廢舊機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)再制造服務(wù)建模方法研究

吳 沖，潘 莉，蘇梅月，陳 樂，王丹妮，王 騰

(武漢科技大學(xué) a.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081)

0 引言

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，制造業(yè)和服務(wù)業(yè)之間相互融合，“制造服務(wù)”由此而來[1-2]。再制造服務(wù)就是一種以再制造服務(wù)平臺為基礎(chǔ)，用戶通過網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)獲取，按需使、用的制造服務(wù)。然而，由于再制造服務(wù)平臺上匯聚著再制造企業(yè)巨大的數(shù)據(jù)信息，再制造客戶要想從再制造服務(wù)平臺上快速選擇出符合自身需求的優(yōu)質(zhì)再制造服務(wù)，就需要針對各個(gè)行業(yè)建立標(biāo)準(zhǔn)的再制造標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)體系，該體系的建立可以完成再制造服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化建模，從而實(shí)現(xiàn)再制造服務(wù)平臺制造資源和服務(wù)的系統(tǒng)化管理，達(dá)到資源共享、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等目的。

關(guān)于制造服務(wù)的模型，文獻(xiàn)[3-4]從制造服務(wù)的資源、信息、功能和服務(wù)狀態(tài)對制造服務(wù)進(jìn)行建模，并用標(biāo)準(zhǔn)化的語言對制造服務(wù)進(jìn)行規(guī)范描述；文獻(xiàn)[5-6]從多個(gè)視圖角度對制造服務(wù)進(jìn)行分類，給出了服務(wù)的形式化描述方法，同時(shí)探索了資源的封裝方法和服務(wù)化應(yīng)用方法；文獻(xiàn)[7]提出了一種兩層三元組模塊化制造加工服務(wù)的建模方法用來解決制造服務(wù)描述異構(gòu)性問題，基本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下項(xiàng)目任務(wù)和制造服務(wù)的快速發(fā)現(xiàn)和精確匹配，文獻(xiàn)[8]從制造服務(wù)的粒度角度出發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給出了制造服務(wù)合成規(guī)則和合成技術(shù)。文獻(xiàn)[9]通過對再制造產(chǎn)品全生命周期內(nèi)對再制造服務(wù)進(jìn)行劃分，提出了再制造服務(wù)分類方法和描述模型。這些文獻(xiàn)對再制造服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化都具有一定的借鑒意義，但再制造服務(wù)作為一種新的服務(wù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的制造服務(wù)，本文初步提出一種再制造標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)建模方法，該方法旨在為再制造環(huán)境下的特定行業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)的制造服務(wù)樹，通過該體系的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)再制造服務(wù)平臺企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建模和封裝。

1 再制造服務(wù)及其標(biāo)準(zhǔn)化建模

1.1 再制造服務(wù)

再制造服務(wù)是以廢舊產(chǎn)品為服務(wù)載體，旨在滿足客戶多樣化的制造服務(wù)要求，并使得再制造企業(yè)借助再制造服務(wù)平臺為客戶提供整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上的價(jià)值增值服務(wù)[10]。再制造服務(wù)平臺的開放性決定了再制造服務(wù)具有動態(tài)性和多樣性。動態(tài)性是指再制造服務(wù)會根據(jù)用戶的需求隨時(shí)對再制造資源和活動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和重新組合；多樣性則是指在再制造服務(wù)平臺上存在著大量的參差不齊的再制造服務(wù)，這些服務(wù)功能相似但質(zhì)量良莠不齊。具體的再制造服務(wù)平臺工作流程如圖1所示。

圖1 再制造服務(wù)平臺工作流程

如圖1所示,再制造平臺運(yùn)營商主要為再制造客戶以及再制造企業(yè)提供服務(wù)。再制造客戶通過在再制造服務(wù)平臺發(fā)布自身需求的再制造服務(wù)，平臺接收到請求后檢索再制造服務(wù)云池為客戶推薦最優(yōu)服務(wù)，在客戶確認(rèn)后聯(lián)系再制造企業(yè)完成再制造任務(wù)。再制造服務(wù)供應(yīng)商的主要工作是將再制造企業(yè)的再制造資源服務(wù)化并錄入再制造服務(wù)云池。

