劉洪偉，申玲彩

(天津大學(xué)，天津 300072)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是衡量一國綜合國力和工業(yè)水平的重要指標(biāo)。從建國初期到現(xiàn)在，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)由小到大，至2010年成為名副其實(shí)的鋼鐵大國［1］。近年來我國經(jīng)濟(jì)增速放緩，鋼材需求量逐漸減少，客戶對(duì)鋼材的品種、規(guī)格需求越來越多樣化，呈現(xiàn)多品種、小批量的特點(diǎn)。同時(shí)，鋼鐵企業(yè)長期粗放式管理存在的問題凸顯出來:以預(yù)測為主的推式生產(chǎn)導(dǎo)致產(chǎn)能極度過剩、庫存量大，物料停滯形式和時(shí)間較多;生產(chǎn)穩(wěn)定性差，部分合同不能按時(shí)交貨;能源消耗多，環(huán)境污染嚴(yán)重。鋼鐵企業(yè)效益大幅下滑，甚至有些企業(yè)發(fā)生嚴(yán)重虧損［2］。為度過鋼鐵行業(yè)的寒冬時(shí)期，企業(yè)必須以最快的生產(chǎn)速度、最好的產(chǎn)品質(zhì)量、最低的生產(chǎn)成本、最優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)來滿足不同顧客的需求［3］。為此，企業(yè)必須具有準(zhǔn)時(shí)、柔性的生產(chǎn)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)、柔性的生產(chǎn)，安鋼［4］、邯鋼［5］等鋼鐵企業(yè)紛紛開始由傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向精益生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。精益生產(chǎn)關(guān)注現(xiàn)場流動(dòng)性，通過對(duì)設(shè)備、人員等方面能力的強(qiáng)化，提升現(xiàn)場物的流動(dòng)性水平。物的流動(dòng)伴隨著信息流的產(chǎn)生，反之，信息流又可以影響物流，因而快速反饋的信息能夠用來控制和調(diào)節(jié)物流，這就使得決策層不僅能了解結(jié)果，而且也能了解過程，實(shí)現(xiàn)信息的可追溯性，從而做出準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的判斷和決策［6］?；阡撹F行業(yè)普遍的長流程特性，其生產(chǎn)過程控制較復(fù)雜，因此準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的生產(chǎn)信息的反饋對(duì)于生產(chǎn)管理十分重要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被看作是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后全球信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命性浪潮，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。首鋼、寶鋼、武鋼等企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的探索，效果顯著?，F(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并未得到廣泛的使用，Irwin［7］，Gordon［8］等對(duì)影響物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采納的因素進(jìn)行了分析，得出組織因素、外部環(huán)境、安全性等是影響物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被接受的主要因素。但現(xiàn)有研究多屬于定性分析，而從生產(chǎn)現(xiàn)場角度出發(fā)，定量分析企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度的文章未見報(bào)道。本文從生產(chǎn)現(xiàn)場流動(dòng)性水平角度出發(fā)，基于熵權(quán)－TOPSIS法建立衡量鋼鐵企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度的模型，為鋼鐵企業(yè)正確衡量自身能力，以決定是否應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的決策提供一定的參考。

1 問題分析

鋼鐵企業(yè)是典型的制造企業(yè)。自2000年以來，國內(nèi)大部分鋼鐵冶金企業(yè)都實(shí)施了信息化系統(tǒng)選型及建設(shè)。然而，由于在信息采集、數(shù)據(jù)分析、流程優(yōu)化等方面仍然需要較多人工干預(yù)，導(dǎo)致信息系統(tǒng)和企業(yè)基礎(chǔ)物流信息采集脫節(jié)。為實(shí)現(xiàn)物流與信息流的同步，提升現(xiàn)場流動(dòng)性水平，企業(yè)需要一種可以自動(dòng)、及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取生產(chǎn)現(xiàn)場信息的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過射頻識(shí)別系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把物品與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的技術(shù)［9］。然而，由于企業(yè)的流動(dòng)性水平不同，故物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果存在差異，企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度也不同。當(dāng)生產(chǎn)流動(dòng)性水平較低時(shí)，基礎(chǔ)管理能力的提升是企業(yè)發(fā)展的要?jiǎng)?wù)，新技術(shù)的應(yīng)用效果并不顯著，因此，企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求較小;隨著流動(dòng)性水平的逐步提升，企業(yè)基礎(chǔ)管理能力相應(yīng)增強(qiáng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)流動(dòng)性水平的提高作用顯著，因此，企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求逐漸增大，并在一定范圍內(nèi)趨于平穩(wěn);當(dāng)生產(chǎn)流動(dòng)性達(dá)到一定水平后，技術(shù)的作用將會(huì)減弱，企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度也會(huì)降低到某一水平。圖1為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度與企業(yè)流動(dòng)性水平關(guān)系的趨勢(shì)圖。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度與流動(dòng)性水平關(guān)系

