概念设计由德国学者 Palh 和 Beitz提出，他们认为概念设计是在确定设计任务后，通过抽象的方法，拟定出产品的功能，并寻找实现该功能的原理和结构。产品设计学认为：概念设计即利用设计概念并以其为主线贯穿整个设计过程的设计活动。在概念设计阶段，每一个方案都是问题识别、解答和选择的过程，这一过程也是设计概念形成的过程，设计概念可看作设计方案的“灵魂”。工厂布局设计的主要任务是合理规划生产设施、辅助设施和办公设施等，从而使工厂的物料、人员、能量和信息等合理流动。工厂布局设计可分为概念设计、基础设计、关键设计和施工图设计 4 个阶段。在当前工厂布局设计中，许多设计者主要基于经验或照搬成功企业的布局形态构建布局方案，缺乏概念设计意识，导致布局“形似而神不似”，无法达到预期的设计效果。然而，概念设计只需花费整个设计过程5% 的预算和 15% 的设计时间，却决定了 80% 的收益。如果工厂布局的前期规划不当，将会造成资源浪费、安全隐患以及物流不畅等问题，在运营阶段需要付出巨大的代价进行改善以降低运营成本提高效率。

针对传统布局设计方法缺乏概念设计阶段的问题，本文将工厂视为广义的产品，引入产品概念设计方法。但是，如表 1 所示，工厂具有其特殊性，不能照搬产品的概念设计模型和方法。因此，本文结合工厂特性，提出了一套系统完整的、设计概念贯穿整个设计过程的工厂布局概念设计框架和方法体系。

表 1 产品设计与工厂设计的比较

1 概念设计

“设计”的主流解释是为某事出谋划策，建立和确定以前尚未解决问题的相关结构和方案，或采用新方案处理以前解决过的问题。“概念”可以理解为人们结合实践经验对事物本质属性的概括。设计概念是设计师赋予设计对象的“灵魂”，用于定义设计方案的基调而不是表征具体的结构，整个设计过程将围绕设计概念，也就是问题的解决过程展开。即使生产相同产品的工厂，设计概念不同，其布局方式也千差万别。概念设计处于整个设计过程的初始阶段，是一个问题求解的过程，以设计概念为主线、以功能实现和性能优化为目的，输出概念方案。设计概念和概念方案是完全不同的两个概念，设计概念是一种指导概念设计过程的理念，通常用一段简短的文字表达，而概念方案是一种概念结构，用草图或模型表达。

概念设计具有层次性、多样性和创新性等特点。层次性体现在设计过程涉及多个层次，由粗到精，逐渐递推，例如，在布局时依次完成工厂的总平面布局、车间布局和生产线布局等；多样性体现在根据不同的设计概念可设计出各种形态的工厂布局方案，即使同一种设计概念，也会生成各种不同的概念方案；创新性旨在打破思维定势，并构思未来工厂的演化趋势。

2 工厂布局的概念设计框架

霍尔三维结构为解决大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法，本文引入霍尔三维结构创建工厂布局的概念设计框架(见图 1)，分别从时间维、逻辑维和方法维讨论工厂布局的概念设计过程，为设计师提供一种在设计概念的指导下划分并布局作业单位、形成概念方案的设计框架。在逻辑维使用 IDEF0 图 (见图 1b) 来体现概念设计步骤的层次性和相关性。A0 层表示概念设计的总任务是输入相关信息，输出布局概念方案。A0 层进一步分解为生成设计概念和在设计概念指导下构建方案。A1 层又细分为识别顾客需求、定义关键问题、生成设计概念 3 个步骤；A2 层进一步细分为划分作业单元和构建概念方案两个步骤。值得注意的是，A2 层是在 A1 层设计概念的指导下进行的。时间维用于表征概念设计各阶段的时间占比及其产物。方法维则列举了与概念设计每个步骤相适应的典型设计方法供设计选择，例如识别顾客需求可以采用中心小组法和调研法等(见图 1c)。

