设施规划与设计

设施规划与设计2.1设施规划与设计概述

设施规划与设计是对新建、扩建或改建的生产系统或服务系统进行综合分析、设计、规划、论证、修改和评价，使资源得到合理配置，使系统能够有效、经济、安全地运行实现各个组织制定的预期目标的一门工程学科。2流程和面积类型图例符号3室外场地和面积图例符号4评级和评价类型图例符号这类图例符号用于评定等级和优劣的评价，用元音字母、数值、线条、颜色表示。其中，颜色标志采用国际物料管理协会审定的标准。评级和评价类型图例符号52.2场址选择的意义及因素场址选择的任务和意义

场址选择的好坏，对于生产力布局、城镇建设、企业投资、建设速度及建成后的生产经营好坏都具有重大意义。如果先天不足，会造成很大损失。因为场址一旦确定，设施建设完工，一般就无法轻易改动。场址选择的工业生产力合理布局原则最低成本原则专业化分工协作原则分散与集中相结合原则重点开发原则吸引外资合理投向原则场址选择考虑的因素

市场条件资源条件运输条件社会环境成本相关性主要决定因素成本因素非成本因素1、

运输成本2、

原料供应3、

动力和能源的供应量和成本4、

水供应5、

劳动力素质6、

建筑和土地成本7、

税利、保险和利率8、

财务供应：资本及贷款的机会9、

各类服务和保养费用……1、

社区情况2、

气候和地理环境3、

环境保护4、

政治稳定性5、

文化习俗6、

当地政府政策7、

扩展机会8、

当地竞争者9、

公众对工商业的态度……区域决定因素具体地址的决定因素劳动环境可用运输运输可行性l

卡车l

飞机l

火车l

轮船靠近市场和顾客生活质量税收和行业发展激励措施供货商网络大城市内/外土地成本和设施劳动力可得性企业偏好土地成本和税收政策设施6场址选择的步骤与内容准备阶段地区选择阶段地点选择阶段编制报告阶段

找到新评价方案确定任务列出考虑因素列出各项要求选址与研究指针预选地址满意否？确定评价的方法评价各地址方案满意否？有优解？取得优先领导决策确定位置是否是是否否编写场址选择报告场址选择流程图7场址选择报告1.场址选择的依据（如批准文件等）。2.建设地区的概况及自然条件。3.设施规模及概略技术经济指针，包括占地估算面积、职工人数、概略运输量、原材料及建筑材料需要量等。4.各场址方案的比较，包括自然条件比较、建设费用及经营费用比较、环境影响比较、经济效益比较等。5.对各场址方案的综合分析和结论。6.当地有关部门的意见。7.附件。包括：各项协议文件的抄件；区域位置、备用地、交通线路、各类管线走向；设施初步总平面布置图等。8场址选择方法优缺点比较法优缺点比较是一种最简单的场址选择方法，尤其适应于非经济因素的比较。当几个场址方案在费用和效益方面比较近似，则非经济因素就可能成为考虑的关键因素，此时可采用优缺点比较法对若干方案进行分析比较。9重心法这种方法适用于运输费率相同的产品，使求得的场址位置离各个原材料供应地的距离乘以各点供应量之积的总和为最小。假设P0(x0,y0)表示所求设施的位置，Pi(xi,yi)表示现有设施（或各供应点）的位置(i=1,2,…,n)，则重心法中的坐标图如2-3所示。图中wi表示第i个供应点的运量。若用ci表示各供应点的运输费率，则根据重心法有：(3-1)10重心坐标为：

(3－2)11例2-1某汽车制造厂，每年需要从P1地运来钢材，从P2地运来铸铁，从P3地运来焦碳，从P4地运来各种造型材料。各地与某城市中心的距离和每年的材料运量如表2-6所示。表2-6距离、运量表原材料供应地P1P2P3P4及其坐标x1y1x2y2x3y3x4y4距城市中心的坐标距离(km)2070606020205020年运输量(t)200012001000250012解：利用(2-2)式得：

