活動(dòng)工期下造船單件小批生產(chǎn)單元成本控制研究

岳喜馬++蘇翔

【摘 要】 為解決當(dāng)前造船企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃頻繁調(diào)整導(dǎo)致工期不確定性及資源占用的不均衡性，從而引起制造成本增加突出的問題，文章針對(duì)船舶制造邊設(shè)計(jì)邊生產(chǎn)的特點(diǎn)，以單件小批生產(chǎn)單元制造成本控制為研究對(duì)象，構(gòu)建活動(dòng)工期下的滿足目標(biāo)分解成本與制造資源可擴(kuò)充但有代價(jià)情形下的造船單件小批生產(chǎn)單元制造環(huán)節(jié)的成本控制模型，運(yùn)用遺傳算法對(duì)該模型求解，以國內(nèi)某船廠生產(chǎn)單元為例進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)果表明，該方法能夠有效尋找活動(dòng)工期、目標(biāo)成本與資源可擴(kuò)充條件下的單件小批生產(chǎn)單元作業(yè)安排，實(shí)現(xiàn)制造環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)成本監(jiān)控，為造船企業(yè)提升成本管控水平、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)提供決策參考。

【關(guān)鍵詞】 活動(dòng)工期； 生產(chǎn)單元； 成本控制； 遺傳算法

【中圖分類號(hào)】 F272.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1004-5937（2017）04-0030-05

一、引言

據(jù)《中國船舶報(bào)》顯示，船舶行業(yè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的94家企業(yè)2016年1—5月同比主營(yíng)業(yè)務(wù)收入下降3.8%，同比利潤(rùn)下降22.3%。勞動(dòng)力成本上升，船東頻繁修改合同訂單導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整，生產(chǎn)節(jié)奏打亂，按計(jì)劃交船困難重重，致使造船企業(yè)成本增加，我國造船企業(yè)財(cái)務(wù)管控壓力[1]、盈利難問題仍然突出。針對(duì)船舶建造過程中“邊設(shè)計(jì)、邊生產(chǎn)”特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)監(jiān)控成本，保證目標(biāo)成本的控制，進(jìn)一步提升造船企業(yè)成本管控潛力已迫在眉睫。以生產(chǎn)單元或作業(yè)區(qū)為生產(chǎn)組織形式是現(xiàn)代造船業(yè)的明顯特征[2]，生產(chǎn)單元中作業(yè)工序?qū)ο∪毙再Y源爭(zhēng)奪加劇，生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整導(dǎo)致工期的不確定性，如何在活動(dòng)工期、作業(yè)工序的前后順序及制造過程消耗資源的約束條件下，有序合理組織安排生產(chǎn)單元中作業(yè)工序，保證生產(chǎn)單元任務(wù)計(jì)劃的有效實(shí)施，使分解的目標(biāo)成本得以控制，成為亟待解決的問題。

近年來，許多學(xué)者致力于生產(chǎn)單元成本控制問題研究，鐘宏才等[2]運(yùn)用成組技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元滿足一定節(jié)奏的批量化生產(chǎn)；劉玉君等[3]實(shí)現(xiàn)了船舶管系生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)的開發(fā)；蘇翔等[4]通過增量接收技術(shù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)成本控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成本管理重心前移至事中控制；吳君民等[5]通過和聲搜索算法，尋找船舶分段建造的成本與工期雙優(yōu)化；戴祥斌和徐心淵[6]實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)目并行的海工船項(xiàng)目進(jìn)度安排及糾偏；趙東方等[7]研究了動(dòng)態(tài)環(huán)境下生產(chǎn)單元組織行為建模，減少環(huán)境不確定性的影響；陳占奪[8]研究了船舶設(shè)計(jì)成本管理方法與內(nèi)容，對(duì)船舶成本管控進(jìn)行了補(bǔ)充。上述研究文獻(xiàn)雖然運(yùn)用成組技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元批量化生產(chǎn)，有效降低生產(chǎn)制造成本，但仍有大量單件、小批型生產(chǎn)單元無法通過成組技術(shù)改變生產(chǎn)組織方式，達(dá)到降低其制造成本的目的；另一方面，一些學(xué)者局限于船舶分段或生產(chǎn)單元的成本與工期的研究，忽略了多資源限制及活動(dòng)工期對(duì)資源調(diào)配、作業(yè)工序安排的影響。實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中，造船企業(yè)單件小批生產(chǎn)單元既受多種制造資源限制，又受到“邊設(shè)計(jì)、邊生產(chǎn)”造船特點(diǎn)影響，更改生產(chǎn)計(jì)劃，打亂生產(chǎn)節(jié)奏。

針對(duì)上述問題，如何在滿足活動(dòng)工期、資源及成本三者條件下柔性組織生產(chǎn)形式、優(yōu)化作業(yè)順序與及時(shí)反饋制造成本，是控制該類型生產(chǎn)單元成本的重要問題。因此，本文將在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合造船企業(yè)特點(diǎn)，充分考慮遺傳算法具有極強(qiáng)的計(jì)算能力和搜索能力的特性，對(duì)活動(dòng)工期下造船企業(yè)單件小批生產(chǎn)單元成本控制進(jìn)行研究。

