流程驅(qū)動(dòng)式生產(chǎn)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

張巖 王明珠 侯康偉

摘要：為實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品生產(chǎn)線的精細(xì)化和智能化管控，需要打通制造過程各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的深度集成與信息的互通共享。在分析航空產(chǎn)品生產(chǎn)管控基礎(chǔ)上，通過引入流程驅(qū)動(dòng)搭建了生產(chǎn)管控系統(tǒng)架構(gòu)，解決了生產(chǎn)智能調(diào)度的應(yīng)用難題。以航天研究所的實(shí)際生產(chǎn)為背景，開發(fā)了系統(tǒng)原型并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：流程驅(qū)動(dòng)；生產(chǎn)管控；生產(chǎn)智能調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP18文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）06-58-4

0引言

伴隨協(xié)同設(shè)計(jì)制造、協(xié)同辦公和數(shù)字化集成制造等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，我國航空制造業(yè)在信息化和工業(yè)化方面都取得了長足進(jìn)步。張森堂指出，生產(chǎn)管控系統(tǒng)需要能夠?qū)⒂?jì)劃流、控制流、質(zhì)量流和工藝信息流全面集成，在企業(yè)的集成中起到承上啟下的橋梁作用[1]。李新偉等實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)全過程的管控，協(xié)調(diào)了各類資源、物流運(yùn)輸及各單元的生產(chǎn)組織、物料平衡[2]。流程驅(qū)動(dòng)作為生產(chǎn)管控系統(tǒng)中的核心要素，也得到了學(xué)者的關(guān)注[3-5]。樂承毅等通過對(duì)流程特征、員工特征和知識(shí)領(lǐng)域?qū)傩缘冗M(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)領(lǐng)域的主動(dòng)推送[6]；馮毅雄等設(shè)計(jì)了基于流程驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)知識(shí)推送方案，提高了設(shè)計(jì)知識(shí)推送的準(zhǔn)確度[7]。

1基于流程驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1生產(chǎn)管控過程特點(diǎn)分析

日常生產(chǎn)中的航空產(chǎn)品主要具備以下特征：

①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大，且生產(chǎn)加工過程需要大量工裝和樣板等輔助設(shè)備，因此具有典型的小批量、多品種及生產(chǎn)周期長等特點(diǎn)。

②生產(chǎn)過程主要分為生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備、生產(chǎn)作業(yè)、零件加工和生產(chǎn)管控4個(gè)階段。隨著生產(chǎn)任務(wù)的要求，這些階段可依次完成，也可并行開展。

③生產(chǎn)線管控過程涉及制造過程各環(huán)節(jié)，如工裝夾具設(shè)計(jì)、物流運(yùn)輸、工藝設(shè)計(jì)、檢測(cè)及數(shù)控加工等，實(shí)際生產(chǎn)過程中需要滿足過程、質(zhì)量、設(shè)備、物料以及現(xiàn)場(chǎng)等各單元間的精細(xì)化集成管控。

④生產(chǎn)管控過程具有明顯流程驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，可以借助流程驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)流程優(yōu)化、相關(guān)業(yè)務(wù)整合，綜合管控產(chǎn)線運(yùn)行過程中的物料、工裝及設(shè)備等信息，并基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度、資源管理和物流調(diào)度等子業(yè)務(wù)模塊的分析決策功能，進(jìn)而將決策數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為可識(shí)別的控制指令，保證生產(chǎn)線的精準(zhǔn)執(zhí)行和高效運(yùn)行。

