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基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 中文摘要 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 中文摘要 制造业是我国经济增长的主导领域和经济转型的基础，它是对制造资源按照顾客 的要求通过制造过程转化为可供人们使用的产品，在将资源转变为产品和产品的使 用、处理过程中，消耗了有限的资源并对环境造成了污染。怎样使得制造业尽可能地 减少资源消耗和尽可能减少环境污染是2 l 世纪制造业面临的重大问题之一。制造业 工厂设施规划的好坏直接决定了绿色制造系统的效果，而且，设施规划是工厂一种典 型的长期决策，是改善生产系统的结构基础，是提高生产效率的主要途径。 因此，如何科学地做好工厂设施规划，优化工厂资源配置，对制造业有着重大的 意义和影响。本文根据绿色制造特点，以先进制造管理思想为基础，透过可持续发展 与科学发展观的视角，采用设施规划与系统工程的理论和方法，将绿色制造与系统化 布局规划理念相结合，归纳提炼了基于绿色制造的工厂设施规划思想。 本文以绿色制造的工厂设施规划为研究对象，主要完成了以下工作： 梳理了设施规划的基本概念，提出了基于绿色制造的工厂设施规划目标和原则。 分析了系统化设施布置方法的相关概念，归纳提炼了基于绿色制造的系统化设施 布置方法，并阐述了该方法系统化和绿色化的特点。 结合a 工厂的实际情况，运用基于绿色制造的系统化设施布置方法，对a 工厂 进行工厂选址、厂区内总体规划、车间布置规划等方面研究。 基于绿色制造的工厂设施规划可使得工厂物流状况大大改善，生产过程更连续顺 畅，生产过程对环境的影响大大减少。 关键词：绿色制造，设施规划，系统化，工厂选址 作者：王坤 指导教师：周华明 英文摘要 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 b a s e do ng r e e nm a n u f a c t u r i n gp l a n tf a c i l i t i e sp l a n n i n g a p p l i c a t i o nr e s e a r c h a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi st h ek e yf i e l do fc h i n e s ee c o n o m i cg r o w t ha n dt h ef o u n d a t i o no f e c o n o m i ct r a n s f o r m a t i o n a c c o r d i n gt om a r k e t sr e q u i r e m e n t s ，i tt a m st h em a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ei n t ot h ep r o d u c t sw h i c hp e o p l ec a nu s ea n di tc o n s u m e sl i m i t e dr e s o u r c ea sw e l l a sp r o d u c ep o l l u t i o nd u r i n gm a n u f a c t u r i n g h o wt or e d u c er e s o u r c ec o n s u m i n ga n dh o wt o r e d u c ep o l l u t i o ni sb e c o m i n go n eo fc r i t i c a lp r o b l e m si n21c e n t u r y t h ea b i l i t yo ff a c i l i t y l a y o u tp l a n n i n gd i r e c t l yd e t e r m i n e st h ee f f e c t i v e n e s so fg r e e nm a n u f a c t u r i n g m o r e o v e r ， f a c i l i t yl a y o u tp l a n n i n gi sal o n g t e r md e c i s i o n i t sa b a s i so fp r o d u c t i o ns y s t e ma n di t sa n i m p o r t a n tw a y t oi m p r o v ep r o d u c t i v i t y t h e r e f o r e ，h o wt os c i e n t i f i c a l l yc o m p l e t e st h ef a c i l i t yl a y o u tp l a n n i n ga n do p t i m i z e t h ea l l o c a t i o no fr e s o u r c e sh a v eap r o f o u n da n ds i g n i f i c a n c em e a n i n gt om a n u f a c t u r i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e