基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物工藝質(zhì)量追溯方法研究

孫達(dá)奇，周青驊

哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

與常見的貨運(yùn)船舶、固定式海上平臺等傳統(tǒng)船海產(chǎn)品相比，以現(xiàn)代海上生產(chǎn)生活平臺、遠(yuǎn)洋客運(yùn)船舶、大型科考船舶為代表的復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物產(chǎn)品具有高價值、高質(zhì)量要求和任務(wù)保障需求等特性。在該類產(chǎn)品制造過程中，不僅對生產(chǎn)物資質(zhì)量存在較高要求，更要著重加強(qiáng)對工藝質(zhì)量追溯過程優(yōu)化的管理。其中，對生產(chǎn)各工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量管控與追溯是目前制造企業(yè)的常用管理手段，相關(guān)質(zhì)量管控、追溯技術(shù)屬于目前業(yè)內(nèi)的重點(diǎn)技術(shù)需求。

復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物生產(chǎn)通常采用多個分包、服務(wù)商協(xié)同推進(jìn)、船企牽頭組織的“總包-分包”組織體系，當(dāng)前對生產(chǎn)責(zé)任管控通常以組織體系中的分包方為單位。對海工結(jié)構(gòu)物生產(chǎn)工藝質(zhì)量進(jìn)行追溯時，如根據(jù)需求準(zhǔn)確找到問題發(fā)生點(diǎn)，可有效提高在制造組織體系中的管理精細(xì)度。國內(nèi)質(zhì)量追溯技術(shù)在船海領(lǐng)域有一定應(yīng)用經(jīng)驗，但在生產(chǎn)實踐過程中普遍存在物資質(zhì)量追溯精度不高（如僅能通過質(zhì)量檢測以施工分包或供應(yīng)商為單位進(jìn)行追責(zé)）、追溯成功率較低（部分質(zhì)量問題進(jìn)一步細(xì)化則追溯不到結(jié)果）等問題，對于滿足復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物質(zhì)量追溯要求尚有距離。因此，參考各類追溯技術(shù)在其他制造業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗，可進(jìn)一步提高復(fù)雜海工產(chǎn)品質(zhì)量追溯水平。在機(jī)械制造中，姜合萍等[1]構(gòu)建了基于B/S 結(jié)構(gòu)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，該系統(tǒng)可找出制造車間的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝缺陷，避免出現(xiàn)質(zhì)量事故。在汽車行業(yè)，陶善虎等[2]建立了對汽車前軸質(zhì)量追溯系統(tǒng)，使汽車質(zhì)量得到保證。趙濤等[3]提出了“批次清單（bill of lots，BOL）”的概念，為具有批量生產(chǎn)特點(diǎn)的制造業(yè)的可追溯性管理奠定了基礎(chǔ)。在海工行業(yè)，李釗等[4]基于BOL 構(gòu)建海工裝備項目材料追溯模型，明確產(chǎn)品之間的批次關(guān)系，提高追溯準(zhǔn)確度。在輕工業(yè)，王珊珊等[5]提出BOL 結(jié)合Petri 網(wǎng)追溯模型，相對傳統(tǒng)方法，提高了食品加工追溯效率。流程行業(yè)中，薄洪光等[6]提出基于BOL 多視圖轉(zhuǎn)換映射方法，實現(xiàn)了物料清單多視圖轉(zhuǎn)換映射，為本文提供了基于BOL 的工藝質(zhì)量追溯思路。

由于質(zhì)量追溯問題的不確定性，對復(fù)雜組裝工序中的質(zhì)量相關(guān)工藝追溯存在跟蹤困難、預(yù)測不準(zhǔn)以及無法準(zhǔn)確定位追溯目標(biāo)等問題；而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在解決不確定性問題上有較大優(yōu)勢。根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論，Zhou等[7]提出約束優(yōu)化算法，在數(shù)據(jù)有限的情況下實現(xiàn)了良好的參數(shù)學(xué)習(xí)性能。Li等[8]針對計算值缺失問題，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)并行化處理，提高大數(shù)據(jù)計算效率和準(zhǔn)確度。在工程機(jī)械中，宋欽一[9]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)提出帶式輸送機(jī)故障診斷模型，檢查工程機(jī)械問題，提供檢修和日常養(yǎng)護(hù)的建議。

