面向變更的重型裝備制造任務重組研究

劉 穎，熊思潔，王富強，溫紅舸

(1.重慶大學 機械與運載工程研究所，重慶400044；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710018)

0 前言

近年來，隨著我國重型裝備制造業水平不斷發展，重型裝備的制造逐漸形成用戶參與、資源共享、數據集成、企業協同、資源一體化的多領域協同設計和制造的模式，復雜重型裝備制造行業向著網絡化、數字化、智能化及服務化的發展趨勢越來越明顯。然而，復雜重型裝備具有結構復雜、體積龐大、相關零部件多、制造流程復雜、高度定制化等特點，決定了其研制過程中有著研制周期長、成本高、研制規模大、涉及企業多、信息交互難等問題。復雜重型裝備制造行業也面臨著制造資源分散、難以高效協作的困境。在市場競爭加劇的情況下，復雜重型裝備的研制企業面臨著縮短研制工期、節約成本、快速響應客戶需求等挑戰，傳統制造模式難以滿足其生產需求，因此復雜重型裝備迫切需要向網絡化協同制造模式轉型。在存在例如疫情影響下產品供應鏈發生變更、協作企業的人員變動等因素引發產品設計、制造等產生變更的情況下，若按照原生產任務規劃可能會導致產品工期、質量、成本等與預期發生較大偏差。如何通過網絡化協同平臺對重型裝備制造過程中的變更活動進行任務規劃的重組活動，將不利因素對產品設計制造的影響控制到最小化，以確保復雜重型裝備產品的順利生產的相關研究引起了廣泛的關注。

網絡化協同制造平臺是一個為產品設計方、制造方、需求方等提供一個信息交互渠道的平臺。平臺方提供相應的制造資源和制造能力服務，用戶方通過平臺提出服務請求，平臺根據用戶提交的任務請求，在云制造相關技術支持下尋找符合用戶需求的服務[1]。復雜重型裝備結構復雜、工藝多樣、工況環境多變，在網絡協同制造模式下，需要對其研制過程中的實際情況進行任務重組活動以確保生產制造活動順利進行。目前，網絡化協同制造領域的研究主要集中在制造資源組織適配與優化，多源異構數據建模，網絡協同制造平臺構建與應用研究等方面。針對變更的任務重組調整是平臺進行研制活動協調與安排的重要活動，其重組結果對于研制任務的順利進行至關重要。然而，當前尚無針對復雜重型裝備產品研制過程中發生變更時子任務重組活動方面的相關深入研究。

在變更管理方面，劉東升[2]等在計算機集成制造系統(CIMS)發展之初提出需要將工程變更與之結合，由此協助企業形成信息知識庫、提升企業研發能力。Han[3]等通過構建基于項目制造的集成變更控制模型，能夠捕獲項目中變更請求、變更訂單等數據，達到提高設計質量、降低設計成本的目的。Eswaran[4]等對某公司自動化列車系統設計與制造中的設計與變更管理為例進行了研究，提出了支持產品生命周期的復雜產品變更管理方法。Natalia[5]等指出了變更管理在專項生產項目(Engineer-to-Order, ETO)中的重要性。Ameni[6]等構建了CAD管理模型以輔助協同設計，其目的是在變更發生傳播后，能夠自動改變傳播路徑上的部件或裝配過程，達到協同設計過程中信息一致的要求。Pai[7]等提出一種基于事件的DSM法與成本敏感學習方法結合的方案用于智能產品服務系統(Smart PSS)的變更管理。

在任務重組方面，Tang[8]等運用有向圖(DD)與結構設計矩陣(DSM)對設計活動進行建模描述，提出了一種設計過程重組的方法。劉電霆[9]等采用基于區間數結構設計矩陣的方法對設計任務進行分解，根據分解后的子任務間信息交互程度對任務進行重組，得到最終分解結果。包北方[10]等在任務分解過程中考慮判斷劃分獨立任務與依賴耦合型任務的類別，對分解后的子任務進行合并，最終得到最優子任務集。陳健[11]等通過分析任務分解后子任務間信息交互強度與耦合關系運用權重有向圖與結構設計矩陣結合的方法，對子任務進行了模塊化重組，提升了資源配置效率。

