基于数字化与智能化技术的工厂规划

随着劳动成本的不断提升，市场竞争日益加剧，汽车制造业对于TQCS（Time时间，Quality质量，Cost成本，Service服务）提出了更高的要求。为了应对挑战，越来越多的汽车制造业企业采用新技术驱动的数字化与智能化战略，正成为一种不可阻挡的趋势。

1 传统工厂规划流程

汽车制造企业基于市场需求，开发出指定市场定位的产品，后根据产能、投资、场地等需求规划厂房。传统的工厂规划流程首先基于产品对象进行工艺规划，后进行节拍分析及优化，最后进行物流、辅助区域及厂房总体规划，流程如图１所示。

图１ 传统工厂规划流程

1.1 工艺规划

传统工艺规划首先需要分析零件图样，整理出零件特征预估加工或装配工序。根据工程师个人经验对初版工艺进行编排，后反复检查尺寸链、刀具选型、工艺排布、加工程序优化。这个过程需要比较长的周期，并且工艺规划质量与工艺工程师个人经验水平有较大关系。

1.2 节拍分析

节拍分析是工艺规划后进行的重要步骤，它决定了工位操作内容的分配。在节拍分析的过程中，需要对手工或半自动工位进行标准工时分析。利用我们的标准工时分析工具例如MOD、MTM对涉及手动操作工位的标准操作时间进行计算分析，以确定人员规划、工时平衡墙。标准工时的计算过程需要耗费大量的时间。

1.3 产线、物流区域、工艺辅房及厂房规划

结合SLP(system aticlayout planning)系统布置设计及精益布置等原则，进行相关产线、物流区域以及工艺辅房的规划，以满足生产的需求。这个过程基于二维CAD进行,可能会存在设备干涉、人机风险、物流路径非最优的问题。在完成产线、物流以及工艺辅房规划后启动厂房设计，厂房设计中涉及建筑、结构、暖通、电气、动力、给排水等系统信息错综复杂，基于传统二维设计方法，可能后期会出现各种管路或设施干涉、错位等问题，造成不必要的返工。在产线与物流的规划设计中，产能评估，物流路径、托盘数量、AGC数量评估是基于经验计算，逻辑复杂，且得到的结果可能不是最优的。

2 数字化工厂规划

传统工厂规划流程中，存在工艺文件制作、标准工时计算费时，规划质量差，返工成本高的问题。针对上述传统工厂规划中可能涉及到的不同环节问题，数字化提供了一种解决方案。随着计算机技术的不断进步，作为数字化的主要体现——虚拟建模与仿真技术取得了长足的发展，并在工厂规划的诸多环节得到应用。

图２ 数字化工厂规划的流程

为了解决传统工厂规划方法所存在的诸多问题，数字化工厂规划方法应运而生。相较传统方式，在工厂规划各环节采用数字化工具,根据企业实践经验，预计能够缩短项目周期20%。工厂数字化规划的主要流程如图2所示，先基于产品数模进行工艺流程开发，得到产线工艺划分的依据后进行产线规划设计，最后进行产线的仿真验证。以下将针对数字化工厂规划应用作相关阐述。

2.1 数字化工艺规划

实现数字化工艺规划存在多种方式，上汽通用汽车采用西门子产品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM),连接了产品设计与制造工艺开发的环节。数字化工艺规划的流程是从Teamcenter中将产品数模导入到NX二次开发平台与PD/PS(Process Designer&Process Simulate)中，如图3、图4所示，进行机加工及装配的工艺规划、节拍分析、线平衡及机加工过程仿真，形成工艺流程图，最后将结果传输回Teamcenter进行统一平台管理，实现工艺规划的验证与制造信息的管理，从而降低工艺规划的风险，提高了工艺规划的效率。

图３NX二次开发机加工艺数字化开发

图 4 Tecnomatix Process Designer装配工艺数字化开发

2.2 产线规划设计

基于工艺流程图及标准工时，结合SLP系统布置设计及装配工艺数字化开发精益布置等原则，进行产线、物流区域及工艺辅房的初步规划。在布局设计阶段，利用FDS(Factory DesignSuite)等数字化工厂设计套件对设备、物流、工位布局进行三维设计及方案评估和优化，图5展现的是二维与三维布局设计的差异。

