個(gè)性化定制生產(chǎn)模式下的云制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

鄭杜，唐敦兵，王旭， 張澤群，張區(qū)委，管晨丞

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)環(huán)境的變化，生產(chǎn)模式逐漸地由“產(chǎn)品導(dǎo)向性”朝著“顧客導(dǎo)向性”的方向發(fā)展，過(guò)去的單一品種、大批量的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足用戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化的需求。為了解決這種現(xiàn)狀，基于用戶個(gè)人定制的多品種、小批量的生產(chǎn)模式開始出現(xiàn)，并逐漸得到了人們的青睞。然而個(gè)性化定制訂單具有多品種、小批量、到達(dá)時(shí)間隨機(jī)和緊急程度不同等特點(diǎn)，且個(gè)性化定制的產(chǎn)品參數(shù)復(fù)雜多變，這給傳統(tǒng)生產(chǎn)方式帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，云計(jì)算、工業(yè)云、云制造、智能制造云端化等理念[1-3]正在興起。當(dāng)前對(duì)云制造的研究工作已取得較多成果，文獻(xiàn)[4]提出了一種云制造的體系結(jié)構(gòu)，討論了實(shí)施云制造需攻克的服務(wù)模式、資源共享與分配以及安全等技術(shù)問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]研究了制造加工設(shè)備云端化封裝與云端化接入方法，使得制造服務(wù)過(guò)程信息透明和實(shí)時(shí)且可訪問(wèn)；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了云制造服務(wù)平臺(tái)的訪問(wèn)控制模型,定義了系統(tǒng)級(jí)別宏的安全策略及訪問(wèn)控制請(qǐng)求與響應(yīng)流程；文獻(xiàn)[7]研究了云制造模式下分散資源的感知、虛擬接入、服務(wù)化和云服務(wù)部署等關(guān)鍵問(wèn)題。

上述研究偏重討論云制造的總體結(jié)構(gòu)框架，并且大多數(shù)研究都停留在生產(chǎn)仿真的階段，缺乏對(duì)云制造系統(tǒng)協(xié)同車間生產(chǎn)的研究；同時(shí)，云制造系統(tǒng)上的訂單任務(wù)下放到車間時(shí)的順序會(huì)影響車間資源利用率，會(huì)造成加工資源利用不平衡、訂單交貨期得不到保證等問(wèn)題。解決上述問(wèn)題需要在云制造系統(tǒng)上進(jìn)行預(yù)排產(chǎn)，而當(dāng)前缺乏對(duì)云制造系統(tǒng)上預(yù)排產(chǎn)技術(shù)的研究。因此，本文結(jié)合J2EE和云平臺(tái)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套云制造系統(tǒng)，它允許用戶參與產(chǎn)品個(gè)性化定制，將用戶訂單進(jìn)行預(yù)排產(chǎn)后，通過(guò)與車間進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互來(lái)完成訂單下達(dá)車間加工及訂單加工信息實(shí)時(shí)追蹤，協(xié)同車間完成個(gè)性化訂單加工。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

該系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要由用戶模塊、與生產(chǎn)車間交互模塊和系統(tǒng)管理模塊構(gòu)成，各模塊的主要功能如圖1所示。

圖1 云制造系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1.2 訂單預(yù)排產(chǎn)

訂單預(yù)排產(chǎn)是云制造系統(tǒng)對(duì)所有訂單進(jìn)行排產(chǎn)并下放篩選出的部分訂單到車間生產(chǎn)的過(guò)程。由于云制造系統(tǒng)每次下放一定數(shù)量的訂單，如果不進(jìn)行排產(chǎn)，而是按訂單提交順序下放訂單，會(huì)造成以下兩個(gè)問(wèn)題：

1) 訂單權(quán)重問(wèn)題

通常根據(jù)訂單的交貨期、優(yōu)先級(jí)等信息，給每個(gè)訂單評(píng)定一個(gè)權(quán)重。云制造系統(tǒng)按照訂單提交順序下放車間，會(huì)使提交時(shí)間較晚但交貨期緊、優(yōu)先級(jí)高的訂單被積壓在云端，致使訂單權(quán)重得不到保證。

2) 車間資源利用不平衡問(wèn)題

車間資源得不到平衡利用也是一個(gè)預(yù)排產(chǎn)需解決的重要問(wèn)題。如圖2所示，云端上的一組訂單按順序下放到車間，由于先提交的這些訂單絕大部分使用車床資源，使得車間車床負(fù)載普遍較大，而銑床負(fù)載小，甚至有空閑的銑床，而云制造系統(tǒng)上仍存在需利用銑床的訂單，造成訂單任務(wù)沒(méi)完成，機(jī)床卻空閑的局面。

圖2 機(jī)床負(fù)載

為了解決以上問(wèn)題，需在云端對(duì)訂單進(jìn)行一次預(yù)排產(chǎn)。其過(guò)程是計(jì)算出訂單權(quán)重，并按權(quán)重進(jìn)行訂單排序，最后根據(jù)車間的全局信息下放權(quán)重高的訂單。

