现任香港大学副校长，物流与供应链管理讲座教授，美国加州大学伯克利分校校长教授（Chancellor's Professor）工业工程与运筹学系终身教授、土木与环境工程系终身教授，清华大学工业工程系卓越访问教授、清华-伯克利深圳学院环境科学与新能源技术研究中心主任，生产与运营管理学会当选主席（POMS President-Elect），美国运筹学与管理科学学会会士（INFORMS Fellow）。曾任美国运筹学与管理科学学会选址分析分会主席 ( the Society of Locational Analysis of INFORMS)，美国加州大学伯克利分校工业工程与运筹学系系主任，清华大学工业工程系系主任，清华大学机械工程学院副院长。主要研究领域为集成供应链设计和管理及数据驱动决策。

第1章 生产线布局设计与重构

_x000c_在制造企业生产制造的过程中，生产线布局设计的优劣，决定了企业能否有效地控制并降低制造成本，并在全球化的市场竞争中取得先位优势。一个好的生产线布局设计，不仅能够提高生产车间的空间利用率，大幅降低所占用的土地面积，尽可能节省土建成本，而且能够显著降低生产车间内部各制造单元之间的物流成本，并保持物料搬运的流畅性、 包容性和稳定性。更为重要的是，生产制造的其他方面，如工艺流程、 生产调度、 物流调度等内容，均与生产线布局设计密不可分，甚至要在生产线布局设计工作的基础之上进行推进。因此，生产线布局设计是制造企业必须关心的重点工作。

然而，生产制造系统和生产制造过程并非一成不变的。同时，这也意味着一种生产线布局设计并不总是好的，面对不同的生产条件与情况，需要使用不同的生产线布局设计方案来与之匹配。随着制造企业技术水平、机器设备不断更迭，战略定位、产品线结构不断调整，所生产的产品不断更新换代，制造企业往往需要对生产线布局进行重构，来满足当前生产状态下对生产线布局的要求。

本质上，可以将生产线布局重构认为是制造企业再重新进行一次生产线布局设计。随着工业４.０、物联网、数字孪生、工业大数据处理与分析等技术不断赋能制造企业，在生产线布局设计与重构问题中，我们所能处理的问题变得更加动态化、实时化、精细化、复杂化。在求解方面，利用 目前不断提升的运算能力，我们能够解决许多过去几十年无法解决的生产线布局设计与重构问题。

生产线布局设计与重构问题是生产管理和工业工程中最重要的经典问题之一，在近几十年来引起了许多研究者的关注。尽管这一问题意义重大，但对该问题许多方面的研究仍处于初始阶段，在应用层面仍需要进一步的提高。因此，制造企业需要从多个维度来研究生产线布局设计与重构问题，以促进其指导实际生产制造系统的构建。在本章中，我们根据对众多文献的参考，对有关生产线布局设计与重构的各种问题进行全面和广泛的探讨，这有助于了解这一领域的研究现状，并丰富这项跨学科研究的知识库。读者可以参考本章讨论的结果来展开他们在本领域的工作。

１.１ 生产线布局设计与重构问题介绍

１.１.１ 问题定义

生产线布局设计与重构问题的定义是，在当前的约束条件下、 当前的 生产场景中，在生产线所在的生产车间场地上，对其所包含的所有制造单元的位置进行调整，找到最有效的布置，来满足一个或多个优化目标。有效的生产线布局设计与重构可以提高吞吐量、 整体生产率和效率。反之，糟糕的生产线布局会导致在制品和制造提前期增加。

评价生产线布局设计与重构方案优劣的最重要指标是物料搬运成本。由于制造公司总运营成本的２０％ ~５０％和产品制造总成本的１５％ ~７０％都归因于物料搬运成本，因此，如果能有效地对生产线布局进行规划，针对不同的生产条件，分别采用最适合的生产线布局，公司可以提高生产力，并将这些成本降低至少１０％ ~ ３０％。相反。不适配的生产线布局可能会增加高达３０％的物料搬运成本。此外，有些研究工作指出，应用错误的布局和 位置设计可能会损失超过３５％的系统效率。因此，生产线布局设计与重构问题是生产管理和工业工程文献中最重要的问题之一；在智能制造的大背景下，更是吸引了静态和动态布局领域的许多研究人员的关注。

当生产线制造单元之间的物料流动强度不随时间变化时，该问题被称为静态生产线布局设计与重构问题（Ｓｔａｔｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｌａｙｏｕｔ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒｉｎｇ Ｐｒｏｂｌｅｍ，ＳＰＬＬＲＰ），最简单的形式是，它可以被表述为二次型－分配问题（Ｑｕａｄｒａｔｉｃ Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｂｌｅｍ，ＱＡＰ），在二次型－分配问题的最基本范式中，所有制造单元都有相同的面积，生产车间场地被划分为Ｎ个大小相等的位置，其中每个制造单元被分配到一个位置上，反之亦然。因此，静态生产线布局问题本质上是把制造单元映射到位置，同时最小化每对制造单元之间的物料搬运成本之总和。