1.2 再制造環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)制造服務(wù)BOSS模型

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)再制造服務(wù)BOSS模型是指再制造服務(wù)平臺利用BOM技術(shù)，構(gòu)建涵蓋特定產(chǎn)品或行業(yè)的再制造服務(wù)。這些服務(wù)包括原子、集成以及平臺再制造服務(wù)三個(gè)層面，生成類似于產(chǎn)品BOM樹的再制造標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)BOSS結(jié)構(gòu)樹[11]。在該結(jié)構(gòu)中，企業(yè)根據(jù)自身的再制造能力在再制造服務(wù)平臺上相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上發(fā)布再制造服務(wù)信息。此外， BOSS結(jié)構(gòu)樹還需要根據(jù)再制造服務(wù)平臺上的海量的再制造服務(wù)信息實(shí)時(shí)動態(tài)地對再制造BOSS結(jié)構(gòu)樹做出調(diào)整，以適應(yīng)不斷變化的市場環(huán)境。

為了方便快捷的對行業(yè)內(nèi)再制造產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范化建模與描述，以實(shí)現(xiàn)再制造服務(wù)平臺的標(biāo)準(zhǔn)化建模和系統(tǒng)化管理。本文參照產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理中的BOM技術(shù)，構(gòu)建了一種面向再制造產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)再制造服務(wù)體系結(jié)構(gòu)示例，如圖2所示。

圖2 再制造標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)示例

本文構(gòu)建的BOSS模型涵蓋產(chǎn)品全生命周期階段的所有再制造服務(wù)，并考慮到構(gòu)建的BOSS樹的可用性，在BOSS樹構(gòu)建過程中，綜合考慮企業(yè)的產(chǎn)品BOM，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際業(yè)務(wù)能力與再制造能力等諸多因素。圖中不同類型的企業(yè)可以提供不同類型的制造服務(wù)，并且它還能根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)模和相應(yīng)的業(yè)務(wù)能力確定公司在行業(yè)中的地位。因此，根據(jù)行業(yè)企業(yè)的市場結(jié)構(gòu)，再制造企業(yè)可以提供的再制造服務(wù)被系統(tǒng)地分類管理，這將有助于再制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的描述建模和項(xiàng)目任務(wù)的精準(zhǔn)匹配。

2 多色集理論與加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則

2.1 多色集理論

1976年，Pavlov教授提出了一種過顏色描述來賦予普通集合中元素不同性質(zhì)的方法進(jìn)行多色集合理論仿真建模方法，解決了一般的集合論無法完整的描述集合本身和其組成元素性質(zhì)的問題。

一般情況下，傳統(tǒng)集合論中A={a1,…，ai,…，an}元素ai∈A所表示的僅僅是元素的名稱，但為了更好的描述系統(tǒng)信息，希望建模過程中將合元素的一些性質(zhì)體現(xiàn)出來，此時(shí)普通的集合論就無法完成。多色集合理論中集合元素ai∈A可以表示其具備的某些特性，即

F(ai)={F1(ai),F2(ai),…，F(xiàn)m(ai) }

表示為元素ai的性質(zhì)集合為{F1(ai),F2(ai),…，F(xiàn)m(ai) }，而全體集合F(A)統(tǒng)一著色F(A)={F1,F2,…,Fn}。

2.2圍道矩陣

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)中各元素性質(zhì)之間的映射關(guān)系，提出了圍道矩陣。在計(jì)算過程中，利用圍道的概念來替換“顏色”這一術(shù)語，即圍道可以看成性質(zhì)、特征、參數(shù)等術(shù)語[13-14]。通過圍道矩陣，我們可以將復(fù)雜系統(tǒng)中的各元素之間的性質(zhì)、關(guān)系通尅看成是一種集合的關(guān)系，也可以看成是一種邏輯關(guān)系。

利用多色集合理論，圍道矩陣中的元素對象的邏輯表示方法則有：

當(dāng)Fj=1時(shí)，圍道Fj是可實(shí)現(xiàn)的；當(dāng)Fj=0時(shí)，說明圍道Fj是不能實(shí)現(xiàn)的，即再制造企業(yè)不具備能力完成某一再制造任務(wù)的加工。

