设施布置设计的回顾现状与展望
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( SFP) 虽然缪瑟的系统布置设计技术条理清晰 、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 。
(1) 激烈的市场竞争迫使企业应用 MRP II、ERP 、CIMS 等来武装自己 。它们信息资源的 高度计算机集成化要求设施布局信息的计算机 化 ;同时 ,它们的动态特性要求必须建立设施布置 的快速响应 (即迅速提供高效可行的新的布置方 案) 。而现在的系统日趋复杂 ,应用系统布置设计 技术手工完成布置和调整十分繁琐 ,此时 ,既要满 足时间性又要满足最优性是不现实的 。
(linear integer programming model) (d) 混合整数规划模型
( mixed integer programming model) (e) 图论模型 (graph t heoretic model)
第 二 类
扩展模 型[5]
(a) 动态布置模型 (Dynamic Layout Model) (b) 随机布置模型 ( Stochastic Layout Model) (c) 多准则/ 多目标 、鲁棒性及柔性的布置模型
最优 分支定界法 (Branch and bound) 割平面法 (Cutting plane algorit hm)
新建法 (CoLeabharlann Baidustruction met hods)
算 法
传统启发式算法 改进法 ( Improvement met hods)
混合法 ( Hybrid met hods)
次优
图论法 ( Graph t heoretic met hods) 模拟退火法 SA ( Simulated Annealing)
最初的设施布置设计主要是凭经验和感觉 。 但到了 50 年代 ,布置设计从传统的只涉及较小系 统发展到大而复杂的系统设计 ,凭经验已难以胜 任 。于是 ,在综合各学科发展的基础上 ,一方面 ,布 置设计中运用起系统工程的概念和系统分析的方 法 ,在 1961 年由美国的缪瑟提出了极具代表性的 的系统布置设计 ( SL P) 理论 ;另一方面 ,60 年代以 来以 J M 摩尔等为代表的一批设施规划与设计学 者 ,较为系统地研究应用计算机技术进行平面布置 及其优化的问题 ,并产生了许多用高级语言写成的 平面 布 置 程 序 , 如 用 于 新 建 设 施 的 CORELAP、 ALDEP 程序和用于改建布置的 COFAD、CRAFT 程序 ,形成了计算机辅助设施布置 (CAL) 方法 。[1]
人工智能技术 禁忌搜索 TS( Tabu search)
遗传算法 GA ( Genetic Algorit hm)
图 1 设施布置分类算法 [ 6 、15 ]
由于设施布置是典型的 N P 问题 ,人工智能 技术成为在有效时间内寻求满意解的可行算法 。 它们应用快速并行处理 ,可以同时得到多个解 ,丰 富了备选方案 ;并且它们允许代价更高的解出现 , 从而可以跳出局部最优点 ,解决对初始布局敏感 的问题 。[16 ]所以在设施布置中 (特别是在寻优阶 段) 这些人工智能技术获得广泛应用 。
(1) 把设施布置设计提升至战略高度 ,通过一 次根本性的再聚焦以及精益原则来提高企业整体 生产力 。实施的关键是运用企业流程再造原理 : 即首先进行业务流程重组 ,然后将主 、次流分离 (产品物流与非产品物流分离) ,最终的布置由主
流的轮廓图发展而来 ,次流伴随着主流被调整至 剩余空地 、头上和地下空间 。这样一来 ,顾客愿意 付钱的产品的价值增值速度加快 ,企业竞争能力 加强 。[3 ]
(2) 新的战略设施规划融合了优良的计算机 辅助设施布置方法 ,一定程度上实现了设施布置 的快速响应 、布局信息的计算机化和较丰富的设 计方案以供决策者选择 。[3 ]