綜上分析，本文使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)研究復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物制造過程中的工藝質(zhì)量追溯方法。首先根據(jù)批次清單確定產(chǎn)品的組成關(guān)系，并搭建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型；其次利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計團(tuán)樹傳播算法，并引入時間約束設(shè)計工藝追溯及零部件質(zhì)量追溯方法；最后通過代入船廠實際問題和案例，對基于貝葉斯的工藝質(zhì)量追溯方法進(jìn)行驗證。

1 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工藝質(zhì)量追溯模型構(gòu)建

在工藝質(zhì)量追溯模型構(gòu)建過程中，首先根據(jù)物料清單（bill of materials，BOM）的概念，顯示產(chǎn)品組成關(guān)系，引入生產(chǎn)批次獲得產(chǎn)品的BOL，確定零部件的溯源與追蹤過程，搭建基于BOL 的中間產(chǎn)品工藝追溯模型；其次，根據(jù)BOL 中的工藝批次信息，建立基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量追溯模型。

1.1 基于BOL 的中間產(chǎn)品工藝追溯模型

復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物種類多，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。海工產(chǎn)品制造企業(yè)通常使用BOM 顯示海工產(chǎn)品由原材料—零部件—中間產(chǎn)品—成品的制造裝配關(guān)系，并結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境感知信息進(jìn)行相關(guān)追溯和質(zhì)量管控。在BOM 基礎(chǔ)上添加生產(chǎn)批次信息，獲得此產(chǎn)品BOL，可通過批次信息清楚呈現(xiàn)各級中間產(chǎn)品形成過程中的工藝批次關(guān)系，如圖1 所示。若某一級中間產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，按照產(chǎn)品批次—中間產(chǎn)品批次—零部件批次方向進(jìn)行逆向追溯，可確定問題零部件或下級組件（中間產(chǎn)品）的批次信息；同時，同一批次零部件或中間產(chǎn)品有可能參與多個上級中間產(chǎn)品裝配加工，所以要對問題零部件工藝流量再正向追溯，從而提高質(zhì)量追溯精確性。

圖1 基于BOL 的中間產(chǎn)品追溯模型

1.2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工藝質(zhì)量追溯模型

此模型基于BOL 零部件追溯模型分析現(xiàn)存工藝質(zhì)量追溯問題，精簡工藝流程，降低了工藝質(zhì)量分析的復(fù)雜度。對影響追溯流程較大的工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義，并建立節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，搭建基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工藝質(zhì)量追溯模型，如圖2 所示。

圖2 局域貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工藝追溯模型

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工藝質(zhì)量追溯方法研究

2.1 基于團(tuán)樹傳播的工藝質(zhì)量追溯算法

2.1.1 團(tuán)樹結(jié)構(gòu)構(gòu)建

復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物工藝質(zhì)量追溯本質(zhì)上是找出工藝流程或物資配送的問題環(huán)節(jié)，對不同環(huán)節(jié)之間的影響進(jìn)行評估，輔助管理人員進(jìn)行決策的過程。因為該追溯過程屬于不精確模型，所以利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)常用的推理方式有精確推理和近似推理[10]。精確推理主要用在小問題且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單的情景；若問題復(fù)雜，用近似推理方法進(jìn)行推理[11]。海工結(jié)構(gòu)物BOL 追溯模型相對復(fù)雜，需采用近似推理的方法對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析；同時，考慮到企業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量預(yù)測、追溯節(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性要求較高，需提高復(fù)雜網(wǎng)格下的問題推理精度。本文采用團(tuán)樹傳播（clique tree message passing，CTMP）算法的方式進(jìn)行近似推理過程設(shè)計，利用團(tuán)的概念簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以計算共享的方式加快推理過程，提高推理效率和準(zhǔn)確度。根據(jù)CTMP 理論[12]，團(tuán)樹構(gòu)造過程分為端正化階段、三角化階段和構(gòu)造團(tuán)樹階段，詳述如下。

端正化階段。對模型中子節(jié)點(diǎn)相同的父節(jié)點(diǎn)使用無向邊連接，并將有向邊構(gòu)造為無向邊。一個由9 個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的典型樣例如圖3 所示。