e nm a n u f a c t u r i n g ，w i t ha d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g m a n a g e m e n tt h o u g h ta st h ef o u n d a t i o n ，t h r o u g ht h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n ds c i e n t i f i c d e v e l o p m e n tp e r s p e c t i v e ，u s i n gf a c i l i t i e sp l a n n i n ga n ds y s t e me n g i n e e r i n gt h e o r ya n d m e t h o d ，t h eg r e e nm a n u f a c t u r i n ga n ds y s t e m a t i cl a y o u tp l a n n i n gc o n c e p ti sp r o p o s e d b a s e do nc o m b i n a t i o na n d 嘶n go u tf a c t o r yf a c i l i t i e sp l a n n i n ga n dd e s i g nt h o u g h tb a s e do n g r e e nm a n u f a c t u r i n gp l a n t b a s e do nt h eg r e e nm a n u f a c t u r i n gf a c t o r yf a c i l i t i e sp l a n n i n gf o rr e s e a r c ho b j e c t , t h e f o l l o w i n gj o b sw e r em a i n l yc o m p l e t e d ： c o m b e dt h eb a s i cc o n c e p t so ff a c i l i t yl a y o u tp l a n n i n g ，d e f i n et h ef a c t o r yf a c i l i t i e s p l a n n i n gg o a l sa n dp r i n c i p l e sb a s e do ng r e e nm a n u f a c t u r i n g a n a l y z e st h es y s t e m a t i cl a y o u tp l a n n i n gr e l a t e dc o n c e p t s ，a m e t h o di sp r o p o s e db a s e d o n g r e e nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m a n df a c i l i t i e s l a y o u tm e t h o d ，a n de x p l a i n s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e ma n dg r e e n c o m b i n e d 、订t l l “a ”f a c t o r ya c t u a ls i t u a t i o n , “a ”f a c t o r y f a c i l i t i e sp l a n n i n gi s a n a l y z e db a s e do nt h es y s t e m a t i cg r e e nm a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e sl a y o u tm e t h o df r o mt h e l o c a t i o ns e l e c t i o n ，p l a n td e s i g na n dw o r k s h o pd e s i g n h 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 英文摘要 t h ef a c i l i t ys y s t e m a t i ca r r a n g e m e n tm e t h o db a s e do ng r e e nm a n u f a c t u r i n gm a k e s f a c t o r yl o g i s t i c a ls t a t u sg r e a t l yi m p r o v e d ，w i t ht h ec o n t i n u o u sp r o d u c t i o nm o r es m o o t h ，t h e p r o d u c t i o np r o c e s so fe n v i r o n m e n t a li m p a c ti sg r e a t l yr e d u c e d k e y w o r d s ：g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，f a c i l i t yp l a n n i n g ，s y s t e m a t i c ，p l a n tl o c a t i o n w r i t t e n b y - w a n g k u n s u p e r v i s e db y ：z h o uh u a m i n g 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 当金融危机在经济全球化与资本世界性扩张的背景下发生，中国制造业在多米诺 骨牌的游戏中无可回避地被撞击了，然而倘若这种经济体之间生死存亡的撞击能带来 一场深刻的精神洗礼，敲响一扇通向未来的人文理性和科学发展的思维之门，那么牺 牲者和出局者也就能获得一种补偿了。