位论文作者签名：童专己诲签字日期：口罗年月护日 学位论文作者签名：戛己坪 签字日期：口7 年月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论 文的规定。特授权天津工业大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弯p 移痒 签字日期：d 罗年，月妒日 翩躲鼍吼导师签名：弋u 签字醐：吵 肿日 学位论文的主要创新点 一、对车间布局问题从空间利用、设备配置数量、物料搬运通畅性等三方 面分析改进，打破以往车间布局只关注物料搬运是否合理的局限性。 二、引入仿真技术，结合物流费用模型，对床上用品生产过程进行了仿真 建模。通过运行该模型，从合同生产周期、物流运输费用等方面对比分析， 以此评价车间布局方案，缩短了改进时间，节省了改进成本。 三、运用w i t n e s s 2 0 0 7 自带的优化算法对生产物流效率进行仿真优化，以 生产车间人员配置数量为变量，以生产周期和在制品库存为目标函数，对 人力资源重新配置，大大降低了计算复杂性和优化时间。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的目的和意义 1 1 1 问题的提出 山东千榕家纺有限公司，前身是寿光市抽纱总厂，始建于1 9 7 9 年，主要生产和经 营床上用品。近三十年来，公司凭借国内的低成本优势，与美国、日本、欧洲、中东 等二十多个国家和地区建立了良好的合作关系，并发展起通畅的外销渠道。2 0 0 1 年， 企业改制，组成有限责任公司，2 0 0 4 年，公司实施“退城进园”，新体制下，企业规模 迅速扩大，也应时遭遇到很多阻碍。一方面，面对人民币不断升值、出口退税率不断 下调、劳动力成本持续上升的大环境，外销利润逐日萎缩1 1 l ，虽然2 0 0 8 年第四季度人 民币汇率及出口退税有所缓解，但是国外经济陷入极大萧条，为了长远考虑，发展陌 生的国内市场成为大势所趋；另一方面，企业规模的迅速崛起，与其本身基础生产管 理的相对薄弱在竞争日趋激烈的今天越来越凸现的不能契合。如何在原始资本积累不 够强大，国内市场开发较为困难，且企业收入相对只减不增的情况下提高企业利润成 为千榕家纺亟待解决的问题，而提升基础管理水平、降低企业成本好像变成了唯一途 径。本文正是在此背景下，经过笔者亲身实习和调研提出的。 1 1 2 研究的目的 物流在其流动过程中不直接产生价值，但却直接关系到成本。据国外统计，在中 等批量生产车间里，零件在机床上的时间仅占生产时问的5 ，而剩余9 5 的时间消耗 在原材料、工具、零件的搬运、等待上，也就是属于物流活动所占用的时间。在制造 企业，全部生产费用中物料搬运费用就占到了3 0 4 0 。企业生产中的在制品和库存物料 占用流动资金达7 5 以上【2 1 。因此，企业要想在激烈的市场竞争中占得一席之地，就 必须实现物流的合理化。 现代的制造业工厂，般都有数道、十数道，乃至数十道工序，需要在多种设备 上进行加工。生产物流是否顺畅，设备布局、工作地布置是否合理，搬运路线是否畅 通等，对物流效率、产品成本影响很大，甚至还会涉及到产品质量及企业的发展和管 理工作的便利。因此，简化生产物流、优化车间布局对企业来说相当重要。 笔者选择研究生产物流为论文课题的主要目的就是通过车间布局优化、资源合理 配置，改善企业生产物流运行状况，从技术和企业挖潜入手，达到充分利用原有厂房、 设备、人员、能源获得良好经济效益的目的。并在此基础上为全面改造企业生产物流 创造有利条件。 天津1 ：业大学硕十学位论文 1 1 3 研究的意义 研究本课题的应用意义： 通过改进车间布局和资源配置达到生产物流合理化，最终为企业作出以下贡献： ( 1 ) 降低物流费用、减少产品成本。物流费用在产品成本中占有相当大的比重， 企业物流合理化可以提高物流作业效率，减少运输费用及仓储包装费用，从而直接达 到降低成本的目的。 ( 2 ) 缩短生产周期、加快资金周转。合理配置资源、缩短物流周期，可以有效地 缩短生产周期，使进厂的原材料在较短的时间内，形成产成品供给用户。 ( 3 ) 压缩在制品库存、减少流动资金的占用。库存控制是企业物流合理化的重要 内容。通过合理化生产物流，减少在制品库存浪费，达到减少企业流动资金占用的目 的。 ( 4 ) 缩短改善周期、降低改善成本。仿真技术的合理运用，避免了实际布局优化 中试用期过长的弊端、降低了不断实验带来的成本和损失、提高了规划工作效率，缩 短了规划周期。 研究本课题的理论意义： 目前设备布局、资源配置问题的解决大都是在运筹学的领域完成的，建立的数学 模型往往对所求解的问题具有严格的定义，不易根据复杂的实际变化进行及时修改， 抽象的数学描述不易理解，本文引入仿真技术为相关优化行为提供一个更有效的改善 平台，同时选题研究生产物流还能为加工型企业提供一定的参考、借鉴资料。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 关于物流业的研究现状 美国是世界上最先发展物流业的国家，目前美国物流业在全球处于领先地位。政 府对物流业大力扶持，美国物流业得到了快速发展。根据最近的抽样调查，在过去几 年里，第三方物流企业的客户物流成本平均下降了1 1 8 ，物流资产下降了2 4 6 ， 订货周期从7 1 天下降到了3 9 天，库存总量下降了8 2 【3 1 。 日本物流业虽然没有美国起步早，但其发展速度和水平在世界上一直名列| j 茅， 总体上一直保持国际优势地位。近十年来，企业在物流管理中不断革新技术，改变生 产形态和营运方式，从而使物流管理效率不断提高，物流成本不断下降。日本物流费 用占g d p 的比重基本维持在8 5 9 5 之间，并呈逐步下降的趋势。同本政府通过法规 的有效实施，保证了物流市场环境的有序发展【引。 欧盟各国在物流基础设施规划与建设、物流组织与管理、物流技术创新与应用等 方面的经验，使欧洲物流企业出现了运作规范、管理严格、讲究效率，以及集约化、 第一章绪论 规模化、现代化程度高的新特点。目前欧洲物流企业的技术装备己达到相当高的水平， 已经形成了以系统技术为核心，以信息技术、运输技术、配送技术、装卸搬运技术、 自动化仓储技术、库存控制技术、包装技术等专业技术为支撑的现代化物流装备技术 格局，改进了管理状况，大大提高了生产效率【5 j 【引。 相较而言，我国物流业的研究起步较晚，在对物流的研究及应用上，与发达国家 相比，还有一定距离，仍然处于起步阶段。且其研究领域主要集中在高等学校和少数 研究所，研究内容涵盖物流技术的主要领域，如清华大学现代物流研究中心的研究内 容包括物流综合运输、物流信息技术、企业物流管理、物流仓储、物流及货运场站规 划、物流环境分析等；南丌大学现代物流中心的研究涉及物流产业政策、区域物流规 划、物流信息系统、物流系统优化、物流核算体系及绩效评价、物流服务管理和供应 链管理等领域；同济大学的研究涉及物流信息系统规划、设计、开发与维护以及企业 物流的设计、管理与运作、供应链管理、物流企业的经营管理、国际物流管理等；北 京科技大学物流工程系物流研究所进行了物流系统诊断、物流发展规划、方案设计、 物流计算机系统设计等工作，还出版学术刊物物流技术与应用1 7 1 。 另外，我国的研究相对国外来说，应用对象更加偏向宏观物流，针对企业内部的 物流即微观物流的研究则较少。总结和回顾现代物流在中国的发展，可以观察到研究 者比较多地关注企业外部( 供应、销售) 物流，而较少关注企业内部的生产物流。 1 2 2 仿真技术在车间物流中的研究现状 系统仿真作为任何复杂系统特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评 价、决策和训练的重要手段，其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。就生产 物流方面研究现状如下： 现今常用的大部分物流软件都由国外研制开发，例如美国r o c k w e l l 公司开发的 a r e n a 、英国l a n n e r 集团开发的w i t n e s s 、以色列t e c n o m a t i x 开发的e m p l a n t 等物流软 件，已广泛地应用于各国的汽车工业、化学工业、运输业、电子业等行业1 8 j 。