瞿世鵬，蔣祖華

(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

工時定額是企業(yè)生產(chǎn)管理工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是企業(yè)編制計劃、合理組織生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是改進生產(chǎn)技術(shù)、挖掘勞動潛力、提高勞動效率的重要手段，也是企業(yè)內(nèi)部進行成本核算、評價經(jīng)濟效益的重要依據(jù).船體分段的裝配過程復(fù)雜，裝配時間占船體建造總工時的一半左右;對應(yīng)不同的裝配階段選用不同的裝配方法.長期以來，我國船舶企業(yè)中，工時定額的制訂都是由具有多年生產(chǎn)經(jīng)驗的定額員工進行估算，這種方法存在著效率低下、制定速度慢、誤差大、多次估算結(jié)果不一致等諸多弊端.因此，如何快速、準(zhǔn)確地計算裝配工時，成為船舶建造行業(yè)亟需解決的問題.工時定額計算主要集中在對一般的機械零部件加工工時的研究［1-2］.由于船舶制造工藝的特殊性，對船體裝配工時定額計算的研究相對較少.為了估算船體分段的裝配、焊接、打磨等總的加工工時，張志英等［3］建立了非圖紙作業(yè)和圖紙作業(yè)工時的模型，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對船舶制造工時進行預(yù)測.Lee等［4-5］也是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法估算船舶分段裝配工時，而且還基于此開發(fā)了原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了工時定額的智能骨水泥.劉濱等［6-7］等將船體分段中間產(chǎn)品的裝配作為研究對象，利用相似性算法對中間產(chǎn)品進行歸類，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算小組立層面上中間產(chǎn)品的裝配工時.陳民俊等［8］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了基于造船任務(wù)包工時定額的計算.

綜上所述，雖然利用啟發(fā)式算法可以實現(xiàn)工時定額的自動計算，但這種方法不容易得到較為精確的計算結(jié)果，并且靈活性較差.為了更加合理地計算船舶分段的裝配工時，利用工作研究的方法，對船舶分段裝配過程進行分析并對工種進行細分，建立各細分工種工時定額的計算模型以及模型關(guān)聯(lián)規(guī)則庫，實現(xiàn)基于計算模型的裝配工時計算，并通過實例驗證這種方法的科學(xué)性和實用價值.

1 船體分段裝配工時的估算

1.1 船體分段裝配工時影響因素分析

通過對船體各分段結(jié)構(gòu)組成和裝配工藝的研究了解到:結(jié)構(gòu)相似的分段，含有相同或相近的裝配組成，一般采用相同或相似的裝配工藝流程.因此，這些結(jié)構(gòu)組成上相似的分段所耗費的裝配工時也基本上相同.為了高效、快速地實現(xiàn)分段裝配總工時的智能計算，首先需要對所有船體分段的結(jié)構(gòu)特點以及裝配工藝過程進行研究.經(jīng)過分析可知影響裝配工時的主要因素有:

1)分段的總重量G.分段越重，吊運、翻身耗用工時就越多.

2)分段裝配總長度L.裝配長度越長，定位焊次數(shù)就越多，定位焊時間消耗越長.

3)分段類型.船體不同區(qū)域的分段結(jié)構(gòu)組成都不相同，焊縫類型也存在很大的區(qū)別，因此，單位裝配長度所耗費的定位工時也有較大差別.分段結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，耗費的裝配工時就越多.

4)分段所含的小組立個數(shù)M.其他條件相同，小組立個數(shù)越多耗費的裝配工時越多.

5)分段所含的中組立個數(shù)N.其他條件相同，中組立個數(shù)越多耗費的裝配工時越多.

以上分段的5個屬性可以從設(shè)計文件中獲取，有的是連續(xù)型的變量，例如分段的重量、裝配總長度以及所含的組件個數(shù)等.而不同區(qū)域的分段對裝配工時的影響不能用數(shù)值量來表示，研究發(fā)現(xiàn)某散貨船按照分段結(jié)構(gòu)組成的不同共分成9個區(qū)域，為了區(qū)別分段的不同類型，將9個區(qū)域的分段用數(shù)值1～9標(biāo)識.但該數(shù)值量只用來區(qū)別分段的不同區(qū)域，數(shù)值的大小并不表示各區(qū)域分段裝配的難易程度.

