基于模擬法的離散型制造加工成本優(yōu)化算法研究

摘 要：本文基于解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）和模擬法，深入研究離散型制造加工成本的影響因素及其優(yōu)化策略。通過廣泛的文獻調(diào)研和專家訪談，識別主要影響因素，并構(gòu)建相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。詳細描述了基于模擬法的模型構(gòu)建流程，包括系統(tǒng)元素的識別、影響因素的提取、二元關(guān)系分析、鄰接矩陣和可達矩陣的建立等步驟。針對生產(chǎn)和設(shè)計2個方面，提出了具體的優(yōu)化對策，例如提高設(shè)備維護效率、優(yōu)化訂單處理流程、加強質(zhì)量控制、降低人工成本等。研究結(jié)果為離散型制造企業(yè)提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，旨在幫助其有效控制和降低加工成本，提高整體運營效率。

關(guān)鍵詞：解釋結(jié)構(gòu)模型；模擬法；離散型制造加工；成本優(yōu)化

中圖分類號：TP 301" " " 文獻標志碼：A

在全球經(jīng)濟一體化和市場競爭日益加劇的背景下，離散型制造企業(yè)面臨許多挑戰(zhàn)，尤其是在成本控制和資源配置方面。離散型制造業(yè)以其產(chǎn)品種類多樣、生產(chǎn)批量小、生產(chǎn)周期短等特點，成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分[1]。然而，復(fù)雜的生產(chǎn)流程和多變的市場需求使離散型制造加工成本的管理變得愈發(fā)復(fù)雜。因此，如何有效識別和優(yōu)化影響加工成本的關(guān)鍵因素，已成為提升企業(yè)競爭力的關(guān)鍵課題[2]。隨著信息技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展，模擬法作為一種強有力的工具，逐漸被應(yīng)用于成本優(yōu)化的研究中[3]。模擬法通過構(gòu)建虛擬模型，能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)進行動態(tài)分析和預(yù)測，從而為決策提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM），系統(tǒng)地識別影響離散型制造加工成本的主要因素，并通過定量與定性分析相結(jié)合的方法，提供有效的優(yōu)化策略。

1 離散型制造加工成本影響因素

1.1 解釋結(jié)構(gòu)模型

解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）是一種由美國教授Warfield于1976年提出的分析工具，旨在處理復(fù)雜的社會經(jīng)濟問題。ISM通過結(jié)合專家的實踐經(jīng)驗和計算機技術(shù)，對復(fù)雜系統(tǒng)進行有效分解，將模糊的概念轉(zhuǎn)化為清晰的多層次結(jié)構(gòu)模型，從而為學(xué)術(shù)研究提供便利。該模型的構(gòu)建過程通常包括專家組討論，識別研究主題的主要影響因素，并利用“鄰接矩陣”和“可達矩陣”對這些因素進行層級劃分，最終形成一個多級遞階的結(jié)構(gòu)模型[4]。通過詳細的文字說明，ISM能夠清晰地闡述各個層級之間的關(guān)系及其功能，廣泛應(yīng)用于政策分析、項目評估和決策支持等領(lǐng)域。

1.2 影響因素解釋與提取

通過廣泛查閱相關(guān)文獻，并結(jié)合離散型制造加工成本的識別與分析，經(jīng)過理論研究，篩選影響離散型制造加工成本的18個主要因素（見表1），其中S16為關(guān)鍵問題，即離散型制造加工成本。

