生产设施规划与布局设计.doc

生产设施规划与布局设计1设施布局概述设施布局是指在一个给定的设施范围内，对多个经济活动单元进行位置安排。所谓经济活动单元，是指需要占据空间的任何实体，也包括人。设施布局有以下几类。1)固定式布置(FixPositionLayout)，根据体积或者质量将产品固定在一个位置上，设备、人员、材料都围绕着产品分布，如飞机制造厂、造船厂等。其优点在于物料移动较少，高度柔性。不足之处是人员设备的移动将相对增加，设备需要重复配备，对工人技能要求高等。2)产品原则布置(ProductLayout)，根据产品的制造步骤安排各组成部分。从理论上看，流程是一条从原料投入到成品产出的连续线。固定制造某种部件或某种产品的封闭车间，其设备、人员按加工或生产的工艺过程顺序布置，形成一定的生产线，适合品种少、批量大的生产方式。3)工艺原则布置(ProcessLayout)，是将同类设备和人员集中布置在一个地方的布置形式。工艺原则将功能相同或相似的一组设施布置在一起，故又称为机群式布置。工件按工艺路线成批进入这些班组，不同的产品需要不同的工艺路线。4)成组原则布置(GroupLayout)，应用成组技术进行设施布置，成组技术就是识别和利用产品零部件的相似性。一系列相似工艺要求的零件组成零件族。针对一个零件族的设备要求形成机器组，这些机器组形成制造单元。成组原则布置介于产品布置和工艺布置之间，适应于中小批量生产。 生产系统布局一般说来，生产系统布局有3种类型。以产品为中心的布局形式 这种类型的布局以产品的生产顺序作为布局时的主要参照。即将生产过程从材料到成品进行详细分类,然后根据这种分类选用设备,再将其按工艺顺序组成流水生产线。整车组装、食品加工等多采用这种布局形式。它的优点为:设备相对简单,组织生产方便,半成品传输费用低,生产效率较高。而其主要局限性首先在于灵活性不够。如果产品有变,则整个布局也需作相应的改变。其次,由于所有设备必须同步运行,其中任何一台机器出现故障,都会导致整个生产线停产,因此对设备的可靠性要求较高。再次,这种布局下的生产形式往往由于分工过细,不易发挥人的主观能动性。显然,这种布局适合于大批量、少品种的生产过程。以工艺过程为中心的布局形式 这种布局形式根据设备的功能分类,将功能相同或相似的设备归类、配置在一起。它的最大优点是灵活多变，不受产品限制,可大量使用通用设备，同时设备利用周期较长,它的缺点包括：半成品传输费用较高；生产工艺较为复杂,难以控制；主产周期较长,因而生产效率较低；半成品积压多,因而成本高。这种布局形式适合于小批量、多品种的生产过程。小批量的作坊式工厂多采用这种布局。成组布局形式 成组布局形式既不以产品为中心,也不以工艺过程为中心。而是将二者结合起来,按照相同或相似产品或零件所要求的工艺进行合理划分。然后以这种划分为基础,将不同的机器设备编组，形成一个针对某类零件或产品的、相对独立的工作单元。每一个单元可以有不同的机器设备、工艺规划和控制过程。这种布局具有很多优点。首先,由于各个单元可以相对独立地组织生产,因此可以通过单元的优化来达到整个系统的优化控制。如此优化较易实现,质量也易保证,而且较易调动人的积极性。其次，这种布局使得生产系统较为灵活多变 并且,较之第二种布局，其效益大为提高。显而易见,这种布局是前面两种形式的结合与改进,适合于中大批量、多品种的生产过程,是目前实现精益敏捷制造方式的主要手段,可以预料,今后一段时期内,现代工厂的布局将以此为主要发展方向。但是,要实现这种布局形式，将会对规划、控制和人员素质提出更高的要求,初期投资也会更高些。最初的设施布置设计主要是凭经验和感觉。但到了50年代, 布置设计从传统的只涉及较小系统发展到大而复杂的系统设计, 凭经验已难以胜任。