生产车间物流系统研究与布置设计.doc

生产车间物流系统研究与布置设计来源：磁铁 http:/www.magnet-n.com第一章 绪论 第一节 生产车间物流系统分析与布置设计研究的背景和目的 近年来 ,由于当今世界正从工业化社会向信息社会飞速发展 ,各个方面都发生了极其巨大的变化。就制造业的生产方式而言 ,已从大量生产方式向准时制及精益生产方式 ,并进一步向计算机集成制造（CIMS） 及敏捷制造方式迅速演变。原有的许多程序和方法逐渐显现自身的不足和缺陷。为适应生产方式的转变，人们对设施布置设计不断进行研究 ,取得了长足的发展。另一方面，由于企业资源的紧缺，必须对企业的内部物流进行分析，生产物流是企业物流的关键环节,从物流的范围分析,企业生产系统中物流的边界起于原材料、外购件的投入，止于成品仓库。它贯穿生产全过程,横跨整个企业(车间、工段),其流经的范围是全厂性的、全过程的。物料投入生产后即形成物流,并随着时间进程不断改变自己的实物形态(如加工、装配、储存、搬运、等待状态)和场所位置(各车间、工段、工作地、仓库)。从物流属性分析,企业生产物流是指生产所需物料在时间和空间上的运动全过程,是生产系统的动态表现。换言之,物料(原材料、辅助材料、零配件、在制品、成品)经历生产系统各个生产阶段或工序的全部运动过程就是生产物流。 对企业的系统布置再设计，可以优化企业的生产物流，降低企业的生产成本和提高企业的工作效率。 设施规划与设计,起源于早期制造业的工厂设计，是工业工程的重要分支。18 世纪80 年代产业革命后,工厂逐步取代了小手工作坊,管理工程师开始关心制造厂的设计工作。在早期,工厂设计的活动主要是三项,即:操作法工程(Methods Engineering) ,研究的重点是工作测定、动作研究等工人的活动;工厂布置( Plant Layout ) ,就是机器设备、运输通道和场地的合理配置;物料搬运(Material Handling) ,就是对从原料到制成产品的物流的控制。操作者工程涉及的是人,而工厂布置、物料搬运涉及的是人、机、物的结合。19 世纪50 年代以后,随着工厂的规模和复杂程度的增大,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,而且涉及市场、环境、资金、法律、政策等诸多因素。因此,工厂设计除了注重人、机、物的结合外,发展到了与资源、能源、环境、信息、资本等要素相结合。作为工业工程的一个分支，设施规划与设计起源于早期的机械制造厂的工厂布置。随着社会的进步与技术的发展，设施规划与设计早已超越了机械制造厂的工厂设计范畴，形成了一门不但适用于各类工厂设计，同样也适用于各种服务设施的规划与设计新的科学。概括的说，设施规划与设计就是为新建、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，使资源得到合理的配置，使系统能够有效运行，以达到预期目标为它的研究内容 。 第二节 生产车间物流系统分析与布置设计在我国的应用及问题 生产车间物流系统分析与布置设计在我国应用是很广泛的。作为一个好的生产企业没有物流系统分析是不可能实现的。那什么是生产物流呢？生产物流具有什么样的功能呢？生产物流一般是指:原材料、辅料、外购件投入生产后，运进到各加工点和存储点。在制品的形态，从一个生产单位(仓库)流入另一个生产单位，按照规定的工艺对程进行加工、储存。借助一定的运辅装置，在某个点内流转，叉从某个点内流出，始终体现着物料实物形态的流转过程 。这 样就构成了企业 内部物流恬动的全过程。所以生产物流的边界起源于原材料、外购件的投入，止 于成品仓库，贯穿生产全过程。由上述可知加工话动和物流活动是生产系统的两大支柱。通过物流活动把原材料运进生产系统 ，并使其依次在加工点之间流动，逐步形成半成品、成品直至出厂。没有加工，生产系统就失去存在的意义；没有物流，生产系统将失去生命，也会失去继续存在的必要条件。 小到一个企业，大到社会上的物流，以现代物流观点来看，都不是孤立的、个别的有关物流的活动或作业，而是一个相互关联的整体，也就是物流系统。2002年美国生产与库存控制学会（APICS）对“物流系统”所作的定义是：“对一个公司运作的物理运动的规则与协调，以使之按要求的服务水平和以总成本最低的方式，实现原材料，零部件和最终货物的流动。”构成个中大小物流系统的作业有：搬运、运输、包装、储存、配送、处理（或称流通加工）、信息等物流作业，如图1-1所示。现代物流系统由物流作业系统和物流信息系统两部分组成，每一部分的特点如下所述： 物流作业系统将各种物流作业如搬运、运输、包装、储存等，用当代先进物流设备装备提高作业的机械化和半自动化程度，提高作业效率。再将生产企业、物流中心、配送路线、运输手段等网络化，整体上再提高物流活动的效率。 物流信息系统在保证订货、进货、库存、出货、配送等各种重要物流作业，在相关信息能及时、准确、畅通的基础上，保证物流作业系统能够高效率运行。 物流系统化的目的是和物流工作总体目标一致。但从系统化的情况来看，具体的目的是： （1） 按客户订货期和合同的要求及时将订货或服务交付给用户。 （2） 优化配置物流网络及各节点位置，提高物流配送效率，优化库存量。 （3） 提高物流中个单元作业效率，提高各种作业的机械化和省力化程度。 （4） 保证从订货到发货和收货，以及物流的各环节中信息传送畅通、及时无误。 （5） 能使物流成本在当前条件下降至最低。 物流作业中个单元作业之间经常存在各式各样的矛盾，例如将库存量减少 使得经常需要补充库存，因此增加了运输次数，增加运输成本。