而我国目 前只是将国外的软件运用于生产物流研究中，且运用范围相当小。仿真技术在我国企 业生产物流发展中还未发挥其理想的效用。 另外，国外物流研究及实践中关于物流能力方面的仿真评价文献相对较多，越来 越多的企业和学术机构都将仿真作为研究物流系统的主要评价方法。 一年一度的冬季仿真年会w i n t e rs i m u l a t i o nc o n f e r e n c e ( w s c ) 足最为重要的学术年 会之一，其主要议题就是物流仿真的学术研究及企业实践【9 1 。从这些文献来看，仿真评 价广泛应用于物流系统，包括供应链评价、货车配载、运输策略、仓库运作流程、订 单拣选流程、库存品存放策略、仓库布局和生产调度项目计划优化等方面，其中不乏 与制造企业生产物流能力仿真评价方面有关的研究成果。 此外，国外还有一些文献研究了仿真评价在配送中心的应用，这些研究成果对于 天津t 业人学硕十学位论文 研究仿真评价在制造企业车间生产物流方面的应用，具有一定的借鉴意义。 总体来说，对比国外，国内的物流研究无论是在技术上还是在理论上都比较欠缺， 偏向关注宏观物流，且相关优化技术沿用国外较多，不能切合实际现状考虑。 1 3 论文研究内容及技术路线 1 3 1 论文的主要内容 本文主要针对企业物流运行效率不高，搬运浪费过多，成本居高不下等问题，从 企业车间布局上着手研究，选择一家企业的加工车间作实例分析，然后提出一个合理 化的改善方案，进而运用仿真技术对改善前后的方案进行建模仿真分析，以验证降低 物流费用、缩短生产周期的改善成果。并在此基础上，运用w i t n e s s 仿真软件自带的 优化算法模块提供的模拟退火算法对车间物流的绩效水平从资源配置角度进行研究优 化，最终达到降低企业改善成本、缩短改善周期、理顺生产物流的目的。 具体内容如下： ( 1 ) 分析生产物流研究的宏观背景及企业实际问题的微观基础，提出本课题的研 究意义； ( 2 ) 从物流、物流仿真技术及优化算法三方面介绍本课题涉及的重要基本理论； ( 3 ) 利用工业工程的研究方法分析企业车间布局现状并提出改善方案； ( 4 ) 引入计算机仿真技术对改善前后的两种方案进行评价，验证改善效果； ( 5 ) 在改进车间布局的基础上，运用w i t n e s s 仿真软件自带的优化算法模块对车 间资源进行重新配置，达到改善物流绩效的目的； ( 6 ) 对论文的总结分析。 研究内容框架如图1 1 所示： 第一章绪论 从定性和定量结合及单纯定鼋方面入 手对布局方案进行评价择优 1 3 2 论文研究的技术路线 图1 1 论文研究框架图 绪论部分 基础理论综述 布局分析及改进 而琦南幕即可 生产物流仿真优化 一总结分析 论文研究技术路线为： ( 1 ) 对当f i 生产制造车间进行调研分析。 明确车间中所有生产设备布局及各设备功能。 明确车间生产产品种类以及各类产品加工工序和工艺路线。 明确车间生产物流不合理性。 ( 2 ) 运用工业工程和运营管理的理论和方法对车间布局进行改进。 ( 3 ) 运用优缺点比较法并引进计算机仿真技术对布局方案进行评价和验证。 ( 4 ) 在改进布局的基础上对当前生产物流绩效水平进行仿真优化，以生产周期最 短、在制品库存水平最低为目标，合理配置人力资源。 第二章相关理论综述 第二章相关理论综述 2 1 企业物流、生产物流与车间布局 无论是在社会经济系统还是在企业生产系统，以运输、搬运和存储为代表的物流 都是不可缺少的环节，其流动过程并不直接产生价值，而是与成本息息相关。据国外 统计，在中等批量生产车间里，零件在机床上的时间仅占生产时问的5 ，而剩余9 5 的时问消耗在原材料、工具、零件的搬运、等待上，也就是物流活动所占用的时间。 在制造企业全部生产费用中物料搬运费用就占到了3 0 - 4 0 。企业生产中的在制品和 库存物料占用流动资金达7 5 以上f l o j 。由此可见，从物流中挖掘利润的潜力是巨大的。 为了实现物流合理化，多方学者对其进行了钻研与探讨，发展至今，物流系统的研究 主要集中在设施规划与设计、企业物流系统设计、物料搬运系统设计、物流调度与控 制、库存与库存管理等方面。