圖3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)端正化

三角化階段。對頂點(diǎn)按照如下步驟進(jìn)行操作：首先連接頂點(diǎn)中的相鄰節(jié)點(diǎn)，其次消除頂點(diǎn)添加相關(guān)邊線，最后以添加邊最小化局部原則對頂點(diǎn)進(jìn)行消去操作。在圖4 樣例貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，三角化階段消元順序如表1 所示。

表1 消元順序

圖4 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)三角化

團(tuán)樹構(gòu)造階段。確定消元順序，去掉節(jié)點(diǎn)S1、S8、S9、S3、S4、S5；將消去節(jié)點(diǎn)和與之相連的節(jié)點(diǎn)合并成團(tuán)結(jié)點(diǎn)，形成團(tuán)樹結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 形成的團(tuán)樹結(jié)構(gòu)

2.1.2 CTMP 算法流程

根據(jù)前述研究，基于CTMP 進(jìn)行工藝質(zhì)量追溯算法的設(shè)計可表示為CTMP(G,ζ,E,Q)，其中G為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ζ為可覆蓋G的團(tuán)樹，E為證據(jù)變量，Q為查詢變量，均為輸入量。概率分布函數(shù)為

1）使用G對ζ初始化操作，將G概率分布函數(shù)對應(yīng)ζ中各個結(jié)點(diǎn)處；

2）在包含ζ的函數(shù)，設(shè)置證據(jù)變量E值為e；

3）在ζ中找到可包含Q的團(tuán)CQ作為樞紐；

4）遍歷所有和CQ相近的結(jié)點(diǎn)C；

5）取得每個節(jié)點(diǎn)(ζ,CQ,C)的概率分布函數(shù)；

6）遍歷結(jié)束后，將儲存在CQ處的函數(shù)與之前取得的函數(shù)相乘，得到有關(guān)CQ的函數(shù)為

即為經(jīng)過推理得出的查詢結(jié)果。上述推理過程將在本文3.1 節(jié)進(jìn)行驗證。

2.2 基于零部件出庫時間的工藝質(zhì)量追溯方法

2.2.1 工藝時間約束

復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物建造、生產(chǎn)過程中，物資批次、到廠時間、加工工藝時間等追溯信息在總包-分包的生產(chǎn)組織體系下難以同步，出現(xiàn)問題產(chǎn)品時較難追溯到中間產(chǎn)品的問題。利用CTMP算法，以到廠時間和加工時間作為證據(jù)變量進(jìn)行界定，可實現(xiàn)對問題物資準(zhǔn)確追蹤和溯源。因此在2.1 節(jié)算法基礎(chǔ)上引入零部件出庫時間約束，進(jìn)行工藝質(zhì)量追溯方法設(shè)計。現(xiàn)以某船企某復(fù)雜海工產(chǎn)品項目實例進(jìn)行說明。

在實例中，企業(yè)物流部門擁有某批海工物資M(c,b)，表示批次為b、物資編碼為c的海工物資。其他部門最早取料時間和最晚取料時間分別表示成max(t)、min(t)；將該批次物資m(c,b)出庫時間設(shè)定為Tout，從物資出庫到車間這段時間表示為Tt，到達(dá)車間現(xiàn)場加工時間記為Tm，選取出庫物資所用時間最小值作為物資出庫到車間的時間

或者選取所有物資出庫時間算數(shù)平均值等于出庫到車間的最短時間：

海工物資M(c,b)裝配加工開始時間為T，該批次質(zhì)量集為Z，所有車間物資使用必須遵循以下規(guī)則，即當(dāng)物資剩余進(jìn)行退庫操作，需求的時候領(lǐng)料出庫：

1）如果海工物資m(c,b)被用于某產(chǎn)品生產(chǎn)，那么一定滿足式（4）；

2）如果在該時間段內(nèi)，只有一種海工物資滿足式（4），則表明該海工物資一定被用于生產(chǎn)該種產(chǎn)品；

3）當(dāng)出現(xiàn)混料、混用等情況，必須有多種海工物資滿足式（4）；

4）在復(fù)雜情況下，采用該表達(dá)式對集合進(jìn)行歸并，可排除物資，大大縮短遞歸檢索時間。

2.2.2 工藝方法設(shè)計

在式（4）約束下，對海工物資加工儲運(yùn)特點(diǎn)設(shè)定時間約束。針對出入庫單據(jù)表達(dá)海工物資相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn)，用BOL 模型導(dǎo)出出入庫單據(jù)，利用本文2.1 節(jié)算法分析海工產(chǎn)品間批次關(guān)系并實現(xiàn)零部件工藝質(zhì)量追溯。綜上所述，對零部件工藝過程約束條件如下所示：

