一种碳化硅外延车间工艺布局优化与评价方法、系统及设备与流程

本发明涉及工业厂房工艺布局技术，具体而言是一种碳化硅外延车间工艺布局优化与评价方法、系统及设备。

背景技术：

1、工艺布局优化的目标是使工艺加工单元模块的布置尽可能合理，以提高物料流动的效率，最小化物料运输距离和人员移动距离，实现生产过程的高效运转。碳化硅外延车间生产工艺单一、占地面积较大，反而是后续的测试流程环节较多，对于测试房间的布局，以往的做法是规划人员根据经验将各个房间排布在生产区域的一侧，可能会导致物料来回运输，并使物流通道流量增加。项目前期没有形成一套科学标准的布局流程，且缺少量化分析的优化工具。

2、现有布局优化的方法1：对车间设备布局做出简化与假设，分析车间布局的优化目标，确定决策变量与约束条件，建立车间布局优化的数学模型，确定相应的目标函数，采用改进的自适应遗传算法进行求解，得到数字化车间布局优化的方案。

3、现有布局优化的方法2：根据工艺和生产房间的清单，完成生产房间在车间中的基础布局；获取生产房间在优化布局过程中的评价参数，对基础布局进行扰动优化；实时给出基础布局扰动优化过程中评价参数的数值；对评价参数的数值进行分析判断，确定扰动优化的边界，给出生产房间在车间中的最终布局，完成生产房间布局的优化。

4、上述现有布局优化方法在生成布局图过程中，对于各工艺加工单元的组合排列采用随机方式生成，它将流程和距离进行了简化，过于理想，实际车间工艺情况比较复杂，其布局优化的约束条件可能与实际不符，不能反映真实情况。比如，①在实际车间中，考虑到特殊工艺对水电气要求，需要将一部分工艺加工单元模块设置在固定位置，随机组合或智能算法无法考虑该约束条件。②工艺加工单元模块之间的物料配送频次不同，不能简单的归结为物流配送的距离时间问题。③上下料时间对搬运作业单元资源的占用、实际物流通道长度、上下料位置、搬运作业单元排队等待信息，不能在上述数学模型中体现。

5、另外，上述布局优化方法过于强调数学模型的作用，而忽略了布局规划的理论方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种碳化硅外延车间工艺布局优化与评价方法、系统及设备，该方法符合实际车间生产情况，具有极高的指导性和实际应用价值。

2、技术方案：本发明的一种碳化硅外延车间工艺布局优化与评价方法，包括以下步骤：

3、(1)收集车间工艺流程，确定需要布局的各工艺加工单元顺序关系；

4、(2)收集每个工艺加工单元需求的最小面积，长、宽尺寸；

5、(3)获取可使用面积：收集车间厂房建筑布局图，确认布局规划的可使用面积、位置和车间物流通道信息；

6、(4)收集每个工艺加工单元的工艺节拍数据、各工艺加工单元之间的物流频次数据、各工艺加工单元未加工物料暂存区和已加工物料暂存区容量；

7、(5)收集布局约束条件，包括部分工艺加工单元必须放在固定位置，厂房立柱、物流门、消防通道、参观通道和车间长宽尺寸信息；

8、(6)确认车间的物流动线；物流动线是物流作业中物料移动路线的空间表现形式，满足各个工艺加工单元之间的物料转运，其形式包括：直线式、双直线式、锯齿形、u型、l型、分流式和集中式；

9、(7)根据物流动线、工艺流程、物流频次和布局约束条件信息，结合工艺布局规划原则，生成多版工艺布局方案；

10、(8)收集各工艺加工单元之间的物料搬运信息，包括速度、转运批量、单次上下料时间；

11、(9)对工艺加工单元、物流通道进行模块化、参数化建立仿真模块库，并分别建立多版工艺布局方案对应的布局仿真模型，并输出每版工艺布局方案的仿真结果；仿真模块库包括工艺模块、物流模块和数据管理模块三个功能单元，数据管理模块用于管理仿真模型输入、输出数据，输入数据包含工艺模块输入数据、物流模块输入数据，输出数据包含仿真模型的评价指标；布局仿真模型是指由工艺模块、物流模块、数据管理模块共同构成的具有相互关系的系统模型；

