鋼鐵企業(yè)生產成本關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：國家自然科學基金支持，產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，從事數據挖掘與支持決策系統的研究，sxd@；程曉蘭(1983-),女，漢族，湖北咸寧人，碩士，從事數據挖掘與支持決策系統的研究，8322402891@；劉曉冰(1956－)，男，漢族，吉林長春人，教授，博士生導師，從事CIMS、企業(yè)應用集成的研究，xbliu@。鋼鐵企業(yè)生產成本關鍵工序挖掘模型研究摘要：在鋼鐵企業(yè)的成本分析中，工藝路線關鍵工序消耗的分析和控制成為鋼鐵企業(yè)生產成本決策分析中首要的任務。通過以工藝路線為切入點，結合企業(yè)的成本分析項目，對生產成本工序進行數據倉庫維度建模。采用基于抽樣的C4.5算法對生產成本工序數據進行挖掘，挖掘出工藝路線中的關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依據。關鍵詞：鋼鐵企業(yè)；成本分析；工藝路線；數據倉庫；維度建模；數據挖據中圖分類號：TP311文獻標識碼：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系統的設計和應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)中生產消耗高低主要體現在各工序的技術經濟指標上。因此，加強對工藝路線關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。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鍵工序，對提高企業(yè)成本控制有重要的作用。本文將數據倉庫維度建模和數據挖掘技術引入到鋼鐵生產成本管理領域，從大量鋼鐵生產成本歷史數據中挖掘出工藝路線上的關鍵工序，為決策者在工業(yè)生產過程中提供更好的決策依據，以指導鋼鐵企業(yè)生產，降低產品成本。2鋼鐵企業(yè)生產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準工時定額的文件。工藝路線優(yōu)化是實現計算機輔助工藝設計的關鍵技術之一。企業(yè)接到一份合同，如何根據合同的條件，選擇最佳的工藝路線，以降低生產成本是企業(yè)非常關心的事情。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。本文從數據挖掘的角度出發(fā)，用數據挖掘算法來尋找工藝路線中的關鍵工序，加強關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。下面參考文獻[5]的數據倉庫維度建模設計過程，對生產成本工序進行維度建模。2.1選取要建模的業(yè)務處理過程在介紹要建模相關業(yè)務處理過程之前，先對涉及的業(yè)務術語進行定義。定義1：標準工序和成本工序在鋼鐵企業(yè)中根據業(yè)務的不同，工序一般分為標準工序和成本工序。標準工序是指各分廠在生產過程或生產系統中使用的標準的工序。因為這些工序用于指導生產、在生產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的。存在生產過程中的若干工序對資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)務處理流程進行描述。企業(yè)接收到合同后，首先是技術中心根據合同的要求來確定相應的工藝路線、工藝參數等等；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過人為的審核才能正式投入使用。審核的過程主要根據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)數據（如工序的實施分廠等）進行規(guī)定，實現人為的調整與靈活控制。然后各分廠進行生產計劃的制定，根據合同的物料量和本分廠的庫存情況進行提料，并根據日計劃進行物料跟蹤、轉移、入庫，同時為成本管理提供成本統計所需的產量、轉移量、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設備和工時系統來分攤各種費用，以制定標準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實際消耗的步驟費用，根據定額計算的各種消耗的步驟費用；計算根據工時系數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。其他相關維度包括：標準工序維、分廠維、鋼號維、加工用途維、交貨狀態(tài)維、產品標準維和工藝類別維等。2.3確定事實生產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。這里確定的事實有標準成本和實際成本。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。如果標準成本小于實際成本，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”。生產成本工序事實表采用雪花模型，如圖1所示。其中生產成本工序事實表中的工藝路線ID對應工藝路線維表，生產成本工序事實表中的成本工序ID對應成本工序維表。