基于模糊模式識別的中間產(chǎn)品族分類評價——以總裝化造船為例

于逢平，肖洪鈞

（1．大連理工大學(xué)，遼寧大連116024;2．大連船舶重工集團(tuán)公司，遼寧大連 116001）

0 引言

在實(shí)施總裝化造船過程中，一個關(guān)鍵的問題是對總裝化造船中間產(chǎn)品族的分類方案的評價問題，這種問題屬于多對象多指標(biāo)多等級的識別問題，不能用傳統(tǒng)的主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、AHP、TOPSIS、模糊綜合評判法等方法來研究，因而本文嘗試采用模糊模式識別模型方法。

1 中間產(chǎn)品族的專業(yè)化生產(chǎn)

總裝化造船模式是以敏捷制造、精益生產(chǎn)、大規(guī)模定制等先進(jìn)制造理念和統(tǒng)籌優(yōu)化等理論為指導(dǎo)，應(yīng)用成組技術(shù)原理，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按區(qū)域組織生產(chǎn)，殼、舾、涂作業(yè)在空間上分道，時間上有序，實(shí)現(xiàn)殼舾涂一體化和設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化，均衡、連續(xù)的造船模式。它把傳統(tǒng)造船按功能、系統(tǒng)、專業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理方式，改變?yōu)榘磪^(qū)域、階段、類型的設(shè)計、生產(chǎn)、管理方式，把船廠從“全能廠”性質(zhì)改變?yōu)椤翱傃b廠”。

從鋼材預(yù)處理到下料加工、分段零部件的制作（或外購）、分段制造、總段組合、船臺組合及碼頭試驗(yàn)交船，形成1條總裝造船生產(chǎn)線，這一生產(chǎn)線成為造船生產(chǎn)的主流程?？傃b造船生產(chǎn)線是成組多品種生產(chǎn)線。在這一生產(chǎn)線中，按板材、型材和平面、曲面、立體等不同分類，實(shí)行空間分道、時間有序及逐級總裝的生產(chǎn)組織形式，進(jìn)而形成以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，殼舾涂一體化總裝造船的生產(chǎn)線。管子和其他舾裝件的制作則被從這一主流程中分離出來。管子加工按大管、中管、小管和直管、彎管分類，形成管子加工流水線;其他舾裝件，則分類擴(kuò)散，實(shí)行專業(yè)化生產(chǎn)。在需要的時候，將需要的設(shè)備、管子和其他舾裝件送到需要的地方，以組裝到總裝造船生產(chǎn)線某一制造級的中間產(chǎn)品上。

王利等認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)造船總裝化生產(chǎn)，必須把傳統(tǒng)的按系統(tǒng)導(dǎo)向船舶工程分解轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴爸虚g產(chǎn)品”為導(dǎo)向的分散專業(yè)化生產(chǎn)的造船模式［1］。在船舶生產(chǎn)中，完全相同的船舶是極少的，但是構(gòu)成船舶的組成部分，即“中間產(chǎn)品”，相同和相似的很多。所謂“中間產(chǎn)品”是相對最終成品而言的制品。按照總裝化造船模式，船體建造按類型可分成船艙、貨艙、機(jī)艙、尾艙、上層建筑部分和合攏與整合;而每個部分又可分解成大分段裝配、分段裝配和小分段裝配;每個分段又可分解成部件裝配、零件裝配和零件加工。分解的結(jié)果使1個龐大的復(fù)雜工程變成通用性和相似性極大的大量零件及部件加工、裝配問題，而相應(yīng)的加工、裝配工藝主要是號料、切割、彎曲、拼板、拼裝、裝配、焊接等。因此，以“中間產(chǎn)品”為對象組織生產(chǎn)線連續(xù)均衡生產(chǎn)是總裝化造船的客觀要求。

在總裝造船中，整艘船舶可以在零部件、系統(tǒng)部件、多系統(tǒng)模塊、分段及總段5個層次上劃分中間產(chǎn)品。這5個層次上的中間產(chǎn)品的復(fù)雜程度逐級增高，它們被逐級擴(kuò)大裝配（或并行裝配），最后裝配成最終產(chǎn)品（船舶）。

中間產(chǎn)品族的專業(yè)化生產(chǎn)，是把相似的中間產(chǎn)品組成中間產(chǎn)品族，在1個專門的區(qū)域內(nèi)（產(chǎn)業(yè)集群，如船舶配套產(chǎn)業(yè)園區(qū)）進(jìn)行生產(chǎn)的過程。生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)能力的配置也是根據(jù)在該區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)的中間產(chǎn)品的工藝流程優(yōu)化，并按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)等原則進(jìn)行的。產(chǎn)品對象專業(yè)化生產(chǎn)組織形式具有使用專用設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程穩(wěn)定、均衡、連續(xù)，以及對工人的熟練程度要求不高等優(yōu)點(diǎn)。具有成本低、周期短的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)降本增效、節(jié)能減排、縮短周期的目標(biāo)。

