基于知識庫的船舶管系定額工時測算研究

潘燕華，樹　健，史恭波（江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇　鎮(zhèn)江 212003）

基于知識庫的船舶管系定額工時測算研究

潘燕華，樹健，史恭波
（江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

為了解決船舶制造企業(yè)管系定額工時測算效率低、誤差大、難以指導(dǎo)生產(chǎn)計劃編排及成本控制等問題，依據(jù)“設(shè)計、生產(chǎn)、管理、信息一體化”的思想，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，并以管系定額工時標(biāo)準(zhǔn)體系為依據(jù)建立工時測算規(guī)則，運(yùn)用知識庫推理邏輯進(jìn)行定額工時精確測算，最后通過系統(tǒng)研發(fā)與企業(yè)實際應(yīng)用，驗證抽取模型及測算方法的有效性。

管系；定額工時；規(guī)則推理；數(shù)據(jù)抽取

0　引　言

定額工時是制造行業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、精細(xì)化管理的核心當(dāng)量數(shù)據(jù)［1］。船舶管系定額工時是船舶建造計劃、成本核算以及進(jìn)度控制的重要依據(jù)，是推行精益生產(chǎn)實現(xiàn)精細(xì)化造船的必要條件。日本船廠從 20 世紀(jì)60 年代開始通過手工單據(jù)的方式積累物量和工時之間的關(guān)系，信息系統(tǒng)出現(xiàn)后，在原有手工數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助系統(tǒng)進(jìn)行工時和物量定額數(shù)據(jù)的積累，目前已經(jīng)形成完善的工時物量定額體系，并較好地使用工時物量定額管理生產(chǎn)中的工時和負(fù)荷［2］。韓國現(xiàn)代船廠開發(fā)了符合自身工藝流程、工序工位配置的工時預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)體系和實動工時收集反饋、預(yù)算、分析計算管理系統(tǒng)。目前國內(nèi)大部分船舶企業(yè)主要參照原中國船舶工業(yè)總公司組織編制的工時定額標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)企業(yè)實際情況加以修正，在此基礎(chǔ)上依靠手工進(jìn)行定額工時測算，但這種做法存在問題：手工從大量的圖紙中讀取數(shù)據(jù)，再按照定額本進(jìn)行測算，工作量大，效率低，準(zhǔn)確性差，同時設(shè)計圖紙、定額測算以及任務(wù)派工相互割裂，無法實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化的目標(biāo)。

船舶生產(chǎn)定額工時測算也引起眾多國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，相關(guān)研究主要分為以下 3 類：一是設(shè)計物量信息采集：文獻(xiàn)［3］在 TRIBON 平臺上利用 Python 語言對船體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，自動生成船舶設(shè)計物量信息，文獻(xiàn)［4］分析 TRIBON 船體分段設(shè)計所生成的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)船舶設(shè)計數(shù)據(jù)管理；二是基于智能算法的工時估算：文獻(xiàn)［5］對船舶生產(chǎn)設(shè)計工時體系進(jìn)行研究，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了船舶設(shè)計工時預(yù)測模型，文獻(xiàn)［6］應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取工時規(guī)律，對船舶裝配作業(yè)工時進(jìn)行智能估算，文獻(xiàn)［7］圍繞管子制造的 PWBS（產(chǎn)品導(dǎo)向型作業(yè)分解），用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究了管子制造定額工時的標(biāo)準(zhǔn)化問題；三是特種工藝定額工時預(yù)測：文獻(xiàn)［8］對船舶焊接工藝、材料、工時、計劃等問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［9］從能量守恒思想出發(fā)，運(yùn)用知識庫和規(guī)則推理，實現(xiàn)焊接工時的定額計算。綜上所述，目前的研究在設(shè)計和生產(chǎn)過程上是割裂的，沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與集成應(yīng)用，工時估算多基于對歷史數(shù)據(jù)的分析。本文以船舶制造企業(yè)管系定額工時為研究對象，依據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)、管理、信息一體化的思想，在對設(shè)計數(shù)據(jù)特征深入分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了管系設(shè)計物量自動化抽取模型，并基于管系定額工時標(biāo)準(zhǔn)體系及測算規(guī)則，運(yùn)用知識庫推理邏輯，對船舶管系定額工時進(jìn)行精確測算。