于是, 在综合各学科发展的基础上, 一方面, 布置设计中运用起系统工程的概念和系统分析的方法, 在1961年由美国的缪瑟提出了极具代表性的系统布置设计( SLP) 理论; 另一方面, 60年代以来以JM摩尔等为代表的一批设施规划与设计学者, 较为系统地研究应用计算机技术进行平面布置及其优化的问题, 并产生了许多用高级语言写成的平面布置程序, 如用于新建设施的CORELAP、ALDEP程序和用于改建布置的COFAD、CRAFT程序, 形成了计算机辅助设施布置( CAL) 方法。缪瑟的系统布置设计( SLP) 是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合、求得合理布置的技术, 因此在布置设计领域获得极其广泛的运用。国内在80年代以后引进了这一理论, 收效非常显著。而计算机辅助设施布置方法利用计算机的强大功能, 帮助人们解决设施布置的复杂任务, 为生产系统的设施新建和重新布置提供强有力的支持和帮助, 节省了大量人力和财力,尤其是对大型项目和频繁的重新布置。50年代以后，工厂设计无论在范畴上还是方法上都发生了重要变化。工厂设计从传统的只涉及较小的系统发展到大而复杂的系统设计。设计的方法从依靠经验、定性的方法，到逐渐运用定量的系统分析的方法。工厂设计除了注重人、机、物的结合外，还发展到了与资源、能源、环境、信息、资本等要素相结合。而工厂设计的原则和方法也扩大到了非工业设施，包括各类服务设施。因此，逐渐从工厂设计演变成了设施规划。所谓设施，是指生产系统或服务系统运行所需的固定资产。对一个工厂或生产系统来说，设施包括占用的土地，实体建筑，机器设备，物品物料，完整的设施规划将工作人员也纳入设施的内容中。所以说，设施规划是一个涉及面很广的工作，是一种技术性、经济性、政策性、综合性很强的知识。虽然各种文献对设施规划的定义不尽相同，但是都把它定性为一个生产系统或服务系统进行全面的、系统的规划和安排。比如有的把设施规划定义为：是为新建、扩建或改建的生产系统或服务系统，综合考虑相关因素，进行分析、构思、规划、论证、设计，做出全面安排，使资源得到合理配置，使系统能够得到有效运行，以达到预期目标。但是传统设施规划的问题仍以生产系统为主要课题，而生产系统则以制造工厂的规划问题最为复杂，也最具有代表性。我们谈设施规划一般也都是面向制造工厂而言的。所以制造设施的规划的定义也可以作如下解释：1.对于各种设施设备与人员的数量需求寻得一最佳组合，以达到最恰当的生产结构。2.决定各种设备（包括生产设备、物料搬运设备、存取设备、辅助设备等）、物料及人员操作与活动所需的空间需求。3.分析各活动的关系，以求得各活动空间可能的相关位置。4.分析物料的接收、制造、存储、出货等整体过程，安排其流程、路径与时序，以期获得良好的物料搬运及人员流通成效。5.调整各活动位置与空间，以使人员、物料、机器等获得最有效经济的关系位置与操作方法。6.通过各项设施的妥善安排与规划，不仅减少对环境的负面影响，且能对长期的环境与组织发展有更积极的影响和效益设施规划在我国的应用现状在我国，自50年代开始实施工业化建设以来，许多企业出现了生产效率和经济效益低下问题。有人把我国的企业分成三个层次：第一层次是外资、合资企业，如一汽大众、上海大众、OTIS、MOTOROLA 等，这些企业具有高技术装备、人力资源水平也较高，但是需要现代资讯技术的支援以及良好的文化氛围；第二层次是较为常规的大量流水制造企业；第三层次是数量巨大、整体水平较低的乡镇和中小企业。不论是哪个层次，与一些发达国家相比，普遍存在着消耗大、成本高、质量差等问题。