原材料采購成本（S1）是制造過程中最基本的支出，直接影響生產(chǎn)成本；人工成本（S2）反映了人力資源的投入，通常占制造成本的較大部分；設(shè)備折舊（S3）直接關(guān)系生產(chǎn)成本；運輸與物流費用（S4）影響整體交付效率；生產(chǎn)計劃與調(diào)度效率（S5）影響生產(chǎn)流程的順暢程度；生產(chǎn)設(shè)備維護費用（S6）關(guān)系生產(chǎn)的連續(xù)性；生產(chǎn)工藝復(fù)雜性（S7）可能增加成本和時間；訂單處理與管理成本（S8）直接影響客戶滿意度；能源消耗（S9）是生產(chǎn)中的重要成本；研發(fā)與設(shè)計成本（S10）影響整體制造成本；質(zhì)量控制成本（S12）直接影響不合格品處理成本；庫存管理成本（S13）影響資金占用；供應(yīng)鏈管理效率（S14）影響產(chǎn)品成本和交付能力；不合格品處理成本（S15）影響盈利能力；離散型制造加工成本（S16）是上述因素的綜合體現(xiàn)；市場需求波動（S17）會影響生產(chǎn)計劃和庫存管理；技術(shù)更新與升級成本（S18）影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；法規(guī)遵從成本（S19）可能增加企業(yè)負擔(dān)。關(guān)鍵成本驅(qū)動因素包括原材料采購成本、人工成本和設(shè)備折舊，企業(yè)應(yīng)重點關(guān)注，以控制成本；而生產(chǎn)計劃與調(diào)度效率、供應(yīng)鏈管理效率和訂單處理成本等因素則直接影響生產(chǎn)效率，優(yōu)化這些環(huán)節(jié)可顯著降低整體成本。最后，質(zhì)量控制成本和法規(guī)遵從成本體現(xiàn)了企業(yè)在確保產(chǎn)品質(zhì)量和合規(guī)性方面的投入，如何有效管理這些成本是企業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。

2 基于模擬法的離散型制造加工成本優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 解釋結(jié)構(gòu)模型建模流程

當構(gòu)建基于模擬法的離散型制造加工成本優(yōu)化模型時，首先需要明確建模的流程。該流程主要包括以下6個步驟（如圖1所示）。1）確定系統(tǒng)元素集。首先，需要識別與離散型制造加工相關(guān)的系統(tǒng)元素。這些元素通常包括生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)、資源配置、人員安排等。在這一階段，研究者應(yīng)充分考慮各個環(huán)節(jié)對整體成本的影響，以確保所選元素能夠全面反映制造過程的復(fù)雜性[5]。2）確定離散型制造加工成本影響因素集。在明確系統(tǒng)元素后，識別影響離散型制造加工成本的關(guān)鍵因素。這些因素包括原材料采購成本、人工成本、設(shè)備維護費用、生產(chǎn)工藝復(fù)雜性等。通過文獻研究和專家訪談，收集較為全面的影響因素列表，為后續(xù)的分析奠定基礎(chǔ)。3）系統(tǒng)元素集二元關(guān)系。在確定影響因素集后，須分析這些因素之間的二元關(guān)系。研究各影響因素如何相互作用，以及這些相互作用對制造加工成本的影響程度。這一分析通過專家評估、問卷調(diào)查等方式進行，以獲取各因素間的相互影響信息。4）建立鄰接矩陣?；谏鲜龆P(guān)系的分析，接下來需要將這些關(guān)系整理成鄰接矩陣。鄰接矩陣是一個方陣，其中每個元素表示2個影響因素之間的關(guān)系強度。通過依次排列離散型制造加工成本的各影響因素，得到一個清晰的矩陣結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)的計算與分析。5）計算可達矩陣。在建立鄰接矩陣后，運用層次劃分原則，計算可達矩陣。可達矩陣能夠反映影響因素之間的層級關(guān)系，幫助識別哪些因素是直接影響成本的關(guān)鍵因素，哪些因素是在間接層面上發(fā)揮作用。通過可達矩陣的計算，有效地對影響因素進行層次化管理。6）生成結(jié)構(gòu)層次?；诳蛇_矩陣的結(jié)果，對各層次結(jié)構(gòu)關(guān)系進行描述。這一過程涉及對不同層次的影響因素進行歸納和總結(jié)，明確每個層次在整體成本優(yōu)化中的作用。生成的結(jié)構(gòu)層次不僅為后續(xù)的模擬分析提供了基礎(chǔ)，也為決策者在實際應(yīng)用中提供了清晰的指導(dǎo)。

2.2 建立知識模型

鄰接矩陣主要描述系統(tǒng)要素之間的直接聯(lián)系情況。如果要素Si對要素Sj有影響，那么aij記為“1”；如果要素Si對要素Sj無影響，那么aij記為“0”，如公式（1）所示。