1　管系工時定額測算原理

在設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化的船舶集成制造環(huán)境下，管系工時定額測算首先是從船舶設(shè)計三維模型中按照一定的方法和規(guī)則抽取管系設(shè)計物量信息，然后根據(jù)企業(yè)定額測算標(biāo)準(zhǔn)體系（知識庫），定義各專業(yè)（管子加工、管系安裝等）、各工種、各工位定額測算標(biāo)準(zhǔn)，形成定額工時測算模型，根據(jù)定額測算模型以及抽取的管系設(shè)計物量進(jìn)行定額工時自動測算，得到各測算對象的定額工時數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上依據(jù)企業(yè)的管系任務(wù)派工標(biāo)準(zhǔn)體系，下達(dá)派工單，執(zhí)行任務(wù)派工并進(jìn)行實動工時反饋。企業(yè)工時定額測算標(biāo)準(zhǔn)會隨著設(shè)備、工藝改進(jìn)以及工作場地和環(huán)境的變化而作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使企業(yè)定額測算標(biāo)準(zhǔn)更貼近企業(yè)實際。管系工時定額測算原理如圖 1 所示。

圖 1　船舶管系定額工時測算原理Fig. 1　Piping fixed working hours calculation principle of the ship

2　管系設(shè)計物量抽取

2.1TRIBON 數(shù)據(jù)抽取方法

TRIBON 軟件是由瑞典 KCS 公司研發(fā)的輔助船舶設(shè)計和建造的計算機(jī)軟件集成系統(tǒng)，在造船業(yè)中廣泛使用，因此它是設(shè)計物量的主要來源。

對 TRIBON 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計物量的抽取是在船舶三維模型建立之后進(jìn)行的。TRIBON 系統(tǒng)提供了 3 種數(shù)據(jù)提取的方法：1）SX700 交互查詢。它通過交互方法，按用戶輸入的命令返回查詢結(jié)果，但不提供任何形式的輸出格式，抽取的數(shù)據(jù)也不能編輯再利用。2）COM 組件方法。它需要通過 TRIBON 自帶 PPI 程序?qū)?TRIBON 模型進(jìn)行分離，形成不同類型封閉數(shù)據(jù)庫，再利用 COM 組件抽取方式，結(jié)合船體、管系各專業(yè)的抽取參數(shù)，通過 API 接口函數(shù)從封閉數(shù)據(jù)庫中提取所需的設(shè)計數(shù)據(jù)。3）幾何宏語言和 VITESSE 開發(fā)工具。這種方式可以通過外部程序?qū)崿F(xiàn)對 TRIBON中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作以達(dá)到修改模型和圖形的目的，能處理大部分其他 2 種方法無法處理的問題，但使用這種方式要求用戶非常熟悉模型結(jié)構(gòu)和 TRIBON 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。

2.2數(shù)據(jù)抽取模型

管子 BOM 信息按照工程號和托盤號抽取。與工時測算相關(guān)的管子 BOM 信息主要包括管子基本信息（管子編號、名稱、類型、級別、下屬的零件編號、規(guī)格型號、加工材料、長度、重量、管徑、通徑、厚度、套管信息等）、管子彎制信息（彎管半徑、彎管方向、送長、彎角、轉(zhuǎn)角等）、管子連接信息（相鄰2 個零件的零件編號、連接類別、X 坐標(biāo)、Y 坐標(biāo)、Z坐標(biāo)等）。物量不同，抽取方法和抽取需要的參數(shù)也不同，為了在設(shè)計數(shù)據(jù)和工時測算平臺之間形成可配置的通用接口處理模式，需要定義每一種物量的抽取模型。

數(shù)據(jù)抽取模型主要包括數(shù)據(jù)抽取來源和數(shù)據(jù)抽取規(guī)則。在實際工作中，由于生產(chǎn)設(shè)計不徹底，數(shù)據(jù)來源除了 TRIBON 中的封閉數(shù)據(jù)庫外，還有 PDM 系統(tǒng)和EXCEL 文件。數(shù)據(jù)來源不同，抽取規(guī)則也不同，TRIBON封閉數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可用上述 COM 組件方法抽取、PDM 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)（管子圖紙目錄等）可以通過系統(tǒng)提供的 Web Service 等標(biāo)準(zhǔn)接口讀取，而 EXCEL 文件中的數(shù)據(jù)可通過制定標(biāo)準(zhǔn)模板的方式導(dǎo)入。數(shù)據(jù)抽取模型如表 1 所示。