2 0 0 8 年美国金融危机的爆发，使得经历了近 三十年顺风顺水大发展的中国制造业突然面临前所未有的困境。如何走出困境，成为 一个关乎整体经济前景和未来发展模式的大问题。制造型企业走出危机就要从质量、 成本、效率三方面着手，打造高效的生产系统是提升质量、降低成本、提高效率的依 靠所在，是企业尽快走出困境的根本方法。 据有关统计资料表明【1 j ，美国自1 9 5 5 年以来，每年约有8 的国民生产总值投资 在新的工业设施上，其中4 0 用在制造业上，达到每年2 5 0 0 亿美元的以上的规模。 而我国自1 9 8 5 年起，每年的固定资产投资至少为数千亿元人民币。设施规划设计水 平的高低和质量的优劣，对资源是否合理利用，设施运营后能否实现科学管理，能否 发挥经济效益，对最终实现投资效果起到了决定性和关键性的作用。合理规划企业设 施的总体布局，实现工厂运输及物流系统的合理化，可以大大缩短生产周期加速资金 周转，减少物流费用与制造成本，对提升品质具有直接影响。 百余年来，制造业的生产和管理模式，由于世界经济的发展以及科学技术的进步 而发生了很大的变化，从而也对设施规划与物流设计产生比较大的影响。1 9 世纪末 2 0 世纪初工业化的前期，工业产品供不应求，制造业中大都采用标准化产品的大量 生产模式，最典型的例子就是福特汽车公司的汽车，一个品种生产数百万辆。在大量 生产模式理念的统治下，为了确保原材料和其它辅助材料的充分供应，以及流水线生 产的正常进行，工厂的组织和规模不断扩大，形成了“大而全的组织架构，设施布 置也按这一理念进行设计。精益生产时战后日本汽车工业遭到的“资源稀缺 和“多 品种、少批量 的市场制约的产物，它是从丰田相佐诘开始，经丰田喜一郎及大野 耐一等人的共同努力直到2 0 世纪6 0 年代才逐步形成和完善的。在这一时代背景 第一章绪论基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 下，以简化为手段，以人为中心，以尽善尽美和精益求精为最终目标的“精益生产 ( l e a np r o d u c t i o n ) 应运而生【2 1 。在此环境下大多数企业的生产布局基本上还是延续着 经典规模化批量生产时按功能划分的布局方式，正是这种不适应频繁变化的生产传统 布局模式直接影响整个公司及车间的生产效率。精益生产方式对工厂布置提出了更高 的要求，设施规划需要满足日益变化的现代先进生产模式。 随着社会的发展，环境与资源问题受到越来越多的关注与重视，绿色制造越来越 受人们重视。传统制造业在将资源转变为产品的制造过程中和产品的使用、处理过程 中，消耗了资源，同时产生了废弃物，废弃物是制造业对环境污染的主要根源。绿色 制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，它对于提升我国发展资源 节约型、环境友好型制造业具有重要的现实意义和战略意义。而工厂设施规划是否合 理直接决定了绿色制造系统能否实现。 将绿色制造思想融入工厂设施规划理论与应用，从而在降低成本、提高效率与质 量的同时，也使得制造过程对环境负面影响极小，资源利用率极高，而且大大改善工 作环境，这些都是本文研究的重点内容。 对于制造型企业来说，一个好的工厂设施规划有以下优点： 1 ) 可以缩短生产周期，加速资金周转。过去，设计人员在设计车间生产系统时， 往往只考虑到通过先进的制造工艺来提高生产率、降低成本，而忽视了车间生产物流 的合理规划所起的作用，缺乏对整个制造过程物流的系统分析。有可能个别的加工点 的效率有明显的提高，但是整个制造系统的生产周期没有明显改善。 2 ) 可大幅度减少车间工作量，减少劳动力占用。通过对产品及工艺的分析，合 理布置生产设施、合理设计物流系统，对车间生产意义重大。 3 ) 可降低生产成本，减少流动资金占用，增加企业利润。在工业发达国家，除了 加强营销、减少原材料的使用和能源消耗外，已经把改造车间物料搬运、改善车间中 物流状况看作是减少开支以获取利润的“第三源泉”。而合理的车间设施的规划可以 有效地减少生产过程的运输成本，从而降低生产成本，减少流动资金占用。 4 ) 可提高产品质量。产品在车间的搬运、贮存过程中，由于搬运手段不善，造成 磕、碰、伤，从而影响产品质量的现象非常严重，而企业的管理者往往忽视这个问题 或者很难从根本上解决这个问题。因此，合理的设施布置，先进的工位器具和严格的 运输过程的管理，可以有效地保证产品的质量。 2 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 第一章绪论 5 ) 促进技术改造，为企业发展提出新的要求。