基于文本挖掘與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)估算方法

　　摘要：針對(duì)衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)定額主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)確定導(dǎo)致的準(zhǔn)確性低、制定速度慢、管理不規(guī)范等問題，提出一種基于文本挖掘與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)估算方法。以衛(wèi)星為例分析了裝配工藝數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，總結(jié)了裝配工時(shí)的影響因素，并根據(jù)工藝特點(diǎn)劃分了工藝類別。借助文本挖掘技術(shù)對(duì)工藝文本特征進(jìn)行了提取并分類;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了工時(shí)預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配的定額工時(shí)準(zhǔn)確估算。設(shè)計(jì)開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)定額與管理系統(tǒng)，并在航天某所上線試運(yùn)行，應(yīng)用效果良好，驗(yàn)證了所提方法的可行性和實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)雜產(chǎn)品;裝配;工時(shí)定額估算;文本挖掘;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);工時(shí)管理

　　0前言

　　工時(shí)定額是指在制造企業(yè)中按照規(guī)定的工作流程完成一個(gè)產(chǎn)品所花費(fèi)的時(shí)間。工時(shí)定額是企業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)和人員調(diào)度的生產(chǎn)指導(dǎo)，是管理考核的標(biāo)準(zhǔn)與生產(chǎn)效率的衡量，是控制人力成本和產(chǎn)品報(bào)價(jià)的重要依據(jù)。在衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中，裝配過程的重要性日益凸顯[1]，其中衛(wèi)星裝配階段的工時(shí)為產(chǎn)品研制周期的40%左右[2]，裝配成本超過完整生產(chǎn)成本的50%[3]。

　　當(dāng)前衛(wèi)星制造企業(yè)主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工時(shí)定額估算，效率較低，主觀影響大，準(zhǔn)確性不足;同時(shí)，工時(shí)管理的信息化程度低，難以滿足當(dāng)前生產(chǎn)管理精細(xì)化、數(shù)字化和智能化的需求。因此，有必要研究一種衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)快速估算的方法，并設(shè)計(jì)開發(fā)工時(shí)定額與管理系統(tǒng)。早期的工時(shí)定額方法主要是基于人工經(jīng)驗(yàn)與歷史工時(shí)數(shù)據(jù)。

　　1911年，泰勒等對(duì)工人作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行分解，開展了基于預(yù)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)法(Predeterminedtimestandard,PTS)的工時(shí)定額方法研究[4];此后，學(xué)者們對(duì)工時(shí)影響因素考慮得更加細(xì)致和全面，如生產(chǎn)緊急性、精度要求等[5]。這些方法推動(dòng)了企業(yè)工時(shí)定額制定方法的研究，為生產(chǎn)計(jì)劃的制定和調(diào)度排產(chǎn)提供了重要依據(jù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者更傾向于結(jié)合現(xiàn)代制造技術(shù)研究新的工時(shí)計(jì)算方法，并取得了許多的成果，主要分為以下三類。

　　(1)相似工藝分析法，即根據(jù)歷史工時(shí)數(shù)據(jù)估算出同種或相似工藝的工時(shí)數(shù)據(jù)。例如李亞杰等[6]提出了基于制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturingexecutionsystem，MES)歷史數(shù)據(jù)的實(shí)做工時(shí)統(tǒng)計(jì)方法，分析了工時(shí)影響因素并建立了工時(shí)預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。楊青海等[7]使用基于實(shí)例的推理(Case-basedreasoning，CBR)法，通過尋找相似實(shí)例零件，引入事物特性表，利用回歸算法估算工時(shí)。李鵬等[8]利用成組技術(shù)對(duì)零件分類編碼，應(yīng)用于工時(shí)定額中的查表法，提高了工時(shí)定額的效率。