在復(fù)雜系統(tǒng)建模的過程中，圍道將作為一種特定的方式表達(dá)多色集理論中顏色的概念。具體的含義如下：

圍道矩陣[A×F(A)],形如公式(1)所示:

(1)

式中說明了圍道F={F1,F2,…,Fp}的組成，其中如果Fj∈F(ai),則cij=1,表明對象元素ai具有顏色(性質(zhì))Fj，反之則cij=0。

計(jì)算方法為：已知F(ai)=(f1,f5),F(aj)=(f3,f5,f6)，那么F(ai),F(aj)∈FA=(f1,f2,f3,f4,f5,f6)著色F(ai) 和F(aj)可以用布爾向量表示為：F(ai)=(1,0,0,0,1,0),F(aj)=(0,0,1,0,1,1)。布爾矢量的邏輯運(yùn)算主要有邏輯和與邏輯積。具體的運(yùn)算過程如下：

F(ai)=(1,0,0,0,1,0)
∪
F(aj)=(0,0,1,0,1,1)
F(ai)∪F(aj)=(1,0,1,0,1,1)
F(ai)=(1,0,0,0,1,0)
∩
F(aj)=(0,0,1,0,1,1)
F(ai)∩F(aj)=(0,0,0,0,1,0)

2.3 關(guān)聯(lián)規(guī)則

數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘可以定義為：設(shè)I=(i1,i2,…,in)是所有項(xiàng)的集合，S是所有事務(wù)也即數(shù)據(jù)庫中記錄的集合，每一個(gè)事務(wù)T是一些項(xiàng)目的集合，即T=(t1,t2,…,tn),其中t是I的非空子集，即t∈I,每一個(gè)交易都有唯一的標(biāo)示符TID相對應(yīng)。關(guān)聯(lián)規(guī)則是形如X→Y的蘊(yùn)含式，其中X,Y∈I且X∩Y=?，X和Y分別稱為關(guān)聯(lián)式的先導(dǎo)和后繼。關(guān)聯(lián)規(guī)則X→Y在S中的支持度是S中事物包含X∪Y的百分比，即概率P(X∪Y),置信度是包含X的事務(wù)中同時(shí)包含Y的百分比，即條件概率P(X│Y)。關(guān)聯(lián)規(guī)則用三個(gè)函數(shù)來表征X與Y的相關(guān)性:

X→Y[Suppprt,Confidence,Coeerlation]

其中,關(guān)聯(lián)規(guī)則形如X→Y的支持度為X∪Y，表示同時(shí)包含X和Y的概率，記作：

Support(X→Y)=P(X∪Y)

(2)

關(guān)聯(lián)規(guī)則形如X→Y的信任度為在數(shù)據(jù)庫中在包含X的前提下同時(shí)也包含Y的概率，記作：

(3)

Lift(X,Y)函數(shù)是關(guān)聯(lián)規(guī)則中的相關(guān)性測度計(jì)算函數(shù)，它表示X與Y之間的相關(guān)性，記作：

(4)

其中,Lift(X,Y)=1表示X與Y是相互獨(dú)立的，不存在相關(guān)性；Lift(X,Y)<1表示X與Y屬于負(fù)相關(guān)，即表示X和Y之間存在相互排斥的關(guān)系；Lift(X,Y)>1表示X與Y屬于正相關(guān)，即表示X和Y之間有一定的相關(guān)性同時(shí)出現(xiàn)。

2.4 加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則模型

在一般的加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則模型基礎(chǔ)上，本文提出一種基于再制造服務(wù)平臺企業(yè)信譽(yù)值的加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，考察平臺企業(yè)封裝的制造服務(wù)集合I=(i1,i2,…,in)，其中每一個(gè)ip表示再平臺企業(yè)所封裝的制造服務(wù)，并賦予一個(gè)事務(wù)標(biāo)識符TID。

