第3章工厂布局设计.ppt

布局,3.1设施规划概述3.2流程分析与空间需求分析3.3SLP法求解3.4方案评价与选择3.5案例分析,3.1设施规划概述,3.1.1设施规划与设计的研究范围,3.1.2设施规划的目标与原则,目标(1)简化加工过程；(2)有效地利用设备、空间、能源和人力资源；(3)最大限度地减少物料搬运；(4)缩短生产周期；(5)力求投资最低；(6)为职工提供方便、舒适、安全和职业卫生的条件。,原则,(1)减少或消除不必要的作业，这是提高企业生产率和降低消耗的最有效方法之一。只有在时间上缩短生产周期，空间上减少占地，物料上减少停留、搬运和库存，才能保证投入的资金最少、生产成本最低；(2)以流动的观点作为设施规划的出发点，并贯穿在规划设计的始终。因为生产系统的有效运行依赖于人流、物流、信息流的合理化；(3)运用系统的概念。系统分析的方法求得系统的整体优化；,(4)重视人的因素，运用人机工程理论，进行综合设计，并要考虑环境的条件包括空间大小、通道配置、色彩、照明、温度、湿度、噪声等因素对人的工作效率和身心健康的影响；(5)设施规划设计是从宏观到微观，又从微观到宏观的反复迭代、并行设计的过程。要先进行总体方案布置设计，再进行详细布置；而详细布置设计方案又要反馈到总体布置方案中，对总体方案进行修正。总之，设施规划与设计就是要综合考虑各种相关因素，对生产系统或服务系统进行分析、规划、设计，使系统资源得到合理的配置。,3.1.3设施规划与设计阶段结构,设施规划与设计有一个与时间有关的阶段结构，并且各阶段是依次进行的；阶段与阶段之间应互相搭接，每个阶段应有详细进度；阶段中自然形成若干个审核点。这种结构形成了从整体到局部、从全局到细节、从设想到实际的设计次序。即前一阶段工作在较高层次上进行，而后一阶段工作以前一阶段的工作成果为依据，在较低层次上进行；各阶段之间相互影响，交叉并行进行。,摆样法数学模型法图解法系统布置设计SLP,3.1.4设施规划（布局设计）设计方法,3.1.5工厂布局的基本原始资料,P(Product)产品Q(Quantity)数量R(Route)工艺路线S(SupportingService)辅助服务部门T(Time)时间安排,准备原始资料物流分析与作业单位相互关系分析绘制作业单位位置相关图作业单位占地面积计算绘制作业单位面积相关图修正方案评价与择优,3.1.6系统布置设计(SLP)模式,系统布置设计程序图,ProductFlow,P-QAnalysis,Diagramactivityrelationships,Chartrelationship(flow,functional),Establishspacerequirements,SpaceAvailability,Diagramspacerelationships,PracticalLimitations,MaintenanceQCMat.Handling,SpaceAvailability,ProjectProjectProjectABC,Evaluatealternativearrangements,Detailselectedlayout,install,INSTALACION,Definition,Analysis,Synthesis,Evaluation,Selection,Implementation,Adjustment,SLPMethodMuther(1973),产品原则布置：产品原则布置也称为流水线布置或对象原则布置。当产品品种很少而生产数量又很大时，应按产品的加工工艺过程顺序配置设备，形成流水生产线。工艺原则布置:工艺原则布置也称为机群式布置。这种布置形式的特点就是把同种类型的设备和人员集中布置在一个地方。固定式布置：适用于大型设备的制造，如：飞机、轮船。,3.1.7布局形式,成组原则布置：在产品品种较多，每种产品的产量又是中等程度的情况下，将工件按其外形与加工工艺的相似性进编码分组，把使用频率高的机器群按工艺过程顺序布置组合成成组制造单元。既有流水线的生产效率，又有机群式布置的柔性，可提高设备开工率，减少物流量和加工时间，适用于多品种、中小批量的生产类型。