将原来铁路运输的物料改为航空运输，虽然增加了运费，但提高了运输速度，不仅减少了库存也减少了仓储费用。简化包装也可以减少包装费用，但也要考虑包装强度降低后影响仓储中堆放的高度，以及装运过程中破损率的增加。诸如此类的问题必须用系统的观点，从总体和全局权衡得失后才能达到总体的优化，将物流成本降至最低。此外，物流成本与服务之间也存在基本的矛盾，如提高物流的服务水平但同时也就增加了物流成本；进行最小批量多次配送虽然顾客满意了，但是物流成本也增加了。 下面介绍下物流系统的概念： 物流系统是指在一定的时间和空间中，有需要移动的物料、运输工具、搬运机械、储运设施、通信网络设施等硬件和相关的各种软件及人员等若干相互矛盾的要素所组成的、为了使物流在时间和空间上增值，并保证社会生产持续不间断的进行，实现物流各环节的作业能相互衔接不间断地进行，同时达到低成本并获经济效益的系统。 在普遍意义上讲，我国大部分企业的生产物流管理状况存在很大的问题，具体表现在如下几个方面。 （1） 设施布局 从工厂整体布局上，我国部分早期建成 的厂本身从生产工艺上布局不大合理，工序 间的衔接性差，厂内交叉物流现象比较严重，这无疑增加了生产的复杂性和生产物流成本合理的厂区布置可使企业能从其提供的服务中获得最大的效益，具体有：在满足生产工艺过程的要求下，达到最短的运输路线，尽可能减少或没有交叉物流；有最大的灵活性，以使企业能对将来的发展变化有快速响应能力 ；最有效的面积利用；最良好的工作环境；最合理的发展余地，对一个企业来说，生存和发展是它的两大目标 ，因此，合理的厂区平面布置应能为企业的发展提供适当的余地。上述物流问题的改善耗时长，投入大，但改进后会对整体物流的改善起到重要的作用。 （2） 生产物流管理 从生产物流计划管理上，生产物流计划制订缺乏基础数据和预测信息，计划的执行率偏低。企业生产计赳是企业生产管理的依据，也是生产物流管理的核心内容。生产计划工作的内容就是要在企业生产计划策略的指导下，根据生产预测和优化决策来确定企业的生产任务，将企业的生产任务同各生产要素进行反复的综合平衡，从时间上和空间上对生产任务作出总体安排，并进一步对生产任务进行层层分解，落实到车间、班组，以保证计划任务的实现。编制一个科学的生产计划，除了要掌握国家宏观经济政策和企业经营的环境外，还要使用有关企业生产活动的许多基础资料，如生产工序能力、工序 的作业率、生产效率、产品收得率、主要原燃料和能源单耗 、副产品的发生量等。充分而准确的信息资料是编制生产计划的基础。因此，编制生产计划前收集和整理各方面的资料是一项必做的工作。这些资料可分为两大类：一类是反映企业外部环境和需求的，如宏观经济形势、国家方针政策、竞争者情况、原材料及其它物资的供应情况、国家计划及订货合同协议、市场需求等；另一类是反映企业内部条件和可能的，如企业发展战略、生产经营目标、劳动力及技术力量水平、生产能力水平、各种物资的库存水平、流动资金和成本水平、服务销售水平及上期计划完成情况等在这些资料中，尤其重要的是反映外部需要的市场需求量和反映内部可能的生产能力两方面的资料，而它们必须通过生产预测和生产能力核算取得 。 库存管理方面，大部分企业在制品和产成品库存没有合理的定额依据，在制品和产成品库存较高。就生产过程的角度而言，库存可分为：原材料库存、在制品库存和产成品库存。库存管理的目的是在满足顾客服务要求的前提下通过对企业的库存水平进行控制，力求尽可能降低库存水平、提高物流系统的效率，以增强企业的竞争力。库存水平的高低直接影响着企业的生产经营，必要的库存量是防止供应中断交货误期、保证生产稳定和连续的重要条件，它有利于提高供货柔性、适应需求变动、减少产销矛盾。但库存同时也需要占用资金、支出库存费用，过量的库存会掩盖生产中的各种问题，因此，合理压缩库存已经引起各企业普遍重视。 在生产调度方面，调度机构设置比较臃肿，调度手段较为落后，信息反馈不实时等。 工序能力匹配方面，大部分生产企业生产过程中各工序生产能力不匹配现象较为严重，要么能力不足，要么能力过剩。 在设施布置设计方面，也存在很多问题，下面就针对设施布置设计中的几个关键问题： （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。 设施规划或工程设计的地位和作用，要从全社会固定资产投资的规模来考察。在我国，每年要投入巨额资金用于基本建设和技术改造，国外把我们中国形容为整个一个大工地。“九五”计划中，固定资产投资率按30%来把握，考虑价格因素，五年全社会固定资产投资规模将为13万亿元，也就是平均每年达到26000亿元。能不能用好这巨大的投资，投资决策正确与否是关键的因素，而规划设计也起着决定性的作用,因为每项建设工程无不要经过规划设计。这种决定性的作用，是指它的资源利用是否合理、工厂布置是否得当，工艺设备是否先进适用、能否取得好的投资效果，有着不可取代的作用。它不仅涉及建设过程的成效，而且涉及建成后能否实现企业的科学管理，能否发挥企业的经济效益和社会效益。所以在我国，工程设计被认为是“整个工程灵魂”。然而在过去的实际工作中，仓促地、不周密地进行规划设计，造成企业选址不当、布置不善、物流不佳、生产费用高等例子，并不少见，浪费了资金，甚至长期亏损。 设施规划设计的作用不仅体现在新建的工程项目，更体现在已有企业的改造上。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要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。据统计，1984 年至1994 年，我国技术改造投入1元，产出2元，创利税46角,投资只相当于同样规模基本建设的40%，而产出利税要比新建高一倍,建设周期要缩短一半时间。