12、(10)设定布局优化指标，建立多目标评价体系；

13、(11)根据多目标评价体系对每版工艺布局方案的仿真结果进行评估，选择最优布局方案。

14、进一步的，步骤(5)中车间长宽尺寸约束条件为：

15、每一行的最远两个工艺加工单元的总长度不超过车间的总长度，表达式为：

16、

17、每一列的最远两个工艺加工单元的总宽度不超过车间的总宽度，表达式为：

18、

19、其中，l为车间长度，h为车间宽度，xi为第1行第1个工艺加工单元中心横坐标，xj为第1行最后一个工艺加工单元中心横坐标，yi为第1列第1个工艺加工单元中心纵坐标，yk为第1列最后一个工艺加工单元中心纵坐标，li和lj分别为第1行第1个工艺加工单元和第1行最后一个工艺加工单元的长度值，hi和hk为第1列第1个工艺加工单元和第1列最后一个工艺加工单元的宽度值。

20、进一步的，步骤(5)中布局约束条件还包括：对于处于工艺流程中间环节的有刚性约束条件的工艺加工单元，布局规划时要考虑其前后工序的工艺加工单元位置和物流量。

21、进一步的，步骤(7)中生成多版布局方案，具体包括：

22、(71)确定需要进行工艺布局的碳化硅外延车间对外的物流对接形式和对接点位置信息；

23、(72)确定碳化硅外延车间的空间位置、面积和长宽比例；

24、(73)确定碳化硅外延车间内从发货区到成品区的主要物流动线形式；

25、(74)优先布置有刚性约束的工艺加工单元，并考虑物料流程的前后关系顺序，以及在步骤(73)确定的物流动线形式；

26、(75)插入无刚性约束的工艺加工单元，结合具体场景和布局原则，形成多版布局方案。

27、进一步的，步骤(75)具体包括：

28、(a)从物流动线的起点到终点，考虑每个无刚性约束的工艺加工单元最小面积需求和长宽比例，按照工艺流程顺序在有刚性约束的工艺加工单元之间插入无刚性约束的工艺加工单元无刚性约束的工艺加工单元；

29、(b)从物流动线的起点到终点，考虑每个无刚性约束的工艺加工单元最小面积需求和长宽比例，优先考虑有刚性约束的工艺加工单元前后工艺加工单元的配送距离，其次结合工艺流程顺序，在有刚性约束的工艺加工单元之间插入无刚性约束的工艺加工单元；

30、(c)从物流动线的起点到终点，考虑每个无刚性约束的工艺加工单元最小面积需求和长宽比例，优先考虑物流转运频次较高的工艺加工单元，其次结合工艺流程顺序，在有刚性约束的工艺加工单元之间插入无刚性约束的工艺加工单元；

31、(d)从物流动线的起点到终点，考虑每个无刚性约束的工艺加工单元最小面积需求和长宽比例，综合考虑有刚性约束的工艺加工单元前后工艺加工单元的配送距离、整体工艺流程顺序、工艺加工单元之间的物流转运频次，在有刚性约束的工艺加工单元之间插入无刚性约束的工艺加工单元。

32、进一步的，步骤(9)中仿真模块库建立方法为：

33、工艺模块，包括所有工艺加工处理单元的特性，同时保留与物流模块中的物流调度模块的接口，用于发出物料转运需求，并请求搬运作业单元；

34、物流模块，包括通道模块、交叉口控制模块、搬运作业单元停靠点模块和物流调度模块，其中，通道模块根据形式分为直道、t型交叉口、十字交叉口、l型交叉口，根据行驶逻辑分为单向通道、双向通道、分流、合流；交叉口控制模块用于满足其他模块的控制要求；搬运作业单元停靠点模块用于满足搬运作业单元在装卸操作、空闲等待方面的需求；调度模块，用于满足任务排队、充电管理、任务分配、路径规划、任务优先级设置的功能；

35、数据管理模块：包括参数模块和数据输出模块，参数模块用于设置参数，数据输出模块用于输出数据；在建立数据管理模块时，需要将该模块和工艺模块、物流模块在逻辑上相互关联，使他们之间能够相互读取数据。

36、进一步的，步骤(9)中布局仿真模型是指由工艺模块、物流模块、数据管理模块共同构成的具有相互关系的系统模型，仿真模型建好之后，只需在数据管理模块中修改和查看仿真数据；仿真模型建模步骤如下，详见图4。

