先進(jìn)制造業(yè)“兩化融合”關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)路徑研究

王 萌 曹文航

（河南大學(xué)商學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著《中國(guó)制造2025》的印發(fā)，以及十四五規(guī)劃的順利起航，先進(jìn)制造業(yè)的成長(zhǎng)成為國(guó)家制造業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。先進(jìn)制造業(yè)具有技術(shù)密集、附加值高、成長(zhǎng)空間大、帶動(dòng)作用強(qiáng)等特點(diǎn)，是制造業(yè)的核心、現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的脊梁，也是推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要“引擎”。先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展水平的高低是衡量國(guó)家現(xiàn)代化程度和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，如何在大數(shù)據(jù)時(shí)代來提升制造能力，已成為增強(qiáng)制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。先進(jìn)制造業(yè)的產(chǎn)品具有工藝專業(yè)門類多、加工工藝難度大、制造流程長(zhǎng)、零部件配套關(guān)系復(fù)雜等特征，涉及多產(chǎn)品、多部門、多業(yè)務(wù)間的協(xié)作。因此，先進(jìn)制造業(yè)的工業(yè)化與信息化的深度融合是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

目前，“兩化融合”的關(guān)鍵技術(shù)主要從任務(wù)、作業(yè)與制造資源的配置來入手。①任務(wù)管理研究。在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)品的市場(chǎng)需求逐漸由生產(chǎn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)為用戶需求導(dǎo)向，產(chǎn)品的生產(chǎn)方式逐漸從“推式”轉(zhuǎn)向?yàn)椤袄健?，而市?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已從傳統(tǒng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制的范圍經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)［1-3］。因此，企業(yè)應(yīng)針對(duì)不同的用戶需求，主動(dòng)提供客戶化（個(gè)性化）的產(chǎn)品和服務(wù)，吸引用戶參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造中。②生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度研究。生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度是協(xié)同制造的核心內(nèi)容之一，也是實(shí)現(xiàn)任務(wù)均衡、資源優(yōu)化配置的關(guān)鍵技術(shù)。為了提高計(jì)劃的有效性，加強(qiáng)調(diào)度的科學(xué)性、敏捷性，凸顯生產(chǎn)管理計(jì)劃調(diào)度的核心作用，就要加強(qiáng)計(jì)劃調(diào)度與工藝規(guī)劃的緊密協(xié)作。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度的研究主要集中在以下三個(gè)方面，即分布式/柔性生產(chǎn)計(jì)劃、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)作業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用［4-6］。③制造資源優(yōu)化配置。制造資源作為企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的載體，其是制造企業(yè)效益的源泉。制造資源的優(yōu)化配置是挖掘現(xiàn)有資源潛能、提高資源利用率的有效手段，而制造資源快速、合理的準(zhǔn)備是滿足零部件正常生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外在制造資源的優(yōu)化配置和快速準(zhǔn)備方面有著大量的研究和應(yīng)用工作［7-9］。目前，資源采取靜態(tài)的配置方式，計(jì)劃和工藝用于對(duì)資源進(jìn)行配置，并沒有在統(tǒng)一制造資源數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，對(duì)資源進(jìn)行計(jì)劃和工藝的協(xié)同配置，缺乏基于任務(wù)均衡的動(dòng)態(tài)資源優(yōu)化配置模型和多指標(biāo)資源優(yōu)選評(píng)估方法。

