生产车间物流系统研究与布置设计.docx

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生产车间物流系统研究与布置设计

生产车间物流系统研究与布置设计

来源：

磁铁

第一章绪论

第一节生产车间物流系统分析与布置设计研究的背景和目的近年来,由于当今世界正从工业化社会向信息社会飞速发展,各个方面都发生了极其巨大的变化。

就制造业的生产方式而言,已从大量生产方式向准时制及精益生产方式,并进一步向计算机集成制造（CIMS）及敏捷制造方式迅速演变。

原有的许多程序和方法逐渐显现自身的不足和缺陷。

为适应生产方式的转变，人们对设施布置设计不断进行研究,取得了长足的发展。

另一方面，由于企业资源的紧缺，必须对企业的内部物流进行分析，生产物流是企业物流的关键环节,从物流的范围分析,企业生产系统中物流的边界起于原材料、外购件的投入，止于成品仓库。

它贯穿生产全过程,横跨整个企业（车间、工段）,其流经的范围是全厂性的、全过程的。

物料投入生产后即形成物流,并随着时间进程不断改变自己的实物形态（如加工、装配、储存、搬运、等待状态）和场所位置（各车间、工段、工作地、仓库）。

从物流属性分析,企业生产物流是指生产所需物料在时间和空间上的运动全过程,是生产系统的动态表现。

换言之,物料（原材料、辅助材料、零配件、在制品、成品）经历生产系统各个生产阶段或工序的全部运动过程就是生产物流。

对企业的系统布置再设计，可以优化企业的生产物流，降低企业的生产成本和提高企业的工作效率。

设施规划与设计,起源于早期制造业的工厂设计，是工业工程的重要分支。

18世纪80年代产业革命后,工厂逐步取代了小手工作坊,管理工程师开始关心制造厂的设计工作。

在早期,工厂设计的活动主要是三项,即:

操作法工程（MethodsEngineering）,研究的重点是工作测定、动作研究等工人的活动;工厂布置（PlantLayout）,就是机器设备、运输通道和场地的合理配置;物料搬运（MaterialHandling）,就是对从原料到制成产品的物流的控制。

操作者工程涉及的是人,而工厂布置、物料搬运涉及的是人、机、物的结合。

19世纪50年代以后,随着工厂的规模和复杂程度的增大,工厂设计从传统的只涉及较小的系统发展到大而复杂的系统,而且涉及市场、环境、资金、法律、政策等诸多因素。

因此,工厂设计除了注重人、机、物的结合外,发展到了与资源、能源、环境、信息、资本等要素相结合。

作为工业工程的一个分支，设施规划与设计起源于早期的机械制造厂的工厂布置。

随着社会的进步与技术的发展，设施规划与设计早已超越了机械制造厂的工厂设计范畴，形成了一门不但适用于各类工厂设计，同样也适用于各种服务设施的规划与设计新的科学。

概括的说，设施规划与设计就是为新建、扩建或改建的生产系统或服务系统，综合考虑相关因素，进行分析、构思、规划、论证、设计，做出全面安排，使资源得到合理的配置，使系统能够有效运行，以达到预期目标为它的研究内容。

第二节生产车间物流系统分析与布置设计在我国的应用及问题生产车间物流系统分析与布置设计在我国应用是很广泛的。

作为一个好的生产企业没有物流系统分析是不可能实现的。

那什么是生产物流呢？

生产物流具有什么样的功能呢？

生产物流一般是指:

原材料、辅料、外购件投入生产后，运进到各加工点和存储点。

在制品的形态，从一个生产单位（仓库）流入另一个生产单位，按照规定的工艺对程进行加工、储存。

借助一定的运辅装置，在某个点内流转，叉从某个点内流出，始终体现着物料实物形态的流转过程。

这样就构成了企业内部物流恬动的全过程。

所以生产物流的边界起源于原材料、外购件的投入，止于成品仓库，贯穿生产全过程。

由上述可知．加工话动和物流活动是生产系统的两大支柱。

通过物流活动把原材料运进生产系统，并使其依次在加工点之间流动，逐步形成半成品、成品直至出厂。

没有加工，生产系统就失去存在的意义；没有物流，生产系统将失去生命，也会失去继续存在的必要条件。

小到一个企业，大到社会上的物流，以现代物流观点来看，都不是孤立的、个别的有关物流的活动或作业，而是一个相互关联的整体，也就是物流系统。

2002年美国生产与库存控制学会（APICS）对“物流系统”所作的定义是：

“对一个公司运作的物理运动的规则与协调，以使之按要求的服务水平和以总成本最低的方式，实现原材料，零部件和最终货物的流动。

”构成个中大小物流系统的作业有：

搬运、运输、包装、储存、配送、处理（或称流通加工）、信息等物流作业，如图1-1所示。

现代物流系统由物流作业系统和物流信息系统两部分组成，每一部分的特点如下所述：

物流作业系统将各种物流作业如搬运、运输、包装、储存等，用当代先进物流设备装备提高作业的机械化和半自动化程度，提高作业效率。

再将生产企业、物流中心、配送路线、运输手段等网络化，整体上再提高物流活动的效率。

物流信息系统在保证订货、进货、库存、出货、配送等各种重要物流作业，在相关信息能及时、准确、畅通的基础上，保证物流作业系统能够高效率运行。

物流系统化的目的是和物流工作总体目标一致。

但从系统化的情况来看，具体的目的是：

（1）按客户订货期和合同的要求及时将订货或服务交付给用户。

（2）优化配置物流网络及各节点位置，提高物流配送效率，优化库存量。

（3）提高物流中个单元作业效率，提高各种作业的机械化和省力化程度。

（4）保证从订货到发货和收货，以及物流的各环节中信息传送畅通、及时无误。

（5）能使物流成本在当前条件下降至最低。

物流作业中个单元作业之间经常存在各式各样的矛盾，例如将库存量减少

使得经常需要补充库存，因此增加了运输次数，增加运输成本。

将原来铁路运输的物料改为航空运输，虽然增加了运费，但提高了运输速度，不仅减少了库存也减少了仓储费用。

简化包装也可以减少包装费用，但也要考虑包装强度降低后影响仓储中堆放的高度，以及装运过程中破损率的增加。

诸如此类的问题必须用系统的观点，从总体和全局权衡得失后才能达到总体的优化，将物流成本降至最低。

此外，物流成本与服务之间也存在基本的矛盾，如提高物流的服务水平但同时也就增加了物流成本；进行最小批量多次配送虽然顾客满意了，但是物流成本也增加了。

下面介绍下物流系统的概念：

物流系统是指在一定的时间和空间中，有需要移动的物料、运输工具、搬运机械、储运设施、通信网络设施等硬件和相关的各种软件及人员等若干相互矛盾的要素所组成的、为了使物流在时间和空间上增值，并保证社会生产持续不间断的进行，实现物流各环节的作业能相互衔接不间断地进行，同时达到低成本并获经济效益的系统。

在普遍意义上讲，我国大部分企业的生产物流管理状况存在很大的问题，具体表现在如下几个方面。

（1）设施布局

从工厂整体布局上，我国部分早期建成的厂本身从生产工艺上布局不大合理，工序间的衔接性差，厂内交叉物流现象比较严重，这无疑增加了生产的复杂性和生产物流成本合理的厂区布置可使企业能从其提供的服务中获得最大的效益，具体有：

在满足生产工艺过程的要求下，达到最短的运输路线，尽可能减少或没有交叉物流；有最大的灵活性，以使企业能对将来的发展变化有快速响应能力；最有效的面积利用；最良好的工作环境；最合理的发展余地，对一个企业来说，生存和发展是它的两大目标，因此，合理的厂区平面布置应能为企业的发展提供适当的余地。

上述物流问题的改善耗时长，投入大，但改进后会对整体物流的改善起到重要的作用。

（2）生产物流管理

从生产物流计划管理上，生产物流计划制订缺乏基础数据和预测信息，计划的执行率偏低。

企业生产计赳是企业生产管理的依据，也是生产物流管理的核心内容。

生产计划工作的内容就是要在企业生产计划策略的指导下，根据生产预测和优化决策来确定企业的生产任务，将企业的生产任务同各生产要素进行反复的综合平衡，从时间上和空间上对生产任务作出总体安排，并进一步对生产任务进行层层分解，落实到车间、班组，以保证计划任务的实现。

