基于WBS的船舶建造标准工时数据挖掘方法研究

朱小敏，王炬成，周 红

(1.江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

工时数据是船舶建造过程中计划编制与负荷计算的重要依据，也是船舶建造成本预算和控制的基础。然而,目前造船企业对于船舶建造工时的挖掘往往仅凭借建造重量来进行粗略估算，这种估算方法的误差大；没有细分到船舶建造各个作业环节的作业工时，这样的工时估算方法不合理、不具体，导致了工期不定、成本难以控制等问题。

为了解决传统工时数据挖掘方法粗放、人为因素影响大等问题，有效减少工时数据挖掘的误差，本文开展基于工程分解(Work Breakdown Structure，WBS)的船舶建造标准工时的数据挖掘方法研究。首先，基于WBS分解原理，对分段建造过程进行任务分解；其次，利用数理统计的回归分析法，以任务包为单位，回归出工时与物量的定额曲线，为船舶建造工时汇总提供依据。

1 WBS原理及其在船舶建造中的应用研究

1.1 WBS原理

WBS是一种效率较高的管理方法，通过对大型工程项目的分解细化，可以将复杂的问题分解成若干个简单问题，进而降低项目管理难度，提高项目管理效率。

工程分解是将工程项目分层划分的过程，即将一个大型工程项目，按照分解依据，逐层分解为多个子项目、多个基本单元，其原理见图1。工程分解的依据需要根据实际情况具体分析。

图1 WBS分解原理

1.2 船舶建造工程分解结构研究

基于上述WBS原理，将船舶建造工程项目，按照时间上有序、空间上分道的原则，进行分解。船舶建造工程分解结构见图2，涵盖横向和纵向分解结构。

横向上，按时间分为先行作业阶段、搭载作业阶段和后行作业阶段。先行作业阶段包括从钢板切割到总组阶段的全部作业。搭载作业阶段指在船坞(或船台)上进行分总段合龙的作业阶段，与先行、后行作业有时间重叠。后行作业阶段则包括以系统和区域完整性为导向的舾装、涂装作业，设备安装、调试作业等。

纵向上分解为WBS元素、活动(Activity)、任务包(Wop)、任务(Task)。WBS元素来源于产品分解结构，不同作业阶段的WBS元素组成方式不同。Activity是生产管理部门对生产部门进行任务管理的基本单位。Wop是生产部门对施工班组进行任务管理的基本单位。Task则是施工班组派发给个人的任务。

船舶建造过程受影响因素很多，因此，船舶建造过程中的Activity、Wop、Task需要根据实际建造情况进行调整，以适应现场生产的要求。

图2 船舶建造工程分解结构

1.3 船舶分段建造任务包分解研究

船舶建造工程的WBS元素来源于产品分解结构，以先行作业阶段为例，该阶段的WBS元素即为各个分段。本文研究的船舶建造标准工时挖掘方法是针对任务包的，因此，在进行标准工时挖掘前，首先要做的是进行任务分解。此处，以分段为例进行分段建造的任务包分解。根据上述船舶建造工程分解结构可知：分段建造任务包分解的第一步是进行Activity分解，第二步则是进行Wop分解。下面以A分段为例，进行分段建造任务包分解示例。

(1)A分段的Activity分解

A分段的Activity分解，可先按专业分为船体、舾装、涂装和支持，然后每个专业又可根据作业内容进行细分。如图3所示，A分段的Activity分解为：A分段备料、A分段预处理、A分段切割、A分段零件加工、A分段小组等。

图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结构中，Wop是Activity的下一个层级，Wop分解的过程即是将各个Activity进行划分，获得各个Activity分别所对应的各个Wop。以A分段切割Activity为例，其Wop划分为A分段钢板切割和A分段型材切割；再如A分段电装件托盘制作Activity，其Wop划分为A分段电装件托盘备料、A分段电装件托盘切割、A分段电装件托盘加工和A分段电装件托盘表面处理。WOP中需要配置相关制造资源信息，如人力、场地、设备、工时物量定额等信息。

2 船舶建造标准工时的数据挖掘方法

基于WBS的船舶建造标准工时制定，分别针对各个任务包，分析获得任务包所对应的各个物量影响因素，进而获得各个任务包所对应的各个物量影响因素。根据历史船舶建造数据，绘制出任务包-物量关系图，建立任务包工时计算公式，并进行修正。最后根据修正后的任务包工时计算公式计算各个任务包的标准工时，自下向上汇总得到某个分段建造的标准工时。具体步骤如下：

