制造系统生产物流熵模型及应用

在当今全球以”工业4.0”及”智慧工厂1.0”等智能制造为驱动的大背景下，由于电子技术、计算机技术和自动化技术等先进技术的不断应用，使得制造业正在向着数字化、网络化和智能化发展，而此趋势的实现需要以制造信息准确、有效的传递为支撑。本书借鉴国内外相关研究成果，运用耗散结构理论，信息熵理论等相关理论，在调研和分析实际离散制造企业生产物流的基础上，通过建立离散制造企业物流系统熵模型，对离散制造企业以资金流为推动的总体运行状况、生产物流的结构与运行有序性、单元制造的复杂性等进行研究，为企业的生产物流管理提供必要的决策依据和技术支持。基于上述理论与方法的研究成果，通过分析某个制造车间实施单元制造前后的生产物流，应用所建熵模型，对车间生产物流的结构以及运行的有序性、复杂性等进行实证研究，其结果验证了模型的可行性、有效性和实用性。

张志峰，2008年毕业于华中科技大学工业工程专业，获工学博士学位。2012年赴英国牛津大学从事博士后研究并顺利出站。近年来一直从事生产管理及制造系统复杂性研究工作，在国内外权威及重要期刊发表论文15篇（均为第一作者), 其中被SSCI收录1篇(一区), SCI收录8篇（二区以上3篇)，EI 收录5篇。主持国家自然科学基金2项及江西省自然科学基金2项。目前为国家自然科学基金委通讯评审专家；《南昌航空大学学报》编委；国际期刊IJPEM (SCI刊源) 审稿人。

第1章 绪论 1
1.1 本书背景及研究意义 1
1.2 制造企业生产物流研究进展 4
1.2.1 物流的概念 4
1.2.2 生产物流及其特点 6
1.2.3 生产物流管理研究进展 7
1.3 离散制造企业生产物流分析 11
1.3.1 离散制造生产物流基本特征 11
1.3.2 离散制造生产物流要素 12
1.3.3 离散制造生产物流分类与属性 14
1.4 熵理论及其发展 18
1.4.1 平衡态熵理论 18
1.4.2 非平衡态熵理论 20
1.4.3 广义熵理论 20
1.5 企业系统熵理论概述 22
1.5.1 企业系统信息转化的度量 22
1.5.2 企业系统无序与失稳的度量 24
1.5.3 企业系统不确定性的评价与度量 26
1.6 本书主要内容和结构 27

第2章 制造系统生产物流熵模型 31
2.1 制造系统熵结构及相互关系 32
2.1.1 制造系统的熵结构 32
2.1.2 制造系统熵结构的相互关系 34
2.2 制造系统生产物流熵模型 35
2.2.1 熵变模型 36
2.2.2 静态熵模型 38
2.2.3 动态熵模型 39
2.2.4 批量熵模型 42
2.2.5 流程柔性熵模型 43
2.3 本书所建熵模型说明 44
2.4 本章小结 45
第3章 制造系统熵变模型 47
3.1 耗散结构分析 48
3.1.1 耗散结构概念及内涵 49
3.1.2 耗散结构形成的条件 50
3.2 基于尖点突变的企业系统耗散结构模型 53
3.3 制造系统熵变分析 56
3.4 制造系统熵变模型 58
3.5 熵变模型的应用实例 60
3.5.1 数据及计算 61
3.5.2 结果分析 62
3.5.3 结论 63
3.6 本章小结 64
第4章 制造系统生产物流结构熵模型 66
4.1 系统结构熵相关概念 67
4.1.1 系统结构熵研究中存在的问题 67
4.1.2 时效熵及质量熵 68