根據(jù)公式(2)～式(4)可以依次定義基于再制造服務(wù)平臺企業(yè)信譽(yù)值的加權(quán)支持度、加權(quán)置信度、加權(quán)相關(guān)性測度。

關(guān)聯(lián)規(guī)則形如X→Y的加權(quán)支持度為：

(5)

關(guān)聯(lián)規(guī)則形如X→Y的加權(quán)置信度為：

(6)

關(guān)聯(lián)規(guī)則形如X→Y的加權(quán)相關(guān)性為：

(7)

3 案例

本文將以某機(jī)床的再制造為例構(gòu)建面向廢舊機(jī)床的再制造標(biāo)準(zhǔn)制造服務(wù)。首先給出機(jī)床的主要零部件，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出廢舊機(jī)床的通用結(jié)構(gòu)，然后利用多色集合理論構(gòu)建廢舊機(jī)床再制造服務(wù)BOSS，最后，對再制造BOSS節(jié)點(diǎn)制造服務(wù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而進(jìn)一步完善再制造服務(wù)BOSS結(jié)構(gòu)。

3.1 機(jī)床再制造服務(wù)BOSS樹構(gòu)建

某機(jī)床的主要零部件如表1所示。

表1 機(jī)床主要零部件

具體的機(jī)床再制造BOM如圖3所示。

圖3 機(jī)床再制造BOM圖

如圖3所示，機(jī)床的零部件主要可以分為兩大部分：一類通用件，例如：電動機(jī)、離合器、繼電器、傳感器等可以作為一個(gè)整體進(jìn)行采購；另一類為組合件，例如互鎖機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)等部件。組合件通過結(jié)構(gòu)劃分可以分為若干個(gè)零部件，并且需要特定的供應(yīng)商進(jìn)行生產(chǎn)。特別指出，雖然電動機(jī)、離合器、繼電器、傳感器等也是可以進(jìn)行拆分，然而由于他們的通用性，在機(jī)床再制造服務(wù)BOSS中不予考慮。因此，在再制造服務(wù)BOSS構(gòu)建過程中，主要考慮的是產(chǎn)品的通用結(jié)構(gòu)。

制造服務(wù)集合的確定是再制造服務(wù)BOSS樹構(gòu)建的基礎(chǔ)，其中包括原子再制造服務(wù)集合以及集成再制造服務(wù)集合的確定。但是，不同的產(chǎn)業(yè)在再制造環(huán)節(jié)上差別很大，因此再制造服務(wù)集合往往需要考慮實(shí)際的行業(yè)背景以及應(yīng)用環(huán)境。本文結(jié)合表1所述的廢舊機(jī)床通用結(jié)構(gòu)信息給出了機(jī)床的原子再制造服務(wù)集合和集成再制造服務(wù)集合，如表2所示。

表2 機(jī)床原子與集成再制造服務(wù)

通過多色集合理論的圍道矩陣構(gòu)建方法，結(jié)合表2進(jìn)給箱集成再制造服務(wù)集合構(gòu)建進(jìn)給箱集成再制造服務(wù)映射矩陣[IS×AS]如表3所示。

表3 進(jìn)給箱再制造服務(wù)映射矩陣

由此可以構(gòu)建進(jìn)給箱、移換機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)等再制造集成服務(wù)圍道為：

進(jìn)給箱集成再制造服務(wù)IS8：

[IS×AS]/IS8={移換機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)}

移換機(jī)構(gòu)再制造服務(wù)IS9：

[IS×AS]/IS9={軸、滑移齒輪、空套齒輪、圓錐齒輪、花鍵}

轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)再制造服務(wù)IS10：

[IS×AS]/IS10={齒輪、齒條}

操作機(jī)構(gòu)再制造服務(wù)IS11：

[IS×AS]/IS11={手柄、花鍵軸、擺桿、齒輪}

變速機(jī)構(gòu)IS12：

[IS×AS]/IS12={移換齒輪、交換齒輪}

用布爾向量表示為：

F(IS8)=(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)

F(IS9)=(1，1，1，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0)

F(IS10)=(0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，0)

F(IS11)=(0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，0，0)

F(IS12)=(0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1)