新工艺，新设备的采用，往往导致 物流过程的缩短；另一方面，物流流程的改造迫使制造企业对生产瓶颈进行改进，亦 要求采用新工艺、新设备，这样就形成了一个互相进步的良性循环。 6 ) 文明生产、安全生产、健康生产。车间生产设施的合理系统的规划，使采光、 照明、通风、除尘、防噪音等具有良好的条件，将工位器具设在合适的部位，便于工 人完成作业等等，有利于改善环境和生产组织管理，提高安全生产水平，为工人创造 安全、舒适的工作环境。 1 2 本文研究方法与内容 1 2 1 本文研究方法 本着论文需具备系统性、全面性、实用性、创新性的思想，本文在分析现有研究 方法的基础上，采用了以下几种研究方法： ( 一)理论梳理。全面地梳理了绿色制造与设施规划方面的理论知识，体现了 论文的系统性。 ( 二)归纳绿色制造与设施规划，通过逻辑推导建立了以总绿色制造目标函数 与物流强度最小为目标的函数模型，体现了论文的创新性；并与实例研究相结合，对 工厂选址、总体规划、车间进行设施规划与设计，并采用大量的图表对理论和数据进 行说明。本文中有大量的关系数据和计算数据，采用图标对其说明和计算，使文章结 构清晰明了，体现了论文的科学性。 ( 三)理论与实践相结合的方法。基于绿色制造对工厂布局进行规划，得到了 优秀的工厂布置方案，降低了企业成本，体现了论文的实用性。 1 2 2 研究内容 本文以绿色制造理论和设施规划理论为基础，利用系统化设施规划方法解决基于 绿色制造的工厂设施规划与设计问题。 首先，梳理了生产系统、设施和设施规划的定义，论述了设施规划的原则和依据， 重点阐述了设施规划的必要性和重要意义；分析了绿色制造的基本思想、基本概念及 其特点。 其次，将基于绿色制造理念应用于设施规划中。通过对设施规划过程中的物流强 第一章绪论基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 度分析，确定了设施规划的目标，建立了以总的物流强度最小的设施规划目标函数模 型，同时建立了绿色制造目标函数。 最后，通过实例研究，用系统化布局方法进行了工厂选址、总体规划、车间设施 布置优化，使工厂设施规划更具合理性、科学性和高效性，从而降低企业的成本，提 高企业的市场竞争力，同时，为设施规划问题提供一种更好的解决思路和方法。 本文研究路线图，如图1 2 2 所示 1 - 3 本章小节 l 基于绿色制造的工厂设麓规划l 崮匝闻臣困 图1 2 2 论文研究路线图 本章首先介绍了课题研究的背景，强调了设施规划在制造业工厂中的重要性，同 时，现代设施规划正朝着绿色化研究方向发展；然后分别综述了设施规划与绿色制造 国内外发展现状；最后，提出了本文研究方法与内容，研究内容即基于绿色制造的工 厂设施规划应用研究，研究方法体现了科学性、系统性、全面性、实证性等。 4 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究第_ 二章设施规划与绿色制造理论 第二章设施规划与绿色制造理论 2 1 国内外文献综述 2 1 1 设施规划研究现状 2 1 1 1 国外研究现状 1 9 世纪末至2 0 世纪3 0 年代，以泰勒为首的工程师对工厂、车间、作坊进行了一 系列调查和试验，细致地分析、研究了工厂内部生产组织方面的问题，倡导“科学管 理 。当时工厂设计的活动主要有3 项，即操作法工程( m e t h o d se n g i n e e r i n g ) 、工厂 布置( p l a n tl a y o u t ) 和物料搬运( m a t e r i a lh a n d l i n g ) 【3 1 。其中操作法工程研究的重 点是工作测定、动作研究等工人的活动；工厂布置则研究机器设备、运输通道和场地 的合理布置；物料搬运就是对原材料到制成产品的物流控制。在此期间，主要凭经验 和定性方法开展工厂设计活动。 第二次世界大战后，被战争破坏的国家需要重建工厂，工厂的规模和复杂程度明 显增大，工厂设计不仅要运用复杂的系统设计、运筹学、统计数学、概率论，同时， 系统工程理论、电子计算机技术也得到普遍应用，并逐渐扩大到非工业设施，包括各 类服务设施，如机场、医院、超级市场等。“工厂设计”一词也逐渐被“设施规划”、 “设施设计”或“设施规划与设计”所涵盖。 从2 0 世纪5 0 年代起，管理科学、工程数学、系统分析的应用，为工厂设计由定 性分析转向定量分析创造了条件。这期间陆续发表了一些工厂设计的著作，如缪瑟的 系统布置设计和物料搬运系统分析等【3 1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，推出了一些计算机辅助工厂布置程序，较著名的有c r a f t ( 位置配置法) 、c o p e l a p ( 相互关系法) 、p l a n e t ( 分析评价法) f 4 】等。这些程序 是以搬运费用最少、相互密切度最大为目的，以产生一个最好的工厂布置方案。计算 机辅助工厂设计逐渐进入实用阶段，可进行布置设计、场地设计、建筑设计、物料搬 运系统和工艺流程的布置及动态模拟，c a d 广泛应用于规划设计的各个阶段。 2 0 世纪8 0 年代，在物流系统分析中，利用计算机仿真技术进行方案比较和优选、 复杂系统的仿真研究，包括从原料接收到仓库、制造、后勤支持系统的方针，仓储系 5 第二二章设施规划与绿色制造理论 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 统进行分析、评价的方针等，设施设计的动态、柔性问题的研究，利用众多理论进行 多目标优化问题的探讨。 