,产品原则布置的优缺点分析表,工艺原则布置的优缺点分析表,成组布置的优缺点分析表,CellularLayout,Process(Functional)Layout,Group(Cellular)Layout,Similarresourcesplacedtogether,Resourcestoproducesimilarproductsplacedtogether,Aclusterorcell,PQ分析与布局形式对产品品种P、产量Q作PQ分析，可画出产品PQ分析图。,单元生产布置方式（CellProduction）由索尼公司率先提出，企业面临多品种（不一定是小批量）的买方市场时，必须改变原有的经营思想，调整生产布置结构。特点：单元生产方式具有建立容易、调整方便、品种切换时间快、大型设备投资少等无可比拟的特点，它以极少的产能调整费用，实现生产线随市场变化而同步同量增减产能，避免了订单高低起伏变化带来的产能不足与过剩。单元生产布置方式本质上属于成组原则布置，是成组原则布置在精益生产中的发展。优势：,1）时间流失最少化,2）物流通畅,3）便于管理,4）降低成本,5）技术积累,单元生产线的形态方式,3.2.1工艺过程图,工艺过程图可以用来详细描述产品生产过程中各工序之间的关系，也可以用来描述全厂各部门之间的工艺流程。在描述全厂各部门之间产品工艺流程时，我们用操作符号表示加工与装配等生产车间，用贮存符号表示仓储部门，用检验符号表示检验、试车部门。,3.2流程分析技术,变速箱变速箱由箱体、轴类零件、齿轮类零件及其它杂件和标准件等组成。变速箱的制作工艺过程分为零件制作-组装两个阶段。轴类及齿轮类零件经过备料、退火、粗加工、热处理、精加工等工序，箱体毛坯由协作厂制作，经机加工车间加工送变速器组装车间；杂件的制作经备料、机加工两个阶段。整个变速箱成品重0.31t，其中标准件0.01t，箱体、齿轮、轴及杂件总重0.3t，加工过程中金属利用率为60%，即毛坯总重为0.3/0.6=0.5t，其中需经退火处理的毛坯重量为0.2t，机加工中需返回热处理车间再进行热处理的为0.1t。,关键部件：变速箱、随车工具箱、车体和液压缸,随车工具箱随车工具箱共重0.1t，其中一部分经备料、退火、粗加工、热处理、精加工等工艺流程完成加工，而另一部分只进行简单的冲压加工即可。车体车体为焊接件，经备料、焊接、喷漆完成加工。液压缸液压缸经备料、退火、粗加工、热处理、精加工等工序完成加工。,作业单位划分S,标准件,3,0.02,0.01,原材料,1,0.,50,0.1,5,4,7,0.,20,废料,0.,2,0.,3,(,0.,3),0.,3,0.,31,原材料,1,0.2,9,5,废料,0.1,0.15,0.08,(0.23),0.,05,0.1,图3-2变速箱加工工艺过程(单位：t),图3-3随车工具箱加工工艺过程(单位：t),废料,油漆,原材料,2,1,0.01,6,10,0.,40,0.8,1,1.20,图,3,-,4,车体加工工艺过程（单位：,t,）,图,3,-,5,液压缸加工工艺过程（单位：,t,）,叉车生产工艺过程图,3.2.2作业单位相互关系图,在所相交的小菱形块又被虚线所分割，上半格用A、E、I、O、U5个字母表示相互关系的重要或密切程度，下半格表示重要程度的理由的编码。,作业单位相互关系图的基本原理,3.3SLP法求解,基本要素：P、Q、R、S、T,什,么,S,为,辅助服务部门,用什么来支持生产,T,时间时间安排,产品何时生产？,P,产品材料,生产什么？,Q,数量产量,每项产品要制造多少？,R,生产路线工艺过程,怎样进行生产？,物流强度等级,3.3.1物流分析与物流相关表,叉车总装厂物流强度汇总表,首先根据工艺过程图来统计存在物料搬运的各作业单位对之间的物流总量(注意：正反两向物流量之和；统一物流强度计量单位)。,叉车总装厂作业单位物流相关表,物流相关表从物流系统优化的角度讲，物流相关表中物流强度等级高的作业单位之间的距离应尽量缩小即彼此相互接近，而物流强度等级低的作业单位之间的距离可以适当加大。