其中，改善企业物流系统的平面布置设计是一项重要的 内容，因为平面布置作为一项重要和有效地工业工程技术方法，对生产过程中系统运 行的好坏起到了长久和决定性的作用【1 l l 。 2 1 1 企业物流与生产物流 物流按其活动的规模和范围的不同，分为社会物流( 宏观物流) 和企业物流( 微 观物流) 1 1 2 】。作为构成社会物流的基本要素，企业物流过程可分为三个阶段：原料从 社会“流 入企业，企业生产过程中物料在时间和空间上的流转，产品从企业“流 给客户，即三种不同的典型物流活动：企业供应物流、企业生产物流和企业销售物流l l 引。 其中，企业生产物流在企业物流中起着基础性作用，可以说企业的其他物流都是围绕 企业的生产物流所展丌的，同时企业的生产物流还决定着其他物流在某一特定企业物 流中所占的比重。 企业生产物流是指企业在生产工艺中的物流活动。企业生产物流的过程大体为： 原料、零部件、辅料等从企业仓库或企业的“入口”开始，进入生产线的开始端，再 进一步随生产加工过程一个环节接另一个环节的“流”，在“流”的过程中，本身被加 工，发生尺寸、形状、相对位置和性能上的改变，并同时产生一些废料、余料，直至 生产加工终结，再“流”至成品仓库便完成了企业生产物流过程1 1 4 l 。作为与生产加工 相辅相成的生产物流不仅为生产的连续性提供了保障，而且其运行状况对生产环境和 生产秩序起着决定性的作用，因此，进行生产物流的合理化研究对加工型企业来讲至 关重要。 天津：f 业大学硕+ 学位论文 2 1 2 车间设备布局问题 对于制造行业来说，生产物流是制造产品的工厂所特有的，它与生产同步，而生产 过程又是在一定的车间范围内进行的，所以，车间的布置设计是物流系统优劣的先决 条件。生产物流是否合理、顺畅、没有过多交叉和迂回的关键影响因素就是车间设备 布局的合理性。 ( 1 ) 设施布局的定义及要达到的目标 生产系统的布局问题包括整个工厂中车间的布置，车间中生产单元的布置以及生 产单元每台设备的具体布置问题。本文主要在车间的层次上进行设备布局问题的研究。 设施布局问题( f a c i l i t yl a y o u tp r o b l e m ，f l p ) ，是指将各种设备在给定的空间内进 行布置，同时要使设备之间的物流得到优化【1 5 1 。 设备布局作为一个车间项目，其最终要达到的目标通常有：车间物流耗费( m a t e r i a l f l o wc o s t ) 最小化、车间物流路径最短，设备利用率最大化以及设备放置的柔性等，但 是要达到所有的布局目标会存在困难，只能根据实际需要着重考虑【1 6 l 。 ( 2 ) 设施布局的原则【1 7 l 为生产经营服务原则 在组织中，生产经营协作密切的组成部分应相邻，使辅助生产和生产服务工作及 时满足生产经营需要。 最短距离原则 在符合生产工艺过程要求的前提下，使原材料、半成品和成品的运输路线尽可能 短，使布局达到时间短、费用低、便于管理的目的。 单一流向原则 布局应使工艺流程尽量不存在迂回曲折和平面反复交叉的现象，即尽量按工艺流 程的顺序布局，以减少运输费用和时间。工艺流程布局中比较好的布局形式有：直线 形( i 形) 、直角形( l 形) 、环形( 0 形) 、马蹄形( u 形) 和蛇形( s 形) 。 立体原则 在技术、资金允许的前提下，应尽量采用多层的立体布局，这样可以充分利用空 间、场地，节约面积，缩短运输距离。 安全原则 设备布局应符合有关安全生产的法令和制度，符合劳动保护法、环境保护的法律 和制度，满足文明生产的要求等，确保生产经营的安全进行。 弹性原则 设备布局还应考虑长远发展，留有一定的发展余地，便于适应今后发展需要，以 利于进行调整。 在实际工作中，设备布局应根据组织实际情况以及发展需要，有所侧重的应用上 第二章相关理论综述 述原则。 ( 3 ) 设施布局的方法 设施布置的方法有很多，目前比较常用的主要有以下三种【1 8 l f l 9 1 ： 系统化布置设计方法 理查德缪瑟( r i c h a r dm u t h e r ) 于1 9 3 7 年提出了系统化布置方法( s y s t e m a t i cl a y o u t p l a n n i n g ，s l p ) ，该方法的提出使设施布置由原来的定性阶段发展到定量阶段【1 3 j 。