2 0 世纪9 0 年代，结合现代制造技术、f m s 、c i m s 和现代管理技术j i t 等进行物 料搬运和平面布置的研究，制造系统的研究也扩大到从产品订货开始直到销售的整个 过程，充满生机和活力的制造业在全球范围内蓬勃发展起来。 2 1 1 2 国内研究现状 国内的设施规划研究是在新中国成立后随着大规模经济建设而发展起来的，当时 沿用的是计划经济条件下形成的原苏联模式。改革开放以后，虽引进了一些发达国家 设施规划的现代方法和技术，但仍有很大差距。 首先，系统掌握并能运用工业工程和设施规划知识的学者仍为数不多。很长一段 时间以来，工业工程专业在我国高等学校是个空白，很少出版系统论述设施规划的教 材或专著，“设施规划这一名词及其内涵还鲜为人知，这对于提高我国工程设计人 员素质和规划设计水平十分不利。 其二，在目前，一方面规划设计体制还没有完全摆脱计划经济的传统习惯，不少设 施规划仍凭借经验；另一方面，许多企业也还没有意识到对这种技术的紧迫需求，或限 于条件而没有提到日程上来。 在我国制造型企业，大多数生产车间的布置设计没有与产品及设备的更新换代同 步，导致车间布置与生产工艺流程不符，由于这些设施布置不合理而导致的物流方面 的问题很多，如物流流速慢，停滞长，机构分散且不协调，物耗费用高，浪费严重， 有些生产车间比较杂乱，容易发生安全事故。 因此，在我国大力宣传设施规划和推广设施规划技术是很有必要的。 1 9 8 2 年，应机械部设计总院的邀请，美国物流专家理查德缪瑟来华讲授了系统 布置设计( s l p ) 、物料搬运设计( s h a ) 和系统化工业设计规戈i j ( s p i f ) ，国内将其翻译出 版，对中国的物流工程和设施规划产生了极大的影响。 李京文和徐寿波( 1 9 8 7 ) 在国内出版了第一本物流方面的专著。该书全面系统的讲 述了关于物流方面的知识，包括物流的定义，物流的发展历程和物流的特点等【5 】。 林立千、程国全和蔡临宁等( 2 0 0 3 ) 着重从工程规划与设计的角度介绍了现代物流 设施规划与物流系统分析的基本理论和方法1 6 】。 6 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究第二章设施规划与绿色制造理论 2 1 2 绿色制造研究现状 2 1 2 1 国外研究现状 国际上，绿色制造有关内容的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代，但比较系统地提 出绿色制造的概念、内涵和主要内容的文献是美国工程师学会( s m e ) 于1 9 9 6 年发 表的关于绿色制造的专门蓝皮书g r e e nm a n u f a c t u r i n g i 。 近年来，绿色制造及其相关问题的研究非常活跃，特别是在美国、加拿大、西欧 等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究。在美国，从一些国家重 点实验室到国家研究中心，从东海岸的麻省理工学院到西海岸的伯克利加州大学，大 量的研究工作正在进行。卡奈基梅隆大学的绿色设计研究所从事绿色设计、管理、制 造、法规制定等的研究和教育工作，并与政府、企业、基金会等广泛合作。不少企业 也进行了大量研究，美国a t & t 公司在企业技术学报上发表了大量关于绿色制造的研 究论文。在欧洲，国际生产工程学会c i r p 近几年均有大量论文对绿色制造本质问题 进行研究。国际电子电器工程师协会( i e e e ) 和日本生态设计协会联合发起，在松下、 s o n y 、i b m 、丰田等多家跨国公司赞助下，国际研讨会迄今已成功举办了3 届，对绿 色制造和逆向制造技术展开了讨论。欧洲、日本、美国等发达国家的许多跨国公司都 制定了绿色制造实施目标和措旌，开展节能、降耗、产品生命周期评估、环境审核、 绿色产品开发等具体工作，如日本本田公司2 0 0 1 年曾提出“到2 0 0 3 年将全面实施绿 色制造”的口号【8 】。特别是，近年来随着i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体系系列标准、 o h s a s l 8 0 0 0 职业健康与安全卫生标准系列、绿色产品标志认证等的颁布，企业环境 管理和绿色制造的研究更加活跃。可以不夸张地说，绿色制造研究形成的强大绿色浪 潮，正在全球兴起。 2 1 2 2 国内研究现状 在我国，近年来在绿色制造及相关问题方面也进行了一些研究。重庆大学承担了 国家8 6 3 项目( “绿色制造的资源流模型和实施关键技术研究”、“绿色制造的集成运 行模式和实用评估技术、“面向绿色制造的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研 究”等) 和国家自然科学基金项目( “绿色制造的理论体系和决策支持技术研究 、“制 造系统资源消耗模型和资源消耗特性的研究等) ，初步建立了绿色制造的理论体系 和技术体系，对制造系统物料和能源资源优化利用以及面向绿色制造的工艺规划方面 7 第_ 二章设施规划与绿色制造理论基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 进行较为深入的研究工作。清华大学承担了国家自然科学基金重点项目“机电产品绿 色设计理论及方法”，对机电产品绿色设计中的理论、技术和方法进行了较深入的研 究。