212 计算机辅助设施布置方法的发展 计算机辅助设施布置方法自从出现以来 ,就
一直是人们研究的重点 ,无论是模型 (见表 1) 还 是算法 (见图 1) ,发展都非常迅速 。
(b) 机器布置模型 ( Machine Layout Model) (c) 单元布置模型 (Cell Layout Model)
21211 计算机辅助设施布置模型 计算机辅助设施布置软件的建模是计算机辅
助设施布置的核心内容 。起初 ,人们根据假设情 况 (如 :设备之间的流量是已知的固定数量 ;布置 问题在计划展望期内看作是静态问题 ;布置的目 标仅仅是物流费用最小等等) 建立了第一类模型 。 然而 ,这些假设越来越不符合现代制造系统的现 实要求 。为寻求改进 ,人们做了许多工作 。一方 面 ,人们根据现实问题发展了许多扩展模型 :如实 际布置是多目标优化问题且目标间可能相互矛 盾 ,为此近年来构造了多种多目标决策布置模 型 ; [6、7、8 ]由于经营 、发展 、需求波动以及生产混和 的动态特性 ,设备之间的流量随着阶段的不同而 变化 ,当一些这样的改变是可计划时 ,可发展为动 态布置模型 ; [9 ]当产品混和 、机器故障 、周期性的 波动和需求不确定时 ,针对不确定性发展了随机 布置模型 、[10 ] 鲁棒性[11 、12 ] 及柔性[13 ] 布置模型 。 另一方面 ,由于目前构造通用的布置模型还很困
自从有了工业生产 ,就有了工厂设计 ,也就有 了设施布置设计。设施布置设计 ,是根据企业的经 营目标和生产纲领 ,在已确定的空间场所内 ,按照 从原材料的接收、零件和产品的制造 ,到成品的包 装、发运的全过程 ,将人员、设备、物料所需要的空 间做最适当的分配和最有效的组合 ,以便获得最大 的生产经济效益 。[ 1 ]设施布置设计在设施规划设 计中占有重要地位 ,历来是倍受重视的领域。以工 厂布置为例 ,它的好坏直接影响整个系统的物流、 信息流 、生产能力 、生产效率 、生产成本以及生产安 全。优劣不同的工厂布置 ,在施工费用上可能相差 无几 ,但对生产运营的影响会有很大不同。优良的 设施布置可以节省物料搬运费用 ,缩短生产周期 , 加快流动资金周转。因此 ,优良的设施布置是提高 生产系统效益的重要源泉和手段 ,是改善生产系统 整体功能 、实现现代化管理和先进生产方式的前提 和基础 。[1 ]
缪瑟的系统布置设计 ( SL P) 是一种条理性很 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 ,因此在布置设计领域获 得极其广泛的运用 。国内在 80 年代以后引进了这 一理论 ,收效非常显著。而计算机辅助设施布置方 法利用计算机的强大功能 ,帮助人们解决设施布置 的复杂任务 ,为生产系统的设施新建和重新布置提 供强有力的支持和帮助 ,节省了大量人力和财力 , 尤其是对大型项目和频繁的重新布置 。
2 设施布置设计的现状
近年来 ,由于当今世界正从工业化社会向信
[ 收稿日期 ] 2000 - 06 - 28 [ 作者简介 ] 刘正刚 (1976 - ) ,男 ,江苏镇江人 ,江苏理工大学硕士生 1
2001 年第 1 期 刘正刚等 设施布置设计的回顾 、现状与展望
75
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 。 211 系统布置设计( SL P) 发展为战略设施规划
(Multi2criteria/ Multi - objective , Robust , and Flexible Layout Model)
第 特定情 三 形模 类 型[5]
(a) 流 线 、行 列 及 环 行 布 置 模 型 ( Flow - lines , Row , and Loop Layout Model)
