擴散制造聯盟構建過程研究

安 波 廖文和 郭 宇 劉驕劍

南京航空航天大學,南京,210016

擴散制造聯盟構建過程研究

安 波 廖文和 郭 宇 劉驕劍

南京航空航天大學,南京,210016

針對擴散制造這種面向武器裝備等復雜產品網絡化制造模式,提出了擴散制造聯盟構建方法,給出了網絡化制造耦合性等相關概念,并提出了基于降耦及升耦的擴散聯盟構建策略;分析擴散任務相關性,建立擴散任務相關性矩陣;分析擴散資源相關性,確定資源配置優化目標,實現了擴散資源升耦優化配置,完成了擴散聯盟的構建;描述了某型號擴散制造在擴散聯盟構建平臺上的應用,驗證了擴散聯盟構建過程的可行性和實用性。

擴散制造聯盟;耦合性;相關性;升耦;降耦

0 引言

網絡化制造是現代制造業發展趨勢之一,并針對特定需求衍生出多種網絡化制造組織形式,如虛擬企業[1]、基于ASP的網絡化制造模式[2]、協同制造鏈[3]等。但上述制造模式多為“松耦合”管理,強調合作企業的自主性和自治性,往往存在生產過程安全保密措施不到位、進度無法及時了解、質量問題無法跟蹤等問題,不能滿足戰時大型復雜武器裝備快速響應、制造過程可控、可測、可靠的要求。擴散制造[4]聯盟正是基于解決上述問題而建立的新型網絡化制造模式。本文從資源配置的角度提出一種全過程可控的擴散聯盟方法,將耦合性概念引入擴散制造模式,分析了擴散制造節點間的耦合特征,提出了基于降耦策略和升耦策略的資源配置解決方案,亦即相關關系緊密的制造任務由相關關系緊密的資源進行制造,最終建立擴散制造聯盟。

1 基于耦合性的擴散制造聯盟

1.1 相關概念

目前國內外研究基于耦合性的復雜產品設計任務規劃的人員較多[5-7],而涉足制造耦合性研究的人員則較少,為了更清晰、明確地論述擴散制造耦合特性及擴散制造聯盟結盟過程,本文首先定義以下相關概念:

定義1 網絡化制造耦合性 網絡化制造的生產任務由異地制造資源協同完成,由于各企業的組織結構、生產習慣、信息化平臺以及地域上的差異,使得原本在單獨企業內的連續制造過程,移植到網絡上后被拆分為若干離散的制造節點。兩個(或兩個以上的)制造節點間相互作用,而彼此影響整個制造系統的現象即為網絡化制造耦合性。

定義2 擴散資源 分布在擴散企業,能夠承擔某項擴散制造任務的生產組織和生產要素,按照任務粒度大小的不同,擴散資源分為企業級、單元級、設備級等不同層次。

定義3 擴散節點 實施擴散制造過程中,復雜產品的制造被分解為若干制造任務,并分配到具有加工能力的外部企業進行生產,外部資源與其制造任務相互匹配的稱為制造節點。由定義可知,制造節點由制造任務、制造資源兩部分組成,可形式化定義為

式中,MNi為制造節點;MTi為制造任務;MRi為制造資源。

1.2 擴散制造耦合性分析

網絡化制造耦合性的產生是由制造任務的離散分布導致的,擴散制造作為面向大型復雜武器裝備的網絡化制造模式,制造節點間的相互影響程度更強,耦合特性表現得更為突出,其原因有以下兩點:

(1)制造過程復雜。由于軍方對保密、產品質量、生產進度方面的要求,各級供應商都應納入擴散制造體系,構建全過程可控的擴散聯盟。各擴散資源承擔不同粒度的擴散任務,原材料、半成品、成品在制造節點間流動,層層交付,相互交織,形成龐大而復雜的擴散制造網絡。

(2)制造任務復雜。大型復雜產品的研制是一個巨大、復雜且技術密集的系統工程。如構成飛機的零件數目多達數百萬,零件的制造不僅要保證自身質量達到要求,而且還要滿足不同粒度制造任務間的相互協調關系,如同一零件不同加工工序的加工協調關系、零部件間的裝配協調關系。

復雜的制造過程和任務使得復雜產品在擴散制造過程中的物料、信息交互量要遠遠大于一般的網絡化制造模式,如圖1所示。

圖1 擴散節點物料、信息傳遞示意圖

首先主企業向制造資源發布任務數據包,包括生產起止時間、工藝數據、質量要求等;資源在生產過程中實時向主企業反饋生產進度、質量檢測數據;主企業對數據進行分析,并迅速發出調整指令,以保證整個擴散系統的正常、順利運行。再者,在擴散制造實施過程中,為保證物料、信息及時準確地在節點間傳遞,擴散節點間需要相互溝通協調,確保生產進度協調一致及產品質量滿足要求。龐大的信息、物料傳輸對主企業的制造過程控制以及節點間的配合造成了諸多困難。倘若某一中間環節出現擾動,必定會影響其他節點的任務進度及完成質量,甚至影響整個擴散制造的正常實施。

