基于產品特征向量法的殼段成組分類方法研究

袁維佳，劉海光，趙軍貴，易帆，任秀麗

（1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2.首都航天機械公司，北京 100076）

0 引言

成組技術是制造與工程管理的一種方法，它研究如何識別和發掘生產活動中有關事物的相似性，并對其進行充分利用[1]。將多種產品按其工藝的相似性分類成組以形成同類產品族，把同一類產品中分散的小生產量匯集成較大的成組生產量，從而使小批量生產能獲得大批量生產的經濟效果[2]。本論文采用產品向量化方法對15種航天型號產品12類殼體進行成組分類分析，將不同產品劃分為3個產品組，為制造單元的構建、工藝布局設計、生產組織模式的建立提供輸入條件。

1 產品對象分析

殼段是航天型號產品的重要組成部分，不同型號產品有不同類型的殼段類型，具有不同的尺寸及規格。

2 產品成組歸類

成組技術是制造與工程管理的一種方法，它研究如何識別和發掘生產活動中相關事物的相似性，并對其充分利用。即把相似的問題歸類成組，尋求解決這一組問題相對統一的最優方案，以取得所期望的效益。關于分組方法，目前主要有視檢法、生產流程分析法及產品向量化方法。

本論文采用向量化方法，即將零件的有關設計、制造資源等信息轉譯為數字代碼，進而可以借助計算機輔助成組。整個流程包含“殼段向量化[3]→數據歸一化→相似度計算→層次聚類法”。

2.1 殼段向量化

梳理車間承擔的15種航天型號產品（型號X1、型號X2、......、型號X15），共計12類殼段（殼段A類、殼段B類、……、殼段L類），每類殼段的工藝規程包含3類特征：“工序目錄”、“制造資源”及“零件明細”，且每類包含多個不同特征。

而向量化的評價標準主要包含2點：1）向量化后的向量是否能表征產品的綜合特征；2）向量化后的向量是否具備唯一性，即不同型號的不同殼段具備不同的向量。

向量化步驟如下：1）找出工藝規程中有助于區分“不同型號同類殼段”的所有特征a，滿足要求1。2）找出工藝規程中有助于區分“同種型號不同殼段”的所有特征b，滿足要求1。3）合并a、b特征，所得特征集即可用于區分“不同型號不同殼段”，滿足要求2。4）設定每個特征的取值標準，達到目的。

按照以上步驟分“工序目錄”、“制造資源”、“零件明細”3個類別，梳理出特征類型如表1所示。

表1 特征類型表

針對每一個殼體，按照提取的特征對其進行賦值。以型號X1的殼段A為例，特征數值表如表2所示。

表2 特征數值表

因此，型號X1的殼段A1=（1 0 2 0018 0 000 0 010 0 000 0 000 1 0 0 0 0 0 000 21 100 0 000 6 000）。

2.2 數據歸一化

以型號X1的殼段A為例。對其每一個特征取值進行歸一化，如“工序數”特征，所有部段在該特征上的取值最大值為34，最小值為8，而型號X1的殼段A工序數為18，因此歸一化后該特征值為：

型號X1的殼段A工序數特征值=(18-8)/(34-8)=0.3846。

同理可得：型號X1的殼段A歸一化后對應向量為：

2.3 相似度計算

自上一步得到各部段歸一化后的向量后，便可以計算各部段之間的相似度，關于距離的計算，最常使用的是歐幾里得距離[4]，即歐式距離。此外，在聚類分析中對于連續變量的距離還有明考斯基距離、馬氏距離、蘭氏距離等[5]。本論文采用歐式距離法進行計算。n維向量(x11,x12,…,x1n)與(x21,x22,…,x2n)間的歐氏距離則為

以型號X1的殼段A、型號X3殼段A以及型號X11殼段H為例：

由此可知：相較于型號X11殼段H，型號X3殼段A更接近于型號X1的殼段A。

最終可得15種型號殼段產品的距離矩陣，以型號X1和型號X5示例，如表3所示。

表3 殼段距離矩陣表

2.4 層次聚類法

成組的本質是一種聚類活動，隨著當前機器學習等算法的快速發展，聚類問題早已不是難題。本文在獲取各殼段數值向量化之后，選擇層次聚類法進行分析。

層次聚類法的基礎為歐幾里得距離矩陣，在得到各殼段之間的歐幾里得距離矩陣后，找出其中除對角線外最小的一個數值，鑒于距離矩陣的對稱性，最小的數值個數必為2的倍數，不失一般性，可將當前最小值的個數記為2n1，該數值對應的n1組殼段置于最底層，并將該層記為0。同組殼段視為整體重新計算距離，重復此前步驟，直至所有殼段成為1類，即可得到樹狀圖。具體流程如圖1所示。

圖1 流程圖

對所有殼段聚類后，所得樹狀圖如圖2所示。

由圖2所示，最頂層分出2支，1支代表1類，由此可將所有產品分成2類；頂層右支繼續分出2支，到此可將所有產品歸為3類，依此類推。

圖2 殼段成組樹狀圖

3 確定生產單元

當分組的數量較少時，組內產品差異依然較大，工藝合并及布局等難度較高；而當分類的數量較多時，產品批量較小，物流轉運成本較高。因此，分組的數量需要進行權衡，結合分類的結果圖，考慮實際生產強度、工藝路線相似等因素，分為3類，如表4所示。

表4 產品類別表

4 結論

本文對殼段產品進行分析，從各殼段工藝規程中挖掘3類特征（工序目錄、制造資源、零件明細）組成特征集，并建立每個特征的取值標準。根據各殼段在不同特征下的真實情況，獲取各殼段在整個特征集上的數值向量。用不同的數值向量表示不同部段的整體特征，結合層次聚類算法，最終建立一種新型而又精確的殼段成組模型，將殼段產品劃分為3類，為后續工藝布局提供理論支撐。