1 “兩化融合”主要問題研究

本研究從任務(wù)（Order）、過程（Process）和資源（Resource）出發(fā)，對(duì)先進(jìn)制造業(yè)中要進(jìn)行“兩化融合”的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。在分析時(shí)，可從規(guī)劃層、運(yùn)作層和執(zhí)行層三個(gè)緯度對(duì)制造流程進(jìn)行梳理。在研究過程中，對(duì)經(jīng)緯交叉點(diǎn)的任務(wù)流程進(jìn)行梳理與框架搭建。通過對(duì)任務(wù)分析可知，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，“兩化融合”的任務(wù)主要有三個(gè)，即主動(dòng)制造、預(yù)測(cè)制造和制造管理。過程要素的任務(wù)分為網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)計(jì)劃、多目標(biāo)協(xié)同任務(wù)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。資源要素的主要任務(wù)包括資源優(yōu)化配置、資源快速準(zhǔn)備和質(zhì)量監(jiān)控。本研究將圍繞制造業(yè)的底層進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析數(shù)據(jù)層原理，在數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)對(duì)以上9個(gè)任務(wù)的支撐，并實(shí)現(xiàn)對(duì)制造業(yè)實(shí)體制造要素的支撐。本研究將對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)制造任務(wù)或制造職能的核心問題進(jìn)行提取，變?yōu)殛P(guān)鍵技術(shù)突破的問題，進(jìn)而在數(shù)據(jù)層進(jìn)行建模、分析與設(shè)計(jì)。先對(duì)OPR進(jìn)行獨(dú)立研究，將OPR所涉及的制造任務(wù)流程劃分為若干問題，通過大數(shù)據(jù)建模對(duì)這些問題進(jìn)行求解。最后，對(duì)這些方法所面臨的問題進(jìn)行分析，并分為若干模塊，分別對(duì)這些模塊進(jìn)行技術(shù)突破。“兩化融合”關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示。

圖1 “兩化融合”關(guān)鍵技術(shù)

1.1 主動(dòng)制造研究

主動(dòng)制造研究包括對(duì)主動(dòng)制造、預(yù)測(cè)制造和制造管理與監(jiān)控的研究，其均在任務(wù)范疇內(nèi)，傳統(tǒng)的任務(wù)獲取是通過企業(yè)ERP，從而將訂單變?yōu)樯a(chǎn)計(jì)劃，再對(duì)計(jì)劃進(jìn)行分解，并下達(dá)到各個(gè)生產(chǎn)單元。

1.2 網(wǎng)絡(luò)制造生產(chǎn)計(jì)劃研究

針對(duì)由工藝分工與生產(chǎn)計(jì)劃的串行模式導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)不均衡、資源配置不合理等問題，研究任務(wù)組合的優(yōu)化方法，從而對(duì)多訂單任務(wù)組合進(jìn)行優(yōu)化。研究基于協(xié)商機(jī)制的任務(wù)均衡法，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)選訂單的均衡分解。研究基于沖突消解策略的任務(wù)分配方法，從而優(yōu)化制造單元間的任務(wù)分配。

1.3 協(xié)同規(guī)劃的資源優(yōu)化配置研究

針對(duì)傳統(tǒng)車間劃分和物理制造單元設(shè)置存在分散、割裂及柔性差等問題，基于協(xié)同規(guī)劃來優(yōu)化資源的配置方法。基于統(tǒng)一的制造資源數(shù)據(jù)庫(kù)來研究虛擬制造單元的構(gòu)建方法，并對(duì)基于工藝分工和基于任務(wù)均衡的兩級(jí)資源配置方法進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)任務(wù)、制造單元和制造資源的總體優(yōu)化配置。

1.4 預(yù)測(cè)制造研究

對(duì)預(yù)測(cè)任務(wù)的研究可為制造企業(yè)創(chuàng)建一個(gè)人工智能的預(yù)測(cè)模型，其可根據(jù)企業(yè)的歷史訂單數(shù)據(jù)和任務(wù)分配情況，對(duì)企業(yè)未來的任務(wù)分配和資源配置進(jìn)行預(yù)測(cè)與安排，使先進(jìn)制造企業(yè)的排產(chǎn)與計(jì)劃能提前準(zhǔn)備。

