基于WBS的船舶建造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)數(shù)據(jù)挖掘方法研究

朱小敏，王炬成，周 紅

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

工時(shí)數(shù)據(jù)是船舶建造過程中計(jì)劃編制與負(fù)荷計(jì)算的重要依據(jù)，也是船舶建造成本預(yù)算和控制的基礎(chǔ)。然而,目前造船企業(yè)對(duì)于船舶建造工時(shí)的挖掘往往僅憑借建造重量來進(jìn)行粗略估算，這種估算方法的誤差大；沒有細(xì)分到船舶建造各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的作業(yè)工時(shí)，這樣的工時(shí)估算方法不合理、不具體，導(dǎo)致了工期不定、成本難以控制等問題。

為了解決傳統(tǒng)工時(shí)數(shù)據(jù)挖掘方法粗放、人為因素影響大等問題，有效減少工時(shí)數(shù)據(jù)挖掘的誤差，本文開展基于工程分解(Work Breakdown Structure，WBS)的船舶建造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)的數(shù)據(jù)挖掘方法研究。首先，基于WBS分解原理，對(duì)分段建造過程進(jìn)行任務(wù)分解；其次，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的回歸分析法，以任務(wù)包為單位，回歸出工時(shí)與物量的定額曲線，為船舶建造工時(shí)匯總提供依據(jù)。

1 WBS原理及其在船舶建造中的應(yīng)用研究

1.1 WBS原理

WBS是一種效率較高的管理方法，通過對(duì)大型工程項(xiàng)目的分解細(xì)化，可以將復(fù)雜的問題分解成若干個(gè)簡(jiǎn)單問題，進(jìn)而降低項(xiàng)目管理難度，提高項(xiàng)目管理效率。

工程分解是將工程項(xiàng)目分層劃分的過程，即將一個(gè)大型工程項(xiàng)目，按照分解依據(jù)，逐層分解為多個(gè)子項(xiàng)目、多個(gè)基本單元，其原理見圖1。工程分解的依據(jù)需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。

圖1 WBS分解原理

1.2 船舶建造工程分解結(jié)構(gòu)研究

基于上述WBS原理，將船舶建造工程項(xiàng)目，按照時(shí)間上有序、空間上分道的原則，進(jìn)行分解。船舶建造工程分解結(jié)構(gòu)見圖2，涵蓋橫向和縱向分解結(jié)構(gòu)。

橫向上，按時(shí)間分為先行作業(yè)階段、搭載作業(yè)階段和后行作業(yè)階段。先行作業(yè)階段包括從鋼板切割到總組階段的全部作業(yè)。搭載作業(yè)階段指在船塢(或船臺(tái))上進(jìn)行分總段合龍的作業(yè)階段，與先行、后行作業(yè)有時(shí)間重疊。后行作業(yè)階段則包括以系統(tǒng)和區(qū)域完整性為導(dǎo)向的舾裝、涂裝作業(yè)，設(shè)備安裝、調(diào)試作業(yè)等。

縱向上分解為WBS元素、活動(dòng)(Activity)、任務(wù)包(Wop)、任務(wù)(Task)。WBS元素來源于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)，不同作業(yè)階段的WBS元素組成方式不同。Activity是生產(chǎn)管理部門對(duì)生產(chǎn)部門進(jìn)行任務(wù)管理的基本單位。Wop是生產(chǎn)部門對(duì)施工班組進(jìn)行任務(wù)管理的基本單位。Task則是施工班組派發(fā)給個(gè)人的任務(wù)。

船舶建造過程受影響因素很多，因此，船舶建造過程中的Activity、Wop、Task需要根據(jù)實(shí)際建造情況進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。

圖2 船舶建造工程分解結(jié)構(gòu)

1.3 船舶分段建造任務(wù)包分解研究

船舶建造工程的WBS元素來源于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)，以先行作業(yè)階段為例，該階段的WBS元素即為各個(gè)分段。本文研究的船舶建造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)挖掘方法是針對(duì)任務(wù)包的，因此，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)挖掘前，首先要做的是進(jìn)行任務(wù)分解。此處，以分段為例進(jìn)行分段建造的任務(wù)包分解。根據(jù)上述船舶建造工程分解結(jié)構(gòu)可知：分段建造任務(wù)包分解的第一步是進(jìn)行Activity分解，第二步則是進(jìn)行Wop分解。下面以A分段為例，進(jìn)行分段建造任務(wù)包分解示例。