机械科学研究院已完成了国家科委“九五攻关项目一一清洁生产技术选择与数 据库的建立、机械工业基金项目一一绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工 业中九个行业，对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，提出了一 种适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研 究。目前正在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究 。以环境 保护绿色技术评价体系为研究载体，将e t v 评价技术导入机械制造业的绿色设计、 绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和e t v 评价体系【8 】。 2 2 设施规划相关理论 2 2 1 设施规划定义与研究范围 设施规划是在企业经营策略的指导下，针对生产或服务系统的生产或转换活动， 从投入到产出的全部过程中，将人员、物料及所需的相关设施设备等，做有效的组织 和规划，并与其他相关设施协调，以期获得安全、效率、经济的操作，满足企业经营 需求，同时也能对企业长期的组织功能和发展产生更积极的影响和效益【9 】。 工厂设施规划按照研究范围可以分为工厂厂址选择和工厂内部设计两大部分，其 中工厂内部设计又可以分为布置系统设计、物料搬运系统设计、信息控制系统设计、 结构系统设计【1 0 1 ，如图2 1 1 1 所示。 图2 1 1 1工厂设施规划研究范围 8 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究第二章设施规划j 绿色制造理论 2 2 2 工厂选址( 宏观) 理论体系 2 2 2 1 工厂选址概述 一个工厂位置应该设置在何处，对于企业来说是涉及经营战略的重要决策，尤其 是大型工业设施的选址，它们对一个国家的国民经济全局都有重大的影响，经常是政 治、经济、文化、科技相互交叉的一个问题。一个大型工厂设施的场址选址会影响到 全国生产能力的布局、城市建设规划、基础投资、环境保护等问题。 工厂设施选址包含两方面内容，首先是对可能选择的国家或国内地区的选择，然 后在选定的国家或地区最终选择合适的具体地点。通常，在可行性分析报告中要提出 建议的地区，但最终还要由专门的小组通过和城市规划、地址勘探、气象等部门的合 作才能得出最后的结论。 2 2 2 2 工厂选址的主要因素 影响工厂选址决策的因素主要可分为外部因素、内部因素两大类。外部因素包括 宏观政治、经济因素、基础设施及环境等。内部因素包括企业的发展战略、产品、技 术或服务的特征等。 ( 1 ) 外部因素分析 宏观政治因素主要指一个国家的政权是否稳定、法制是否健全、是否存在贸易 禁运政策等，这一点是显而易见的，大多数的企业都不愿意在动乱的国家或地区投 资。宏观政治因素是无法量化的指标，主要依靠企业的主观评价；宏观经济因素包 括税收政策、关税、汇率等，这一点与企业的选址决策直接相关，企业总是会寻求 最宽松的经济环境；基础设施包括交通设施、通信设施等，现代企业中，物流成本 往往要超过制造成本，而一个良好的基础设施对于降低物流成本是十分关键的，所 以，基础设施在选址决策中占有重要地位；环境包括自然环境及社会环境，如劳动 力的成本、素质等。 ( 2 ) 内部因素分析 企业的内部因素往往是最主要的，选址决策首先要与企业的发展战略相适应。例 如，作为制造业的企业，发展劳动力密集型的产品还是高技术类型的产品，这是企业 综合内外形势分析得到的企业发展战略，如果选择劳动力密集型产品，则必然要选择 生产成本低的地区作为选址的依据；而选择高技术类型的产品，则必须要选择劳动力 9 第二章设施规划与绿色制造理论 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 素质高的地区，而这些地方往往成本较高。从商业及服务业来说，选择连锁便利店还 是超市的发展战略，会有不同的企业网络设计。选择连锁便利店，则必须选择一些人 口密集区域，成本较高，面积需求较小；选择超市，则要选择人口不是非常密集，可 以有大面积提供。 2 2 2 3 工厂选址的评价方法 国内外在选址的评价方法研究方面已形成多种方法，大致可以归纳为以下三类： ( 1 ) 定性研究 定性研究是以影响设施选址合理性的因素分析为基础，如影响工厂选址的因素有 政策、城市和区域规划、建设费用及运营费用、环境、文化环境、及基础设旋条件等 等。通过综合的定性分析，建立设施选址的评价指标体系，并且常常采用层次分析法、 分级加权评分法对各个备选方案进行指标评价，最后寻求最优地址。定性方法考虑的 因素较多，比较全面。但是主观性较强，大量的主观片断容易造成评价偏差。 ( 2 ) 定量研究 定量研究主要是依据物流费用或物流成本最低的原则，建立数学模型，通过模型 求解获得最佳选址方案。根据考虑影响费用因素的简单与复杂程度，形成多种类型的 选址模型，常用的快捷模型有盈亏平衡法、简易线性规划法、重心法等。定量方法更 贴近实际，但是当系统很庞大时，运算量会很大。 ( 3 ) 定性定量相结合研究 定性定量研究具有明显的优势互补性，将两者相结合的研究也取得一定进展。如 结合重心法和层次分析法的一种两阶段选址方法，应用重心法求一组工厂选址备选方 案，并借助层次分析法对备选方案进行综合因素比较，计算得出方案的综合指标评价 序列。还有的根据工厂设施选址影响因素建立选址指标体系，包括定性指标也包括定 量指标，然后分别建立定性定量指标进行评价【n 】。 