基于知识库的船舶管系定额工时测算研究

潘燕华，树　健，史恭波（江苏科技大学 经济管理学院，江苏　镇江 212003）

基于知识库的船舶管系定额工时测算研究

潘燕华，树健，史恭波
（江苏科技大学 经济管理学院，江苏镇江 212003）

为了解决船舶制造企业管系定额工时测算效率低、误差大、难以指导生产计划编排及成本控制等问题，依据“设计、生产、管理、信息一体化”的思想，在深入分析管系设计数据特征的基础上，构建设计物量自动化抽取模型，并以管系定额工时标准体系为依据建立工时测算规则，运用知识库推理逻辑进行定额工时精确测算，最后通过系统研发与企业实际应用，验证抽取模型及测算方法的有效性。

管系；定额工时；规则推理；数据抽取

0　引　言

定额工时是制造行业实现数字化、精细化管理的核心当量数据［1］。船舶管系定额工时是船舶建造计划、成本核算以及进度控制的重要依据，是推行精益生产实现精细化造船的必要条件。日本船厂从 20 世纪60 年代开始通过手工单据的方式积累物量和工时之间的关系，信息系统出现后，在原有手工数据的基础上，借助系统进行工时和物量定额数据的积累，目前已经形成完善的工时物量定额体系，并较好地使用工时物量定额管理生产中的工时和负荷［2］。韩国现代船厂开发了符合自身工艺流程、工序工位配置的工时预算标准体系和实动工时收集反馈、预算、分析计算管理系统。目前国内大部分船舶企业主要参照原中国船舶工业总公司组织编制的工时定额标准，并依据企业实际情况加以修正，在此基础上依靠手工进行定额工时测算，但这种做法存在问题：手工从大量的图纸中读取数据，再按照定额本进行测算，工作量大，效率低，准确性差，同时设计图纸、定额测算以及任务派工相互割裂，无法实现设计、生产、管理一体化的目标。

船舶生产定额工时测算也引起众多国内外学者关注，相关研究主要分为以下 3 类：一是设计物量信息采集：文献［3］在 TRIBON 平台上利用 Python 语言对船体模型数据进行提取和处理，自动生成船舶设计物量信息，文献［4］分析 TRIBON 船体分段设计所生成的数据信息，实现船舶设计数据管理；二是基于智能算法的工时估算：文献［5］对船舶生产设计工时体系进行研究，借助神经网络建立了船舶设计工时预测模型，文献［6］应用神经网络获取工时规律，对船舶装配作业工时进行智能估算，文献［7］围绕管子制造的 PWBS（产品导向型作业分解），用BP神经网络算法研究了管子制造定额工时的标准化问题；三是特种工艺定额工时预测：文献［8］对船舶焊接工艺、材料、工时、计划等问题进行了研究，文献［9］从能量守恒思想出发，运用知识库和规则推理，实现焊接工时的定额计算。综上所述，目前的研究在设计和生产过程上是割裂的，没有实现数据的共享与集成应用，工时估算多基于对历史数据的分析。本文以船舶制造企业管系定额工时为研究对象，依据设计、生产、管理、信息一体化的思想，在对设计数据特征深入分析的基础上，构建了管系设计物量自动化抽取模型，并基于管系定额工时标准体系及测算规则，运用知识库推理逻辑，对船舶管系定额工时进行精确测算。

1　管系工时定额测算原理

在设计、生产、管理一体化的船舶集成制造环境下，管系工时定额测算首先是从船舶设计三维模型中按照一定的方法和规则抽取管系设计物量信息，然后根据企业定额测算标准体系（知识库），定义各专业（管子加工、管系安装等）、各工种、各工位定额测算标准，形成定额工时测算模型，根据定额测算模型以及抽取的管系设计物量进行定额工时自动测算，得到各测算对象的定额工时数据，在此基础上依据企业的管系任务派工标准体系，下达派工单，执行任务派工并进行实动工时反馈。企业工时定额测算标准会随着设备、工艺改进以及工作场地和环境的变化而作适当的调整，使企业定额测算标准更贴近企业实际。管系工时定额测算原理如图 1 所示。

图 1　船舶管系定额工时测算原理Fig. 1　Piping fixed working hours calculation principle of the ship