在长期规划期内，制造单元之间的物料流动强度不太可能保持不变。比如，当公司有新产品需要进行生产时，势必会导致生产条件发生变化。那么，当前生产线布局未必是最合适的，甚至可能会带来利润上的显著损失。因此，许多公司都会定期对其生产线布局进行一次重大重构。导致制造单元间物流流动强度发生变化的因素有下列五项: ①更短的产品生命周 期；②现有产品的设计变更；③增加或删除产品；④生产数量和相关生产调度的变化；⑤现有生产设备的更换。

基于上述五项因素，当制造单元之间的物料流动强度在规划期内发生变化时，静态生产线布局问题成为一个动态生产线布局设计与重构问题 （Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｌａｙｏｕｔ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒｉｎｇ Ｐｒｏｂｌｅｍ ＤＰＬＬＲＰ）。这种问题中，我们可以假设已经预测了每个周期的物料流动强度数据，并在整个周期内保持不变。通常，动态生产线布局问题包括为每个周期选择生产线 静态布局，并决定是否在下一个周期将当前生产线布局更改为另一个布局。这类问题的目标通常是，在规划期的范围内，确定不同时段的生产线布局方案和重构时刻，以使物料搬运成本和连续时间内重新安排制造单元的成本之和最小化。

第１章 生产线布局设计与重构

1.1生产线布局设计与重构问题介绍

1.1.1问题定义

1.1.2概念及术语

1.1.3问题特性概览

1.1.4典型问题分类

1.2生产线布局设计与重构优化模型的建立与求解方法

1.2.1问题表示形式

1.2.2目标函数

1.2.3数据类型

1.2.4建模方式

1.2.5约束

1.2.6求解方法

1.3当前趋势和未来研究与应用方向

1.4典型案例: 多生产车间制造单元布局重构问题

1.4.1问题描述

1.4.2数学模型

1.4.3求解方法

1.4.4结论

第２章 生产调度重构

2.1调度重构概述

2.1.1概念及术语

2.1.2理论问题和现实问题

2.1.3突发事件

2.1.4性能指标

2.2车间层级重构

2.2.1预测响应式调度

2.2.2完全响应式调度

2.2.3鲁棒预响应调度

2.3系统层级重构

2.3.1自主体系结构

2.3.2中介体系结构

２.4案例: 多智能体调度系统

2.4.1问题描述

2.4.2问题建模

2.4.3指标估计

2.4.4方法介绍

2.4.5动态调度单元中的多智能体系统

2.4.6流程介绍

第３章 仓储管理重构

3.1背景描述

3.2仓储管理中的典型问题

3.1.1库存补货问题

3.1.2仓库布局与订单拣选

3.3单个仓库的仓储管理重构

3.3.1需求更新下的贝叶斯库存重构

3.3.2新型仓库的布局重构

3.4多仓库或无仓库的仓储管理重构

3.4.1多级仓库网络的库存重构

3.4.2共享单车的库存重构

第４章 物流系统重构

4.1制造系统物流问题综述

4.2制造系统应用ＡＧＶ提升效率

4.2.1系统的设计

4.2.2自动导引车的调度

4.2.3的路由和调度

4.2.4用于吞吐量计算的分析模型

4.3联合生产和配送问题

4.3.1背景介绍

4.3.2问题定义与分类

4.3.3案例一: ＤＷＣ 公司的联合生产调度和配送问题

4.3.4案例二: 增材制造中的同时生产与运输问题

第５章 重构中的联合优化 

5.1工艺流程与产线布局的联合优化 

5.1.1问题介绍 

5.1.2案例: 多工艺路线与车间布局联合优化 

5.2工艺流程与生产排程的联合优化 

5.2.1问题介绍 

5.2.2IPPS问题的求解策略 

5.2.3IPPS联合优化模型 

5.2.4IPPS问题的求解算法 

5.2.5案例: 大型灵活工作车间的综合流程和排程调度

5.3产线布局与生产排程的联合优化

5.3.1问题介绍

5.3.2案例: 基于ＰｅｔｒｉＮｅｔ的动态设施布局与生产排程的联合优化

5.4产线布局与物流调度的联合优化

5.4.1问题介绍

5.4.2案例: 设施布局和材料处理网络设计的联合优化

5.5生产与物流调度的联合优化

5.5.1问题介绍

5.5.2案例: 综合生产调度和车辆调度问题的总体协调问题

5.6仓储库存与物流运输的联合优化

5.6.1基础的ＩＲＰ问题

5.6.2随机ＩＲＰ问题

5.6.3动态随机ＩＲＰ问题

5.6.4案例: 有缺货的随机库存路由问题

5.7其他的联合优化问题

5.7.1生产、 维护、 库存和质量控制之间的联合优化

5.7.2设计、 控制和调度的联合优化

5.7.3装配、 库存和运输的联合优化

总 结