图 1 工厂布局的概念设计框架

下面讨论每个步骤的详细内容及所采用的具体方法。

2.1 识别顾客需求

对于工厂而言，内部顾客需求主要来源于生产和管理部门的相关诉求，例如效率、宜人性和安全性等。外部顾客需求主要来源于营销部门收集到的市场信息，例如产品种类、需求量等。识别顾客需求的方法大致包括走访、调查问卷和中心小组法等。在系统化布置设计方法中，主要收集产品规格、产量、生产工艺、工艺流程和时间信息，侧重于产品特性，致力于满足外部顾客的需求。对于一个工厂而言，只关注产品显然不行，还需要考虑工厂的运营者以及工人等内部顾客的需求。工厂的内部顾客主要集中在业主公司，包括董事会、工艺人员、生产工人以及销售人员等。一般采用中心小组的方式进行信息收集：首先，根据公司组织架构组建专家小组；其次，召开会议，鼓励大家围绕需求踊跃发言；最后，汇总整理，得出典型的顾客需求。

2.2 定义关键问题

顾客需求是一种定性的描述，比较抽象，专业化程度低，难以直接应用。通常采用质量功能展开法将顾客需求转化为定量的工程特征。该方法的核心是质量屋 (见图 2)，主要包含顾客需求 (左墙)、工程特性 (天花板)、相关矩阵 (房间) 和工程特性重要度 (地板) 等几个主要区域。

图 2 顾客需求质量屋

在顾客需求栏填入上一步得到的典型顾客需求，并基于粗糙集理论[18]等确定这些需求的权重。在工程特性栏填写满足顾客需求的工程特性。专家对顾客需求和工程特性的相关性进行评分，一般采用 9，3，1，0 评分法，分别代表强相关、相关、弱相关以及不相关。工程特性重要度的计算公式如式 (1) 所示。

式中，W_i 表示第i个顾客需求的重要度； R_ij表示第i个顾客需求与第j个方案工程特性的相关程度；FI_j表示第j个方案工程特性的重要度。因为在概念设计阶段，尚未形成布局方案，无法进行详细的定量计算，因此只需根据功能特征提出关键问题。

2.3 生成设计概念

生成设计概念是指采用创新思维方法提出解决问题的各种指导思想，并在此基础上提出设计概念。设计概念的产生属于创新设计过程，主要有头脑风暴法、类比法和仿生法等。本文采用头脑风暴法，主要包括组建讨论小组、阐明问题、提出设想和汇总整理 4 个步骤。在生成设计概念后，还需要组织中心小组围绕设计概念进一步讨论，从而确定与设计概念相关的设计原则。

2.4 划分作业单位

一般将布局设计中需要确定位置的最小对象称为作业单位。作业单位在工厂、车间和生产线等不同的维度对应的实体不同，在总平面布局时，作业单位对应车间级，在车间布局设计时，作业单位对应生产线级。基于经验的布局设计，设计者大多根据经验或工艺划分作业单位。

工厂设计主要通过功能—结构映射得到产品的功能载体，常用的方法有功能方法树、公理设计法、功能—行为—结构设计法和创新设计法等。工厂的功能可以看作输入原材料，在能量的驱动、生产信息的控制和必要的人员参与下输出产品，分为主要功能和辅助功能。工厂的主要功能是制造产品，因此，根据产品的工艺程序确定主要功能 (见图 3a)。

图 3 工厂布局的公理设计模型

由于，功能和工艺都采用“动词+名词”的语义形式，因此，可以将工序定义为功能元。在工艺转化为功能的过程中，要根据设计概念对功能进行分解与综合。例如，根据成组原则将工艺和结构相似的零件合并为零件族，零件族采用同一工艺设备，转化为同一功能元。辅助功能支撑主要功能，使工厂的功能更加完善，由顾客需求 (见图 3b) 确定，例如转运物料、为员工提供办公场所等，采用“动词+名词”的形式定义。为了便于分析，可以将功能逐层分解，一直分解到与所在维度对应的功能元，并按层次关系构建功能树。本文采用公理设计法划分作业单位 (见图 3c)，通过“之”字形映射分层次地完成从功能域到结构域的转换。利用公理设计定义工厂功能域和结构域之间的映射关系，如式 (2) ~ (3) 所示。

