張梅，張廣泰，張夢

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代化國家60%～70%的財政收入來自于本國制造業(yè)，制造業(yè)的發(fā)達(dá)程度直接成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)和綜合國力的重要指標(biāo)[1].對于制造企業(yè)而言，車間布局的規(guī)劃合理性將直接影響該企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[2].目前，許多中小型制造企業(yè)非常重視工藝生產(chǎn)知識，而對設(shè)施空間布局規(guī)劃則缺乏專業(yè)的或科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計，從而造成企業(yè)生產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟(jì)效益差等問題[3].設(shè)施空間位置的不合理規(guī)劃與設(shè)計，將導(dǎo)致物料在生產(chǎn)過程中頻繁搬運(yùn)，并會造成產(chǎn)品損傷、搬運(yùn)成本增加等問題[4].國內(nèi)外研究表明科學(xué)合理的設(shè)施布局規(guī)劃每年至少能節(jié)約物料搬運(yùn)成本10%～30%[5?7].

關(guān)于制造企業(yè)設(shè)施空間布局規(guī)劃，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了大量研究.劉偉[8]采用擺樣法對某不銹鋼管車間進(jìn)行布局優(yōu)化，降低了其物料搬運(yùn)成本，提高了車間的生產(chǎn)效率.晁迎[9]等針對移動通信基站構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化布局?jǐn)?shù)學(xué)模型，采用加速遺傳算法對其求解得到最優(yōu)基站位置分布方案.彭慶艷[10]采用圖解法對京滬高鐵鎮(zhèn)江站進(jìn)行布局方案優(yōu)化，并得出系統(tǒng)最優(yōu)布局方案.然而，擺樣法僅適用于簡單的布局設(shè)計，該方法對于復(fù)雜系統(tǒng)耗時長且布局不準(zhǔn)確；數(shù)學(xué)模型法在復(fù)雜系統(tǒng)中很難符合實(shí)際需求，并且不能直接得到布局圖；圖解法是將擺樣法和數(shù)學(xué)模型法相結(jié)合，實(shí)際工程中運(yùn)用較少.擺樣法、數(shù)學(xué)模型法及圖解法均忽略了物流因素和非物流因素對車間布局的影響，而系統(tǒng)布置設(shè)計（Systematic layout planning，簡稱SLP）法綜合考慮了車間作業(yè)單位物流和非物流因素的影響進(jìn)行布局設(shè)計，是當(dāng)前設(shè)施空間布局的主流方法[11?12].目前，多數(shù)學(xué)者運(yùn)用SLP法得到初步布局方案后，均采用加權(quán)因素法進(jìn)行方案比選，但加權(quán)因素法進(jìn)行方案比選時過于簡化，且受主觀評價的不確定性和隨意性影響較大.因此，采用改進(jìn)的比選方法對運(yùn)用SLP法得到的布局方案進(jìn)行比選是非常有意義的.

鑒于此，本文以某光伏組件廠設(shè)施空間布局為例，運(yùn)用SLP法對該光伏組件廠各作業(yè)單位進(jìn)行定量的物流分析和定性的相互關(guān)系分析，得到作業(yè)單位綜合關(guān)系圖，并繪制出該廠各作業(yè)單位的位置相關(guān)圖.根據(jù)該廠各作業(yè)單位的占地面積和強(qiáng)制條件，得到了3套布局規(guī)劃優(yōu)化方案，并采用熵權(quán)優(yōu)化模型進(jìn)行規(guī)劃方案比選，最終確定更加優(yōu)化的布局規(guī)劃方案，達(dá)到降低物料搬運(yùn)成本、提高生產(chǎn)效率的目的，且運(yùn)用熵權(quán)優(yōu)化模型使SLP法中的布局規(guī)劃方案比選更科學(xué)合理，為生產(chǎn)車間設(shè)施空間布局規(guī)劃方案比選提供理論指導(dǎo).