文獻[2-9]從不同層次和角度分別對網絡化協同發展、變更管理以及任務重組活動進行了研究，但是目前的研究大多聚焦于根據任務分解后原任務之間的耦合關系進行聚類，只是將任務重組活動作為任務分解程序的一個步驟，實際情況中設計和制造過程各個環節的變更均可能導致重組活動的發生使得原任務配置與現實狀況脫節的問題。變更作為制造項目整個生命周期中不可避免的環節，在復雜重型裝備這類復雜產品的研制過程中會引發多種重組活動，因此可以考慮將變更與任務重組結合研究，以此提高網絡化協同模式下復雜重型裝備的研制效率。因此，本文以設計及制造過程中的變更活動為研究對象，以解決原生產任務配置與現實情況脫節為目的，提出面向研制任務過程中變更活動進行任務重組的方法。該方法將重型裝備制造過程中可能產生的變更活動的特點進行分析，通過變更關鍵節點識別對任務聚類的方案進行重組，使得變更活動發生時，涉及到的相關性變更傳播范圍盡可能小，以保證最終任務按期按質完成。

1 重型裝備變更問題描述

在理想研制情況下，研制過程中不會發生變更事件，采用衡量任務相關度而制定任務分解方案可以有效提高協同效率。但在實際研制過程中，變更活動存在于產品整個生命周期，從變更的復雜程度來說，復雜程度低的變更可以是簡單的文檔修改，復雜程度高的能對產品的設計與制造流程重新更改[12]，具體的變更點可以是在功能、形式、尺寸、裝配過程、組成材料等發生變更或者修改[13]，在實際制造過程中變更也包括了來自生產活動的變化。

在產品從設計到回收的整個流程中，不管是何種工程變更，都會一定程度上影響后續工作的進行。為把控工程變更造成的影響，工程變更傳播也是在工程變更相關研究中的重點。對于生產制造的產品來說，構成產品的零部件是根據工序裝配關系最終組成了產品，對于生產過程中發生的變更，能夠通過零部件的物理邏輯關系進行傳播，極有可能“牽一發而動全身”。對于變更傳播影響，Claudia[14]將由零部件發生改變造成的工程變更傳播影響分為了三種。

(1)水波型。指初始變更引起了一部分變更，但后續變更會隨時間推移而逐漸消失。

(2)開花型。指初始變更如同“開花盛放期”一般最開始引起了大量變更，隨后會進入“凋零期”變更迅速減少。

(3)雪崩型。指初始變更會隨著時間的推移如同“滾雪球”般引起大量的變更，難以控制。在復雜重型裝備的研制過程中，需要及時防控雪崩型工程變更傳播。不同種類變更傳播影響范圍示意圖如圖1所示。

圖1 變更傳播類型

由于在復雜重型裝備的整個生命周期中會發生各式各類的變更活動，如發生在產品初始設計階段的變更會影響后續產品的設計流程，延長產品的設計周期；發生在產品生產階段的變更會影響產品生產的后續工序，例如緊急停工、增加工序、調整生產批次等會影響到產品的交貨期、產品生產計劃以及產品的生產成本；在產品生命周期中發生的變更處理方法不當也會造成產品質量問題、產品的滿意度問題等。

為更好地分析工程變更對產品造成的影響，需要對工程變更的誘發原因進行分析[64]。本文主要從產品生命周期的角度，對復雜重型裝備生命周期中的工程變更原因進行劃分。復雜重型裝備產品生命周期示意圖如圖2所示。復雜重型裝備在產品生命周期各階段的不同活動中都會由于各類原因發生變更活動，具體分析如表1所示。

圖2 復雜重型裝備產品生命周期

表1 產品生命周期各階段變更原因

由表1可知，從產品生命周期角度劃分工程變更原因是多樣且復雜的，然而復雜重型裝備產品研制項目周期長、涉及單位多，難以針對每一類變更做出詳細具體的應對方案。因此本文將從三個方面劃分復雜重型裝備研制過程中的變更事件。

(1)需求變更。需求變更是面向訂單設計生產模式中的一類重要變更，由于復雜重型裝備研制過程中客戶參與程度高，常常會面臨著由于客戶需求發生改變而需要做出對應的產品調整。