该场址应选在坐标(35.4,42.1)的位置（单位为km）。需要注意：按重心法求得场址位置是否适合建厂，还要考虑其它因素，通过综合分析选定。13线性规划——运输法线性规划法，是一种最优化技术，在考虑特定约束条件下，从众多备选方案挑选出最佳行动方案。对于物流问题最为广泛使用的线性规划形式是网络最优化。运输法作为网络最优化方法，其目标是在给定的供给、需求和能力的约束条件下，使生产、输入、输出运输的可变成本最小化。(2-4)目标函数14约束条件(2-5)式中：m：工厂数

n：销售点数

ai：工厂i的生产能力，i=1,…,mbj：销售点j的需求，j=1,…,n

cij：在工厂i生产的单位产品运到销售点j的生产运输费用

xij：从工厂i运到销售点j的产品数量15例2-2已有两个工厂F1和F2，供应4个销售点P1、P2、P3、P4。由于需求量不断增加，须再设一个工厂。可供选择的地点是F3和F4。试求：在其中选择一最佳厂址。根据资料分析，各厂单位产品生产和运输费用的总费用，如表2-7所示。约束条件是工厂不能超过其生产能力；销售点不能超过其需求量。16至从P1P2P3P4年产量(台)F18.007.807.707.807000F27.657.507.357.155500F37.157.057.187.6512500F47.087.207.507.4512500需求量(台)4000800070006000

表2-7生产、运输总费用表（万元）解：根据运输法，用最小费用分配法进行求解。其程序是：在不超过产量和需求量的条件下，将产品尽可能地分配到总费用最少的组合中去。如果第一次只分配和满足了一部分，就继续进行分配。依次类推，直至需求全部满足，产量全部分配完毕。

1）若新厂设在F3，具体步骤如下：①表2-3中F3-P2组合的费用最少，为7.05万元。但需求量仅为8000台，就把F3的8000台分配给P2。F3还有4500台的剩余产量。由于P2的需求量已全部满足，这一列可以不再考虑。②其中组合中费用最少的是F3-P1和F2-P4，都是7.15万元。可把F3的4500台剩余产量中的4000台分配给P1。这时，P1的需求已全部满足，这一列可以不再考虑。还有500台剩余产量。17③其余组合中费用最少的是F2-P4，可把F2的5500台产量全部分配给P4。F2的产量已全部分配完毕。④其余组合中费用最少的是F3-P3，是7.18万元。可把F3的500台剩余产量分配给P3。这时，F3的产量已全部分配完毕。⑤其余组合中费用最少的是F1-P3，是7.7万元。P3还需要6500台，可把F1产量中的6500台分配给P3。这时，P3的需求量已全部满足，这一列可以不再考虑。⑥最后，P4还有500台的需求量尚未满足，由F1的500台剩余产量分配给P4。至此，所有销售点都得到满足，所有产量都分配完毕。所有产量分配如表2-8所示。

表2-8设厂于F3处的产量分配

从至P1P2P3P4年产量(台)F1

8.00

7.80⑤7.70⑥7.80

6500

500

7000F2

7.65

7.50

7.35③7.15

5500

5500F3②7.15①7.05④7.18

7.65

4000

8000

500

12500需求量(台)40008000700060002500018这样，设厂于F3处，全部费用至少为C3=65007.70+5007.80+55007.15+40007.15+80007.05+5007.18=181865（万元）（2）若设厂于F4处，相同解法，得结果如表2-9所示