二、基于活動(dòng)工期造船單件小批生產(chǎn)單元成本控制模型

（一）活動(dòng)工期下造船單件小批生產(chǎn)單元成本控制思想

根據(jù)船舶建造計(jì)劃的進(jìn)度安排，可以明確知曉生產(chǎn)單元建造工期；根據(jù)生產(chǎn)工藝明確生產(chǎn)單元中任務(wù)包的生產(chǎn)過程正常需要消耗制造資源，例如作業(yè)人員工時(shí)數(shù)、機(jī)器工時(shí)數(shù)、生產(chǎn)場(chǎng)地面積等。從短期來看，在實(shí)際的生產(chǎn)單元制造過程中作業(yè)人員工時(shí)數(shù)、機(jī)器工時(shí)數(shù)及生產(chǎn)場(chǎng)地面積等資源是有限的或是擴(kuò)充有高額成本代價(jià)的?；顒?dòng)工期下造船單件小批生產(chǎn)單元的成本控制目標(biāo)是在目標(biāo)分解成本、工期拖期懲罰與制造資源限制或資源可擴(kuò)充但有代價(jià)的約束情形下，有序合理組織安排生產(chǎn)單元中作業(yè)工序，保證生產(chǎn)單元任務(wù)計(jì)劃的有效實(shí)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元滿足既定工藝路線下的制造成本最低，使分解的目標(biāo)成本得以控制。

三、模型求解

從模型7可以看出，函數(shù)目標(biāo)是分段函數(shù)的整數(shù)規(guī)劃問題。常規(guī)分支定界、整數(shù)規(guī)劃法與枚舉法計(jì)算量比較大，容易導(dǎo)致局部最優(yōu)。本文選擇遺傳算法求解，其優(yōu)越的全局搜索性，并行計(jì)算及快速的收斂性[9]，大大減輕工作量。就上述模型，下面給出遺傳算法下求解模型的邏輯或者流程。

若可以在資源限制內(nèi)按期完成生產(chǎn)單元任務(wù)，那么決策者一定選擇既不擴(kuò)充資源也不拖期的生產(chǎn)計(jì)劃。因?yàn)橹灰谫Y源約束內(nèi)，資源使用在時(shí)間上的分配不影響任務(wù)消耗資源所產(chǎn)生的成本，即資源總成本一定。而拖期罰金只在拖期時(shí)存在，按時(shí)完成時(shí)并不存在。于是，在資源限制內(nèi)按期完工成本最低。在必須拖期或必須擴(kuò)充資源情況下，決策者將權(quán)衡兩者所增加的成本，做出拖期、擴(kuò)充資源或兩者分?jǐn)傇黾映杀?，以獲得最小成本。為了解決該問題，下面給出壓縮量、可壓縮工序、可壓縮時(shí)點(diǎn)、可壓縮量及壓縮比例的定義。

定義1：壓縮量是指資源受限，工期剛性方法給出的計(jì)劃的實(shí)際工期大于工期限制的部分。

定義2：可壓縮工序是指在資源受限，工期剛性方法給出的計(jì)劃中，實(shí)際開始時(shí)間早于其只考慮工藝流程而不考慮時(shí)間的最早開工時(shí)間的工序。

定義3：可壓縮時(shí)點(diǎn)是指可壓縮工序的實(shí)際開始時(shí)間點(diǎn)。

定義4：可壓縮量是指可壓縮工序的實(shí)際開始時(shí)間和最早開始時(shí)間的差值。

定義5：壓縮比例是指一道工序的開始時(shí)間的提前量與該工序的可壓縮量的比值。該處理邏輯如圖1所示。

圖1中的處理邏輯將資源可擴(kuò)充但有代價(jià)、工期柔性問題簡(jiǎn)化成為資源有限、工期柔性問題求解，再通過壓縮比例對(duì)已有計(jì)劃安排進(jìn)行修正。這樣的修正將改善原有計(jì)劃的拖期情況，將原計(jì)劃中因拖期造成的成本部分轉(zhuǎn)移到資源擴(kuò)充中，以達(dá)到成本最小。

該邏輯是在一個(gè)已有計(jì)劃上進(jìn)行改善，所以很難通過改善一個(gè)成本很大的原計(jì)劃得到一個(gè)令人滿意的修正計(jì)劃。因此，原計(jì)劃的選取仍應(yīng)為一個(gè)較優(yōu)解。原計(jì)劃是在不擴(kuò)充資源條件下進(jìn)行的，不存在擴(kuò)充資源造成成本增加，所有高出基本成本的這部分成本都來自于拖期時(shí)間。因此拖期時(shí)間越小成本越小，即工期越短成本越小。然而對(duì)一個(gè)以工期最短為目標(biāo)安排的計(jì)劃通過設(shè)定壓縮比例調(diào)整，并不能保證得到的是一個(gè)最優(yōu)或者令人滿意的計(jì)劃。因此，在使用這一邏輯處理時(shí)，原計(jì)劃的選取和壓縮比例的確定成為兩個(gè)核心問題。