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度與流動(dòng)性水平之間的函數(shù)關(guān)系未見研究，參照?qǐng)D1的圖形走勢(shì)，本文推薦以下函數(shù):當(dāng)a≤D＜d時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度與流動(dòng)性水平的關(guān)系曲線接近于S型。自20世紀(jì)60年代以來，S曲線增長模型出現(xiàn)了多種形式，其中典型形式有3種:Gompertz模型、Logistic模型與Bass模型［10］。Bass模型和Logistic模型中曲線關(guān)于拐點(diǎn)對(duì)稱，而Gompertz模型中的曲線關(guān)于拐點(diǎn)不對(duì)稱。Bass模型的參數(shù)都有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義，而Gompertz模型和Logistic模型的參數(shù)不具備明確的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義［11］。本文采用 Gompertz模型描述［a，d］區(qū)間上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度與流動(dòng)性水平的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)D＞d時(shí)，選取對(duì)數(shù)拋物線(log y=a+bt+ct2)描述需求程度與流動(dòng)性水平之間的函數(shù)關(guān)系，則物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度與流動(dòng)性水平之間的函數(shù)關(guān)系如下:

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度模型

2.1 流動(dòng)性水平評(píng)價(jià)

2.1.1 流動(dòng)性指標(biāo)的選取

20世紀(jì)70年代，美國麻省理工學(xué)院在一項(xiàng)名為“國際汽車計(jì)劃”的研究項(xiàng)目中通過大量的調(diào)查和對(duì)比研究后，認(rèn)為日本豐田汽車公司的生產(chǎn)方式是最適于現(xiàn)代制造企業(yè)的一種生產(chǎn)組織管理方式，并將其稱為“精益生產(chǎn)”。精，即少而精，不投入多余的生產(chǎn)要素，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間生產(chǎn)必要數(shù)量的客戶需要的產(chǎn)品(或下道工序需要的產(chǎn)品);益，即所有經(jīng)營活動(dòng)都要有益有效，具有經(jīng)濟(jì)性。作為精益生產(chǎn)方式核心理念和主要實(shí)現(xiàn)方法的是“一個(gè)流”生產(chǎn)，即在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)各工序只有一個(gè)工件在流動(dòng)，使物料從毛坯到成品的加工過程始終處于不停滯、不堆積、不超越的流動(dòng)狀態(tài)，是一種工序間在制品數(shù)量趨向于0的生產(chǎn)組織方式，也是每一個(gè)制造企業(yè)追求的理想的生產(chǎn)狀態(tài)?！耙粋€(gè)流”生產(chǎn)模式如圖2所示。

圖2 “一個(gè)流”生產(chǎn)模式

鋼鐵企業(yè)全生產(chǎn)過程通常包含煉鐵、煉鋼、軋鋼3部分。每一部分又包含許多工序環(huán)節(jié)，流程長，環(huán)境差。由于長期粗放式的管理，現(xiàn)場流動(dòng)性受到了極大的影響，物品停滯現(xiàn)象嚴(yán)重，占用了大量的資金。為保證生產(chǎn)的流動(dòng)性，各工序需嚴(yán)格按照一定的節(jié)拍生產(chǎn)，各道工序的生產(chǎn)節(jié)拍不一致會(huì)造成產(chǎn)品積壓和停滯。同時(shí)，為保證各工序按既定的節(jié)拍生產(chǎn)，每道工序都應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)，工序在制品的數(shù)量應(yīng)為下道工序需要的數(shù)量［12］。因此，選取工序節(jié)拍一致性、工序作業(yè)時(shí)間穩(wěn)定性和工序間在制品庫存周期作為衡量工序流動(dòng)性的重要指標(biāo)。定義如下:

1)工序節(jié)拍一致性xi1

工序節(jié)拍是指生產(chǎn)線上某道工序相鄰兩件同樣制品投入或出產(chǎn)的間隔時(shí)間。生產(chǎn)的順暢進(jìn)行需各工序節(jié)拍一致。設(shè)某生產(chǎn)線有n個(gè)工序，節(jié)拍為Tg，工序wi的實(shí)際節(jié)拍為，則工序節(jié)拍一致性為