表2-9设厂于F4处的产量分配

从至P1P2P3P4年产量(台)F1

8.00

7.80⑤7.70

7.80

7000

0

7000F2

7.65

7.50

7.35②7.15

5500

5500F4①7.08③7.20

7.50④7.45

4000

8000

500

12500需求量(台)400080007000600025000同样可得设厂于F4处的全部费用至少是C4=70007.70+55007.15+40007.08+80007.20+5007.45=182870（万元）两方案比较C4>C3，所以选F3设厂为优，可节省生产运费：C4-C3=182870-181865=1005（万元）19德尔菲法(DelphiMethod)是在20世纪40年代由O．赫尔姆和N．达尔克首创，经过T．J．戈尔登和兰德公司进一步发展而成的。德尔菲是古希腊地名。相传太阳神阿波罗(Apollo)在德尔菲杀死了一条巨蟒，成了德尔菲主人。在德尔菲有座阿波罗神殿，是一个预卜未来的神谕之地，于是人们就借用此名，作为这种方法的名字。德尔菲法20德尔菲分析模型使用该模型的步骤如下：（1）成立三个小组：协调小组、预测小组和战略小组。协调小组充当协调者，负责设计问卷和指导德尔菲调查；预测小组负责预测社会的发展趋势和影响企业的外部环境；战略小组则确定企业的战略目标及优先次序。（2）识别存在的威胁和机遇。（3）确定企业的战略方向和战略目标。（4）提出备选方案。（5）优化备选方案。其它方法费用——效果分析法、关联矩阵法、层次分析法（AHP法）、基于遗传算法的选址模型、仿真技术。21成本效益分析成本效益分析是通过比较项目的全部成本和效益来评估项目价值的一种方法，成本—效益分析作为一种经济决策方法，将成本费用分析法运用于政府部门的计划决策之中，以寻求在投资决策上如何以最小的成本获得最大的收益。常用于评估需要量化社会效益的公共事业项目的价值。非公共行业的管理者也可采用这种方法对某一大型项目的无形收益（Softbenefits）进行分析。在该方法中，某一项目或决策的所有成本和收益都将被一一列出，并进行量化。22成本效益分析成本效益分析法的基本原理是：针对某项支出目标，提出若干实现该目标的方案，运用一定的技术方法，计算出每种方案的成本和收益，通过比较方法，并依据一定的原则，选择出最优的决策方案。对一项投资进行成本效益分析的步骤：1.确定购买新产品或一个商业机会中的成本；2.确定额外收入的效益；3.确定可节省的费用；4.制定预期成本和预期收入的时间表；5.评估难以量化的效益和成本。23关联矩阵表（逐对比较法）

期望利润产品成品率市场占有率投资费用产品外观Vi0.40.30.10.20.0自行设计(A1)333343.0国外引进(A2)444133.4改建(A3)232442.7VijAiXj关联矩阵法（relationalmatrixanalysis，简称RMA）关联矩阵法是常用的系统综合评价法，它主要是用矩阵形式来表示个替代方案有关评价指标及其重要度与方案关于具体指标的价值评定量之间的关系。24层次分析法（AHP）层次分析法(AnalyticHierarchyProcess简称AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂(T.L.Saaty)于上世纪70年代初，为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。是对难于完全定量的复杂系统作出决策的模型和方法。25日常生活中有许多决策问题。举例1.在海尔、新飞、容声和雪花四个牌号的电冰箱中选购一种。要考虑品牌的信誉、冰箱的功能、价格和耗电量。2.在泰山、杭州和承德三处选择一个旅游点。要考虑景点的景色、居住的环境、饮食的特色、交通便利和旅游的费用。3.在基础研究、应用研究和数学教育中选择一个领域申报科研课题。要考虑成果的贡献（实用价值、科学意义），可行性（难度、周期和经费）和人才培养。层次分析法（AHP）26工作选择可供选择的单位P1’P2，Pn

贡献收入发展声誉工作环境生活环境目标层准则层方案层例1大学毕业生就业选择问题27目标层O(选择旅游地)P2黄山P1桂林P3北戴河准则层方案层C3居住C1景色C2费用C4饮食C5旅途例2.选择旅游地如何在3个目的地中按照景色、费用、居住条件等因素选择.28过河的代价A经济代价

