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基于SLP和关系表技术的矿井地面系统布局设计.pdf
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基于 SLP 和关系表技术的矿井地面系统布
局设计 #
凌宁，樊树海**
（南京工业大学工业工程系）
摘要：为了提高煤矿企业的生产效率，运用缪瑟的系统布置设计方法，对矿井地面系统的作
业单元进行物流和非物流的相互关系进行分析，得出该系统作业单位的综合相关图。根据综
合相关图，运用 Tompkins 的关系表技术对该系统的各作业单位的布局进行设计，最终运用
面积图的知识，结合建筑物的性质和整体外形从而确定最终的系统设施布置图。
关键词：系统布置设计；关系表技术；矿井地面系统；物流图
中图分类号：TH-16
Optimized Layout of Mine Surface System Based on SLP
and Relationship-Table Technology
Ling Ning, Fan Shuhai
(Nanjing Tech University,Department of Industrial Engineering)
Abstract: In order to improve the production efficiency of coal mining enterprises, Using Muther’s
Systematic layout planning (SLP) to analyze the logistics and non logistics relations on operation units
of Mine Surface System, thus getting the comprehensive correlation diagram of the system. According
to the system, designing the layout of each operating unit by Tompkins’ Relationship-Table technology.
Finally using the knowledge of area chart, to determine the systematic layout planning combined with
the nature of the building and the overall shapes.
Key words: Systematic layout planning; Relationship-table technology; Mine surface system;
Logistics chart
0 引言
系统设施布局是企业长期运营效率的重要决策，他将系统中每个部门以及设备等按照系
统中各个单元的物料搬运情况来进行配置。一般企业的物料搬运与布置有关的成本占到企业
总运营成本的 20%-50%，采取有效的系统布置方法能够将此成本降低 30%[1]。长期以来，
煤炭企业管理粗放从而造成了煤炭企业的生产效率低下，物流成本高，安全可靠性差。煤炭
企业由于受到地质等条件的限制，可供改进的范围空间有限，但煤炭企业中矿井地面系统的
空间相对较大[2-4]。合理的矿井地面系统设施布置不仅要将生产车间、仓储部门、辅助部门
等作业单位的相互位置安排好，还要能够优化煤炭企业生产的物料搬运流程以及作业方法
[5]。因此，本文将缪瑟的系统布置设计理论（简称 SLP 法）和 Tompkins 的关系表技术相结
合，从定性和定量的角度对矿井地面系统进行设计，从而降低煤炭企业的物流成本，提高煤
炭企业的整体经济效益。
基金项目：国家自然科学基金（71671089、71171110、71371097）；江苏省创新工程（SJLX16_0285）
作者简介：凌宁（1993-），男，研究生，主要研究方向：工业工程与管理
通信联系人：樊树海（1975—），男，教授、硕导，主要研究方向：工业工程与管理. E-mail:
fanshuhai@tsinghua.org.cn
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1 系统设施布置(SLP)和关系表技术概述
40
45
最开始的设施布置大多数是凭借企业管理者的经验和感觉进行设计，只适用于传统的小
企业，但这种方法很难适用于大而复杂的企业[6]。将理查德·缪瑟提出的系统设施布置和
