邵家偉,張 浩,蘇 翔

(江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)

近年來,船舶運輸由于載量大、價格低等優(yōu)點頗受企業(yè)追捧,各類船舶的需求量迅速增加．在需求的推動下,國內(nèi)外訂單量不斷飆升,世界船舶制造企業(yè)得到迅猛發(fā)展,生產(chǎn)和管理技術(shù)都獲得了顯著的提升．然而國際船舶制造業(yè)的發(fā)展也是中國造船業(yè)面臨的巨大機遇，因此,國內(nèi)船舶制造企業(yè)抓住時機,改革創(chuàng)新,發(fā)展迅速，到2016年,我國制造行業(yè)新接和手持訂單量均位居世界第一,份額分別為65.2%和43.9%[1]．在整個船舶制造過程中,船體裝配過程繁雜,且裝配工時占了建造總工時的1/2左右,可見其對整船工期影響較大．而工時是船舶制造企業(yè)的核心數(shù)據(jù),作為紐帶貫穿于生產(chǎn)管理系統(tǒng),工時測算不準(zhǔn)確將影響整個生產(chǎn)管理活動,例如計劃制定、生產(chǎn)調(diào)度、勞務(wù)結(jié)算等．但是當(dāng)前國內(nèi)船舶制造企業(yè)在工時測算方面由于過度依賴人工經(jīng)驗和定額手冊,導(dǎo)致測算結(jié)果不準(zhǔn),與實際情況脫節(jié)．致使企業(yè)管理粗放,并阻礙對生產(chǎn)潛力的挖掘,最終給船舶制造企業(yè)帶來無法估量的損失[2]．因此,對船舶分段裝配工時定額估算的研究對于促進我國船舶制造企業(yè)精細(xì)化管理意義重大．

國內(nèi)外很多學(xué)者對工時定額進行深入研究．在船舶制造方面:文獻[3]對工種進行細(xì)分,并建立工時定額測算模型,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對工時進行智能測算;文獻[4]基于案例推理法(case-based reasoning,CBR)對鐵舾件細(xì)分工種安裝的相似性,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法推算出鐵舾件舾裝工時定額;文獻[5]基于產(chǎn)品相似性檢索規(guī)則,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取產(chǎn)品工時規(guī)律,并開發(fā)了船舶裝配工時智能測算系統(tǒng);文獻[6]從事物特征表的相似零件識別出發(fā),提出一種基于案例推理和事物特征表的零件工時估算方法;文獻[7]對設(shè)計工時中的圖紙作業(yè)和非圖紙作業(yè)進行研究,建立圖紙作業(yè)工時模型和非圖紙作業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型;文獻[8]從能量守恒思想出發(fā)根據(jù)焊絲(焊條)物理特性,建立相應(yīng)的知識庫或者推理機,實現(xiàn)了焊接工時的智能化測算;文獻[9]在深入分析管系設(shè)計數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上,構(gòu)建設(shè)計物量自動化抽取模型,并用知識庫邏輯推理實現(xiàn)工時定額的精確測算;文獻[10]研究作業(yè)工序特征，并運用測算模型對作業(yè)工時進行誤差分析;文獻[11]基于工作和基元理論研究，建立了工時估算模型,優(yōu)化工時定額測算步驟;文獻[12-14]運用BP算法進行船舶制造工時的測算,實現(xiàn)了工時定額的智能測算;文獻[15]通過重置物料清單(bill of material,BOM)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了裝配BOM的高效轉(zhuǎn)換．在其他制造型行業(yè):文獻[16]面向零件特征層,從零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度和工藝屬性復(fù)雜度出發(fā),針對作業(yè)要素層和操作者認(rèn)知層,引入信息熵評價生產(chǎn)要素復(fù)雜度和操作認(rèn)知復(fù)雜度;文獻[17]將裝配工時按特性分為取料時間、定位時間和連接時間,提取影響各部分工時的關(guān)鍵因素,通過計算樣本與基準(zhǔn)零件的裝配相似系數(shù),結(jié)合在MATLAB中構(gòu)建擬合的工時曲線,在函數(shù)關(guān)系式和GM(0,N)模型中分別預(yù)測定位時間和連接時間；文獻[18]以案例推理理論為基礎(chǔ),研究零件相似度與工時之間的內(nèi)在關(guān)系,提出了零件相似度的工時估算新方法.

