設施布局設計的理論與方法研究綜述

連建新　閆輝??

摘要：現如今，顧客對產品需求和選擇的多元化，促使企業對其產品創新升級越來越頻繁，這也就間接地要求企業應有效的運用設備﹑空間，降低資金投入，使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。本文概括了布局類型、設施形狀和尺寸等，指出了布局策略、模型的使用特性﹑范圍，對布局的重要方法進行了總結，并作了簡要的評價。

關鍵詞：制造系統特征；布局策略；模型與方法

據相關數據顯示：企業的物料搬運費用在總運營費用中的占比最高能達半數之多，若實行科學化的設施布局可使此費用降低30%。[1]現如今，市場競爭日趨激烈，企業必須經常升級產品﹑改造和優化生產線，設計出一個占用空間小﹑運輸費用低、設備運用率高的布局，是企業迫切需要的。

1 制造系統對布局的影響

布局問題的解決強烈依賴于待研究的制造系統的具體特征，囊括了產品種類和數量﹑設施設備形狀和尺寸﹑物料搬運系統。

（1）布局類型。

設施布局從不同角度有多種不同的分類方法。根據本產品種類與數量，目前布局形式主要分為七種，各有優缺點，具體情形如下：

（2）設施形狀和尺寸。

設施形狀主要有兩種性狀：規則（長方形）、不規則。通常來說，設施尺寸的標注是通過設施設備的長﹑寬﹑高或者面積與外觀比率來登記。

2 布局模型

根據制造系統的具體特征和布局策略，我們運用具有不同針對性的數學模型對設施布局問題進行闡述與求解。主要布局模型如下：

（1）離散模型。

離散模型主要是以Koopmans和Beckman提出的二次分配問題（QAP）為主，該模型關鍵是將布局區域劃劃分為n個長方形塊，接著把n個設施設備分配到這n個地方。其目標是計算設施設備中最小物料運輸費用﹑最短運輸距離和時間等數據。

設有n個設施和位置總數，fik為設施i到設施k的平均移動次數；djl為從位置j到l的單位移動費用；cij為設施i在位置j的布局和加工費用；Xij為決策變量，在位置i時，取值為1，否則為0，則QAP問題為：

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）連續模型。

連續模型是對于線性或非線性的決策變量而建立的目標函數，全部設施設備在不重疊的情形下，能隨意擺放在布局空間內。它根據各個設施的中心坐標，設施的長﹑寬﹑高，將各個面積不等的不規則設施按要求放置在布置平面內。

Chwif，Meller，Dunker等人相繼的完善之后，在擺放方位確定的情形下，有了下面的優化問題模型：

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

∑Ni=1ciyi≤（≥，=）di

xi，yi，fij≥0

N是設施設備數量，fij代表從設施設備i至j當中的物流量或物流費用，（xIi，yIi）為加工上一道工序時所用設施的坐標，（xOj，xOj）：下一道工序的坐標。

3 車間布局的方法

（1）系統布局規劃方法（SLP）。

1973年，R.Muther教授提出了系統布局規劃方法（SLP）。在1982年，在其來華講學，把SLP引入我國，在工程實踐中得到了廣泛應用。SLP是以產品P﹑產量Q﹑工藝過程R﹑輔助部門R﹑時間T作為設施布局的出發點。通過圖解法，求出各作業單位間相互關系，然后依據關系密切程度得出較優布置方案。

（2）啟發式算法。

由于制造系統設施布局的組合特性，傳統方法﹑精確算法等設計繁瑣﹑適用范圍有限，對復雜系統難以形成優秀方案。然而啟發式技術卻很好的規避上述弊端，主要包括遺傳算法（GA）﹑模擬退火（SA）等算法。

a.遺傳算法（GA）。

遺傳算法是模擬自然界中的生命進化機制，在人工系統中實現特定目標的優化算法，由J.Holland教授1975年提出來的。唐秋華對遺傳算法的染色體編碼和算子進行了改進，并結合實例有效的降低了車間物流總費用。

b.模擬退火算法（ Simulated Annealing，SA） 。

模擬退火算法是1953年由N.Metropolis等人提出的，過來30年才被Kirkpatrick等應用于組合優化領域。A Keivani等[3]用SA求解了多層設施布局問題。

4 總結

當前，雖然在關于設施規劃布局的研究得到了顯著的進展。然而還有一些情況值得探討，比如說當下的文獻中主要以最小空間﹑物料量﹑費用為建模對象，但對上下貨點﹑物流路徑﹑設施設備形狀等一些因素沒有考慮周全，需進一步的完善與優化，更好地應用于日常生活之中。

參考文獻：

[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.

作者簡介：連建新（1971），男，漢族，副研究員。