2　管系设计物量抽取

2.1TRIBON 数据抽取方法

TRIBON 软件是由瑞典 KCS 公司研发的辅助船舶设计和建造的计算机软件集成系统，在造船业中广泛使用，因此它是设计物量的主要来源。

对 TRIBON 数据库进行设计物量的抽取是在船舶三维模型建立之后进行的。TRIBON 系统提供了 3 种数据提取的方法：1）SX700 交互查询。它通过交互方法，按用户输入的命令返回查询结果，但不提供任何形式的输出格式，抽取的数据也不能编辑再利用。2）COM 组件方法。它需要通过 TRIBON 自带 PPI 程序对 TRIBON 模型进行分离，形成不同类型封闭数据库，再利用 COM 组件抽取方式，结合船体、管系各专业的抽取参数，通过 API 接口函数从封闭数据库中提取所需的设计数据。3）几何宏语言和 VITESSE 开发工具。这种方式可以通过外部程序实现对 TRIBON中的数据库进行操作以达到修改模型和图形的目的，能处理大部分其他 2 种方法无法处理的问题，但使用这种方式要求用户非常熟悉模型结构和 TRIBON 数据存储结构。

2.2数据抽取模型

管子 BOM 信息按照工程号和托盘号抽取。与工时测算相关的管子 BOM 信息主要包括管子基本信息（管子编号、名称、类型、级别、下属的零件编号、规格型号、加工材料、长度、重量、管径、通径、厚度、套管信息等）、管子弯制信息（弯管半径、弯管方向、送长、弯角、转角等）、管子连接信息（相邻2 个零件的零件编号、连接类别、X 坐标、Y 坐标、Z坐标等）。物量不同，抽取方法和抽取需要的参数也不同，为了在设计数据和工时测算平台之间形成可配置的通用接口处理模式，需要定义每一种物量的抽取模型。

数据抽取模型主要包括数据抽取来源和数据抽取规则。在实际工作中，由于生产设计不彻底，数据来源除了 TRIBON 中的封闭数据库外，还有 PDM 系统和EXCEL 文件。数据来源不同，抽取规则也不同，TRIBON封闭数据库中的数据可用上述 COM 组件方法抽取、PDM 系统中的数据（管子图纸目录等）可以通过系统提供的 Web Service 等标准接口读取，而 EXCEL 文件中的数据可通过制定标准模板的方式导入。数据抽取模型如表 1 所示。

其中从 TRIBON 中抽取数据的规则是 TRIBON 系统固有的读取数据的代码体系，它具有严密的层次结构，用户可以根据需要抽取的设计物量带入相应的参数，并且按 TRIBON 规定的层次关系定义抽取规则，形成可配置的通用接口处理模式。随着时间的积累，定义的规则会越来越多，逐渐形成各专业、各工种、各工位的设计物量数据抽取模型知识库，它是工时测算知识库的重要组成部分。

表 1　设计物量抽取模型Tab. 1　Design content extraction model

3　基于规则推理的定额工时测算

船舶生产定额工时测算以定额标准为依据，专业、工种、工位不同，依据的定额标准不同，测算方法也不同。为了形成统一的定额工时测算平台，需要对每一个工位定义测算模型，测算模型包括采用的标准体系、测算方法、测算规则等，以此为基础将抽取的设计数据依据测算模型匹配标准体系，测算方法，测算规则，最终得到各测算对象的定额工时数据。

3.1定额工时标准体系

船船企业管系制造主要分为管系加工与管系安装2 个阶段，每个阶段根据制造工艺的特点进行管系工种、工位细分。管系加工主要包括下料、管系弯制、内场校管等工种，管系安装主要包括管件安装、船上焊接、船上打磨等工种，每个工种还要进行工位细分以确定作业工序，如内场校管可细分为锉毛头、二次切割、拼弯头、倒角等工位。每个工位在计算定额工时，可能执行一个或多个定额标准，如倒角要根据倒角的类型是管子倒角、弯头倒角还是压槽倒角执行不同的定额标准。定额工时标准体系如表 2 所示：

定额标准体系是工时测算体系中重要的外部支持知识库，随着企业生产环境、设备改造、工艺改进和人员能力的变化，定额标准体系要作相应更改。

3.2定额工时测算规则

每一种定额标准有对应的定额测算规则，如内场管下料（标准编号为 GXJG001）的测算规则是：定额标准*修正系数*物量，其中定额标准由管子的管径和通径决定，不同的管径和通径定额标准不同，如表 3所示。

可将管子的管径和通径称为定额参数，定额标准不同，所需的定额参数的个数和类型也不一样；修正系数是指同一个定额标准用在不同加工参数下时需要对定额进行修正，如弯管法兰校管的定额标准，用在不同的材质（不锈钢、紫铜等）和不同的零件类别（对焊法兰、搭焊法兰等）时需要对定额进行修正；物量是指要进行工时测算的设计物量，如内场管下料的物量是下料根数，内场弯管的物量是弯管数量，标准不同，物量的类型不同。

