基于结构熵模型的汽车生产设施布局优化评价研究

邹辉 张敏 于凤

摘要：对汽车生产设施布局优化是汽车制造企业提高运作效率、降低成本、减少物料搬运距离和时间的有效途径之一。而对汽车生产设施布局优化进行评价研究可验证其优化的有效性。本文以某整车制造企业生产设施布局为研究对象，首先通过SLP法对现有计划方案的布局进行优化，然后运用结构熵模型对优化前后的生产设施布局进行评价对比，根据其时效熵、质量熵和有序度的计算结果证明优化的有效性。

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.

关键词：生产设施布局;结构熵模型;整车制造企业;优化

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

中图分类号：F273.1                                     文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2020）02-0284-03

0  引言

随着汽车在社会生活中的普及，其生产规模不断扩大，汽车生产物流相对落后的问题就逐渐突出。而汽车生产车间的布局对汽车生产物流系统的有效运作会产生重要影响，车间布局的优化能够减少产品和物料之间搬运的距离和时间，提高设备和空间利用率，实现安全高效的生产活动。目前，很多专家学者对汽车的生产布局进行研究。黄树海等根据某汽车生产企业现有厂房设施、生产设备等实际情况，提出了高效、可重构及面向过程控制的柔性生产工艺布局方案[1]。刘洋等通过对某汽车企业生产工艺现状的分析研究，应用SLP法对其总体布局进行设计，并确定了厂区平面布置方案[2]。周廷美等针对某整车制造企业零部件配送中心布局不合理的现象，运用SLP方法设计了配送中心平面布局的优化方案，减少了物流成本，提高了作业效率，增强了配送中心的响应能力[3]。以上均对汽车制造相关企业的生产布局进行了研究和优化，但缺少评价优化的有效性。基于此，本文先针对某整车制造企业的生产设施布局的计划方案进行优化，然后通过结构熵模型对优化前后的方案进行评价，通过熵值的降低和有序度的提高，说明优化的有效性。

1  整车制造企业生产布局优化

1.1 H整车制造企业生产设施布局

H整车制造企业即将建造一新生产基地，其主要设施包括冲压车间、焊接车间、涂装车间、总装车间、路试准备区、返修调整车间、成品库和综合仓库。整车生产时，其外壳件分别经过汽车制造四大工艺流程，即冲压、焊接、涂装和总装各车间，然后通过准备区进行路试，有问题的车辆返回返修调整车间返修，否则进入成品库。现计划的生产设施布局方案如图1所示。需要指出的是，图中箭头上的数字为单位时间内上一设施运输到下一设施的周转量。根据汽车生产的特点，布局图中各设施间的周转量大多正比于其间距离。但综合仓库到涂装车间配送的涂装物料较少，所以其周转量也较少;路试区和返修调整车间之间的周转量也是如此。而综合仓库到总装车间之间配送的物料、部件较多，所以其周转量也较大。经分析，该计划布局并未达到最优效果，有些设施位置欠佳，造成线路较长或有迂回，影响生产物流的运作效率，故应对该布局方案进行优化，从而让实际生产达到更优效果[4]。

1.2 基于SLP的生产设施布局优化

根据现有计划方案的生产设施布局情况及其存在的问题，结合各设施间运输周转量大小情况，通过SLP法（系统设施布置法）对其优化[3]。首先，在考虑运输线路的基础上，确定各设施间的作业关系强度（作业关系强度用A、E、I、O、U等级表示，其详细信息见表1），并绘制出生产设施作业相关图，如图2所示。

通过以上作业相关图，根据各设施生产活动的顺序，本文认为有些设施的位置可作适当调整。同时，根据综合仓库与冲压、涂装、总装车间的作业关系均较为密切的实际情况，在优化中可将综合仓库拆分成供应冲压车间原材料的原材料仓库、供应涂装车间物料的涂料工具仓库和供应总装车间物料和零部件的总装配件仓库。具体优化后的设施布局如图3所示。从优化前后的生产设施布局图可直观看出，优化后的布局更为科学合理。若对该优化进行有效性分析，则从定量的角度更能说明优化的合理有效。因此，本文针对该整车制造企业生产设施布局的优化，通过结构熵模型进行定量评价分析。

2  生产设施布局优化评价过程

2.1 结构熵模型

“熵”最初由物理学家克劳修斯提出，表示热力学过程中的不可逆程度。之后，熵被广泛应用于各领域，也包括管理学领域。熵可体现系统内信息的不确定性，当熵值降低时，其不确定性就降低，有序度就提高，反之亦然[5]。而系统在不同方面信息的不确定性也能够用不同类型的熵体现。结构熵是指在系统中，由于信息不确定性的增加，导致结构逐渐复杂、无序的反映程度，它体现系统的不稳定性或不确定性。因此，通过结构熵模型可计算该系统结构的有序程度，是系统优化的一个有效评价方法[6]。在结构熵模型中，时效熵和质量熵分别是反应系统内信息流通时效性和准确性的熵量，其熵值越低，系统的有序程度越高。其概念和模型如下：

