一、绪 论
（一）本课题的研究目的与意义
1.本课题的研究目的
现今精益生产已经越来越被生产制造企业重视，而生产车间的布置在很大程度上影响着产品的生产效率，生产车间布置的越合理，生产成本和生产中不必要的浪费就会越少。本课题就针对车间的设施布置进行研究，通过建模的方法进行比对优化，从而达到车间布局的最优。 2.本课题的研究意义
在车间设施布置的优化方面，大部分企业只是采用数学等方面的成本计算，并没有实体建模的过程，这样得到的数据只是通过人们凭借自身经验计算所得到的。而FLEXSIM软件仿真建模后运行模型所得到的数据是仿真运行所得到的，准确度较以往的优化方法所得到的数据更加可靠。本课题就是通过FLEXSIM软件经计算所得的优化方案进行建模，并运行，这样所得到的优化更加可靠，更加准确的达到车间设施布置优化的目的。
（二）本课题解决的问题
通过Flexsim软件对原精密丝杆生产车间的设施布置进行仿真建模，发现原生产车间存在着明显的问题影响着精密丝杆的生产效率并在一定程度上存在着成本问题。因此采用Flexsim软件和SPL方法对生产车间设施布置进行仿真优化，解决精密丝杆生产成本和生产效率的问题。
二、设施布置的内容
（一） 设施布置的定义与类型
1.设施布置的定义及相关
设施布置就是合理安排企业或者某组织内部各功能单位（生产或者服务单位）及其相关
的辅助设施的相对位置与面积，以确保系统中工作流（客户或者物资）与信息的畅通。
从设施布置的定义可以知道其中有两个关键词：一是相对位置，二是面积。前者指不同设施位置之间的位置关系，后者指各设施的规模。设施布置是生产运作组织中的空间组织问题，目的是使企业的物质设施有效组合，取得最大经济效益。
设施布置的目的是要将企业内的各种物质进行合理安排，是他们组合成一定的空间形式，从而有效的为企业的生产运作服务，已获得更好的经济效果。设施布置在设施位置的选定之后进行，他要确定组成企业各个部分的平面或立体位置，并相应地确定物流流程、运输
方式和运输路线等。[7]
2.设施布置的类型
生产车间设备布局设计是将加工设备、物料输送设备、工作单元和通道走廊等布局实体合理地放置在一个有限的生产车间内的过程。按照不同的分类标准，存在不同的布局形式，
（1）工艺导向布置（Process layouts）
也称车间或功能布置，是指一种将相似的设备或功能放在一起的生产布局方式，例如将所有的车床放在一处，将冲压床放在另一处。被加工的零件，根据预先设定好的流程顺序从一个地方转移到另一个地方，每项操作都有相对的机器来完成。医院是采用工艺导向布局的典型。这种布局方法有利于降低运输成本，平衡同组设备的负荷并且该布局方法设备成本较低且易维护，但它的物流流动时间长，工序相互冲突，会造成大量制造成本的浪费。 （2）单元布局（Cellular layouts）
和工艺布局相对应的是单元布局。单元布局是将车间内的设施划分成若干个制造单元，以单元为基本单位组织生产。在单元布局中，一组设施完成相似零件的加工，单元是专门针对一组特定的零件族设计的，柔性较差。 （3）产品导向布置（Product layouts）
也称装配线布局，是指一种根据产品制造步骤来安排设备或工作过程的布局方式。鞋、化工设备和汽车清洗剂的生产都是按产品到项原则设计的。其优点表现在结构比较简单，物流容易控制并且物料处理柔性高等方面，但它只考虑了设备布局的定量要求，没有考虑定性方面的因素。
（4）混合布置（Hybrid layouts）
混合布置是一种常用的设施布置方式。只将两种布局方式结合起来的布局方式。比如，一些工厂总体上是按产品导向布局（包括加工、部装和总装三阶段）在加工阶段采用工艺导向布局，在部装和总装阶段采用产品向导布局。这种布局方法的主要目的是：在产品产量不足以大到使用生产线的情况下，也尽量根据产品的一定批量、工艺相似性来使产品生产有一定的顺序，物流流向有一定秩序，以达到减少中间库存、缩短生产周期的目的。混合布置的方法又包括：一人多机、成组技术等具体应用方式。这种布局形式发挥多种布局形式的优点，避免各自的缺点。