图5 从二维布局设计到三维布局设计

之后利用三维厂房的建模工具，例如FDS、Revit等软件完成三维厂房的建模，并进行仿真，能有效避免厂房结构、公用动力等的空间位置干涉，如图6所示。

图6 FDS三维工厂设计

除此之外，通过对施工过程的模拟，展示不同阶段的工厂状态，可以提前规避施工风险，提高施工效率。通过管道的流量分析，能够对厂房的公用动力进行仿真，评估方案的经济性。三维厂房的建模为后续人机工程仿真等工作奠定了一定基础。为了进一步提高评估的效率，引入虚拟现实技术(Virtual Reality,VR),更可以使评估人员身临其境地游览与评估尚未落成的工厂。

2.3产线仿真验证

产线规划结束后需要对产能、物流、人机等进行评估,确保规划方案可行。近几年随着虚拟仿真技术的成熟，虚拟仿真为前期方案评估提供了强有力的手段。

2.3.1产能与物流仿真

产能仿真是指利用Witness或Plant Simulation等软件根据实际的产线进行建模，结合所有工位节拍（CT）、设备平均故障修复时间（Mean time to recover,MTTR）、平均故障间隔时间（Mean cycle between failures,MCBF）等参数设定，模拟实际的生产状况，验证产线的产能，以实现最少的设备投资来满足规划产能要求，具体界面如图7所示。

图7 仿真界面

在进行产能仿真的同时同步利用该工具完成物流运作的仿真。在物流仿真环境下，输入物流调度策略、AGC数量、立体库库位数量及运行参数来模拟规划的AGC运输路径与立体库运行逻辑，确保整体设计满足需求。在物流系统运作满足生产需求的基础上，通过灵敏度分析，帮助我们进一步地评估优化AGC数量、路径以及立体库库位从而实现物流规划的精益性。

2.3.2动态装配仿真

动态装配仿真是指在Jack或PD/PS等软件中，基于实际操作内容与环境进行模型的动作定义与场景的建模，以分析装配过程中存在的操作干涉、人机、节拍等问题。图8是某变速器装配过程的动态装配仿真。动态装配仿真主要有以下作用：

1） 及时发现产品干涉问题，减少项目风险。

2） 在工厂规划前期消除潜在人机问题，减少返工成本。

3） 通过优化仿真，减少转身、走动等浪费。

4） 优化线旁物料布局及工装设计，优化工时，提高生产效率。

2.3.3 虚拟现实仿真

近几年，虚拟现实技术逐渐走出了实验室，开始用于商业与工业用途。虚拟现实最大的优势是可以在设计前期给评估人员一种沉浸感，极大提高设计评估的效率。在工业领域，虚拟现实技术可以用于三维厂房评估、产品工艺性评估、虚拟装配培训、安全等。其中，在工厂规划的产线设计环节，工程师在虚拟场景里漫游，评估设备、产线、厂房的合理性。

图8 基于PD/PS的动态装配仿真

在工厂规划的工艺评估及安全设计方面，可以在虚拟现实环境中模拟产品的装配工艺，识别工艺问题及安全设计问题。我们讲虚拟显示仿真同步拓展至培训应用，目前产品拆装培训已经在上汽通用汽车应用，如图9所示，能够在生产线尚未落地前让生产人员快速熟悉工艺操作。在设备设计环节，利用虚拟现实技术，能够模拟设备的维修，评估可维修性与设备安全性。

图9 虚拟现实技术在变速箱装配培训中的应用

图10 上汽通用汽车智能化在工厂规划中的应用点

图11 工艺规划中的智能工艺开发

在机加工走刀路径方面，传统走刀路径的设定需要凭借CNC工程师的经验且设定调试的过程需要耗费一定时间，随着智能化的到来，提供了我们新的解决思路，图12是一个典型CNC刀具走刀路径的示意图。通过自动读取产品的孔位信息，结合机床的主轴运动参数，运用智能算法——遗传算法，尝试几何级数量的不同走刀路径，并基于走刀时间等规则进行评估，快速得到最优的走刀路径，从而提高CNC编程的效率与CNC的生产能力。