37、(1)基于布局图，获取工艺、物流元素清单；

38、(2)根据工艺、物流元素类型，使用对应的工艺模块、物流模块生成实例，并命名；

39、(3)结合布局图，调整工艺模块和物流模块所有实例的相对位置；

40、(4)根据工艺流程，设置所有实例的物料转运逻辑关系；

41、(5)新建数据管理模块实例，在数据管理模块实例中导入工艺参数和模型初始运行信息，完成信息流设置；

42、(6)整体运行仿真模型，调试模型，检查模型准确性。

43、进一步的，步骤(10)中设定布局优化指标，建立多目标评价体系，包括：产能目标函数、搬运作业单元搬运距离目标函数和搬运作业单元平均利用率目标函数；

44、产能目标函数表达式为：

45、maxp＝min(p1,p2,…,pn),n＝n

46、搬运作业单元搬运距离目标函数表达式为：

47、

48、搬运作业单元平均利用率目标函数表达式为：

49、

50、其中，p为系统产能；f为搬运设备的总距离；r为搬运作业单元平均利用率；n为所有单元数量，pn为编号为n的单元产能，即当n＝1时，p1表示编号为1的单元产能；fij为两个单元之间的物流频次；dij为两个单元之间的距离；v为搬运作业单元速度；x为包装单元数量，a为单位包装上下料时间，b为每次上下料固定的准备时间，t＝ax+b表示一次上下料作业总时间；yij为搬运作业单元数量；tij为搬运作业单元的可用时间。

51、本发明的一个实施例中，一种碳化硅外延车间工艺布局优化与评价系统，包括：

52、数据收集单元，用于收集车间工艺流程，确定需要布局的各工艺加工单元顺序关系；收集每个工艺加工单元需求的最小面积，长、宽尺寸；获取可使用面积，收集车间厂房建筑布局图，确认布局规划的可使用面积、位置和车间物流通道信息；收集每个工艺加工单元的工艺节拍数据、各工艺加工单元之间的物流频次数据、各工艺加工单元未加工物料暂存区和已加工物料暂存区容量；收集布局约束条件，包括部分工艺加工单元必须放在固定位置，厂房立柱、物流门、消防通道、参观通道和车间长宽尺寸信息；收集各工艺加工单元之间的物料搬运信息，包括速度、转运批量、单次上下料时间；

53、物流动线确认单元，用于确认车间的物流动线，物流动线是物流作业中物料移动路线的空间表现形式，满足各个工艺加工单元之间的物料转运，其形式包括：直线式、双直线式、锯齿形、u型、l型、分流式和集中式；

54、布局方案生成单元，用于根据物流动线、工艺流程、物流频次和布局约束条件信息，结合工艺布局规划原则，生成多版工艺布局方案；

55、仿真模型构建单元，用于对工艺加工单元、物流通道进行模块化、参数化建立仿真模块库，并建立多版工艺局部方案对应的布局仿真模型，并输出每版工艺布局方案的仿真结果；仿真模块库包括工艺模块、物流模块和数据管理模块三个功能单元，数据管理模块用于管理仿真模型输入、输出数据，输入数据包含工艺模块输入数据、物流模块输入数据，输出数据包含仿真模型的评价指标；布局仿真模型是指由工艺模块、物流模块、数据管理模块共同构成的具有相互关系的系统模型；

56、评价体系构建单元，用于设定布局优化指标，建立多目标评价体系；

57、布局方案优化单元，用于根据多目标评价体系对每版工艺布局方案的仿真结果进行评估，选择最优布局方案。

58、本发明的一个实施例中，一种电子设备，所述设备包括：

59、存储有可执行程序代码的存储器；

60、与所述存储器耦合的处理器；

61、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述的一种碳化硅外延车间工艺布局优化与评价方法、系统与设备的步骤。

62、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)布局方案更贴合实际生产情境：通过融入实际生产场景，包括但不限于物流动线的流畅性、工艺流程的连贯性、物流活动的频率以及实际操作中的种种约束条件，利用先进的布局规划理念来定制化生成多版本布局方案；从根本上提升了方案的实用性与灵活性，确保了提出的布局不仅理论上合理，而且能够充分适应车间的实际情况；通过综合分析与优选，不仅缩短了方案产出周期，也大幅减少了后续仿真评估所需的时间，提高了整体设计效率；(2)加速并优化方案评估流程：采用了参数化、模块化的物流系统仿真技术，这一技术手段允许在布局图的基础上快速搭建起详尽的仿真模型，模型中不仅纳入了工艺节拍、物流通道设计、搬运作业单元配置基本信息，还进一步考虑了诸如设备速度变化、物料上下料时间、转运批量大小及搬运作业单元可能的排队等待时间动态因素，以此来实现对方案影响的全貌评估；这种仿真模型的精细度和动态调整能力，使得评估结果更为精确，同时模型的快速迭代特性大幅度缩减了评估周期，确保了优化方案的时效性和精确性，为快速响应生产需求变化和持续改进提供了坚实的技术支撑。