1 系統(tǒng)布置設(shè)計（SLP）法概述

系統(tǒng)布置設(shè)計（SLP）法具有很強(qiáng)的邏輯性和系統(tǒng)性，其主要對5個基本要素P、Q、R、S、T進(jìn)行研究分析，得到作業(yè)單位之間的物流和非物流關(guān)系，之后對兩者進(jìn)行綜合分析，得到各作業(yè)單位綜合物流關(guān)系表，并據(jù)其繪制各作業(yè)單位位置相關(guān)圖，再根據(jù)各作業(yè)單位實(shí)際占地面積、限制因素和修正條件進(jìn)行修正，擬定幾種可行的設(shè)施布局方案，最后采取熵權(quán)優(yōu)化模型進(jìn)行方案比選，得出最佳的設(shè)施布局規(guī)劃方案[13?16].

2 熵權(quán)優(yōu)化模型的建立

熵作為一種不確定性的度量，由美國數(shù)學(xué)家Shannon從熱力學(xué)引入信息論中，信息熵的概念由此誕生，它已被廣泛應(yīng)用于管理科學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域[17].為使光伏組件廠的設(shè)施布局方案比選更科學(xué)、合理，本文將熵權(quán)模型與雙基點(diǎn)法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS法）進(jìn)行算法優(yōu)化整合，形成多指標(biāo)決策的熵權(quán)優(yōu)化模型，并將該模型應(yīng)用于設(shè)施空間布局規(guī)劃方案比選中.熵權(quán)優(yōu)化模型具體如下.

（1）建立光伏組件廠設(shè)施空間布局方案評價體系，用m個影響設(shè)施空間布局指標(biāo)評價n個布局規(guī)劃方案.第j個布局規(guī)劃方案在第i項影響設(shè)施空間布局指標(biāo)的評分表示為xij，因此設(shè)施空間布局規(guī)劃方案評價體系的特征值矩陣為：

（2）對特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除指標(biāo)間因量綱不同而帶來的差異.Yij表示第j個設(shè)施空間布局規(guī)劃方案在第i個指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的特征值.

（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的特征值矩陣確定每個指標(biāo)的熵權(quán).計算各指標(biāo)的熵:

（4）采用TOPSIS法計算光伏組件廠設(shè)施空間布局規(guī)劃方案的績效排序.確定一組最大評分向量和一組最小評分向量作為理想解與反理想解，在目標(biāo)空間中，比較各布局規(guī)劃方案與理想解和反理想解的距離，并進(jìn)行貼近度計算來確定優(yōu)劣排序.布局規(guī)劃方案與理想解越接近，即與反理想解越遠(yuǎn)，則排序越高.根據(jù)影響光伏組件廠空間布局指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化特征值，定義理想解與反理想解.理想解：

反理想解：

采用加權(quán)的歐式距離計算各設(shè)施空間布局規(guī)劃方案到理想解和反理想解的距離.設(shè)布局方案j到理想解P+，反理想解P?的距離分別為d+和d?.

對光伏組件廠設(shè)施空間布局規(guī)劃方案進(jìn)行績效排序.采用TOPSIS法計算出距離后，再計算設(shè)施空間布局規(guī)劃方案的優(yōu)屬度uj，根據(jù)優(yōu)屬度最大原則，對各設(shè)施空間布局規(guī)劃方案排序，uj越大，則排序越高.

3 案例分析

3.1 光伏組件廠區(qū)原始資料收集

某光伏組件廠主要生產(chǎn)太陽能設(shè)備、太陽能控制設(shè)備、太陽能發(fā)電安全系統(tǒng)等，為國內(nèi)外太陽能企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)組件產(chǎn)品.該廠占地面積為67 500 m2，其長為300 m，寬為225 m.根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，該廠目前有12個作業(yè)單位，各作業(yè)詳細(xì)信息見表1，布局現(xiàn)狀見圖1.根據(jù)光伏組件廠的生產(chǎn)工藝流程和車間布局現(xiàn)狀，分析表明該廠布局現(xiàn)狀與物料搬運(yùn)和人流交通存在一些不合理的問題：（1）廠區(qū)部分作業(yè)單位面積過大，存在空間資料浪費(fèi)的情況；（2）物料搬運(yùn)存在往返交叉及路線過長導(dǎo)致搬運(yùn)費(fèi)用過高的現(xiàn)象；（3）廠區(qū)動力車間產(chǎn)生的噪音、振動等對工作人員有一定的影響，導(dǎo)致工作人員工作效率降低以及存在一定的安全隱患.