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算

1.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本文選取單隱層網(wǎng)絡(luò)，輸入為G、L、分段類型(按區(qū)域用1～9加以區(qū)分)以及M、N;輸出為分段裝配總工時T;激活函數(shù)為traingdx函數(shù);訓(xùn)練次數(shù)為1萬次.網(wǎng)絡(luò)隱含層神經(jīng)元個數(shù)的選取參照

并綜合考慮誤差較小而且訓(xùn)練步數(shù)較少，通過多次測試運算確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)為7.式中:p為隱含層神經(jīng)元個數(shù)，n為輸入層神經(jīng)元個數(shù)，q為輸出層個數(shù)，a取1～10之間的整數(shù).

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

某型號的散貨船大概由130多個分段組成，按照影響分段裝配工時的不同要素，從這些分段中選取22個具有不同重量、不同類型、不同裝配長度的典型分段進行訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).這些分段的裝配工時是由企業(yè)生產(chǎn)實際統(tǒng)計得到的，各分段的不同屬性及裝配實動工時如表1所示.

在進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時，首先需要對輸入指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理:

利用Matlab進行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，訓(xùn)練到9 000次左右的時候，誤差達到設(shè)定值.模型是收斂的，訓(xùn)練結(jié)果如圖1所示.

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果Fig.1 The trained result of the Neural network

表1 各分段裝配特征Table 1 The assembly features of each block

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)檢驗

利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進行計算分段的裝配工時，只需檢索分段的相關(guān)物量，輸入網(wǎng)絡(luò)即可計算得到裝配總工時.驗證結(jié)果如表2所示.

表2 分段裝配工時的網(wǎng)絡(luò)估算結(jié)果Table 2 The block assembly man-hour calculated by Neural network

由結(jié)果比較可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算工時(T1)與實測工時(T)之間的絕對誤差都在10%左右.其原因分析如下:

1)分段裝配耗時較長，很難比較準(zhǔn)確地測定每個分段裝配過程的實際耗時.

2)不同分段裝配工時的影響因素各不相同，不可能將所有的因素考慮完全.

3)訓(xùn)練樣本的選取較復(fù)雜，只有選取盡可能多合適的樣本數(shù)據(jù)才能得到較好的計算結(jié)果.

4)分段裝配工作隨著現(xiàn)場加工環(huán)境的變化而變化，不同的裝配環(huán)境及條件對工時的消耗也會造成很大的影響.

針對上述分析可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法較適合于船體設(shè)計早期，實現(xiàn)對裝配工時的快速估算.但為了較準(zhǔn)確地計算各個分段的裝配總工時，還須考慮其他更為合理的方法.

2 船舶分段裝配作業(yè)分析及工時定額模型建立

現(xiàn)階段，對船體的建造采用分階段、模塊化生產(chǎn)，對船體分段裝配工作劃分為:小組立裝配、中組立裝配以及大組立裝配3個階段，由于每個階段對應(yīng)的裝配對象不同，裝配體的復(fù)雜程度也有很大的差別.針對每個不同工作階段的特點研究其裝配流程進行工種細分，利用工作研究的方法，規(guī)劃每個細分工種的工時定額模型，并計算整個分段的裝配總工時.

2.1 細分工種劃分原則

由于在船體建造的不同階段，各裝配體的結(jié)構(gòu)組成不同，所以裝配工藝也存在很大的差別，對細分工種的劃分原則也各不相同.