（5）定位布置（Fixed-Position layouts）
固定位置布局是指产品由于体积和重量庞大停留在一个地方，从而需要生产设备移到要加工的产品处的布局方式。造船厂、建筑工地和电影外景制片厂往往都采用这种布局方式。其特点为产品不动，制造设备与人员沿着产品移动，但它缺乏存货空间，控制系统复杂，管理负担高。[4]
（二） 设施布置的计算机仿真
工艺导向布局
单元布局
首先我们来看一下设施布置的发展，传统的设施布置主要以手工操作为主，工作量大效率低，提供的可行方案也比较少，难以达到预期的目的。20世纪70年代后，随着计算机技术的发展，人们对设施布置进行教学建模，并采用适当的算法对模型求解，求得合理的布置方案。计算机辅助设施布置设计，利用计算机强大的功能，帮助人们解决设施布置中的复杂任务，为生产系统的设施新建和重新布置提供了强有力的支持和帮助，节省了大量的人力和财力，尤其是是对大型的项目和频繁的重新布置。
其次我们来了解设施布置中仿真技术的必要性。计算机辅助设施布置主要解决的是工厂总平面布置与车间设备布置的问题，并未涉及人员以及物流设备的布置，并且计算机辅助设施布置得到的是一系列平面布置方案，而非直观的布置效果。在实际中，布置方案的好坏以及可行性要由实践来判定，空间静态结构不能如实反映具有时空概念的动态结构，某个布置方案只有在实际运作中才能证明其是否可行。而仿真技术的出现，仿真软件给设计者提供了一个三维的、直观的、可交互的人机界面。通过所建的三维实体模型，对实际的生产系统进行建模仿真，利用计算机的快速运算能力，可以在很短的时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期。因此在设施布置中有必要结合仿真技术建立各种作业区域和各种生产设备的三维实体模型，按照布置方案和工艺流程建立仿真模型，并在模型中加入实体和物流设施，通过对仿真报告的分析实现对布置方案的评价和择优。[9]
三、离散事件系统和Flexsim仿真软件
（一）离散事件系统 1.离散事件系统的定义及特点
离散事件系统是指系统的状态仅在离散的时间点上发生变化的系统，而且这些离散时间点一般是不确定的。这类系统中引起的状态变化的原因是事件通常状态变化与事件的发生一一对应的。事件的发生没有持续性，可以看作在一个时间上瞬间完成，事件发生的时间点是离散的，因而这类系统称为离散事件系统。离散事件系统特点：
(1)系统的状态只能在离散事件点上发生跃变，即仅在驱动事件发生的瞬时，状态才能出现跃变，其他时刻则保持不变；
(2)相同的状态变化具有异步性和并发性。一个离散事件的发生，可能会使状态变化呈现出并发性，即同时导致一些乃至全部变量的跃变；
(3)实际离散事件系统的状态变化呈现出不确定性，但对于某些离散事件系统，在引入一些假设时、常可将系统按确定性情况加以处理；
(4)离散事件系统通常不能采用传统的微分方程或差分方程来描述。
车间布局设计要解决各生产工部、工段、服务辅助部门、储存设施等作业单位及工作地、设备、通道、管线之间的相互位置。车间布局实体主要包括：车间、机器设备、物品物料、工作人员。生产车间是制造系统的基本组成部分，直接承担着企业的加工、装配任务，是将原材料转化为产品的部门。机器设备是企业进行生产的基本单元，合理的设备布局对均衡设备能力，保持物流平衡、降低生产成本起着至关重要的作用。规划布局时要对物料的形状特征、移动路线、移动方式、移动量等因素加以分析，避免物与物、物与人、物与设备之间的干涉碰撞。车间布局中的机器设备，物品物料的搬运形式，工作人员的工作形式均不是连续的，符合离散事件的特点，因此车间布置为典型的离散事件系统。[2]
2.离散事件系统仿真基本原理