因此,文中針對船舶裝配工序,考慮環(huán)境因素及特征相似性,為船舶裝配工時的計算提供一種客觀有效的估算方法．

1 船舶裝配工時估算路徑和模型構(gòu)建

1.1 船舶裝配工時影響因素分析

船舶裝配以裝配設(shè)計圖紙為標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范操作,其作業(yè)步驟和流程有著嚴(yán)格的要求．船舶相同位置且結(jié)構(gòu)相似的分段所含有的裝配組成相同或者相似,這也就意味著其所采用的裝配工藝也相同或相近．因此,這些結(jié)構(gòu)組成相同或相似的分段裝配消耗應(yīng)具有一定的規(guī)律以及可學(xué)習(xí)性．為了準(zhǔn)確、快速地計算分段裝配總工時,對船舶結(jié)構(gòu)組成特點以及工藝特征進行綜合分析,最終得出影響裝配工時的主要因素有:

(1) 裝配件的長度L．裝配件長度越長,裝配所需的定位焊數(shù)目也就越多,所需時間越長;此外,長度越長,工人操作時的不穩(wěn)定性增加,時間越長．

(2) 裝配件的寬度D．寬度越寬對工人裝配時身位的阻礙越大,增加工人移動的困難程度,所以時間越長．

(3) 裝配件的質(zhì)量W．裝配件質(zhì)量越大,增加了吊運的負(fù)荷和不穩(wěn)定性,同時裝配件在翻身的過程中耗費的時間越長．

(4) 裝配件所需螺栓數(shù)目B．螺栓數(shù)目越多,所需工人操作的次數(shù)越多,時間越長．

此外,裝配工作是一個涉及人、機、料、環(huán)、法的過程,在工時測算過程中環(huán)境因素往往直接被忽略,但根據(jù)專家的經(jīng)驗,環(huán)境對于裝配工時的影響依舊很大．環(huán)境是指工人在工作時所處的工作環(huán)境和自然環(huán)境,工作環(huán)境主要包括技術(shù)條件、生產(chǎn)管理水平、企業(yè)人文、員工職業(yè)技術(shù)能力等;自然環(huán)境主要是自然溫度、噪音、震動、不可抗力因素等．而船舶裝配基本上都是人工操作,身處自然和工作兩大環(huán)境當(dāng)中,冷暖等問題時有發(fā)生,所以必不可少會受到環(huán)境因素的影響．例如一個工人身處自動化程度高的作業(yè)環(huán)境,較好的技術(shù)條件可以極大提高工作效率；相反,如果技術(shù)條件落后,生產(chǎn)效率必將受到限制．

1.2 研究線路

(1) 依據(jù)船舶制造企業(yè)基本編碼體系編寫智能抽取編碼,形成基于工序特征的智能抽取編碼體系,實現(xiàn)對作業(yè)工序的精確定位．

(2) 以工序作業(yè)對象特征為起點,利用相似算法計算出對象特征不同屬性值的相似度,并匯總成特征總相似度,為智能抽取數(shù)據(jù)提供可靠性保障,保證抽取數(shù)據(jù)的有效性．

(3) 結(jié)合熵權(quán)法和群決策理論計算環(huán)境系數(shù),并以此對抽取的相似歷史數(shù)據(jù)進行環(huán)境系數(shù)修正,得到修正后的工時數(shù)據(jù)．

(4) 運用SPSS軟件對修正后的工時數(shù)據(jù)進行線性回歸分析,擬合裝配特征與工時之間的函數(shù)關(guān)系,結(jié)合環(huán)境系數(shù)得到最終的裝配工時估算公式．以Z船舶制造企業(yè)數(shù)據(jù)為例,將實際工時與文中方法計算出的工時對比,驗證該方法的有效性．考慮環(huán)境因素及特征相似性的船舶裝配工時估算方法技術(shù)路線圖如圖1．

