隨著勞動成本的不斷提升，市場競爭日益加劇，汽車製造業對於TQCS（Time時間，Quality質量，Cost成本，Service服務）提出了更高的要求。為了應對挑戰，越來越多的汽車製造業企業採用新技術驅動的數字化與智慧化戰略，正成為一種不可阻擋的趨勢。
1 傳統工廠規劃流程
汽車製造企業基於市場需求，開發出指定市場定位的產品，後根據產能、投資、場地等需求規劃廠房。傳統的工廠規劃流程首先基於產品物件進行工藝規劃，後進行節拍分析及最佳化，最後進行物流、輔助區域及廠房總體規劃，流程如圖１所示。
圖１ 傳統工廠規劃流程
1。1 工藝規劃
傳統工藝規劃首先需要分析零件圖樣，整理出零件特徵預估加工或裝配工序。根據工程師個人經驗對初版工藝進行編排，後反覆檢查尺寸鏈、刀具選型、工藝排布、加工程式最佳化。這個過程需要比較長的週期，並且工藝規劃質量與工藝工程師個人經驗水平有較大關係。
1。2 節拍分析
節拍分析是工藝規劃後進行的重要步驟，它決定了工位操作內容的分配。在節拍分析的過程中，需要對手工或半自動工位進行標準工時分析。利用我們的標準工時分析工具例如MOD、MTM對涉及手動操作工位的標準操作時間進行計算分析，以確定人員規劃、工時平衡牆。標準工時的計算過程需要耗費大量的時間。
1。3 產線、物流區域、工藝輔房及廠房規劃
結合SLP（system aticlayout planning）系統佈置設計及精益佈置等原則，進行相關產線、物流區域以及工藝輔房的規劃，以滿足生產的需求。這個過程基於二維CAD進行，可能會存在裝置干涉、人機風險、物流路徑非最優的問題。在完成產線、物流以及工藝輔房規劃後啟動廠房設計，廠房設計中涉及建築、結構、暖通、電氣、動力、給排水等系統資訊錯綜複雜，基於傳統二維設計方法，可能後期會出現各種管路或設施干涉、錯位等問題，造成不必要的返工。在產線與物流的規劃設計中，產能評估，物流路徑、托盤數量、AGC數量評估是基於經驗計算，邏輯複雜，且得到的結果可能不是最優的。
2 數字化工廠規劃
傳統工廠規劃流程中，存在工藝檔案製作、標準工時計算費時，規劃質量差，返工成本高的問題。針對上述傳統工廠規劃中可能涉及到的不同環節問題，數字化提供了一種解決方案。隨著計算機技術的不斷進步，作為數字化的主要體現——虛擬建模與模擬技術取得了長足的發展，並在工廠規劃的諸多環節得到應用。
圖２ 數字化工廠規劃的流程
為了解決傳統工廠規劃方法所存在的諸多問題，數字化工廠規劃方法應運而生。相較傳統方式，在工廠規劃各環節採用數字化工具，根據企業實踐經驗，預計能夠縮短專案週期20%。工廠數字化規劃的主要流程如圖2所示，先基於產品數模進行工藝流程開發，得到產線工藝劃分的依據後進行產線規劃設計，最後進行產線的模擬驗證。以下將針對數字化工廠規劃應用作相關闡述。
2。1 數字化工藝規劃
實現數字化工藝規劃存在多種方式，上汽通用汽車採用西門子產品生命週期管理（Product Lifecycle Management，PLM），連線了產品設計與製造工藝開發的環節。數字化工藝規劃的流程是從Teamcenter中將產品數模匯入到NX二次開發平臺與PD/PS（Process Designer&Process Simulate）中，如圖3、圖4所示，進行機加工及裝配的工藝規劃、節拍分析、線平衡及機加工過程模擬，形成工藝流程圖，最後將結果傳輸回Teamcenter進行統一平臺管理，實現工藝規劃的驗證與製造資訊的管理，從而降低工藝規劃的風險，提高了工藝規劃的效率。
圖３NX二次開發機加工藝數字化開發
圖 4 Tecnomatix Process Designer裝配工藝數字化開發
2。2 產線規劃設計
