復雜零件網絡化制造的生產加工狀態模型研究

楊勝富，孫衛紅，魯文超

(中國計量學院機電工程學院，浙江杭州310018)

在網絡化制造環境下，高效地跟蹤復雜零件生產加工狀態具有重要意義，同時也是難點問題之一。復雜零件生產加工狀態不僅是緊急情況下生產調度的重要依據，還是生產計劃滾動的重要參考。一般情況下，復雜零件有多個生產任務，各個生產任務往往是由三四道或者五六道工序組成，由一個制造資源進行生產加工［1］。工序任務加工狀態及制造資源的生產狀態是復雜零件生產加工狀態的重要組成部分。制造資源都有各自的狀態描述方法，不同的狀態描述方法造成了工序任務加工狀態與制造資源生產狀態信息不能及時交互。信息孤島在一定程度上降低了跟蹤的效率和準確性。網絡化制造環境下，要改善跟蹤復雜零件生產加工狀態的效率，需要一個便于各狀態信息交互的模型。建立這樣的模型要解決以下兩個問題:(1)為復雜零件、制造資源和制造任務尋求高效準確的狀態描述方法;(2)建立能實現復雜零件狀態、制造資源生產狀態和制造任務加工狀態信息交互的模型。

目前關于車間制造中物料工藝狀態的描述方法相對比較成熟［2-6］，劉曉冰等［2］提出S(I)描述法，采用0表示未加工，用1表示工序加工完成，組成工藝狀態矢量，再通過2進制計算物料工藝矢量的物料工藝狀態值。此方法解決了工序多時字符串多的問題，但是不能精確地記錄物料在一道工序加工過程中的狀態。王萬雷［3］提出16進制描述法，用16進制中前10位記錄每道工序狀態，組成工藝狀態矢量，通過16進制計算某時刻物料工藝矢量的物料工藝狀態值。該方法減少了每一個任務域中可以表達的工藝狀態矢量長度，加大了計算量。雖然這些都是車間制造中物料工藝狀態的描述方法，但是從物料流動性質來看，在一個企業內部各個車間之間流動的物料與在虛擬企業中各個企業之間的物料流動本質上是一樣的［2］，通過借鑒相對成熟的車間物料工藝狀態描述方法，描述網絡化制造復雜零件生產狀態是可行的。

網絡化制造環境下，復雜零件的各道工序根據加工特性組成制造任務收斂于某一個制造資源，各個制造資源由協作關系收斂于某個復雜零件。同理，任務狀態、制造資源狀態、復雜零件狀態也遵從于這樣的收斂關系。這樣的收斂特征類似于離散行業 BOM (BOM4D)，BOM4D通常采用樹形、非循環式的圖表來描述產品每一個部件與其子部件之間的關系，描述圖表最后收斂于某一根節點，即所有原材料、子部件、部件單元最終收斂于同一父部件［7］。BOM的作用之一是輔助解決了由于平臺異構所帶來的數據交換和共享難題［7］。因為制造資源是中間收斂點，所以作者建立以制造資源層為樞紐由零件層、制造資源層、任務層3層組成的多層狀態清單模型，實現各狀態信息交互，防止產生信息孤島。

綜合以上分析，網絡化制造環境下，跟蹤復雜零件生產狀態的關鍵在于各種狀態描述的準確性及各層狀態間信息交互的及時性。運用純數學的2進制數和16進制數計算方法使狀態信息描述更準確，且便于計算機識別;由零件層、制造資源層、任務層3層組成的狀態清單模型，利于各狀態信息間交互，防止產生信息孤島;而且基于進制數與清單模型的狀態跟蹤具有良好的可擴展性和人機互操作性。

1 狀態描述方法

1.1 狀態矢量

狀態矢量包括零部件制造任務狀態矢量和制造資源狀態矢量兩個部分，分別記為TD和TP。

零部件制造任務狀態矢量是指由零部件制造任務的加工狀態信息組成的矢量，記為TD=(dn…d1d0)，其中di表示第i個零部件制造任務的加工狀態信息，di的取值為2進制中的0或1，0表示任務未完成加工，1表示任務已完成加工。

例如，假設制造資源1中有10個零部件制造任務，其中第0個、第2個、第7個零部件制造任務還未完成加工，其余零部件制造任務已完成加工，其任務狀態矢量記為TD=(1110111010)。

制造資源狀態矢量是指由制造資源的生產狀態信息組成的矢量，記為TP=(pn…p1p0)，其中pi表示第i個制造資源的生產狀態信息，pi取值為16進制中前11位，即 (0，1，2，…，A)，分別表示完成任務的百分數。16位進制位值與完成量對應關系見表1。

表1 位值與完成量對應關系

例如，假設復雜零件A有7個制造資源共同加工，其中第1個、第6個制造資源還未開始零部件制造任務的加工，第0個、第2個、第3個制造資源已完成了50%的零部件制造任務的加工，第4個、第5個制造資源已完成全部零部件制造任務的加工，其任務狀態矢量記為:TP=(0AA5505)。

