生产车间是制造系统的基本组成部分，企业的加工、装配任务都在生产车间完成，实现将原材料转化为产品的功能。车间布局决定了以后车间的物流方向和效率，从结构上限定了车间的生产潜力，因此要构造一个有效车间系统最重要的环节就是车间布局。这样可以消除所有不必要的多余作业活动，减少物料搬运、提高人员和设备利用、降低库存。据国外统计，在制造型企业中，从原材料投入到生产出成品，物料处在加工工位上的时间平均只有5%～10%，其余90%～95%的时间都处在库存、搬运或在生产线上等待状态中，严重影响企业的经济效益的提高，而优良的设施布局能加快物料处理的效率，减少在制品的库存、搬运和等待时间，以减少产品生产周期。制造企业车间内20%～50%的总运营成本是物料搬运成本，而优良的车间布局可以将这些成本至少降低10%～30%，这样能为企业节约大量的生产成本。有效的车间布局还可以使生产所占面积比常规布局减少40%～60%，并有利于生产规模的扩大以及产品的多样化发展。发达国家对工业设施的布置非常重视，据研究，采用有效的设施布局，其制造业的生产率可以比它过去高出近三倍。因此车间布局被认为是加速生产率提高和生产成本降低的决定因素之一。

车间设施布局就是按照一定的原则，在已确定的车间场地内，合理地安排车间内部各类加工设施、辅助服务设施等的具体位置，并对人员及物料的移动路线做最可行的设计，既保证生产活动能有效进行和获得最大的生产经济效益，又为员工提供一个安全、方便、舒适的工作环境。

1.车间布局的目标

车间设施布局是针对车间生产系统进行的全局布局设计，对企业投产后的利润与效益有巨大的影响，设施布局设计总的目标是使人力、财力、物力和人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，即要确保布局设计能以最小的投入获得最大的效益，提高企业竞争力。典型的目标有以下几种：①简化加工过程，缩短生产周期，使生产流程的均衡性好。减少和消除不必要的作业，是提高企业生产率和降低消耗的最有效方法之一。②搬运的最佳化。通常认为搬运是一种不能增加附加价值的操作，实际上有效的搬运对于生产过程非常有利。优化搬运系统，能减少物料的停留、搬运以及暂存，最终达到缩短生产周期，降低生产成本的目的。③对布置变更的应对能力强。市场需求、产品结构以及工艺设施的更新加速，致使生产车间不得不进行相应的调整和扩建，这就需要车间布局具有一定的应变能力。④有效地利用设施、空间和资源。这也是有效降低成本的途径，车间内的休息室、更衣室、工具室等服务设施的位置安排是否得当，会影响雇员的工作效率。良好的布局能充分利用空间，节省能源。⑤力求投资最低，生产的经济性好。产品生产成本是企业竞争力的主要指标，成本低且投入产出比率好，才能使企业获得更大的收益。⑥保护环境，为职员提供方便、舒适、安全和卫生的条件，这样能充分调动职员工作的积极性。

2.车间布局的原则

期望一个设施布局方案在上述每一个目标都超过其他方案显然是不合理的，而且有些目标之间还可能相互冲突，通常只采用一个目标来评价获取的方案优劣性。搬运的最佳化是普遍采用的布局设计目标，即最小化距离与流量的乘积和。为了达到上述目标，车间布局设计应遵循如下原则：①整体综合原则：布局设计时要考虑对设施布置有影响的所有因素，以获得最佳的折中方案。即除了主要的生产设施，还需要给其他组成部分（在制品暂存区、检验实验地、工人工作地、通道、辅助设施等）安排合理的位置。②物料搬运距离最小原则：搬运距离的大小反映了搬运成本的高低及物料流动的通畅程度。以物料搬运距离最小原则选择最佳方案能缩短物料和人员的移动距离，大大地节省了物流时间，降低物流费用。③流动性原则：设施布局应使生产过程中物料的搬运方向符合工艺路线，流动顺畅，力求避免物料搬运路线迂回、交叉等，以消除无谓的停滞，达到生产流程连续化。④空间利用原则：充分有效地利用车间的生产区域或储存区域，使车间布局紧凑，合理规划可使用的面积。⑤生产均衡原则：维持各种设施和工位的均匀生产，必要时设置缓冲区以协调各个工位，减少瓶颈工序。⑥安全满意原则：设施布局应充分考虑物料搬运工具、通道宽窄、车间环境、服务设施等，使生产人员感觉安全、方便和舒适。⑦柔性化原则：车间的设施会随着生产的变化而更新，所以在进行布局设计时，要考虑产品结构、生产规模和工艺条件的变化对车间布置的影响，使布局保持一定灵活性，便于以后的扩展和调整。

3.布局方式

车间中设施的布局直接影响到产品的生产率、质量、成本、安全及生产管理的有效性等。制造业中根据多年的经验，普遍应用四种典型的布置方式，即按工艺布置、按产品布置、按固定工位布置和按成组生产原则布置。

