煙葉收購站分類及設(shè)備配置研究

文 / 唐海軍 李凱迪 薄志杰 李正平

一、引言

邵陽市煙草專賣局緊跟國(guó)家“十四五”規(guī)劃的戰(zhàn)略步伐，制定了《邵陽煙草系統(tǒng)“十四五”規(guī)劃》，提出“三高三進(jìn)”的發(fā)展思路，要求煙草行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，切實(shí)把各項(xiàng)規(guī)劃部署落到實(shí)處。煙葉生產(chǎn)收購是煙草行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定發(fā)展是行業(yè)上下宏觀調(diào)控的基本目標(biāo)[1]，發(fā)展煙葉收購物流可為助力煙草行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

煙葉收購站是煙草行業(yè)的最基層節(jié)點(diǎn)，其工作的基本流程參照?qǐng)D1：首先環(huán)節(jié)是收煙，后通過分級(jí)臺(tái)進(jìn)行煙葉分級(jí)，然后定級(jí)臺(tái)對(duì)煙葉進(jìn)行密碼定級(jí)以選擇符合購銷要求的煙葉，確認(rèn)購銷的煙葉進(jìn)入打包區(qū)由打包機(jī)整理后放入煙包存儲(chǔ)區(qū)。煙葉收購站的主要設(shè)備有分級(jí)臺(tái)、定級(jí)臺(tái)、打包機(jī)和機(jī)械手。

圖1 供應(yīng)鏈需求計(jì)劃組織歸屬占比

對(duì)煙葉收購站進(jìn)行分類及設(shè)備配置的主要目的，遵循精益物流原則，以價(jià)值工程為導(dǎo)向，在滿足站點(diǎn)作業(yè)效率的同時(shí)，減少設(shè)備投資，因此需要對(duì)各站點(diǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度及各設(shè)備數(shù)量進(jìn)行合理規(guī)劃。由此可見，煙葉收購站的作業(yè)設(shè)備合理配置對(duì)煙葉收購工作來說非常重要。

二、基于主成分分析和K-means 的聚類分析

1.主成分分析法

主成分分析算法（PCA）是最常用的線性降維方法，它的目標(biāo)是通過某種線性投影，將高維的數(shù)據(jù)映射到低維的空間中，并期望在所投影的維度上數(shù)據(jù)的信息量最大（方差最大），以此使用較少的數(shù)據(jù)維度，同時(shí)保留住較多的原數(shù)據(jù)點(diǎn)的特性。PCA降維的目的，就是為了在盡量保證“信息量不丟失”的情況下，對(duì)原始特征進(jìn)行降維，也就是盡可能將原始特征往具有最大投影信息量的維度上進(jìn)行投影[2]。將原特征投影到這些維度上，使降維后信息量損失最小，其步驟如圖2所示。

圖2 主成分分析步驟

2.K-means 聚類算法理論

K-means算法中的k表示的是聚類為k個(gè)簇，means代表取每一個(gè)聚類中數(shù)據(jù)值的均值作為該簇的中心，或者稱為質(zhì)心，即用每一個(gè)的類的質(zhì)心對(duì)該簇進(jìn)行描述。其算法思想大致為：先從樣本集中隨機(jī)選取 k個(gè)樣本作為簇中心，并計(jì)算所有樣本與這 k個(gè)“簇中心”的距離，對(duì)于每一個(gè)樣本，將其劃分到與其距離最近的“簇中心”所在的簇中，對(duì)于新的簇計(jì)算各個(gè)簇的新的“簇中心”。其運(yùn)行過程如圖3所示。