式中， FR为功能矩阵； DP为作业单元矩阵； A为设计矩阵。

设计矩阵A分为无耦合矩阵、耦合矩阵和准耦合矩阵 3 种形式 (见表 2)，只有无耦合矩阵和准耦合矩阵才能满足独立性，因此，耦合矩阵需要通过解耦运算转化为准耦合矩阵[19]。布局设计过程中的解耦，主要是为了减少某个作业单位位置变更后，对其他作业单位的影响，提高生产效率。耦合性分析还能发现功能高度相关的作业单位，在工厂布局概念设计中，可以将这些作业单位集合为一个作业单位，从而提高工厂的集成性。

表 2 设计矩阵 A 的 3 种形式

公理设计的结果可以通过功能方法树 (见图 3d)的形式呈现，但是功能方法树只是简单地表示了功能的分解与作业单元的划分情况，对功能元之间关系的表征不多。在设计时，通过物质流、能量流和信息流将功能元以串并联的方式联结起来，形成功能关系图 (见图 3e)。值得注意的是，工厂存在着大量的人员流动，为了保证生产安全，需要单独考虑人流，因此，将物质流分为物流和人流。相应地，将作业单位连接起来，形成作业单元关系图(见图 3f)。

表 3 典型的技术系统进化路线

2.5 构建概念方案

作业单元划分是为了进行功能结构映射；构建概念方案则是确定这些作业单元的位置，主要考虑性能。在构建概念方案阶段则需要根据推理逻辑依次构思影响工厂性能的布局原则、总平面布局、车间内物流路线、仓储系统和转运系统 5 大要素的可行解。布局方案的可行解来源于相似工厂的布局形态、工程图纸、设计手册和相关标准等。这些知识仅简单罗列了已有的设计知识，难于按照科技发展的趋势表征工厂的演化形态。因此，本文采用工程系统进化树，表示工厂布局形态的演化规律。尼古拉·什帕科夫斯基[21]将进化路线归类为 10 条典型技术路线 (见表 3)，并通过统一的树状结构表征进化路线及其相互关系。工厂布局的进化树如图 4 所示，进化树的每个分支代表一条进化路线。在进行概念方案构建时，需根据具体的情境，结合顾客需求从进化树中选择合适的工厂布局概念设计方案。

图 4 工厂布局的进化树 (部分)

根据工厂特性选取进化树上的可行解，填写工厂布局概念方案形态学矩阵分析表 (见表 4)，从而形成典型的布局概念方案。根据布局原则对布局形态进行筛选，将最优解设为 10 分，其他可行解与其比较后评分。然后组合可行解，形成多种概念方案的备选方案。最后，汇总评分结果，对概念方案进行排序，选取得分最高的方案。

表 4 概念方案形态学矩阵

3 案例研究

以 Z 消防装备公司生产基地设计项目为例，验证工厂布局概念设计框架的有效性。

步骤 1 识别顾客需求。

Z 公司的组织架构如图 5 所示，内部顾客需求来自生产总监的下属部门和企业领导，外部顾客需求来自营销总监的下属部门。因此，分别从生产部、工艺部、物流部、市场部、销售部和行政部中各选取 2 人与总经理和总监一起召开小组会议。根据会议研讨整理后得到 Z 公司的主要顾客需求为：适应定制生产、适应多品种小批量、投入产出比高、物流顺畅、便于更改布局、空间集约和安全性7 项需求。

图 5 Z 公司的组织架构

步骤 2 定义关键问题。

Z 公司的顾客需求质量屋如图 6 所示，生产成本和产品可变性两项工程特性的重要性评分最高，涉及消除浪费和增强适应性两个问题，其他工程特征大部分可归为这两类问题 (见表 5)。

图 6 Z 公司顾客需求质量屋

表 5 问题定义表

步骤 3 生成设计概念。

组建讨论小组，采用头脑风暴法构思解决关键问题的概念设想。接下来，汇总这些设想，提出精益工厂和柔性工厂两个设计概念，并给出相应的布局原则 (见表 6)，用于构思和筛选布局概念方案。

表 6 设计概念分析表

步骤 4 划分作业单位。

绘制消防车和高空作业车的生产工艺程序图(见图 7)。根据工艺程序图和步骤 2 得到的顾客需求质量屋，采用公理设计的“之”字映射进行功能分解与综合(见表7~10)，通过功能方法树表示递推关系(见图8)。在进行功能分析时，结合精益工厂和柔性工厂的相关原则对功能元进行合并，例如根据成组原则将消防车和高空作业车相同工艺所对应的功能进行合并。

