復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程信息追溯模型研究*

梁軍義，李智皓，劉 偉

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111)

0 引言

ISO9001：2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)和可追溯性做了明確規(guī)定，生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品需要輸出唯一標(biāo)識(shí)來(lái)保障產(chǎn)品的可追溯性?？勺匪菪杂欣诠竞涂蛻翳b別產(chǎn)品、追溯其制造過(guò)程信息和原料來(lái)源，并能夠與制造過(guò)程歷史記錄關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品的可追溯性有助于保障產(chǎn)品安全，在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題時(shí)企業(yè)能夠快速定位問(wèn)題產(chǎn)品范圍并采取必要的行動(dòng)[1]。

復(fù)雜產(chǎn)品具有研發(fā)成本高、規(guī)模大、技術(shù)含量高、單件或者小批量定制化、集成度高的特點(diǎn)，它包括大型通信系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)、大型船只、電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、高速列車、大型武器裝備等，與現(xiàn)代工業(yè)休戚相關(guān)，直接影響到一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和核心競(jìng)爭(zhēng)力[2]。復(fù)雜產(chǎn)品通常為離散型制造，生產(chǎn)過(guò)程中包含著較多的變化和不確定性因素[3-4]，生產(chǎn)數(shù)據(jù)類別繁多且分散，這對(duì)制造過(guò)程追溯的深度和完整性有較大影響。

近年來(lái)，在復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程管理方面研究眾多，無(wú)論是從硬件方面還是在軟件方面都取得了不少成果。文獻(xiàn)[5-6]通過(guò)對(duì)制造過(guò)程中產(chǎn)品采用RFID和條碼進(jìn)行標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了在物料跟蹤、質(zhì)量控制與追溯、生產(chǎn)過(guò)程控制、在制品管理等方面的管理。文獻(xiàn)[7-8]研究了使用MES軟件技術(shù)，通過(guò)記錄制造過(guò)程信息，根據(jù)物料的批次或者序列號(hào)進(jìn)行信息回查。目前對(duì)離散制造過(guò)程信息研究多集中在以物料標(biāo)識(shí)為主導(dǎo)，數(shù)據(jù)采集為前提來(lái)實(shí)現(xiàn)物料信息回溯。從復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程出發(fā)，研究制造過(guò)程信息間的關(guān)系、制造過(guò)程信息與產(chǎn)品之間的關(guān)系以及產(chǎn)品制造過(guò)程信息追溯模型的還比較少，本文結(jié)合離散制造過(guò)程作業(yè)特點(diǎn)，著眼制造過(guò)程可追溯性、信息完整性，通過(guò)對(duì)追溯信息建模以及追溯過(guò)程建模來(lái)研究復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程信息追溯的實(shí)現(xiàn)。

1 離散制造過(guò)程信息分析

離散型制造產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程通常被分解成多個(gè)工序來(lái)完成，工件從一個(gè)工位到另一個(gè)工位進(jìn)行不同類型的工藝處理。作業(yè)工序之間、作業(yè)順序之間都有約束限制，制造過(guò)程信息涵蓋人、機(jī)、料、法、環(huán)各方面要素[9]。一定時(shí)間內(nèi)同一生產(chǎn)線上可能同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)品種的產(chǎn)品，產(chǎn)品從原材料投入到產(chǎn)成品交付整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 離散制造過(guò)程工藝流程圖實(shí)例

復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程生產(chǎn)任務(wù)較多，且存在混流生產(chǎn)，產(chǎn)品的多樣性造成了離散制造過(guò)程涉及的信息種類繁多，而且各信息的聯(lián)系比較復(fù)雜[10]，最終導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程信息追溯難度大。復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程管理是圍繞產(chǎn)品及其變化過(guò)程展開(kāi)的，產(chǎn)品的變化過(guò)程(形態(tài)變化、位置變化、價(jià)值增值等)衍生了其他信息，如何將復(fù)雜產(chǎn)品物料信息與其制造過(guò)程信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)是實(shí)現(xiàn)可追溯的關(guān)鍵。圍繞離散制造過(guò)程產(chǎn)品的形成過(guò)程，可以將離散制造過(guò)程信息分為4大類：產(chǎn)品信息、生產(chǎn)作業(yè)信息、制造資源信息、作業(yè)反饋信息。