圖3 K-means聚類過程圖

三、邵陽市煙葉收購站聚類分析

本文在對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備配置時(shí)用到的主成分分析在評(píng)價(jià)問題中運(yùn)用廣泛，比如郭瑛[3]和曹炳汝[4]將主成分分析法用到企業(yè)績(jī)效評(píng)價(jià)和供應(yīng)鏈績(jī)效評(píng)價(jià)中。K-means聚類方法的應(yīng)用同樣廣泛，設(shè)備管理方面的研究用到了此類方法，王華偉等[5]基于K-means聚類算法開展了鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元?jiǎng)澐址椒ㄑ芯?；周愛?guó)等[6]基于K-means算法提出了一種設(shè)備故障分類的方法。然而，現(xiàn)在基于K-means算法對(duì)設(shè)備配置的研究較少，因此以此為方向開展研究。

本文用主成分分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維后，基于K-means方法對(duì)邵陽市各站點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，篩選出第一、第二和第三聚類，對(duì)第一聚類的站點(diǎn)進(jìn)行定性分析調(diào)整后配置設(shè)備。

1.主成分分析

通過主成分分析對(duì)原始數(shù)據(jù)降維，選出比原始變量個(gè)數(shù)少，能解釋資料中大部分變量的幾個(gè)新變量，并用以解釋資料的綜合性指標(biāo)。原始指標(biāo)有18個(gè)，分別是打包機(jī)的數(shù)量（臺(tái)）、預(yù)計(jì)年收購量（擔(dān)）、日收購時(shí)間（小時(shí)）、打包等待時(shí)間（小時(shí)）、單日最大收購量（擔(dān)）、年收購時(shí)間（天）、定級(jí)臺(tái)定級(jí)效率（千克/小時(shí)）、定級(jí)等待時(shí)間（小時(shí)）、煙包存儲(chǔ)區(qū)容量（包）、煙包包裝效率（包/小時(shí)）、成包重量（千克）、打包環(huán)節(jié)工作時(shí)間（小時(shí)）、定級(jí)臺(tái)的數(shù)量（個(gè)）、單個(gè)分級(jí)臺(tái)分級(jí)效率（千克/小時(shí)）、單日平均收購量（擔(dān)）、打包緩存區(qū)容量（筐）、分級(jí)臺(tái)的數(shù)量（個(gè)）、煙葉收購等級(jí)（品規(guī)）數(shù)。

（1）提取主成分

由表1可知，前6個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)94.502%，即涵蓋了原始數(shù)據(jù)的大部分信息。這表明前6個(gè)主成分能夠代表最初的18個(gè)指標(biāo)來分析邵陽市煙葉收購站的分類，故提取前6個(gè)指標(biāo)即可。

表1 總方差分析表

（2）計(jì)算原始指標(biāo)權(quán)重

通過計(jì)算成分矩陣并結(jié)合上述總方差分析，計(jì)算出原始18個(gè)指標(biāo)對(duì)邵陽市煙葉收購站分類的權(quán)重，如表2。

表2 各指標(biāo)權(quán)重圖

（3）選取指標(biāo)

根據(jù)表1，由于原始數(shù)據(jù)中11個(gè)站點(diǎn)的“定級(jí)臺(tái)的數(shù)量（個(gè)）”、“定級(jí)臺(tái)定級(jí)效率（千克/小時(shí)）”、“定級(jí)等待時(shí)間（小時(shí)）”、“打包等待時(shí)間（小時(shí)）”、“成包重量（千克）”、“煙包包裝效率（包/小時(shí)）”、“日收購時(shí)間（小時(shí)）”7個(gè)指標(biāo)差異極小，且受收購站內(nèi)部因素如設(shè)備等影響，與市場(chǎng)的外部因素?zé)o關(guān)，故排除。

根據(jù)表2得出的權(quán)重，“單日平均收購量（擔(dān)）”、“單個(gè)分級(jí)臺(tái)分級(jí)效率（千克/小時(shí)）”、“打包緩存區(qū)容量（筐）”、“打包機(jī)的數(shù)量（臺(tái)）”、“打包環(huán)節(jié)工作時(shí)間（小時(shí)）”、“煙葉收購等級(jí)（品規(guī)）數(shù)”、“分級(jí)臺(tái)的數(shù)量（個(gè)）”7個(gè)指標(biāo)權(quán)重很小，故排除。

