鎖小紅

SUO Xiao-hong

（中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京 100048）

設(shè)施布局形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

Research on topological structures of facility layout

鎖小紅

SUO Xiao-hong

（中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院，北京 100048）

借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和制造系統(tǒng)的物料流動(dòng)形式，確定制造系統(tǒng)的設(shè)施布局形式，并利用拓?fù)鋵W(xué)中圖形的拓?fù)湫再|(zhì)，對設(shè)施布局形式進(jìn)行修正，建立制造系統(tǒng)設(shè)施布局的創(chuàng)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式：單行與雙行總線型、網(wǎng)型、環(huán)型、星型與樹型。

布局形式；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；物料流動(dòng)形式

0 引言

制造系統(tǒng)設(shè)施布局設(shè)計(jì)需要解決兩個(gè)問題：一是確定布局形式；二是確定設(shè)施位置。產(chǎn)品的種類和數(shù)量、加工路徑、設(shè)備和車間空間位置等是制造系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容。它們所對應(yīng)的實(shí)體和活動(dòng)影響著布局分布，這些實(shí)體和活動(dòng)之間的不同排列構(gòu)成了不同的布局形式。設(shè)施布局形式受到多方面因素影響，同樣，制造系統(tǒng)的各項(xiàng)性能也受到設(shè)施布局形式的影響。因此，根據(jù)具體加工任務(wù)為制造系統(tǒng)確定合適的設(shè)施布局形式，是制造系統(tǒng)設(shè)施布局設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。

1 設(shè)施布局設(shè)計(jì)形式的分類

圖1 設(shè)備布局的基本形式

圖2 宏觀角度上考慮的設(shè)備布局形式

制造系統(tǒng)中的設(shè)施布局根據(jù)產(chǎn)品加工要求和生產(chǎn)現(xiàn)場情況可有多種布局形式供選擇。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，存在不同的布局形式，常見的設(shè)施布局形式[1,12]如圖1和圖2所示。

依據(jù)物流路徑形式，設(shè)施布局主要有單行布局、多行布局和環(huán)型布局三種（如圖1(a)、(b)、(c)），單行布局又可以分為線型單行、U型單行和半圓型單行三種。

基于設(shè)備位置之間的關(guān)系，布局形式分為基本布局和單元布局。其中，基本布局又細(xì)分為產(chǎn) 品布局、工藝布局、固定位置布局和混合布局。

按照約束存在與否劃分，布局形式分為無性能約束布局和性能約束布局兩種。

按照設(shè)備排列、物流路徑劃分，布局形式分為線形布局和網(wǎng)狀布局兩種，而線形布局分為環(huán)型、U型、直線型和蛇型四種。

2 制造系統(tǒng)的物料流動(dòng)形式

無論是工廠的總平面布局、車間布局，或者制造單元布局，都要考慮物料流、信息流和人員流的流動(dòng)形式[13]。出入口位置是制造系統(tǒng)選擇物料流動(dòng)形式時(shí)所考慮的重要因素。因建筑物結(jié)構(gòu)的緣故，出入口通常固定在現(xiàn)有或特定的位置上，使得設(shè)施內(nèi)物料流動(dòng)順應(yīng)這些限制來規(guī)劃其流動(dòng)形式。此外，物料流動(dòng)形式還受到工藝流程、生產(chǎn)線長度、通道的設(shè)置、物料傳輸方式與設(shè)備、儲存要求及發(fā)展需要等因素的影響。

物料的基本流動(dòng)形式有6種[14]：直線型、L型、U型、環(huán)型、S型和W型，如圖3所示。

圖3 物料流動(dòng)形式的基本類型

實(shí)際物料的物流形式常常是由以上的6種基本類型組合而成。新建工廠時(shí)可以根據(jù)工藝流程要求及各作業(yè)單元之間的物流關(guān)系選擇物流模式，進(jìn)而確定建筑物的外形及其尺寸。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)信息流的傳輸，制造系統(tǒng)布局形式實(shí)現(xiàn)物料流、信息流的傳輸，因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為制造系統(tǒng)布局形式的創(chuàng)新提供借鑒。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中必備的圖形用戶界面，通過它可以直觀地掌握網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行情況，即時(shí)了解和定位所出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)故障，方便地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作和配置。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 設(shè)施布局形式的拓?fù)湫再|(zhì)

借鑒物料流動(dòng)形式與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出制造系統(tǒng)的多種布局形式。但這些布局形式有些是重復(fù)的，有些是無效的，為了獲得合理有效的設(shè)施布局形式，引入拓?fù)鋵W(xué)中的同胚性與拓?fù)洳蛔兞繉@些布局形式進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 設(shè)施布局的可能存在形式