离散事件系统仿真与建立离散事件系统模型的方式密切相关。对于比较复杂的大型离散事件系统，若以整个系统为单位，直接建立其总体模型，往往比较困难，不易取得成功。但是，如果把系统分成若干相互独立的又相互作用的实体，首先建立这些实体的局部模型，然后按实体间的相互关系，链接局部模型来组成总体模型，则容易实现。离散事件系统仿真，实质上是对那些由随机系统定义的、用数值方式或逻辑方式描述的动态模型的处理过程。从处理手段上看，离散事件系统仿真方法可分为两类： (1)面向过程的离散事件系统仿真
面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活动。这些事件或活动的发生是顺序的，而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件和活动的发生顺序。 (2)面向对象的离散事件系统仿真
在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描述部分，即属性、活动和消息。对象内部封装了对象的属性，还封装了描述对象运动及变化规律的内部和外部转换函数，这些函数以消息或时间来激活，消息和活动可以同时产生，在满足一定条件时产生相应的活动。[3]
（二）Flexsim软件简介
Flexsim是美国Flexsim公司开发的，迄今为止世界上第一个在图形环境中集成了C++IDE 和编译器的仿真软件。在这个软件环境，C++不但能够直接用来定义模型，而且不会在编译中出现任何问题。 这样，就不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链
接。 Flexsim 应用深层开发对象，这些对象代表着一定的活动和排序过程。 要应用模板里的某个对象，只需要用鼠标把该对象从库里拖出来放在模型视窗即可。每一个对象都有一个坐标（x，y，z）速度（x，y，z），旋转以及一个动态行为（时间）。 对象可以创建、删除，而且可以彼此嵌套移动，它们都有自己的功能或继承来自其他对象的功能。 这些对象的参数可以把任何制造业、物料处理和业务流程快速、轻易、高效的描述出来。同时Flexsim 的资料，图像和结果都可以与其它软件公用（这是其它仿真软件不能做到的），而且它可以从Excel 表读取资料和输出资料（或任何ODBC DATABASE），可以从生产线上读取现时资料以作分析功能。Flexsim也允许用户建立自己的实体对象（Objects）来满足用户自己的要求。[6]
Flexsim软件是针对企业物流系统或社会物流系统设计开发的离散事件系统仿真软件，它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、现代物流技术和高度数据库处理技术为一体，同时也提供了与其他工具软件的接口。其具有以下特点： （1）建模能力强，具有精确性较高的三维实体建模功能； （2）建模、仿真以及业务流程可实现动态可视化演示； （3）在仿真软件开发和终端用户使用方面，具有较高的灵活性； （4）参数化建模，独院非线性参数设计；
（5）仿真运行结束后可根据统计数据生成仿真报告，仿真数据以多种形式显示了各个物流领域设备的利用率、空闲率、阻塞率等数据。[1]
（三）Flexsim在设施布置仿真中的适用性
1.传统车间设施布置设计及其局限性
传统的布局设计过程一般是根据车间任务、基础数据资料、设计原则及加工设备的计算
数据信息等进行布置，寻求一个各方面相对优化的方案。主要步骤： （1）确定生产节拍；
（2）确定各工序所需的加工设备，计算设备负荷数； （3）工序同期化； （4）计算所需作业人数；
（5）确定生产线节拍性质，选择运输方式和物流系统； （6）进行平面布局设计； （7）编制标准计划图表。
传统的布局流程虽然可以解决物流网络及作业区布局的设计问题，但存在一下局限性： （1）只能针对某几个问题进行单方面的分析与设计，不能对全局进行考虑； （2）不能用文字或数字表达设备系统的动态特性； （3）手工计算，图性拼凑，复杂且耗时长； （4）对设计者的经验依赖性强；