Tompkins 提出的关系表技术相结合解决系统布置问题，不仅条理逻辑性很强、将物流分析
以及作业单位密切程度分析相结合，同时还能够解决 SLP 需要不断试错、定量性不强的缺
点。该方法的首要工作是对于 SLP 的五大关键要素(P、Q、R、S、T)进行分析，找出各作业
单位之间的物流以及非物流关系，权衡两者并赋予一定的比重画出各作业单位的综合关系图
[7-8]。根据综合关系图运用 Tompkins 的关系表技术转化为作业单位之间的关系工作表，然后
将每个作业单位制作成一个个同样面积大小的方块，进行相应的拼接从而得出几种不同的方
案。对这些方案进行物流流程分析以及好坏评级得出最佳的无面积拼块方案，再考虑面积以
及实际情况的限制进行一定的修正以及调整从而得出最终的布置图，整个流程如图 1 所示：
50
图 1 SLP+关系表技术程序图
2 基于 SLP 和关系表的矿井地面系统分析
2.1 厂区原始资料的收集
A 煤炭企业占地面积 7200m2，其中长 120m，宽为 60m，该厂拥有 300 名职工，在此基
础上对该企业的矿井地面系统进行布置设计，减少物料搬运的浪费，从而使企业的生产成本
55
得到一定程度的降低，为企业创造更多的利益。根据煤炭企业改建目标，我们调查后将该煤
炭厂矿井地面系统的作业单位核定为 14 个工作单位，各工作单位的名称、用途以及所需要
的建筑面积如表 1 所示。
- 2 -
输入原始数据(P,Q,R,S,T)1.物流关系2.作业单位相互关系3.物流-作业单位的相互关系图4.关系工作表5.拟定几种无面积拼块方案11.格子状布置图6.物流流程分析12.修正条件13.实际情况限制14.修正后的平面布置图7.好坏评级8.最佳的无面积拼块方案9.需要的面积10.实际的面积
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序号
作业单位名称
用途
建筑面积（m2）
表 1 作业单位汇总表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
主井
副井
煤仓
矸石山
材料库
选煤厂
机修车间
火药房
锅炉房
变电所
行政办公楼
更衣室
食堂
医务室
煤炭运输提升
1200
下放材料、设备以及排矸
临时贮存煤炭
堆置废料
堆放原材料
选煤和精煤加工
进行日常设备维修
进行岩石掘进工作
供热
供电
办公
员工更换衣服
员工吃饭
提供日常医疗服务
800
800
600
800
400
400
250
150
150
400
250
400
250
60
2.2 利用 SLP 对矿井地面系统布局进行分析
2.2.1 作业单位物流相互关系分析
根据矿井地面系统的生产工艺流程，分析统计物料搬运各作业单位之间的物流总量[9]。
将物流总量从大到小列出，并且把同一作业单位的物流总量进行汇总，然后重新排列各作业
单位对的大小[10]。再按照 SLP 中作业单位对物流强度的划分等级划分为 A、E、I、O、U 五
个等级，表示的物流强度依次降低。表 2 中列出了矿井地面系统中各作业单位对之间的物流
65
强度及等级，将物流强度为 U 的作业对省略。
表 2 物流强度汇总表
作业单位
物流量/万吨
关系等级
作业单位
物流量/万吨
关系等级
1-3
1-4
3-4
2-3
2-4
1-6
2-6
3-6
4-6
280.98
240.87
190.76
167.56
134.45
110.47
97.45
79.32
63.56
A
A
A
E
E
E
E
I
I
4-9
1-9
2-9
4-10
1-10
2-10
1-5
2-5
3-5
57.65
49.49
46.34
38.89
33.45
29.47
10.78
8.49
6.33
I
I
I
O
O
O
O
O
O
根据矿井地面系统中各作业单位对之间的物流强度表，我们可以得到各作业单位之间的
70
物流相关图如图 2 所示。
- 3 -
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图 2 各作业单位物流关系相关图
2.2.2 作业单位非物流相互关系分析
矿井地面系统设施布置不仅要考虑作业单位对之间的物流关系，他们之间的非物流关系
75
也不忽略，非物流关系通过定量的方法不能得到，可以使用定性的方法来求得，可以从以下
几个方面考虑:作业流程的连续程度、生产作业的性质、物料搬运的情况、监督和管理、人
员联系密切程度以及工作环境等[11]。非物流关系的作业单位对之间的密切程度符号和相应