(2)資源變更。在網絡協同制造模式下的資源指兩類資源，一種是原材料類資源變更，此類資源變更會影響到產品的設計與生產，從而引發產品重組活動。另一類是網絡協同制造模式中具有研制能力的“虛擬”執行資源變更，執行資源的變更大多是在執行過程中發生突發事件導致的，如設備故障、人員調動等；此外由于復雜重型裝備產品是高度定制化的生產模式，在選擇執行資源過程中同時需要解決資源沖突問題，從而引發對執行資源選擇的變更。因此這類變更會影響子任務匹配執行資源的過程，從而引發過程重組活動。

(3)計劃變更。由于復雜重型裝備研發周期長、研制難度大，通常對于產品的生產需要從項目管理的角度進行計劃制定，在項目計劃節點驗收時通常會根據項目前期進展情況進行調整，從而發生計劃變更活動。

2 變更關鍵節點識別

2.1 變更影響度加權網絡圖的構建

采用無向加權圖的方式對復雜重型裝備研制過程中子任務變更影響度進行分析，將子任務根據相關關系構造為無向加權網絡。對于無向加權圖G=(V,E,W)，V(v1,v2,…,vn)為圖G中所有節點的集合，E(e11,e12,…,eij)為圖中所有邊的集合。對于圖G的邊集合E如式(1)定義；根據圖G中每條邊的權重wij可以構建出n階鄰接矩陣W，對于wij如式(2)定義，其中rij表示圖G中頂點vi與頂點vj的變更傳播風險。將子任務間功能相關性、結構相關性以及物理相關性作為衡量子任務間變更影響度的指標，由此構建的任務間鄰接矩陣WC如式(3)，對應的加權網絡圖如圖3所示。

圖3 變更影響度加權網絡示意圖

(1)

(2)

(3)

2.2 基于加權網絡圖的關鍵節點識別

復雜重型裝備研制過程中子任務變更影響度加權網絡圖是一個復雜網絡，在復雜網絡中，對節點重要度的判斷需要從全局角度、局部角度以及位置角度進行綜合考量，對于全局屬性的評估主要由網絡的介數中心性評判，網絡的局部屬性由節點的度反映，位置屬性則由節點的中心接近度來體現。因此節點重要度主要由節點的度、介數中心性、以及中心接近度三個指標共同決定的。

(1)節點的度。對于無向加權圖G中連接節點vi與節點vj的邊eij來說，存在如式(4)所示關系。其中ki代表節點vi的度，指節點vi連接邊的數量。

(4)

(2)介數中心性。對于無向加權圖G中的兩個節點vs與節點vt存在多個可以通過的路徑，但至少存在一個最短的路徑dst。在目前對于最短路徑的圖論算法中，常用的有Dijkstra算法與Floyd算法，本文選取Dijkstra算法進行最短路徑的計算。對于節點vi的介數中心性是指最短路徑傳過該節點的次數，用Cb(i)表示，如式(5)所示，其中N指圖G中節點的數量，n(dst)指節點vs與節點vt最短路徑的數量，dst(vi)指經過節點vi的在兩個節點vs與vt之間的最短路徑數量。

(5)

(3)中心接近度。對于圖G中的任一節點vi來說，其中心接近度表示的是節點與其他節點的距離表現，即表現了該節點與其他節點的近鄰程度。中心接近度越高，代表該節點離其他節點越近，反之則越遠。采用Ccl(i)表示節點的中心接近度，計算方法為節點vi到圖G中其他節點的最短路徑距離之和的倒數，如式(6)所示。

(6)

為綜合考慮節點度、介數中心性以及接近中心度的影響，采用三個指標的幾何平均值作為來判斷節點重要度的依據，記為節點綜合影響度dc(i)。對于圖G中節點vi的節點綜合影響度dc(i)如式(7)所示。

(7)

因此，對于節點綜合影響度越大的節點，其節點重要度越高，代表該節點對應的任務越容易引起變更傳播。通過節點重要度的識別能夠幫助變更負責人等分析變更傳播范圍，給變更負責人制定變更應對方案提供參考。

3 基于變更的子任務重組方案

對復雜重型裝備協同研制過程中變更分析可以得知，變更事件能夠引發變更傳播從而對研制過程造成一定的影響。為保證復雜重型裝備最終成品的質量，在研制過程中一旦發生變更事件，則需要對變更進行工程變更管理，達到工程變更可控制、可追溯的目的。