在部件制作(小組立)階段，將不同類型的零件按照設(shè)計要求裝配在一起，影響裝配工時的因素主要是零件的類別.零件類別不同裝配的方法也各不相同.按照此原則劃分的細分工種有:壓力架及平臺自動焊拼板、普通零部件裝配以及彎曲面板裝配.而在中、大組立裝配階段，裝配體必須按照一定的裝配工藝進行，在對該階段細分工種的劃分時依據(jù)裝配的工藝順序.劃分的細分工種主要有:平面分段流水線拼板、曲型分段胎架拼板、構(gòu)件安裝、外板散裝以及分段內(nèi)補板、肘板、加強筋等小零件安裝.

2.2 工時模型建立

2.2.1 工作單元時間獲取

在制定裝配各細分工種工作單元工時定額過程中，所用到的主要測算方案為:模特法、線性回歸方法、現(xiàn)場實測統(tǒng)計以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)提取的方法.這幾種方法選用的原則及優(yōu)先級列表3.

表3 細分工種工時測算方案Table 3 The measurement ways of subdivision work’s man-hour

按照表3所列舉的測算方案，在對各細分工種認真研究的基礎(chǔ)上，對各工作單元分別選用不同的測算方案.以彎曲面板裝配為例，介紹該細分工種各工作單元時間的確定方案.由于在彎曲面板裝配過程中，面板的二次劃線工作單元操作較為規(guī)范，所以選用模特法進行確定單元時間.面板對線所消耗的時間主要由面板的長度、面板的重量所影響，適用線性回歸的方法研究其工作單元時間，其他的一些操作單元時間都是常值型的，可以利用實測統(tǒng)計的辦法得到其工作單元時間.

2.2.2 工時模型建立

當(dāng)細分工種內(nèi)各個工作單元的工時定額確定以后，按照該工種的操作過程，將各個操作單元的時間或者單元時間計算模型進行累加，即可得到該細分工種的工時定額計算模型.以小組立階段彎曲面板的裝配為例，建立其工時定額計算模型為

其中，Tfix是利用裝配馬定位工時，該時間是關(guān)于面板板厚的函數(shù);np是小組立中所含彎曲面板的個數(shù);Lpi為第i個彎曲面板的裝配長度;Gpi表示第個彎曲面板的重量;nwbp表示在該小組立中面板間的焊縫條數(shù).至此，建立了計算小組立彎曲面板的裝配工時計算模型，利用此模型即可計算各個小組立中所有的彎曲面板裝配耗時.利用同樣的方法，對各個階段的細分工種進行分析，建立相應(yīng)的工時計算模型，并將各計算模型存入模型庫.

2.3 分段裝配定額工時計算

2.3.1 總體方法

由上述可知，船體裝配各細分工種(小組立3個，中大組立5個)工時定額計算模型已知，將相應(yīng)的模型存入工時計算模型庫中，以備工時計算時調(diào)用.在計算分段裝配總工時的過程中，首先需要根據(jù)分段設(shè)計信息將分段按照加工階段進行子裝配體的切割，然后根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則分別調(diào)用工時計算模型.總體計算流程如圖2所示.

圖2 船體裝配工時計算流程Fig.2 The calculation flow chart of ship assembly man-hour

2.3.2 實施路線

由上述計算流程可知，為了計算分段裝配總工時，首先需要對分段按照加工階段進行分解，提取各階段的子裝配體設(shè)計信息.然后利用規(guī)則關(guān)聯(lián)各子裝配體加工的細分工種以及工時定額計算模型，計算該裝配體所耗費的裝配工時，最后將分段裝配各階段所有裝配工時累加即可得到分段裝配總工時.

圖3 小組立階段裝配工時計算流程Fig.3 The assembly man-hour calculation flow chart for small subassembly stage

具體實施路線為:

1)對分段按階段劃分各子裝配體;

2)按照自底向上的原則依次檢索各階段子裝配體設(shè)計信息;

3)根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則關(guān)聯(lián)每個裝配體裝配工時計算模型，并計算其裝配工時;

4)將所有裝配體的裝配工時累加，求得該分段裝配總工時.

以小組立階段裝配體裝配工時計算為例，介紹其裝配工時計算的流程如圖3所示.