(1)產(chǎn)品信息是指制造過(guò)程中相關(guān)的產(chǎn)品或者零部件的物料屬性信息，包括物料編碼、圖號(hào)、型號(hào)等。此類信息在制造過(guò)程中屬于靜態(tài)類信息，只與物料本身有關(guān)系。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品信息的追溯可以確定物料設(shè)計(jì)、工藝、制造來(lái)源。

(2)生產(chǎn)作業(yè)信息是組織生產(chǎn)作業(yè)的載體，離散制造過(guò)程中由于各部件產(chǎn)品非連續(xù)性制造，通常以制造物料清單(Manufacturing BOM，MBOM)對(duì)整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行切割，并以工單的形式來(lái)體現(xiàn)具體部件的生產(chǎn)作業(yè)內(nèi)容。生產(chǎn)作業(yè)信息涵蓋了離散制造過(guò)程物料的投入和產(chǎn)出、工藝輸入、質(zhì)量參數(shù)要求、生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行和關(guān)閉等。

(3)制造資源是從最初的原材料投入到最終產(chǎn)品交付涉及的所有資源的統(tǒng)稱。制造資源信息按照其用途可分為工藝資源信息、人力資源信息、工位資源信息、物料資源信息。制造資源信息反映了產(chǎn)品利用何種工藝作業(yè)、由誰(shuí)執(zhí)行、使用何種工藝裝備、采用了何種物料生產(chǎn)的。

(4)作業(yè)反饋信息是指產(chǎn)品在生產(chǎn)線上從開(kāi)始到結(jié)束，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)作業(yè)后產(chǎn)品形態(tài)、功能變化所衍生的信息，不僅包括產(chǎn)品的零部件組成結(jié)構(gòu)信息、質(zhì)量特性信息的反饋，還包括生產(chǎn)異常、工程變更、質(zhì)量事件的反饋信息。通過(guò)作業(yè)反饋信息可以追溯到產(chǎn)品本身的質(zhì)量特征以及生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)的變更記錄，是產(chǎn)品制造過(guò)程回溯的重要組成部分。

2 基于作業(yè)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的追溯信息單元結(jié)構(gòu)

2.1 追溯信息單元

離散制造企業(yè)的運(yùn)作和管理圍繞產(chǎn)品及其變化過(guò)程展開(kāi)，生產(chǎn)管理正是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品信息的處理、分析來(lái)決策對(duì)實(shí)體物流實(shí)施何種動(dòng)作[11]。為了完整表述產(chǎn)品在生產(chǎn)線上各環(huán)節(jié)制造過(guò)程數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表達(dá)，本文提出了基于最小作業(yè)集的“追溯信息單元”概念，追溯信息單元(Traceability Unit，TU)以最小作業(yè)集切割，每個(gè)追溯信息單元包括產(chǎn)品作業(yè)集合相關(guān)的資源信息及其生產(chǎn)狀態(tài)信息，且每個(gè)追溯信息元通過(guò)物料演繹關(guān)系進(jìn)行鏈接。相關(guān)定義如下：

定義1：產(chǎn)品——產(chǎn)品指在制造過(guò)程中的物料經(jīng)過(guò)工藝裝配、加工等生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)的演繹結(jié)果，零件、部件、產(chǎn)成品都是產(chǎn)品特定階段的演繹狀態(tài)，記作P。

定義2：最小作業(yè)集——離散生產(chǎn)中為了達(dá)到產(chǎn)品P特定品質(zhì)特性所包含的作業(yè)集合，記作W。

定義3：制造資源——最小作業(yè)集W執(zhí)行過(guò)程中所使用的物料資源、工藝資源、工位資源、人力資源信息等，制造資源記作R。

定義4：作業(yè)反饋——生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行中各作業(yè)狀態(tài)記錄的集合，包括質(zhì)量狀態(tài)、異常狀態(tài)、變更狀態(tài)、指標(biāo)狀態(tài)等，記作S。