(1)A分段的Activity分解

A分段的Activity分解，可先按專業(yè)分為船體、舾裝、涂裝和支持，然后每個(gè)專業(yè)又可根據(jù)作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)分。如圖3所示，A分段的Activity分解為：A分段備料、A分段預(yù)處理、A分段切割、A分段零件加工、A分段小組等。

圖3 A分段的Activity分解

(2)A分段的Wop分解

在船舶建造工程分解結(jié)構(gòu)中，Wop是Activity的下一個(gè)層級(jí)，Wop分解的過程即是將各個(gè)Activity進(jìn)行劃分，獲得各個(gè)Activity分別所對(duì)應(yīng)的各個(gè)Wop。以A分段切割A(yù)ctivity為例，其Wop劃分為A分段鋼板切割和A分段型材切割；再如A分段電裝件托盤制作Activity，其Wop劃分為A分段電裝件托盤備料、A分段電裝件托盤切割、A分段電裝件托盤加工和A分段電裝件托盤表面處理。WOP中需要配置相關(guān)制造資源信息，如人力、場(chǎng)地、設(shè)備、工時(shí)物量定額等信息。

2 船舶建造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)的數(shù)據(jù)挖掘方法

基于WBS的船舶建造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)制定，分別針對(duì)各個(gè)任務(wù)包，分析獲得任務(wù)包所對(duì)應(yīng)的各個(gè)物量影響因素，進(jìn)而獲得各個(gè)任務(wù)包所對(duì)應(yīng)的各個(gè)物量影響因素。根據(jù)歷史船舶建造數(shù)據(jù)，繪制出任務(wù)包-物量關(guān)系圖，建立任務(wù)包工時(shí)計(jì)算公式，并進(jìn)行修正。最后根據(jù)修正后的任務(wù)包工時(shí)計(jì)算公式計(jì)算各個(gè)任務(wù)包的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)，自下向上匯總得到某個(gè)分段建造的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)。具體步驟如下：

(1)分段建造任務(wù)包分解

針對(duì)目標(biāo)分段，進(jìn)行分段建造任務(wù)包分解。

(2)單個(gè)任務(wù)包的物量影響因素分析

任務(wù)包的物量影響因素分析會(huì)直接影響任務(wù)包總工時(shí)的建立結(jié)果。以A分段鋼板切割任務(wù)包、A分段型材切割任務(wù)包為例，分析單個(gè)任務(wù)包的物量影響因素，見表1。

表1 分段鋼材切割任務(wù)包的物量影響因素

(3)建立任務(wù)包工時(shí)對(duì)應(yīng)物量影響因素的函數(shù)關(guān)系式

根據(jù)歷史船舶建造數(shù)據(jù)，針對(duì)各個(gè)任務(wù)包，構(gòu)建任務(wù)包工時(shí)對(duì)應(yīng)其各個(gè)物量影響因素的散點(diǎn)圖，進(jìn)而獲得各個(gè)任務(wù)包工時(shí)對(duì)應(yīng)其各個(gè)物量影響因素的函數(shù)關(guān)系示意圖，包括常數(shù)函數(shù)、分段常數(shù)函數(shù)、一次函數(shù)、分段一次函數(shù)等。

一般而言，造船企業(yè)在初期制定工時(shí)物量定額時(shí)，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，可以首先采用常數(shù)函數(shù)、一次函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，并且根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，可以對(duì)函數(shù)分階段進(jìn)行處理，即使用分段常數(shù)函數(shù)、分段一次函數(shù)進(jìn)行表達(dá)。下面舉例闡述。

船舶建造過程中，在進(jìn)行鋼材備料時(shí)，假設(shè)不論備料多少鋼材，每噸鋼材需要的工時(shí)都為0.5 h，通過散點(diǎn)圖繪制，得出工時(shí)物量關(guān)系函數(shù)示意圖，見圖4，用式(1)所示的常數(shù)函數(shù)進(jìn)行表達(dá)。

圖4 工時(shí)物量定額—常數(shù)函數(shù)

()=0.5

(1)

鋼材備料時(shí)備料的物量若超過一定范圍，考慮到備料人員備料熟練程度增加，單位物量需要的備料時(shí)間會(huì)相應(yīng)減少，則可以考慮用式(2)的分段常數(shù)函數(shù)來進(jìn)行工時(shí)與物量的關(guān)系表達(dá)。假設(shè)200 t為分界點(diǎn)，不足200 t和超過200 t的工時(shí)定額不同，具體值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，此處僅為舉例。

(2)