圖5 設(shè)施布局的可能存在形式

設(shè)施布局形式總結(jié)如圖5所示。由圖5可知，三欄內(nèi)有些布局形式是重復(fù)的，或者實(shí)質(zhì)相同，如三欄內(nèi)的環(huán)形布局、第一欄與第三欄中的U型布局等等。為了將這三欄內(nèi)的布局形式進(jìn)行統(tǒng)一界定，去掉重復(fù)的，區(qū)分那些形式上相同但實(shí)質(zhì)不同的，本文引入拓?fù)湫再|(zhì)的概念，從拓?fù)鋵W(xué)的角度對圖5中的各種形式進(jìn)行甄別研究。

4.2 基于拓?fù)湫再|(zhì)研究設(shè)施布局形式

4.2.1 拓?fù)渫咝?/p>

通過找出一個(gè)同胚映射——中心投影，拓?fù)鋵W(xué)家已證明，半圓周同胚于線段，直線與任意一個(gè)去掉端點(diǎn)的線段（開線段）同胚[15]。由拓?fù)渥儞Q的概念可知，單行、直線型、S型、L型、U型、W型是拓?fù)涞葍r(jià)的，為了與其它形式進(jìn)行區(qū)分，從拓?fù)鋵W(xué)的角度可將它們統(tǒng)稱為總線型單行形式。

4.2.2 拓?fù)洳蛔兞?/p>

如果兩個(gè)圖形之間存在同胚映射，則這兩個(gè)圖形是同胚的或拓?fù)涞葍r(jià)的。但當(dāng)對于給定的兩個(gè)圖形無法找到它們之間的同胚映射時(shí)，為了證明兩個(gè)圖形不同胚，需要用到圖形的拓?fù)湫再|(zhì)或拓?fù)洳蛔兞?，它們是圖形在同胚映射下不變的性質(zhì)。如果用某種法則，使得對應(yīng)于每一個(gè)圖形有一個(gè)確定的數(shù)（或其他代數(shù)對象的形式）并且對應(yīng)于兩個(gè)同胚的圖形有相等的數(shù)，那么這個(gè)數(shù)就是同胚映射所保持的性質(zhì)，也就是圖形的一個(gè)拓?fù)洳蛔兞?。這時(shí)若能指出給定的兩個(gè)圖形對應(yīng)的數(shù)不同，則它們一定是不同胚的，此方法常用于證明兩個(gè)圖形不同胚，充分體現(xiàn)了拓?fù)洳蛔兞吭谧C明圖形不同胚中的重要作用。

4.2.3 基于拓?fù)湫再|(zhì)的設(shè)施布局形式

若要證明兩個(gè)圖形同胚，需要找出同胚映射，或者借助于橡皮變形能將一個(gè)圖形變成另一個(gè)圖形。若要證明兩個(gè)不同胚，則要借助于拓?fù)洳蛔兞?，只要指出這兩個(gè)圖形有某個(gè)拓?fù)洳蛔兞坎幌嗤瑒t它們一定不同胚。

基于圖形的拓?fù)湫再|(zhì)，可以將圖5中的布局形式進(jìn)行分類。具體步驟如下：

1）根據(jù)拓?fù)湫再|(zhì)的概念確定總線型單行

借助于拓?fù)渥儞Q的概念——橡皮變形可知，單行、直線型、蛇型（S型）、L型、U型、W型是拓?fù)涞葍r(jià)的，本文將其統(tǒng)一稱為總線型單行形式。

2）連通性及連通支的個(gè)數(shù)

從連通支的個(gè)數(shù)上，將網(wǎng)型與其它形式區(qū)分開，將環(huán)型與星型、樹型區(qū)分開。

3）割點(diǎn)及其數(shù)量

從割點(diǎn)存在與否及其數(shù)量來分析，環(huán)型與其它形式不同胚，星型和樹型、總線型單行不同胚。

4）點(diǎn)的指數(shù)

從點(diǎn)的指數(shù)上分析，總線型單行、雙行、環(huán)型、星型、樹型和網(wǎng)型的點(diǎn)的指數(shù)都不同，兩兩都是不同胚的。

5 設(shè)施布局形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

設(shè)施布局的布局形式與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有拓?fù)湎嗨菩?，同時(shí)設(shè)施是沿著物流的流動(dòng)方向放置，因此，可以借鑒網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與物流的流動(dòng)形式，將兩者融合在設(shè)施布局中，經(jīng)過圖形的拓?fù)湫再|(zhì)研究之后得到如下的布局形式：總線型、網(wǎng)型、環(huán)型、樹型和星型。這五類設(shè)施布局形式的詳細(xì)劃分如圖6所示。