据国外统计，机械加工工厂的物料,在生产周期中用于加工的时间只占5%左右，而处于储存、搬运或生产线上等待的时间约占95%左右。在制造企业的总成本中，用于物料搬运的占20%50%，而优良的的平面布置可以使物料搬运费用至少减少10%30%。至于采用准时制生产方式(JIT)，更可以导致生产成本的降低，工厂需要的空间也可比常规制造厂减少40%60%。邹家华副总理说过，技术改造应该成为企业的自觉行为，厂长要有强烈的不断地进行技术改造的意识，企业要坚持年年搞技术改造，这从客观上提供了发挥设施规划设计作用的广阔天地。 当前我国许多企业,生产效率和经济效益低下，降低消耗和生产成本、改善物流、改进空间的利用、缩短生产周期的潜力很大。改造这些企业固然需要硬投入，但在资金紧缺的情况下，加强软投入，进行内涵式的挖潜创新，无疑更为重要。规划设计的费用是一个小数，在国外，项目设计的费用占总投资的2%10%，往往比不可预见费还少，我国的取费标准更低，而效果却是事半功倍。因此，在当前努力推动工业工程的应用中，使更多的人认识和理解设施规划技术的意义，使之得到广泛应用，实在是我国发展经济和技术进步的迫切需要。 第二章 生产车间物流系统分析与布置设计的相关理论和方法 随着工业的快速发展，我国已成为了世界制造加工中心。制造加工业发展的同时也面临着激烈的市场竞争。外部环境的变化迫使企业进行转型和流程再造，产品模块化、多产品小批量生产、柔性制造和成组技术等先进制造技术的广泛应用，使企业由传统的生产方式要向现代生产方式转变。而现代生方式不仅对生产能力而且对工厂设施布置提出了更高的要求。因此，目前很多企业进行了流程再造，新建或改建厂房，以提高企业的综合竞争力。 我国工业企业传统的系统设施布置设计主要采用定量分析方法和经验设计，各作业单元间生产物流呈现分散化和个体化，与现代生产制造不相适应。因此，本文提出一种现代系统设施布置方法，即将系统工程理论、物流分析技术、计算机仿真技术等进行综合应用，综合考虑各种因素，以实现系统物流效率和物流成本的最优化 。对系统进行理论分析，并应用仿真软件进行三维仿真设计和动态优化决策，以增强系统设施布置设计的系统性、合理性和柔性，提高设计工作效率和效益，同时也对当前企业新建或改建项目的规划设计具有一定的指导意义。物流系统是指在一定的时间和空间中，有需要移动的物料、运输工具、搬运机械、储运设施、通信网络设施等硬件和相关的各种软件及人员等若干相互矛盾的要素所组成的、为了使物流在时间和空间上增值，并保证社会生产持续不间断的进行，实现物流各环节的作业能相互衔接不间断地进行，同时达到低成本并获经济效益的系统。 企业物流是指在企业经营范围内由生产或活动所形成的加工、检验、搬运、储存、包装、装卸等物流活动。按照物流作用和活动发生的先后顺序，物流可分为供应物流、生产物流、销售物流、回收和废弃物流四部分。 其中生产物流是现代生产系统的重要组成部分，加工活动和物流活动是生产系统的两大支柱。没有加工，生产系统就失去存在的意义；没有物流，生产系统将失去生命，也会失去继续存在的条件。物流不仅为生产的连续性提供了保障，而且物流状况对生产环境和生产秩序起着决定性的影响。良好的企业规划设计是科学管理企业的开端，是实现物流合理化的前提。随着生产力水平的日益提高，在提高加工制造设备本身能力与效益的同时，生产物流系统中所蕴藏的巨大潜力越来越引起人们的注意。 生产物流系统与生产过程是同步的，生产过程又是在一定的车间范围内进行的。所以，车间的布置设计是物流系统优劣的先决条件。一方面，生产物流合理、顺畅、没有过多的交叉和迂回对企业效益是非常重要的，一个企业车间平面布置设计的好与坏不但决定了物流系统运行状态、生产能否有序顺畅进行，而且也是企业能否取得高效益的关键性因素之一；另一方面，企业的生产类型是产品产量、品种和专业化程度在企业技术、组织和经济上的综合反映和表现，很大程度上也决定了企业和车间的生产结构、工艺流程和工艺装备的特点、生产过程的组织形式及生产管理方法，同时也决定了与之匹配的生产物流类型。由此可见，物流类型与生产类型的产品产量、品种和专业化程度有着内在的联系，并对生产组织产生不同的影响和要求。但是，不管企业生产类型如何，企业生产系统都必须满足生产过程的连续性、生产过程的节奏性和均衡性、生产系统的协调统一性的要求。生产系统的这些性质要依靠企业物流系统的支持才能得以实现。 综上所述，挖掘物流的潜力，降低生产成本，加强企业对市场的快速响应力，优化企业组织机构和运作管理方式，追求生产系统整体效益的提高，已经成为现代化生产的重要内容。 物流系统的原始模型如图2-1所示。输入为物料、资金、人员、信息，经过物流系统转换后输出物料位、服务、废弃物（污染）和有关物料的各种信息。由于具体物流系统隶属不同的领域，因此对不同物流系统其输入、输出和系统转换各不相同。 下面介绍下物流系统的特点。 物流系统可大可小，小的如制造企业内部的物流系统，大的如大型钢铁联合企业的物流系统，更大的如全国性或跨国专业性物流企业，各有其性质上的特色，因此在考虑物流系统是应注意如下特点： （1） 有的物流系统跨很大的地域，持续时间也很长，因而加大了管理难 度并对信息的依赖程度很高。 （2） 对大的物流系统必须分解为多个子系统，各子系统之间存在时空、 资源、供需等多方面的联系，也存在作业目标、费用和运行之间的矛盾，必须立足全局协调妥善处理。 （3） 由于物流系统中各种作业在各种不同的条件下尚不能完全机械化， 还需要人的劳动来补充，因此还是有一个“人机系统”。目前的物流系统经常是由人和形成劳动手段的设备、工具所组成，其中人常常是系统的主体。