采用 s l p 法进行布置的首要工作是对各作业间的相互关系做出分析( 物流和非物流的相互 关系) ，然后根据各作业间的相互关系密切程度，确定各作业之间距离的远近，安排各 作业单位的位置并结合实际的约束条件，对布置方案进行逐步调整，最后通过对调整 后的布局方案进行定量的分析，从经济角度对方案进行比较选优。 f a c p l a n f a c p l a n 方法是对s l p 法的进一步改进。f a c p l a n 不仅扩展和加强了s l p ，还为设 施规划提供了一个整体广泛和全面的方法。它不仅涉及到宏观空间规划和微观空间规 划( 解决作业单元的布置和作业单元内部设施的详细布置) ，还涉及到亚微观布置( 从 人因工程的角度对工作地进行更具体的布置) 。 计算机化布置方法 计算机辅助布置方法可以分为两大类：构建型和改进型。前者是由物流、非物流 信息出发，从无到有，生成一个布置图，而后者是对原有的布置进行改进，寻找一种 更好的布置图。整个方法基本上都可以分为选择、放置和评估三个步骤。选择，即选 择设施进入布置图的顺序；放置，指如何将各设施放置在布置图中；评估，即对各种 布置结果进行评价，选取最优方案。 生产系统的布局问题包括整个工厂中车间的布置，车间中生产单元的布置以及生 产单元每台设备的具体布置问题【2 0 1 。本文主要在车间的层次上进行设备布局问题的研 究。 2 1 3 企业物流、生产物流与车间布局三者之间的关系 综上所述，企业物流、生产物流与车间布局三者息息相关，其关系如图2 1 所示： 天津- t 业大学硕士学位论文 匡尹基础一先决条件堰二囹 2 2 物流仿真技术 图2 - 1 企业物流、生产物流与车间布局的关系 系统仿真是2 0 世纪4 0 年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新 兴学科【2 l 】。仿真方法是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机理论基础 上的，它能解决数学规划或排队论所不能解决的那些复杂的随机系统分析和建模问题。 仿真方法利用仿真模型对真实或假设的系统进行试验，通过运行仿真模型，评价方案 的优劣并修改直至给出最优方案，可避免不合理的方案带来的资金、人力和时间的浪 费。运用仿真技术对设施布局进行规划或再规划的程序如图2 2 所示。 其中：p 产品和物料，包括其变化和特性； q 一物料的数量； r 加工流程或搬运路线，即工艺操作过程、加工顺序或加工方法； s 支持生产过程的服务或辅助部门； t - 一与上述四项有关的事件因素。 第二章相关理论综述 是 区亘童圃匝巫堕堕固 囱囱囱叵囱叵j 臣 图2 - 2 运用仿真技术对设施规划的步骤图 物流系统仿真技术的研究，r 益受到人们的重视并做了大量的研究工作。物流系 统仿真的核心是计算机图形技术的应用，通过仿真软件来实现。常见的物流仿真软件 有【2 2 】： ( 1 ) a u t o m o d 是目前比较成熟的三维物流仿真软件。主要包括了三大模块 a u t o m o d 、a u t o s t a t 和a u t o v i e w 。a u t o m o d 模块提供给用户一系列的物流系统模块来 仿真现实世界中的物流自动化系统。主要包括输送机( 辊道、链式) ，自动化存取系统 ( 立体仓库、堆垛机) ，基于路径的移动设备( a g v ) 等，起重机等子模块。a u t o s t a t 模块为仿真项目提供强大的统计分析工具，由用户定义测量和实验的标准，自动在 a u t o m o d 的模型上执行统计分析。a u t o v i e w 可以允许用户通过a u t o m o d 模型定义场 景和摄像机的移动，产生高质量的a v i 格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或 使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。