鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序挖掘模型研究

收稿日期：－年－月－日；修回日期：－年－月－日.基金項目：國家自然科學(xué)基金支持，產(chǎn)品知識資源管理理論與方法研究（70471056）作者簡介：宋旭東(1969－)，男，漢族，遼寧大連人，副教授，博士，從事數(shù)據(jù)挖掘與支持決策系統(tǒng)的研究，sxd@；程曉蘭(1983-),女，漢族，湖北咸寧人，碩士，從事數(shù)據(jù)挖掘與支持決策系統(tǒng)的研究，8322402891@；劉曉冰(1956－)，男，漢族，吉林長春人，教授，博士生導(dǎo)師，從事CIMS、企業(yè)應(yīng)用集成的研究，xbliu@。鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序挖掘模型研究摘要：在鋼鐵企業(yè)的成本分析中，工藝路線關(guān)鍵工序消耗的分析和控制成為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本決策分析中首要的任務(wù)。通過以工藝路線為切入點，結(jié)合企業(yè)的成本分析項目，對生產(chǎn)成本工序進行數(shù)據(jù)倉庫維度建模。采用基于抽樣的C4.5算法對生產(chǎn)成本工序數(shù)據(jù)進行挖掘，挖掘出工藝路線中的關(guān)鍵工序和影響鋼鐵企業(yè)成本的分類規(guī)則，為企業(yè)的成本管理提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：鋼鐵企業(yè)；成本分析；工藝路線；數(shù)據(jù)倉庫；維度建模；數(shù)據(jù)挖據(jù)中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：AResearchonProductionCostKeyProcessesMiningModelforIron&SteelEnterprisesSONGXu-dong1，2，CHENGXiao-lan1，LIUXiao-bing2，Zhai-kun2DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China;2.DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China）Abstract：Incostanalysisofiron&steelenterprise,analysisandcontrolofconsumptionofthekeyprocessofprocessroutesbecomeprimarytaskforiron&steelenterprisesproductioncostdecision-making.Throughprocessroutesasthebreakthroughpoint,combiningthecostanalysisprojectsofenterprises,dodatawarehousemodelingforproductioncostprocesses.AdoptingimproveddecisiontreealgorithmC4.5usedforproductioncostdata,minethekeyprocessesinprocessroutesandtheclassificationrulesusedforcostsaffectofiron&steelenterprises.Itprovidesascientificbasisforthecostofmanagementforenterprises.Keywords：iron&steelenterprises;costanalysis;processroutes;datawarehouse;dimensionalmodeling;datamining1引言在傳統(tǒng)的Purdue模型中，流程工業(yè)CIMS自下而上從功能上被分為五個層次，但這種分法在鋼鐵企業(yè)CIMS系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用實踐中遇到了較大的問題，于是將美國AMR(AdvancedManufacturingResearch)公司提出的制造業(yè)的ERP/MES/PCS三級模型引入進來，有效地解決了五層模型存在的問題。目前基于ERP/MES/PCS三級模型的鋼鐵企業(yè)成本分析的文獻主要有[1，2]。