計(jì)算過程如下：

F(IS9)=(1，1，1，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，)

∪

F(IS10)=(0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，0…)

∪

F(IS11)=(0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，0，0，)

∪

F(IS12)=(0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，)

F(IS8)=F(IS9)∪F(IS10)∪F(IS11)∪F(IS12)=(1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1)

由此可以確定集成制造服務(wù)IS8、IS9、IS10、IS11、IS12五者之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 進(jìn)給箱再制造服務(wù)BOSS

根據(jù)上述機(jī)床再制造服務(wù)BOSS構(gòu)建方法，初步建立起了類似于圖4所示的進(jìn)給箱再制造服務(wù)BOSS，再制造服務(wù)平臺企業(yè)可以根據(jù)企業(yè)自身的再制造能力在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)服務(wù)模板上發(fā)布符合企業(yè)自身的再制造服務(wù)信息。但是再制造服務(wù)BOSS一方面方便了企業(yè)的再制造服務(wù)建模和資源封裝；另一方面也讓企業(yè)失去了個(gè)性化的定制。因此，在企業(yè)注冊、發(fā)布再制造服務(wù)的過程中，再制造服務(wù)平臺給予了企業(yè)一定的靈活性，再制造企業(yè)可以根據(jù)再制造加工能力提供再制造服務(wù)。

3.2服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化

在初步建立起了機(jī)床再制造服務(wù)BOSS樹后，再制造服務(wù)平臺企業(yè)可以根據(jù)自身再制造加工能力在相應(yīng)的BOSS節(jié)點(diǎn)上封裝個(gè)性化的再制造服務(wù)。由于再制造服務(wù)平臺上有海量的集成再制造服務(wù)，為了得到它們之間的相應(yīng)關(guān)系，需要對再制造服務(wù)平臺上的封裝數(shù)據(jù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析。例如：移換機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)再制造服務(wù)的注冊過程中，原子再制造服務(wù)組成為(軸再制造服務(wù)、滑移齒輪再制造服務(wù)、空套齒輪再制造服務(wù)、花鍵再制造服務(wù)、圓錐齒輪再制造服務(wù))。假設(shè)再制造服務(wù)平臺上有5家企業(yè)由于設(shè)備、業(yè)務(wù)、能力等因素，其在移換機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)再制造服務(wù)封裝的集成制造服務(wù)如表4所示。

表4 平臺企業(yè)再制造服務(wù)情況

通過本文所提出的加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則頻繁項(xiàng)集發(fā)現(xiàn)算法求解有：

WS(AS29→AS30)=0.679
Wc(AS29→AS30)=0.841
WL(AS29→AS30)=1.238

計(jì)算結(jié)果如表5所示：

表5 計(jì)算結(jié)果

通過關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，最后總結(jié)得出{AS29、AS30、AS31、AS32、AS33}的頻繁項(xiàng)集為{AS29、AS30}和{AS31、AS32、AS33}。由此，在機(jī)床再制造服務(wù)BOSS中添加{ASp、ASq}兩項(xiàng)節(jié)點(diǎn)再制造服務(wù)，從而形成圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)給箱再制造服務(wù)BOSS結(jié)構(gòu)。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)給箱再制造服務(wù)BOSS結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文在再制造環(huán)境下，提出了一種基于多色集合理論的再制造服務(wù)BOSS結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了再制造環(huán)境下BOSS樹模型的構(gòu)建，有利于再制造企業(yè)在平臺上的服務(wù)組合、匹配以及信息發(fā)布。此外，利用基于企業(yè)信譽(yù)值的加權(quán)關(guān)聯(lián)規(guī)則對再制造服務(wù)平臺企業(yè)封裝的再制造服務(wù)信息進(jìn)行分析，挖掘出原子再制造服務(wù)之間的相關(guān)性，提出了一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的制造BOSS節(jié)點(diǎn)再制造服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化方法，解決了當(dāng)前因再制造服務(wù)描述混亂、制造服務(wù)信息不完整而造成的再制造服務(wù)管理困難和再制造服務(wù)與項(xiàng)目任務(wù)匹配不準(zhǔn)確等問題。