4.2 生产系统结构熵模型 70
4.2.1 系统结构熵模型的建立 70
4.2.2 生产系统结构熵模型的建立 74
4.2.3 时效熵模型算法 74
4.2.4 质量熵模型算法 75
4.3 有序度定义 77
4.4 结构有序性实例分析 78
4.4.1 两种管理系统组织结构 79
4.4.2 两种组织结构有序度求解 80
4.4.3 结果分析 83
4.5 本章小结 84
第5章 系统生产物流运行熵模型 85
5.1 生产物流运行评价指标体系 86
5.1.1 生产物流系统构成要素 87
5.1.2 评价指标体系的建立 88
5.2 模糊熵概念 91
5.3 生产系统要素条件下运行熵模型 93
5.3.1 特征值及其隶属度矩阵的建立 94
5.3.2 物流运行熵模型的建立 95
5.4 确定生产系统指标权重 97
5.5 运行有序性实例分析 99
5.6 本章小结 102
第6章 制造系统复杂性状态熵模型 104
6.1 制造系统复杂性效用分析 105
6.1.1 制造系统复杂性效用函数 106
6.1.2 制造系统复杂性趋势 107
6.2 单元制造状态熵模型 109
6.2.1 单元制造系统特性 109
6.2.2 单元制造静态熵模型 110
6.2.3 单元制造动态熵模型 112
6.2.4 单元制造平均时间熵 113
6.3 单元制造复杂性实例分析 114
6.4 本章小结 115
第7章 应用实例 116
7.1 车间物流系统分析 118
7.1.1 技改前生产物流系统分析 118
7.1.2 技改后生产物流系统分析 123
7.2 车间生产物流结构有序性分析 126
7.2.1 技改前结构熵及有序度求解 126
7.2.2 技改后结构熵及有序度求解 129
7.2.3 技改前后评价结果分析 131
7.3 车间生产物流运行有序性分析 132
7.3.1 技改前运行熵及有序度求解 133
7.3.2 技改后运行熵及有序度求解 136
7.3.3 技改前后有序性结果分析 138
7.4 车间单元制造复杂性分析 140
7.4.1 单元制造静态熵计算 140
7.4.2 技改前动态熵计算 141
7.4.3 技改后动态熵计算 142
7.4.4 技改前后复杂性分析 143
7.5 本章小结 144
第8章 总结与生产物流研究前景 145
8.1 总结 145
8.2 生产物流研究前景 150
附录A 作者科研成果 152
A.1 公开发表的代表性论文 152
A.2 获得资助的科研项目 153
A.3 科研成果获奖情况 154
参考文献 155