1.2基于流程驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在研究所的生產(chǎn)管控系統(tǒng)是各類數(shù)據(jù)匯聚、管理、處理、運(yùn)算和分發(fā)的核心樞紐，在實(shí)際應(yīng)用中起到承上（頂層信息系統(tǒng)）啟下（生產(chǎn)線各執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)度管控）的自主智能決策作用。其主要功能包括智能調(diào)度、物流管理、資源管理、機(jī)內(nèi)制造、數(shù)據(jù)管理及任務(wù)管理等功能模塊。核心模塊是生產(chǎn)智能調(diào)度，其主要功能是生產(chǎn)任務(wù)的接收、輸入與排序。系統(tǒng)需要接收上游系統(tǒng)輸入的工作任務(wù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的反饋數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)任務(wù)在各臺(tái)設(shè)備上的加工順序進(jìn)行快速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)加工周期近似最短、各項(xiàng)零件按時(shí)交付等目標(biāo)。生產(chǎn)任務(wù)完成后，將輸出數(shù)據(jù)分別以結(jié)構(gòu)化、圖形化的結(jié)果展示給調(diào)度人員做出確認(rèn)和必要的調(diào)整，最后將資源需求數(shù)據(jù)分發(fā)到各個(gè)相關(guān)的部門（刀具、夾具和物流等），以便于提前做好相關(guān)的準(zhǔn)備。

2基于流程驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)調(diào)度管理

2.1流程驅(qū)動(dòng)模型

基于對(duì)航空制造過程的理解，借鑒面向?qū)ο蠛徒M件的設(shè)計(jì)概念，將生產(chǎn)調(diào)度中涉及到的各環(huán)節(jié)視為某種具體對(duì)象。通過構(gòu)建工藝、零件、設(shè)備、刀具及原料等模型，構(gòu)建驅(qū)動(dòng)激勵(lì)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)流程驅(qū)動(dòng)模型，如圖1所示。

過程驅(qū)動(dòng)是推動(dòng)問題解決的基本驅(qū)動(dòng)力，解決了相關(guān)子過程的關(guān)聯(lián)和管理問題。

2.2生產(chǎn)智能調(diào)度問題描述

結(jié)合流程驅(qū)動(dòng)模型，生產(chǎn)調(diào)度問題可簡單描述如下：

（1）問題輸入

①工藝方面：零件加工的工序名稱、先后順序、各工序的時(shí)間長度、工序之間的最小/最大時(shí)間間隔；②設(shè)備方面：可用設(shè)備數(shù)量、各設(shè)備的可用起止時(shí)間；③刀具方面：各種刀具的數(shù)量、各刀具適用工序的名稱、各刀具的可用起止時(shí)間、刀具剩余壽命；④原料方面：各相關(guān)原料或毛坯最早抵達(dá)時(shí)間；⑤訂單數(shù)據(jù)：零件的數(shù)量、各零件的最遲完工時(shí)間。

（2）問題輸出

①各設(shè)備的零件任務(wù)清單，以及各零件加工的起止時(shí)間或先后順序；

②各設(shè)備的資源需求（原材料、半成品、刀具等），以及這些需求的起止時(shí)間或先后順序。

2.3問題解決思路

為了利用流程驅(qū)動(dòng)的方式解決生產(chǎn)調(diào)度問題，需要將該問題中涉及的各種對(duì)象進(jìn)行封裝。流程驅(qū)動(dòng)的調(diào)度模型強(qiáng)調(diào)每個(gè)步驟都需要根據(jù)實(shí)際情況選擇下游的對(duì)象和激勵(lì)，因此整個(gè)調(diào)度管理算法如圖2所示。

算法說明：

步驟1：讀取各種輸入數(shù)據(jù)。

①零件類：待加工零件列表、各零件工藝路線列表、各零件的資源需求列表、各零件各工序的工時(shí)列表、各零件相鄰工序之間的最小時(shí)間間隔列表；

②設(shè)備類：各設(shè)備的數(shù)量、各設(shè)備的工作狀態(tài)列表（正在加工什么零件）、各設(shè)備可用于下一個(gè)零件加工的就緒時(shí)間列表；