圖1 考慮環(huán)境因素及特征相似性的船舶工時估算方法技術(shù)路線Fig.1 Technical route of ship man hour estimation method considering environmental factors and feature similarity

1.3 數(shù)據(jù)抽取模型

文中基于編碼技術(shù)對裝配工序進行編碼分類,并在歷史數(shù)據(jù)庫中進行編碼匹配,對相同船型的相同工序進行精確定位,以獲取相似裝配工藝特征的歷史數(shù)據(jù),為擬合裝配特征及裝配工時之間的關(guān)系奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．國內(nèi)船舶制造企業(yè)的編碼標(biāo)準(zhǔn)繁多,而且大多數(shù)并不統(tǒng)一,文中只做示意性介紹,以解釋每個部分代碼的涵義,如圖2．

工序編碼一共分為7部分,分別是船型、分段號、施工階段、工序、施工類型、施工區(qū)、工種劃分．第一部分是對船型的確定,每一艘船都有固定且唯一的船型編號;第二部分是定位分段;第三部分是對施工階段的劃分,主要分為9個施工階段;第四部分是確定工序,工序包含主工序、輔工序;第五部分是界定施工類型,包括常規(guī)、修改、雜項、工程四大類,其編碼均以首字母表示;第六部分是劃分施工區(qū),包括7個區(qū)域,如機艙區(qū)域、貨艙區(qū)域、上層建筑區(qū)域等;第七部分是對工種的劃分．可以看出編碼的主要目的是為了對相同船型相同工序的定位和特征信息的確定,以保證抽取數(shù)據(jù)的可靠性．編碼分類如表1．

表1 示意編碼分類Table 1 Schematic coding classification

例如A-101-03-A-C-E-04表示散貨船船體階段101分段加工階段機艙結(jié)構(gòu)件裝配工序．?dāng)?shù)據(jù)抽取結(jié)束之后,再依據(jù)從企業(yè)歷史庫中抽取歷史案例的工序特征數(shù)據(jù)計算相似性．

1.4 相似性算法

一般案例推理(case-based reasoning, CBR)中常見的相似性檢索方法包括模板檢索法、知識引導(dǎo)法、最近相鄰策略法以及歸納法等方法[19],但是沒有現(xiàn)成的模板，以及缺乏大量的數(shù)據(jù),因此在已知工時影響因素時,最適合文中方法是知識引導(dǎo)法．

在運用編碼對工序進行分段、施工階段、工種等對象的確認(rèn)后,計算裝配零構(gòu)件每道工序特征信息的相似度．如果影響此零構(gòu)件裝配工時的因素是寬度、長度和重量,那么就利用相對應(yīng)的數(shù)據(jù)計算寬度、長度和重量的相似度,然后對所有特征信息的相似度進行加權(quán)求和,得到整個工序的總的相似度,如Ta、Tb分別為相似工序A和B同屬性特征值,則其特征相似度S為:

(1)

但是在每道工序中,每個影響因素對工時的影響程度有大有小,如果每個影響因素的權(quán)重都是一樣,那么測算出來的相似度有失準(zhǔn)確度．因此,文中采用專家打分法按重要性對每個影響因素進行打分,并賦予每個影響因素相應(yīng)的權(quán)重ω,從而有效區(qū)分影響因素之間的差別,且賦予的權(quán)值滿足ω1+ω2+…+ωn=1．

例如裝配件A、B特征信息為長度L、寬度D和重量H,這3個因素對工時的影響程度不一,所以需要專家對其性進行打分,并分配權(quán)重ωL、ωD、ωH,且ωL+ωD+ωH=1，則該工序3個影響因素的相似度SL、SD、SH分別為：

(2)

最后,工序A、工序B的相似度為所有影響因素相似度的加權(quán)總和,即S=SL+SD+SH．根據(jù)求得的總相似度在抽取的數(shù)據(jù)中匹配最具相似性的多組數(shù)據(jù),為數(shù)據(jù)處理和擬合做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備．為保證相似數(shù)據(jù)的有效性,設(shè)定相似度閾值為0.9和1.1,只有滿足S∈(0.9，1)∪(1，1.1)時,規(guī)則才會觸發(fā),即數(shù)據(jù)被選取．