綜合以上2種方法，最終選取煙站分類的4個(gè)指標(biāo)，分別為：“預(yù)計(jì)年收購量（擔(dān)）”、“年收購時(shí)間（天）”、“單日最大收購量（擔(dān)）”、“煙包存儲(chǔ)區(qū)容量（包）”作為煙站分類的原則。

2.K-means 聚類分析

由上述分析選取的4個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行K-均值聚類分析。

（1）設(shè)置聚類數(shù)量

考慮到11個(gè)站點(diǎn)數(shù)量較少，因此分別設(shè)置類別數(shù)量為2、3、4三種情況，得到不同聚類結(jié)果；在類別為3時(shí)，得到的聚類結(jié)果較符合邵陽煙站實(shí)際情況，因此本文擬采取類別為3的方案。由于聚類過程相似，本文僅介紹分為3類的過程。

（2）選擇初始聚類中心并迭代

初始系統(tǒng)隨機(jī)選擇“邵陽縣中心點(diǎn)”、“邵陽縣塘渡口點(diǎn)”、“新寧縣巡田點(diǎn)”三個(gè)收購站為聚類中心，如表3，經(jīng)過10次迭代，聚類中心再無變動(dòng)，算法收斂。

表3 初始聚類中心

（3）確定分類方案

根據(jù)聚類結(jié)果，將11個(gè)收購站點(diǎn)分成3類，站點(diǎn)數(shù)分別為4個(gè)（邵陽縣塘田中心點(diǎn)、新寧縣高橋站中心點(diǎn)、新寧縣馬頭橋、隆回縣雨山中心點(diǎn)）、5個(gè)（邵陽縣胡塘點(diǎn)、邵陽縣金稱市點(diǎn)、邵陽縣塘渡口點(diǎn)、新寧縣荷香橋點(diǎn)、隆回縣巖口點(diǎn)）、2個(gè)（新寧縣巡田點(diǎn)、隆回縣橫板橋點(diǎn)）。

（4）檢驗(yàn)

對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，如表4所示。根據(jù)F值大小近似得到變量對(duì)聚類的貢獻(xiàn)，4個(gè)指標(biāo)的重要程度排序?yàn)椋侯A(yù)計(jì)年收購量（擔(dān)）>煙包存儲(chǔ)區(qū)容量（包）>年收購時(shí)間（天）>單日最大收購量（擔(dān)）。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)，可得“預(yù)計(jì)年收購量（擔(dān)）”和“煙包存儲(chǔ)區(qū)容量（包）” 的顯著性均低于0.05，對(duì)聚類有顯著的貢獻(xiàn)。

表4 單因素方差分析

3.聚類結(jié)果

最終的聚類結(jié)果如下：邵陽縣塘田中心點(diǎn)、新寧縣高橋站中心點(diǎn)、新寧縣馬頭橋、隆回縣雨山中心點(diǎn)共4給站點(diǎn)歸為第一類，預(yù)計(jì)年收購量、單日最大收購量和煙包存儲(chǔ)區(qū)容量最大；新寧縣巡田點(diǎn)、隆回縣橫板橋點(diǎn)歸為第二類，預(yù)計(jì)年收購量和單日最大收購量為中等；邵陽縣胡塘點(diǎn)、邵陽縣金稱市點(diǎn)、邵陽縣塘渡口點(diǎn)、新寧縣荷香橋點(diǎn)和隆回縣巖口點(diǎn)為第三類，預(yù)計(jì)年收購量和單日最大收購量最小，年收購時(shí)間最短。

四、邵陽市煙葉收購站設(shè)備配置

煙葉收購站各流程需要的設(shè)備分為自動(dòng)和半自動(dòng)設(shè)備，由于參與煙葉收購工作的設(shè)備成本不同，且部分工作環(huán)節(jié)中半自動(dòng)設(shè)備完全能滿足工作需要，因此邵陽市煙葉收購站的設(shè)備配置視實(shí)際情況分為自動(dòng)和半自動(dòng)設(shè)備，具體如表5。