要想解决这些问题，弥补差距，实现跨越式发展，其根本的出路在于管理创新，即通过设施规划、质量管理等科学技术来提高管理水平，改善企业的竞争力。以设施规划为例，它强调的式系统的整体优化，从提高系统总生产率的目标出发，统筹分析、合理布置、寻求最佳的设计和改善方案。所以在降低消耗和生产成本，改善物流，改进空间的利用，缩短生产周期等方面有很大的潜力。当前，设施规划理论已越来越引起我国经济管理学家的重视。1982年，机械部设计总院邀请美国专家R缪瑟来华讲授物流系统规划技术。培训了一批设计人员，翻译出版了他的著作系统布置设计、搬运系统分析、工业设施系统规划。兵器行业设计单位派人出国学习设施规划，并在设计工作中予以应用。一些设计单位、高等院校和企业应用物流技术，调整生产布局，改善物料搬运，用较少的投入取得了缩短搬运距离和搬运量，降低生产成本，缩短生产周期，节约资金的效果。但是任何管理理念的实施都必须根据国情、厂情做出相应的调整才能保证取得预期效果。我们国内的管理界人士缺乏企业管理及企业规划的感性认识历练，理论主要是对国外相关理论的转译与阐发，实践针对性不强。所以，我们面临的问题，不是设施规划是否存在下去的问题，而是什么样的设施规划存在下去的问题。当务之急是找出一条适合我国国情的设施规划之路。这就需要做到以下几点：1.注重与国际上的互动，融合学习国外先进经验，结合中国的实际情况进行本土化。2.单一的实施设施规划很难达到预期的效果，必须结合先进的资讯技术和相关的工业工程知识，如：MRP、ERP、CIMS等加以完善。3.重视团队工作方式的重要性，尤其是跨职能团队。这种工作方式职能跨度范围较大，工作方式灵活性强，授权充分，自然工作效率也会提高。设施规划的作用不仅表现在新建的工程项目上，更体现在对已有企业的改造上。当前，我国正致力于实现经济增长方式的改变，重要的一个方面是经济增长从主要依靠扩大建设规模转变到主要依靠对现有企业进行技术改造、改组和扩建。这就从客观上提供了发挥设施规划作用的广阔的天地。设施规划的发展趋势设施规划与设计本身已有了几十年的发展。特别是近些年来，计算机辅助设施规划日渐成为工程设计人员的重要工具，最具有代表性的就是 程序。但由于设施规划与设计是一个复杂并且富含矛盾的优化问题，所以人们在计算机辅助设施布置算法上做了大量的研究。尽管如此，国内的生产系统尤其是针对生产物流优化的设施布置系统仍然比较落后，成型的实用性强的设计工具不多，大多数需要设计人员手工操作，先构思然后再在图形绘制工具中进行绘制，费时费力，效率低下。为此，有必要在对制造系统的设施布置技术进行一定的理论研究基础上，开发一个完善的、高效的、便捷的、通用的计算机辅助生产系统设施布置软件。这是设施规划与设计发展的必经之路，也是专家、技术人员未来的工作重点。综上所述，设施规划发展的总趋势可以归纳为以下几点：1.继续发展和完善缪瑟的系统布置设计，并渗透和集成到计算机辅助设施布置设计，甚至整个制造系统中去。2.开发出更通用、更完整、更快速、更准确的新算法及相应的计算机辅助设施布置软件。3.随着企业改造的完成，需要加强对高效、集成、柔性制造过程的设施规划研究，从而适应业务上的转变。4.设施规划的理念要强调环境可持续发展意识。设施规划的作用不仅表现在新建的工程项目上，更体现在对已有企业的改造上。当前，我国正致力于实现经济增长方式的改变，重要的一个方面是经济增长从主要依靠扩大建设规模转变到主要依靠对现有企业进行技术改造、改组和扩建。这就从客观上提供了发挥设施规划作用的广阔的天地。31 设施布置设计的总趋势缪瑟的系统布置设计( SLP) 逻辑严密、条理清晰、考虑比较完善。因此, 先前的新建生产( 服务) 系统中最具代表性的CORELAP程序就是将SLP融入计算机辅助设施布置方法( CAL) 中, 只是当时的集成比较简单。