车间布局设计是制造系统规划中的重要一环,其结果对生产系统运行过程中的物料搬运费用、搬运效率,乃至系统的实际产能、生产效率等均有重大影响。尽管车间布局设计研究一直方兴未艾,但由于问题的NP-难属性及实际布局问题的多样性,这些研究还远不能说充分、彻底;而随着制造理念和制造模式的发展变化,现有的大量设计模型及求解算法也已经越来越难以适应现代制造车间布局设计的需要。本文针对现代制造车间的特点,全面考察了车间布局从总体规划到详细设计各个阶段所面临的关键设计问题及要素,并就其优化建模、模型求解算法,以及可视化辅助设计等方面分别进行了研究。首先,针对传统布局设计采用分步、孤立的设计模式易导致系统最终设计结果偏离全局最优解的缺点,基于并行设计思想提出了一种可操作的、集成化的车间布局设计框架。按照这一框架,设计过程中相互影响较大、耦合关系较紧密的环节被作为一个整体加以考虑,避免问题解空间因为解耦而遭受损失,从方法上保证了优化设计的整体质量,为后续研究打下了基础。其次,从物流成本的角度研究了产品设计/工艺规划、制造单元分组,以及单元布局设计三者之间的内在联系,提出了考虑产品多工艺路线的单元构建与设备布局的集成设计方法和设计模型,克服了分步优化方法易陷入局部最优解的缺点。模型将单元构建个数作为决策结果自然输出,避免了在设计前预先分配的困难。利用遗传算法(GA)的快速搜索特性,研究设计了模型的求解算法。与同类算法相比,本文所提出的算法基于一维编码结构,降低了遗传操作设计的复杂度;进化过程中不产生非法个体,免去了修正算子的设计步骤。利用文献中的典型算例进行测试和对比,结果表明本文所提出的方法能更加有效地降低全局物流成本,充分说明了该方法的有效性与实用性。对于单元系统布局问题,本文提出了基于割树结构的单元系统布局模型,克服了传统方块布局模型难以满足单元形状约束和物料装卸点位置等约束的缺点。针对以往研究中普遍存在的损害解空间、需要修复操作以保证解的合法性等局限,基于二叉树顺序等价字符串的表达形式提出了一种新的统一字符集编码/解码方法,解决了割树与编码的相互映射问题。运用该编码技术,设计开发了一个基于遗传算法和模拟退火算法(SA)的混合智能优化算法,并以相关实验验证了该算法的有效性,取得了满意的效果。由于目前大量设施布局方法均基于各类平面分割法,但此类方法无法生成非切割形式的拓扑结构,故易造成潜在更优解的丧失。另一方面,在以往的研究中,单元系统布局与物流网络的设计一般分开、独立地进行,无法保证设计结果的整体最优性。为此,本文以最小化物流成本为目标,提出了二者的集成设计方法,并建立了相应的数学模型。该模型考虑了车间、单元边界对物流路径的约束,较好地解决了连续平面环境下非自由型物流网络建模困难的问题。将次序对技术引入到模型的求解中,提出了一种允许单元布置在连续平面任意位置的单元系统布局生成算法。实验证明,经过简单扩充,该算法对车间中存在禁止布局区域的情形也具有相当的适应能力。最后运用模型的分解技术,提出了层次化的总体优化求解算法,并通过实例说明了算法的有效性。在布局的详细设计阶段,由于设计任务的繁杂性,难以借助精确的数学模型进行求解。为此,研究了增强现实(AR)技术用于可视化布局设计的巨大优势及其可行性,提出了一种易于实现和扩展的基于AR的可视化布局设计框架,并就其中两大关键模块的设计进行了详细论述。以ARToolKit、OpenGL,以及MFC为基本开发工具,实现了一个桌面式可视化布局设计原型系统,并结合相关实例介绍了该系统的使用特点。最后,运用VC++为平台,开发了车间集成布局设计原型系统,并给出了相关运行实例。