的理由如表 3 和表 4 所示。
80
表 3 作业单位相关等级
关系等级
A
E
I
O
U
X
密切程度
绝对重要
特别重要
重要
一般
不重要
不希望靠近
所占比例(%)
2-5
3-10
5-15
10-25
45-80
0-10
表 4 作业单位相关密集理由
编码
理由
1
2
3
4
5
6
7
8
工作流程的连续性
生产服务
物料搬运
管理方便
安全与污染
共用设备设施
振动
人员联系
根据表 3 和表 4 的信息，结合矿井地面系统的 14 个作业单位的实际工作情况，我们可
以初步确定各工作单位对之间的非物流相关等级，从而可以得到矿井地面系统的非物流关系
- 4 -
主井副井选煤厂矸石山材料库机修车间火药房锅炉房变电所行政办公楼更衣室食堂医务室煤仓UUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUAAOEUUUUUUUUUIIUIUUUUOOUOUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUEAEOUOEIIUUUUU
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图，如图 3 所示。
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85
图 3 各作业单位非物流关系相关图
2.2.3 作业单位综合相互关系分析
结合矿井地面系统的实际生产情况，赋予物流关系以及非物流关系为m：n=1:1 的加权
比值[12]。把物流以及非物流的强度等级进行一定的量化处理，令A=4，E=3.I=2，O=1，U=0，
X=-1；计算出量化后的矿井地面系统作业单位综合相互关系值，假定任意两个作业单位Xi，
90
Xj之间的物流、人流关系为MRij，非物流、人流关系为NRij，根据物流关系和非物流关系的
权值以及量化的数值进行计算得出综合相关值CRij=mMRij+nNRij[13]，最终画出矿井地面系
统的作业单位综合相关图，如下图 4 所示。
图 4 各作业单位综合关系相关图
- 5 -
主井副井选煤厂矸石山材料库机修车间火药房锅炉房变电所行政办公楼更衣室食堂医务室煤仓O/8UUUUUUX/5UUE/8O/8UI/8I/8UUUUUX/5I/2UE/4E/4E/4A/1A/1UUE/2E/2X/5X/5X/5X/5X/5X/5X/5UUUUUUUUO/2O/2O/2UUI/2I/2I/2UUUUUUUI/8O/2O/2UUUUX/5UI/4I/8I/2I/2I/2O/8O/3A/1E/3E/3E/3A/1A/1O/2O/3UI/2I/2I/2U主井副井选煤厂矸石山材料库机修车间火药房锅炉房变电所行政办公楼更衣室食堂医务室煤仓OUUUUUUXUUEOUIIUUUUUXIUEEEAAOEEEUUUUUXXIIUIUUOUOOOOUIIIUUUUUUUIOOUUUUXUIIOOOOEAAEEAAIIUOOIO
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95
2.3 利用关系表分析
2.3.1 Tompkins 关系表技术概述
缪瑟提出的系统设施布置SLP中在进行平面布置时，采用了线形图法来“试错”生成平面
布置图，需要不断试错，定量性不强，比较繁琐，工作量比较多，尤其是作业单位多的时候。
它最大的贡献而Tompkins的关系表技术逻辑条理性强，会大大提高企业平面布置的效率以及
100
准确性，它的主要流程如下:
（1）先将系统布置设计得出的作业单位综合相关图转化为关系工作表；
（2）将所有作业单位做成一个个面积一样大的正方形拼块，进行无面积拼块设计，从
而得到许多拼块图即不同的布置方案；
（3）在拼块图上分析作业流程，分析不同作业单位布置的合理性，得出最佳的布置方
105
案；
（4）将最佳的拼块图方案转变成面积图，从而得出一个格子状的布局图。
2.3.2 关系工作表
关系工作表是综合相关图的进一步总结，在每行以及每列画出一个作业单位，A、E、I、
O、X在每列中分别列出，每一列中有多个作业单元，以逗号隔开。矿井地面系统的关系表
110
如下表 5 所示，最重要的是A、E和X三列。
表 5 关系工作表
作业单位
1 主井
2 副井
3 选煤厂
4 煤仓
5 矸石山
6 材料库
7 机修车间
8 火药房
9 锅炉房
10 变电所
11 行政办公楼
12 更衣室
13 食堂
14 医务室
A
3，4
3,5,6
1,2，4
1,3
2
2
2.3.3 无面积拼块图