现在, 温拿的战略设施规划( SFP) 在发展SLP的基础上将其自身更紧密地集成于CAL中, 这也表明了在设施布置项目向大型化、复杂化方向发展的今天, 考虑到时效性,计算机辅助设施布置方法已逐渐成为设施布置设计的主流。在此领域, 虽然人们作了众多的探索,取得不小的成果, 但由于布置问题确是一个复杂并且富含矛盾的优化问题, 所以至今仍未真正建立起完善的、得到大家一致公认的软件模型, 其算法也有诸多问题要解决。因此, 设施布置设计未来发展的总趋势就是: 一方面继续发展完善缪瑟的系统布置设计和温拿的战略设施规划, 把它们的精髓更完整地渗透、集成到计算机辅助设施布置设计中去; 另一方面根据现实情况构建更为完整的布置模型, 并结合最新的人工智能技术的发展, 提出功能更强大、更为迅捷快速的新算法, 最终开发出更通用的计算机辅助设施布置软件。32 未来设施布置设计中迫切需要解决的关键问题根据设施布置设计未来发展的总趋势, 需要解决以下几方面的关键问题。( 1) 如何在软件中结合缪瑟的系统布置设计( SLP) 和系统搬运分析( SHA) , 把设施布置设计与物料搬运系统设计集成起来, 并进一步把它们集成于生产系统的设计中, 实现两两间的并行工程?(2) 如何在软件中考虑多层布置, 实现平面布置向立体布置的突破? 因为布置优化过程中,设施的调整因多层建筑约束较强而不易实现。另外, 在多层布置中, 运输时间是非线性的; 水平面上任何方向上的物料搬运费用是一样的这一假设对多层也不成立。所以平面布置向立体布置的突破极需创造力。( 3) 如何在软件建模中考虑制造单元、独立制造岛等新型设施的特点? 例如, 它们与传统布置问题的不同在于它们有三个附加约束( 单元形状,单元定向, P/ D点设置) 必须事先确定( 即须把它们构造于模型之中) , 而非事后修正。( 4) 在软件算法方面: 如何选择合适的降温速率, 使得模拟退火法能在适当时间内为大型项目找到满意解? 如何在遗传算法中把布置方案的信息建模成遗传结构, 设计有效的交换策略和合理参数, 并处理关键的约束问题?33 对一些关键问题的看法( 1) 软件模型方面。近几年来人们着重研究第二、三类模型, 并且各种模型大有集成之势。针对关键的不确定性问题, 如果采用柔性方法, 必须先确定物流的概率分布; 如果采用鲁棒性方法,必须提供一些需求情况及每种情况的最优解。但物理布局最优设计必须在制造系统设计的早期解决, 而生产混和是不确定且动态变化的。因此, 给出准确的概率分布或给出一些准确的需求情况与设备布局优化设计一样困难。在这种情况下, 设备之间的物流等因素的估计很大程度上依赖于管理者或设计者的主观判断和( 或) 偏好, 这实际上是不准确的。有人提出了处理这种不确定性的一种方模糊方法。模糊集理论是对产生于心理现象的不确定性和不准确性进行建模的有效方法。可以把它集成于多目标/ 多准则布置模型中, 构建模糊非线性目标规划、模糊多目标决策QAP等各式新模型。( 2) 软件算法方面。就其优劣人们做了许多比较, 最有希望的是SA、TS和GA。目前有一种趋势是把启发式算法( heuristic algorithm) 融入SA、TS和GA, 形成各式改进的混和SA、TS和GA算法( 如Lamarck 的进化算法、元算法等) 。在关键的参数选择问题上, 可以引入人工神经网络技术。如有可能, 可在现有人工智能技术的基础上引入专家系统和学习机制, 形成类似生物的自组织、自适应。柔性设备布局对市场波动的快速适应能力变得更加重要。根据最近出现文献来看，动态环境下的设备布局和柔性布局成为研究的热点。美国下一代布局协会在其下一代车间布局研究挑战中提出了四类布局策略：分布式布局、模块化布局、可重组布局以及敏捷布局。设