(1)分段建造任务包分解

针对目标分段，进行分段建造任务包分解。

(2)单个任务包的物量影响因素分析

任务包的物量影响因素分析会直接影响任务包总工时的建立结果。以A分段钢板切割任务包、A分段型材切割任务包为例，分析单个任务包的物量影响因素，见表1。

表1 分段钢材切割任务包的物量影响因素

(3)建立任务包工时对应物量影响因素的函数关系式

根据历史船舶建造数据，针对各个任务包，构建任务包工时对应其各个物量影响因素的散点图，进而获得各个任务包工时对应其各个物量影响因素的函数关系示意图，包括常数函数、分段常数函数、一次函数、分段一次函数等。

一般而言，造船企业在初期制定工时物量定额时，根据历史经验，可以首先采用常数函数、一次函数进行表达，并且根据实际生产的需要，可以对函数分阶段进行处理，即使用分段常数函数、分段一次函数进行表达。下面举例阐述。

船舶建造过程中，在进行钢材备料时，假设不论备料多少钢材，每吨钢材需要的工时都为0.5 h，通过散点图绘制，得出工时物量关系函数示意图，见图4，用式(1)所示的常数函数进行表达。

图4 工时物量定额—常数函数

()=0.5

(1)

钢材备料时备料的物量若超过一定范围，考虑到备料人员备料熟练程度增加，单位物量需要的备料时间会相应减少，则可以考虑用式(2)的分段常数函数来进行工时与物量的关系表达。假设200 t为分界点，不足200 t和超过200 t的工时定额不同，具体值根据现场实际情况而定，此处仅为举例。

(2)

例如对于钢板切割工作，随着钢板重量的增加，人员熟练程度增加，单位物量所消耗的工时会适当减少，结合现场采集的数据，通过散点图绘制，得出工时物量关系函数示意图，见图5，即可以采用式(3)的一次函数进行表达，该式中的一次项系数和常数项都是根据现场采集的数据计算取得。另外，对于物量在不同范围的工时定额有所区别的情况，可以采用分段一次函数进行表达。

图5 工时物量定额—一次函数

()=-0005+4

(3)

不论是常数函数，还是一次函数、二次函数的表达方式，都是三次样条函数的特例。对于常数函数而言，三次项、二次项和一次项的系数为0；对于一次函数而言，三次项和二次项的系数为0；对于二次函数而言，三次项的系数为0。因此，本文采用三次样条函数，可以涵盖所有函数类型，能够较好地对现场反馈数据进行统计回归分析。根据现场数据采集绘制的函数示意图见图6。

图6 工时物量定额—三次样条函数

针对各个任务包，建立各个任务包对应物量影响因素的三次样条函数关系式，见式(4)：

(4)

式中：={1、…、}，表示任务包所对应物量影响因素的个数；()表示任务包所对应第个物量影响因素工时；,0、,1、,2、…分别表示任务包所对应第个物量影响因素的各个范围值；,1表示任务包第个物量影响因素对应,0≤<,1范围、()的系数；,1表示任务包第个物量影响因素对应,0≤<,1阶段、()的系数；,1表示任务包第个物量影响因素对应,0≤<,1阶段、的系数；,1表示任务包第个物量影响因素对应,0≤<,1阶段的常数。

(4)任务包总工时建立

分别针对各个任务包，计算任务包总工时，计算方法见式(5)：

=()+…+()+…()+

(5)

式中：为任务包所对应的总工时；为()所对应的权重系数；为截距。

根据历史船舶建造数据，分别针对各个任务包，确定任务包所对应式(5)中的各个系数和截距，进而分别确定各个任务包的总工时计算公式。

(5)分段建造工时汇总

由上述步骤(1)-(4)可知，首先采集目标船舶建造过程中各个任务包分别所对应各个物量影响因素的大小，然后针对目标船舶建造过程中各个任务包，采用式(4)获得任务包分别对应其物量影响因素的工时，并进一步采用式(5)，获得任务包所对应的工时，进而分别获得目标船舶建造过程中各个任务包的工时。

最后，根据船舶建造顺序，针对目标船舶建造过程中各个任务包的工时进行汇总，即可获得目标船舶的建造工时。

3 结论

(1)基于WBS原理，开展了船舶建造工程分解结构研究，并以分段为对象，阐述了分段建造的任务包分解。

(2)针对单个任务包，分析其物量影响因素，构建了任务包工时与对应物量影响因素的函数关系式，建立了任务包总工时的计算公式。