2 環(huán)境系數(shù)評價體系

2.1 環(huán)境影響大小衡量

環(huán)境可以定義為員工在進行某項作業(yè)時所處的作業(yè)環(huán)境，是外力因素,包括工作環(huán)境和自然環(huán)境：工作環(huán)境主要包括技術(shù)條件、生產(chǎn)管理水平、企業(yè)人文、員工職業(yè)技術(shù)能力等;自然環(huán)境主要是自然溫度、噪音、震動、不可抗力因素等．環(huán)境評價指標(biāo)如表2,其中f1～f5為工作環(huán)境影響因素,f6～f9為自然環(huán)境影響因素．根據(jù)船廠技術(shù)人員總結(jié)經(jīng)驗,環(huán)境對員工作業(yè)的影響主要體現(xiàn)在舒適度上,越舒適的環(huán)境影響因素越小,就越接近標(biāo)準(zhǔn)操作的環(huán)境[20]．

表2 環(huán)境評價指標(biāo)Table 2 Evaluation indexes of environment

2.2 確定環(huán)境系數(shù)指標(biāo)權(quán)重

熵值法能夠有效地規(guī)避人員主觀因素對評價所帶來的偏差,便于反映評價指標(biāo)熵值的效用,因此,由熵值法得到的評價指標(biāo)權(quán)重可信度比賦值法等可信度更高[21]．

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)由n個評價對象以及k個評價指標(biāo),評價專家給出的評價矩陣為B=(bij)n×k,bij為評價專家對評價指標(biāo)i的第j個評價對象的評價值．標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(rij)n×k．

(3)

(4)

2.2.2 評價指標(biāo)熵值的定義

設(shè)指標(biāo)i的熵值為:

(5)

式中：pj為第j項指標(biāo)的熵值，j=1,2,…,k;hij為第j項指標(biāo)第i個方案所占的比重.

2.2.3 評價指標(biāo)熵權(quán)的定義

設(shè)評價指標(biāo)i的熵權(quán)為:

(6)

2.3 確定評價專家權(quán)重

2.3.1 計算評價結(jié)果的接近程度

采用兩個向量夾角的余弦來求解兩個不同的評價人員對于同一對象同一指標(biāo)評估值的接近程度,余弦表示為:

(7)

2.3.2 一致性指標(biāo)的定義

(1) 定義群體一致性指標(biāo)

(8)

(2) 定義個體一致性指標(biāo)

(9)

式中:m為評價專家總?cè)藬?shù)；T為評價指標(biāo)集合；μ(i,j)、φ(i,j)分別為評價評價專家i和j對于同一對象同一指標(biāo)評價結(jié)果的接近程度．若cosθijb,則φ(i,j)=0；若cosθij≤b,則φ(i,j)=1．

2.3.3 計算評價專家權(quán)重

評價專家權(quán)重為:

(10)

2.4 確定環(huán)境系數(shù)

工作環(huán)境系數(shù)為:

(11)

式中:I為環(huán)境系數(shù)；n為評價專家的人數(shù)；m為評價指標(biāo)的個數(shù)；ωj為指標(biāo)j的權(quán)重；ρi為評價專家i的權(quán)重;cij為評價專家i對評價指標(biāo)j的評價結(jié)果．

3 應(yīng)用分析

Z船舶制造企業(yè)是國內(nèi)一家集產(chǎn)品設(shè)計、制造為一體的船舶制造企業(yè),具有悠久的歷史．但由于船舶制造不可控因素較多,生產(chǎn)計劃變動較大,尤其在裝配工程中,嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)管理和計劃安排,導(dǎo)致生產(chǎn)紊亂．為了準(zhǔn)確有效地進行生產(chǎn)管理,Z企業(yè)需要快速提升生產(chǎn)工時測算的準(zhǔn)確性．多年的生產(chǎn)制造下,Z企業(yè)積累了大量的船舶裝配工時數(shù)據(jù),為研究提供了條件．

如表2,選用裝配階段槽鋼的安裝工序進行案例說明,首先由編碼體系通過TRIBON軟件抽取出相同安裝工序的作業(yè)數(shù)據(jù)．抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2．