因此在研究物流系统各种问题时，要将人和物结合起来考察分析，并重视如何发挥人的主观能动性。 （4） 物流系统的动态性和复杂性。物流系统是联接多个生产企业和用 户，随需求、供应、渠道、价格而变化，物流受到社会生产和需求的各种制约，因此物流系统是一个满足社会需求、适应环境能力的动态系统。这就要求物流系统应有灵活性和可变性。物料包括全的物质资源，量大和经常数以万计的量流动资金，将这些数量庞大的人力、物力、财力合理组织和利用是一个非常复杂的问题。因此需要一个良好的物流信息系统，用以指导物流活动，这有饿是一个复杂的问题。 （5） 物流系统是一个多目标系统。物流系统是一个既要实现宏观又要实 现微观经济效益的系统。系统的各要素之间存在众多的矛盾，处理不当就会恶化 。对物流系统人们普遍要求服务好、服务短、成本低，要满足全部要求显然很难办到，必须要从建立多目标物流系统入手达到多目标优化的结果。 任何企业在竞争中“价格”总是最强大的武器。降价主要取决于不断降低成本。通过多年的努力，在生产过程中能挖掘的潜力已经不大，而花费在物流上的开支正式有待开发的富矿。再从现代供应链管理和电子商务来看，只有实施正确的物流管理策略，才能不断增加企业的利润。当前我国企业有两种较为成功的物流发展的策略。一种是伊莱克斯公司所采取的将物流分包给第三方物流公司，另一种是海尔集团等所采取的自建现代物流信息系统，在此基础上实行小外包，总体实现采购、原材料和成品陪送的JIT，从而提高对订单的响应速度。根据国外的经验，物流外包将接生产品成本10%20%。合理管理企业物流就可以达到降低成本、控制库存、有效整合资源和提升核心竞争力的目的。 企业物流系统由物流作业子系统和物流信息子系统两个子系统组成。 （1） 物流作业子系统。企业中各种材料、半成品、零部件和产品在运 输、保管、搬运、包装、流通加工等各种物流作业中，按实际情况逐步使用各种先进的设备和技术，以便达到提高各种物流作业的生产效率。 （2） 物流信息子系统。企业在与各种物流有关的的经营活动中，在保证 订货、进货、库存、配送等信息畅通的基础上，组成物流信息网络，使管理人员任何时候都能观察、了解物流的状态，从而总体上提高物流系统运作效率。 合理组织物流活动，使各作业环节相互衔接协调，按照企业总体要求调度企业内各种资源进行整合，创造供应链中最佳效益。 第一节 车间系统布置设计理论的前提 对于一个工业设施或工厂，设施主要包括占用的土地、建筑物和构筑物、生产加工用的机器设备、固定或移动的辅助设备，此外，还包括维修设施、动力设施、公用设施、办公服务设施等。设施是一个投入- 产出生产服务系统的转换体。为了达到生产服务系统的设计目标，实现尽可能大的经济效益和社会效益，该转换体必须具有合理的结构与运营机制。设施布置设计是在设施选址以后，以系统的空间静态结构（布局）为研究对象，从动态结构 物流分析出发，分析和设计系统的平面布置，使人力、财力、物力和物流、人流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置，从根本上提高系统的运行效率，降低运行成本，从而提高竞争力。因此，设施布置设计的对象是整个系统，不是其中的个别环节。 往往一个好的工厂设施布置，具有的特征是：直线型流动；回溯最少；生产时间较短；在制品少；瓶颈操作可被控制；工作地之间距离较近；物料的搬运和存储有序；没有不必要的搬运；易于根据条件变化进行调整。 一个好的服务设施布置，具有的特征是：一目了然的服务流程；有足够的供等待时使用的设施；方便与顾客进行沟通；便于顾客监督；拥有充足的服务窗口和明确的进出口；部门安排和商品摆放合理；人流物流最少；每平方米设施具有很强的赢利能力。因此，设施布置应遵循如下原则： （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的方法之一。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小、生产成本最低 ； （2）以“流”尤其是物流作为布置设计的出发点，并贯穿在设施布置设计的始终。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）运用系统工程理论，用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）设施布置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。 第二节 车间布置设计的理论和方法 布置设计是对建筑物、设备、通道、场地等按照物流、人流、信息流的合理需要 ,作出有机组合和合理配置。工厂布置设计的方法和技术一直是不断探索的问题 ,发展了作业相关图法 ,从至表试验法、块状中心作图法等以及计算机辅助工厂布置。在众多的布置方法中 ,物流处于重要地位 ,把寻求最佳物流作为解决布置问题的主要目标。工厂布置的程序和方法,以1961年 Richard缪瑟提出的系统布置设计SLP（System Layout Planning） 最为著名，应用十分普遍。这时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。 由于工厂布置设施是多个目标、多约束的问题，因此，用数学方法来决定最优方案是很困难的，甚至是不可能的。传统的方法就是经验法，设计这主要依靠个人经验和流程图等定性资料来确定布置方案。 从50年代起，美国的R.MUTHER提出了系统布置法(S.L.P)，把量的概念引入不同方案的比较，特别是相关图与关系密级使各个方案都可以评分，因此布置设计就由定性阶段发展到定量阶段。