利用圖3的計算流程，可以得到某分段小組立階段的裝配總工時.同理可以利用相似的方法計算分段的中、大組立階段的裝配工時，進而求得整個分段裝配的工時定額.由工時計算模型的建立過程可知，所有工時計算模型都是基于各細分工種的工藝過程，并且工作單元時間準(zhǔn)確可靠，所以利用模型計算所得的裝配工時理論上是符合現(xiàn)場生產(chǎn)條件的.

3 分段裝配工時定額的智能化計算

3.1 計算模型關(guān)聯(lián)規(guī)則庫的建立

在前面的論述中，已經(jīng)建立了各細分工種工時計算模型，為了實現(xiàn)工時定額的智能化計算，需要準(zhǔn)確地關(guān)聯(lián)這些模型.本文采用基于規(guī)則的關(guān)聯(lián)方法，因此需要對每個模型建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則.

工時計算模型的選取，主要依據(jù)所裝配分段的設(shè)計信息數(shù)據(jù).這些信息主要包括分段所包含的零件信息以及零件間的焊縫信息.其中零件信息包括零件所屬的分段號、零件名、所屬的組立名、零件的類型、零件的加工類型、零件流向以及零件所屬的父組立名等;焊縫信息主要包括船號、分段號、零件名1、零件名2、組立名、加工階段、焊縫代碼、焊接類型以及焊接長度.

本文對每個工時計算模型建立了產(chǎn)生式規(guī)則，規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式如下:

Rule#(Object，［Condition(1)，Condition(2)，…，Condition(n)］，Conclusion).

Rule#指規(guī)則編號;Object指計算的對象;Condition(條件)為規(guī)則的前提，是各參數(shù)“NOT”、“AND”、“OR”關(guān)系的邏輯組合;Conclusion(結(jié)論)是規(guī)則的結(jié)論部分，是與前提相對應(yīng)的計算模型.

為了判斷分段裝配階段，從零件明細表中提取零件的相應(yīng)信息，建立如下規(guī)則:

Rule1:IF“零件流向==C”O(jiān)R“零件流向== S”O(jiān)R“零件流向==T”

THEN“零件裝配階段==小組立階段”

ELSE“零件裝配階段==中大組立階段”

當(dāng)各零件加工階段確定以后，就要根據(jù)零件的一些其他特征，關(guān)聯(lián)相應(yīng)的工時計算模型.以小組立階段為例，介紹關(guān)聯(lián)規(guī)則的建立.

Rule2:IF“零件類型==K”

THEN“工時計算模型==小組立拼板工時計算模型”

Rule3:IF“零件類型==W”AND““零件加工類型==B”O(jiān)R“零件加工類型==F””

THEN“工時計算模型==小組立彎曲面板裝配工時計算模型”

Rule4:IF“零件類型 ＜＞K”O(jiān)R“零件類型＜＞W(wǎng)”O(jiān)R“““零件類型==W”AND““零件加工類型＜＞B”O(jiān)R“零件加工類型＜＞F”””

THEN“工時計算模型==小組立普通零部件裝配工時計算模型”

根據(jù)同樣的方法建立中大組立階段各工時計算模型的關(guān)聯(lián)規(guī)則，并將上述各規(guī)則寫入規(guī)則庫，即可編程實現(xiàn)整個分段裝配工時的智能計算.

3.2 實例驗證與分析

利用上述方法，計算新分段的裝配總工時(T2)，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算結(jié)果(T1)、實測工時(T)進行比較如表4所示.

表4 計算結(jié)果分析Table 4 Analysis of the calculation results

由表4計算結(jié)果對比可知，利用工時計算模型所算得的分段裝配工時與現(xiàn)場實測結(jié)果相差甚小.將船體分段工時定額的計算方法進行比較分析如表5所示.