文獻[2]討論到了鋼鐵企業(yè)中生產(chǎn)消耗高低主要體現(xiàn)在各工序的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)上。因此，加強對工藝路線關(guān)鍵工序消耗的分析和控制成為鋼鐵企業(yè)成本決策分析中首要的任務(wù)。本文就是基于以上的背景展開研究的。如何尋找工藝路線中的關(guān)鍵工序，對提高企業(yè)成本控制有重要的作用。本文將數(shù)據(jù)倉庫維度建模和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入到鋼鐵生產(chǎn)成本管理領(lǐng)域，從大量鋼鐵生產(chǎn)成本歷史數(shù)據(jù)中挖掘出工藝路線上的關(guān)鍵工序，為決策者在工業(yè)生產(chǎn)過程中提供更好的決策依據(jù)，以指導(dǎo)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)，降低產(chǎn)品成本。2鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本工序維度建模工藝路線是說明各項自制件的加工順序和標(biāo)準(zhǔn)工時定額的文件。工藝路線優(yōu)化是實現(xiàn)計算機輔助工藝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。企業(yè)接到一份合同，如何根據(jù)合同的條件，選擇最佳的工藝路線，以降低生產(chǎn)成本是企業(yè)非常關(guān)心的事情。目前在工藝路線的優(yōu)化問題上，比較成功的研究方法有遺傳算法[3]，有向圖方法[4]等。本文從數(shù)據(jù)挖掘的角度出發(fā)，用數(shù)據(jù)挖掘算法來尋找工藝路線中的關(guān)鍵工序，加強關(guān)鍵工序消耗的分析與控制，為企業(yè)優(yōu)化工藝路線提供決策依據(jù)。下面參考文獻[5]的數(shù)據(jù)倉庫維度建模設(shè)計過程，對生產(chǎn)成本工序進行維度建模。2.1選取要建模的業(yè)務(wù)處理過程在介紹要建模相關(guān)業(yè)務(wù)處理過程之前，先對涉及的業(yè)務(wù)術(shù)語進行定義。定義1：標(biāo)準(zhǔn)工序和成本工序在鋼鐵企業(yè)中根據(jù)業(yè)務(wù)的不同，工序一般分為標(biāo)準(zhǔn)工序和成本工序。標(biāo)準(zhǔn)工序是指各分廠在生產(chǎn)過程或生產(chǎn)系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)的工序。因為這些工序用于指導(dǎo)生產(chǎn)、在生產(chǎn)計劃和物料跟蹤過程中使用，因此工序的劃分十分細致。但是，在成本核算的過程中，費用的分配并不是以這些細致劃分的工序為基礎(chǔ)的。存在生產(chǎn)過程中的若干工序?qū)Y源的耗費是不可分割的情況，因此它們將作為一個成本工序來考慮。下面對要建模的業(yè)務(wù)處理流程進行描述。企業(yè)接收到合同后，首先是技術(shù)中心根據(jù)合同的要求來確定相應(yīng)的工藝路線、工藝參數(shù)等等；以制定較好的工藝路線，使得中間庫存量最小、加工時間最短。制定完的工藝路線需要經(jīng)過人為的審核才能正式投入使用。審核的過程主要根據(jù)具體的實際情況確定是否實施工藝路線的某些工序，或是添加某些附加的工序，還有對某些工序的動態(tài)數(shù)據(jù)（如工序的實施分廠等）進行規(guī)定，實現(xiàn)人為的調(diào)整與靈活控制。然后各分廠進行生產(chǎn)計劃的制定，根據(jù)合同的物料量和本分廠的庫存情況進行提料，并根據(jù)日計劃進行物料跟蹤、轉(zhuǎn)移、入庫，同時為成本管理提供成本統(tǒng)計所需的產(chǎn)量、轉(zhuǎn)移量、入庫量、消耗量及工時信息。在成本的管理中，需要制定工藝步驟的成本，按照不同的工藝路線選擇不同的生產(chǎn)設(shè)備和工時系統(tǒng)來分攤各種費用，以制定標(biāo)準(zhǔn)工藝步驟成本和費用。對于成本工序的費用，可按照爐號、鋼號、規(guī)格、工藝路線等進行成本核算；可計算出每爐在每道工序?qū)嶋H消耗的步驟費用，根據(jù)定額計算的各種消耗的步驟費用；計算根據(jù)工時系數(shù)分攤各項消耗的步驟費用；計算工序步驟成本；計算每爐的實際成本、實際單價。2.2選定維度生產(chǎn)成本工序維度模型中確定的維度有：工藝路線維和成本工序維。