其中從 TRIBON 中抽取數(shù)據(jù)的規(guī)則是 TRIBON 系統(tǒng)固有的讀取數(shù)據(jù)的代碼體系，它具有嚴(yán)密的層次結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要抽取的設(shè)計物量帶入相應(yīng)的參數(shù)，并且按 TRIBON 規(guī)定的層次關(guān)系定義抽取規(guī)則，形成可配置的通用接口處理模式。隨著時間的積累，定義的規(guī)則會越來越多，逐漸形成各專業(yè)、各工種、各工位的設(shè)計物量數(shù)據(jù)抽取模型知識庫，它是工時測算知識庫的重要組成部分。

表 1　設(shè)計物量抽取模型Tab. 1　Design content extraction model

3　基于規(guī)則推理的定額工時測算

船舶生產(chǎn)定額工時測算以定額標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，專業(yè)、工種、工位不同，依據(jù)的定額標(biāo)準(zhǔn)不同，測算方法也不同。為了形成統(tǒng)一的定額工時測算平臺，需要對每一個工位定義測算模型，測算模型包括采用的標(biāo)準(zhǔn)體系、測算方法、測算規(guī)則等，以此為基礎(chǔ)將抽取的設(shè)計數(shù)據(jù)依據(jù)測算模型匹配標(biāo)準(zhǔn)體系，測算方法，測算規(guī)則，最終得到各測算對象的定額工時數(shù)據(jù)。

3.1定額工時標(biāo)準(zhǔn)體系

船船企業(yè)管系制造主要分為管系加工與管系安裝2 個階段，每個階段根據(jù)制造工藝的特點(diǎn)進(jìn)行管系工種、工位細(xì)分。管系加工主要包括下料、管系彎制、內(nèi)場校管等工種，管系安裝主要包括管件安裝、船上焊接、船上打磨等工種，每個工種還要進(jìn)行工位細(xì)分以確定作業(yè)工序，如內(nèi)場校管可細(xì)分為銼毛頭、二次切割、拼彎頭、倒角等工位。每個工位在計算定額工時，可能執(zhí)行一個或多個定額標(biāo)準(zhǔn)，如倒角要根據(jù)倒角的類型是管子倒角、彎頭倒角還是壓槽倒角執(zhí)行不同的定額標(biāo)準(zhǔn)。定額工時標(biāo)準(zhǔn)體系如表 2 所示：

定額標(biāo)準(zhǔn)體系是工時測算體系中重要的外部支持知識庫，隨著企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備改造、工藝改進(jìn)和人員能力的變化，定額標(biāo)準(zhǔn)體系要作相應(yīng)更改。

3.2定額工時測算規(guī)則

每一種定額標(biāo)準(zhǔn)有對應(yīng)的定額測算規(guī)則，如內(nèi)場管下料（標(biāo)準(zhǔn)編號為 GXJG001）的測算規(guī)則是：定額標(biāo)準(zhǔn)*修正系數(shù)*物量，其中定額標(biāo)準(zhǔn)由管子的管徑和通徑?jīng)Q定，不同的管徑和通徑定額標(biāo)準(zhǔn)不同，如表 3所示。

可將管子的管徑和通徑稱為定額參數(shù)，定額標(biāo)準(zhǔn)不同，所需的定額參數(shù)的個數(shù)和類型也不一樣；修正系數(shù)是指同一個定額標(biāo)準(zhǔn)用在不同加工參數(shù)下時需要對定額進(jìn)行修正，如彎管法蘭校管的定額標(biāo)準(zhǔn)，用在不同的材質(zhì)（不銹鋼、紫銅等）和不同的零件類別（對焊法蘭、搭焊法蘭等）時需要對定額進(jìn)行修正；物量是指要進(jìn)行工時測算的設(shè)計物量，如內(nèi)場管下料的物量是下料根數(shù)，內(nèi)場彎管的物量是彎管數(shù)量，標(biāo)準(zhǔn)不同，物量的類型不同。

表 2　定額工時標(biāo)準(zhǔn)體系Tab. 2　Fixed working hours standard system

表 3　定額工時標(biāo)準(zhǔn)Tab. 3　Fixed working hours standard

表 4　定額工時測算規(guī)則Tab. 4　Fixed working hours calculation rules

上述測算方法相當(dāng)于查表法，即根據(jù)定額參數(shù)找到定額標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)定義的測算公式計算工時定額，除些之外有些工位的定額測算與其它工位的測算結(jié)果有關(guān)，如船上打磨工時 = （腹板焊 + 套管焊 + 開孔套管 + 對接焊 + 銅焊）*系數(shù)，表示測算船上打磨工時之前，必須先測算與它相關(guān)的焊接工時，然后通過一個系數(shù)進(jìn)行估算所得。