在离散制造系统中，物料、零件等的加工时间只占企业生产过程的很少一部分，大部分时间，物料或零件处于停滞或装卸、搬运、包装和运送等物流过程中。因此，根据制造企业的生产特点，通过有效地控制企业生产物流、合理调配生产物资、优化制造过程等手段，找出合适的生产物流控制方法，进而对由不同控制或优化方法得出的不同方案进行有效的比较与分析，以及对生产系统的运行状态与运行效率进行评价分析，对于恰当地选择更为适合本企业的物流技术方案及准确分析影响企业生产物流的关键因素，从而提升国内制造企业的整体物流水平有着重要的意义。另外，离散制造企业的内、外部环境处于不断变化之中，生产系统具有一定的随机性、模糊性等不确定性特点，而这些不确定性都可以用“熵”这个统一的概念来描述，这也是熵理论用于度量制造企业系统信息的基础。
本书借鉴国内外相关研究成果，运用耗散结构理论、信息熵理论等，在调研和分析实际离散制造企业生产物流的基础上，通过建立离散制造企业物流系统熵模型，对离散制造企业以资金流为推动的总体运行状况、生产物流的结构与运行有序性、单元制造的复杂性等进行评价研究，为企业的生产物流管理提供必要的决策依据和技术支持。
首先，从企业系统信息转化的度量、企业系统的无序与失稳的度量及企业系统不确定性的评价与度量三个方面对企业系统的熵理论进行论述。依据制造企业系统熵结构各组成部分的不同性质进行划分并阐述各部分相互关系。在分析总结国内外熵模型理论研究的基础上，归纳提出制造系统熵模型有熵变模型、静态熵模型、动态熵模型、批量熵模型和流程柔性熵模型五种形式，并讨论说明各自特点及适用范围，为后续熵模型的建立及实施生产物流评价打下基础。
其次，根据突变理论，选取尖点突变模型建立企业系统的耗散结构模型，由此判断企业系统形成耗散结构的条件。应用耗散结构理论，通过对企业系统耗散结构的形成过程及形成条件的分析研究，建立以资金流为推动的企业系统熵变模型。结合企业系统的实际情况，提出具有可操作性的企业系统熵变计算公式，依据所建模型及公式对企业系统的运行状况进行实例评价分析，结果与企业实际发展情况基本吻合。
再次，结合条件熵的性质、特征，依据信息的发送与反馈原则，建立具有动态性和一般性的系统结构熵模型，然后在分析企业生产系统结构特点基础上，对系统结构熵模型进行特例处理，建立生产系统的结构熵模型，使得针对模型的计算求解更具可操作性。针对目前生产物流系统中由于不同生产方式或生产结构所造成的不同的运行状况间缺乏定量评价与比较方法的问题，从模糊熵概念出发，依据信息熵原理及有序度定义，建立生产系统要素条件下物流运行熵模型，同时从生产物流系统构成要素角度确立生产系统运行评价指标体系。另外，通过实例较好地验证了使用此定量分析方法来评价生产物流系统运行有序性的合理性，并扩展此类运行熵模型的应用范围。
另外，本书还对制造系统复杂性的效用进行深入分析，通过制造系统复杂性与效用函数的相互关系及其随时间的发展变化趋势来说明复杂性对制造系统的影响并提出相应的应对策略。在信息熵理论的基础上，分别建立单元制造系统的静态熵与动态熵模型，并对制造资源的状态认定进行说明。
最后，基于上述理论与方法研究成果，通过分析某个制造车间实施单元制造前后的生产物流，应用所建熵模型，对车间生产物流的结构及运行的有序性、复杂性等进行定量分析研究，其结果验证了模型的可行性、有效性和实用性。
本书主要有以下三个特点。
一是从选题来看，具有新颖性和迫切性。本书利用信息熵建模的方法对生产物流系统的结构与运行进行分析和测度，属国内首部从信息熵建模角度对制造系统生产物流信息进行定量化研究的著作。另外，当前国内将生产物流信息本身作为研究对象的少之又少，因此，迫切需要将其作为研究对象深入探究并逐步形成一个完整的研究体系，为生产物流系统的科学管理与决策打下一个坚实的理论基础。
二是从内容与结构来看，具有逻辑性和系统性。全书共8章。第1章，绪论，从本书的研究背景和意义出发，在梳理制造系统生产物流及熵理论研究进展的基础上，对制造系统的生产物流特征进行了深入探讨和分析；第2章，制造系统生产物流熵模型概述；第3章，制造系统熵变模型；第4章，制造系统生产物流结构熵模型；第5章，制造系统生产物流运行熵模型；第6章，制造复杂性状态熵模型；第7章，应用实例；第8章，总结与生产物流研究前景。
三是从理论性与实践性来看，既有理论上的创新，也重视所研究理论成果在实践中的检验与应用。在本书的理论研究中，既深化与扩展了有对控制论中的信息传递与发送原理、非线性理论等研究方法，也丰富了生产制造系统的优化理论等。在应用研究过程中，以某国有制造企业的机加车间实施单元制造技术改造前后为背景，将上述理论成果应用到此加工车间中检验其可行性和有效性，这些理论与实践都可为制造系统的生产优化和运行管理提供必要的决策依据和理论支持。
本书是作者主持完成的两项国家自然科学基金项目的一次系统、全面的归纳和总结。在当今全球以“工业4.0”及“智慧工厂1.0”等智能制造为驱动的大背景下，由于电子技术、计算机技术和自动化技术等先进技术的不断应用，制造业正向着数字化、网络化和智能化发展，而此趋势的实现需要以制造信息的准确、有效传递为支撑。因此，制造信息在制造企业的生产与管理中所起的作用则愈加凸显。然而，当前我国装备制造业的一个突出现实却是：随着装备自动化水平的提高，其柔性和加工潜力得到了充分开发，单机生产性能得到了极大提高，其加工效率远高于生产系统的运行效率，尤其是对生产系统运行效率具有极大影响的生产物流信息的管理十分落后，存在不同物流环节之间信息沟通不畅、信息分散、信息准确性差、传递速度慢等现象，严重制约了生产率的提高。鉴于此，本书试图通过对相关领域的理论与应用研究，为制造信息准确、有效地为生产物流系统的科学管理及决策提供理论依据，进而显著提升生产系统的运行效率，也为这个当前学术界和工业界热点问题的解决起到抛砖引玉的作用。