动态吸引子算法用于钢结构企业现场布局

韦刚 WEI Gang

（上海同济建设有限公司，上海 200092）

摘要： 本文针对钢结构加工制造企业现场布局难度大，场地利用效率不高，影响加工制造进度等存在的问题，首先采集现状信息，在工艺分析和物流分析的基础上，引入动态吸引子算法对现场进行动态布局设计，合理将各个阶段需要布置的物件进行了安排布局，证明了采用该算法求解物体布局是一种行之有效的理论方法，而且该算法在各类工程中求解布局问题具有较高的实用价值，便于推广和应用。

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关键词 ： 动态吸引子算法；钢结构；现场布局

中图分类号：F426.31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0150-03

作者简介：韦刚（1979-），男，上海人，硕士，工程师，研究方向为施工企业管理。

0 引言

目前，国内钢结构加工制造行业由于技术含量低，产业低端，竞争日趋激烈，市场上出现了越来越多的相似产品，使得产品的更新换代速度变得越来越快，并且顾客对成品的交货期及产品质量要求也逐渐增高。因此，钢结构加工制造企业面临严峻的市场考验，要想生存发展，就必须在生产组织、现场布局以及现场管理等多方面狠下功夫。

1 问题的提出

通过深入调研J公司现场布局，发现其在现场布局方面存在以下几个特点：

①钢结构项目生产过程中，通常设备搬运成本没有工件搬运成本高。②钢结构制造与传统制造在布局约束方面存在很大区别，两者受工艺影响的情况是不同的，现场面积和项目计划是影响钢结构制造现场布局的主要因素。

本文主要针对J公司单一项目现场布局问题，以JQJ项目为例，采用动态吸引子的方法进行布局。

2 问题的研究

2.1 布局设计 布局设计是指在一个给定的设施范围内，对多个经济活动单元进行位置安排。布局设计最终目标：保证企业的各方面资源得到最科学、最经济、最有效的配置和安排，促进企业利润的最大化。

2.2 动态布局定位 动态布局定位主要针对钢结构制造企业中存在的产品体积部件比设备大得多的情况，在这种情况下，调整产品部件布局成本代价很大，远大于设备布局调整。

2.2.1 布局假设 本文对实际问题进行简化：由于工件的物流成本很高，并且体积也比设备大很多，所以相对工件可以忽略设备的占地面积。

2.2.2 布局思路 结合产品部件的尺寸信息，利用作业距离修正，形成产品部件作业区域，这些作业区域之间没有物流关系，引进动态吸引子，依照一定的定序规则，定置产品部件的作业区域，最大限度地增大现场面积，提高产能。

2.2.3 定序规则 定序规则包括静态和动态两种。动态定序规则需要考虑已布局结果对布局空间及未布局物体集合的影响，并作出相应的布局顺序调整，所以只要进行一个物体的布局操作，就需要对之前操作的布局进行必要调整，按照在布局空间中每个物体的重要程度来确定布局顺序，优先放入比较重要的物体，后放入相对不重要的。

2.2.4 定位规则 在布局空间中每个物体都定序之后，就应该确定在布局空间中每个物体的摆放位置。定位规则就是用来确定待布局物体在布局空间中的具体位置。

2.3 J企业现场布局设计及应用

钢结构企业按厂房面积的大小来描述设计产能，因而厂房利用率则是决定企业产能的重要因素。本节以J企业重钢生产线为例，针对其中“工件体积比设备大得多，且物流成本较大，设备占地面积相对工件可以忽略”这一类制造项目特点，以JQJ桥梁项目为例，用动态吸引子的方法，对该项目的物件进行合理科学布局。

2.3.1 现场诊断

①J公司生产现场情况。生产作业厂房整个空间为物品定置摆放所用，厂房内有用于吊运物件的行车，生产现场不仅要实现定置生产计划内所有物品，而且还需保证生产作业顺利和安全的开展。J公司重钢生产线厂房内尺寸为180m×30m，其中厂房内侧靠立柱有1m宽行人安全通道，生产线平面尺寸为180m×29m，如图1所示。