,3.3.2作业单位相互关系分析,作业单位相互关系的决定因素及相互关系等级的划分,作业单位综合相互关系表,基准相互关系表（示例）,作业单位非物流相互关系表,基准相互关系,作业单位相互关系表,确定了各作业单位非物流相互关系密切程度以后，利用与物流相关表相同的表格形式建立作业单位相互关系表，表中的每一个菱形框格填入相应的两个作业单位之间的相互关系密切程度等级，上半部用密切程度等级符号表示密切程度，下半部用数字表示确定密切程度等级的理由。,作业单位相互关系密切理由,作业单位综合相互关系表的建立步骤,进行物流分析，求得作业单位物流相关表确定作业单位间非物流相互关系影响因素及等级求得作业单位相互关系表确定物流与非物流相互关系的相对重要性量化物流强度等级和非物流的密切程度等级,作业单位综合相互关系,当作业单位数目为N时，总的作业单位对数可用下式计算：P=N(N-1)2计算量化的所有作业单位之间综合相互关系，作业单位Ai与Aj之间综合相互关系密切程度数量值：TRij=mMRij+nNRij-MRij为量化的物流相互关系等级-NRij为量化的非物流的相互关系密切程度等级综合相互关系等级划分经过调整，建立综合相互关系表,综合相互关系等级与划分比例,作业单位综合相互关系,加权值选取加权值大小反映工厂布置时考虑方面的侧重点，对于电瓶叉车总装厂来说，物流影响并不明显大于其他因素的影响，因此取加权值m：n=1：1综合相互关系计算,建立叉车总装厂作业单位综合相互关系表,建立叉车总装厂作业单位综合相互关系表,划分综合关系密级,建立叉车总装厂作业单位综合相互关系表,建立作业单位综合相互关系图,3.3.3作业单位位置相关图,在SLP中，工厂总平面布置并不直接去考虑各作业单位的建筑物占地面积及其外形几何形状，而是从各作业单位间相互关系密切程度出发，安排各作业单位之间的相对位置，关系密级高的作业单位之间距离近，关系密级低的作业单位之间距离远，由此形成作业单位位置相关图。,当作业单位数量较多时，作业单位之间相互关系数目就非常多，为作业单位数量的平方量级，某一作业单位综合接近程度等于该作业单位与其他所有序号。作业单位之间量化后的关系密级的总和。这个值的高低，反映了该作业单位在布置图上是应该处于中心位置还是应该处于边缘位置，也就是说，综合接近程度高的作业单位与其他作业单位相互关系总体上是比较密切的，即与大多数作业单位都比较接近。,叉车总装厂综合接近程度排序表,作业单位关系等级表示方式,作业单位位置相关图绘制步骤,1.首先处理综合相互关系密级为A的作业单位对（1）从作业单位综合相互关系表中取出A级作业单位对，按综合接近程度分值排序。（2）将综合接近程度分值最高的作业单位布置在位置相关图的中心位置并作出处理。（3）布置综合接近程度分值次高的作业单位的位置。此时要考虑次高作业单位与已布置的作业单位的关系密级，据此布置次高作业单位。(4)按照综合接近程度分值高低布置与次高作业单位有关的A级关系的作业单位，布置时同时要考虑与已存在的作业单位的关系，重点考虑较高级的关系。（5）重复步骤（4），直至作业单位综合相互关系表中具有A级关系的作业单位对之间的相对位置均已确定。,2.处理相互关系为E的作业单位对,（1）从综合相互关系表中取出具有E级关系的作业单位对，按综合接近程度分值进行排序。（2）首先处理综合接近程度分值最高的作业单位，布置时要考虑与已布置的作业单位的关系密级，重点考虑较高级的关系。（3）重复步骤（2），直至作业单位综合相互关系表中具有E级关系的作业单位对之间的相对位置均已确定。第3、4、5步分别处理位置相关图中仍未出现的I、O、U级作业单位对。最后重点调整X级作业单位间的相对位置，得出最终作业单位位置相关图。,作业单位位置相关图绘制,a)b)c)d),作业单位位置相关图绘制,作业单位位置相关图,在实际的设施布置设计过程中，常因受到现有厂房或可利用土地面积与形状的限制等，不得不把需要的面积与可利用的面积结合起来考虑，因而面积的设定方法有下列几种：1、计算法：按照设备和作业所需的面积，加上辅助设施、材料存储、维修、通道以及人员等所需面积得到该单位的总面积。2、标准面积法：采用某种工业标准求得所需的面积。3、概略布置法:应用模板或设备模型进行布置并确定面积。