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

　　摘要：針對衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時定額主要依靠人工經(jīng)驗確定導(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)品裝配工時估算方法。以衛(wèi)星為例分析了裝配工藝數(shù)據(jù)的特點，總結(jié)了裝配工時的影響因素，并根據(jù)工藝特點劃分了工藝類別。借助文本挖掘技術(shù)對工藝文本特征進行了提取并分類;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了工時預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配的定額工時準(zhǔn)確估算。設(shè)計開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時定額與管理系統(tǒng)，并在航天某所上線試運行，應(yīng)用效果良好，驗證了所提方法的可行性和實用性。

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

　　0前言

　　工時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產(chǎn)品所花費的時間。工時定額是企業(yè)計劃排產(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)品報價的重要依據(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)驗進行工時定額估算，效率較低，主觀影響大，準(zhǔn)確性不足;同時，工時管理的信息化程度低，難以滿足當(dāng)前生產(chǎn)管理精細化、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)品裝配工時快速估算的方法，并設(shè)計開發(fā)工時定額與管理系統(tǒng)。早期的工時定額方法主要是基于人工經(jīng)驗與歷史工時數(shù)據(jù)。

　　1911年，泰勒等對工人作業(yè)動作進行分解，開展了基于預(yù)定時間標(biāo)準(zhǔn)法(Predeterminedtimestandard,PTS)的工時定額方法研究[4];此后，學(xué)者們對工時影響因素考慮得更加細致和全面，如生產(chǎn)緊急性、精度要求等[5]。這些方法推動了企業(yè)工時定額制定方法的研究，為生產(chǎn)計劃的制定和調(diào)度排產(chǎn)提供了重要依據(jù)。當(dāng)前，國內(nèi)外的研究學(xué)者更傾向于結(jié)合現(xiàn)代制造技術(shù)研究新的工時計算方法，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)歷史工時數(shù)據(jù)估算出同種或相似工藝的工時數(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)的實做工時統(tǒng)計方法，分析了工時影響因素并建立了工時預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。楊青海等[7]使用基于實例的推理(Case-basedreasoning，CBR)法，通過尋找相似實例零件，引入事物特性表，利用回歸算法估算工時。李鵬等[8]利用成組技術(shù)對零件分類編碼，應(yīng)用于工時定額中的查表法，提高了工時定額的效率。

　　(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之間的規(guī)律。例如晁海濤等[9]使用支持矢量機算法，建立了機電產(chǎn)品裝配過程的工時定額模型。戴健偉等[11]結(jié)合遺傳算法優(yōu)化了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對化工設(shè)備設(shè)計人工時進行定量預(yù)測[10]。李奇倚等人基于決策樹和模型樹模型研究工時預(yù)測方法，提高了預(yù)測精度。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。

　　(3)計算機輔助技術(shù)，即借助計算機技術(shù)對工時定額管理與估算。史恭波等[13]提出船舶精細化工時管理模式，實現(xiàn)與設(shè)計工時數(shù)據(jù)的有效集成。石晶玉等[14]對工時定額計算整體框架和數(shù)據(jù)庫開發(fā)設(shè)計做了創(chuàng)新性研究;洪湖鵬等[15]開發(fā)了帶有工時定額計算能力的CAPP系統(tǒng)軟件。付誠等[16]基于SPDM系統(tǒng)對船舶設(shè)計工時進行研究，建立了全面的工時管理體系。

　　然而，當(dāng)前大部分的工時預(yù)測模型多針對大批量、少品種的零件加工過程和部件裝配過程，其工藝信息相對簡單，工時影響因素比較提取容易。而對于衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時定額預(yù)測，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)品裝配工時定額估算方法。通過分析裝配工藝數(shù)據(jù)特點，對工藝文本進行文本挖掘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)特征提取與工藝分類;在此基礎(chǔ)上研究工時影響因素，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工時估算模型;最后設(shè)計開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品工時定額與管理系統(tǒng)并在航天某所進行上線試運行，驗證了所提方法的可行性和實用性。