因此追溯信息元表達(dá)式為：

2.2 追溯信息單元體系構(gòu)建

追溯信息單元描述了最小作業(yè)集合的追溯信息構(gòu)成，產(chǎn)品在離散作業(yè)過(guò)程中根據(jù)工藝路線，在不同的作業(yè)單元上進(jìn)行作業(yè)流轉(zhuǎn)，每個(gè)作業(yè)單元上都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的追溯信息單元，追溯信息單元中的Pi為該作業(yè)單元Wi的產(chǎn)出物料信息，當(dāng)產(chǎn)品Pi流轉(zhuǎn)到下一作業(yè)單元Wi+1時(shí)，其作為Ri+1的物料資源進(jìn)行投入，并產(chǎn)生新的產(chǎn)出物料信息Pi+1，最終形成該產(chǎn)品的追溯信息單元鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品追溯信息單元鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

產(chǎn)品追溯信息單元鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中TUi代表該產(chǎn)品的某個(gè)追溯信息單元，各追溯信息單元通過(guò)產(chǎn)品的演繹關(guān)系進(jìn)行鏈接，每一個(gè)鏈接對(duì)應(yīng)著一個(gè)生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)?；诋a(chǎn)品的生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)將離散的作業(yè)信息進(jìn)行歸集，在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)追溯信息單元，通過(guò)追溯信息單元可追溯該生產(chǎn)過(guò)程過(guò)程產(chǎn)品信息、工序信息、投入資源信息以及作業(yè)反饋信息。

3 制造過(guò)程信息追溯模型構(gòu)建

3.1 制造過(guò)程信息模型

信息模型是指從信息的角度對(duì)過(guò)程進(jìn)行描述，其目標(biāo)是用面向?qū)ο蟮姆椒坍?huà)企業(yè)數(shù)據(jù)和過(guò)程信息[12]。ISO10303-21:2002提出的EXPRESS-G是數(shù)據(jù)的一種形式化表達(dá)語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、制造、航空航天、工藝等產(chǎn)品制造領(lǐng)域[13]。為了描述制造過(guò)程信息實(shí)體各要素的關(guān)系，選擇EXPRESS-G表達(dá)語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程中的產(chǎn)品信息、生產(chǎn)作業(yè)信息、制造資源信息、作業(yè)反饋信息進(jìn)行建模。

3.1.1 產(chǎn)品信息模型

復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程可追溯性管理的出發(fā)點(diǎn)是基于物料的，制造過(guò)程中的產(chǎn)品指參與生產(chǎn)過(guò)程的各類物料的統(tǒng)稱[14]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品靜態(tài)屬性和業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)屬性的追溯，構(gòu)建產(chǎn)品信息模型如圖3所示。產(chǎn)品信息模型包括物料信息對(duì)象和項(xiàng)目信息對(duì)象，通過(guò)物料信息對(duì)象能夠追溯設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)屬性，例如物料編碼、圖號(hào)、材質(zhì)、型號(hào)等。通過(guò)物料的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)屬性，可追溯該物料的項(xiàng)目信息，并且能夠和制造過(guò)程形成關(guān)聯(lián)。

圖3 產(chǎn)品信息模型

3.1.2 生產(chǎn)作業(yè)信息模型

生產(chǎn)作業(yè)是指將投入的制造資源轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的相關(guān)活動(dòng)[15]。離散制造過(guò)程中的作業(yè)活動(dòng)從與產(chǎn)品的直接關(guān)聯(lián)程度可分為生產(chǎn)性作業(yè)和非生產(chǎn)性作業(yè)。生產(chǎn)性作業(yè)與產(chǎn)品直接相關(guān)，例如產(chǎn)品的加工、組裝作業(yè)等，生產(chǎn)性作業(yè)描述了產(chǎn)品是由物料通過(guò)作業(yè)工序按照特定要求生產(chǎn)的過(guò)程信息，因此生產(chǎn)性作業(yè)包含了產(chǎn)品信息、作業(yè)工序信息、物料信息；非生產(chǎn)性作業(yè)與產(chǎn)品生成不直接相關(guān)，例如工位上料、作業(yè)點(diǎn)檢等。生產(chǎn)作業(yè)信息在執(zhí)行時(shí)通過(guò)工作單號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過(guò)工作單號(hào)可追溯生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)具體的信息，生產(chǎn)作業(yè)信息模型如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)作業(yè)信息模型

3.1.3 制造資源信息模型

生產(chǎn)制造是生產(chǎn)企業(yè)整合相關(guān)的生產(chǎn)資源，按預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性地從前端概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的物化過(guò)程。制造資源信息是復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程追溯信息的重要組成部分，通過(guò)EXPRESS-G語(yǔ)言對(duì)制造資源進(jìn)行描述，包括工藝、工位、人員、物料資源屬性，如圖5所示。