E
2，6，7
1，4,7
5
2，5
3，4
1
1，2
13,14
13
11,12
11
I
9,12,13
9,13
6
6，9
3,4，7，10
O
5，10，11
10,11，12
7，10,11，12
6,9
1，7
4
6，10
3,5，9，11
1,2,4，10,12,13
4,7
6，7，9
12
1，9,11
1，2,9
1，2,3,
1，2，3,7
2,3，14
14
12,13
X
8
8
6,7，12,13,14
8
8
8
将 14 个作业单位都制作成一样大小的正方形块，看做无面积拼块。将作业单位的代号
写在每一个正方形块的正中央，具体名字写在数字的上方，将“X=”记在数字的下方：将A、
115
E、I、O四级关系分别布置在方块的四个角上，U级关系对布置图影响不到，所以可以暂时
不用考虑[14]。做成的最终拼块图如图 4 所示（选取 4 个典型的作业单位为例）。
- 6 -
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图 5 各作业单位无面积拼块图
120
将全部拼图拼好后，将这 16 个方块裁剪下来进行安排布置。在布置时，先找出关系中
最重要的，也就是A最多的作业单位，如果A级数量相同，接下来比较E级，把这块置于中央
位置，本题中是方块 2 副井安排在中央，再看此块的左上方以及右上方。然后按照A级关系
要边靠边，满足E级关系的至少角靠角，X级关系既不能靠边同时不能靠角的摆放规则进行
拼图。当完成方块 2 的A级安排，再看E级（I级和O级对安排影响很小，所以在摆放时不考
125
虑），接下来安排新进来的块。按照之前的规则进行类推，直到摆完为止，最终得到以下的
四种方案布置图如图 6。
方案 1 方案 2
130
方案 3 方案 4
图 6 四种方案布置情况
对这 4 种方案，我们进行好坏评级。方法是：如果 A 级的没有靠近，则罚 2 分；X 级
的边靠边也罚 2 分；A 级的只是角靠角，记 1 分；X 级角靠角或者 E 级没有角靠角都罚 2
分，最终可以得出 4 种方案的总得分如表 6 所示。
135
- 7 -
3,4A5,10,112,6,7主井1X=无9,12,13EOI1,2,4A7,10,11,125选煤厂3X=无6EOI2A41材料库6X=81EOI无A1411,12食堂13X=81,2,9EOI8154326791210141113716843251091312141176183245109131211147648523110911121413
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表 6 方案好坏评级表
方案
标准
方案 1
方案 2
方案 3
方案 4
A 级没靠近（罚 2 分）
X 级边靠边（罚 2 分）
A 级只角靠角（得 1 分）
X 级角靠角（罚 1 分）
E 级没有角靠角（罚 1 分）
2 个
0 个
0 个
0 个
6 个
0 个
1 个
1 个
0 个
9 个
4 个
0 个
0 个
0 个
0 个
0 个
1 个
0 个
11 个
10 个
总分
罚 10 分 罚 10 分 罚 19 分
罚 9 分
从四个方案的得分来看，方案 4 较其他 3 个方案好一点，所以接下来选择方案 4 进行面
积图布置。
140
2.4 面积图进行详细布置
该煤炭企业占地面积 7200m2，其中长 120m，宽为 60m，总需求 6850.以 12m×12m为基
本单元格，则总共有 50 个单元格，则每个作业单位需要的面积见表 7。
表 7 各作业单位面积需求
序号
作业单位名称 建筑面积（m2） 单元格数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
主井
副井
选煤厂
煤仓
矸石山
材料库
机修车间
火药房
锅炉房
变电所
行政办公楼
更衣室
食堂
医务室
1200
800
400
800
600
800
400
250
150
150
400
250
400
250
8
6
3
6
4
6
3
2
1
1
3
2
3
2
按照之前方案 4 的拼块图再结合各个作业单位所需要的面积，进行初次布置，可以得到图 5：
145
图 7 格子状的矿井地面系统布置图
- 8 -
8877755551109111111111111112121414131313444444666666222222333
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