图 7 Z 公司典型产品工艺程序图

本文以第 3 层 FR1i-DP1i 映射的推理过程为例，说明公理设计的应用过程。根据两种产品的生产工艺可知，生产设施需要满足下料、生产臂架、生产转台、生产车架、涂装结构件、装配整机、调试整机和存放整机等子功能，并构思实现这些功能的作业单位。从表 8 可以看出各个子功能与作业单位一一对应。由以上分析得出式 (4)，可以看出设计矩阵是非耦合矩阵，满足独立公理。

表 7 第 1 层：FR0-DP0 映射

表 8 第 2 层：FR2i-DP2i 基础映射

表 9 第 3 层：FR1i-DP1i 映射

表 10 第 3 层：FR2i-DP2i 映射

在得到功能元及其对应作业单元后，绘制功能树 (见图 8)，由功能方法树分析得出的作业单元分别为下料区、臂架生产线、车架生产线、转台生产线、涂装线、装配线、调试场、停车场、能源系统、转运系统、办公中心和生活中心；根据工艺程序通过物料流、能量流、信息流和人员流将功能元关联起来，构成作业单位关系图 (见图 9)。

图 8 Z 公司布局设计的功能方法树

图 9 Z 公司的作业单位关系图

步骤 5 构建概念方案。

表 11 工厂布局概念方案评选

结合 Z 公司的特性，从进化树中选取可行概念解填写表 11。根据布局原则对布局概念方案进行筛选，将最优解评为 10 分，其他概念解与其比较后评分，评分结果填写在表 11 中相应的【】内。例如线边仓库更符合减少库存原则、最短距离原则、灵活机动原则，评分为 10 分，而独立仓库评分为6 分。最终，求得各个方案的性能因素评分与权重的加权乘积和，并根据结果对布局概念方案进行排序。由于受具体情境和技术限制，在构建工厂布局的概念设计方案时，有时难以使各个性能因素同时达到最优。因此，在最优方案中部分满足性能指标的子方案可能为次优解。

图 10 Z 工厂布局最优概念方案

如图 10 所示，方案 2 得分最高，为最优方案。为了实现柔性生产方式，采用成组原则设置生产线，将生产车间集成为联合厂房，从而缩短运输距离，为了防止结构件加工区和装配区的相互干扰，在两个区域之间设置隔离墙。此外，为了缩短人员行走距离将联合厂房与办公生活中心集成到同一建筑内，在交界处设置门禁，防止外来人员进入生产区。在联合厂房内，根据物流顺畅原则，采用环形物流路线，减少路线折弯数。根据物流路线和工艺路线选择，采用直线型生产线布局。为了实现安全满意原则，将物流和人流分开，规划不同的行走路线，设置人行道。结合利用立体空间的原则，采用积放链、板式链等立体转运方式进行物料搬运。然而，在仓储方式选择时，尽管采用线边库能够提高物料的可获取性，由于物料规格和工厂空间面积限制，部分工位线旁无法放置相应的物料，因此只能设置独立仓库。在确定工厂的概念设计方案后，经过后续的基础设计、关键设计和施工图设计，应用于生产车间，取得了良好的效果，实践验证了该方法的有效性和可行性。例如，部署新方案后，与该厂原有车间相比，物流成本降低了 10%，工人满意度提高了 36%，而且库存成本降低 27%。

4 总结

针对传统工厂布局形态构建过程缺少概念设计的问题，本文提出了一种工厂布局的概念设计框架，主要研究内容和结论如下。

1) 结合工厂特性提出一种工厂布局的概念设计框架，弥补了传统布局设计方法缺乏概念设计阶段的缺陷。

2) 构建了基于质量功能展开与公理化设计法相结合的作业单元划分方法，解决了凭借经验划分作业单元，缺少系统化方法的问题。

3) 引入工程系统进化理论，探讨了工厂布局方式的进化规律，并通过形态学矩阵筛选最优布局概念方案。

4) 指出了利用经验法或标杆法进行布局设计的不足，提出依据设计概念构建概念方案的工厂布局概念设计框架。这一设计框架可以广泛应用在布局设计的各个层面，如宏观布局、中观生产线设计和微观工作站设计等。

原文刊载于《工业工程》2025年4月 作者：孔繁森 卢振林 孔亮