由于復雜重型裝備網絡化協同制造平臺是依托于研制企業聯盟搭建，研制活動是由多協同主體共同完成，因此各研制企業內數據需要與平臺進行對接。變更事件所產生的數據以及所涉及的人員不僅要在企業內部進行管理，變更影響跨單位跨企業的事件需要通過網絡協同制造平臺進行統一管理。此外，網絡協同制造平臺搭建過程中集成了復雜重型裝備研制過程中的各類歷史方案形成了方案庫與數據庫，能夠輔助變更管理人員制定變更方案。在網絡協同制造平臺中，常規任務與變更任務都需要任務監控管理模塊對數據進行實時監控與即時采集，以便管理流程的透明化與可追溯。

基于以上分析并結合變更管理的相關方法，得到網絡協同制造模式下變更管理流程步驟。

(1)變更發生主體識別。變更事件的發生都有對應的變更源頭，將其稱之為變更發生主體。變更事件發生后，由對應的人員向平臺發起變更管理流程，同時填寫變更申請表以便將變更事件歸檔存儲，變更主體識別意味著變更管理的起始點。

(2)變更評估及變更方案的初步制定。由于復雜重型裝備產品結構復雜，變更造成的影響可能是多方面的，因此平臺以及相關變更負責人員需要對整個變更流程進行管理與監控。變更負責人根據經驗以及平臺儲存的相關歷史方案與數據對變更事件進行評估，產生初步的變更方案。

(3)變更評審。變更方案制定后需要由變更管理人員進行評審，審核變更方案是否可行，以及評估變更方案執行后是否滿足產品成品質量以及安全性。此步驟關系到最終成品，因此變更審核必須通過才能進行后續操作，如果審核不通過則駁回變更申請。

(4)變更方案發起與變更任務單的制定。當變更方案審核通過后，變更管理人員在平臺上傳變更方案，通過平臺接入的執行資源數據制定變更任務單，以便將變更任務下達到相關執行資源。同時需要對變更事件加以說明，以便變更執行人員了解如何執行變更方案。

(5)變更通知。當變更方案與變更任務單制定完成后，變更管理人員需要在平臺發布變更通知并制定變更通知單，變更通知是為了將變更任務告知于變更執行人員，變更通知單的制定能夠一定程度上輔助變更追溯的功能。

(6)變更執行與實施。相關變更執行人員根據平臺發布的變更方案執行變更后的任務活動等。

(7)執行反饋。變更方案在執行過程中可能會出現與后續工作無法順利銜接等問題。為解決此類問題，在執行過程中需要將相關信息進行反饋，如有異常，則需要變更負責人進行方案調整。

網絡協同制造模式下變更管理流程圖如圖4所示。

圖4 網絡協同制造模式下變更管理流程

根據本文變更關鍵節點識別中的分析，可以列出基于復雜重型裝備研制過程中任務變更影響網絡的節點重要度衡量的算法步驟。

輸入：變更影響度矩陣WC；

步驟1，根據變更影響度矩陣WC與子任務序列繪制變更影響加權網絡圖；

步驟2，運用Dijkstra 算法求得網絡中各節點對應的最短路徑dst(vi)；

步驟3，根據式(4～6)計算網絡中各節點的度、介數中心性以及中心接近性；

步驟4，根據式(7)計算出網絡中各節點的節點綜合影響度，并根據數值的由大到小進行排序。

為控制變更的傳播范圍，需要將變更影響大的節點所映射的子任務盡量聚集在一個任務集內。因此需要根據節點重要度衡量算法計算得出的節點重要度排序情況，對給定的聚類重組的任務模塊進行調整，得到最終的任務分解方案。由變更影響度網絡識別出來的重要節點是更容易引起變更傳播的任務，因此為控制變更傳播，應當對此類任務進行一定的處理。常用的控制變更傳播的方法有：

(1)將更容易引起變更傳播的任務在任務聚合階段盡量劃分在一個任務集內，由此變更只會在該子任務內引起影響較大的傳播，而對其他任務集影響較小，從而限制了變更傳播的范圍。