(2) 传统的系统布置设计技术不太适合企业流 程再造 (BPR) 。企业为适应市场变化 ,需进行企业 流程再造。这一浪潮的核心就是流程再造 :即聚焦 于核心增值流程 ,恰当地把弱势业务向外分包 。[2] 在现代制造企业中 ,产品物流密度占整个物流的比 例越来越小 ,主要物流趋向于象堆垛和包装这类的 事情 。当物料搬运系统含有大量的回收车 、容器和 堆垛机时 ,非产品物流 (次流) 和产品物流 (主流) 的 分离导致两张不同的轮廓图 ,而含有所有设施的 SL P 方法会导致变形的轮廓图 。[3]
(3) 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 最终提供给决策者的方案较少 ,可供决策者选择 的余地太小 ,很难形成优秀的 、令人满意的方案 。
有鉴于此 ,威廉·温拿等工厂设计师们在实践 中不断对其进行发展和完善 ,并于 90 年代提出了 新的战略设施规划 ( SFP : St rategic facilities plan2 ning) 。其发展主要有两点 :
[ 关键词 ] 设施布置 ( FL ) ;系统布置设计 ( SL P) ;计算机辅助设施布置 ( CAL ) ;战略设施规划 ( SFP) ; 设施布置模型 ; 设施布置算法
[ 中图分类号 ] TH181 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1008 - 1917 (2001) 01 - 0074 - 05
表 1 设施布置分类模型[4 、5 ]
(a) 二次分派模型
(quadratic assignment problem - QAP model)
第 一 类
理想的 、(b) 二次集合覆盖模型
块状布 置模
(quadratic set covering model) (c) 线性整数规划模型
型 [4 ,5 ]
76
江苏理工大学学报 (社会科学版) 200113
难 ,于是人们又针对特定类型制造系统不断开发 更具体 、实用的第三类模型 ,这一方面的文献数量 很多 ,可参看参考文献[ 5 ] 。 21212 计算机辅助设施布置算法
最初的计算机辅助设施布置软件 (如 CORE2 LAP 和 CRAF T) 所用算法主 要 为 新 建 法 ( Con2 st ruction met hods) 和改进法 ( Improvement met h2 ods) 等传统启发式算法 。[1 ] 这些算法的主要缺陷 是在达到满意方案前的选择过程中未充分考虑其 他的方案 ,并且它们对初始布置敏感 ,导致最终布 置未必好 。[14 ] 近十几年来 ,人工智能技术的发展 为设施布置提供了功能强大的新算法 。
3 设施布置设计的趋势及其需要解 决的问题
311 设施布置设计的总趋势 缪瑟的系统布置设计 ( SL P) 逻辑严密 、条理
清晰 、考虑比较完善 。因此 ,先前的新建生产 (服 务) 系统中最具代表性的 CORELAP 程序就是将 SL P 融入计算机辅助设施布置方法 ( CAL ) 中 ,只 是当时的集成比较简单 。现在 ,温拿的战略设施 规划 ( SFP) 在发展 SL P 的基础上将其自身更紧密 地集成于 CAL 中 ,这也表明了在设施布置项目向 大型化 、复杂化方向发展的今天 ,考虑到时效性 , 计算机辅助设施布置方法已逐渐成为设施布置设 计的主流 。在此领域 ,虽然人们作了众多的探索 ,
2001 年第 1 期
江 苏 理 工 大 学 学 报 (社 会 科 学 版)
设施布置设计的回顾 、现状与展望
200113
刘正刚1 , 姚冠新2
(1. 江苏理工大学工商管理学院 ,江苏 镇江 212013 ;2. 江苏理工大学研究生部 ,江苏 镇江 212013)
[摘 要 ] 回顾了设施布置设计的历史 ,在制造业生产方式发生变革的今天 ,着重分析了传统 的布置设计中存在的问题 。在此基础上 ,结合近几年来该领域内的研究 ,对未来发展趋势作出 了展望 ,并指出了其中迫切需要解决的关键问题 。
当今世界正从工业化社会向信息社会飞速发 展 ,这一伟大变革在各个方面都产生了极其深远的 影响。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) 及敏捷制造方式演变 。生产方式的 转变必然促进设施布置设计的研究与发展 。