a u t o v i e w 可以提供动态的场景 描述和灵活的显示方式。 ( 2 ) e f a c t o r y 是e d s 公司基于a u t o c a d 2 0 0 0 平台设计丌发的集成化物流仿真软 件。e f a c t o r y 数字化工厂布局设计方案提供了解决整个工厂范围内所有布局设计的问 题，如活动区域的分析、空间安排、材料存放系统、拥塞程度分析、设备安装、布局 成本考核、设备标识和使用情况等。它利用灵巧设计和智能工厂对象技术设计实现了 整个工厂的并行没计，而不仅仅只是局部的优化。它可以迅速简便地建立、分析和展 示可视化的工厂模型。e f a c t o r y 具有把握、控制大型工厂模型所需图形和逻辑细节的 空前能力，同时，又为使用普通计算机的工程师及绘图员提供了简单的界面及小型模 宝；一 天津工业大学硕十学位论文 型尺寸。具有f a c t o r y c a d 、f a c t o r y f l o w 、f a c t o r y p l a n 、f a c t o r y v i e w 等模块，能 对工厂的布局设计进行一种可视化、参数化的设计。 ( 3 ) s h o w f l o w 仿真软件可为制造业和物流业提供建模、仿真、动画和统计分析 工具。可以提供生产系统的生产量，确定“瓶颈 位置，估测提前期和报告资源利用 率。还可以被用来支持投资决策，校验制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策 略进行仿真实验来找出最优解。s h o w f l o w 主要包括几大模块：建模、仿真、统计、分 析、动画和文档输出。 ( 4 ) r a l c 系列物流仿真软件是日本智能服务股份有限公司的产品，可为制造业 和物流业提供建模、演示、模拟、仿真等相关服务。该公司是一家从日本触s 株式会 社独立出来的、专业从事汉化和销售r a l c 系列物流仿真软件。该系列软件包含 r a l c p r o 软件包、r a l c b r a i n 软件包、r a l c f a n 软件包、r a l c e m u 基本模块等， 在建模速度、建模操作简便性、模拟和仿真精确度方面都处于世界领先水平，在日本 己经拥有一支庞大的市场阵容，在中国刚刚投放市场。 ( 5 ) w i t n e s s 是由l a n n e r 公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于 离散时间系统的仿真，也可以用于连续流体( 如液压、化工、水力) 系统的仿真。通 过它建立起一个抽象的模型，然后，在计算机上进行生产过程的模拟运行，我们就可 以得到模型的生产产量、生产设备的利用率、物料配送及生产“瓶颈”问题的报告， 仿真得到的数据为实际生产线的规划、运行提供了量化的依据，可以预先测箅出生产 线运行中可能发生的生产调度、生产管理等方面的问题。它采用面向对象建模( o o ) 的编程方法，打破以往仿真软件面向过程的方式，因而建模更加灵活、使用更加方便， 代表了最新一代仿真软件的水平。目前w i t n e s s 已被成功运用于国际3 0 0 0 多家知名 企业的解决方案项目，如a i r b u s 公司的机场设施布局优化、b a a 公司的机场物流规划、 b a es y s t e m s 电气公司的流程改善、e x x o n 化学公司的供应链物流系统规划、f o r d 汽车公司的工厂布局优化和发动机生产线优化、t r e b o rb a s s e t t 公司的分销物流系统规 划等。l a n n e r 公司已经在包括澳大利亚、巴西、法国、德国、中国、意大利、日本、 韩国、南非、美国、英国等2 5 个国家和地区设立代理，负责软件的推广和技术支持等 工作【2 3 l 【2 4 1 。 当正常启动w i t n e s s 系统后，首先进入的是w i t n e s s 系统的主屏幕界面，如图 2 3 所示。 第二章相芙理论综述 害器癸兰篙。 