基於工藝流程圖及標準工時，結合SLP系統佈置設計及裝配工藝數字化開發精益佈置等原則，進行產線、物流區域及工藝輔房的初步規劃。在佈局設計階段，利用FDS（Factory DesignSuite）等數字化工廠設計套件對裝置、物流、工位佈局進行三維設計及方案評估和最佳化，圖5展現的是二維與三維佈局設計的差異。
圖5 從二維佈局設計到三維佈局設計
之後利用三維廠房的建模工具，例如FDS、Revit等軟體完成三維廠房的建模，並進行模擬，能有效避免廠房結構、公用動力等的空間位置干涉，如圖6所示。
圖6 FDS三維工廠設計
除此之外，透過對施工過程的模擬，展示不同階段的工廠狀態，可以提前規避施工風險，提高施工效率。透過管道的流量分析，能夠對廠房的公用動力進行模擬，評估方案的經濟性。三維廠房的建模為後續人機工程模擬等工作奠定了一定基礎。為了進一步提高評估的效率，引入虛擬現實技術（Virtual Reality，VR），更可以使評估人員身臨其境地遊覽與評估尚未落成的工廠。
2。3產線模擬驗證
產線規劃結束後需要對產能、物流、人機等進行評估，確保規劃方案可行。近幾年隨著虛擬模擬技術的成熟，虛擬模擬為前期方案評估提供了強有力的手段。
2。3。1產能與物流模擬
產能模擬是指利用Witness或Plant Simulation等軟體根據實際的產線進行建模，結合所有工位節拍（CT）、裝置平均故障修復時間（Mean time to recover，MTTR）、平均故障間隔時間（Mean cycle between failures，MCBF）等引數設定，模擬實際的生產狀況，驗證產線的產能，以實現最少的裝置投資來滿足規劃產能要求，具體介面如圖7所示。
圖7 模擬介面
在進行產能模擬的同時同步利用該工具完成物流運作的模擬。在物流模擬環境下，輸入物流排程策略、AGC數量、立體庫庫位數量及執行引數來模擬規劃的AGC運輸路徑與立體庫執行邏輯，確保整體設計滿足需求。在物流系統運作滿足生產需求的基礎上，透過靈敏度分析，幫助我們進一步地評估最佳化AGC數量、路徑以及立體庫庫位從而實現物流規劃的精益性。
2。3。2動態裝配模擬
動態裝配模擬是指在Jack或PD/PS等軟體中，基於實際操作內容與環境進行模型的動作定義與場景的建模，以分析裝配過程中存在的操作干涉、人機、節拍等問題。圖8是某變速器裝配過程的動態裝配模擬。動態裝配模擬主要有以下作用：
1） 及時發現產品干涉問題，減少專案風險。
2） 在工廠規劃前期消除潛在人機問題，減少返工成本。
3） 透過最佳化模擬，減少轉身、走動等浪費。
4） 最佳化線旁物料佈局及工裝設計，最佳化工時，提高生產效率。
2。3。3 虛擬現實模擬
近幾年，虛擬現實技術逐漸走出了實驗室，開始用於商業與工業用途。虛擬現實最大的優勢是可以在設計前期給評估人員一種沉浸感，極大提高設計評估的效率。在工業領域，虛擬現實技術可以用於三維廠房評估、產品工藝性評估、虛擬裝配培訓、安全等。其中，在工廠規劃的產線設計環節，工程師在虛擬場景裡漫遊，評估裝置、產線、廠房的合理性。
圖8 基於PD/PS的動態裝配模擬
在工廠規劃的工藝評估及安全設計方面，可以在虛擬現實環境中模擬產品的裝配工藝，識別工藝問題及安全設計問題。我們講虛擬顯示模擬同步拓展至培訓應用，目前產品拆裝培訓已經在上汽通用汽車應用，如圖9所示，能夠在生產線尚未落地前讓生產人員快速熟悉工藝操作。在裝置設計環節，利用虛擬現實技術，能夠模擬裝置的維修，評估可維修性與裝置安全性。
圖9 虛擬現實技術在變速箱裝配培訓中的應用
圖10 上汽通用汽車智慧化在工廠規劃中的應用點
圖11 工藝規劃中的智慧工藝開發
在機加工走刀路徑方面，傳統走刀路徑的設定需要憑藉CNC工程師的經驗且設定除錯的過程需要耗費一定時間，隨著智慧化的到來，提供了我們新的解決思路，圖12是一個典型CNC刀具走刀路徑的示意圖。透過自動讀取產品的孔位資訊，結合機床的主軸運動引數，運用智慧演算法——遺傳演算法，嘗試幾何級數量的不同走刀路徑，並基於走刀時間等規則進行評估，快速得到最優的走刀路徑，從而提高CNC程式設計的效率與CNC的生產能力。