1）零部件加工裝配開始時間要晚于配套物資到達(dá)生產(chǎn)場地時間。如果有大量物資使用，對到貨物資進(jìn)行分批操作。

2）一旦零部件開始裝配，不允許中途停止，將其變更到其他車間。

3）零部件P（船廠自制件）的加工開始時間tstart需嚴(yán)格滿足以下不等式：

式（5）滿足加工開始時間必須處于滯留時間內(nèi)，從物資角度表明M(c,b)在物資P中使用。Tout為物資M(c,b)出庫時間，Tr表示子物資在出庫后運(yùn)輸時間和等待時間。

假設(shè)M2(c2,b2)生產(chǎn)開始時間符合式（6），則說明M1(c1,b1)被使用在M2(c2,b2)的物資裝配過程中。

綜上，在包含海工產(chǎn)品零部件、中間產(chǎn)品、最終產(chǎn)品的BOL 工藝追溯模型中，結(jié)合式（2）～（6）約束條件，依照式（1）CTMP 算法進(jìn)行推理，完成基于零部件出庫時間的質(zhì)量追溯方法設(shè)計，具體步驟描述如下。

1）工藝質(zhì)量追蹤：輸入信息包括物資批次和物資編碼，后臺程序檢索領(lǐng)料單信息、物資BOL組成、物資滯留時間等，返回子代和父代的BOL方法設(shè)計如圖6 所示。

圖6 追蹤程序流程

2）工藝質(zhì)量溯源：輸入信息為物資編碼和物資批次信息，程序檢索后臺入庫時間、物資BOL和加工批次等信息，最終輸出信息為父部件與零部件的樹狀結(jié)構(gòu)示意圖、物資編碼信息。方法設(shè)計如圖7 所示。

圖7 溯源程序流程

3 復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物工藝質(zhì)量追溯方法驗證

本章通過某船海企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中工藝質(zhì)量追溯實例，結(jié)合研究過程中跟進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)項目對本論文方法的應(yīng)用情況，對基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物工藝質(zhì)量追溯方法進(jìn)行驗證。

3.1 工藝質(zhì)量追溯驗證

該環(huán)節(jié)選擇復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物產(chǎn)品中某工段實際焊接工藝作為本文的實例對象，以焊接工藝作為本文貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型，對焊接節(jié)點(diǎn)各故障概率進(jìn)行分析。選用Netica[13]貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析仿真軟件作為實例驗證工具，通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建狀態(tài)節(jié)點(diǎn)、關(guān)系方向指示，對材料、人員資質(zhì)等因素元數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，材料和人員資質(zhì)通過該船企歷史數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計得到，驗證過程如圖8、9以及表2、3 所示。

圖8 設(shè)置故障證據(jù)節(jié)點(diǎn)變化圖（Netica 程序界面）

表2 設(shè)置證據(jù)節(jié)點(diǎn)前后變化

由圖9 和表3 可見，當(dāng)焊材設(shè)為證據(jù)后，其他節(jié)點(diǎn)變化依次是變化焊接工藝、材料、D-BOM、測量，即焊材的優(yōu)良直接影響到材料的評估、焊接工藝，從而對最終產(chǎn)品造成影響。而通過圖9 可以看出，焊材屬于材料的一種，材料對焊接工藝和測量均有影響，并最終對BOL 產(chǎn)生影響，這樣質(zhì)量管理人員就可以明確知道提升焊材材質(zhì)，減少焊材質(zhì)量對焊接工藝影響。