其他相關(guān)維度包括：標(biāo)準(zhǔn)工序維、分廠維、鋼號維、加工用途維、交貨狀態(tài)維、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)維和工藝類別維等。2.3確定事實生產(chǎn)成本工序維度建模的最后一步，在于仔細確定哪些事實要在事實表中出現(xiàn)。這里確定的事實有標(biāo)準(zhǔn)成本和實際成本。為了實施工序成本分析與控制，我們需要關(guān)注每個工序是否盈利，所以增加一個事實：工序盈利否。如果標(biāo)準(zhǔn)成本小于實際成本，則置“工序盈利否”字段值為“虧”，否則置“工序盈利否”字段值為“盈”。生產(chǎn)成本工序事實表采用雪花模型，如圖1所示。其中生產(chǎn)成本工序事實表中的工藝路線ID對應(yīng)工藝路線維表，生產(chǎn)成本工序事實表中的成本工序ID對應(yīng)成本工序維表。工藝路線維工藝路線維工藝路線ID工藝路線工序ID序列交貨狀態(tài)ID產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ID工藝類別ID規(guī)格分廠ID鋼號ID加工用途ID帶料狀態(tài)工藝路線名稱工藝路線附加說明成本工序維成本工序ID標(biāo)準(zhǔn)工序ID標(biāo)準(zhǔn)成本工序名稱分廠ID圖1生產(chǎn)成本工序事實表雪花模型分廠維分廠ID分廠名稱鋼號維鋼號ID鋼號名稱鋼類ID鋼類名稱生產(chǎn)成本工序事實表工藝路線ID生產(chǎn)號成本工序ID鋼號ID分廠ID爐號批次標(biāo)準(zhǔn)成本實際成本工序盈利否工藝類別維工藝類別ID工藝類別名稱加工用途維加工用途ID加工用途名稱產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ID產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)名稱標(biāo)準(zhǔn)工序維標(biāo)準(zhǔn)工序ID工序名稱工序提前期工時定額工序成材率工序工藝參數(shù)工序條件現(xiàn)場檢查交貨狀態(tài)維交貨狀態(tài)ID交貨狀態(tài)名稱工藝路線標(biāo)準(zhǔn)信息表工藝路線標(biāo)準(zhǔn)信息表月計劃任務(wù)表抽取出研究工藝路線的工藝路線ID，工藝路線名稱在月計劃任務(wù)表中，選擇與研究工藝路線相匹配的所有生產(chǎn)號，并抽取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工序ID、分廠ID、批次、鋼號ID等信息物料跟蹤業(yè)務(wù)表將抽取結(jié)果集按生產(chǎn)號、分廠ID、工序ID、批次、鋼號ID與物料跟蹤業(yè)務(wù)表按生產(chǎn)號、分廠ID、工序ID、批次、鋼號ID匹配，將物料跟蹤業(yè)務(wù)表中的爐號抽取出來將標(biāo)準(zhǔn)工序轉(zhuǎn)換為成本工序，過濾掉不用進行成本核算的標(biāo)準(zhǔn)工序工序成本核算表物料跟蹤事實表的爐號、鋼號ID、批次分別與工序成本核算表按爐號、鋼號ID、批次匹配，將工序成本核算表中的標(biāo)準(zhǔn)成本、實際成本抽取出來標(biāo)準(zhǔn)工序核算對照信息表生產(chǎn)成本工序事實表得到生產(chǎn)成本工序事實表的數(shù)據(jù)記錄圖2生產(chǎn)成本工序數(shù)據(jù)抽取-轉(zhuǎn)換-裝載過程3.鋼鐵生產(chǎn)成本工序數(shù)據(jù)倉庫實現(xiàn)過程前面已經(jīng)對鋼鐵企業(yè)的工藝路線及生產(chǎn)成本工序進行了建模。下面實施鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)倉庫實現(xiàn)過程，具體包括數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)裝載等過程，整個過程如圖2所示。3.1數(shù)據(jù)抽取可以依據(jù)企業(yè)決策專家建議，選擇企業(yè)中比較重要的工藝路線進行分析。這里我們選擇標(biāo)準(zhǔn)工序組合為“配料(單渣)*電爐冶煉*AOD爐冶煉*150方連鑄*緩冷*連鑄坯轉(zhuǎn)移*退火*矯直*精整*磁粉探傷*鋼坯修磨*轉(zhuǎn)移”的工藝路線進行分析，我們稱該條工藝路線為研究工藝路線。在進行工序成本核算時，并不是所有的標(biāo)準(zhǔn)工序在最后的成本核算中都會進行核算的，只有那些在標(biāo)準(zhǔn)工序核算對照信息表中聲明要進行成本核算的標(biāo)準(zhǔn)工序才會轉(zhuǎn)換為工序成本進行核算。