（1）

借鑒以往離散型制造加工分析經(jīng)驗，采用頭腦風(fēng)暴法及專家資訊法對已經(jīng)完成的離散型制造加工影響因素間的二元關(guān)系進行分析，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建知識模型，具體二元關(guān)系見表2。表2列出了多個直接影響因素（例如S1、S2、S3等）及其之間的二元關(guān)系，每個因素的編號對應(yīng)與之有直接影響關(guān)系的其他因素。具體來說，S1影響S2、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S12、S15、S18和S19；S2僅影響S19；而S3則影響S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S12、S15、S18和S19。其他因素，例如S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17和S18也有各自的影響關(guān)系，其中S19是一個關(guān)鍵的影響因素，幾乎所有其他因素都與其直接相關(guān)，顯示其在制造加工成本中的重要性。相對來說，S2、S6、S8、S9、S10、S12、S13、S14、S15、S16、S17和S18主要依賴于S19，表明它們的影響力可能較弱或?qū)儆陂g接影響。

2.3 建立鄰接矩陣

根據(jù)表2中的影響因素二元關(guān)系，繪制離散型制造加工成本因素間關(guān)系有向圖，如圖2所示。

根據(jù)表2中的影響因素二元關(guān)系及圖2有向圖中的邏輯關(guān)系，建立離散型制造加工成本因素的鄰接矩陣A。

2.4 計算可達矩陣

鄰接矩陣記為A，單位矩陣記為I，對A+I進行布爾運算，直到滿足（A+I）k-1≠（A+I）k=（A+I）k+1=M為止。此時，M為鄰接矩陣A的可達矩陣。如果可達矩陣中mij=1，就表示因素Si和因素Sj之間存在能夠到達的路徑，即因素Si能夠直接或間接影響因素Sj。該過程可利用SPSS22.0軟件求得?；卩徑泳仃嘇，計算其可達矩陣M。

2.5 影響因素層級劃分

根據(jù)可達矩陣，求得可達集和先行集，分別用R（Si）和A（Si）表示?？蛇_集指特定的影響因素能夠到達的全部因素的集合，先行集表示能夠到達某個影響因素的集合。由此判別各個風(fēng)險要素的層級，計算可達集與先行集的交集C（Si），進而對各影響因素進行層級劃分。

根據(jù)可達矩陣對離散型制造加工成本因素進行層次劃分，分別求得各個因素的可達集R（Si）、先行集A（Si）和共同集C（Si）。其中，共同集C（Si）為可達集R（Si）和先行集A（Si）的交集。當可達集等于共同集時，R（Si）為最高級要素集合。在可達矩陣中，刪除Si所對應(yīng)的行和列，得到新的可達矩陣，依次迭代，得到所有的要素集合?？蛇_矩陣劃分結(jié)果見表3。

由表3可知，法律遵從成本S19為最高級，人工成本S2、生產(chǎn)設(shè)備維護費用S6、材料質(zhì)量差S8、能源消耗S9、研發(fā)與設(shè)計成本S10、質(zhì)量控制成本S12為次高級風(fēng)險因素。將高一級因素所對應(yīng)的行和列在可達矩陣中剔除，再進行第二級風(fēng)險因素劃分，不斷迭代，直到所有因素都被分解。各因素層級劃分結(jié)果見表4。

3 離散型制造加工成本因素分析及建議

3.1 原因因素分析

結(jié)合表4可知，造成離散型制造加工成本增加的原因主要為生產(chǎn)和設(shè)計。1）在生產(chǎn)方面。生產(chǎn)設(shè)備維護費用S6、訂單處理與管理成本S8、能源消耗S9、研發(fā)與設(shè)計成本S10是造成離散型制造加工成本增加的直接原因。不合格品處理成本S15、生產(chǎn)工藝復(fù)雜性S7是造成直接原因的中間因素，起到承上啟下的作用，在成本管理中應(yīng)給與重視。而深層次因素是原材料采購成本S1及人工成本S2。2）在設(shè)計方面。質(zhì)量控制成本S12和人工成本S2是造成離散型制造加工成本增加的直接原因，這2個因素主要由運輸與物流費用S4、生產(chǎn)效率S11及部分庫存管理成本S13造成。