但是随着生产单元数量的增多，用人工来决定设计方案变得困难，所以出现了计算机辅助布置的方法。 计算机辅助布置方法，不但能大大改善并加速布置设计中寻优阶段这一过程，而且能迅速生成多种布置方案，以启发设计者的思路，常常获得比常规布置更为优良的方案，因此计算机辅助布置发展迅速，在国内以已日渐普及，发展了许多算法和程序，较为流行的有CRAFT（位置配置法）、CORELAP（相对位置关系法）、COFAD（计算机辅助设施设计）、ALDEP（自动布置设计法）等。应用不同的方法可产生不同的方案。 以上各种方法在确定方案时采用的目标不同，有定性的也有定量的。例如CRAFT法以材料流动费用最小这一定量标准来寻优，而CORELAP法却是以相关部门的密切程度最大为目标进行寻优，而密切程度是一个定性指标。通常的布置方案评估只以一种目标来进行。人们不断提出新的数学模型和算法，并对原有程序加以改进，如对已偶的CRAFT法改进成MOCRAFT法等，这些工作都取得了一定的效果。 下面简单介绍下物流系统布置设计中的算法： 自动布置设计程序（Automated Layout Design Program，ALDEP） 基于凑合法的布置设计的算法。它的工作原理是按照物流系统作业单位之间的密切程度等级进行平面布置。ALDEP是一个构造程序，等于从一张空白的设计纸开始，从众多的候选作业单位中，随机挑选第一个作业单位到空白的设计图中，然后根据最密切的关系再选取下一个作业单位。这个过程直到所有高密切程度的作业单位摆放完毕。然后再选择密切程度稍差的作业单位进行摆放，直到应该摆放的所有作业单位都摆放完毕为止。 计算机化关系布置规划（Computerized Relationship Layout Planning，CORELAP）和ALDEP法一样，这种构造算法也是根据作业单位间的密切程度来选择和摆放作业单位。CORELAP用长方形的作业单位构造布置。根据对作业单位密切程度的权重赋值，从非常重要到不重要分别赋值6到1，用以计算个作业单位总密切程度等级TCR，TCR表示一个作业单位与另一个作业单位之间的彼此可接受性。CORELAP也是从一张白纸开始，先将TCR最大值的作业单位1放在纸上，然后扫描各作业单位密切程度表，将与1有密切关系的作业单位再放在边上，接着再选择其它有密切关系的作业单位摆放，直到应该摆放的作业单位都摆放完毕。与ALDEP方法不同的是，CORELAP使用了摆放等级和边界长度参数，前者根据准备放上去的新作业单位和已在图上的将分享共同边界的相邻作业单位的权重等级之和来决定选择何者。权重等级由用户自己规定，比如绝对密切的关系的权为200，非常密切的权为100，密切的关系权为50，一般的关系权为10，不密切的权为0，还有负的密切关系，权为-200。 定量布置程序（CRAFT） 和基于密切程度等级的ALDEP和CORELAP相反，CRAFT使用物流信息或从制表上累加而得出的作业单位物流强度。为此，CRAFT被称为定量布置程序，而前两个方法被称为定性布置程序。CRAFT是一种改进程序，这意味着CRAFT接受一项初始布置设计并用顺序方式成对交换作业单位的位置，试图做出改进。几个设计方案相互比较时，CRAFT用物品搬移或运输成本作为评价标准，这个成本用移动距离的线性函数来表示。一项好的设计是搬移成本较低。 多层仓库定量布置程序（MULTIPLE） MULTIPLE是CRAFT的改进型。它可以用于多层楼房设施布置设计，也可以用于单层仓库设计。它与CRAFT一样，MULTIPLE使用物流量信息、目标函数和搜索程序。MULTIPLE用优化程序产生改进的布置方案。和CRAFT不同，它没有在非邻接作业单位之间不能交换的限制，所以允许任何作业单位位置作双向交换。MULTIPLE的主要特征是采用空间填充曲线，用于构造布置以及用以表示作业单位布置的空间。除此之外，MULTIPLE在求解过程中没有什么重要改进。 最大可平面图布置设计（Maximal planar Graph） 这是一个基于图论的平面设计方法。像ALDEP和CORELAP一样，图论算法也用不同的密切程度等级的作业单位关系来产生布置方案。同时它也是一种布置设计的构造型算法，算法的目标是在令人满意的毗邻最大化的条件下生成布置。在输入作业单位关系和作业单位要求的空间后，图论方法的设计过程是：首先将最高级的作业单位关系（密切程度）放在一个位置上，其次使所有作业单位连接的图构造成树状图，即没有闭环的图，称之为最大生成树。然后将其余有较高密切程度等级的作业单位继续安放到图上，直到再也不能做出新的边为止。除非要做非平面的三维图。这意味着每条边加上去时不会切割已在图上的各边。这种图称为最大可平面图。在最大可平面图上用各顶点连在一起的方式，将各作业单位连接在一起。由于各作业单位都是具体的面积与形状的，所以进一步要将图论中的图转换为双重图，其中各作业单位已表示成为块状形式。最后，将包含各作业单位需要的空间的双重图再变成最终的布置设计块状平面图。 工厂物流系统分析是把物流全过程所涉及的装备、器具、设施、路线及其布置作为一个系统 ,运用现代科学和方法 ,进行设计、管理,达到物流合理化的综合优化技术。对物流分析 ,有许多图表化的分析方法可以运用，流程图表、物流进出表、搬运路线表、物流图、坐标指示图等。Richard缪瑟提出的系统搬运分析SHA（System Handling Analysis）,是一种有条理的分析方法 ,它从物料的分类开始 ,进行物料流程分析 ,运用各种图表检验物流的合理 ,对平面布置进行改进，理选择搬运设备 ,形成搬运方案 。工厂布置与搬运系统设计具有相互制约、相辅相成的关系，被称为是一对伙伴。