1.2 任務狀態值

任務狀態值表示任務目前的生產加工情況，是通過相應的進制計算任務狀態矢量得到的值，用Vk表示。Vk=Tk·Mk，其中k的取值為 (D，P)，D表示求零部件制造任務狀態，用2進制計算;P表示求制造資源狀態，用16進制計算。

其中:n≤31，m≤7。

用公式 (1)計算上述所舉例子的零部件制造任務狀態值VD=TD·MD=890，用公式 (2)計算制造資源生產狀態值VP=TP·MP=11 162 885。

1.3 任務狀態域

由于現在大多是32位的計算機，最多能表示4個字節的整數，用16進制計算最多可以表示8位，用2進制計算最多可以表示32位。計算機硬件條件的限制導致用以上方法進行任務狀態描述時，協作資源不能超過8家，零部件制造任務分解不能超過32個制造任務。為了突破這樣的限制，借鑒相關文獻［2-4］中的狀態域劃分規則來解決該問題。

制造資源狀態域劃分規則。將制造資源以8位長度為準，從第0個制造資源開始把制造資源矢量TP分塊為:TP=［…(t15…t9t8)(t7…t1t0)］=(…T16T8T0)，其中T0表示制造資源狀態0域矢量，T32表示制造資源狀態8域矢量，以此類推。

零部件制造任務狀態域劃分規則。將零部件制造任務狀態以32位長度為準，從第0個零部件制造任務開始把零部件制造任務矢量 TD分塊為:TD=［…(t61…t33t32)(t31…t1t0)］=(…T64T32T0)，其中T0表示制造任務狀態0域矢量，T32表示制造任務狀態32域矢量，以此類推。

1.4 任務狀態域中任務狀態值

任務狀態域中任務狀態值用Vkq表示，其中k的取值為 (D，P)，D表示求零部件制造任務狀態值，用2進制計算;P表示求制造資源狀態值，用16進制計算。q為所求的k的任務狀態所在的任務狀態域。利用任務狀態域劃分規則，根據k值對任務狀態矢量進行劃分，再由每個任務狀態域中任務狀態值推導出任務狀態。首先確定任務n所在的任務域q= n-mod(n，k)，其中mod(n，k)表示整數n除以整數k的余數，且n＞k，k取值為2或16，任務n在該任務域上的任務狀態值為:其中0≤i≤k。

任務狀態域中任務狀態值判斷任務n的生產情況，先判斷任務n所在域值q=n-mod(n，k)，再比較任務域內的任務狀態值Vkq和k(n-q)，求Vkq/k(n-q)，得到模數m和余數s。當k為D時表示求零部件制造任務狀態，此時k=2，如果得到的m值是k的整數倍，可以斷定任務n還沒有開始，否則可以認定為已加工完成。當k為P時表示求制造資源狀態，此時k=16，如果得到的m值是k的整數倍，則進一步求解m/k，計算得到余數j，于是制造資源的完成百分比可以表示為(10×j)%。

2 狀態清單模型

2.1 模型描述

運用物料清單的思想，建立復雜零件生產狀態清單模型。該模型可以實現零件層、資源層、任務層的信息交互。通過清單模型不僅可以查詢到零件的制造資源及其生產狀態，還可以跟蹤各制造資源中零部件制造任務的加工狀態。圖1為復雜零件生產狀態清單模型。

圖1 復雜零件生產狀態清單模型

圖1表示復雜零件由m個制造資源共同協作完成生產，每個制造資源i將會有多個不同的零部件制造任務。其中，VP表示零件的生產狀態值，由資源層中Pi值組成制造資源矢量TP計算得到，Pi值表示第i個制造資源當前完成零部件制造任務的百分量; VDi表示第i個制造資源的加工狀態值，由制造任務層中各個制造任務的狀態Di的值組成制造任務加工狀態矢量TD計算得到，Di的值表示各個制造任務當前的加工狀態。

2.2 進制數確定

盟主企業跟蹤復雜零件生產狀態時需要準確的數據依據。針對資源層制造資源狀態，采用16進制數比采用2進制數更能準確地描述制造資源的生產狀態。例如，零件A由7個制造資源共同協作完成生產，假設資源層制造資源的狀態矢量用2進制描述為0101101，認為第1，4，6個制造資源并沒有進行生產，但實際情況可能是第1個制造資源中包含有10個零部件制造任務，而第1個制造資源已完成了第0，1，2，3，4個零部件制造任務的加工，故用2進制數描述會產生狀態描述不準確的現象;采用16進制數描述上述例子，第1個制造資源已完成了5個零部件的加工，其生產狀態用16進制數表示為50%。可見采用16進制數比采用2進制數更能準確地描述制造資源的生產狀態。