图12 CNC走刀路径示意图

3.2智能生产线布局

图13是某一生产线的布局图。生产线布局是一件非常繁琐的任务，尤其是在工厂规划初期方案阶段，经常需要对比多方案而优化布局。目前该应用尚处于研究阶段。智能生产线布局是指先建立设备CAD模型资源库，包含了各种形式的设备布局。设备元素同时关联了设备生产能力、能耗等信息，后将设备CAD模型作为布局要素，以场地、产能、精益布局规划标准等需求作为布局约束，以设备模型的几何位置作为自变量，通过智能算法快速尝试多种布局方案，基于产线布局的各类精益指标进行评估，从而得到最优的布局，能够极大提升布局设计的效率。

图13 生产线布局示意图

3.3 智能工时、人机分析

上汽通用汽车针对标准工时数据库进行二次开发，利用成组的思维，将常见的连续动作进行打包，改变我们原有逐条选择参数的方式为一次性生成多条记录的方式，从而提高了我们编制标准工时的效率。后续还将融合机器学习的理念，基于输入的操作描述自动推送给我们相应的成组记录,以辅助的形式进一步提高效率。

未来的研究方向是自动生成标准工时。将VR技术融合动作捕捉技术，在虚拟场景中模拟工位操作作业，后台关联JACK或PD/PS等软件，实现标准工时的实时自动生成，原理如图14所示。同步在操作过程中的人机问题会自动记录，便于后续工程师介入，及时消除人机问题。

图14 智能工时、人机分析原理

3.4动态产能仿真

动态产能仿真是产能仿真的升级版，它更多地强调生产数据与产能仿真软件之间的交互性，在工厂规划与运营环节都可以使用。主要改进点如下：

①针对SOP(Start of Production)后项目的PMC(Production Monitoring&Controlling)数据进行大数据分析，剔除数据异常点，针对数据可视化异常的图线，提醒现场工程师进行问题排查。

②通过历史运行数据分析，预测未来系统产能，从而优化库存。

③在产能仿真的输出端，融合机器学习模型，消除产能仿真软件系统性建模误差，进一步提高仿真的准确性。目前，该应用里面的第一步已经实现，第二、三步正在研究过程中。几个环节彼此之间的关系如图15所示。

图15 动态产能仿真三步曲

除了上述案例外，后续可考虑的另一重要研究课题是仿真软件的智能化，其特点主要包括：

(1)项目经验库。在仿真的项目过程中会不断地产生工作日志，这种工作日志应作为后续相似工作任务的指导。将先前工作日志及仿真建模步骤以数据库的形式保留下来,后让计算机学习工程师针对特定问题的建模标准，在碰到相似问题的时候，在计算机的协助下可以快速解决。

(2)注重仿真结果与实际结果的对比。目前大多数软件未对工程师的建模方式进行评价，针对这个问题，就需要将仿真对象的实际运行结果，导入到我们的仿真日志数据库，形成一个完整的项目闭环，实现客观地评价建模方式与建模参数选择从而优化仿真建模标准。

工厂规划智能化主要体现在工艺智能开发、产线规划智能化。工艺智能开发的趋势是集成统一平台化，并与产品设计高度融合，为快速衍生式设计打下基础。在产品设计的时候就自动将工艺开发需要考虑的可制造性、加工设备能力等因素考虑在内，从而提高设计效率，优化设计方案。产线规划智能化的趋势是利用人工智能技术实现产线布局方案、工时评估数据自动生成，三维产线、厂房的自动创建与评估。

4 工厂规划展望

围绕着“降本、提效”，未来工厂规划将变得更加的智能与精准，从而提高规划质量与效率，增强企业的市场竞争力。相信随着数字化、智能化技术的不断深化，将会产生更多的创造性技术，最终实现无人化的工厂规划愿景。