2.1.1 時效熵

时效熵，即衡量系统内信息流通时效性的熵量，记作H1。其计算公式如下：

其中，P1 （ij）为系统中各联系的时效实现概率，即。其中Lij为系统中两元素间的联系长度。A1为时效联系总数，即。在生产设施布局图中，单位时间内相邻两设施i和j间运输物料的周转量即为该两设施间的联系长度Lij。

2.1.2 质量熵

质量熵，即衡量系统内信息流通准确性的熵量，记作H2。其计算公式如下：

其中，P2 （i）为系统中各元素的质量实现概率，即。其中Ki为系统中各元素的联系跨度。A2为质量联系总数，即[14]。在生产设施布局图中，某设施i直接与其它设施的联系数为该设施的联系跨度Ki。

2.1.3 有序度

系统结构的无序程度一般用系统的现时熵值Hi（即时效熵值或质量熵值）与其最大熵值Him（即时效最大熵值或质量最大熵值，）之比表示。因此，系统有序度的计算公式如下：

当有序度的值就越大，系统结构就更为合理、有序[7]。因系统结构的有序性表现为时效和质量两方面，故分别用R1和R2来表示时效有序度和质量有序度。因在本文生产设施布局中，时效和质量两方面彼此独立，并具有加权性，则该系统的综合有序度可按下式计算。式中，α、β分别为时效有序度和质量有序度的权重系数[8]。

2.2 结构熵评价计算过程

H整车制造企业生产设施布局是一个内部信息流通具有时效性和准确性的系统，运用结构熵模型对该系统布局进行评价研究。根据结构熵模型计算公式（1）、（2）、（3），对优化前后生产设施布局的时效熵及时效有序度、质量熵及质量有序度分别进行计算和对比，如表2和表3所示。

注：优化前联系长度为1的标号有6-7和7-6，说明在图1中，设施6到设施7之间的联系长度为1，设施7到设施6之间的联系长度也为1.

注：优化后联系跨度为2的标号有1、2、5、7，说明在图3中，设施1、2、5、7分别都有2个设施与其直接联系.

根据公式（4），计算该生产设施布局优化前后的有序度。为不失一般性，时效有序度和质量有序度的权重系数均取0.5。

优化前：

优化后：

由此可得优化后，有序度的提高率为

从以上数据可看出，经过对布局的调整优化，其时效熵和质量熵均有所下降，时效有序度和质量有序度均有所增加，其综合有序度提高超过4%，说明此次优化增加了该生产设施布局的有序性，可有助于减少各设施间搬运物料的距离和时间，提高生产物流运作效率。因此，通过结构熵模型的评价证明了对H整车制造企业生产设施的原计划布局方案进行优化是合理有效的。

3  结论

结构熵模型目前主要应用于分析研究企业组织结构的系统有效性，却很少用于分析生产设施布局。为此，通过结构熵模型分析汽车生产设施布局是一种新的探索和尝试。本文以H整车制造企业生产设施布局为研究对象，通过结构熵模型对优化前后布局的时效熵、质量熵、有序度进行评价对比，通过计算结果验证出生产设施布局优化的有效性。该模型的运用为设施布局优化提供了一种新颖、有效的评价方法。需要指出的是，文中生产设施布局中各设施间联系长度的准确计算方式以及其对该布局系统内时效有序度的影响程度还需进一步研究探讨。

参考文献：

[1]黄树海，李祖荣，彭树杰，等.典型汽车零部件柔性生产工艺布局[J].汽车工艺与材料，2013（1）：22-27.

[2]刘洋，祁云军，孙文磊.SLP法在某汽车厂总体布局设计中的应用[J].宁夏大学学报（自然科学版），2014，35（2）：144-148.

[3]周廷美，汪磊，莫易敏，等.基于SLP 方法的整车厂零部件配送中心布局优化[J].物流技术，2017，36（2）：142-145，177.

[4]冯定忠，吴能，范佳静，等.基于SLP和SHA的车间设施布局与仿真分析[J].工业工程与管理，2012，17（2）：21-25.

[5]邱菀华.管理决策熵学及其应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

[6]齐林，邹雅迪，李飞，等.园区循环经济系统有序度研究：基于复杂网络结构熵视角[J].科技管理研究，2017（22）：242-247.

[7]吴志福，周强，王文龙.基于结构熵的集装箱码头物流系统有序性评价研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（6）：1068-1072.

[8]艾彦迪，刘子建，万晶晶.耗散结构意义上的产品数字化系统结构有序度评价[J].中国机械工程，2011，22（9）：1085-1089.