编制一个科学的生产计划，除了要掌握国家宏观经济政策和企业经营的环境外，还要使用有关企业生产活动的许多基础资料，如生产工序能力、工序的作业率、生产效率、产品收得率、主要原燃料和能源单耗、副产品的发生量等。

充分而准确的信息资料是编制生产计划的基础。

因此，编制生产计划前收集和整理各方面的资料是一项必做的工作。

这些资料可分为两大类：

一类是反映企业外部环境和需求的，如宏观经济形势、国家方针政策、竞争者情况、原材料及其它物资的供应情况、国家计划及订货合同协议、市场需求等；另一类是反映企业内部条件和可能的，如企业发展战略、生产经营目标、劳动力及技术力量水平、生产能力水平、各种物资的库存水平、流动资金和成本水平、服务销售水平及上期计划完成情况等在这些资料中，尤其重要的是反映外部需要的市场需求量和反映内部可能的生产能力两方面的资料，而它们必须通过生产预测和生产能力核算取得。

库存管理方面，大部分企业在制品和产成品库存没有合理的定额依据，在制品和产成品库存较高。

就生产过程的角度而言，库存可分为：

原材料库存、在制品库存和产成品库存。

库存管理的目的是在满足顾客服务要求的前提下通过对企业的库存水平进行控制，力求尽可能降低库存水平、提高物流系统的效率，以增强企业的竞争力。

库存水平的高低直接影响着企业的生产经营，必要的库存量是防止供应中断交货误期、保证生产稳定和连续的重要条件，它有利于提高供货柔性、适应需求变动、减少产销矛盾。

但库存同时也需要占用资金、支出库存费用，过量的库存会掩盖生产中的各种问题，因此，合理压缩库存已经引起各企业普遍重视。

在生产调度方面，调度机构设置比较臃肿，调度手段较为落后，信息反馈不实时等。

工序能力匹配方面，大部分生产企业生产过程中各工序生产能力不匹配现象较为严重，要么能力不足，要么能力过剩。

在设施布置设计方面，也存在很多问题，下面就针对设施布置设计中的几个关键问题：

（1）如何在软件中结合缪瑟的系统布置设计（SLP）和系统搬运分析（SHA），把设施布置设计与物料搬运系统设计集成起来，并进一步把它们集成于生产系统的设计中，实现两两间的并行工程?

（2）如何在软件中考虑多层布置，实现平面布置向立体布置的突破？

因为布置优化过程中设施的调整因多层建筑约束较强而不易实现。

另外，在多层布置中，运输时间是非线性的；水平面上任何方向上的物料搬运费用是一样的这一假设对多层也不成立。

所以平面布置向立体布置的突破极需创造力。

（3）如何在软件建模中考虑制造单元、独立制造岛等新型设施的特点？

例如，它们与传统布置问题的不同在于它们有三个附加约束（单元形状,单元定向，P/D点设置）必须事先确定即须把它们构造于模型之中，而非事后修正。

（4）在软件算法方面：

如何选择合适的降温速率，使得模拟退火法能在适当时间内为大型项目找到满意解？

如何在遗传算法中把布置方案的信息建模成遗传结构，设计有效的交换策略和合理参数，并处理关键的约束问题。

设施规划或工程设计的地位和作用，要从全社会固定资产投资的规模来考察。

在我国，每年要投入巨额资金用于基本建设和技术改造，国外把我们中国形容为整个一个大工地。

“九五”计划中，固定资产投资率按30%来把握，考虑价格因素，五年全社会固定资产投资规模将为13万亿元，也就是平均每年达到26000亿元。

能不能用好这巨大的投资，投资决策正确与否是关键的因素，而规划设计也起着决定性的作用,因为每项建设工程无不要经过规划设计。

这种决定性的作用，是指它的资源利用是否合理、工厂布置是否得当，工艺设备是否先进适用、能否取得好的投资效果，有着不可取代的作用。

它不仅涉及建设过程的成效，而且涉及建成后能否实现企业的科学管理，能否发挥企业的经济效益和社会效益。

所以在我国，工程设计被认为是“整个工程灵魂”。

然而在过去的实际工作中，仓促地、不周密地进行规划设计，造成企业选址不当、布置不善、物流不佳、生产费用高等例子，并不少见，浪费了资金，甚至长期亏损。

设施规划设计的作用不仅体现在新建的工程项目，更体现在已有企业的改造上。

当前我国正致力于实现经济增长方式的改变，重要的一个方面是经济增长要从主要依靠扩大建设规模转变到主要依靠对现有企业进行技术改造、改组和扩建。

据统计，1984年至1994年，我国技术改造投入1元，产出2元，创利税4～6角,投资只相当于同样规模基本建设的40%，而产出利税要比新建高一倍,建设周期要缩短一半时间。