B1环境代价B3社会代价B2投入资金C1操作维护C2冲击渡船业C3冲击生活方式C4交通拥挤C5居民搬迁C6汽车排放物C7对水的污染C8对生态的破坏C9桥梁D1隧道D2渡船D2（2）过河代价层次结构例3

横渡江河、海峡方案的抉择29设要比较各准则C1,C2,…,Cn对目标O的重要性A~成对比较阵A是正互反阵要由A确定C1,…,Cn对O的权向量选择旅游地目标层O(选择旅游地)准则层C3居住C1景色C2费用C4饮食C5旅途C1C2C3C4C5C1C2C3C4C5稍加分析就发现上述成对比较矩阵有问题30判断矩阵元素aij的标度方法标度含义1表示两个因素相比，具有同样重要性3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要2，4，6，8上述两相邻判断的中值倒数因素i与j比较的判断aij，则因素j与i比较的判断aji=1/aij31成对比较的不一致情况一致比较不一致允许不一致，但要确定不一致的允许范围32可以用λ-n数值的大小来衡量A的不一致程度。定义一致性指标:CI=0，有完全的一致性CI接近于0，有满意的一致性CI越大，不一致越严重RI000.580.901.121.241.321.411.451.491.51

n1234567891110随机一致性指标RI33一般，当一致性比率的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验。可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造成对比较矩阵A，对aij

加以调整。时，认为定义一致性比率：34层次分析法应用实例某单位拟从3名干部中选拔一名领导，选拔的标准有政策水平、工作作风、业务知识、口才、写作能力和健康状况。下面用AHP方法对3人综合评估、量化排序。35目标层选一领导干部准则层方案层健康状况业务知识口才写作能力工作作风政策水平⑴建立层次结构模型36健康情况业务知识写作能力口才政策水平工作作风健康情况业务知识写作能力口才政策水平工作作风A的最大特征值相应的特征向量为：⑵构造成对比较矩阵及层次单排序一致性指标随机一致性指标RI=1.24(查表)一致性比率CR=0.07/1.24=0.0565<0.1通过一致性检验37假设3人关于6个标准的判断矩阵为：健康情况业务知识写作能力口才政策水平工作作风38由此可求得各属性的最大特征值和相应的特征向量。特征值健康情况业务知识写作能力口才政策水平工作作风3.023.023.053.053.003.02各属性的最大特征值均通过一致性检验39从而有即在3人中应选择A担任领导职务。⑶层次总排序及一致性检验40层次分析法的优点系统性——将对象视作系统，按照分解、比较、判断、综合的思维方式进行决策。成为成为继机理分析、统计分析之后发展起来的系统分析的重要工具；

实用性——定性与定量相结合，能处理许多用传统的最优化技术无法着手的实际问题，应用范围很广，同时，这种方法使得决策者与决策分析者能够相互沟通，决策者甚至可以直接应用它，这就增加了决策的有效性；

简洁性——计算简便，结果明确，具有中等文化程度的人即可以了解层次分析法的基本原理并掌握该法的基本步骤，容易被决策者了解和掌握。便于决策者直接了解和掌握。41层次分析法的局限囿旧——只能从原有的方案中优选一个出来，没有办法得出更好的新方案；

粗略——该法中的比较、判断以及结果的计算过程都是粗糙的，不适用于精度较高的问题。；主观——从建立层次结构模型到给出成对比较矩阵，人主观因素对整个过程的影响很大，这就使得结果难以让所有的决策者接受。当然采取专家群体判断的办法是克服这个缺点的一种途径。42遗传算法起源遗传算法是由美国的J.Holland教授于1975年在他的专著《自然界和人工系统的适应性》中首先提出的，它是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法。43遗传算法的搜索机制遗传算法模拟自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、交叉和基因突变现象，在每次迭代中都保留一组候选解，并按某种指标从解群中选取较优的个体，利用遗传算子(选择、交叉和变异)对这些个体进行组合，产生新一代的候选解群，重复此过程，直到满足某种收敛指标为止。