4、比率趋向预测法：将过去各个时期每台设备、每个工时或每个单位的面积作为基础，按未来产量和人员的发展预测要求，按比例扩大来设定面积。,3.3.4作业单位面积相关图,面积的确定,一般来说，需要的面积常常受到实际条件的限制，必须进行适当的调整，使之与可用面积相适应。调整的方式，可以是压缩某些不很重要的面积、也可以进行新的组合。此外，做面积相关图时需考虑流动模式的选择。,基本流动模式,直线形直线形是最简单的一种流动模式，入口与出口位置相对，建筑物只有一跨，外形为长方形，设备沿通道两侧布置。L形适用于现有设施或建筑物不允许直线流动的情况，设备布置与直线形相似，入口与出口分别处于建筑物两相邻侧面。U形适用于入口与出口在建筑物同一侧面的情况，生产线长度基本上相当于建筑物长度的两倍，一般建筑物为两跨，外形近似于正方形。环形适用于要求物料返回到起点的情况。S形在一固定面积上，可以安排较长的生产线。,基本流动模式,作业单位厂房平面设计在分析的基础上，确定各部门之间的相对位置关系。在初步确定车间厂房的外形及占地平面面积大小以后，返回全厂总平面布置设计阶段，进行总平面布置，得到全厂总平面布置图。针对车间厂房，应反复调整厂房占地面积，修正总平面布置设计，经过数次调整，得到最佳的总平面布置图。辅助服务部门布置设计工厂管理服务设施的一般组成工厂管理服务设施设计、布置的基本原则,作业单位面积相关图绘制步骤选择适当的绘图比例。将作业单位位置相关图放大到坐标纸上，只需绘出重要的关系如A、E及X级连线。按综合接近程度分值大小顺序，由大到小依次把各作业单位布置到图上。经过数次调整与重绘，得到作业单位面积相关图。,3.3.5布置修正,所谓修正条件，是指诸如运输方式、贮存设备、场地环境、人的要求、厂房特性、辅助设施和管理控制等具体因素。它们的重要程度各不相同，但都以独特的方式影响布置设计方案。在进行布置设计时，需要加以考虑。用适当的方法根据现有厂房的实际条件使部门面积结合，同时结合修正条件对各部门的位置、形状等进行调整，可以形成几个理想的、理论的块状布置(Blocklayout)方案。例：精密车间应远离锻造车间铸造车间应处在背风之处,3.3.5方案评价选择布置方案一,布置方案二,布置方案三,3.4.1单项指标比较评价概述财务评价国民经济评价不确定性分析3.4.2综合指标比较评价概述优缺点比较法加权因素比较法,3.4方案评价与选择,1、非经济因素评价每个布置方案都有一些不能用费用精确地衡量的非经济因素，常见的有：(1)是否易于将来发展(2)工艺过程的适应性(3)灵活性(4)物流的效率(5)物流搬运的效率(6)储存的效率(7)空间利用率(8)辅助服务部门的综合效率(9)工作条件(10)安全性(11)是否易于管理(12)产品质量(13)维修(14)设备利用率(15)是否满足需求能力(16)是否适应公司的组织机构(17)人流(18)外观(19)自然条件的利用(20)环境保护,布置方案的评分示例：,2、经济因素评价：对于各种布置方案，可以通过工程经济分析，评价其节省费用、投资额及投资回报期等，作为比较选择的基准。至于比较哪些指标最好，没有统一的标准，需要具体情况具体分析。,设施布置方案评价因素点检表,优缺点比较法,加权因素比较法,评价因素的确定确定加权值评价因素评价等级划分评价结果最佳方案的确定,评价等级及分值,布置方案加权因素评价表,加权因素比较法,SLP法的改进1.螺旋法求解,螺旋法是在SLP基础上发展起来的,只考虑物流量大小的工厂布局。厂区平面布置的目标：相邻两部门间的物流量为最大。基本思路：从至表(流量相关线图)螺旋法求解解的好坏评价步骤：（1）根据流量排序；（2）依据排序等级把各单元放入布置图中；（3）加入面积,从-至表,物流量相关线图,95,步骤1：对各部门按相互间的流量从大到小排列流量级别，分别为：0102，0104，02一05，06一07，01一03，01一06，03一05，0405，05一06，0206，01一05，04一06。步骤2：具体布置各个部门，首先按流量级别依次把各部门逐个布置到平面图中去(如图(e)，然后考虑各部门的实际面积，把它们反映到布置示意图中去，即得到最终的完成图(如图(f)。