在我們選定的研究工藝路線中，共有12個工序的研究工藝路線，只有電爐冶煉、AOD爐冶煉、150方連鑄、緩冷、退火這5個工序進行成本核算。3.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合于數(shù)據(jù)挖據(jù)的形式。在工序盈利否字段實際存儲時，分別用“0”或“1”代表“盈”或“虧”，這樣可以提高數(shù)據(jù)存儲和訪問性能，提高關(guān)鍵工序挖掘的效率。3.3數(shù)據(jù)裝載經(jīng)過以上的數(shù)據(jù)抽取與轉(zhuǎn)換，可以動態(tài)地生成基于某條工藝路線的生產(chǎn)成本工序事實表。數(shù)據(jù)裝載就是將前面得到的事實表和維表導(dǎo)入到生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)倉庫中。4.鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序數(shù)據(jù)挖掘4.1挖掘算法的選擇在數(shù)據(jù)挖掘算法中，決策樹算法具有速度快，容易轉(zhuǎn)化成便于理解的分類規(guī)則，是一種簡單但廣泛使用的分類技術(shù)。Quinlan于1979年提出了著名的ID3算法，1993年提出的以ID3算法為藍本的C4.5是一個能處理連續(xù)屬性的算法。上面提到的ID3和C4.5等算法對于相對小的數(shù)據(jù)集是很有效的,當(dāng)這些算法用于大數(shù)據(jù)集時，有效性和收縮性就出現(xiàn)了問題。隨著數(shù)據(jù)庫規(guī)模的增加，數(shù)據(jù)挖掘算法面臨著對有效性和正確性更高的要求。對大數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)挖掘是一件非常費力的工作，需要消耗大量的時間和物理資源。抽樣作為一種行之有效的方法被引入進來。文獻[6]提出的基于抽樣的決策樹算法能在面臨大數(shù)據(jù)集的情況下，利用統(tǒng)計的知識選取一個與原數(shù)據(jù)集相似分布的小初始樣本集來進行學(xué)習(xí)，根據(jù)時間復(fù)雜度要求和正確度收斂標(biāo)準(zhǔn)來定義抽樣的終止。該算法減少了計算量和I/O的復(fù)雜性，同時保持了產(chǎn)生樹的正確性。本文采用基于抽樣的C4.5算法對企業(yè)生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序進行挖掘。4.2關(guān)鍵工序挖掘數(shù)據(jù)預(yù)處理為便于應(yīng)用決策樹算法，需對生產(chǎn)成本工序事實表進行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換為決策表，生成如圖3所示的生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序決策表。根據(jù)銷售虧損事實表，可得到所有執(zhí)行該條工藝路線的生產(chǎn)號是否盈利。如果該條工藝路線的生產(chǎn)號盈利則置工藝路線盈利否字段值為“1”，否則置工藝路線盈利否字段值為“0”。生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序決策表電爐冶煉盈利否AOD爐冶煉盈利否150方連鑄盈利否緩冷盈利否生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序決策表電爐冶煉盈利否AOD爐冶煉盈利否150方連鑄盈利否緩冷盈利否退火盈利否工藝路線盈利否圖3生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序決策表4.3應(yīng)用基于抽樣的C4.5算法進行關(guān)鍵工序挖掘本挖掘系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，客戶端負責(zé)確定挖掘主題，選取指定的工藝路線，即定義挖掘目標(biāo)，設(shè)置因變量屬性，選擇基于抽樣的C4.5算法生成決策樹，提取規(guī)則，對規(guī)則進行的合理性進行檢驗，如規(guī)則合理即可輸出，否則循環(huán)此過程，直到生成滿意的決策樹為止。基于抽樣的C4.5算法方法請參考文獻[6]。算法的信息增益比率公式：其中S是s個數(shù)據(jù)樣本的集合。類別屬性具有m個不同值Ci。si是類Ci中的樣本數(shù)。pi是任意樣本屬于Ci的概率，并用si/s估計。非類別屬性A具有v個不同值｛a1，a2，…，av｝。