(2)對重要節點對應的子任務進行分析，看是否能夠切斷或削弱變更關聯性更強的任務，從而達到控制變更傳播的目的。

4 實例驗證

Z公司是從事研制復雜重型裝備的單位，承接重型鍛壓設備、有色冶金裝備、工業連鑄設備極其成套設備的研發、設計、制造、安裝、運維等技術工作。由Z公司牽頭研制的125 MN雙動鋁擠壓機是大型擠壓設備，屬于復雜重型裝備的范疇，通過分析125 MN雙動鋁擠壓機機械系統與液壓系統的結構功能，可以得到子任務列表如表2所示，其中TMi代表列表中第i個子任務。已知當前任務聚類結果如表3所示。

表2 125 MN雙動擠壓機機械系統子任務

表3 子任務聚類結果

由125 MN雙動鋁擠壓機的研制活動實際情況對表2對應的子任務的功能相關性、結構相關性以及物理相關性分析得到鄰接矩陣WC如表4所示，以此作為變更影響矩陣繪制變更影響網絡圖G如圖5 所示。根據對于節點綜合影響度的計算流程，分別計算節點綜合影響度中三類原始數據——節點度k(i)、介數中心性Cb(i)、中心接近度Ccl(i)的比值以及節點綜合影響度的排序，得到節點綜合影響度數據表如表5所示。

表4 鄰接矩陣WC

圖5 變更影響加權網絡圖G

表5 節點綜合影響度

根據節點綜合度的計算結果顯示，影響度最高的前六個節點分別是v12、v1、v16、v2、v18、v17，此六個節點所對應的子任務在發生變更時更容易引起變更傳播。

基于變更影響構建的網絡圖中的重要節點，具有更高的傳播特性，為了控制變更傳播，需要對重要節點進行一定的處理。

對于節點v12對應的子任務是螺母，由于螺母在各零部件間起著連接作用，且對于不同的零部件來說對應的螺母可能型號不一，因此可以對該子任務與其他子任務進行關聯切斷處理，將其拆分到各子任務集內，將其不作為一個獨立子任務。

對于節點v1與節點v2對應的子任務，根據表3聚類結果顯示，該兩個節點對應的子任務在三種聚類情況下均劃分在一個子任務集內，因此不做調整。

對于節點v16、v18、v17三個節點對應的子任務，根據表3的聚類結果可以發現：當k=4時，節點v16與節點v17劃分一個子任務集內；當k=5與k=6時，節點v16與節點v18劃分一個子任務集內。綜合考慮三種劃分結果，該三個節點對應的子任務可以劃分在一個子任務集內，從而達到控制變更傳播的目的。

綜合表3中三種劃分方案與重要節點的調整結果，最終將面向需求變更控制的任務分配方案重組結果如表6所示。

表6 面向需求變更控制的任務分配方案重組

由表6可知面向需求變更控制的任務分配方案重組結果是將125 MN鋁擠壓機的機械系統與液壓系統的研制過程分為5個子任務，每個子任務集與子任務映射關系為——子任務集FT1{1,2,3,5,6,8,9}，子任務集FT2{4,10,11,14,27,28}，子任務集FT3{7,13,15,16,17,18,19}，子任務集FT4{20,21,22}，子任務集FT5{23,24,25,26}。

5 結束語

本文針對復雜重型裝備研制過程中的變更活動，提出了面向需求變更的子任務重組方法。在任務分解階段引入變更控制的思想，對傳統子任務聚合而成的初步重組方案進行調整。首先分析由已知任務初步分解而成的子任務間的功能相關性、結構相關性以及物理相關性，然后通過運用圖論的相關方法，識別項目研制過程中變更影響較大的子任務，采取控制變更傳播的策略對初始任務分解方案結果進行重組，從而達到控制變更的目的。

本文針對復雜重型裝備網絡協同研制過程中的工程變更事件，提出了應對變更的任務重組方法，在研究過程中理想化了實際研制過程。由于產品研制過程的復雜性，在產品生命周期中可能還存在更為復雜的變更事件與任務重組活動。下一步研究將進一步優化關鍵節點分析模型及算法以得出更加科學的量化結果，更加深入分析研制過程中的變更因素，針對其特點給出相應的應對措施以進一步增強現實適用性。