訂單按權(quán)重進(jìn)行排序后，訂單下放車間前篩選流程如圖3所示，每次選擇權(quán)重最高的一個(gè)訂單，依次判斷G代碼庫(kù)中是否存在該訂單加工程序、該訂單所需物料在車間是否有庫(kù)存、是否有利于車間機(jī)床資源使用平衡3個(gè)條件，依次循環(huán)，直到訂單列表中達(dá)到下放所需數(shù)量后，將訂單下放車間。

圖3 訂單下放到車間前的篩選過(guò)程

2 系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)車間的要求

云制造系統(tǒng)是與生產(chǎn)車間協(xié)同運(yùn)行的，因此該系統(tǒng)對(duì)車間的要求如下：1) 系統(tǒng)需要與車間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，則車間必須能夠訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)；2) 車間需要采集設(shè)備的負(fù)載、物料庫(kù)存等信息，為系統(tǒng)提供預(yù)排產(chǎn)指標(biāo)因數(shù)；3) 系統(tǒng)下放車間的訂單具有小批量、多品種特點(diǎn)，且每個(gè)訂單的參數(shù)也復(fù)雜多變，傳統(tǒng)車間的人工調(diào)度生產(chǎn)模式不再適用，車間需要采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)[8]，實(shí)現(xiàn)車間自組織生產(chǎn)。

據(jù)此，云制造系統(tǒng)要有效地運(yùn)行，需給每一臺(tái)設(shè)備安裝嵌入式工控機(jī)以及傳感器、RFID、二維碼、數(shù)據(jù)采集卡等數(shù)據(jù)采集裝置。通過(guò)在嵌入式工控機(jī)上開發(fā)程序，獲取設(shè)備的能耗、負(fù)載、故障信息、加工時(shí)間等信息，且能夠完成上傳NC代碼、啟動(dòng)機(jī)床等動(dòng)作，并在此基礎(chǔ)上建立設(shè)備智能個(gè)體，使設(shè)備本身具有通訊、感知、分析、推理、決策、控制能力。如圖4所示，每臺(tái)設(shè)備就是一個(gè)智能個(gè)體，嵌入式工控機(jī)就是智能個(gè)體的核心。嵌入式工控機(jī)分3層：適配層主要是完成數(shù)據(jù)采集和設(shè)備動(dòng)作控制；決策層是核心層，可以對(duì)數(shù)據(jù)和任務(wù)進(jìn)行分析、推理與決策；通信層是負(fù)責(zé)與其他智能個(gè)體通信，或與云制造系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。最終，結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，多個(gè)智能個(gè)體間采用某種協(xié)商機(jī)制進(jìn)行通信、交流、協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)車間自組織生產(chǎn)。

圖4 設(shè)備智能個(gè)體的建立

3 系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

將該云制造系統(tǒng)應(yīng)用到某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的微型工廠(以下簡(jiǎn)稱車間)中，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的云制造系統(tǒng)的可行性。車間中設(shè)備的平面布局和實(shí)物如圖5所示，主要設(shè)備有車床、銑床、立體倉(cāng)庫(kù)、AGV和機(jī)械手。車間可以同時(shí)對(duì)3種類型工件進(jìn)行加工，工件類型簡(jiǎn)圖如表1所示，簡(jiǎn)圖上的尺寸參數(shù)用戶可以在云制造系統(tǒng)的下單界面進(jìn)行定制。

圖5 微型車間的設(shè)備平面布局圖和實(shí)物圖

表1 工件類型

車間中的每一臺(tái)設(shè)備都安裝了嵌入式工控機(jī)，結(jié)合物聯(lián)制造技術(shù)，采用無(wú)線和有線的形式構(gòu)建了車間物聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)，使得設(shè)備之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并將每一臺(tái)設(shè)備構(gòu)建成一個(gè)智能個(gè)體。車間在制造過(guò)程中采用MAS(multi-agent system)模型進(jìn)行完全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度，并采用合同網(wǎng)機(jī)制作為智能個(gè)體之間的協(xié)商機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了車間自組織生產(chǎn)。

該云制造系統(tǒng)與車間協(xié)同工作的過(guò)程如圖6所示，運(yùn)行過(guò)程描述如下：

Step1：用戶提交個(gè)性化訂單；

Step2：車間工藝部門對(duì)個(gè)性化訂單進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)每個(gè)工序都生成G代碼以及該工序?qū)?yīng)的工藝裝備參數(shù)，將G代碼和工藝裝備參數(shù)上傳到云制造系統(tǒng)G代碼庫(kù)；

Step3：云制造系統(tǒng)根據(jù)訂單交貨期、訂單優(yōu)先級(jí)、車間物料庫(kù)存信息等進(jìn)行預(yù)排產(chǎn)，并將訂單下放車間；