44基本遗传算法的组成（1）编码（产生初始种群）（2）适应度函数（3）遗传算子（选择、交叉、变异）（4）运行参数45几个术语基因型：1000101110110101000111表现型：0.637197编码解码个体（染色体）基因46单点交叉运算交叉前：00000|0111000000001000011100|00000111111000101交叉后：00000|0000011111100010111100|01110000000010000交叉点47变异算子所谓变异运算，是指依据变异概率Pm将个体编码串中的某些基因值用其它基因值来替换，从而形成一个新的个体。遗传算法中的变异运算是产生新个体的辅助方法，它决定了遗传算法的局部搜索能力，同时保持种群的多样性。交叉运算和变异运算的相互配合，共同完成对搜索空间的全局搜索和局部搜索。SGA中变异算子采用基本位变异算子。变异前：000001110000000010000变异后：000001110001000010000变异点48SGA的框图产生初始群体是否满足停止准则是输出结果并结束计算个体适应度值比例选择运算单点交叉运算基本位变异运算否产生新一代群体执行M/2次493、遗传算法的特点（1）群体搜索，易于并行化处理；（2）不是盲目穷举，而是启发式搜索；（3）适应度函数不受连续、可微等条件的约束，适用范围很广。502.5设施布置概述设施布置设计的含义和内容设施布置设计是指根据企业的经营目标和生产纲领，在已确认的空间场所内，按照从原材料的接收，零部件和产成品的制造，成品的包装、发运的全过程，力争将人员、设备和物料所需要的空间做最适当的分配和最有效的组合，以获得最大的经济效益。当企业出现如下情况之一时，通常需要进行生产系统的设计与平面布置新建与扩建企业产品需求的变化产品的更新与新产品开发新技术新工艺的引入生产系统发现薄弱环节，或物流系统显著不合理51设施布置的目标：符合工艺过程的要求；最有效地利用空间；物料搬运费用最少；保持生产和安排的柔性；适应组织结构的合理化和管理的方便；为职工提供方便、安全、舒适的作业环境。52设施布置决策的依据系统应达到的目标，作为布置决策的第一重要依据系统对产品和服务的需求，作为布置决策的第二重要依据。加工过程的要求，作为布置决策的第三重要依据。建筑物或场所的有效空间，作为布置决策的第四重要依据。

当系统目标、用户需要、加工过程、空间有效利用率确定后，下一步就是要把这些因素转变为需要容量和有效容量的数量估算。“需要容量”指必须满足目前需要的生产能力和满足经过一段时间后的生产能力两方面，“有效容量”指通过重新布置现有设施而获得的生产能力，或是通过布置新的设施而获得的生产能力（在预算限度内）。要想获得对能力的数量估计，首先要适当地选择生产能力的测定单位。部分生产系统生产能力的测定单位如表2-11所示。表2-11部分生产系统的能力（容量）测量单位系统单位钢铁公司吨数/时间周期炼油厂桶数/时间周期航空公司可用飞机数/时间周期纺织公司织物米数/时间周期饭店座位容量医院病床数汽车厂生产车辆数/年大学学生数/年百货商店销售收入/平方米场地53系统布置分析的基本要素做好设施布置设计，要考虑众多因素。按照理查德·缪瑟的观点，影响布置设计最基本的要素是：