③刀具類：各種刀具的數(shù)量、各刀具的適用工序列表、各刀具的當(dāng)前使用狀態(tài)列表、各刀具可用于下一個(gè)零件加工的就緒時(shí)間列表、各刀具的剩余使用壽命時(shí)間。

另外，需要假設(shè)具備加工條件的零件滿足以下要求：①存在空閑的設(shè)備；②零件的前續(xù)工序已經(jīng)全部完成；③零件將要使用的刀具空閑，而且剩余使用壽命滿足加工需求。

步驟4：組零件排產(chǎn)完成后，找出各設(shè)備在工作過程中的空閑時(shí)間段，并更新零件、設(shè)備、刀具和訂單數(shù)據(jù)。

步驟5：按照分組的順序，盡可能將后續(xù)組內(nèi)的零件插入到這些空閑時(shí)間段內(nèi)加工，直到所有的這些空閑時(shí)間段都無法被填充為止。

步驟6：更新零件、設(shè)備、刀具和訂單數(shù)據(jù)，并返回步驟3，直到所有的零件都被安排生產(chǎn)。

步驟7：輸出排產(chǎn)結(jié)果，分發(fā)資源需求數(shù)據(jù)到相關(guān)部門或系統(tǒng)。

步驟8：查詢零件、設(shè)備、刀具和訂單數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，如果有，重新排產(chǎn)。

3原型系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

以航空制造企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程為背景，進(jìn)行系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、組件服務(wù)層、邏輯層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

①數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速采集和存儲(chǔ)，以及各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)、日志消息等信息。將系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)按照生產(chǎn)資源、任務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（設(shè)備數(shù)據(jù)）、人員信息等進(jìn)行分類，以進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取路徑、方式等的規(guī)劃。

②邏輯及組件服務(wù)層：是一個(gè)應(yīng)用支撐基礎(chǔ)軟件平臺(tái)層，為管控平臺(tái)提供所需的公共性、基礎(chǔ)性組件和服務(wù)，并提供組件的運(yùn)行、開發(fā)和管理環(huán)境，支持信息交換應(yīng)用的快速開發(fā)，以滿足平臺(tái)的擴(kuò)展和變化，同時(shí)降低工程實(shí)施、維護(hù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

③應(yīng)用層：基于應(yīng)用支撐層提供的框架、組件服務(wù)和工具，訪問信據(jù)層的數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建面向信息交換的業(yè)務(wù)應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)的深入應(yīng)用。應(yīng)用層主要包括應(yīng)用門戶系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)接口等。

④表現(xiàn)層：以車間的大屏幕、現(xiàn)場(chǎng)的觸摸屏及工控機(jī)的人機(jī)界面等方式進(jìn)行任務(wù)排程和各生產(chǎn)單元的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

3.2生產(chǎn)智能調(diào)度界面設(shè)計(jì)

圖4是生產(chǎn)智能調(diào)度界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)數(shù)據(jù)源、資源數(shù)據(jù)源采用流程驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)自動(dòng)排序，生成待加工任務(wù)隊(duì)列，并將任務(wù)隊(duì)列傳輸給管控平臺(tái)供其他模塊實(shí)時(shí)調(diào)用，以此保證生產(chǎn)效率的最大化，同時(shí)用戶可以對(duì)錄入的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行手段調(diào)整。當(dāng)物料、設(shè)備、工裝及刀具等資源狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，算法將被重新調(diào)用，并基于現(xiàn)有資源條件進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行過程的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4結(jié)束語

以研究所為背景，闡述了其生產(chǎn)管控過程特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上引入流程驅(qū)動(dòng)模型設(shè)計(jì)了生產(chǎn)管控系統(tǒng)。對(duì)流程驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后將其應(yīng)用在生產(chǎn)智能調(diào)度管理的研究中，得到了良好的應(yīng)用效果。由于系統(tǒng)正在建設(shè)實(shí)施中，故下一階段的主要工作是在后續(xù)工作中收集詳細(xì)資料，進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的使用效果。

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