3.3基于規(guī)則推理的定額測算

通過設(shè)計物量抽取模型的定義、定額工時標(biāo)準(zhǔn)體系的定義以及工時測算規(guī)則的定義，形成了定額工時測算的知識庫，按知識庫規(guī)則進(jìn)行推理就可以得到測算對象的定額工時，具體步驟如下：

1）測算對象選擇：選擇船號，根據(jù)船號從圖紙目錄中選擇需要進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取的托盤號，以托盤號匹配管子編號中的對應(yīng)信息（在 TRIBON 中管子編號的前幾位為托盤號），按表 1 定義的抽取規(guī)則抽取管子基本信息、管子彎制信息、管子連接信息等設(shè)計物量；

2）定額標(biāo)準(zhǔn)遍歷：選擇管系專業(yè)（管系加工或管系安裝），對該專業(yè)下每一個工位對應(yīng)的定額測算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遍歷，在遍歷過程中執(zhí)行步驟 3 和步驟 4；

3）測算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：根據(jù)表 4 定義的測算規(guī)則從抽取的管子信息表、管子連接表和管子彎制信息表中提取定額參數(shù)和測算物量；

4）定額工時測算：根據(jù)提取的定額參數(shù)和測算物量結(jié)合表 4 定義的測算方法和測算公式進(jìn)行各工位定額工時測算；

5）定額工時統(tǒng)計匯總：以號船、托盤號、管子編號、工位為統(tǒng)計對象，對定額工時進(jìn)行分類匯總，通過工位與派工體系的對照關(guān)系，可以實現(xiàn)定額工時測算和派工的對接。

4　實　例

按上述方法開發(fā)了管系工時測算平臺，以某船廠76 000 t 散貨船管系加工為例進(jìn)行工時測算，測算船號為 76 000T-9#，托盤號為 TAG11SU1，此托盤內(nèi)包含57 根管子，抽取管子信息共 169 條、管子彎制信息共58 條、管子連接信息共 205 條。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已經(jīng)定義的測算規(guī)則和測算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定額工時測算，可以得到每個工位的定額工時，如圖 2 所示，匯總以后得到每根管子的定額工時匯總數(shù)，如圖 3 所示。

圖 2　工位定額工時明細(xì)Fig. 2　The location fixed working hours subsidiary

圖 3　管子定額工時匯總Fig. 3　The pipe fixed working hours summary

如抽取的 TAG11SU1-A003-03 號內(nèi)場管包括 3 個零件基本信息：1）PRE-20#鋼管 76*5GB/ T8163-2008信息（下料數(shù)量=1313、安裝長度=818.16、零件重量=7.16、管徑=76、通徑=65、厚度=5），2）鋼質(zhì)穿艙套管 95*8*120 信息（規(guī)格為 95*8*120、下料數(shù)量=1、安裝長度=10、零件重量=4.81、零件類別為套管和座套），3）鋼質(zhì)座套 95*8*80 信息（規(guī)格為 95*8*80、下料數(shù)量=1、安裝長度=10、零件重量=1.6）等；管子彎制信息包括：彎管半徑=230、彎管方向=1、彎管序號=1、送長=301.40、彎角=90、轉(zhuǎn)角=0等；管子連接信息主要是上述鋼管與鋼質(zhì)穿艙套管和鋼質(zhì)座套對接的4組信息；管系加工定額明細(xì)信息（見圖 2）為TAG11SU1-A003-03 號管子的各工序的具體工時信息，主要工時包括：配盤工時=0.30 h、下料工時=0.41 h、管系彎制工時=0.39 h、校管工時=0.71 h、焊接工時=0.52 h、報檢工時=0.10 h、打磨工時=0.48 h，最終得到此管子總工時為 3.11 h；經(jīng)過匯總得到定額總工時（見圖 3）包括 TAG11SU1 托盤包含的 57 根管子各自的總工時和此托盤共消耗的總工時。

將上述定額工時數(shù)據(jù)與任務(wù)派工體系對接，通過任務(wù)包、派工單下達(dá)派工任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)派工并進(jìn)行實動工時反饋?？梢詫崉庸r進(jìn)行線性回歸分析，從而修正和完善定額標(biāo)準(zhǔn)體系，通過調(diào)整使企業(yè)定額測算更貼近實際。