PTQRSProducts，系统中物料的种类，包括在制品、原材料和产成品Quantity，数量，指物料在单位时间流动的量，也指物料的总量

Routing，路线，包括工艺路线、生产流程、各工件的加工路线以及形成的物流路线

Service，公用设施、辅助部门及与周围环境有关的非物流部门，如维修部门、搬运设备、信息传递的设备部门等Timing，时间安排和时间性因素

54产品－材料生产什么？P生产路线－工艺过程怎样进行生产？R数量－产量每项产品要制造多少？Q时间－时间安排产品何时生产？T辅助服务部门用什么来支持生产？S为什么图2-4解决布置问题的钥匙(P、Q、R、S、T)这五个要素是建立有效的布置方案的关键，因此被形象地称为解决布置问题的钥匙。552.6设施布置的原则与基本形式工厂总平面布置设计原则（1）要符合生产工艺要求（2）要满足防火、防爆、防振和防噪声（3）利用气候等的自然条件，减小环境污染（4）合理紧凑布置，节约建设用地车间布置设计原则①确定设备布置形式。②满足工艺流程要求。③实行定置管理，确保工作环境整洁、安全。④选择适当的建筑形式。56按系统功能分类存储布置销售布置工程项目布置设施布置的基本形式按工作流程形式分类

工艺原则布置产品原则布置定位布置成组技术布置基本类型混合类型57ABAB工艺原则布置

工艺原则布置是最常用的方法，它用来对具有类似的工艺流程的工作部门进行布置，使其相对位置达到最优。在很多设备安排中，最优布置通常意味着对那些相互有大量运输量的部门相邻布置，使总的物流运输管理费用最小。58表2-12工艺原则布置优缺点

优点缺点1.机器利用率高，可减少设备数量2.可采用调用设备3.设备和人员的柔性程度高，更改产品种和数量方便4.设备投资相对较少5.操作人员作业多样化，提高人工作兴趣和职业满足感1.由于流程较长，搬运路线不确定，运费高2．生产计划与控制较复杂3．生产周期长4．库存量相对较大5．由于操作人员从事多种作业，需要较高的技术等级59产品原则布置产品原则布置与工艺原则布置最基本的区别是工作流程的路线不同。在工艺原则布置中，物流线路是高度可变的，而产品原则布置中，设备和车间服务于专门的产品线，采用相同的设备能避免物料迂回，实现物料的直线运动。只有当给定产品或零件的批量远远大于所生产的产品或零件的种类时，采用产品原则布置才有意义。产品原则布置的优缺点如表2-17。ABBA60表2-17产品原则布置优缺点

优点缺点1.由于布置符合工艺过程，物流顺畅2.由于上下工序衔接，存放量少3.生产周期短4.物料搬运工作量少5.可做到作业专业化，对工人的技能要求不高，易于培训6.生产计划简单，易于控制7.可使用专用设备和机械化、自动化搬运方法1.设备发生故障时将引起整个生产线中断2．产品设计变化将引起布置的重大调整3．生产线速度取决于最慢的机器4．相对投资较大，因为在生产线上有的机器负荷不满5．生产线上重复作业，易使工人单调乏味，产生厌倦6．维修和保养费用高61成组技术（单元式）布置成组技术（单元式）布置是将不同的机器分成单元来生产具有相似形状和工艺要求的产品。成组技术布置现在被广泛应用于金属加工、计算机芯片制造和装配作业。成组技术布置可以通过以下三个步骤来实现。（1）将零件分类，建立零件分类编码系统。（2）识别零件组的物流类型，以此作为工艺布置和再布置的基础。（3）将机器和工艺分组，组成工作单元。优点缺点1.由于产品成组，设备利用率较高2.可达到流程通顺，运输距离较短，搬运量少3.有利于发挥班组合作精神4.有利于扩大工人的作业技能5.缩短生产准备时间6.兼有产品原则布置和工艺原则布置的优点1.需要较高的生产控制水平以平衡各单元之间的生产流程2.如果单元之间流程不平衡，需要中间储存，增加了单元之间的物料搬运3.班组成员需要掌握所有作业的技能4.减少了使用专用设备的机会5.兼有产品原则布置和工艺原则布置的缺点表2-22成组技术布置优缺点

62车车车车车车车车铣铣铣铣铣铣钻钻钻钻磨磨磨钻磨磨磨装配装配装配装配（a）运用成组技术之前出入口63车车车车铣铣铣钻钻磨磨磨装配装配（b）运用成组技术之后入口出口64定位布置与工艺原