设施布局设计的理论与方法研究综述

连建新　闫辉��

摘要：现如今，顾客对产品需求和选择的多元化，促使企业对其产品创新升级越来越频繁，这也就间接地要求企业应有效的运用设备﹑空间，降低资金投入，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。本文概括了布局类型、设施形状和尺寸等，指出了布局策略、模型的使用特性﹑范围，对布局的重要方法进行了总结，并作了简要的评价。

关键词：制造系统特征；布局策略；模型与方法

据相关数据显示：企业的物料搬运费用在总运营费用中的占比最高能达半数之多，若实行科学化的设施布局可使此费用降低30%。[1]现如今，市场竞争日趋激烈，企业必须经常升级产品﹑改造和优化生产线，设计出一个占用空间小﹑运输费用低、设备运用率高的布局，是企业迫切需要的。

1 制造系统对布局的影响

布局问题的解决强烈依赖于待研究的制造系统的具体特征，囊括了产品种类和数量﹑设施设备形状和尺寸﹑物料搬运系统。

（1）布局类型。

设施布局从不同角度有多种不同的分类方法。根据本产品种类与数量，目前布局形式主要分为七种，各有优缺点，具体情形如下：

（2）设施形状和尺寸。

设施形状主要有两种性状：规则（长方形）、不规则。通常来说，设施尺寸的标注是通过设施设备的长﹑宽﹑高或者面积与外观比率来登记。

2 布局模型

根据制造系统的具体特征和布局策略，我们运用具有不同针对性的数学模型对设施布局问题进行阐述与求解。主要布局模型如下：

（1）离散模型。

离散模型主要是以Koopmans和Beckman提出的二次分配问题（QAP）为主，该模型关键是将布局区域划划分为n个长方形块，接着把n个设施设备分配到这n个地方。其目标是计算设施设备中最小物料运输费用﹑最短运输距离和时间等数据。

设有n个设施和位置总数，fik为设施i到设施k的平均移动次数；djl为从位置j到l的单位移动费用；cij为设施i在位置j的布局和加工费用；Xij为决策变量，在位置i时，取值为1，否则为0，则QAP问题为：

min∑ni=1∑nj=1∑nk=1∑nl=1fikdjlXijXkl+∑ni=1∑nj=1cijXijs.t.∑ni=1Xij=1，j=1，...，n∑nj=1Xij=1，i=1，...，n

（2）连续模型。

连续模型是对于线性或非线性的决策变量而建立的目标函数，全部设施设备在不重叠的情形下，能随意摆放在布局空间内。它根据各个设施的中心坐标，设施的长﹑宽﹑高，将各个面积不等的不规则设施按要求放置在布置平面内。

Chwif，Meller，Dunker等人相继的完善之后，在摆放方位确定的情形下，有了下面的优化问题模型：

max（min）C=∑Ni=1∑Nj=1fijxIi-xOj+yIi-yOjs.t.∑Ni=1aixi≤（≥，=）bi

∑Ni=1ciyi≤（≥，=）di

xi，yi，fij≥0

N是设施设备数量，fij代表从设施设备i至j当中的物流量或物流费用，（xIi，yIi）为加工上一道工序时所用设施的坐标，（xOj，xOj）：下一道工序的坐标。

3 车间布局的方法

（1）系统布局规划方法（SLP）。

1973年，R.Muther教授提出了系统布局规划方法（SLP）。在1982年，在其来华讲学，把SLP引入我国，在工程实践中得到了廣泛应用。SLP是以产品P﹑产量Q﹑工艺过程R﹑辅助部门R﹑时间T作为设施布局的出发点。通过图解法，求出各作业单位间相互关系，然后依据关系密切程度得出较优布置方案。

（2）启发式算法。

由于制造系统设施布局的组合特性，传统方法﹑精确算法等设计繁琐﹑适用范围有限，对复杂系统难以形成优秀方案。然而启发式技术却很好的规避上述弊端，主要包括遗传算法（GA）﹑模拟退火（SA）等算法。

a.遗传算法（GA）。

遗传算法是模拟自然界中的生命进化机制，在人工系统中实现特定目标的优化算法，由J.Holland教授1975年提出来的。唐秋华对遗传算法的染色体编码和算子进行了改进，并结合实例有效的降低了车间物流总费用。

b.模拟退火算法（ Simulated Annealing，SA） 。

模拟退火算法是1953年由N.Metropolis等人提出的，过来30年才被Kirkpatrick等应用于组合优化领域。A Keivani等[3]用SA求解了多层设施布局问题。

4 总结

当前，虽然在关于设施规划布局的研究得到了显著的进展。然而还有一些情况值得探讨，比如说当下的文献中主要以最小空间﹑物料量﹑费用为建模对象，但对上下货点﹑物流路径﹑设施设备形状等一些因素没有考虑周全，需进一步的完善与优化，更好地应用于日常生活之中。

参考文献：

[1]Tompkins J.A，White J.A.Facilities Planning[M].3rdedn，Wiley，New York，2003.

[2]A.L.Page.PDMA New Product Development Survey：Performance and Best Practices.PDMA Conference，Chicgo，Nov.13.1991.

[3]Saif Benjaafr.Next generation factory layouts：Research challenges and recent progress[J].Interfaces，2002.

作者简介：连建新（1971），男，汉族，副研究员。