圖12 CNC走刀路徑示意圖
3。2智慧生產線佈局
圖13是某一生產線的佈局圖。生產線佈局是一件非常繁瑣的任務，尤其是在工廠規劃初期方案階段，經常需要對比多方案而最佳化佈局。目前該應用尚處於研究階段。智慧生產線佈局是指先建立裝置CAD模型資源庫，包含了各種形式的裝置佈局。裝置元素同時關聯了裝置生產能力、能耗等資訊，後將裝置CAD模型作為佈局要素，以場地、產能、精益佈局規劃標準等需求作為佈局約束，以裝置模型的幾何位置作為自變數，透過智慧演算法快速嘗試多種佈局方案，基於產線佈局的各類精益指標進行評估，從而得到最優的佈局，能夠極大提升佈局設計的效率。
圖13 生產線佈局示意圖
3。3 智慧工時、人機分析
上汽通用汽車針對標準工時資料庫進行二次開發，利用成組的思維，將常見的連續動作進行打包，改變我們原有逐條選擇引數的方式為一次性生成多條記錄的方式，從而提高了我們編制標準工時的效率。後續還將融合機器學習的理念，基於輸入的操作描述自動推送給我們相應的成組記錄，以輔助的形式進一步提高效率。
未來的研究方向是自動生成標準工時。將VR技術融合動作捕捉技術，在虛擬場景中模擬工位操作作業，後臺關聯JACK或PD/PS等軟體，實現標準工時的實時自動生成，原理如圖14所示。同步在操作過程中的人機問題會自動記錄，便於後續工程師介入，及時消除人機問題。
圖14 智慧工時、人機分析原理
3。4動態產能模擬
動態產能模擬是產能模擬的升級版，它更多地強調生產資料與產能模擬軟體之間的互動性，在工廠規劃與運營環節都可以使用。主要改進點如下：
①針對SOP（Start of Production）後項目的PMC（Production Monitoring&Controlling）資料進行大資料分析，剔除資料異常點，針對資料視覺化異常的圖線，提醒現場工程師進行問題排查。
②通過歷史執行資料分析，預測未來系統產能，從而最佳化庫存。
③在產能模擬的輸出端，融合機器學習模型，消除產能模擬軟體系統性建模誤差，進一步提高模擬的準確性。目前，該應用裡面的第一步已經實現，第二、三步正在研究過程中。幾個環節彼此之間的關係如圖15所示。
圖15 動態產能模擬三步曲
除了上述案例外，後續可考慮的另一重要研究課題是模擬軟體的智慧化，其特點主要包括：
（1）專案經驗庫。在模擬的專案過程中會不斷地產生工作日誌，這種工作日誌應作為後續相似工作任務的指導。將先前工作日誌及模擬建模步驟以資料庫的形式保留下來，後讓計算機學習工程師針對特定問題的建模標準，在碰到相似問題的時候，在計算機的協助下可以快速解決。
（2）注重模擬結果與實際結果的對比。目前大多數軟體未對工程師的建模方式進行評價，針對這個問題，就需要將模擬物件的實際執行結果，匯入到我們的模擬日誌資料庫，形成一個完整的專案閉環，實現客觀地評價建模方式與建模引數選擇從而最佳化模擬建模標準。
工廠規劃智慧化主要體現在工藝智慧開發、產線規劃智慧化。工藝智慧開發的趨勢是整合統一平臺化，並與產品設計高度融合，為快速衍生式設計打下基礎。在產品設計的時候就自動將工藝開發需要考慮的可製造性、加工裝置能力等因素考慮在內，從而提高設計效率，最佳化設計方案。產線規劃智慧化的趨勢是利用人工智慧技術實現產線佈局方案、工時評估資料自動生成，三維產線、廠房的自動建立與評估。
4 工廠規劃展望
圍繞著“降本、提效”，未來工廠規劃將變得更加的智慧與精準，從而提高規劃質量與效率，增強企業的市場競爭力。相信隨著數字化、智慧化技術的不斷深化，將會產生更多的創造性技術，最終實現無人化的工廠規劃願景。
作者：上汽通用汽車有限公司 蔡炳傑 ， 賡朋芳
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