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產品標準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標準工序ID標準成本工序名稱分廠ID圖1生產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鋼類名稱生產成本工序事實表工藝路線ID生產號成本工序ID鋼號ID分廠ID爐號批次標準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加工用途名稱產品標準維產品標準ID產品標準名稱標準工序維標準工序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工序條件現場檢查交貨狀態(tài)維交貨狀態(tài)ID交貨狀態(tài)名稱工藝路線標準信息表工藝路線標準信息表月計劃任務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表中，選擇與研究工藝路線相匹配的所有生產號，并抽取相應的標準工序ID、分廠ID、批次、鋼號ID等信息物料跟蹤業(yè)務表將抽取結果集按生產號、分廠ID、工序ID、批次、鋼號ID與物料跟蹤業(yè)務表按生產號、分廠ID、工序ID、批次、鋼號ID匹配，將物料跟蹤業(yè)務表中的爐號抽取出來將標準工序轉換為成本工序，過濾掉不用進行成本核算的標準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準成本、實際成本抽取出來標準工序核算對照信息表生產成本工序事實表得到生產成本工序事實表的數據記錄圖2生產成本工序數據抽取-轉換-裝載過程3.鋼鐵生產成本工序數據倉庫實現過程前面已經對鋼鐵企業(yè)的工藝路線及生產成本工序進行了建模。下面實施鋼鐵企業(yè)生產成本數據倉庫實現過程，具體包括數據抽取、數據轉換和數據裝載等過程，整個過程如圖2所示。3.1數據抽取可以依據企業(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。這里我們選擇標準工序組合為“配料(單渣)*電爐冶煉*AOD爐冶煉*150方連鑄*緩冷*連鑄坯轉移*退火*矯直*精整*磁粉探傷*鋼坯修磨*轉移”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，并不是所有的標準工序在最后的成本核算中都會進行核算的，只有那些在標準工序核算對照信息表中聲明要進行成本核算的標準工序才會轉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數據轉換數據轉換是將數據轉換為適合于數據挖據的形式。在工序盈利否字段實際存儲時，分別用“0”或“1”代表“盈”或“虧”，這樣可以提高數據存儲和訪問性能，提高關鍵工序挖掘的效率。3.3數據裝載經過以上的數據抽取與轉換，可以動態(tài)地生成基于某條工藝路線的生產成本工序事實表。數據裝載就是將前面得到的事實表和維表導入到生產成本數據倉庫中。4.鋼鐵企業(yè)生產成本關鍵工序數據挖掘4.1挖掘算法的選擇在數據挖掘算法中，決策樹算法具有速度快，容易轉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。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據集是很有效的,當這些算法用于大數據集時，有效性和收縮性就出現了問題。隨著數據庫規(guī)模的增加，數據挖掘算法面臨著對有效性和正確性更高的要求。對大數據集進行數據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據集的情況下，利用統計的知識選取一個與原數據集相似分布的小初始樣本集來進行學習，根據時間復雜度要求和正確度收斂標準來定義抽樣的終止。該算法減少了計算量和I/O的復雜性，同時保持了產生樹的正確性。本文采用基于抽樣的C4.5算法對企業(yè)生產成本關鍵工序進行挖掘。4.2關鍵工序挖掘數據預處理為便于應用決策樹算法，需對生產成本工序事實表進行預處理，將其轉換為決策表，生成如圖3所示的生產成本關鍵工序決策表。根據銷售虧損事實表，可得到所有執(zhí)行該條工藝路線的生產號是否盈利。如果該條工藝路線的生產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”。生產成本關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成本關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生產成本關鍵工序決策表4.3應用基于抽樣的C4.5算法進行關鍵工序挖掘本挖掘系統采用瀏覽器/服務器(B/S)架構，客戶端負責確定挖掘主題，選取指定的工藝路線，即定義挖掘目標，設置因變量屬性，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?；诔闃拥腃4.5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個數據樣本的集合。類別屬性具有m個不同值Ci。si是類Ci中的樣本數。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。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*連鑄坯轉移*退火*矯直*精整*磁粉探傷*鋼坯修磨*轉移”這條工藝路線的生產號共有204000個，經過抽樣后得到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。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分類決策樹根據決策樹結果，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鍵工序，其次是電爐冶煉工序和150方連鑄工序，加強這些關鍵工序的分析和控制是控制企業(yè)生產成本的關鍵所在。5結語本文將數據倉庫維度建模和數據挖掘技術應用到企業(yè)生產成本關鍵工序挖掘上，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)成本虧盈的關鍵工序，并在企業(yè)中取得了良好效果，為數據挖掘技術在企業(yè)管理領域的應用提供了寶貴的經驗。如何尋找工序與班組的最佳匹配成為下一步研究的任務。參考文獻(References)[1]柴天佑,金以慧,任德祥,等.基于三層結構的流程工業(yè)現代集成制造系統[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)生產成本控制的體系結構[J].東北大學學報,2004,5(5),1708-1712.(LIUWei,CHUYangang,WANGGuan,etal.ProductionCostCo