例如對(duì)于鋼板切割工作，隨著鋼板重量的增加，人員熟練程度增加，單位物量所消耗的工時(shí)會(huì)適當(dāng)減少，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，通過散點(diǎn)圖繪制，得出工時(shí)物量關(guān)系函數(shù)示意圖，見圖5，即可以采用式(3)的一次函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，該式中的一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算取得。另外，對(duì)于物量在不同范圍的工時(shí)定額有所區(qū)別的情況，可以采用分段一次函數(shù)進(jìn)行表達(dá)。

圖5 工時(shí)物量定額—一次函數(shù)

()=-0005+4

(3)

不論是常數(shù)函數(shù)，還是一次函數(shù)、二次函數(shù)的表達(dá)方式，都是三次樣條函數(shù)的特例。對(duì)于常數(shù)函數(shù)而言，三次項(xiàng)、二次項(xiàng)和一次項(xiàng)的系數(shù)為0；對(duì)于一次函數(shù)而言，三次項(xiàng)和二次項(xiàng)的系數(shù)為0；對(duì)于二次函數(shù)而言，三次項(xiàng)的系數(shù)為0。因此，本文采用三次樣條函數(shù)，可以涵蓋所有函數(shù)類型，能夠較好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集繪制的函數(shù)示意圖見圖6。

圖6 工時(shí)物量定額—三次樣條函數(shù)

針對(duì)各個(gè)任務(wù)包，建立各個(gè)任務(wù)包對(duì)應(yīng)物量影響因素的三次樣條函數(shù)關(guān)系式，見式(4)：

(4)

式中：={1、…、}，表示任務(wù)包所對(duì)應(yīng)物量影響因素的個(gè)數(shù)；()表示任務(wù)包所對(duì)應(yīng)第個(gè)物量影響因素工時(shí)；,0、,1、,2、…分別表示任務(wù)包所對(duì)應(yīng)第個(gè)物量影響因素的各個(gè)范圍值；,1表示任務(wù)包第個(gè)物量影響因素對(duì)應(yīng),0≤<,1范圍、()的系數(shù)；,1表示任務(wù)包第個(gè)物量影響因素對(duì)應(yīng),0≤<,1階段、()的系數(shù)；,1表示任務(wù)包第個(gè)物量影響因素對(duì)應(yīng),0≤<,1階段、的系數(shù)；,1表示任務(wù)包第個(gè)物量影響因素對(duì)應(yīng),0≤<,1階段的常數(shù)。

(4)任務(wù)包總工時(shí)建立

分別針對(duì)各個(gè)任務(wù)包，計(jì)算任務(wù)包總工時(shí)，計(jì)算方法見式(5)：

=()+…+()+…()+

(5)

式中：為任務(wù)包所對(duì)應(yīng)的總工時(shí)；為()所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；為截距。

根據(jù)歷史船舶建造數(shù)據(jù)，分別針對(duì)各個(gè)任務(wù)包，確定任務(wù)包所對(duì)應(yīng)式(5)中的各個(gè)系數(shù)和截距，進(jìn)而分別確定各個(gè)任務(wù)包的總工時(shí)計(jì)算公式。

(5)分段建造工時(shí)匯總

由上述步驟(1)-(4)可知，首先采集目標(biāo)船舶建造過程中各個(gè)任務(wù)包分別所對(duì)應(yīng)各個(gè)物量影響因素的大小，然后針對(duì)目標(biāo)船舶建造過程中各個(gè)任務(wù)包，采用式(4)獲得任務(wù)包分別對(duì)應(yīng)其物量影響因素的工時(shí)，并進(jìn)一步采用式(5)，獲得任務(wù)包所對(duì)應(yīng)的工時(shí)，進(jìn)而分別獲得目標(biāo)船舶建造過程中各個(gè)任務(wù)包的工時(shí)。

最后，根據(jù)船舶建造順序，針對(duì)目標(biāo)船舶建造過程中各個(gè)任務(wù)包的工時(shí)進(jìn)行匯總，即可獲得目標(biāo)船舶的建造工時(shí)。

3 結(jié)論

(1)基于WBS原理，開展了船舶建造工程分解結(jié)構(gòu)研究，并以分段為對(duì)象，闡述了分段建造的任務(wù)包分解。

(2)針對(duì)單個(gè)任務(wù)包，分析其物量影響因素，構(gòu)建了任務(wù)包工時(shí)與對(duì)應(yīng)物量影響因素的函數(shù)關(guān)系式，建立了任務(wù)包總工時(shí)的計(jì)算公式。