表 2　定额工时标准体系Tab. 2　Fixed working hours standard system

表 3　定额工时标准Tab. 3　Fixed working hours standard

表 4　定额工时测算规则Tab. 4　Fixed working hours calculation rules

上述测算方法相当于查表法，即根据定额参数找到定额标准，再根据定义的测算公式计算工时定额，除些之外有些工位的定额测算与其它工位的测算结果有关，如船上打磨工时 = （腹板焊 + 套管焊 + 开孔套管 + 对接焊 + 铜焊）*系数，表示测算船上打磨工时之前，必须先测算与它相关的焊接工时，然后通过一个系数进行估算所得。

3.3基于规则推理的定额测算

通过设计物量抽取模型的定义、定额工时标准体系的定义以及工时测算规则的定义，形成了定额工时测算的知识库，按知识库规则进行推理就可以得到测算对象的定额工时，具体步骤如下：

1）测算对象选择：选择船号，根据船号从图纸目录中选择需要进行数据抽取的托盘号，以托盘号匹配管子编号中的对应信息（在 TRIBON 中管子编号的前几位为托盘号），按表 1 定义的抽取规则抽取管子基本信息、管子弯制信息、管子连接信息等设计物量；

2）定额标准遍历：选择管系专业（管系加工或管系安装），对该专业下每一个工位对应的定额测算标准进行遍历，在遍历过程中执行步骤 3 和步骤 4；

3）测算数据转换：根据表 4 定义的测算规则从抽取的管子信息表、管子连接表和管子弯制信息表中提取定额参数和测算物量；

4）定额工时测算：根据提取的定额参数和测算物量结合表 4 定义的测算方法和测算公式进行各工位定额工时测算；

5）定额工时统计汇总：以号船、托盘号、管子编号、工位为统计对象，对定额工时进行分类汇总，通过工位与派工体系的对照关系，可以实现定额工时测算和派工的对接。

4　实　例

按上述方法开发了管系工时测算平台，以某船厂76 000 t 散货船管系加工为例进行工时测算，测算船号为 76 000T-9#，托盘号为 TAG11SU1，此托盘内包含57 根管子，抽取管子信息共 169 条、管子弯制信息共58 条、管子连接信息共 205 条。

在此基础上，根据已经定义的测算规则和测算标准进行定额工时测算，可以得到每个工位的定额工时，如图 2 所示，汇总以后得到每根管子的定额工时汇总数，如图 3 所示。

图 2　工位定额工时明细Fig. 2　The location fixed working hours subsidiary

图 3　管子定额工时汇总Fig. 3　The pipe fixed working hours summary

如抽取的 TAG11SU1-A003-03 号内场管包括 3 个零件基本信息：1）PRE-20#钢管 76*5GB/ T8163-2008信息（下料数量=1313、安装长度=818.16、零件重量=7.16、管径=76、通径=65、厚度=5），2）钢质穿舱套管 95*8*120 信息（规格为 95*8*120、下料数量=1、安装长度=10、零件重量=4.81、零件类别为套管和座套），3）钢质座套 95*8*80 信息（规格为 95*8*80、下料数量=1、安装长度=10、零件重量=1.6）等；管子弯制信息包括：弯管半径=230、弯管方向=1、弯管序号=1、送长=301.40、弯角=90、转角=0等；管子连接信息主要是上述钢管与钢质穿舱套管和钢质座套对接的4组信息；管系加工定额明细信息（见图 2）为TAG11SU1-A003-03 号管子的各工序的具体工时信息，主要工时包括：配盘工时=0.30 h、下料工时=0.41 h、管系弯制工时=0.39 h、校管工时=0.71 h、焊接工时=0.52 h、报检工时=0.10 h、打磨工时=0.48 h，最终得到此管子总工时为 3.11 h；经过汇总得到定额总工时（见图 3）包括 TAG11SU1 托盘包含的 57 根管子各自的总工时和此托盘共消耗的总工时。

将上述定额工时数据与任务派工体系对接，通过任务包、派工单下达派工任务，执行任务派工并进行实动工时反馈。可以对实动工时进行线性回归分析，从而修正和完善定额标准体系，通过调整使企业定额测算更贴近实际。

5　结　语

本文以实现船舶管系设计、生产、管理一体化为指导思想，借助知识库原理对管系定额工时测算进行研究，通过 COM 组件方法对 TRIBON 数据库进行设计物量信息抽取，将抽取的设计数据与管系定额标准体系匹配，建立定额工时测算模型，并据以上述方法研发了定额工时测算平台。该平台已经在某船舶制造企业实际应用，实现了生产设计与工时测算的紧密集成，提高了工时测算的效率和精度，验证了测算方法的有效性。企业工时定额测算标准是带有时间属性的知识库，需要随着设备、工艺改进以及工作场地和环境的变化而作适当的调整，从而使测算数据更加符合企业实际。

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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

国家自然科学基金资助项目（71471078）

潘燕华（1963 - ），女，教授，研究方向为企业信息模型、成本管理与控制。