基于結構熵模型的汽車生產設施布局優化評價研究

鄒輝 張敏 于鳳

摘要：對汽車生產設施布局優化是汽車制造企業提高運作效率、降低成本、減少物料搬運距離和時間的有效途徑之一。而對汽車生產設施布局優化進行評價研究可驗證其優化的有效性。本文以某整車制造企業生產設施布局為研究對象，首先通過SLP法對現有計劃方案的布局進行優化，然后運用結構熵模型對優化前后的生產設施布局進行評價對比，根據其時效熵、質量熵和有序度的計算結果證明優化的有效性。

Abstract： Optimizing the layout of automobile production facilities is one of the effective ways for automobile manufacturers to improve operational efficiency， reduce costs and reduce material handling distance and time. Studying the evaluation of the layout optimization of automobile production facilities can verify the effectiveness of its optimization. In this paper， the layout of the production facilities of an automobile manufacturing enterprise is the research object. Firstly， the layout of the existing planning scheme is optimized by SLP， and then the layout of the production facilities before and after optimization is evaluated and compared by applying the structure-entropy model， and the validity of optimization is proved according to the calculation results of its aging entropy， quality entropy and order degree.

關鍵詞：生產設施布局;結構熵模型;整車制造企業;優化

Key words： production facilities layout;structure-entropy model;automobile manufacturing enterprise;optimization

中圖分類號：F273.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0284-03

0? 引言

隨著汽車在社會生活中的普及，其生產規模不斷擴大，汽車生產物流相對落后的問題就逐漸突出。而汽車生產車間的布局對汽車生產物流系統的有效運作會產生重要影響，車間布局的優化能夠減少產品和物料之間搬運的距離和時間，提高設備和空間利用率，實現安全高效的生產活動。目前，很多專家學者對汽車的生產布局進行研究。黃樹海等根據某汽車生產企業現有廠房設施、生產設備等實際情況，提出了高效、可重構及面向過程控制的柔性生產工藝布局方案[1]。劉洋等通過對某汽車企業生產工藝現狀的分析研究，應用SLP法對其總體布局進行設計，并確定了廠區平面布置方案[2]。周廷美等針對某整車制造企業零部件配送中心布局不合理的現象，運用SLP方法設計了配送中心平面布局的優化方案，減少了物流成本，提高了作業效率，增強了配送中心的響應能力[3]。以上均對汽車制造相關企業的生產布局進行了研究和優化，但缺少評價優化的有效性。基于此，本文先針對某整車制造企業的生產設施布局的計劃方案進行優化，然后通過結構熵模型對優化前后的方案進行評價，通過熵值的降低和有序度的提高，說明優化的有效性。

1? 整車制造企業生產布局優化

1.1 H整車制造企業生產設施布局

H整車制造企業即將建造一新生產基地，其主要設施包括沖壓車間、焊接車間、涂裝車間、總裝車間、路試準備區、返修調整車間、成品庫和綜合倉庫。整車生產時，其外殼件分別經過汽車制造四大工藝流程，即沖壓、焊接、涂裝和總裝各車間，然后通過準備區進行路試，有問題的車輛返回返修調整車間返修，否則進入成品庫。現計劃的生產設施布局方案如圖1所示。需要指出的是，圖中箭頭上的數字為單位時間內上一設施運輸到下一設施的周轉量。根據汽車生產的特點，布局圖中各設施間的周轉量大多正比于其間距離。但綜合倉庫到涂裝車間配送的涂裝物料較少，所以其周轉量也較少;路試區和返修調整車間之間的周轉量也是如此。而綜合倉庫到總裝車間之間配送的物料、部件較多，所以其周轉量也較大。經分析，該計劃布局并未達到最優效果，有些設施位置欠佳，造成線路較長或有迂回，影響生產物流的運作效率，故應對該布局方案進行優化，從而讓實際生產達到更優效果[4]。

1.2 基于SLP的生產設施布局優化

根據現有計劃方案的生產設施布局情況及其存在的問題，結合各設施間運輸周轉量大小情況，通過SLP法（系統設施布置法）對其優化[3]。首先，在考慮運輸線路的基礎上，確定各設施間的作業關系強度（作業關系強度用A、E、I、O、U等級表示，其詳細信息見表1），并繪制出生產設施作業相關圖，如圖2所示。

通過以上作業相關圖，根據各設施生產活動的順序，本文認為有些設施的位置可作適當調整。同時，根據綜合倉庫與沖壓、涂裝、總裝車間的作業關系均較為密切的實際情況，在優化中可將綜合倉庫拆分成供應沖壓車間原材料的原材料倉庫、供應涂裝車間物料的涂料工具倉庫和供應總裝車間物料和零部件的總裝配件倉庫。具體優化后的設施布局如圖3所示。從優化前后的生產設施布局圖可直觀看出，優化后的布局更為科學合理。若對該優化進行有效性分析，則從定量的角度更能說明優化的合理有效。因此，本文針對該整車制造企業生產設施布局的優化，通過結構熵模型進行定量評價分析。