SLP+SHA是两者相结合的方法运筹学中的运输问题、库存问题、排队问题等许多数学模型 ,有助于定量地分析物流系统中的重要问题 ,求得最优的设计方案。下面就对SLP法简单介绍下。 一个好的服务设施布置，具有的特征是：一目了然的服务流程；有足够的供等待时使用的设施；方便与顾客进行沟通；便于顾客监督；拥有充足的服务窗口和明确的进出口；部门安排和商品摆放合理；人流和物流最少；每平方米设施具有很强的赢利能力。 因此，设施布置应遵循如下原则： (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的方法之一。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小、生产成本最低 ； (2) 以“流”尤其是物流作为布置设计的出发点，并贯穿在设施布置设计的始终。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) 运用系统工程理论，用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) 设施布置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。 SLP法是一套系统化的规划设计方法，随着上世纪80年代Muther来我国讲学和访问而传入我国。这是对设计项目进行布置的一套有条理的、循序渐进的、对各种布置都适用的方法。 系统布置设计(SLP)程序一般经过下列步骤： （1）原始资料收集和分析 首先必须明确给出基本要素产品 P、产量 Q、生产工艺过程R、辅助服务部门S及时间安排T等这些原始资料，同时对作业单位的情况进行分析； （2）物流分析与作业单位相互关系分析 设施置考虑的重要因素是物流因素和非物流因素(即各业单位之间的相互关系)； （3）绘制作业单位位置相关图 合物流因素和非物流因素，绘制位置相关图； （4）作业单位占地面积计算 各作业单位所需占地面积与设备、人员、通道及辅助装置等有关，计算出的面积应与可用面积相适应； （5）绘制作业单位面积相关图 把各作业单位占地面积附加到作业单位位置相关图上，就形成了作业单位面积相关图； （6）修正 根据其他因素对作业单位面积相关图进行调整与修正； （7）方案评价与择优 针对得到的数个方案，需要进行技术、费用及其他因素评价，通过对各方案比较评价，选出或修正设计方案，得到布置方案图。 第三节 系统布置设计理论的应用 自系统布置设计法诞生以来，设施规划设计人员不但把它应用于各种机械制造厂设计，而且还在探索系统布置设计在其他领域的应用前景。设施规划设计的作用不仅体现在新建的工程项目 ,更体现在已有企业的改造上。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要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。 一、系统布置设计理论在生产车间的应用 设施规划设计技术在生产车间的应用 ,国外有许多成功的实例。在我国也有一些经验可供借鉴。 在日本，些机械工厂由于改善物流，得良好效果。例如: （1）某生产自动调节阀的工厂 ,以提高生产率为目标 ,为了实现在库零件量减半，禁止使用自动仓库，将在库零件改在装配线旁平放。这样做，使物流更有效，而且使在库零件处于可以眼见的状态，防止库存过量。预计即使不引进新的生产设备，仅因工厂内改善了物流，生产效率可以提高五成左右。 （2）某工厂有的轴类零件在加工途中要求涂装和清洗。过去的做法是在加工过程中把这些零件运到涂装车间成批进行处理，然后再运回到加工工序中去，好处是可以防止在加工线中涂料飞散，也可提高涂装效率。但他们认为加工工序与涂装工序间的运输是无效的，因此在加工线中设置了小型涂装装置和清洗装置，采用强力集尘装置防止涂料的飞散，技术上没有难点，却减少了物流的损失。 在我国也有很多成功的例子： （1）某汽车发动机厂，某设计院进行了物流系统规划，整了厂内车间位置，库房合并建立了立体库。使当时的物流搬运量减少了46.7%自制件和外购件的搬运距离大大缩短，且节约了用地，少了贮运设备。 （2)某矿山机器厂，某设计院通过物流分析发现，业区之间的搬运活动过多，相当一部分处于长距离大物流量的范围。如某零件要两次进出焊接车间，次进出加工车间，产周期最长。经过生产布局的调整，零件只在工段内移动，化了搬运的往返。调整后，机的生产周期下降，量迅速增长。 （3）某变压器厂，厂校合作进行了物流、仓储系统的分析和论证，现了车间、仓库布置不合理等不符合物流系统设计原则的问题,际搬运费为有效搬运费的332%。经过规划，变了线圈运输路线、迁移了线圈干燥炉、增设门式起重机、新设钢材库等,短了搬运距离和费用，主要建筑物不变动的情况下，善了物流系统。 二、系统布置设计理论在其他的领域应用 系统布置设计理论除了在生产车间以后，在其他领域也被广泛应用，在物流行业的配送中心的应用，对其物料搬运系统进行研究优化。系统布置设计同样可以用于其他类型工厂的布置设计，甚至也可以用于服务行业设施布置。 物流中心在现代物流的发展中具有重要的作用。物流中心的系统布置设计是否合理，直接影响到物流运作效率和运作成本的高低。旨在把SLP方法引入物流中心的系统布置设计中，利用此方法对物流中心的各功能区域进行科学、合理的布置设计。 第三章 星羽模具厂的背景介绍 第一节 星羽模具厂的现状 宁海县城关星羽模塑厂成立于1997年，是一家起点高，发展快的高科技企业，一直致力于发展自己的产品。 从创意设计到模具生产，拥有强有力的研发能力和完备的CAD/CAE/CAM技术队伍以及模具制作。