圖5 制造資源信息模型

3.1.4 作業(yè)反饋信息模型

作業(yè)反饋信息是生產(chǎn)制造過(guò)程中各種過(guò)程要求、過(guò)程狀態(tài)、生產(chǎn)性能的描述和記錄。從生產(chǎn)制造角度而言，作業(yè)過(guò)程是生產(chǎn)活動(dòng)、檢驗(yàn)活動(dòng)、異常處理、變更處理綜合作用的過(guò)程，作業(yè)反饋信息模型如圖6所示。作業(yè)反饋信息反映了生產(chǎn)制造活動(dòng)中各類信息的收集、傳遞和處理狀態(tài)。通過(guò)作業(yè)反饋信息模型能夠?qū)ιa(chǎn)制造過(guò)程中各活動(dòng)的反饋進(jìn)行記錄，并與生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使之可追溯到作業(yè)過(guò)程中生產(chǎn)異常狀態(tài)、質(zhì)量事件、質(zhì)檢記錄、變更執(zhí)行狀態(tài)等作業(yè)反饋數(shù)據(jù)。

圖6 作業(yè)反饋信息模型

3.2 離散制造過(guò)程追溯模型

離散制造過(guò)程追溯信息單元不僅描述了各類型的追溯信息，同時(shí)還反映了具體生產(chǎn)過(guò)程投入物料和產(chǎn)出物料的演繹關(guān)系。以生產(chǎn)過(guò)程各生產(chǎn)作業(yè)物料演繹關(guān)系為主線，在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)為產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中賦予一個(gè)唯一的身份識(shí)別碼，形成追溯標(biāo)識(shí)基礎(chǔ)，每一個(gè)身份識(shí)別碼都能夠?qū)?yīng)一個(gè)追溯信息單元，依據(jù)產(chǎn)品追溯信息單元鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可推導(dǎo)出以產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)為骨架、追溯信息單元為附屬的樹(shù)形結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示。通過(guò)該模型可以追溯每一個(gè)作業(yè)的追溯信息單元。

圖7 產(chǎn)品離散制造過(guò)程信息追溯樹(shù)形結(jié)構(gòu)

樹(shù)形結(jié)構(gòu)為非線性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持自頂向下(Top to Down)和自底向上(Bottom to Up)操作。自頂向下是“尋子”過(guò)程，可追溯該產(chǎn)品的物料結(jié)構(gòu)組成以及各物料制造過(guò)程中生產(chǎn)作業(yè)信息、作業(yè)過(guò)程中的資源信息以及作業(yè)完成后作業(yè)反饋信息；自底向上是“尋根”過(guò)程，通過(guò)某一作業(yè)信息追溯其影響的產(chǎn)品范圍，例如通過(guò)某原材料標(biāo)識(shí)追溯該原材料分布在哪些具體的產(chǎn)品中。自頂向下追溯和自底向上追溯實(shí)現(xiàn)了追溯的深度和廣度，基于制造過(guò)程信息追溯樹(shù)形模型，產(chǎn)品在制造過(guò)程或者交付運(yùn)行后發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，可以通過(guò)產(chǎn)品制造過(guò)程信息追溯樹(shù)快速確定產(chǎn)品物料屬性，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖號(hào)、版本等，通過(guò)產(chǎn)品信息追溯模型，準(zhǔn)確回溯產(chǎn)品制造過(guò)程所應(yīng)用的工藝參數(shù)、物料構(gòu)成、質(zhì)量屬性、異常狀態(tài)、責(zé)任人員等。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品離散制造過(guò)程特點(diǎn)研究，結(jié)合復(fù)雜產(chǎn)品形成過(guò)程分析了離散制造過(guò)程追溯信息特征，提出了追溯信息單元概念，并構(gòu)建了追溯信息單元體系。追溯體系實(shí)現(xiàn)自頂向下追溯和自底向上追溯，拓展了制造過(guò)程追溯的深度和廣度。該模型在某高鐵車輛制造企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，并取得了良好的效果。本文主要從模型的構(gòu)建和追溯實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了研究，對(duì)制造過(guò)程數(shù)據(jù)挖掘以及制造過(guò)程信息對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化將是后續(xù)的研究課題。