　　(2)數(shù)學(xué)分析方法，即建立數(shù)學(xué)模型揭示影響因素與工時(shí)之間的規(guī)律。例如晁海濤等[9]使用支持矢量機(jī)算法，建立了機(jī)電產(chǎn)品裝配過程的工時(shí)定額模型。戴健偉等[11]結(jié)合遺傳算法優(yōu)化了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)化工設(shè)備設(shè)計(jì)人工時(shí)進(jìn)行定量預(yù)測(cè)[10]。李奇倚等人基于決策樹和模型樹模型研究工時(shí)預(yù)測(cè)方法，提高了預(yù)測(cè)精度。習(xí)立洋等[12]建立PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算船體分段中間產(chǎn)品額定工時(shí)。

　　(3)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，即借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工時(shí)定額管理與估算。史恭波等[13]提出船舶精細(xì)化工時(shí)管理模式，實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)工時(shí)數(shù)據(jù)的有效集成。石晶玉等[14]對(duì)工時(shí)定額計(jì)算整體框架和數(shù)據(jù)庫開發(fā)設(shè)計(jì)做了創(chuàng)新性研究;洪湖鵬等[15]開發(fā)了帶有工時(shí)定額計(jì)算能力的CAPP系統(tǒng)軟件。付誠(chéng)等[16]基于SPDM系統(tǒng)對(duì)船舶設(shè)計(jì)工時(shí)進(jìn)行研究，建立了全面的工時(shí)管理體系。

　　然而，當(dāng)前大部分的工時(shí)預(yù)測(cè)模型多針對(duì)大批量、少品種的零件加工過程和部件裝配過程，其工藝信息相對(duì)簡(jiǎn)單，工時(shí)影響因素比較提取容易。而對(duì)于衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)定額預(yù)測(cè)，其裝配卻存在著裝配關(guān)系復(fù)雜、裝配工藝信息多樣、數(shù)據(jù)量龐大、影響因素繁雜等問題，使得工時(shí)定額估算比較困難。

　　為此，本文提出一種基于文本挖掘和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)定額估算方法。通過分析裝配工藝數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)工藝文本進(jìn)行文本挖掘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征提取與工藝分類;在此基礎(chǔ)上研究工時(shí)影響因素，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工時(shí)估算模型;最后設(shè)計(jì)開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品工時(shí)定額與管理系統(tǒng)并在航天某所進(jìn)行上線試運(yùn)行，驗(yàn)證了所提方法的可行性和實(shí)用性。

　　1衛(wèi)星裝配工藝分析

　　1.1裝配工序卡

　　衛(wèi)星裝配工藝主要以裝配工序卡為信息載體，如圖所示。該例裝配工序卡包括產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品代號(hào)、裝入件明細(xì)表、工序號(hào)、工種、工序名稱及內(nèi)容、設(shè)備工裝及工具輔料等裝配工藝相關(guān)信息。“裝入件明細(xì)表”中包含有裝入零部件的名稱、代號(hào)和數(shù)量信息;“工序名稱及內(nèi)容”中對(duì)裝配工序操作內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的文字描述，含有大量具體的各裝配工序過程數(shù)據(jù)。衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程屬于典型的離散型裝配，具有多品種少批量的特點(diǎn)，多數(shù)時(shí)候是單件生產(chǎn)，其在裝配工藝上與常見的大批量機(jī)械產(chǎn)品裝配存在一定的差異性。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　(1)以文本數(shù)據(jù)為主。衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝信息雖然有裝配工藝卡、二維工藝圖紙和三維模型演示視頻等數(shù)據(jù)載體，但唯有裝配工藝卡中的數(shù)據(jù)具有完整性，滿足裝配指導(dǎo)的要求。這些數(shù)據(jù)形式多以非結(jié)構(gòu)化中文文本數(shù)據(jù)為主。(2)完整性。裝配工序卡有著裝配工序詳細(xì)的文本記錄，包括裝配對(duì)象、裝配動(dòng)作、裝配要求、裝配工裝、裝配步驟次序等，文本記錄中的數(shù)據(jù)量可滿足復(fù)現(xiàn)完整裝配過程的要求。