圖9 焊材故障相關(guān)的節(jié)點(diǎn)變化（Netica 程序界面）

表3 焊材故障相關(guān)的節(jié)點(diǎn)變化表

3.2 零部件質(zhì)量追溯驗證

對零部件質(zhì)量追溯驗證，采用復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物產(chǎn)品中某內(nèi)裝建造工段管件托盤物資集配、加工運(yùn)作作為驗證數(shù)據(jù)集。企業(yè)自制零部件編碼記作PM，外購零部件編碼記作OM。應(yīng)用本文追溯算法，可以得到某一零部件相鄰子部件或父部件的批次信息和編碼信息。將根據(jù)加工過程產(chǎn)品正向追蹤算法得到的所有物資定義為父級物資，算法輸入物資編碼和批次信息，輸出父級物資編碼和批次信息，表4 和表5 為追溯輸出結(jié)果。

表4 問題物資匯總

表5 問題物資診斷結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可以得出問題物資為批次batch_OM51的OM5 和批次為batch_PM21的PM2，通過查詢物資BOL 樹狀結(jié)構(gòu)（圖10）可知，PM2 發(fā)生故障是因為OM5 出現(xiàn)故障，所以追溯到批次為batch_OM51的物資OM5，即完成中間產(chǎn)品從儲運(yùn)過程到加工過程的質(zhì)量追溯。如需對儲運(yùn)階段進(jìn)行進(jìn)一步追溯，將物資批次編號batch0=batch_OM51作為儲運(yùn)過程的算法輸入?yún)?shù)，進(jìn)行下一次計算。

圖10 物資BOL 樹狀結(jié)構(gòu)圖（局部）

3.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程需求分析

研究以某海工結(jié)構(gòu)物制造企業(yè)既有管理系統(tǒng)為依托，開發(fā)質(zhì)量追溯相關(guān)模塊，實現(xiàn)方法在生產(chǎn)行業(yè)落地應(yīng)用。船海結(jié)構(gòu)物工藝追溯管理流程具有明確角色分工[14]，系統(tǒng)追溯業(yè)務(wù)流程如圖11所示，主要分為物資采購準(zhǔn)備、物資入庫、物資加工和物資追溯等階段?；诖讼到y(tǒng)追溯業(yè)務(wù)流程，使用基于java web 開發(fā)的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）架構(gòu)，通過在服務(wù)器端部署使用java 語言編寫相關(guān)代碼插入實現(xiàn)，典型界面在3.4 節(jié)中進(jìn)行演示。

圖11 追溯流程

3.4 有效性評估

針對傳統(tǒng)方法難以解決的具體工藝質(zhì)量追溯問題，通過本文提出方法對工藝質(zhì)量和零部件質(zhì)量問題進(jìn)行追溯。

1）工藝質(zhì)量追溯：如圖12 所示，在系統(tǒng)界面錄入工藝信息并“查詢”，展示節(jié)點(diǎn)變量概率。點(diǎn)擊“添加屬性”，錄入工藝節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊生成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)生成相關(guān)的節(jié)點(diǎn)變量結(jié)果返回給用戶。同時生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對該工藝設(shè)置為正常工作，從而對故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行診斷；同時，可設(shè)置某節(jié)點(diǎn)故障，對該工藝故障概率進(jìn)行預(yù)測。

圖12 系統(tǒng)工藝質(zhì)量追溯過程

2）零部件質(zhì)量追溯：如圖13 所示，點(diǎn)擊“生成父級物資”，得到對應(yīng)物資父級物資編碼批次信息；點(diǎn)擊“生成子級物資”，可生成對應(yīng)子級物資編碼信息。

圖13 零部件質(zhì)量追溯過程

4 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物工藝質(zhì)量追溯困難的問題，提出了基于貝葉斯的復(fù)雜海工結(jié)構(gòu)物工藝質(zhì)量追溯方法。方法中，根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了基于BOL 的中間產(chǎn)品工藝質(zhì)量追溯模型和基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的工藝質(zhì)量追溯模型，提出了基于團(tuán)樹傳播的工藝質(zhì)量追溯算法，并使用零部件出庫時間為約束改進(jìn)方法以進(jìn)一步提高追溯精確性。結(jié)合某船企實際生產(chǎn)案例驗證表明，該方法在實際生產(chǎn)中應(yīng)用有效，可提高對產(chǎn)品工藝的質(zhì)量追溯求解率；后續(xù)工作將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步側(cè)重與企業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境相結(jié)合，推進(jìn)質(zhì)量追溯算法與加工設(shè)備記錄數(shù)據(jù)的結(jié)合應(yīng)用。