表1 作業(yè)單位匯總表Tab 1 Job unit summary

圖1 光伏組件廠布局現(xiàn)狀圖Fig 1 Figure of the current layout of photovoltaic module plants

3.2 利用SLP法對廠區(qū)進(jìn)行分析

3.2.1 廠區(qū)作業(yè)單位物流分析

根據(jù)光伏組件廠原始資料進(jìn)行P-Q分析，可以得到各作業(yè)單位的物流強(qiáng)度，并按照物流強(qiáng)度等級比例劃分表進(jìn)行物流強(qiáng)度等級劃分（見表2），其中物流強(qiáng)度等級由符號A，E，I，O，U，X表示，物流強(qiáng)度由A至X逐漸減小.根據(jù)表2中作業(yè)單位的物流強(qiáng)度等級，繪制光伏組件廠各作業(yè)單位物流相關(guān)圖，如圖2所示.

表2 物流強(qiáng)度匯總表Tab 2 Summary of Logistics Strength

圖2 作業(yè)單位物流相關(guān)圖Fig 2 Work unit logistics-related diagram

3.2.2 廠區(qū)作業(yè)單位非物流關(guān)系分析

在光伏組件廠布局設(shè)計中，物流分析所得到的是定量的相互關(guān)系，還需考慮非物流因素的影響.根據(jù)光伏組件廠各作業(yè)單位相互關(guān)系密切程度等級表（見表3）和各作業(yè)單位關(guān)系密切程度原因（見表4），對光伏組件廠進(jìn)行深入調(diào)查研究，獲得該廠各作業(yè)單位非物流關(guān)系相關(guān)圖，如圖3所示.

表3 業(yè)單位相互關(guān)系密切程度等級Tab 3 Level of close relationship between job units

表4 作業(yè)單位關(guān)系密切程度原因及代碼Tab 4 Reasons for the closeness of job units and code

圖3 各作業(yè)單位非物流關(guān)系相關(guān)圖Fig 3 Non-logistics relationship related graphs for each operating unit

3.2.3 作業(yè)單位綜合相關(guān)分析

綜合考慮光伏組件廠各作業(yè)單位的物流關(guān)系和非物流關(guān)系密切程度時，需要確定兩種關(guān)系的相對比重，用m:n表示.在實(shí)際運(yùn)用中，m:n一般取值為1:3，1:2，1:1，2:1，3:1[18].基于光伏組件廠的實(shí)際生產(chǎn)活動，物流關(guān)系對廠區(qū)工作效率影響較大，因此確定m:n的比值為3:1.再對物流強(qiáng)度等級和非物流密切程度等級進(jìn)行量化處理，取A=4，E=3，I=2，O=1，U=0，X=?1.根據(jù)比重和量化等級，按照公式：CRij=mMRij+nNRij計算綜合相關(guān)值，并按照綜合相互關(guān)系等級與劃分比例表轉(zhuǎn)化為A，E，I，O，U，X六個等級，得到各作業(yè)單位綜合相關(guān)圖，如圖4所示.

圖4 各作業(yè)單位綜合關(guān)系相關(guān)圖Fig 4 A diagram related to the comprehensive relationship between the various job units

圖5 各作業(yè)單位位置相關(guān)圖Fig 5 The location-related diagram sits for each job unit

根據(jù)各作業(yè)單位綜合關(guān)系相關(guān)圖，計算其綜合接近程度，可得到光伏組件廠各作業(yè)單位綜合接近程度排序表（見表5所示）.其中，作業(yè)單位綜合接近程度排序越高，說明其越靠近中心，越低則越靠近邊緣，依次進(jìn)行排序得到最終的作業(yè)單位位置相關(guān)圖，見圖5所示.

表5 光伏組件廠作業(yè)單位綜合接近程度排序表Tab 5 Summary table of comprehensive proximity of working units in photovoltaic module plants

3.2.4 光伏組件廠設(shè)施布局規(guī)劃設(shè)計方案

根據(jù)各作業(yè)單位位置相關(guān)圖，綜合考慮光伏組件廠的工藝流程、所需面積和限制條件等諸多因素，初步形成了三套平面布局優(yōu)化方案，如圖6所示.三套布局方案均滿足生產(chǎn)需求，廠區(qū)內(nèi)部道路均滿足貨車等正常行駛的要求，且在進(jìn)行合理布局后可為未來發(fā)展提供一定的用地面積.