Step4：車間接收到訂單后，采用合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)商過(guò)程主要為：由任務(wù)發(fā)起方準(zhǔn)備任務(wù)標(biāo)書，向其他智能個(gè)體發(fā)起招標(biāo)，具有完成該任務(wù)能力的智能個(gè)體會(huì)返回投標(biāo)書，告訴任務(wù)發(fā)起方自身狀態(tài)、負(fù)載情況等信息，任務(wù)發(fā)起方將對(duì)投標(biāo)書進(jìn)行篩選，并將選標(biāo)結(jié)果告訴競(jìng)標(biāo)者，并簽署任務(wù)合同。完成協(xié)商后，任務(wù)發(fā)起方通知AGV智能個(gè)體將工件運(yùn)送到中標(biāo)者的緩存區(qū)中；

Step5：機(jī)床在開始加工前，會(huì)從工件攜帶的RFID標(biāo)簽內(nèi)讀取工件編號(hào)及加工工序，并向云端系統(tǒng)請(qǐng)求加工G代碼，云端從G代碼庫(kù)中查找相應(yīng)工序的G代碼及工藝裝備參數(shù)后返回給機(jī)床，機(jī)床上傳G代碼、調(diào)用對(duì)應(yīng)刀具進(jìn)行加工；

Step6：加工過(guò)程中，車間將訂單信息、設(shè)備信息和物料信息實(shí)時(shí)推送給云制造系統(tǒng)，據(jù)此，用戶可以追蹤到訂單加工進(jìn)度，而設(shè)備信息和物料信息可以為預(yù)排產(chǎn)提供參考指標(biāo)。

圖6 云制造系統(tǒng)與車間協(xié)同工作過(guò)程

通過(guò)該系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)追蹤到訂單加工進(jìn)度、設(shè)備和物料等車間實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)了車間制造信息云端化，行之有效地為預(yù)排產(chǎn)提供依據(jù)，且用戶可以實(shí)時(shí)追蹤訂單加工進(jìn)度。同時(shí)系統(tǒng)上建立了G代碼庫(kù)，為車間提供加工G代碼及工藝裝備參數(shù)，解決了訂單在多品種小批量和參數(shù)復(fù)雜多變情況下，機(jī)床如何有效獲取加工G代碼的問(wèn)題。

為了驗(yàn)證預(yù)排產(chǎn)對(duì)車間設(shè)備資源平衡利用的影響，進(jìn)行系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，繪制機(jī)床負(fù)載變化圖，機(jī)床負(fù)載是指該機(jī)床加工完緩存區(qū)內(nèi)工件的某工序所需要的時(shí)間。按表2所示訂單序列提交訂單，其中各工件的工藝信息如表1所示。如圖7所示，在沒(méi)有預(yù)排產(chǎn)情況下，t時(shí)刻車床負(fù)載達(dá)到峰值，而銑床負(fù)載較小。如圖8所示，訂單經(jīng)過(guò)預(yù)排產(chǎn)后，車床和銑床負(fù)載變化相當(dāng)。

該實(shí)例運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)排產(chǎn)有效地解決了車間資源利用不平衡問(wèn)題，并且該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)車間制造過(guò)程中實(shí)時(shí)信息難以獲取的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)制造信息云端化。同時(shí)針對(duì)個(gè)性化訂單復(fù)雜多變的特點(diǎn)，建立加工G代碼庫(kù)，機(jī)床可以從G代碼庫(kù)中自動(dòng)獲取對(duì)應(yīng)工件的加工G代碼及工藝裝備參數(shù)，使加工過(guò)程變得簡(jiǎn)單。

表2 按時(shí)間順序提交的一組訂單

圖7 沒(méi)有預(yù)排產(chǎn)車間機(jī)床負(fù)載變化

圖8 預(yù)排產(chǎn)后車間機(jī)床負(fù)載變化

4 結(jié)語(yǔ)

個(gè)性化定制作為一種新型生產(chǎn)模式呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)，而個(gè)性化訂單具有復(fù)雜多變的特點(diǎn)，傳統(tǒng)生產(chǎn)方式無(wú)法滿足個(gè)性化定制生產(chǎn)模式。在個(gè)性化定制生產(chǎn)模式下，車間需要采用完全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車間自組織生產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)自組織生產(chǎn)，需要解決如何收集個(gè)性化定制訂單、如何得到工件加工G代碼、如何獲取車間實(shí)時(shí)信息等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套云制造系統(tǒng)，該云制造系統(tǒng)允許用戶定制自己需要的工件參數(shù)，云制造系統(tǒng)會(huì)對(duì)用戶提交的訂單進(jìn)行預(yù)排產(chǎn)后下發(fā)車間生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中需要的加工G代碼可以從云端G代碼庫(kù)中獲取，車間生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息也會(huì)推送給云制造系統(tǒng)。將該云制造系統(tǒng)運(yùn)用到某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的微型工廠中，運(yùn)行結(jié)果表明預(yù)排產(chǎn)有效地解決了車間機(jī)床負(fù)載利用不平衡問(wèn)題，并且克服了傳統(tǒng)車間制造過(guò)程中實(shí)時(shí)信息難以獲取的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)制造信息云端化，同時(shí)加工G代碼庫(kù)使加工過(guò)程變得簡(jiǎn)單。