3.2 對策建議

3.2.1 生產(chǎn)方面的對策建議

首先，通過實施預(yù)防性維護計劃和引入智能監(jiān)控系統(tǒng)來提高設(shè)備維護效率，從而減少故障率、縮短停機時間，并降低維護成本。其次，優(yōu)化訂單處理與管理流程，采用先進的生產(chǎn)管理軟件和實施精益生產(chǎn)理念，提升訂單處理的自動化程度，減少人工干預(yù)，提升整體效率。為了降低能源消耗，企業(yè)應(yīng)采用節(jié)能設(shè)備和技術(shù)，并進行能源審計，以識別高能耗環(huán)節(jié)，從而制定相應(yīng)的節(jié)能措施。此外，控制研發(fā)與設(shè)計成本需要加強跨部門協(xié)作，確保設(shè)計與生產(chǎn)的緊密結(jié)合，并采用模塊化設(shè)計，以降低產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性和縮短研發(fā)周期。同時，重視不合格品處理，通過建立嚴格的質(zhì)量檢測機制和進行根本原因分析，降低不合格品的產(chǎn)生率，從源頭上控制成本。最后，簡化生產(chǎn)工藝，評估現(xiàn)有生產(chǎn)流程并尋找優(yōu)化機會，引入標準化流程，以降低生產(chǎn)復(fù)雜性和多樣化生產(chǎn)帶來的成本上升。

3.2.2 設(shè)計方面的對策建議

首先，應(yīng)加強質(zhì)量控制，具體做法是在設(shè)計階段引入質(zhì)量控制點，以確保設(shè)計符合生產(chǎn)要求，從而減少后期修改和返工，并通過實施全面質(zhì)量管理（TQM）來提高產(chǎn)品整體質(zhì)量，降低后期的質(zhì)量控制成本。其次，優(yōu)化人工成本，通過培訓(xùn)和技能提升來提高員工工作效率，減少人工成本，同時引入自動化設(shè)備和機器人，減少對人工的依賴，從而提高生產(chǎn)效率。此外，為了降低運輸與物流費用，企業(yè)應(yīng)選擇合適的物流合作伙伴并優(yōu)化運輸路線，同時實施庫存優(yōu)化策略，以減少庫存周轉(zhuǎn)時間和降低物流費用。提升生產(chǎn)效率方面，采用先進的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，降低單位產(chǎn)品成本，并通過實施績效考核機制激勵員工提高工作效率，進一步降低人工成本。最后，優(yōu)化庫存管理需要采用先進的庫存管理系統(tǒng)實時監(jiān)控庫存水平，避免過度庫存和缺貨現(xiàn)象，同時實施JIT（準時生產(chǎn)）理念，以減少庫存占用資金，提升資金周轉(zhuǎn)率。

4 結(jié)語

在當前競爭激烈的制造環(huán)境中，離散型制造企業(yè)面臨多重挑戰(zhàn)，尤其是在成本控制和效率提升方面。本文對離散型制造加工成本影響因素進行深入分析，不僅揭示了各因素之間的復(fù)雜關(guān)系，還提出了切實可行的優(yōu)化對策。研究表明，采用解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）與模擬法相結(jié)合的方式，能夠有效地幫助企業(yè)識別關(guān)鍵影響因素，并制定具有針對性的優(yōu)化策略。

參考文獻

[1]王家，韓淙吉，陳雅含，等.基于子集模擬的建設(shè)項目離散型工期-成本優(yōu)化算法研究[J].土木工程與管理學(xué)報，2022（4）：039.

[2]王家，唐敬奇，周忠寶，等.建設(shè)項目隨機離散型工期-成本優(yōu)化算法的改進[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2023，50（7）：229-238.

[3]孫鍇.基于品類管理的CF公司采購策略研究[D].成都：西南財經(jīng)大學(xué)，2021.

[4]冉家敏，倪志偉，彭鵬，等.考慮空間眾包工作者服務(wù)質(zhì)量的任務(wù)分配策略及其螢火蟲群優(yōu)化算法求解[J].計算機應(yīng)用，2021，41（3）：794-802.

[5]梁雙.面向智能制造對離散型制造業(yè)的生產(chǎn)流程優(yōu)化策略分析[J].智庫時代，2022（14）：188-191.