2 2 3 工厂内部设计( 微观) 理论体系 工厂内部设计包括布置系统设计、物料搬运系统设计、信息控制系统设计、结构 系统设计。其中，结构系统设计是指厂房结构、水电、照明设计等，这不是本文研究 的重点，故忽略介绍结构系统设计理论与信息控制系统设计理论，重点介绍布置系统 设计理论与物料搬运系统设计理论。 1 0 基于绿色制造的工厂设施规划心用研究第二章设施规划j 绿色制造理论 2 2 3 1 布置系统设计 工厂总体布局与所属不同的工业部门密切相关，特别是离散型生产，如各种类型 的机器制造；流程型生产，如石油化工行业，其总体布局大相径庭。但是不管是离散 型还是流程型，其工厂布局主要由生产过程所决定。 一般的，布置系统设计分为以下几个步骤【1 2 1 ： 1 1 定义问题：定义设施系统的目标，无论是规划一项新设施或改进现有设施， 都需要对生产的产品予以量化描述，并针对作业的层次或者数量予以定义；指定为达 成目标所要执行的主要与支持性作业，可通过所涉及的操作、设备、人员与物料流程 来定义所要执行的主要与支持性作业，以及要满足的要求；支持性作业的目的是为使 基本作业能在最少干扰与延迟的情况下进行运作。 2 ) 分析问题：决定所有作业之间的相互关系，在指定设施的范围内，建立作业 之间的互动关系以及相互支持的运作方式，同时定义出作业之间定性与定量的关系； 决定所有作业的空间需求，当计算每一项作业的空问需求时，必须考虑所有设备、物 料与人员的需求。 3 ) 发展方案：基于设施目标与问题分析，发展可行的设计方案。 4 ) 评估方案：评估可行的设计方案，基于可接受的评估标准，将可行计划予以 排序；对每一个可行计划，要决定所涉及的评估因素为何，并评估这些因素将如何影 响设施表现与其操作绩效。 5 ) 选择方案：选择一个设计方案，决定最能满足企业组织目标的方案为何；在 评估设施方案的过程中，常会发现成本不是唯一主要的因素，如顾客满意度等都是评 估的重点。 6 1 执行方案：执行设计方案，一旦选定某一方案，在实际构建一项设施或对某 一区域进行布局之前，要先进行许多规划工作，从布局的准备设施、实行开始、执行 中与改正错误等每一环节都要进行监督。继续与修正设计方案，当某设施产生新需求 时，整个设施计划必须据以修正。 2 2 3 2 物料搬运系统设计 物料搬运是指物料搬运作业，即利用机械或人力来执行一项移动物料的动作。而 l l 第二章设施规划与绿色制造理论 基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 物料搬运系统则更深入地探讨物料流动与设施布局之间的关系，将物料的移动过程和 设施的布局设计相互配合，以期支持设施的生产或服务系统作业。 物料搬运系统设计要素包含搬运对象、移动方式、搬运方式这三种要素。 设计和运作一个物料搬运系统是一件复杂的工作，要达到成功的物料搬运系统， 并无特定法则可依循。因此，美国物料搬运机构和国际物料管理协会所赞助的主管物 料搬运教育的学术工业委员会，于2 0 世纪6 0 年代开始编列2 0 条物料搬运原则，并 持续修改其内容，如表2 1 3 2 所示【l2 。 表2 1 3 2 物料搬运系统原则 物料搬运原则研究内容 在进行初步计划之前，反应问题本质彻底研究，以便明了现有的解决方法为 l 指导原则 何，在经济上和实务上有何限制，同时可建立朱来的需求内容和设计目标。 制定一个整体计划，应包括基本需求内容、方案的选择范围，以及对所有物 2 计划原则 料搬运和存储活动的权宜考虑。 规划内容应整合实务上的所有搬运活动，包括从供应商、验收、储存、生产、 3 系统原则 检验、包装、送货、运输至客户等不同端点的搬运活动。 4 流程原则将搬运和储存作业中的实体物料流程与信息流程相互整合。 5 单元负载原则依据产品的人小和搬运设备负载以决定产品的搬运单位。 6空间利用原则 将建筑物的平面空间和立体空间做最佳化的利用。 7 标准化原则尽可能侵搬运方法及搬运设备标准化。 依照人体的能力有限，设计物料搬运设备和作业程序，以使人员能够有效地 8人冈化原则 利用这套系统。 9 机械化原则尽可能地使用机械设备执行搬运作业，避免使用人力搬运。 l o 弹性化原则采用能够适应各种不同需求状况，进行不同工作内容的方法及设备。 l l 简单化原则 删除、减少及合并非必要的移动和设备，以简化搬运工作。 依据环境的需要，对物料搬运及储存系统采用电脑网络作业，以改善物料信 1 2 电脑化原则 息控制。 1 3 能源原则物料搬运系统及物料搬运程序中的能源消耗要具有经济性考虑。 1 4 生态原则使用物料搬运没备及物料搬运程序时，应避免对周同环境造成破坏。 1 5 重力原则在人员安全、产品耗损无虑的情况下，尽量利用重力搬运物料。 1 6 安全原则遵循现有的安全规定及参照实际经验，采用安全的物料搬运方法和设备。 为所有可能存在的解决方案，准备操作程序及设备布局，再根据效率及效果 1 7 布局原则 选出其中最佳的方案。 在经济有效的基础上，比较每个设备和方法的经济条件，衡量每搬运单位所 1 8 成本原则 耗用的成本大小。 1 9 维护原则规划所有搬运设备的定期维修。 2 0 汰旧原则规划定期更新搬运方法和设备，以更有效率的方式改善作业。 1 2 基于绿色制造的t 厂设施规划应用研究第二二章设施规划与绿色制造理论 这些原则综合了设计者在设计和运作搬运系统时的经验，搬运原则适合作为初期 规划设计或者是系统运作中的检讨改进的依据。搬运原则的运用会尽可能减少或消除 物料搬运作业，或者通过搬运的改良，减少存货及毁损数量。由此可节省人工，并缩 短产品工时，降低产品在生产过程中被毁损的可能性，改善工作场所安全和工作状况。 