任務層中生產任務狀態主要由各制造資源自行管理，盟主企業毋須知道其準確的加工狀態。而且一般加工任務由十幾甚至上百道工序組成，采用2進制不僅能夠滿足其加工狀態描述，同時還能增加一個域中所能表達的任務數、降低計算的復雜度。

2.3 層級分析

由上述分析可知，零件層的零件狀態值VP采用16進制數根據資源層中制造資源矢量TP計算，同時可根據制造資源數量計算零件狀態完成閾值。例如零件由7個制造資源共同協作完成生產，其閾值矢量用16進制描述為AAAAAAA，其狀態值VP為17895697。

資源層中制造資源包含兩個值:一個是制造資源i生產狀態的百分量Pi，表示對應的任務層中零部件制造任務生產完成的百分比，由16進制數表示;另一個是制造資源狀態值VD，采用2進制數對任務層中零部件制造任務加工狀態矢量TD計算得到。資源層中制造資源的VD和Pi反映出零件生產過程的重要信息。由制造資源狀態值VD和制造資源生產狀態百分量Pi，盟主企業可以確定制造資源完成的零部件制造任務，即任務層狀態矢量。例如零件由7個制造資源共同協作完成生產，假設其生產狀態矢量為37593AA，認為其中制造資源7，6，5，4，3分別完成了制造任務量的30%，70%，50%，90%，30%，制造資源2，1完成了生產任務。假設制造資源7中包含有10個零部件制造任務且狀態值VD為14，根據狀態值VD和完成量30%，可以確定其任務層制造任務狀態矢量為0000001110。

3 實例應用

以某企業接到的大型齒輪箱產品為研究對象，建立其在網絡化制造環境下的任務狀態清單。產品總體結構如圖2所示，齒輪箱的總體尺寸為215 cm×193 cm×322 cm，約5 670 kg。其體積和質量大、涉及零件多、結構復雜、要求設備種類多，而且對單個設備的要求高。客戶的滿意度要求比較高，所以對各個零部件的生產狀態進行跟蹤非常重要，作者以它為例子進行應用分析。

圖2 齒輪箱總體結構示意圖

從齒輪箱的制造工藝出發，將其加工過程分解成不同制造任務，根據制造任務分解及制造資源需求分析發現，不同零件的加工對制造資源需求具有相似性，因此可以將它們合并成一個制造任務，并在同一個制造單位中完成加工，整個齒輪箱的制造過程可分為材料切割、折彎、粗銑+鉆孔+精銑、裝配+焊接、退火、表面處理+精加工和噴漆7個制造任務。假設這7個制造任務由7個制造資源共同完成，制造任務、制造資源及零部件制造任務分配情況如表2如示。假設某時刻各零部件制造任務加工情況如表3所示。

表2 零部件任務分配表

表3 某時刻加工情況表

針對表2中假設的生產加工情況，根據狀態矢量描述方法，描述出零部件制造任務矢量和制造資源狀態矢量

根據零部件制造任務矢量和制造資源狀態矢量，由任務狀態值計算公式 (1)、(2)可計算得到零部件制造任務狀態值和制造資源狀態值

將任務層的零部件制造任務的狀態矢量、制造資源狀態矢量、制造資源狀態、零件狀態值制成狀態清單，可以看到該時刻齒輪箱的生產狀態清單如圖3所示。

文中提出的狀態清單模型在該企業得到應用，從圖3所示的生產任務狀態清單可以查詢到零件層中齒輪箱的狀態值為1 370，該值未達到完成閾值17 895 697，表示零件未完成加工;通過該值可查詢到資源層中各個制造資源的生產完成情況及生產狀態值。例如A企業生產完成情況值為A，表示已完成加工;B企業生產情況值為5，表示已完成50%的加工;通過資源層中生產狀態值可以查看到任務層中制造任務的加工情況，例如A企業生產狀態值為524 287，可查看到制造任務的加工狀態均為1，表示均完成加工。通過實際應用證明了:多層任務狀態清單模型能夠高效地跟蹤到復雜零件生產加工狀態，保證了狀態信息共享，提高了企業的生產效率和服務質量。

4 總結

分析了網絡化制造環境下，跟蹤復雜零件生產加工狀態的難點問題，提出建立以制造資源層生產狀態為樞紐，由零件層、制造資源層、任務層組成的多層狀態清單模型。模型以制造資源層為樞紐，利于模型中3層狀態間的信息數據的交互，使生產狀態信息查詢更便捷、模型更實用，盟主企業更高效地跟蹤復雜零件的生產加工狀態。

同時科學、可靠的狀態信息對于網絡化制造中生產計劃重排、任務調度等具有重要意義。作者將純數學的2進制計算和16進制計算方法混合運用，使得任務的狀態信息表述更準確可靠。

最后以實際應用證明:在網絡化制造環境下，通過多層狀態清單模型能提高跟蹤復雜零件生產加工狀態的效率，同時提高了企業的服務質量。

圖3 齒輪箱生產狀態清單

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