1 设施布置设计的回顾
(1) 激烈的市场竞争迫使企业应用 MRP II、ERP 、CIMS 等来武装自己 。它们信息资源的 高度计算机集成化要求设施布局信息的计算机 化 ;同时 ,它们的动态特性要求必须建立设施布置 的快速响应 (即迅速提供高效可行的新的布置方 案) 。而现在的系统日趋复杂 ,应用系统布置设计 技术手工完成布置和调整十分繁琐 ,此时 ,既要满 足时间性又要满足最优性是不现实的 。
(linear integer programming model) (d) 混合整数规划模型
( mixed integer programming model) (e) 图论模型 (graph t heoretic model)
第 二 类
扩展模 型[5]
(a) 动态布置模型 (Dynamic Layout Model) (b) 随机布置模型 ( Stochastic Layout Model) (c) 多准则/ 多目标 、鲁棒性及柔性的布置模型
最优 分支定界法 (Branch and bound) 割平面法 (Cutting plane algorit hm)
新建法 (CoLeabharlann Baidustruction met hods)
算 法
传统启发式算法 改进法 ( Improvement met hods)
混合法 ( Hybrid met hods)
次优
图论法 ( Graph t heoretic met hods) 模拟退火法 SA ( Simulated Annealing)
最初的设施布置设计主要是凭经验和感觉 。 但到了 50 年代 ,布置设计从传统的只涉及较小系 统发展到大而复杂的系统设计 ,凭经验已难以胜 任 。于是 ,在综合各学科发展的基础上 ,一方面 ,布 置设计中运用起系统工程的概念和系统分析的方 法 ,在 1961 年由美国的缪瑟提出了极具代表性的 的系统布置设计 ( SL P) 理论 ;另一方面 ,60 年代以 来以 J M 摩尔等为代表的一批设施规划与设计学 者 ,较为系统地研究应用计算机技术进行平面布置 及其优化的问题 ,并产生了许多用高级语言写成的 平面 布 置 程 序 , 如 用 于 新 建 设 施 的 CORELAP、 ALDEP 程序和用于改建布置的 COFAD、CRAFT 程序 ,形成了计算机辅助设施布置 (CAL) 方法 。[1]
人工智能技术 禁忌搜索 TS( Tabu search)
遗传算法 GA ( Genetic Algorit hm)
图 1 设施布置分类算法 [ 6 、15 ]
由于设施布置是典型的 N P 问题 ,人工智能 技术成为在有效时间内寻求满意解的可行算法 。 它们应用快速并行处理 ,可以同时得到多个解 ,丰 富了备选方案 ;并且它们允许代价更高的解出现 , 从而可以跳出局部最优点 ,解决对初始布局敏感 的问题 。[16 ]所以在设施布置中 (特别是在寻优阶 段) 这些人工智能技术获得广泛应用 。
(1) 把设施布置设计提升至战略高度 ,通过一 次根本性的再聚焦以及精益原则来提高企业整体 生产力 。实施的关键是运用企业流程再造原理 : 即首先进行业务流程重组 ,然后将主 、次流分离 (产品物流与非产品物流分离) ,最终的布置由主
流的轮廓图发展而来 ,次流伴随着主流被调整至 剩余空地 、头上和地下空间 。这样一来 ,顾客愿意 付钱的产品的价值增值速度加快 ,企业竞争能力 加强 。[3 ]
(2) 新的战略设施规划融合了优良的计算机 辅助设施布置方法 ,一定程度上实现了设施布置 的快速响应 、布局信息的计算机化和较丰富的设 计方案以供决策者选择 。[3 ]
212 计算机辅助设施布置方法的发展 计算机辅助设施布置方法自从出现以来 ,就
一直是人们研究的重点 ,无论是模型 (见表 1) 还 是算法 (见图 1) ,发展都非常迅速 。