据国外统计，机械加工工厂的物料,在生产周期中用于加工的时间只占5%左右，而处于储存、搬运或生产线上等待的时间约占95%左右。

在制造企业的总成本中，用于物料搬运的占20%～50%，而优良的的平面布置可以使物料搬运费用至少减少10%～30%。

至于采用准时制生产方式（JIT），更可以导致生产成本的降低，工厂需要的空间也可比常规制造厂减少40%～60%。

邹家华副总理说过，技术改造应该成为企业的自觉行为，厂长要有强烈的不断地进行技术改造的意识，企业要坚持年年搞技术改造，这从客观上提供了发挥设施规划设计作用的广阔天地。

当前我国许多企业,生产效率和经济效益低下，降低消耗和生产成本、改善物流、改进空间的利用、缩短生产周期的潜力很大。

改造这些企业固然需要硬投入，但在资金紧缺的情况下，加强软投入，进行内涵式的挖潜创新，无疑更为重要。

规划设计的费用是一个小数，在国外，项目设计的费用占总投资的2%～10%，往往比不可预见费还少，我国的取费标准更低，而效果却是事半功倍。

因此，在当前努力推动工业工程的应用中，使更多的人认识和理解设施规划技术的意义，使之得到广泛应用，实在是我国发展经济和技术进步的迫切需要。

第二章生产车间物流系统分析与布置设计的相关理论和方法随着工业的快速发展，我国已成为了世界制造加工中心。

制造加工业发展的同时也面临着激烈的市场竞争。

外部环境的变化迫使企业进行转型和流程再造，产品模块化、多产品小批量生产、柔性制造和成组技术等先进制造技术的广泛应用，使企业由传统的生产方式要向现代生产方式转变。

而现代生方式不仅对生产能力而且对工厂设施布置提出了更高的要求。

因此，目前很多企业进行了流程再造，新建或改建厂房，以提高企业的综合竞争力。

我国工业企业传统的系统设施布置设计主要采用定量分析方法和经验设计，各作业单元间生产物流呈现分散化和个体化，与现代生产制造不相适应。

因此，本文提出一种现代系统设施布置方法，即将系统工程理论、物流分析技术、计算机仿真技术等进行综合应用，综合考虑各种因素，以实现系统物流效率和物流成本的最优化。

对系统进行理论分析，并应用仿真软件进行三维仿真设计和动态优化决策，以增强系统设施布置设计的系统性、合理性和柔性，提高设计工作效率和效益，同时也对当前企业新建或改建项目的规划设计具有一定的指导意义。

物流系统是指在一定的时间和空间中，有需要移动的物料、运输工具、搬运机械、储运设施、通信网络设施等硬件和相关的各种软件及人员等若干相互矛盾的要素所组成的、为了使物流在时间和空间上增值，并保证社会生产持续不间断的进行，实现物流各环节的作业能相互衔接不间断地进行，同时达到低成本并获经济效益的系统。