1.5 作業(yè)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化研究

針對(duì)由作業(yè)計(jì)劃與工藝規(guī)劃交互不夠?qū)е碌娜嵝圆蛔銌栴}，對(duì)基于變批量的零件計(jì)劃調(diào)整方法進(jìn)行研究，從而優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍。研究面向動(dòng)態(tài)工藝路線的作業(yè)計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化方法，來增加作業(yè)計(jì)劃的工藝柔性。

1.6 制造管理與監(jiān)控研究

針對(duì)車間設(shè)備、工裝和物料等制造資源準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢和準(zhǔn)備計(jì)劃不準(zhǔn)確等問題，研究如何快速準(zhǔn)備工裝的方法，并通過工具準(zhǔn)備包一體化配送方式來縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

1.7 任務(wù)同步反饋研究

同步反饋是“數(shù)字化”協(xié)同制造的關(guān)鍵，其要求智能制造系統(tǒng)在狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析和自主決策的基礎(chǔ)上，對(duì)外部需求、企業(yè)運(yùn)行狀態(tài)、研發(fā)和生產(chǎn)等作出快速反應(yīng)。

1.8 實(shí)時(shí)信息動(dòng)態(tài)調(diào)度研究

針對(duì)作業(yè)調(diào)度的實(shí)時(shí)性差、敏捷性差、動(dòng)態(tài)性差的問題，研究基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的動(dòng)態(tài)調(diào)度法。研究動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，將優(yōu)化模型進(jìn)行參數(shù)化，并將其存儲(chǔ)在模型庫(kù)中，為模型完善、重用、管理及優(yōu)化仿真奠定基礎(chǔ)。研究智能調(diào)度算法，分析智能優(yōu)化算法的復(fù)雜性、收斂性和魯棒性，來滿足大規(guī)模、動(dòng)態(tài)問題求解的性能需求。

1.9 質(zhì)量監(jiān)控與管理

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理與控制是否有效將直接影響產(chǎn)品生產(chǎn)過程能否實(shí)現(xiàn)低耗、敏捷和順暢。通過實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理提供第一手資料。研究制造系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)變化環(huán)境中的生產(chǎn)過程的進(jìn)度、狀態(tài)、質(zhì)量等控制管理技術(shù)，輔助生產(chǎn)過程的決策支持，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化及閉環(huán)生產(chǎn)管理。

2 “兩化融合”關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 任務(wù)層關(guān)鍵技術(shù)研究

通過對(duì)任務(wù)分析可知，在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，協(xié)同制造的研究主要有三個(gè)方面，即主動(dòng)制造、預(yù)測(cè)制造和制造管理。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)來獲取客戶的信息，如客戶的習(xí)慣、偏好和健康等，甚至能預(yù)測(cè)客戶的需求，提供客戶無法拒絕的產(chǎn)品。

2.2 過程層關(guān)鍵技術(shù)研究

在已有的網(wǎng)絡(luò)制造研究中，傳統(tǒng)的JSP問題集中或半集中在制造系統(tǒng)上。而在工業(yè)4.0環(huán)境中，機(jī)器等元素都是智能的。因此，整個(gè)制造系統(tǒng)將是智能或自主分散的柔性制造系統(tǒng)。將JSP調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為智能分布式調(diào)度建模和優(yōu)化。集中式大系統(tǒng)問題的復(fù)雜性可實(shí)現(xiàn)分解，實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。在該模型中，智能代理的優(yōu)化目標(biāo)可分為工作目標(biāo)、資源目標(biāo)、工廠目標(biāo)和系統(tǒng)目標(biāo)。根據(jù)機(jī)器的月利用率和月生產(chǎn)效率的系統(tǒng)目標(biāo)，建立一系列規(guī)則。通過對(duì)過程的分析可知，在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，協(xié)同制造的過程研究主要有三個(gè)任務(wù)，即網(wǎng)絡(luò)制造、多目標(biāo)調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)度研究。