(b) 机器布置模型 ( Machine Layout Model) (c) 单元布置模型 (Cell Layout Model)
21211 计算机辅助设施布置模型 计算机辅助设施布置软件的建模是计算机辅
助设施布置的核心内容 。起初 ,人们根据假设情 况 (如 :设备之间的流量是已知的固定数量 ;布置 问题在计划展望期内看作是静态问题 ;布置的目 标仅仅是物流费用最小等等) 建立了第一类模型 。 然而 ,这些假设越来越不符合现代制造系统的现 实要求 。为寻求改进 ,人们做了许多工作 。一方 面 ,人们根据现实问题发展了许多扩展模型 :如实 际布置是多目标优化问题且目标间可能相互矛 盾 ,为此近年来构造了多种多目标决策布置模 型 ; [6、7、8 ]由于经营 、发展 、需求波动以及生产混和 的动态特性 ,设备之间的流量随着阶段的不同而 变化 ,当一些这样的改变是可计划时 ,可发展为动 态布置模型 ; [9 ]当产品混和 、机器故障 、周期性的 波动和需求不确定时 ,针对不确定性发展了随机 布置模型 、[10 ] 鲁棒性[11 、12 ] 及柔性[13 ] 布置模型 。 另一方面 ,由于目前构造通用的布置模型还很困
自从有了工业生产 ,就有了工厂设计 ,也就有 了设施布置设计。设施布置设计 ,是根据企业的经 营目标和生产纲领 ,在已确定的空间场所内 ,按照 从原材料的接收、零件和产品的制造 ,到成品的包 装、发运的全过程 ,将人员、设备、物料所需要的空 间做最适当的分配和最有效的组合 ,以便获得最大 的生产经济效益 。[ 1 ]设施布置设计在设施规划设 计中占有重要地位 ,历来是倍受重视的领域。以工 厂布置为例 ,它的好坏直接影响整个系统的物流、 信息流 、生产能力 、生产效率 、生产成本以及生产安 全。优劣不同的工厂布置 ,在施工费用上可能相差 无几 ,但对生产运营的影响会有很大不同。优良的 设施布置可以节省物料搬运费用 ,缩短生产周期 , 加快流动资金周转。因此 ,优良的设施布置是提高 生产系统效益的重要源泉和手段 ,是改善生产系统 整体功能 、实现现代化管理和先进生产方式的前提 和基础 。[1 ]
缪瑟的系统布置设计 ( SL P) 是一种条理性很 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 ,因此在布置设计领域获 得极其广泛的运用 。国内在 80 年代以后引进了这 一理论 ,收效非常显著。而计算机辅助设施布置方 法利用计算机的强大功能 ,帮助人们解决设施布置 的复杂任务 ,为生产系统的设施新建和重新布置提 供强有力的支持和帮助 ,节省了大量人力和财力 , 尤其是对大型项目和频繁的重新布置 。
2 设施布置设计的现状
近年来 ,由于当今世界正从工业化社会向信
[ 收稿日期 ] 2000 - 06 - 28 [ 作者简介 ] 刘正刚 (1976 - ) ,男 ,江苏镇江人 ,江苏理工大学硕士生 1
2001 年第 1 期 刘正刚等 设施布置设计的回顾 、现状与展望
75
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 。 211 系统布置设计( SL P) 发展为战略设施规划
(Multi2criteria/ Multi - objective , Robust , and Flexible Layout Model)
第 特定情 三 形模 类 型[5]
(a) 流 线 、行 列 及 环 行 布 置 模 型 ( Flow - lines , Row , and Loop Layout Model)
(2) 传统的系统布置设计技术不太适合企业流 程再造 (BPR) 。企业为适应市场变化 ,需进行企业 流程再造。这一浪潮的核心就是流程再造 :即聚焦 于核心增值流程 ,恰当地把弱势业务向外分包 。[2] 在现代制造企业中 ,产品物流密度占整个物流的比 例越来越小 ,主要物流趋向于象堆垛和包装这类的 事情 。当物料搬运系统含有大量的回收车 、容器和 堆垛机时 ,非产品物流 (次流) 和产品物流 (主流) 的 分离导致两张不同的轮廓图 ,而含有所有设施的 SL P 方法会导致变形的轮廓图 。[3]
