船舶分段裝配工時定額計算方法

船舶分段裝配工時定額計算方法瞿世鵬;蔣祖華【摘要】為了快速計算船體分段裝配的工時定額，提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及工作研究的方法.將船體分段的總重量、分段裝配總長度、分段類型，以及分段所含的小組立個數(shù)、中組立個數(shù)等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，分段的裝配總工時作為輸出訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，利用此網(wǎng)絡(luò)估算裝配工時在工作研究的方法中，首先將分段裝配的整個過程按加工階段進(jìn)行工種細(xì)分，建立各細(xì)分工種的工時定額計算模型.根據(jù)規(guī)則關(guān)聯(lián)相應(yīng)的計算模型實現(xiàn)了船體分段裝配工時的智能計算.實驗證明,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算方法具有早期估計、快速計算的特點，而基于定額模型的裝配工時智能計算結(jié)果準(zhǔn)確度較高，但計算模型的建立較為困難.％Inordertocalculatetheshipblockassemblyman-hourtotalquickly,theneuralnetworkandtheworkstudymethodswereproposedinthispaper.First,thetotalweightandassemblylengthoftheshipblocks,theblocktype,thenumberofsmallassembly,andthesubassemblyweretakenastheinputsofaneuralnetwork.Next,thetotalblockassemblyman-hourtotalwastakenasanoutput,whichwasthenusedtotraintheneuralnetwork.Last,theassemblyman-hourtotalwascalculatedusingthistrainednetwork.Whenusingtheworkstudymethodtocalculatetheman-hourtotal,thewholeprocessoftheblockassemblywasdividedintodifferentsub-divisionalsectionsfirst,andthenthemanhourcalculationmodelswerebuiltforeachsection.Lasdy,thedetailedrulesweredefined;usingtheserulesthesystemwasabletofindthepropermodelandcalculatetheblockassemblyman-hourtotalintelligently.Byactualmeasurements,itwasproventhattheneuralnetworkmethodhasthecharacteristicsofearlyestimationandquickcalculation;ontheotherhand,theassemblyman-hourtotalcalculatedbytheintelligentsystembasedonthemodelsismoreaccurate,butthosemodelsaredifficulttoestablish.【期刊名稱】《哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報》【年(卷)，期】2012(033)005【總頁數(shù)】6頁(P550-555)【關(guān)鍵詞】船體分段;裝配工時定額;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)【作者】瞿世鵬;蔣祖華【作者單位】上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240;上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240【正文語種】中文【中圖分類】TP391.4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(jìn)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(jìn)行成本核算、評價經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析并對工種進(jìn)行細(xì)分，建立各細(xì)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(jìn)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1.2.1BP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(jìn)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(jìn)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(jìn)行無量綱化處理:利用Matlab進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，訓(xùn)練到9000次左右的時候，誤差達(dá)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.1ThetrainedresultoftheNeuralnetwork表1各分段裝配特彳正Table1Theassemblyfeaturesofeachblock序號分段號G/tL/m分段類型MNT/h11021201712245310232103901435282251032013127131613084203551012386735352102161937314241611622363122236633807233591112319235283227887943725949324869474283358104255059951632491142155721525234112433476655291228135249821446152346145328621536263307156023453471821411660342659719117117702524188151113187245364189211519810507499453452208021141676997674921001296041606199220042964318251981.2.3網(wǎng)絡(luò)檢驗利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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Table2Theblockassemblyman-hourcalculatedbyNeuralnetwork序號分段號G/tL/m分段類型MNT1/hT/h兩工時誤差/%1336615864361425387-9.824264959151022452699.3360534532719114016213.6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（?。┲g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(jìn)行工種細(xì)分，利用工作研究的方法，規(guī)劃每個細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(jìn)行，在對該階段細(xì)分工種的劃分時依據(jù)裝配的工藝順序.劃分的細(xì)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、夕卜板散裝以及分段內(nèi)補板、肘板、加強(qiáng)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(xì)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(xì)分工種工時測算方案Table3Themeasurementwaysofsubdivisionwork’sman-hour測算方案選取原則優(yōu)先級模特法(MOD)操作動作較為規(guī)范，可以明確到每個細(xì)小的動作1線性回歸模型法工時定額關(guān)系為函數(shù)型，并且可以初步確定影響定額的變量2實測統(tǒng)計法定額關(guān)系為常值型3經(jīng)驗數(shù)據(jù)整理常值型定額值，多用于準(zhǔn)備、結(jié)束時間定額的制訂4按照表3所列舉的測算方案，在對各細(xì)分工種認(rèn)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(xì)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(jìn)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(xì)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(jìn)行累加，即可得到該細(xì)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(xì)分工種進(jìn)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(xì)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(jìn)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.2Thecalculationflowchartofshipassemblyman-hour2.3.2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(jìn)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(xì)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.3Theassemblyman-hourcalculationflowchartforsmallsubassemblystage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(jìn)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(xì)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(xì)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(l),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(xì)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“T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“T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v>K”O(jiān)R“零件類型v>W”O(jiān)R“““零件類型==W”AND““零件加工類型v>B”O(jiān)R“零件加工類型v>F”””THEN'H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(丁)進(jìn)行比較如表4所示.表4計算結(jié)果分析Table4Analysisofthecalculationresults序號分段號T1/hT2/hT3/h模型計算與實測工時誤差/%1336425380387-1.82426245262269-2.63605140158162-2.5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(jìn)行比較分析如表5所示.表5分段裝配工時計算方法對比Table5Thecomparisonofthemethodsforblockassemblyman-hourcalculation計算方法計算對象精確性靈活性計算復(fù)雜性輸入數(shù)據(jù)中間產(chǎn)品工時估算小組立較精確不靈活容易少工作研究小組立、大組立分段較精確靈活復(fù)雜多而詳細(xì)本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分段欠精確不靈活容易少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(jìn)行分析，并且對各細(xì)分工種的操作單元時間進(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)行分析，將整個裝配過程按階段進(jìn)行細(xì)分工種劃分;利用時間研究的方法，建立各細(xì)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.【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]姜曉鵬，王潤孝，高琳.計算機(jī)輔助工時定額系統(tǒng)中的定額測算模型研究[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2006(3):183-185.JIANGXiaopeng,WANGRunxiao,GAOLin.Researchonrationpredeterminingmodelincomputeraidedtimequotarationsystembasedonprimitives[J].ApplicationResearchofComputers,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(jī)械工程學(xué)報，2007,43(5):99-105.YANGQinghai,QIGuoning,HUANGZheren.Evaluationmethodofmachinehourofpartbasedoncase-basedreasoningandSML[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,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.ZHANGZhiying,LIZhen.Researchonman-hourpredictionmodelofproductiondesignforshipbuilding[J].ShipbuildingofChina,2009,5