圖2 抽取數(shù)據(jù)Fig.2 Extracted data

然后根據(jù)式(1)求解總相似度的方法和待求數(shù)據(jù)(表3第13號數(shù)據(jù))從抽取數(shù)據(jù)中挑選出最具相似度的案例數(shù)據(jù)(表3第1～12號數(shù)據(jù))．同時邀請5位專家對環(huán)境影響因素進行評價打分,計算環(huán)境系數(shù),并用環(huán)境系數(shù)修正數(shù)據(jù),將環(huán)境影響因素剝離,然后運用SPSS軟件進行回歸擬合訓(xùn)練,結(jié)合環(huán)境系數(shù)得出最終裝配工時函數(shù),最后將新的具有相似性的事例數(shù)據(jù)帶入,求解出裝配工時,并與實際反饋的工時進行對比,驗證準(zhǔn)確性.

表3 相似數(shù)據(jù)Table 3 Similar data

由專家根據(jù)企業(yè)自身情況選出影響裝配工時最主要的因素(作業(yè)技術(shù)條件、生產(chǎn)管理水平、工人職業(yè)技術(shù)能力、風(fēng)雪等不可抗力因素、溫度)，分別給出5位專家對于12組數(shù)據(jù)中5個評價指標(biāo)的評價矩陣B，并求出其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣R．其中一位專家的數(shù)據(jù)如下:

評價矩陣

標(biāo)準(zhǔn)矩陣為:

熵值為:

Pi=(0.042,0.068,0.050,0.062,0.059)T

ωi=(0.203,0.198,0.201,0.199,0.199)T

最終,得到評價指標(biāo)的熵權(quán)為:0.203、0.198、0.201、0.199、0.199．

根據(jù)如上對專家權(quán)重的計算,依次計算5位專家的評價結(jié)果和權(quán)重,最終得到12組數(shù)據(jù)的環(huán)境系數(shù)分別為1.1、1、1、1.2、1、1.4、1.2、1、1.1、1.1、1、1.3．并將環(huán)境因素剝離,得到修正后的工時為表4．

表4 工時修正表Table 4 Time correction table

此時,運用剛剛修正的工時與裝配特征建立關(guān)系,采用SPSS軟件進行線性擬合,得出的結(jié)果顯著性sig、關(guān)系數(shù)R、可決系數(shù)R2等值均符合要求,最終得到工時擬合函數(shù)為:

T1=275.14-0.009×L-0.3×W1+0.231×W2+2.387×B

結(jié)合環(huán)境系數(shù)的工時函數(shù)為:

T=T1×I=(275.14-0.009×L-0.3×W1+0.231×W2+2.387×B)×I

式中：I為環(huán)境系數(shù)；L為長度；W1為寬度；W2為重量；B為螺栓個數(shù)．

將擬合的工時函數(shù)運用于具有相似性的裝配工時預(yù)測,表5中Time1為實際運作反饋的工時數(shù)據(jù),Time2為文中擬合的線性關(guān)系估算的工時,通過對比可以看出,兩者誤差最大為5.3%,最小為0.2%,表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性．

表5 工時估算結(jié)果Table 5 Work hour estimation results

4 結(jié)論

根據(jù)船舶裝配工時計算的特點,提出一種基于環(huán)境系數(shù)以及裝配特征參數(shù)的工時計算方法．首先根據(jù)相似性抽取歷史數(shù)據(jù),再結(jié)合歷史數(shù)據(jù)根據(jù)熵權(quán)法和群決策理論計算環(huán)境系數(shù),并對工時進行系數(shù)修正，最后再利用SPSS軟件將裝配特征參數(shù)與工時進行線性擬合,找出之間隱藏的知識．該方法計算方便,準(zhǔn)確性高,是對工時計算方法的改進，但其涉及到專家打分等環(huán)節(jié),具有一定的主觀性,因此以后需要研究的方向為結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),實時獲取溫度、噪音等生產(chǎn)環(huán)境客觀數(shù)據(jù)，以避免環(huán)境系數(shù)確定的主觀性．