墨b 王= z ：女冀l d 蔓 遮剥 ； 爿 一i i 日 ， z 。遵罾骂每 一 。 。 萋童墓簿? 誊荨霉黎j j hi r 二n i。卜一黧 h _ 蚓2 3 w i t n e s s 片j 广界面陶 另外，值得提出的是，w i t n e s s 还提供了系统优化“o p t i m i z e r ”模块。如果一个系 统的绩效冈为其构成元素的配置不同，而得到不同的结果，那么优化系统时，并不需 要建立多种配置的计算机模型。我t f 圳以直接使用同一个计算机模犁，然后通过 “o p t i m i z e r ”模块来| 殳定每元素的r 叮变属性值的取值范围，得到一个取值范罔集合 并设定表示绩效的日标函数是耿最大值还是最小值，进行优化仿真运行就可以得到 前n 个最优绩妓的系统配簧( n 叫自行醍定) 。运用w i t n e s s 优化器进行系统仿真优化的 程序如图2 - 4 所示。 现避 * # m a 元女 一i 一 n w i l e s s h * r 4 m a # 一 m r 化f j * w a 优n r i ，m 目t g 一一一 女m f t 女n * 忧* # 一一 w l w m n l * # u m i y * m n 幽 4 运用w i t n e s s 优化器进行仿真优化科序刚 大津t 业大学硕十学位论文 2 3 模拟退火算法 2 3 1 模拟退火算法概述 模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ，简称s a ) ，于1 9 8 2 年由p a t r i c k 等将 退火过程引入组合优化领域而提出，是近年来提出的一种适合解大规模组合优化问题 的通用有效近似算法【2 7 】【2 8 1 。它是局部搜索算法的扩展，从理论上说是一个全局最优算 法。模拟退火算法来源于固体退火原理，是模拟熔化状态下物体由逐渐冷却至最终达 到结晶状态的物理过程，利用问题的求解过程与熔化物体退火过程的相似性，采用随 机模拟物体退火过程来完成问题的求解，也就是在控制参数的作用下对参数的值进行 调整，直到所选取的参数值最终使能量函数达到全局极小值【2 引。目前该算法已经在自 然科学、工程技术和管理等诸多领域得到广泛应用，而车间生产物流效率优化是将车 间内部的某些可变资源进行重新组合，以实现某一绩效的最优，因此本文选用仿真软 件中的模拟退火算法进行优化。 2 3 2 固体的物理退火过程 固体的物理退火是先将固体加热至熔化，再徐徐冷却，使之凝固成规整晶体的热 力学过程。在加热固体时，固体粒子的热运动不断增强，随着温度的升高，粒子与其 平衡位置的偏离越来越大，当温度升至熔解温度后，固体的规则性被彻底破坏，固体 熔解成液体，粒子排列从较有序的结晶态转为无序的液念，这个过程称为熔解。熔解 的目的是消除系统原先可能存在的非均匀状态，使随后进行的冷却过程以某一平衡态 为始点。冷却时，液体粒子的热运动渐渐减弱，随着温度的徐徐降低，粒子运动渐趋 有序。当温度降至结晶温度后，粒子运动变成围绕晶体各点的微小振动，液体凝固成 固体的晶态，这个过程称为退火。退火过程之所以必须徐徐进行，是为了使系统在每 一温度下都达到平衡态，最终达到固体的基态。退火过程中系统的熵值( 衡量不能利 用的热能数量) 不断减小，系统能量也随着温度降低趋于最小值。冷却时，若急剧降 低温度，则将引起淬火效应，即固体只能冷凝在非均匀的亚稳念，系统能量也不能达 到最小值【3 0 l 。 2 3 3 模拟退火算法的数学模型 模拟退火算法可以分解为目标函数、解空间和初始解三个部分【3 1 】【3 2 】。 ( 1 ) 目标函数 它是对问题的优化目标的数学描述，通常表述为若干优化目标的一个和式。目标 函数的选取必须j 下确体现对问题的整体优化要求。例如，如上所述，当解空间包含不 可行解时，目标函数中应包含对不可行解的罚函数项，借此将一个有约束的优化问题 转化为无约束的优化问题。一般地，目标函数值不一定就是问题的优化目标值，但其 第二章相关理论综述 对应关系应是显明的。此外，目标函数式应当是易于计算的，这将有利于在优化过程 中简化目标函数值的计算以提高算法的效率。 ( 2 ) 解空间 限定解空间仅为所有可行解的集合，即在构造解时就考虑到对解的约束，也可允 许解空间包含不可行解，而在目标函数中加上所谓罚函数( p e n a l t yf u n c t i o n ) 以“惩罚” 不可行解的出现。 ( 3 ) 初始解 是算法迭代的起点，试验表明，模拟退火算法最终解的求得几乎不依赖于初始解 的选取。 第二章企业车间布局状况分析及改进 3 1 企业介绍 第三章企业车间布局状况分析及改进 山东千榕家纺有限公司，是一家以生产和经营床上用品为主的家纺企业，其 产品多为外销。公司共有员工1 6 0 0 多人，下设五个分公司，其中第一分公司和 第二分公司是企业的生产型分公司。除缝纫机等基础设备外，公司主要生产设备 有瑞士、日本制造的飞梭绣花机、电脑绣花机、智能绗缝机、各种特种机以及其 他配套设备1 0 0 0 多台套，全为自动化和半自动化控制，设备品种和规模达到业 内先进水平。多年以来，公司不断努力，先后取得了“山东省著名商标”、“山东 省名牌产品 、“国家免检产品”、“山东省质量管理奖”和“中国驰名商标 等多 项荣誉称号。但是近几年来，物价上涨、劳动力成本急剧上升，这对劳动密集型 的家纺企业无疑是一大打击，且人民币持续升值、出口退税不断下调使得出口企 业的发展日益艰难，千榕公司作为一家以出口家纺产品为主的生产与经营性企 业，更是腹背受敌，寸步维艰。在这种情况下，如何挖掘自身潜能，降低生产成 本，提高企业利润是摆在每个千榕人面前的关键问题。本文正是在此情况下选择 从公司的基础生产物流层面上着手研究，通过改进企业设备布局、优化车间资源 配置、理顺企业生产物流，最终达到降低搬运成本、缩短生产周期、提高企业生 产物流效率的目的。 3 2 企业工作流程及产品生产工艺分析 目前企业的生产情况为订单生产，销售人员争取定单，然后按照订单进行采 购、组织生产。床上用品的生产虽然工艺稳定，但是其类型、品种却复杂繁多， 而且变化速度很快，针对不同的市场、不同的季节，其产品均不相同，因此严格 遵守订单的要求进行生产，是企业生产的一大特点。从另一个角度来讲，超越订 单的产品，将会造成数量、质量、时间上的浪费。根据订单组织生产到交货的整 个工作流程如图3 1 所示。 天津t 业大学硕+ 学位论文 是 客供磊槲瘌 客供或有仓储 7 i 1 r 日l 卜l l 1 【_ _ j 圈固区巫虱圆 图3 - 1 企业j 二作流程图 是 千榕家纺生产产品以床上用品为主，以家纺装饰品为辅，其中，床上用品包 括三件套( 一个被套、两个枕头套) 、四件套( 一个被套、一个床单、两个枕头 套) 、五件套、六件套、九件套等系列件套产品。在这里，仅以公司主导产品一 一床上用品为主分析产品的生产工艺。为了提高产品技术含量、增加产品附加值、 满足消费者日益增高的消费需求，公司在新厂区搬迁之初就购进飞梭绣花机、电 脑绣花机、智能绗缝机等大批先进设备。为提高这些前期投入很大的设备的利用 率，公司实行三班倒机制，设备昼夜运行。公司约有4 0 的床上用品都有刺绣工 艺，根据刺绣面积、刺绣方式的不同，为平衡生产便利和刺绣成本，有些产品是 在刺绣完成后再进行裁剪，而有些则是在裁减完成之后再进行刺绣。原料经过刺 绣和裁减后会流至缝制工序，由于目前缝制工人培养期较长、且公司某些制度存 在不合理性，导致缝制工人稀缺，公司缝制外协高达6 0 7 0 。某些产品按照客 户要求，在经过缝制工序时还需订扣、锁眼等。基本上缝制过后的半成品再经过 整烫、检验和包装便可出货。床上用品生产工艺流程描述如图3 2 所示。 足，是圈回 香，圈圈 团园圉团 i ：一 一 ：i ! j f ；：l i j j ：；l l ! ! ! ! _ 图3 2 公司主导产品上艺流程图 否 是 圈圈 圈囱豳 第三章企业车间布局状况分析及改进 3 3 车间布局状况分析 3 3 1 整体车间布局状况分析 第二分公司，作为公司两个生产型分公司之一，拥有占地1 0 0 0 0 平米左右的 两层楼作为生产车间，第一层主要用于刺绣和包装，分为包装车间和刺绣车间； 第二层主要用于基础生产：裁剪、缝制、整烫、验货，统归缝制管理，总称为缝 制车间。鉴于产品工艺较为稳定且产品种类繁