,各部门平面布置图,解的好坏评价：把各对不相邻的部门之间的流量总加起来，除以工厂内部的总流量。相互之间有流量而不相邻的部门是：0305，05一06，0406，总流量为7单位，工厂内部的总流量为67单位，方案的损失效率为10(767)。,系统布置设计技术（SLP）条理清晰、考虑完善（包含定性和定量因素），因而被广泛采用，但随着时代的发展，其不足之处也逐渐显现。现在的制造系统日趋复杂，应用SLP，手工完成系统布置设计十分繁琐，既要满足时间快速性又要满足方案最优性是不现实的。其次，系统布置设计技术提供的布置方案太少。在初步方案确定后，设计者要根据约束条件自己调整方案。限于自身知识及能力的局限，设计者最终提供的方案较少，可供选择的余地不大，难以形成优秀的方案。车间设备布局问题是一种组合优化问题,具有非线性,NP难等特性.,设施布局问题数学模型,从模型的数学特征来看，可分为两种类型，一类是在给定的区域内布置若干台机器，要确定机器的位置坐标，这种问题本质上是选址问题。另一类是预先确定若干个位置，将若干数目的机器分派到这些位置，如何派遣这些机器，才能使目标函数最小。一般称之为组合优化问题。从设施的排列形式来看，有两种形式，一种是单行布置，即设施排成一条直线，另一种为多行布置，设施排成两行或多行。,布局设计的现代算法本质上就是计算机布置算法。目前计算机布置算法可分为两类。一类是对布局设计问题简化并建立数学模型，再采用计算机现代算法求解的方法，称为数学建模求解算法。这类方法不能得出布局设计图，需要设计人员根据算出的数据，构思布局设计，然后再在图形绘制工具中绘制布局图。另一类是用计算机算法直接对布局图进行优化求解，最后得出优化的布局设计图，此法可称为布置图的设计算法。,则目标函数为：约束条件为：其中i=1,2,3,n-1;j=i+1,n;,单行布置的模型,多行布置的模型,则目标函数为：约束条件为：,图14-2多行布置示意图,二次分派问题模型给定n个地点，现要把n个设施分配到这n个地点，这实际上是组合问题，共有n！种方案，在这n！种方案里找最佳方案使总的物料搬运费用最短。如果n等于4，则共有24种方案，显然可以用穷举发来求最优方案，如果n等于10，则有3628800种方案，如果n大于10，方案会更多，显然没有办法穷举，往往通过一些启发式算法寻找次优方案。二次分派问题模型一般可表述为：,遗传算法在布局设计中的应用,遗传算法是模仿生物遗传学和自然选择机理，通过人工方式所构造的一类搜索算法，生物种群的生存过程遵循达尔文进化准则，个体根据对环境的适应能力而被大自然所选择或淘汰。适者生存。个体对环境的适应能力体现在结构上，为其染色体上的基因所表现出来的特征，不同的基因对应不同的外部特征，如高矮胖瘦。通过染色体上基因的交叉、变异来适应大自然环境。生物染色体用数学方式表示就是一串数码，仍叫染色体，有时也称为个体；适应能力是用对应着每个染色体的一个数值来衡量；染色体的选择或淘汰则与所研究的问题有关。,在布置模型中，每台机器的位置坐标都可以看成是一个基因，n台设备的基因构成具有n个基因的染色体。该染色体或者说个体对环境的适应能力就是其对应的物料搬运成本，成本低则适应能力强。,遗传算法的结构遗传算法开始时先随机地产生一些染色体（欲求解问题的侯选解），计算其适应度，根据适应度对诸染色体进行选择、交换、变异等遗传操作，剔除适应度低的染色体，从而得到新的群体。由于新群体的成员是上一代群体的优秀者，继承了上一代的优良性态，因而在总体上优于上一代。就这样反复迭代，向着更优解的方向进化，直至满足某种预定的优化指标。,(1)编码与译码将问题结构变换为位串形式编码表示的过程叫编码；而相反将位串形式编码表示变换为原问题结构的过程叫译码。(2)适应度函数为了体现染色体的适应能力，引入了对问题中的每一个染色体都能进行度量的函数，叫适应度函数。通过适应度函数来决定染色体的优、劣程度，它体现了自然进化中的优利劣汰原则。对优化问题，适应度函数就是目标函数。,(3)遗传操作遗传操作主要有三种:选择(selection)、交叉(crossover)、变异(mutation)。改进的遗传算法大量扩充了遗传操作，以达到更高的效率。选