(3) 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 最终提供给决策者的方案较少 ,可供决策者选择 的余地太小 ,很难形成优秀的 、令人满意的方案 。
有鉴于此 ,威廉·温拿等工厂设计师们在实践 中不断对其进行发展和完善 ,并于 90 年代提出了 新的战略设施规划 ( SFP : St rategic facilities plan2 ning) 。其发展主要有两点 :
[ 关键词 ] 设施布置 ( FL ) ;系统布置设计 ( SL P) ;计算机辅助设施布置 ( CAL ) ;战略设施规划 ( SFP) ; 设施布置模型 ; 设施布置算法
[ 中图分类号 ] TH181 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1008 - 1917 (2001) 01 - 0074 - 05
表 1 设施布置分类模型[4 、5 ]
(a) 二次分派模型
(quadratic assignment problem - QAP model)
第 一 类
理想的 、(b) 二次集合覆盖模型
块状布 置模
(quadratic set covering model) (c) 线性整数规划模型
型 [4 ,5 ]
76
江苏理工大学学报 (社会科学版) 200113
难 ,于是人们又针对特定类型制造系统不断开发 更具体 、实用的第三类模型 ,这一方面的文献数量 很多 ,可参看参考文献[ 5 ] 。 21212 计算机辅助设施布置算法
最初的计算机辅助设施布置软件 (如 CORE2 LAP 和 CRAF T) 所用算法主 要 为 新 建 法 ( Con2 st ruction met hods) 和改进法 ( Improvement met h2 ods) 等传统启发式算法 。[1 ] 这些算法的主要缺陷 是在达到满意方案前的选择过程中未充分考虑其 他的方案 ,并且它们对初始布置敏感 ,导致最终布 置未必好 。[14 ] 近十几年来 ,人工智能技术的发展 为设施布置提供了功能强大的新算法 。
3 设施布置设计的趋势及其需要解 决的问题
311 设施布置设计的总趋势 缪瑟的系统布置设计 ( SL P) 逻辑严密 、条理
清晰 、考虑比较完善 。因此 ,先前的新建生产 (服 务) 系统中最具代表性的 CORELAP 程序就是将 SL P 融入计算机辅助设施布置方法 ( CAL ) 中 ,只 是当时的集成比较简单 。现在 ,温拿的战略设施 规划 ( SFP) 在发展 SL P 的基础上将其自身更紧密 地集成于 CAL 中 ,这也表明了在设施布置项目向 大型化 、复杂化方向发展的今天 ,考虑到时效性 , 计算机辅助设施布置方法已逐渐成为设施布置设 计的主流 。在此领域 ,虽然人们作了众多的探索 ,
2001 年第 1 期
江 苏 理 工 大 学 学 报 (社 会 科 学 版)
设施布置设计的回顾 、现状与展望
200113
刘正刚1 , 姚冠新2
(1. 江苏理工大学工商管理学院 ,江苏 镇江 212013 ;2. 江苏理工大学研究生部 ,江苏 镇江 212013)
[摘 要 ] 回顾了设施布置设计的历史 ,在制造业生产方式发生变革的今天 ,着重分析了传统 的布置设计中存在的问题 。在此基础上 ,结合近几年来该领域内的研究 ,对未来发展趋势作出 了展望 ,并指出了其中迫切需要解决的关键问题 。
当今世界正从工业化社会向信息社会飞速发 展 ,这一伟大变革在各个方面都产生了极其深远的 影响。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) 及敏捷制造方式演变 。生产方式的 转变必然促进设施布置设计的研究与发展 。
1 设施布置设计的回顾