2? 生產設施布局優化評價過程

2.1 結構熵模型

“熵”最初由物理學家克勞修斯提出，表示熱力學過程中的不可逆程度。之后，熵被廣泛應用于各領域，也包括管理學領域。熵可體現系統內信息的不確定性，當熵值降低時，其不確定性就降低，有序度就提高，反之亦然[5]。而系統在不同方面信息的不確定性也能夠用不同類型的熵體現。結構熵是指在系統中，由于信息不確定性的增加，導致結構逐漸復雜、無序的反映程度，它體現系統的不穩定性或不確定性。因此，通過結構熵模型可計算該系統結構的有序程度，是系統優化的一個有效評價方法[6]。在結構熵模型中，時效熵和質量熵分別是反應系統內信息流通時效性和準確性的熵量，其熵值越低，系統的有序程度越高。其概念和模型如下：

2.1.1 時效熵

時效熵，即衡量系統內信息流通時效性的熵量，記作H1。其計算公式如下：

其中，P1 （ij）為系統中各聯系的時效實現概率，即。其中Lij為系統中兩元素間的聯系長度。A1為時效聯系總數，即。在生產設施布局圖中，單位時間內相鄰兩設施i和j間運輸物料的周轉量即為該兩設施間的聯系長度Lij。

2.1.2 質量熵

質量熵，即衡量系統內信息流通準確性的熵量，記作H2。其計算公式如下：

其中，P2 （i）為系統中各元素的質量實現概率，即。其中Ki為系統中各元素的聯系跨度。A2為質量聯系總數，即[14]。在生產設施布局圖中，某設施i直接與其它設施的聯系數為該設施的聯系跨度Ki。

2.1.3 有序度

系統結構的無序程度一般用系統的現時熵值Hi（即時效熵值或質量熵值）與其最大熵值Him（即時效最大熵值或質量最大熵值，）之比表示。因此，系統有序度的計算公式如下：

當有序度的值就越大，系統結構就更為合理、有序[7]。因系統結構的有序性表現為時效和質量兩方面，故分別用R1和R2來表示時效有序度和質量有序度。因在本文生產設施布局中，時效和質量兩方面彼此獨立，并具有加權性，則該系統的綜合有序度可按下式計算。式中，α、β分別為時效有序度和質量有序度的權重系數[8]。

2.2 結構熵評價計算過程

H整車制造企業生產設施布局是一個內部信息流通具有時效性和準確性的系統，運用結構熵模型對該系統布局進行評價研究。根據結構熵模型計算公式（1）、（2）、（3），對優化前后生產設施布局的時效熵及時效有序度、質量熵及質量有序度分別進行計算和對比，如表2和表3所示。

注：優化前聯系長度為1的標號有6-7和7-6，說明在圖1中，設施6到設施7之間的聯系長度為1，設施7到設施6之間的聯系長度也為1.

注：優化后聯系跨度為2的標號有1、2、5、7，說明在圖3中，設施1、2、5、7分別都有2個設施與其直接聯系.

根據公式（4），計算該生產設施布局優化前后的有序度。為不失一般性，時效有序度和質量有序度的權重系數均取0.5。

優化前：

優化后：

由此可得優化后，有序度的提高率為

從以上數據可看出，經過對布局的調整優化，其時效熵和質量熵均有所下降，時效有序度和質量有序度均有所增加，其綜合有序度提高超過4%，說明此次優化增加了該生產設施布局的有序性，可有助于減少各設施間搬運物料的距離和時間，提高生產物流運作效率。因此，通過結構熵模型的評價證明了對H整車制造企業生產設施的原計劃布局方案進行優化是合理有效的。

3? 結論

結構熵模型目前主要應用于分析研究企業組織結構的系統有效性，卻很少用于分析生產設施布局。為此，通過結構熵模型分析汽車生產設施布局是一種新的探索和嘗試。本文以H整車制造企業生產設施布局為研究對象，通過結構熵模型對優化前后布局的時效熵、質量熵、有序度進行評價對比，通過計算結果驗證出生產設施布局優化的有效性。該模型的運用為設施布局優化提供了一種新穎、有效的評價方法。需要指出的是，文中生產設施布局中各設施間聯系長度的準確計算方式以及其對該布局系統內時效有序度的影響程度還需進一步研究探討。

參考文獻：

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