2 中間產(chǎn)品族的劃分算法

隨著總裝化造船模式的發(fā)展，中間產(chǎn)品分類成組的新方法不斷被開發(fā)出來，如改進(jìn)的聚類分析法、整數(shù)規(guī)劃法，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。鐘宏才等學(xué)者認(rèn)為聚類分析法具有簡單、分類效率高的特點(diǎn)，因而可以選用聚類分析法對中間產(chǎn)品進(jìn)行分類成組［2］。鐘宏才等把某船4624個部件分為5個部件族。他們認(rèn)為部件依據(jù)什么樣的要求被分在1個族中，全船所有部件被分為多少個部件族，都和船廠的生產(chǎn)實(shí)際緊密相關(guān)。在生產(chǎn)實(shí)際過程中，部件分類依據(jù)及部件族的數(shù)目需要不斷的調(diào)整和改進(jìn)。

鐘宇光、邱長華、薛開認(rèn)為，任何事物的特征都是多方面的，側(cè)重的角度不同，就需要不同的特征來表現(xiàn)［3］。研究中間產(chǎn)品的分類首先對中間產(chǎn)品的特征作特性分析，從中提取決定成組的關(guān)鍵因素，并研究其量化的指標(biāo)，從而利用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行分類計算。依據(jù)造船生產(chǎn)過程制造級和作業(yè)類型劃分特征的描述對象，把造船中間產(chǎn)品按船體建造和管子制造分為板材加工、型材加工、板材成型、型材成型、部件裝配、分段裝配和管子加工等7個特征描述類，并為每1類設(shè)計統(tǒng)一的成組分類器模型:

式中:G為每1類的成組劃分;M為加工特征的集合，包括加工方法、加工設(shè)備、加工路線、加工批量;C為構(gòu)件基本特征的集合，包括材料、重量、外形尺寸、空間形狀;E為工裝設(shè)備特征的集合，包括平臺、胎架、起吊設(shè)備、夾持與定位設(shè)備。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成組分類器決策模型的輸入和輸出分別對應(yīng)特征樣本和分類結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中，由于各個企業(yè)的制造資源不同，用戶可根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，從上述各個特征集合中選擇決定分組的關(guān)鍵特征，構(gòu)造輸入的特征模式。

中間產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計生產(chǎn)周期的方向。從結(jié)構(gòu)上分析，成組產(chǎn)品中可以有通用件、標(biāo)準(zhǔn)件、專用件。優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，通用件占到70%左右，標(biāo)準(zhǔn)件占到20%左右，而專用件（個性件）只占10%左右。因此，增加中間產(chǎn)品的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度是統(tǒng)籌優(yōu)化中間產(chǎn)品族的關(guān)鍵。同時，一些研究認(rèn)為，模塊化中間產(chǎn)品區(qū)別于中間部件，最重要的特征是中間產(chǎn)品有相對的獨(dú)立性和完整性，如將船體分段以中間產(chǎn)品來衡量，應(yīng)該完成船體裝、焊、割的全部作業(yè)，一般不留余量，焊接坡口全部加工好，分段涂裝好，管子舾裝等安裝完，以1個完整產(chǎn)品轉(zhuǎn)至下道工位。但是，無論是鐘宏才應(yīng)用聚類分析法對部件進(jìn)行分類，還是鐘宇光應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，都只是從部件的特征（部件的材料、零件個數(shù)、重量、外形尺寸、焊縫長度及空間形狀，焊接位置、翻身、所用焊接設(shè)備等;加工特征，構(gòu)件基本特征，工裝設(shè)備特征）出發(fā)的，實(shí)質(zhì)上仍是傳統(tǒng)的造船，按功能、系統(tǒng)、專業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理方式的延續(xù);而總裝化造船需要按區(qū)域、階段、類型進(jìn)行設(shè)計、生產(chǎn)和管理，不僅要考慮工藝技術(shù)特征，還要考慮不同中間產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，以及中間產(chǎn)品的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度等，要對這些因素進(jìn)行綜合分析。