2.3 資源層關(guān)鍵技術(shù)研究

在已有的資源優(yōu)化配置研究中發(fā)現(xiàn)，RFID、傳感器等在工業(yè)領(lǐng)域中做出重大貢獻(xiàn)。在車間環(huán)境中，實(shí)體制造對(duì)象配有射頻識(shí)別設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)“智能化”實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)車間規(guī)劃、執(zhí)行和控制的實(shí)時(shí)可追溯性、可見性和互操作性，增強(qiáng)先進(jìn)制造戰(zhàn)略和技術(shù)的實(shí)施。智能集成RFID系統(tǒng)能提高制造過程中的可追溯性和可視性。通過對(duì)資源的分析可知，在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，協(xié)同制造的資源研究主要任務(wù)有三個(gè)，即資源優(yōu)化配置、資源快速準(zhǔn)備和制造質(zhì)量控制。

2.4 任務(wù)層、過程層和資源層技術(shù)融合研究

在資源要素的支撐技術(shù)分析中，最終要解決的技術(shù)問題為多目標(biāo)組合優(yōu)化、非線性聚類、“核”空間映射、非線性預(yù)測(cè)和模糊表示。經(jīng)過技術(shù)融合，OPR三要素最終所需的技術(shù)為數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、數(shù)據(jù)壓縮與特征提取、模式識(shí)別（資源模式識(shí)別、任務(wù)模式識(shí)別）、預(yù)測(cè)（任務(wù)預(yù)測(cè)、資源預(yù)測(cè)）和決策（調(diào)度規(guī)則提取與驗(yàn)證）、非線性聚類與“核”方法研究和模糊表示。其中，JSP調(diào)度算法與組合優(yōu)化算法可直接使用經(jīng)典的多目標(biāo)優(yōu)化算法，關(guān)鍵技術(shù)的融合與實(shí)現(xiàn)路徑見圖2。相關(guān)建模如下。

圖2 兩化融合關(guān)鍵技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)路徑研究

2.4.1 模糊表示。如果存在一個(gè)非空集合，然后一個(gè)模糊子集U由隸屬函數(shù)定義μA:U→［0,1］，可解釋為一個(gè)U上的擴(kuò)展特征函數(shù)χA。U上的所有模糊子集的集合可表示為F（U）。P（U）為U上所有的模糊子集。基于上述原因，可將P（U）歸入F（U）。對(duì)于任何μ、v?F（U），μ?v，則對(duì)所有μ∈U都滿足μ（u）≤v（u）。

2.4.2 決策系統(tǒng)。在定義屬性區(qū)分能力及重要度之前，要先對(duì)決策信息系統(tǒng)進(jìn)行定義，記為U。U是一個(gè)四元組（U,C?j5i0abt0b,{Va}a∈C?j5i0abt0b），U={x1,...,xn}是非空的有限集合，xi,i=1,...,n是由條件屬性C和決策屬性d組成的n個(gè)向量數(shù)據(jù)。C={C1,...,C n}為非空的條件屬性的集合，k為條件屬性的個(gè)數(shù)，d為非空決策屬性集合，V a,a∈C?j5i0abt0b是所有屬性值的集合。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)河南省先進(jìn)制造企業(yè)“兩化融合”中的關(guān)鍵技術(shù)問題，研究基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)融合的制造機(jī)理，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品研制過程中的數(shù)據(jù)、規(guī)劃、運(yùn)作、執(zhí)行及控制等的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合、產(chǎn)品融合、業(yè)務(wù)融合。通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，使先進(jìn)制造業(yè)在信息化及工業(yè)化深度融合的過程中，解決原本工藝規(guī)劃、生產(chǎn)運(yùn)作、制造執(zhí)行、過程控制等階段的協(xié)作松散、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、資源利用率低等問題，在大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，通過智能方法的支撐，來提高資源的利用率、縮短制造周期，從而均實(shí)現(xiàn)衡化生產(chǎn)，最終推動(dòng)河南省先進(jìn)制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。