將這兩個(gè)問題中的任何一個(gè)孤立地加以解決，都難以得到較優(yōu)的計(jì)劃。必須將原計(jì)劃安排和壓縮比例設(shè)定封裝，再通過對(duì)其成本比較尋找出的結(jié)果才可能是令人滿意的。也就是說，在搜索原計(jì)劃的同時(shí)，就應(yīng)設(shè)定合適的壓縮比例對(duì)其修正得到修正計(jì)劃。再直接考察修正計(jì)劃的表現(xiàn)，搜索最優(yōu)計(jì)劃。為了將這兩個(gè)問題封裝，本文設(shè)計(jì)雙鏈遺傳算法流程，如圖2所示。

四、算例驗(yàn)證

CX船廠是國內(nèi)一家中大型修造船企業(yè)，以該船廠某一單件小批生產(chǎn)單元為例，該生產(chǎn)單元中LFD1008任務(wù)包含6個(gè)作業(yè)工序，受3種資源的限制，其網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖如圖3所示。原工期為25小時(shí)，由于船東修改訂單，分解新的生產(chǎn)計(jì)劃，該任務(wù)設(shè)定計(jì)劃工期為19小時(shí)，拖期懲罰為每小時(shí)0.2萬元，目標(biāo)分解制造成本25萬元（不含物料及間接分擔(dān)成本），各工序加工與資源耗費(fèi)情況如表1所示，資源價(jià)格如表2所示。

本文采用Matlab2010a編程對(duì)模型求解，設(shè)置采用的具體遺傳參數(shù)有：種群規(guī)模為20，最大迭代次數(shù)為500，交叉概率0.8，變異概率0.2，運(yùn)算結(jié)果形成選取的最優(yōu)優(yōu)先級(jí)和壓縮比例組合如表3所示，計(jì)劃安排如圖4所示，各類資源消耗如圖5所示。

由上述運(yùn)算結(jié)果可知，在資源不可擴(kuò)充，工期剛性條件下，LFD1008任務(wù)最小工期是21小時(shí)，如果船東沒有修改訂單，正?？梢酝瓿扇蝿?wù)。船東修改訂單后生產(chǎn)單元在新的計(jì)劃工期、資源條件下，通過對(duì)作業(yè)工序優(yōu)化，也不可能完成該任務(wù)。通過對(duì)資源的擴(kuò)充，考慮拖期懲罰成本，實(shí)現(xiàn)在活動(dòng)工期下，制造成本最低，即對(duì)非正常資源消耗最低，按照模型優(yōu)化具體作業(yè)安排如表4所示。由表4可知，實(shí)際加工工時(shí)為20個(gè)工時(shí)，超出計(jì)劃1個(gè)工時(shí)，懲罰成本為0.2萬元；同時(shí)第7個(gè)加工工時(shí)，資源2超出資源限制1個(gè)單位資源，資源3超出了資源限制2個(gè)單位資源，根據(jù)資源價(jià)格及實(shí)際工期計(jì)算出總成本為24.13萬元，其中懲罰成本0.2萬元，正常資源價(jià)格生產(chǎn)成本為22.89萬元，資源擴(kuò)充增加額外成本1.04萬元，使總成本提高了5.42%，仍在目標(biāo)分解制造成本25萬元控制范圍之內(nèi)。

五、結(jié)論

生產(chǎn)單元是造船企業(yè)的重要生產(chǎn)組織方式，新的船舶經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下船東頻繁修改合同訂單導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整，生產(chǎn)節(jié)奏打亂，工期不確定性。活動(dòng)工期下單件小批型生產(chǎn)單元的制造環(huán)節(jié)的成本控制對(duì)執(zhí)行目標(biāo)成本管控、反饋設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)降本增效至關(guān)重要。本文構(gòu)建活動(dòng)工期下的滿足目標(biāo)分解成本與制造資源可擴(kuò)充情形下的造船單件小批生產(chǎn)單元制造環(huán)節(jié)的成本控制模型，給出遺傳算法下求解模型的邏輯或者流程，并結(jié)合某船廠加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過該模型優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)工期、拖期懲罰與制造資源可擴(kuò)充但有代價(jià)的約束情形下，有序合理組織安排生產(chǎn)單元中作業(yè)工序，保證生產(chǎn)單元任務(wù)計(jì)劃的有效實(shí)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元滿足既定工藝路線下的制造成本最低，使分解的目標(biāo)成本得以控制，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，避免不合理占用車間工人作業(yè)時(shí)間，減少生產(chǎn)過程中不合理趕工現(xiàn)象，在實(shí)踐中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，可為其他制造型企業(yè)作業(yè)計(jì)劃安排及成本控制提供參考，同時(shí)也為造船企業(yè)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)提供有效的管理手段，幫助企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。●

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