總線型布局分為單行總線型和雙行總線型。單行總線型布局又包括線形、U形、L形、半圓形、S形和Z形六種。單行總線型中的線形布局如果沿直線排列兩行設(shè)施，就形成了總線型中的雙行布局。同樣，單行總線型中的其它形式，如U形、L形、半圓形等，都可以雙行排列，如分別對應(yīng)形成U形雙行、L形雙行、半圓形雙行等，本文中僅將線形雙行作為雙行的特例。在單行總線型中，線形布局形式存在“逆回（或返回）”和“旁路”現(xiàn)象?！澳婊亍笔钱?dāng)零件的加工順序與設(shè)備的排列順序方向不同時(shí)所出現(xiàn)的現(xiàn)象；而“旁路”是當(dāng)零件加工跳過某幾臺設(shè)備后其加工順序與設(shè)備的排列順序相同。當(dāng)然，每種布局形式中都可能會出現(xiàn)“逆回”和“旁路”。

圖6 設(shè)施布局的布局形式

網(wǎng)型布局中，若干個(gè)網(wǎng)型相結(jié)合形成單元布局，單個(gè)網(wǎng)型布局可認(rèn)為是單元布局的特例。

設(shè)施布局的布局形式不僅可為機(jī)械制造、倉儲保管、超市服務(wù)等行業(yè)提供布局形式選擇，使其在特定環(huán)境下選擇合理的布局形式，而且，同一布局形式的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因具有相同的拓?fù)湫再|(zhì)，即同一布局形式不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的同一節(jié)點(diǎn)在此種布局形式中具有相同作用，因此，可依據(jù)對同一布局形式不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能分析，快速、方便地調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其在實(shí)現(xiàn)原有功能的基礎(chǔ)上，還能滿足系統(tǒng)的其他要求。

6 結(jié)論

基于制造業(yè)的設(shè)施布局形式，借鑒物料流動(dòng)形式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在拓?fù)鋵W(xué)的指導(dǎo)下研究了制造系統(tǒng)設(shè)施布局的布局形式，建立了制造系統(tǒng)設(shè)施布局的創(chuàng)新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，得到如下創(chuàng)新布局形式：總線型（單行與雙行）、網(wǎng)型、環(huán)型、星型與樹型，這些布局形式可為包括機(jī)械制造在內(nèi)的諸多行業(yè)提供布局形式選擇，同時(shí)，同一布局形式的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可使其在實(shí)現(xiàn)基本功能的前提下，快速調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足其特定需求。

[1] 李志華,鐘毅芳,劉繼紅.制造系統(tǒng)中的單向環(huán)型設(shè)備布局設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(7):818-822.

[2] 龔全勝,李世其.基于遺傳算法的制造系統(tǒng)設(shè)備布局設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004,(26):202-205.

[3] M.Hassan.Machine Layout Problem in Modern Manufacturing Facilities.International Journal of Production Research,1994,32(11):2559-2584.

[4] W.J.Stevenson.Production Operations Management.New York:Von Hoffmann Press,Inc:267-308.

[5] 李郝林,楊敏.基于生物遺傳算法的車間布局優(yōu)化算法[J].江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化,2001,4:35-38.

[6] 周軍.可重組活塞生產(chǎn)線的虛擬仿真設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2004.

[7] 查建中,唐曉君,陸一平.布局及布置設(shè)計(jì)問題求解自動(dòng)化的理論與方法綜述[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2002,14(8):705-712.

[8] 馬玉敏,陳炳森,張為民.基于敏捷制造理念下的車間布局設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2002,(4):41-44.

[9] 程相京.中小型建機(jī)企業(yè)金屬結(jié)構(gòu)車間的工藝布局[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,1996,9(1):13-14.

[10]李廣強(qiáng).布局方案設(shè)計(jì)的若干理論、方法及其應(yīng)用[D].大連:大連理工大學(xué),2003.

[11]曾志斌,李言,李淑娟,等.改進(jìn)遺傳算法及其在車間布局優(yōu)化中的應(yīng)用[J].生產(chǎn)力研究,2005,(2):177-179.

[12]饒運(yùn)清,李培根.制造系統(tǒng)智能布局設(shè)計(jì).機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21(2):295-298.

[13]劉巍,王博.制造物流如何應(yīng)對定制生產(chǎn)模式[J].物流科技,2006,29(125):97-99.

[14]林立千.設(shè)施規(guī)劃與物流中心設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[15]王敬庚.直觀拓?fù)鋄M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2001.

TP391

A

1009-0134(2010)12(上)-0171-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).55

2010-06-20

中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院院級科研項(xiàng)目（09YYA029）

鎖小紅（1979 -），女，河南洛陽人，講師，博士，主要從事數(shù)控加工、生產(chǎn)系統(tǒng)布局、CAD/CAM等方面的研究與教學(xué)。