专业提供模具CNC加工、CAD/CAM技术应用和培训的高科技公司，主要面向制造业从事模具CNC加工、利用CAD/CAM/CAE手段为企业提供产品造型、模具设计。 公司主要产品有塑料模具、冲压模具、橡胶模具等，可受客户的要求直接加工塑料制品以及提供机床加工。也可根据客户手版、图纸、实物，利用先进的设计软件，进行模具的设计制造。 配套制造模具的加工设备有：台湾数控加工中心、台湾倍速特电脉冲、台湾力锠锯床、海天塑料机等。 第二节 星羽模具厂员工以及工作情况 宁海星羽模具厂现有员工二十余人，其中设计人员有二人，编程人员有四名，其余多为长期在模具行业一线的员工。设计人员主要做的是产品设计和模具设计，根据工艺和顾客的需要设计或者改造模具和产品。接到顾客的合同以后，顾客会给样品或者产品图纸，编程人员要根据样品或者图纸做出模具的造型，然后把做好的模具造型程序输入数控机床，输入工作往往由操机人员来完成。其他人员的工作是根据设备的不同来分工的，有做数控加工中心的操机人员，有负责电脉冲的人员，还有负责铣床的人员，做钻床的钻工。厂内的职工分工明确。 第三节 星羽模具厂的车间流程状况 宁海星羽模具厂的规模属于宁海中型模具生产企业，厂房占地面积大概400平方米左右，整个厂房就是个生产车间。生产车间内的布局，可以从图1中看出。 图3-1 星羽车间布置图 图中的生产车间有二个入口，最左边的入口一是模具原材料的流入口，入口二是塑料原材料的入口也是产成品的出口。整个车间根据东西走向分为二大区域，南区主要是软件应用室、办公室和会议室，北区就是加工设备区。中间有块1.5米宽18米长的长方形区域5，主要是零件和毛坯的堆放区，也是模具的装配区。图中的7是产品和模具的设计室，8是模具和产品的造型室，9是办公室，10是会议室，11是空置的房间。在北区的加工设备区中1是数控加工中心，2是万能铣床，3是摇臂钻床，4是电脉冲机床。图中的6是塑料机床在虚线的右边，在这个区域也就是塑料机床的周围用来摆放塑料机床生产的产品。 在模具制造中，每个零件都具有复杂性与特殊性，相互之间具有整体配合性，这在给编制模具加工工艺带来了不同的要求，编制好的加工工艺就能影响生产成本与产品质量。先介绍下完成的模具工艺流程。开料：前模料、后模模料、镶件料、行位料、斜顶料；开框：前模模框、后模模框；开粗：前模模腔开粗、后模模腔开粗、分模线开粗；铜公：前模铜公、后模铜公、分模线清角铜公；线切割：镶件分模线、铜公、斜顶枕位；电脑锣：精锣分模线、精锣后模模芯；电火花：前模粗、铜公、公模线清角、后模骨位、 枕位；钻孔、针孔、顶针；行位、行位压极；斜顶复顶针、配顶针；其它：唧咀、码模坑、垃圾钉（限位钉）；飞模；水口、撑头、弹簧、运水；省模、抛光、前模、后模骨位；细水结构、拉杆螺丝拉钩、弹簧淬火、行位表面氮化；修模刻字。 下面再介绍下模具制造的一般加工工艺：下料钻孔粗铣精铣电火花钻孔（冷却水）装配试模修改。下面分析下各个工艺相对应需要使用的设备。下料是把加工需要的材料从原材料供应商那购买过来，到达车间以后，如果材料比较小，可以直接由员工把材料搬到铣床上进行加工；如果材料比较大，那就需要车间里的吊车了，先把材料吊到钻床上钻出吊环的孔。如果没有吊环，材料在吊运过程中很容易滑下，造成人员伤亡或者材料的损坏，因此，对于制造大型的模具，打吊环孔是必不可少的。钻孔以后，就是粗铣了，铣需要的设备是万能铣床。精铣一般是放在加工中心上加工，这个阶段就需要编程人员编制的模具的造型软件了，一般模具造型都是事先就做好了，这样可以节省等待的时间。所有的铣加工以后就是电火花了，需要电脉冲机床。接下来还是钻，这次钻的是导柱孔和顶杆的孔，这一步也需要冷却水。然后就是模具的装配了。装配完以后就是试模了，试模就是把做好的模具放在塑料机上打产品了，如果打出的产品符合要求，就不需要修改了，如果不符合要求就要修改了。修改的过程根据打出的产品的情况不同也有大不相同。 该厂做的大多是注塑模具,因此也介绍下注塑模具的工艺流程，工艺流程图下2个图： 图3-2 注塑模具工艺流程图 要做出好的模具，光知道工艺流程是不够，还要熟悉模具设计的知识，我这里就介绍下模具的设计的依据。 尺寸精度与其相关尺寸的正确性。根据塑胶制品的整个产品上的具体要和功能来确定其外面质量和具体尺寸属于哪一种： 外观质量要求较高，尺寸精度要求较低的塑胶制品，如玩具； 功能性塑胶制品，尺寸要求严格；外观与尺寸都要求很严的塑胶制品，如照相机。 脱模斜度是否合理。脱模斜度直接关系到塑胶制品的脱模和质量，即关系到注射过程中，注射是否能顺利进行： 脱模斜度有足够；斜度要与塑胶制品在成型的分模或分模面相适应； 是否会影响外观和壁厚尺寸的精度；是否会影响塑胶制品某部位的强度。 要对车间进行系统布置的再设计，熟悉模具的工艺流程是必不可少的，也是设施规划优化的基础。 第四节 星羽车间的物流分析和现在的系统布置设计 车间内的物流根据工艺流程分析可以很清楚的看出了，不过设备可能有等待，因此是设备之间和中间堆放区之间的物料流动的过程。由此可以看出现在的车间设施摆放有很多不足点，但也有优点。 首先划分出各个工作单位，根据制造工艺流程，将设备分为6个单位，具体如下表所示： 表3-1车间设备单位 序号 车间内的设备 1 数控加工中心 2 万能铣床 3 摇臂钻床 4 电脉冲机床 5 装配区 6 塑料机床 根据模具加工工艺流程，可以画出物料在加工中所要经过的路线。如下图，在图中标出的是设备之间的实际距离，暂且假设物料的重量是1吨，要将物料移动1米的费用是10元。 图3-4物料所经过的路线图 各设备之间的距离如下图所示，也是物料所要移动的距离。 