利用A將S劃分為v個子集｛s1，s2，…，sv｝；其中sj包含S中在A上具有值aj的樣本。sij是子集sj中類Ci的樣本數(shù)。s1到s1是v個值的屬性A分割S而形成的v個樣本子集。實際上，分裂信息是S關(guān)于屬性A的各值的熵。針對某鋼鐵企業(yè)，選擇一條典型的工藝路線，2007年第二季度使用“配料(單渣)*電爐冶煉*AOD爐冶煉*150方連鑄*緩冷*連鑄坯轉(zhuǎn)移*退火*矯直*精整*磁粉探傷*鋼坯修磨*轉(zhuǎn)移”這條工藝路線的生產(chǎn)號共有204000個，經(jīng)過抽樣后得到25100個。在本試驗中，定義s=25100。分類屬性值只有兩個值：盈和虧。所以m=2。s1=23200，s2=1900，p1=0.92.4,p2=0.076。非類別屬性，即條件屬性有5個，這里以AOD爐冶煉盈利否這個條件屬性為例，說明該屬性的信息增益比率的計算方法。AOD爐冶煉盈利否有2個不同值{盈，虧}。所以v=2，a1=盈，a2=虧，s1=24100，s2=1000，s11=23200，s12=0,s21=900,s22=1000。類似地，GainRatio(電爐冶煉盈利否)=0.564，GainRatio(150方連鑄盈利否)=0.107，GainRatio(緩冷盈利否)=0.021，GainRatio(退火盈利否)=0.011。運行基于抽樣的C4.5分類算法得到的分類決策樹見圖4。其中分類屬性后面的括號里表示分到該層的記錄數(shù)。圖4的分類規(guī)則為:IFAOD爐冶煉盈利否=盈AND電爐冶煉盈利否=盈THEN工藝路線盈利否=盈IFAOD爐冶煉盈利否=盈AND電爐冶煉盈利Foundationitem:ProjectsupportedbyNationalNaturalScienceFoundation.Researchonproductknowledgeresourcesmanagementtheoryandmethods（70471056）.否=虧AND150方連鑄盈利否=盈THEN工藝路線盈利否=盈IFAOD爐冶煉盈利否=虧THEN工藝路線盈利否=虧IFAOD爐冶煉盈利否=盈AND電爐冶煉盈利否=虧AND150方連鑄盈利否=虧THEN工藝路線盈利否=虧=盈=盈=盈=盈=虧=虧=虧AOD爐冶煉盈利否(25100)電爐冶煉盈利否(24100)150方連鑄盈利否(2100)盈(22000)虧(900)盈(1200)虧(1000)圖4分類決策樹根據(jù)決策樹結(jié)果，從對該工藝路線的影響來看，AOD爐冶煉的影響最大，其次是電爐冶煉和150方連鑄。緩冷和退火對工藝路線的成本核算不起作用。因此，可以確定AOD爐冶煉是該工藝路線的關(guān)鍵工序，其次是電爐冶煉工序和150方連鑄工序，加強這些關(guān)鍵工序的分析和控制是控制企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵所在。5結(jié)語本文將數(shù)據(jù)倉庫維度建模和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)成本關(guān)鍵工序挖掘上，是一個有益的嘗試。通過一個典型的案例分析，找出影響鋼鐵企業(yè)成本虧盈的關(guān)鍵工序，并在企業(yè)中取得了良好效果，為數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在企業(yè)管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗。如何尋找工序與班組的最佳匹配成為下一步研究的任務(wù)。參考文獻(References)[1]柴天佑,金以慧,任德祥,等.基于三層結(jié)構(gòu)的流程工業(yè)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)[J].控制工程,2002,9(3):1-6.(CHAITianyou,JINYihui,RENDexiang,etal.ContemporaryIntegratedManufacturingSystemBasedonThree-layerStructureinProcessIndustry[J].BasicAutomation.2002,9(3):1-6)[2]劉威,初延剛,王冠,等.鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本控制的體系結(jié)構(gòu)[J].東北大學(xué)學(xué)報,2004,5(5),1708-1712.(LIUWei,CHUYangang,WANGGuan,etal.ProductionCostCo