　　(3)復(fù)雜性。衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)特殊，裝配對(duì)象繁雜，涉及板類、桿類、梁類、結(jié)構(gòu)組件和各種單機(jī)產(chǎn)品;其裝配動(dòng)作、步驟多樣，會(huì)借助各種工裝設(shè)備和材料輔助裝配并且操作復(fù)雜;同時(shí)在裝配過程中，由于衛(wèi)星產(chǎn)品裝配要求嚴(yán)格且部分裝配工序的進(jìn)行前提需要基于上一道工序完成裝配驗(yàn)收，多種工種會(huì)交替進(jìn)行處理裝配，如漆工、鉗工、熱處理、質(zhì)量檢測(cè)等。這些因素導(dǎo)致了裝配工藝的復(fù)雜性。

　　(4)專業(yè)性。工序卡中的文本記錄不同于日常生活中使用的文本詞匯，具有一定的專業(yè)性，信息提取存在較大的困難，常用的、傳統(tǒng)的文本數(shù)據(jù)提取方法不能完全的適用，因此要對(duì)其文本記錄進(jìn)行數(shù)字化信息處理，需要構(gòu)建相應(yīng)適配的專業(yè)詞庫進(jìn)行調(diào)用。(5)相似性。裝配工藝中占據(jù)大量的重復(fù)性裝配動(dòng)作，例如儀器板的裝配，流程基本為預(yù)固定第n層m象限儀器板→精測(cè)第n層m象限儀器板→調(diào)試固定第n層m象限儀器板n為1~4，m為1~4)，這些重復(fù)性裝配動(dòng)作在文本信息的體現(xiàn)中具有一定的相似性，可用于工藝信息歸類處理，以便更好地對(duì)裝配流程進(jìn)行管理規(guī)劃。

　　1.2影響因素分析與分類

　　在衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程中，涉及到的裝配零部件種類繁多、數(shù)量龐大，裝配要求嚴(yán)格，因此工時(shí)定額的影響因素多樣。通過查閱與裝配工時(shí)預(yù)測(cè)相關(guān)的文獻(xiàn)和咨詢相關(guān)技術(shù)人員，并結(jié)合有關(guān)衛(wèi)星產(chǎn)品裝配的工藝文件，依托裝配準(zhǔn)備過程、裝配工作過程、裝配檢測(cè)過程、涂裝裝箱過程裝配四大過程為主線，從裝配對(duì)象、裝配過程和裝配動(dòng)作中提煉出影響因素，以供不同裝配工序工時(shí)研究參考。

　　2基于文本挖掘的工藝快速分類

　　復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練需要大量的樣本數(shù)據(jù)來確保解決復(fù)雜的裝配工時(shí)多影響因素的預(yù)測(cè)問題，對(duì)于特定的單一裝配工序來說，歷史工時(shí)數(shù)據(jù)樣本少，工時(shí)預(yù)測(cè)影響因素少且簡(jiǎn)單;而對(duì)于多個(gè)裝配工序來說，歷史工時(shí)數(shù)據(jù)樣本較多，但由于多種類型的工藝混雜，導(dǎo)致工時(shí)預(yù)測(cè)影響因素多、復(fù)雜且工時(shí)預(yù)測(cè)效果不佳。

　　因此本論文通過對(duì)具備相同的工時(shí)影響因素的相似工藝聚類，累積工藝數(shù)量而提高了每個(gè)類別的工時(shí)數(shù)據(jù)樣本量;同時(shí)降低了每類的工時(shí)預(yù)測(cè)問題的難度和影響因素種類，使得每一類的工時(shí)預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無需海量的樣本數(shù)據(jù)，便可取得不錯(cuò)的預(yù)測(cè)效果，即采取的是“先分類，再預(yù)測(cè)”的方法。大批量小品種產(chǎn)品的工藝文件有著良好的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)成分，便于信息提取和運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析處理;而衛(wèi)星產(chǎn)品的裝配工藝文件以高度非結(jié)構(gòu)化的文本數(shù)據(jù)為主，數(shù)據(jù)量大，專業(yè)術(shù)語多，信息提取難度大。因此需要對(duì)非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其能運(yùn)用于數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