图3-5各设备之间的距离图 这里假设模具只要试模一次就成功，那么物料所要移动的总距离L就可以计算出来。L=10m+5m+15m+18m+4m+7m=59m 。那么物料搬运的总费用就可以算出来590元。 下面就用线图来计算车间的效率。线图的画法是用圆宝石设备，圆圈间线段表示物料流动，如物料跳过一台设备就将线段画在圆圈的上方，如物料后退或倒退则线段画在圆圈下放。画出的线图如下图3-6：Z表示原材料的入口处；X表示生产的出口处。1、2、3、4、5、6表示各项作用机械设备。 图3-6 线图 由图可见，从Z到X零件移动7步，每步就是两个相邻圆圈的距离，如跳跃一个圆就需要2步。在图的布置中，物料从Z到1，3，2，4，5，6到X共需15步。所以效率就算出，效率为7/15=46.7%。 一、现状的优点 现在的设施布置不是专业的设施规划人员设计的，只是厂长根据传统的方法就是经验法，设计这主要依靠个人经验和流程图等定性资料来确定布置方案。有些借鉴其他模具生产车间摆放的，因此优点是节省了原来专业设施规划的费用。还有中间的堆放区和装配区的布置比较合理。 二、现状存在的不足 根据工艺流程，车间中设备的摆放有很过不足。根据调查这个厂主要接到的订单都是制造大型的模具，因此，首先就是先把物料搬去钻床上。如果是小模具，加工中心摆在最前面是合理的。 第四章 对星羽模具厂的系统布置设计优化的研究 一个良好的布置设计应该使物料的成本最低。使人员的距离最短，从而使办事效率最高。通常物料搬运和运输的成本约占制造业总成本的20%50%，同时许多工伤事故来源于物料搬运。下面分两方面来考虑改进车间的系统布置设计，先就根据工艺流程来分析车间的设施规划。 物流分析是设施布置的关键也是前提。通过物流分析可以使设施布置或工厂布局合理化。物流分析的原则是什么？物流分析考虑到产品从原材料到成品所通过企业或工厂的路径，并做到两个最小的和两个避免，即物流分析中判断正误或合理的两个原则： 经过距离和物流成本最小。 避免迂回和避免十字交叉。 通过物流分析将帮助我们正确地排列和布置机器设备、工作站和各部门，同时也可以改进了生产过程。通过将众多的产品按相似性流动就能改善物流。在企业内职工的活动同样也是一种流动人流，所以我们也需要考虑他们的活动路径。例如职工来上班先将汽车停放，再进入单位入口，打卡，去更衣室，然后去工作地。我们就应按这样的流动布置服务设施使职工方便。正确合理的设施布置不仅能提高生产效率和工作效率，也是节约物流费用从而降低产品或服务成本的重大措施。 机器设备、工作站和个部门的布置排列取决于产品或人的流动，而产品流动又要按照生产过程或工艺过程来进行。因此，产品工艺过程卡片是设施布置的原始信息和根据。 第一节 对车间工艺流程的分析 先看下模具的工艺流程：下料钻孔粗铣精铣电火花钻孔（冷却水）装配试模修改。各个工艺所对应的设备顺序：摇臂钻床万能铣床数控加工中心电脉冲机床摇臂钻床装配区塑料机床装配区。根据设备用到的先后顺序对车间的设备摆放位置进行修改，修改后的图如下： 图4-1根据工艺流程改进后的车间平面布置图 下面就根据上面的车间平面布置图来计算物料在加工过程中的搬运费用。先计算出物料搬运的距离，这个时候，各个设备之间的距离如下图： 图4-2 物料搬运距离图 计算出总距离L=2m+3m+3m+9m+4m+8m=29m ，总费用为290元。这是在不考虑物流强度的情况下所得出的系统布置设计。 用线图表示为： 图4-3 线图 在图中，零件从Z到3，2，1，4，5，6到X共需13步。因此，效率为7/13=54%。 第2种方法是用SLP法分析下星羽的车间系统布置。下面就详细介绍下结合SLP法对该车间系统布置的改进。 第二节 用SLP法分析车间的系统布置并改造 首先划分出各个工作单位，根据制造工艺流程，将设备分为6个单位，具体如表4-2所示。 表4-1 车间设备单位 序号 车间内的设备 1 数控加工中心 2 万能铣床 3 摇臂钻床 4 电脉冲机床 5 装配区 6 塑料机床 根据调查厂里的员工，得出各个单位之间的“密切程度”。“密切程度”代码如表1所示。 表4-2 “密切程度”代码 密切程度代码 A E I O U 实际含义 绝对必要 特别重要 重要 一般 不重要 还要一种理由代码来说明达到此种密切程度的理由，如表4-3所示。 表4-3 理由代码 1 2 3 4 5 6 7 理由 物流 距离 人员的来往程度 零件流动 库存控制 方便 清洁 根据调查画出作业单位相互关系图，对车间各个作业单位之间关系的密切程度进行评价，如图3所示。图的左方为需要进行设施布置的各个作业单位，图右方的每个菱形框表示和左方相对应的两个作业单位之间的关系，菱形框内的为密切程度代码。 画出作业单位相互关系图以后，就可以得出平面布置示意图，如图4所示。 图4-5 平面布置示意图 用物流量和作业单位关系（综合相互关系）共同布置平面图。 综合相互关系法的方法和步骤。在制造业的企业或工厂中，各作业单位间不仅有物流关系，也有非物流关系，即使在服务业中也有例如餐饮业、医疗卫生业也存在一定的物流。因此在系统化设施布置中，必须将作业单位间的物流关系和非物流关系进行综合，综合后相互关系即称为综合相互关系。此时就应该从作业单位间综合相互关系出发，设计出作业单位的合理布置。在我国已经推广使用的一种综合相互关系法，是通过以下步骤进行平面布置的：通过物流分析，在物流合理化的基础上求得各作业单位间的物流量及其相互关系。然后确定各单位间非物流关系相互影响因素及等级，作出作业单位相互关系表。确定物流和非物流相互关系的相对重要性。通常这一相对重要性比值m:n不应该超过1:33:1。如比值大于3:1，意味着物流关系占主要地位，设施布置只要考虑物