企业物流是指在企业经营范围内由生产或活动所形成的加工、检验、搬运、储存、包装、装卸等物流活动。

按照物流作用和活动发生的先后顺序，物流可分为供应物流、生产物流、销售物流、回收和废弃物流四部分。

其中生产物流是现代生产系统的重要组成部分，加工活动和物流活动是生产系统的两大支柱。

没有加工，生产系统就失去存在的意义；没有物流，生产系统将失去生命，也会失去继续存在的条件。

物流不仅为生产的连续性提供了保障，而且物流状况对生产环境和生产秩序起着决定性的影响。

良好的企业规划设计是科学管理企业的开端，是实现物流合理化的前提。

随着生产力水平的日益提高，在提高加工制造设备本身能力与效益的同时，生产物流系统中所蕴藏的巨大潜力越来越引起人们的注意。

生产物流系统与生产过程是同步的，生产过程又是在一定的车间范围内进行的。

所以，车间的布置设计是物流系统优劣的先决条件。

一方面，生产物流合理、顺畅、没有过多的交叉和迂回对企业效益是非常重要的，一个企业车间平面布置设计的好与坏不但决定了物流系统运行状态、生产能否有序顺畅进行，而且也是企业能否取得高效益的关键性因素之一；另一方面，企业的生产类型是产品产量、品种和专业化程度在企业技术、组织和经济上的综合反映和表现，很大程度上也决定了企业和车间的生产结构、工艺流程和工艺装备的特点、生产过程的组织形式及生产管理方法，同时也决定了与之匹配的生产物流类型。

由此可见，物流类型与生产类型的产品产量、品种和专业化程度有着内在的联系，并对生产组织产生不同的影响和要求。

但是，不管企业生产类型如何，企业生产系统都必须满足生产过程的连续性、生产过程的节奏性和均衡性、生产系统的协调统一性的要求。

生产系统的这些性质要依靠企业物流系统的支持才能得以实现。

综上所述，挖掘物流的潜力，降低生产成本，加强企业对市场的快速响应力，优化企业组织机构和运作管理方式，追求生产系统整体效益的提高，已经成为现代化生产的重要内容。

物流系统的原始模型如图2-1所示。

输入为物料、资金、人员、信息，经过物流系统转换后输出物料位、服务、废弃物（污染）和有关物料的各种信息。

由于具体物流系统隶属不同的领域，因此对不同物流系统其输入、输出和系统转换各不相同。

下面介绍下物流系统的特点。

物流系统可大可小，小的如制造企业内部的物流系统，大的如大型钢铁联合企业的物流系统，更大的如全国性或跨国专业性物流企业，各有其性质上的特色，因此在考虑物流系统是应注意如下特点：

（1）有的物流系统跨很大的地域，持续时间也很长，因而加大了管理难

度并对信息的依赖程度很高。

（2）对大的物流系统必须分解为多个子系统，各子系统之间存在时空、

资源、供需等多方面的联系，也存在作业目标、费用和运行之间的矛盾，必须立足全局协调妥善处理。

（3）由于物流系统中各种作业在各种不同的条件下尚不能完全机械化，

还需要人的劳动来补充，因此还是有一个“人—机系统”。

目前的物流系统经常是由人和形成劳动手段的设备、工具所组成，其中人常常是系统的主体。

因此在研究物流系统各种问题时，要将人和物结合起来考察分析，并重视如何发挥人的主观能动性。

（4）物流系统的动态性和复杂性。

物流系统是联接多个生产企业和用

户，随需求、供应、渠道、价格而变化，物流受到社会生产和需求的各种制约，因此物流系统是一个满足社会需求、适应环境能力的动态系统。

这就要求物流系统应有灵活性和可变性。

物料包括全的物质资源，量大和经常数以万计的量流动资金，将这些数量庞大的人力、物力、财力合理组织和利用是一个非常复杂的问题。

因此需要一个良好的物流信息系统，用以指导物流活动，这有饿是一个复杂的问题。

（5）物流系统是一个多目标系统。

物流系统是一个既要实现宏观又要实

现微观经济效益的系统。

系统的各要素之间存在众多的矛盾，处理不当就会恶化。

对物流系统人们普遍要求服务好、服务短、成本低，要满足全部要求显然很难办到，必须要从建立多目标物流系统入手达到多目标优化的结果。

任何企业在竞争中“价格”总是最强大的武器。

降价主要取决于不断降低成本。

通过多年的努力，在生产过程中能挖掘的潜力已经不大，而花费在物流上的开支正式有待开发的富矿。

再从现代供应链管理和电子商务来看，只有实施正确的物流管理策略，才能不断增加企业的利润。

当前我国企业有两种较为成功的物流发展的策略。

一种是伊莱克斯公司所采取的将物流分包给第三方物流公司，另一种是海尔集团等所采取的自建现代物流信息系统，在此基础上实行小外包，总体实现采购、原材料和成品陪送的JIT，从而提高对订单的响应速度。