　　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、裝入件明細表、工序號、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。“裝入件明細表”中包含有裝入零部件的名稱、代號和數(shù)量信息;“工序名稱及內(nèi)容”中對裝配工序操作內(nèi)容進行了詳細的文字描述，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，多數(shù)時候是單件生產(chǎn)，其在裝配工藝上與常見的大批量機械產(chǎn)品裝配存在一定的差異性。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

　　(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的文本記錄，包括裝配對象、裝配動作、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，裝配對象繁雜，涉及板類、桿類、梁類、結(jié)構(gòu)組件和各種單機產(chǎn)品;其裝配動作、步驟多樣，會借助各種工裝設(shè)備和材料輔助裝配并且操作復(fù)雜;同時在裝配過程中，由于衛(wèi)星產(chǎn)品裝配要求嚴格且部分裝配工序的進行前提需要基于上一道工序完成裝配驗收，多種工種會交替進行處理裝配，如漆工、鉗工、熱處理、質(zhì)量檢測等。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，因此要對其文本記錄進行數(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，以便更好地對裝配流程進行管理規(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，裝配要求嚴格，因此工時定額的影響因素多樣。通過查閱與裝配工時預(yù)測相關(guān)的文獻和咨詢相關(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、裝配檢測過程、涂裝裝箱過程裝配四大過程為主線，從裝配對象、裝配過程和裝配動作中提煉出影響因素，以供不同裝配工序工時研究參考。

　　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)雜的裝配工時多影響因素的預(yù)測問題，對于特定的單一裝配工序來說，歷史工時數(shù)據(jù)樣本少，工時預(yù)測影響因素少且簡單;而對于多個裝配工序來說，歷史工時數(shù)據(jù)樣本較多，但由于多種類型的工藝混雜，導(dǎo)致工時預(yù)測影響因素多、復(fù)雜且工時預(yù)測效果不佳。

　　因此本論文通過對具備相同的工時影響因素的相似工藝聚類，累積工藝數(shù)量而提高了每個類別的工時數(shù)據(jù)樣本量;同時降低了每類的工時預(yù)測問題的難度和影響因素種類，使得每一類的工時預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無需海量的樣本數(shù)據(jù)，便可取得不錯的預(yù)測效果，即采取的是“先分類，再預(yù)測”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，便于信息提取和運用數(shù)學(xué)模型進行分析處理;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。因此需要對非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)進行處理，使其能運用于數(shù)學(xué)模型和計算機系統(tǒng)中。

　　3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配工時定額計算

　　3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

　　對于大批量產(chǎn)品的搬運、螺接等動作，工時定額預(yù)測有著簡單的數(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)模型來對裝配工時定額進行預(yù)測。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，而每個層由一個或多個神經(jīng)元并聯(lián)組成。

　　4實例驗證

　　為提高裝配工時定額的管理效率，設(shè)計開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品裝配工時定額與管理系統(tǒng)。用于對工時定額條目進行增添、修改與刪除，每個條目都含有工序所屬專業(yè)、所屬類目、工作內(nèi)容和工時信息等�？商顖蠛筒樵兊礁鞑块T人員的實做工時時長，便于人力成本核算與人員調(diào)度管理。

　　機械論文投稿刊物：《機械工程學(xué)報》創(chuàng)刊于1953年，是由中國機械工程學(xué)會主辦、機械工業(yè)信息研究院承辦的機械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。設(shè)置欄目有：機械學(xué)、制造科學(xué)與技術(shù)等�？�登的內(nèi)容為機械工程領(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。通過對工藝文本數(shù)據(jù)進行分詞、TF-IDF值計算、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)建了工序級工藝分類模型，分類準(zhǔn)確率達到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)星裝配工時預(yù)測方法。對工時數(shù)據(jù)提取裝配工時影響因素，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)建了工序級工時預(yù)測模型，模型預(yù)測指標(biāo)R為0.98，達到了非常好的預(yù)測效果。

　　(3)設(shè)計并開發(fā)了復(fù)雜產(chǎn)品工時定額和管理系統(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)對工時定額的估算準(zhǔn)確率和管理效率。

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　　作者：劉子文劉檢華程益莊存波

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