表5 各工作環(huán)節(jié)中設(shè)備的自動(dòng)化程度

由于第一聚類單元中收購點(diǎn)的每日工作量較大，因此對(duì)第一聚類中的站點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備配置以保證收購煙葉工作的順利進(jìn)行。通過分析收購點(diǎn)的分級(jí)臺(tái)、定級(jí)臺(tái)、打包機(jī)和托盤等設(shè)備雙良，保障能夠滿足日常工作的同時(shí)減少設(shè)備投入數(shù)量，降低設(shè)備投資成本。二類和三類煙站規(guī)模較小，二類只在定級(jí)和稱重環(huán)節(jié)投入自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備配置簡(jiǎn)單，三類站點(diǎn)以人工作業(yè)為主，因此設(shè)備數(shù)量分析本文不再詳細(xì)分析。

邵陽縣塘田市中心點(diǎn)的最大收購量是450擔(dān)，每個(gè)分級(jí)臺(tái)的分級(jí)效率是3.6擔(dān)/臺(tái)/天，需要配備125個(gè)分級(jí)臺(tái)；每個(gè)定級(jí)臺(tái)的效率是200擔(dān)/天，因此需要3個(gè)定級(jí)臺(tái)；每臺(tái)打包機(jī)的效率是40擔(dān)/小時(shí)，工作時(shí)間是8小時(shí)，需要2臺(tái)打包機(jī)；械手的碼垛效率是240擔(dān)/小時(shí)，工作8小時(shí)，只需1個(gè)機(jī)械手用以自動(dòng)碼垛。

新寧縣馬頭橋中心點(diǎn)和高橋站點(diǎn)數(shù)據(jù)相同，日最大收購量是260擔(dān)，每個(gè)分級(jí)臺(tái)的分級(jí)效率是4擔(dān)/臺(tái)/天，需要配備65個(gè)分級(jí)臺(tái)；每個(gè)定級(jí)臺(tái)的效率是216擔(dān)/天，需要2個(gè)定級(jí)臺(tái)；每臺(tái)打包機(jī)的效率是40擔(dān)/小時(shí)，工作時(shí)間是9小時(shí)，需要1臺(tái)打包機(jī)；機(jī)械手的碼垛效率是240擔(dān)/小時(shí)，工作9小時(shí)，只需1臺(tái)機(jī)械手用以自動(dòng)碼垛。

隆回縣雨山中心點(diǎn)的最大收購量是260擔(dān)，每個(gè)分級(jí)臺(tái)的分級(jí)效率是3擔(dān)/臺(tái)/天，需要配備87個(gè)分級(jí)臺(tái)；每個(gè)定級(jí)臺(tái)的效率是200擔(dān)/天，需要2個(gè)定級(jí)臺(tái)；每臺(tái)打包機(jī)的效率是40擔(dān)/小時(shí)，工作時(shí)間是8小時(shí)，需要1臺(tái)打包機(jī)；機(jī)械手的碼垛效率是240擔(dān)/小時(shí)，工作8小時(shí)，只需1臺(tái)機(jī)械手用以自動(dòng)碼垛。

五、結(jié)語

本文先通過主成分分析和權(quán)重分析兩種方法，提取出煙站分類的4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)；按照聚類數(shù)分別為2、3、4，分別對(duì)邵陽市11個(gè)煙葉收購站點(diǎn)進(jìn)行K-means聚類分析，最終選擇將11個(gè)煙站分為3類，并對(duì)3類煙站的設(shè)備配置制定了原則；最后對(duì)第一聚類的4個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定各種設(shè)備的數(shù)量，在滿足工作量需求的同時(shí)，減少設(shè)備投入。本文理論結(jié)合實(shí)際，提高了煙葉收購點(diǎn)設(shè)備配置的合理性和科學(xué)性，可為煙草行業(yè)煙葉產(chǎn)區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)穩(wěn)定發(fā)展提供保障，同時(shí)為其他有關(guān)站點(diǎn)設(shè)備配置問題指出參考方向。