②需要定置的物品。通过笔者对JQJ项目进行现场调研，获取产品各部件的作业区域所需尺寸如表1 所示。

其中，作业距离修正是指作业区域为了便于生产作业人员方便进行作业，在水平面上产品所占区域的四周往外放的一定作业距离（0.5m）。

物流分析：本文研究的钢结构制造企业厂房内作业区域之间不存在物流关系，在布局时主要考虑产品的流入与流出方便及安全等问题，不考虑作业过程中的非物流关系。

2.3.2 布局设计

①定序原则。本文对钢结构制造企业生产现场的布局主要是按照生产任务、物体面积和可行域递减相结合的定序原则进行排序。本文所研究的JQJ项目，生产任务主要可以分成三个阶段：

第一阶段：主要生产部件JQJ-1，JQJ-2，JQJ-3，JQJ-4，JQJ-5，JQJ-6，JQJ-7，JQJ-8；

第二阶段：主要完成第一阶段的生产任务，并继续生产 JQJ-9，JQJ-10，JQJ-11；

第三阶段：主要完成第二阶段的生产任务，并继续生产 JQJ-12，JQJ-13，JQJ-14，JQJ-15。

②布局图设计。本文主要采用动态吸引子的方法对钢结构制造企业的现场进行布局设计。

根据本研究所涉及问题特点，属于二维矩形结构下的布局问题。故布局过程中所用的定位函数为：

以下我们将根据生产任务所需要的三个阶段为序，分别计算各阶段物体布局：

1）第一阶段。

设定参数并布局。

根据JQJ项目中所涉及物体特性，由于各物体均有四个角，因而在布局函数（1）中，动态吸引子个数为4。参数ω1-ω4以及参数α，β数值的设定是根据现场实际情况经过多次尝试测定而选取。各参数具体数值为：

t=4，ω1=0.3，ω2=0.4，ω3=0.1，ω4=0.2，ω1+ω2+ω3+ω4=1；α1=0.3，β1=0.7，α2=0.2，β2=0.8，α3=0.4，β3=0.6，α4=0.4，β4=0.6。

四个吸引子位置依次为：左上角、左下角、右上角、右下角。将各物体依次放入布局空间，如果放不下，则该物体被舍弃。以下计算过程中，我们以各物体的形心点作为其基点坐标。首先以物体1为例，通过详细计算过程说明动态吸引子布局方法的应用。

2）第二阶段、第三阶段。

与第一阶段相似，第二阶段、第三阶段仍然采用吸引子算法对物体进行布局。根据第二阶段工艺安排及生产实际，设定参数分别为：

α1=0.4，β1=0.6，α2=0.2，β2=0.8，α3=0.4，β3=0.6，α4=0.5，β4=0.5。

其余参数设置与第一阶段一致，由于物体1和物体2 的布局已经在第一阶段完成，且已吊离车间，物体9按照类似计算方法，得到其物体9摆放形心坐标为（18.125，4）。

第三阶段与前两个阶段的布局方法相同，根据本阶段工艺要求，设定参数分别为：

α1=0.5，β1=0.5，α2=0.2，β2=0.8，α3=0.5，β3=0.5，α4=0.4，β4=0.6。

其余参数设置与前两个阶段一致，由于第二阶段的物体还未吊离车间，按照类似计算方法，依次得到第三阶段物体12至物体15的布局分布结果。

其物体9至物体15的坐标分别为（18.125，4）；（168.875，7.75）；（169.25，21.435）；（41.625，4.75）；（53.375，

4.75）；（65.125，4.75）；（130.75，23.25）。

3 应用成效

本文针对J公司在生产阶段所面临的物体布局问题，结合现场实际情况及经验，采用动态吸引子算法，根据工艺安排分三阶段对物体布局进行研究，合理的将三个阶段需要布置的物件进行了安排布局，证明了采用该算法求解物体布局是一种行之有效的理论方法，而且该算法在各类工程中求解布局问题具有较高的实用价值，便于推广和应用。但在物件繁多的情况下，布局问题显得非常复杂，参数难以确定，很多时候在实际经验不是很丰富的情况下，需要对物体进行大量的移动、旋转，干涉检验等操作，此时，运用动态布局算法就具有一定的局限性。因此，该方法还需进一步的深入研究，以得到更好的布局结果和实践应用。

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