　　3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配工時(shí)定額計(jì)算

　　3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

　　對(duì)于大批量產(chǎn)品的搬運(yùn)、螺接等動(dòng)作，工時(shí)定額預(yù)測(cè)有著簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)律，可以用線性的數(shù)學(xué)模型模擬;而對(duì)于步驟繁雜的復(fù)雜產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)來說，其裝配工時(shí)影響因素多樣，規(guī)律不明顯，無法線性表示，因此本文使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型來對(duì)裝配工時(shí)定額進(jìn)行預(yù)測(cè)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種啟發(fā)于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層串聯(lián)構(gòu)成，而每個(gè)層由一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)元并聯(lián)組成。

　　4實(shí)例驗(yàn)證

　　為提高裝配工時(shí)定額的管理效率，設(shè)計(jì)開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時(shí)定額與管理系統(tǒng)。用于對(duì)工時(shí)定額條目進(jìn)行增添、修改與刪除，每個(gè)條目都含有工序所屬專業(yè)、所屬類目、工作內(nèi)容和工時(shí)信息等�？商顖�(bào)和查詢到各部門人員的實(shí)做工時(shí)時(shí)長(zhǎng)，便于人力成本核算與人員調(diào)度管理。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊于1953年，是由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦、機(jī)械工業(yè)信息研究院承辦的機(jī)械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。設(shè)置欄目有：機(jī)械學(xué)、制造科學(xué)與技術(shù)等。刊登的內(nèi)容為機(jī)械工程領(lǐng)域具有創(chuàng)新性的綜述、基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)應(yīng)用方面的優(yōu)秀科研成果。

　　5結(jié)論

　　(1)提出了基于文本挖掘的裝配工藝分類方法。通過對(duì)工藝文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分詞、TF-IDF值計(jì)算、文檔特征提取等文本挖掘技術(shù)，結(jié)合貝葉斯分類算法，構(gòu)建了工序級(jí)工藝分類模型，分類準(zhǔn)確率達(dá)到95%。為研究提取工藝信息方法提供了良好的思路。

　　(2)提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星裝配工時(shí)預(yù)測(cè)方法。對(duì)工時(shí)數(shù)據(jù)提取裝配工時(shí)影響因素，建立了三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用線性函數(shù)和Relu函數(shù)作為激活函數(shù)，使用Adam算法優(yōu)化參數(shù)，構(gòu)建了工序級(jí)工時(shí)預(yù)測(cè)模型，模型預(yù)測(cè)指標(biāo)R為0.98，達(dá)到了非常好的預(yù)測(cè)效果。

　　(3)設(shè)計(jì)并開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品工時(shí)定額和管理系統(tǒng)，并將所提方法的成果體現(xiàn)在具體的軟件中，提高了企業(yè)對(duì)工時(shí)定額的估算準(zhǔn)確率和管理效率。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉檢華，孫清超，程暉，等.產(chǎn)品裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)內(nèi)涵及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54(11)：2-28.LIUJianhua，SUNQingchao，CHENGHui，etal.Thestate-of-the-art，connotationanddevelopingtrendsoftheproductsassemblytechnology[J].JournalofMechanicalEngineering，2018，54(11)：2-28.

　　[2]孫剛，萬畢樂，劉檢華，等.基于三維模型的衛(wèi)星裝配工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17(11):2343-2350.SUNGang，WANbile，LIUJianhua，etal.Satelliteassemblyprocessdesignandapplicationtechnologybasedon3Dmodel[J].ComputerIntegratedManufacturingSystem，2011，17(11):2343-2350.

　　[3]FAZIOT，EDSALLAC，GUSTAVSONRE，etal.Aprototypeoffeature-baseddesignforassembly[J].JournalofMechanicalDesign，1993，115(4):369-392.

　　作者：劉子文劉檢華程益莊存波

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