表5 分段裝配工時計算方法對比Table 5 The comparison of the methods for block assembly man-hour calculation

從上述對比分析可知，利用工作研究的方法需要對分段的裝配工藝進行分析，并且對各細分工種的操作單元時間進行測定，所以需要很大的工作量.另外，為了實現(xiàn)分段裝配工時的智能計算，需要根據(jù)事先定義的關(guān)聯(lián)邏輯去調(diào)用計算模型.因此，必須在具有豐富經(jīng)驗的裝配專家支持下，建立完備的關(guān)聯(lián)規(guī)則.分段所含的零部件眾多，在計算過程中需要對各個零部件信息進行逐一關(guān)聯(lián)，計算流程較為復(fù)雜，給編程實現(xiàn)智能化計算帶來一定的困難.但經(jīng)實例驗證可知，該方法能夠較為精確地計算整體分段的裝配總工時.由于許多船廠在設(shè)計完成后還是缺少各個生產(chǎn)階段的詳細物量數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，方便快捷地得到分段的裝配工時，但這種方法需要合理地選擇訓(xùn)練樣本，如果樣本選擇的不適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很難收斂，也就不可能準(zhǔn)確地計算新分段的裝配工時.

4 結(jié)束語

針對船體分段的裝配作業(yè)進行研究分析，提出了利用工作研究的方法對分段的裝配過程進行分析，將整個裝配過程按階段進行細分工種劃分;利用時間研究的方法，建立各細分工種的工時定額計算模型;規(guī)劃了分段裝配工時定額的計算流程以及關(guān)聯(lián)各模型的規(guī)則，實現(xiàn)了分段裝配工時的智能化計算.經(jīng)現(xiàn)場實例驗證可知，該方法能快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)分段裝配工時的計算，并且比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有更好的實用性.

［1］姜曉鵬，王潤孝，高琳.計算機輔助工時定額系統(tǒng)中的定額測算模型研究［J］.計算機應(yīng)用研究，2006(3):183-185.

JIANG Xiaopeng，WANG Runxiao，GAO Lin.Research on ration predetermining model in computer aided time quota ration system based on primitives［J］.Application Research of Computers，2006(3):183-185.

［2］楊青海，祁國寧，黃哲人.基于案例推理和事物特性表的零件工時估算方法［J］.機械工程學(xué)報，2007，43(5):99-105.

YANG Qinghai，QI Guoning，HUANG Zheren.Evaluation method of machine hour of part based on case-based reasoning and SML［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(5):99-105.

［3］張志英，李珍.船舶生產(chǎn)設(shè)計工時體系及預(yù)測模型研究［J］.中國造船，2009，50(4):177-185.

ZHANG Zhiying，LI Zhen.Research on man-hour prediction model of production design for shipbuilding［J］.Shipbuilding of China，2009，50(4):177-185.

［4］LEE J K.Developing scheduling systems for Daewoo shipbuilding:DAS project［J］.European Journal of Operational Research，1997.97(2):380-395.

［5］LEE J K，KIM H D.Man-hour requirement estimation for assemblies using neural networks［C］//Proceedings of＇94 Japan/Korea Joint Conference on Expert Systems.Tokyo，Japan，1994:203-206.

［6］劉濱，蔣祖華.船舶裝配作業(yè)工時智能估算技術(shù)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2005，39(12):1979-1983.

LIU Bin，JIANG Zuhua.The intelligent man-hour estimate technique of assembly for shipbuilding［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2005，39(12):1979-1983.

［7］鐘宏才，劉建峰.應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中間產(chǎn)品加工工時定額的快速計算［J］.華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，17(2):23-28.

ZHONG Hongcai，LIU Jianfeng.Rapid interim product man-hour ration estimation with artificial neural network method［J］.Journal of East China Shipbuilding Institute: Natural Science Edition，2003，17(2):23-28.

［8］陳民俊，潘斌，劉建峰.應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)測算造船作業(yè)任務(wù)包定額工時［J］.中國造船，2003，44(2):3-9.

CHEN Minjun，PAN Bin，LIU Jianfeng.Man-hour calculation of working package using error back-propagation artificial neural network［J］.Shipbuilding of China，2003，44 (2):3-9.