根据国外的经验，物流外包将接生产品成本10%—20%。

合理管理企业物流就可以达到降低成本、控制库存、有效整合资源和提升核心竞争力的目的。

企业物流系统由物流作业子系统和物流信息子系统两个子系统组成。

（1）物流作业子系统。

企业中各种材料、半成品、零部件和产品在运

输、保管、搬运、包装、流通加工等各种物流作业中，按实际情况逐步使用各种先进的设备和技术，以便达到提高各种物流作业的生产效率。

（2）物流信息子系统。

企业在与各种物流有关的的经营活动中，在保证

订货、进货、库存、配送等信息畅通的基础上，组成物流信息网络，使管理人员任何时候都能观察、了解物流的状态，从而总体上提高物流系统运作效率。

合理组织物流活动，使各作业环节相互衔接协调，按照企业总体要求调度企业内各种资源进行整合，创造供应链中最佳效益。

第一节车间系统布置设计理论的前提对于一个工业设施或工厂，设施主要包括占用的土地、建筑物和构筑物、生产加工用的机器设备、固定或移动的辅助设备，此外，还包括维修设施、动力设施、公用设施、办公服务设施等。

设施是一个投入-产出生产服务系统的转换体。

为了达到生产服务系统的设计目标，实现尽可能大的经济效益和社会效益，该转换体必须具有合理的结构与运营机制。

设施布置设计是在设施选址以后，以系统的空间静态结构（布局）为研究对象，从动态结构——物流分析出发，分析和设计系统的平面布置，使人力、财力、物力和物流、人流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置，从根本上提高系统的运行效率，降低运行成本，从而提高竞争力。

因此，设施布置设计的对象是整个系统，不是其中的个别环节。

往往一个好的工厂设施布置，具有的特征是：

直线型流动；回溯最少；生产时间较短；在制品少；瓶颈操作可被控制；工作地之间距离较近；物料的搬运和存储有序；没有不必要的搬运；易于根据条件变化进行调整。

一个好的服务设施布置，具有的特征是：

一目了然的服务流程；有足够的供等待时使用的设施；方便与顾客进行沟通；便于顾客监督；拥有充足的服务窗口和明确的进出口；部门安排和商品摆放合理；人流物流最少；每平方米设施具有很强的赢利能力。

因此，设施布置应遵循如下原则：

（1）减少或消除不必要的作业，这是提高企业生产率和降低消耗的最有效的方法之一。

只有在时间上缩短生产周期，空间上减少占地，物料上减少停留、搬运和库存，才能保证投入的资金最小、生产成本最低；

（2）以“流”尤其是物流作为布置设计的出发点，并贯穿在设施布置设计的始终。

因为生产系统的有效运行依赖于人流、物流、信息流的合理化；

（3）运用系统工程理论，用系统分析的方法求得系统的整体优化；

（4）重视人的因素，运用人机工程理论进行综合设计，并要考虑环境的条件，包括空间大小、通道配置、色彩、照明、温度、湿度、噪声等因素对人的工作效率和身心健康的影响；

（5）设施布置设计是从宏观到微观，又从微观到宏观的反复迭代、并行设计的过程。

要先进行总体方案布置设计，再进行详细布置；而详细布置设计方案又要反馈到总体布置方案中，对总体方案进行修正。

总之，设施规划与设计就是要综合考虑各种相关因素，对生产系统或服务系统进行分析、规划、设计，使系统资源得到合理的配置。

第二节车间布置设计的理论和方法布置设计是对建筑物、设备、通道、场地等按照物流、人流、信息流的合理需要,作出有机组合和合理配置。

工厂布置设计的方法和技术一直是不断探索的问题,发展了作业相关图法,从至表试验法、块状中心作图法等以及计算机辅助工厂布置。

在众多的布置方法中,物流处于重要地位,把寻求最佳物流作为解决布置问题的主要目标。

工厂布置的程序和方法,以1961年Richard?

缪瑟提出的系统布置设计SLP（SystemLayoutPlanning）最为着名，应用十分普遍。

这时一种条理性很强物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合求得合理布置的技术。

由于工厂布置设施是多个目标、多约束的问题，因此，用数学方法来决定最优方案是很困难的，甚至是不可能的。

传统的方法就是经验法，设计这主要依靠个人经验和流程图等定性资料来确定布置方案。

计算机辅助布置方法，不但能大大改善并加速布置设计中寻优阶段这一过程，而且能迅速生成多种布置方案，以启发设计者的思路，常常