3 中間產(chǎn)品分類方案的模糊模式識別評價算法

對于同一分類對象，由于分類方法的不同選擇，會產(chǎn)生多種不同的中間產(chǎn)品分類方案，因此需要對這些分類方案進(jìn)行評價。

模糊模式識別方法對各種中間產(chǎn)品族的劃分方案進(jìn)行評價時，首先需要建立評價的模糊集，記為A。設(shè)有對A作識別的n個樣本（n個中間產(chǎn)品分類方案），每個樣本有5個指標(biāo)特征值（每種中間產(chǎn)品分類方案的生產(chǎn)效率——單位時間內(nèi)的產(chǎn)量、生產(chǎn)技術(shù)水準(zhǔn)、中間產(chǎn)品的模塊化率、中間產(chǎn)品的外包率、單位產(chǎn)量的成本節(jié)約），可用5×n階指標(biāo)特征值矩陣表示:

式中，xij為樣本j和指標(biāo)i的特征值，i=1，2，3，4，5; j=1，2，…，n。

某船舶公司有5個中間產(chǎn)品分類方案，其指標(biāo)特征值矩陣X詳見表1。

樣本集按c個級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識別，則有5×n階指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣:

式中:yih為級別h和指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，h=1，2，…，c。

評價該船舶公司的中間產(chǎn)品分類方案的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)特征值矩陣Y詳見表2。

指標(biāo)對A的相對隸屬度函數(shù)公式為:

式中:rij為樣本j和指標(biāo)i的特征值對A的相對隸屬度;yi1和yic分別為指標(biāo)i的1級與c級標(biāo)準(zhǔn)值。

級別h和指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值yih對評價集A的相對隸屬函數(shù)公式為［4］:

式中:sih為級別h和指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值對A的相對隸屬度。

用指標(biāo)相對隸屬函數(shù)式（3）和式（4），把指標(biāo)特征值矩陣式（1）與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣式（2）變換為對A的相應(yīng)的相對隸屬度矩陣:

由矩陣R知樣本j的5個指標(biāo)相對隸屬度rj=［r1j，r2j，…，r5j］T，將rj中的指標(biāo)1，2，…，5的相對隸屬度r1j，r2j，…，r5j分別與矩陣S中的第1，2，…，5行的行向量即式（6）逐一地進(jìn)行比較，可得rj落入矩陣S的級別下限aj與級別上限bj。

應(yīng)用樣本j對評價集A級別h的最優(yōu)相對隸屬函數(shù)公式:

式（7）和式（8）中含有指標(biāo)權(quán)重wi，確定wi的方法可以從評價的整體性方面考慮。

從評價的整體性考慮，設(shè)指標(biāo)i的權(quán)重矩陣為W=［wji］，根據(jù)指標(biāo)相對隸屬度越小，權(quán)重越大，且I為元素全為1的矩陣，應(yīng)有

應(yīng)用式（9）和式（10）可以求得每個分類方案對于每個分類等級的隸屬度，以及各個指標(biāo)特征值的權(quán)重，從而對不同的中間產(chǎn)品族劃分方案做出評價。

從表4可以看出，分類方案1的“級別2”的隸屬度是0.786，這說明分類方案1在78.6%的概率意義上屬于“級別2”;同樣，分類方案2在98.9%的概率意義上屬于“級別1”;分類方案3在87.7%的概率意義上屬于“級別3”;分類方案4在64.1%的概率意義上屬于“級別3”;而分類方案5在57.5%的概率意義上屬于“級別3”。從評價結(jié)果看，應(yīng)選擇分類方案2。

4 結(jié)語

從本文的探討看，總裝化造船中，會有多種不同的中間產(chǎn)品族的分類方案，可以利用模糊模式識別方法對各種分類方案的優(yōu)劣進(jìn)行評價。首先用5個指標(biāo)特征值（每種中間產(chǎn)品分類方案的生產(chǎn)效率——單位時間內(nèi)的產(chǎn)量、生產(chǎn)技術(shù)水準(zhǔn)、中間產(chǎn)品的模塊化率、中間產(chǎn)品的外包率、單位產(chǎn)量的成本節(jié)約）對每個分類方案進(jìn)行量化，而為了確定出每個分類方案的等級，就需要制定出各等級的指標(biāo)特征值的標(biāo)準(zhǔn)值，然后利用模糊模式識別方法計算出各個指標(biāo)特征值的權(quán)重以及每個分類方案對于每個分類等級的隸屬度。

應(yīng)用多級模糊模式識別模型進(jìn)行總裝化造船中間產(chǎn)品族的分類方案的評價，以相對隸屬度、隸屬函數(shù)為基礎(chǔ)，建立多級模糊模式識別模型，本文的評價結(jié)果表明，該方法是科學(xué)合理的。

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