2)工序作業(yè)時(shí)間穩(wěn)定性xi2

設(shè)工序wi的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)為，實(shí)際加工時(shí)間為，工序作業(yè)時(shí)間的穩(wěn)定性為

3)工序間在制品庫存周期xi3

工序間在制品存貨周期是指上物料從上道工序加工完成到下道工序使用的平均時(shí)間。設(shè)工序wi與wi+1之間在制品數(shù)量為qi，第j個(gè)物料存儲(chǔ)時(shí)間為，則工序間在制品周期為

綜上所述，具有n個(gè)工序的生產(chǎn)過程流動(dòng)性狀態(tài)矩陣為

2.1.2 方法選擇

在管理領(lǐng)域進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法很多。在數(shù)以百計(jì)的多目標(biāo)評(píng)價(jià)方法中，常用的有層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法、逼近理想解的排序方法(TOPSIS)、ELECTRE法和專門用于效益評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)等［13］。層次分析法以系統(tǒng)分層分析為手段，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象總的目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)性分解，通過兩兩比較確定各層子目標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)最下層目標(biāo)的組合權(quán)重定權(quán)，加權(quán)求出綜合指數(shù)，依據(jù)綜合指數(shù)的大小來評(píng)定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況，適用于總目標(biāo)不確定且分解的各目標(biāo)層次適中時(shí)［14］。模糊評(píng)價(jià)法運(yùn)用模糊關(guān)系合成原理將模糊概念定量化，以此對(duì)評(píng)判對(duì)象的優(yōu)劣等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，常用于不能準(zhǔn)確度量的事物的評(píng)價(jià)［15－17］。TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)是一種解決多屬性決策問題的常用方法，其原理是通過計(jì)算備選方案與理想解和負(fù)理想解的相對(duì)距離來進(jìn)行排序優(yōu)選。理想解是方案集中虛擬的最佳方案，負(fù)理想解是虛擬的最差方案。將各個(gè)備選方案與理想解和負(fù)理想解的距離進(jìn)行比較，既靠近理想解又遠(yuǎn)離負(fù)理想解的方案就是整個(gè)方案集中的最佳方案［18－19］。為避免主觀判斷確定指標(biāo)權(quán)重方法的不足，本文采用熵權(quán)－TOPSIS法進(jìn)行鋼鐵企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度的評(píng)價(jià)。

熵權(quán)－TOPSIS法的主要步驟為［20］:

1)構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣。由式(5)可知，有n道工序的生產(chǎn)現(xiàn)場流動(dòng)性狀態(tài)矩陣為

2)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化。由于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，為了便于比較，需要用以下公式對(duì)其進(jìn)行歸一化處理:

3)利用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重。在信息論中，信息熵是系統(tǒng)無序程度的度量，信息熵定義為

式中n為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)。

一般說來，綜合評(píng)價(jià)中某項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值變異程度越大，信息熵越小。該指標(biāo)提供的信息量越大，該指標(biāo)的權(quán)重就越大;反之，該指標(biāo)的權(quán)重越小。

第j項(xiàng)指標(biāo)的熵為

指標(biāo)的差異度為

熵權(quán)為

4)構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)評(píng)價(jià)矩陣Z。其元素為

5)確定理想解和負(fù)理想解。正理想解U+=[，，]，代表工序節(jié)拍一致性的最優(yōu)解。由式(1)可知=1，代表工序作業(yè)時(shí)間穩(wěn)定性的最優(yōu)解。由式(2)可知=1代表工序間在制品周期的最優(yōu)解。工序間在制品周期的最優(yōu)解應(yīng)為0或?yàn)楣に囈蟮闹芷?，參照具體產(chǎn)品類型確定。由于負(fù)理想解可以無限小，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有水平，取各工序的最低水平組成負(fù)理想解，則負(fù)理想解為

6)計(jì)算每個(gè)工序指標(biāo)實(shí)際值與理想解U+和負(fù)理想解U－的歐式距離:

7)計(jì)算各工序TOPSIS評(píng)價(jià)值。各工序TOPSIS評(píng)價(jià)值如下:

則各工序的流動(dòng)性評(píng)價(jià)結(jié)果為

8)依據(jù)約束理論，現(xiàn)場的流動(dòng)性水平為

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度計(jì)算

由式(2)～(9)計(jì)算得到有n道工序的現(xiàn)場流動(dòng)性水平為D，由假設(shè)式(1)可知:

當(dāng)a≤D＜d時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度為

當(dāng)d≤D＜1時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度為

3 算例分析

為獲取評(píng)價(jià)所需的信息，需在現(xiàn)場進(jìn)行寫實(shí)調(diào)查。物與信息流動(dòng)圖是精益生產(chǎn)實(shí)施的主要工具，它可以詳細(xì)描述生產(chǎn)過程中的配供料時(shí)間、生產(chǎn)工序轉(zhuǎn)換時(shí)間、停工等待時(shí)間、在制品庫存、原材料移動(dòng)和信息流等。

B鋼鐵是國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)之一，通過對(duì)煉鋼廠進(jìn)行寫實(shí)，整理得到物與信息流動(dòng)圖(見圖3)。為避免一次寫實(shí)的偶然性，本文數(shù)據(jù)為多次寫實(shí)后的平均值。煉鐵廠的鐵水經(jīng)鐵路運(yùn)輸至煉鋼廠，經(jīng)脫硫扒渣、轉(zhuǎn)爐煉鋼、精煉、澆鑄等工序后形成鑄坯最終運(yùn)往軋鋼廠。為保證鑄坯質(zhì)量，煉鋼廠澆鑄時(shí)拉速恒定，故節(jié)拍由澆注的需求決定。寫實(shí)中連鑄機(jī)每44 min完成1包鋼水的澆鑄，因此節(jié)拍時(shí)間Tg=44分。

圖3 B煉鋼廠物與信息流動(dòng)圖

根據(jù)式(2)可得脫硫扒渣、轉(zhuǎn)爐煉鋼、精煉各工序的節(jié)拍一致性為:

根據(jù)式(3)可知脫硫扒渣、轉(zhuǎn)爐煉鋼、精煉和澆鑄各工序的作業(yè)時(shí)間穩(wěn)定性為:

根據(jù)寫實(shí)可知脫硫扒渣、轉(zhuǎn)爐煉鋼、精煉和澆鑄各工序間的在制品存貨周期為:

評(píng)價(jià)矩陣如下:

根據(jù)步驟2)得歸一化后的評(píng)價(jià)矩陣為

根據(jù)步驟3)計(jì)算得到各指標(biāo)的熵值、差異度、熵權(quán)值，見表1。

表1 各指標(biāo)熵值、差異度、熵權(quán)值

根據(jù)步驟4)，構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)評(píng)價(jià)矩陣Z。

根據(jù)步驟 5)可得:理想解U+=[0.46，0.46，0];負(fù)理想解U－=[0，0，0.042]。

根據(jù)步驟6)計(jì)算得各工序與理想解的歐式距離為:

各工序與負(fù)理想解間的歐式距離為:

根據(jù)式(14)，計(jì)算得到各工序的 TOPSIS值為:

根據(jù)約束理論，該煉鋼廠現(xiàn)場流動(dòng)性水平D=0.65。

假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度I與流動(dòng)性水平之間的函數(shù)關(guān)系為

則該煉鋼廠物聯(lián)技術(shù)需求程度I=0.9467。

4 結(jié)論與展望

鋼鐵行業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，但由于信息系統(tǒng)與生產(chǎn)物流信息采集脫節(jié)，信息系統(tǒng)的作用并未得到充分展示，因此許多鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)能力并未得到明顯的改善。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的到來為鋼鐵企業(yè)發(fā)展提供了新的可能。但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國處于起步階段，還沒有廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。眾多學(xué)者已經(jīng)就影響物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的因素進(jìn)行探索，但并未從生產(chǎn)現(xiàn)場出發(fā)，將企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度給予定量評(píng)價(jià)。本文首先通過現(xiàn)場流動(dòng)性與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度關(guān)聯(lián)性分析，提出了基于流動(dòng)性水平計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度的方法，然后從精益視角出發(fā)，選取工序節(jié)拍一致性、工序作業(yè)時(shí)間穩(wěn)定性和工序間在制品庫存周期衡量現(xiàn)場流動(dòng)性水平，應(yīng)用熵權(quán)－TOPSIS法進(jìn)行定量分析，得出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求程度，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用相關(guān)研究提供了新的方向。本文基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析得出流動(dòng)性水平和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求程度關(guān)系的假設(shè)，但在后續(xù)研究中還需進(jìn)一步研究。

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