5　結(jié)　語

本文以實現(xiàn)船舶管系設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化為指導(dǎo)思想，借助知識庫原理對管系定額工時測算進(jìn)行研究，通過 COM 組件方法對 TRIBON 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計物量信息抽取，將抽取的設(shè)計數(shù)據(jù)與管系定額標(biāo)準(zhǔn)體系匹配，建立定額工時測算模型，并據(jù)以上述方法研發(fā)了定額工時測算平臺。該平臺已經(jīng)在某船舶制造企業(yè)實際應(yīng)用，實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)計與工時測算的緊密集成，提高了工時測算的效率和精度，驗證了測算方法的有效性。企業(yè)工時定額測算標(biāo)準(zhǔn)是帶有時間屬性的知識庫，需要隨著設(shè)備、工藝改進(jìn)以及工作場地和環(huán)境的變化而作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而使測算數(shù)據(jù)更加符合企業(yè)實際。

［1］欒豐一，陳佳名，陳海龍. CAD-MH-CIMS信息集成系統(tǒng)［C］//2012年中國造船工程學(xué)會MIS/S&A學(xué)術(shù)交流會議論文集. 蘭州：中國造船工程學(xué)會，2012：214-216.

［2］朱韓鋼，馬曉平. 船舶建造中的工時物量定額應(yīng)用方法研究［J］. 江蘇船舶，2014，31（5）：37-39. ZHU Han-gang，MA Xiao-ping. Amount of work content in the ship construction norm application research［J］. Jiangsu Ship，2014，31（5）：37-39.

［3］張星君，夏利娟，趙黨. TRIBON船體模型的數(shù)據(jù)信息文件快速生成的開發(fā)［J］. 船舶工程，2010，32（1）：56-59. ZHANG Xing-jun，XIA Li-juan，ZHAO Dang. Development of fast generation of data information documents for Tribon hull model［J］. Ship Engineering，2010，32（1）：56-59.

［4］賈琪琳. TRIBON的船體分段數(shù)據(jù)分析［J］. 船舶工程，2010，32（S1）：67-69. JIA Qi-lin. Data analysis of ship segments by TRIBON［J］. Ship Engineering，2010，32（S1）：67-69.

［5］張志英，李珍，何成能，等等. 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 Zhi-ying，LI Zhen，HE Cheng-neng，et al. Research on man-hour prediction model of production design for shipbuilding［J］. Shipbuilding of China，2009，50（4）：177-185.

［6］瞿世鵬，蔣祖華. 船舶分段裝配工時定額計算方法［J］. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2012，33（5）：550-555. QU Shi-peng，JIANG Zu-hua. Man-hour calculation methods of the block assembly for shipbuilding［J］. Journal of Harbin Engineering University，2012，33（5）：550-555.

［7］趙波. 基于PWBS的船舶管子制造成組聚類和工時定額研究［D］. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

［8］顧曉波，錢超. 船舶焊接物量信息研究［J］. 冶金自動化，2014（S2）：606-609. GU Xiao-bo，QIAN Chao. Ships of welding volume information research［J］. Metallurgical Industry Automation，2014（S2）：606-609.

［9］邵清卿，蔣祖華，張志英，等. 船體分段焊接作業(yè)工時研究及智能計算方法［J］. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011，32（9）：1196-1204. SHAO Qing-qing，JIANG Zu-hua，ZHANG Zhi-ying，et al. Research on man-hour for hull blocks welding operation and its intellignet calculation method［J］. Journal of Harbin Engineering University，2011，32（9）：1196-1204.

Research on measuring ship piping fixed working hours based on the knowledge base

PAN Yan-hua，SHU Jian，SHI Gong-bo
（School of Economic and Management，University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Piping fixed working hours in order to solve the shipbuilding enterprises to measure low efficiency，great error and to guide the production plan arrangement，and the problem of cost control based on the "design，production，management，information integration" of thought，on the basis of in-depth analyzing the characteristic of piping design data，build the design volume automated extraction model，and based on piping fixed working hours standard system established working hours calculation rules，the use of knowledge reasoning logic for accurate measuring fixed working hours，finally through actual application system development and enterprises，to verify the effectiveness of the extraction model and calculation method.

piping；fixed working hours；rule inference；data extraction

F273.1

A

1672 - 7619（2016）08 - 0113 - 06

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.024

2016 - 01 - 25；

2016 - 02 - 29

國家自然科學(xué)基金資助項目（71471078）

潘燕華（1963 - ），女，教授，研究方向為企業(yè)信息模型、成本管理與控制。