按工艺布置即将相近的工艺归入同一组，如车床组、钻床组和电镀组等，并基于设施间的物流来确定一个工艺设施相对另一个设施的位置，在制造业内广泛用于单件小批量生产方式。按产品布置基于产品及其零部件在生产线上生产工艺过程顺序来布置的，物料一般从一个工作站直接流向下一个邻近的工作站，主要用于较少品种产品的大批量生产。按固定工位布置方式和其他布置方式有所不同，其他布置方式中物料是送到工作站的，而在固定工位布置中，是将工作站送到物料现场的。这类产品很大很重不易移动，如船舶制造、大功率柴油机车和飞机的总装配等。按成组生产原则布置基于成组技术的相似性原则将产品及其零件按产品族来分组的，即使零件不是一模一样的，也可以按相近的加工顺序、形状、材料组成、工具需求、搬运/存储/控制需求等方面来分组。

有些产品的生产似乎都符合这些布置，因此现实情况中经常有几种类型布置的组合。无论采用何种布置方式都应考虑物流、信息、人员的流动模式。影响流动模式的因素包括：出入口、厂址或建筑物的尺寸、生产流程特点和生产线的长度、通道的设置、运输的方式及其机械化程度、储存的要求、发展需求等。由于外部运输条件或者原有布置的限制，需要按照给定的出入口位置来规划流动模式。基本的流动模式有直线形、L形、U形、环形和S形等。合理化的物流路径应避免交叉、迂回，消除流动阻碍。

4.布局问题建模的因素(www.daowen.com)

对车间设施布局问题建模通常需要考虑三方面因素：布局对象，布局优化建模目标和布局约束条件。

第一，布局对象。布局对象包括布局空间和待布局物体。布局空间指用来布置设施的车间空间；待布局物体广义上是指完成车间生产加工过程的全部设施、辅助服务设施、通道等。通常将布局对象抽象为二维矩形，其数量及尺寸都属于已知条件范围。

第二，布局优化建模目标。一般采用最小化物料搬运成本为建模目标。实际上还有相互关系最密切，有效的面积利用，最小化设施投资和最小化生产时间，布局方案的柔性、安全，雇员满意度等其他重要目标，其中有的目标之间会有冲突和矛盾。最常用的有三个目标：一个是最小化物料搬运成本，使流量和距离的乘积和最小；一个是基于相近程度的目标，使相邻值最大，适合于相关图；另一个是使车间面积利用率最大化。

第三，布局约束条件。车间设施布局中的约束表达了车间布局设计的需求。将各设施布置在车间中，除了本身的形状和面积约束，在布局设计过程中还存在其他的约束条件。常见的约束条件包括：①边界约束，即布局空间的约束，就是车间的长度和宽度约束。②间距约束，设施间应保持一定的距离，不能重叠并保证工人方便操作设施。③模式约束，是对布局模式的约束，包括对布局设施的布置顺序、布局设施的数量及组合方式等关系的限定。例如两个设施放入车间的前后顺序必须符合工艺要求就属于这类约束。④位置约束，是对布局设施之间相对位置关系或设施相对于布局空间位置关系的限定。有些笨重的设施或震动的设施尽量布置在底楼地面就属于这类约束。⑤性能约束，如不平衡性、稳定性、振动性、连通性和相邻性等。⑥特定约束，除了设施尺寸方面的约束，在实际生产中还需要根据具体的情况考虑其他一些约束，如布局安全性。

一个布局设计不可能涵盖所有的这些目标和约束，通常解决问题的模型是在约束框架下求得一个主要的目标函数的优化解。

5.车间布局的求解算法

车间布局问题是多目标和多约束的组合优化问题，用单一的数值优化模型很难表达清楚，很多较简单的布局设计问题也往往是NP-hard。早期的方法是采用流程图、工艺过程图以及设施分析人员的经验和知识来确定布局。现代的设施布局问题进行建模后，还要通过算法进行求解。目前，已应用于车间布局问题的求解算法可分为最优算法和次优算法两类。最优算法包括分支定界法和割平面法。次优算法包括传统启发式和元启发式。

最优算法可以保证找到问题的最优解，对于所有规模有限的车间布局问题实例来说，算法都可以在一个与问题有关的运行时间内得到最优解，但问题的规模较大时，在最差的条件下最优算法需要指数级的时间来寻找最优解，且对存储空间要求极高，所以最优算法的性能还是不尽如人意的。

于是研究者开始采用启发式算法，以降低最优值的精度来换取计算效率的提高。启发式方法一般是基于特定的应用领域，根据布局问题在各个应用领域的具体特点，设计出适合于该领域特色的布局求解算法。启发式算法也存在一些缺陷，它们或只生成数量非常有限的不同解，或终止在非常差的局部最优上。即使将算法改进扩展，从新的起始解出发重新运行算法若干次，也没什么明显的改进。

20世纪80年代后开始提出元启发式算法求解布局优化问题。元启发式算法是一种只需要相对较少修改就可以应用于不同优化问题的通用算法框架，同时这类算法具有基于“邻域搜索”的搜索机制而与常规算法不同，所以又称为智能优化算法。主要特点是指导潜在与问题有关的启发式算法朝着可能含有高质量解的搜索空间进行搜索。元启发式算法的世界是丰富而多层次的，在学术界有很多非常成功的元启发式算法的例子，一些最广为人知而且最广泛使用的元启发式算法包括遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法等。元启发式算法在求解很多复杂优化问题时显现出良好的求解特性，因此在车间设施布局规划中被广泛应用。