2 3 绿色制造相关理论 2 3 1 基础理论体系 绿色制造技术涉及产品整个生命周期，甚至多生命周期，主要考虑其资源消耗和 环境影响问题，并兼顾技术、经济因素、使得企业经济效益和社会效益协调优化，其 技术范围和体系框架【1 3 1 如图2 2 1 所示。 i 绿 1 羹 绿lil 塬 色ll l 资h 到l li 色 - t 能 i 源 图2 2 1 绿色制造体系范围及框架 1 3 来豫丰富 一一一一一一一一一一圊圊困一一 第二章设施规划与绿色制造理论基于绿色制造的工厂设施规划应用研究 绿色制造包括两个层次的全过程控制、三项具体内容和两个实现目标。 两个层次的全过程控制，一是指具体的制造过程，即物料转化过程，充分利用资 源，减少环境污染，实现具体绿色制造的过程；另一是指在构思、设计、制造、装配、 包装、运输、销售、售后服务及产品报废后回收整个产品周期中，每个环节均充分考 虑资源和环境问题，以实现最大限度地优化利用资源和减少污染的广义绿色制造过程。 三项内容是用制造系统工程的观点，综合分析产品生命周期从产品材料的生产到 产品报废回收处理全过程中的各个环节的环境及资源问题所涉及的主要内容。三项内 容包括：绿色资源、绿色生产和绿色产品。绿色资源主要指绿色原材料和绿色能源。 绿色原材料主要是指来源丰富，便于充分利用，便于废弃物和产品报废后回收利用的 原材料。绿色能源，应尽可能使用储存丰富，可再生的能源，并且应尽可能不产生环 境污染问题。绿色生产过程中，对一般工艺流程和废弃物，可以采用的措施有：开发 使用节能资源和环境友好的生产设备；放弃使用有机溶剂，采用机械技术清理金属表 面，利用水基材料代替有毒的有机溶剂为基体的材料；减少制造过程中排放的污水等。 开发制造工艺时，其组织结构、工艺流程以及设备都必须适应企业的“向环境安全型” 组织化，已达到大大减少废弃物的目的。绿色产品主要指资源消耗少，生产和使用中 对环境污染小，并且便于回收利用的产品。 2 3 2 绿色制造概述 制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中和产品的使用、处理过程中，同时 产生废弃物，废弃物是制造业对环境污染的主要根源，制造系统对环境的影响如图 2 2 2 1 所示，虚线表示个别特殊情况下，制造过程和产品使用过程对环境直接产生污 染( 如噪声) ，而不是废弃物污染。 1 4 摹于绿色制造的t f 设施规划应用研究 第一二章设施规划与绿色制造理论 图2 2 2 1制造系统对环境的影响 各国专家学者的研究普遍认为，绿色制造是解决制造业环境污染问题的根本方法 之一，绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造 是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制 造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利 用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。 绿色制造涉及的问题领域有三部分：( 1 ) 制造问题，包括产品生命周期全过程； ( 2 ) 环境保护问题；( 3 ) 资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉， 如图2 2 2 2 所示。 图2 2 2 2 绿色制造的问题领域交叉情况 2 0 世纪及其以前的制造企业的追求目标几乎是唯一的，即追求最大的经济利益， 如图2 2 2 3 ( a ) 所示。企业为了追求最大的经济利益，有时甚至不惜牺牲环境效益；另 外对资源消耗问题也主要算经济账，而很少考虑人类世界有限的资源如何节约问题。 2 1 世纪是生态时代经济，正如人才、企业文化等成为企业的无形资产，单纯经济账不 能体现其价值一样，企业的环境效益状况关系到企业可持续发展。因此，绿色制造的 1 5 第二章设施规划与绿色制造理论基于绿色制造的t 厂设施规划麻用研究 实施要求企业既要考虑经济效益，更要考虑社会效益，于是2 1 世纪实施绿色制造的企 业追求的效益目标将从单一的经济效益优化变革到经济效益和社会效益协调优化，如 图2 2 2 - 3 ( b ) 所示。 一 ( 量 传统制造企业效益目标，( b ) 绿色毒蜻企业效益目标 图2 2 2 3 传统制造企业与绿色制造企业效益目标 2 3 3 绿色制造的资源主线论 制造业在把制造资源转变为产品的过程中及产品的使用和处理过程中，同时产生 废弃物，废弃物是制造业对环境污染的主要根源，绿色制造的根本途径是优化制造资 源的流动过程，使得资源利用率尽可能高，废弃物尽可能少，这就是资源主线论【1 4 1 。 如图2 2 3 所示。 图2 2 3资源主线论 2 3 4 清洁生产理论 清洁生产是当代人类从不断协调经济发展与环境保护矛盾对立统一过程中而逐 1 6 基于绿色制造的工厂设施规划心用研究第一二章设施规划与绿色制造理论 步形成的新思维，其基本作用是为了推行可持续发展战略和维护生态平衡所确立的污 染预防对策。清洁生产的基本内涵是从生产全过程不断改进管理、推行技术进步，以 提高资源利用率，减少污染物排放及降低生产活动对人类和环境的危害。 清洁生产包含了四层涵义【1 5 】： ( 1 ) 清洁生产的目标是节省能源、降低原材料消耗、减少污染物的产生量和排 放量。 ( 2 ) 清洁生产的基本手段是改进工艺技术、强化企业管理，最大限度地提高资 源、能源的利用水平和改变产品体系，更新设计观念，争取废物最少排放