圖6 光伏組件廠平面布局優(yōu)化方案Fig 6 Plan for the optimization of the layout of photovoltaic modules plant

3.3 光伏組件廠設(shè)施布局規(guī)劃方案評估

采用熵權(quán)優(yōu)化模型，綜合考慮工藝過程和物料搬運(yùn)的合理性、空間利用程度、布置的靈活性、輔助服務(wù)的適應(yīng)性、易于監(jiān)督及管理、滿足生產(chǎn)能力或需求能力、易于將來發(fā)展、工作環(huán)境的舒適性及安全性和存儲物料的便利性等10個指標(biāo)因素的影響和限制.由該企業(yè)相關(guān)負(fù)責(zé)人和具有5年工作經(jīng)驗以上的布局規(guī)劃專家進(jìn)行評比打分，對光伏組件廠各布局規(guī)劃方案指標(biāo)的評分整理得到特征值xij（見表6）.根據(jù)式（2）對布局規(guī)劃方案各指標(biāo)的特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化特征值yij.根據(jù)式（3）和式（4）計算每個指標(biāo)的熵H和熵權(quán)(w)（見表7）.將熵及熵權(quán)與TOPSIS進(jìn)一步結(jié)合，計算優(yōu)化布局規(guī)劃方案的績效.

表6 布局規(guī)劃方案10個評價指標(biāo)的特征值Tab 6 Features of the 10 evaluation indicators of the layout planning scheme

表7 10個評價指標(biāo)的熵（H）及熵權(quán)（w）Tab 7 Entropy (H) and entropy (w) of 10 evaluation indicators

布局規(guī)劃方案的指標(biāo)得分越高，表明該方案的績效越好，因此根據(jù)式（5）和式（6）得到各布局方案10個指標(biāo)的理想解和反理想解為：P+=（1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1）和P=（0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0）.根據(jù)式（7）和式（8），分別計算各布局方案到理想解和反理想解的距離d+和d?.最后根據(jù)式（9）計算各布局方案的優(yōu)屬度uj，按照優(yōu)屬度最大原則得出各布局規(guī)劃方案績效的最優(yōu)排序，結(jié)果整理得到表8，圖7.

表8 布局規(guī)劃方案與理想解和反理想解的歐式距離及布局規(guī)劃方案績效排序Tab 8 Order of European distance and layout planning performance between layout planning scheme and ideal solution and anti-ideal solution

圖7 布局方案綜合績效排序Fig 7 Layout Scheme Comprehensive Performance Sorting

由表8和圖7可知，采用SLP法進(jìn)行光伏組件廠設(shè)施空間布局規(guī)劃的方案均比原方案的評估績效高，其中布局規(guī)劃方案A的績效排序最高，比原方案績效提高了約2.06倍左右，因此，選擇布局規(guī)劃方案A為光伏組件廠更加優(yōu)化的規(guī)劃布局優(yōu)化方案.

4 結(jié)論

本文采用SLP法對光伏組件廠設(shè)施空間布局規(guī)劃方案進(jìn)行系統(tǒng)化分析，綜合考慮物流、人流關(guān)系和非物流關(guān)系，得出科學(xué)合理的布局規(guī)劃方案，并運(yùn)用熵權(quán)優(yōu)化模型進(jìn)行方案比選，熵權(quán)優(yōu)化模型以熵權(quán)作為評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，并與TOPSIS法進(jìn)行整合優(yōu)化，形成多指標(biāo)決策的優(yōu)化模型，可以避免主觀評價的不確定性和隨意性，并通過實(shí)例驗證該模型的科學(xué)合理性，得出更加優(yōu)化的規(guī)劃布局優(yōu)化方案.創(chuàng)建了一個安全、舒適、科學(xué)、合理有效利用空間和資源的工作環(huán)境，降低了物料搬運(yùn)成本，提高了廠區(qū)內(nèi)物料的流動效率和生產(chǎn)效率.