因此,關系緊密的擴散任務有必要匹配關系緊密的制造資源形成擴散制造節點,使節點間的耦合性更強。信息溝通、物料流轉更加順暢,有利于產品的制造、裝配、功能調試以及后續的維修工作,也有利于降低不確定擾動對制造過程的影響,保證擴散制造在運行過程中的穩定狀態和持續生產能力,提升擴散制造過程的可靠及可控性。

然而,擴散任務間相關關系復雜,相關強度也參差不齊,如何合理處理任務間的復雜關系,以及如何進行相關資源配置則是構建擴散聯盟的兩個關鍵問題。擴散降耦策略亦即對制造任務弱相關關系進行分析,對相對弱的關系進行撕裂,形成“內緊密、外松散”的任務集,以降低制造節點間的耦合度,降低控制策略復雜性,提高任務執行的獨立性和并行性。擴散資源升耦配置則是在降耦完成的基礎上實現基于資源相關性的擴散資源配置,為同一任務集的擴散任務選擇關系緊密的制造資源,構建緊耦合的擴散制造聯盟。

2 擴散制造結盟過程

2.1 任務-資源匹配

零部件種類繁多、制造過程復雜,使得一個制造企業沒有能力單獨承擔一個零件或部件的加工,這也決定了擴散制造任務呈現多粒度(部件、組件、零件、工序級任務)的特點,如圖2所示。本文用MTi(i=1,2,…,nT)表示擴散任務,nT為擴散任務的總數。根據擴散任務的具體加工需求,通過擴散制造系統檢索相應的制造資源,具備該任務加工能力的資源可能有若干個,分布在不同的擴散企業內,任務-資源形成1對多的匹配關系,如圖2中的 ①所示。本文用MRi_p(p=1,2,…,n R)表示第p個具備MTi制造能力的擴散資源,n R為擴散資源的總數。

2.2 擴散降耦策略

降耦策略包括兩個步驟,分別為擴散任務相關性分析和擴散任務分解,如圖2中的 ②所示。

2.2.1 任務相關性分析

擴散任務間的復雜相關關系是使擴散系統產生耦合性的原因,為了明確說明任務相關性,本文將相關關系分為兩類進行說明。

圖2 擴散制造聯盟構建過程示意圖

第I類為物料傳遞關系。即不同粒度任務完成后在擴散企業間傳遞以進行下一步零件加工、部件裝配任務。fij∈{0,1}表示物料間的傳遞關系,fij=0,表示任務i、j無流動關系;fij=1,表示任務i完成后轉向下一任務j。

第II類為除物料傳遞關系外的任務相關關系。

協調配合關系 各種產品或部件都是許多零件有條件地裝配在一起的,需考慮定位、連接、尺寸大小和裝配順序等,有裝配關系的零部件間相關關系緊密。

加工工序關系 由于復雜零件的加工復雜性,在很多情況下需要異地轉包加工,同一零件的各工序級加工任務間存在緊密的相關關系。

功能實現關系 共同實現產品某一子功能的零部件生產任務間相互協調配合,以完成能量轉換、信號轉化、力的傳播,以及其他功能干涉,關系緊密。

I T mij表示擴散任務i、j第II類相關度評價標值,m=1,2,3,分別為協調配合關系、加工工序關系和功能關系,視其重要或密切程度,并參考文獻[8]中的6分劃分標準,設為I T mij∈{無關系,弱,較弱 ,中 ,較強,強}={0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},其中,第 Ⅱ類相關值可表示為

式中,rTij為擴散任務i、j間第 Ⅱ 相關度值;ωTm為相關關系權重,m=1,2,3。

由第 Ⅰ維及第 Ⅱ維相關關系共同建立擴散任務i、j間的相關性模型,第一象限內是 fij,表示物料在任務間的流向;第二象限內是I T ij,表示協調配合、加工工序以及功能相關關系的強度值,如圖3所示。

圖3 擴散任務相關模型

例如有7個任務,0為主企業總裝任務;1為部件級任務,2、3為該部件的零件,受交貨期限或加工能力限制需繼續擴散到下一級擴散資源進行生產,完成后轉移到部件生產企業,以完成部件的裝配;4為零件級任務,5、6為零件4擴散出去的工序級任務,交由外部擴散資源進行加工。

擴散過程可由有向圖表達,如圖4所示。圖4中,實線箭頭方向表示任務完成后的物料傳遞流向,而具有第 Ⅱ類相關關系的任務間則用虛線連接。相關性模型矩陣如圖5所示。

圖4 擴散任務相關有向圖

2.2.2 擴散任務分解

本節對任務耦合模型中第 Ⅱ類相關關系進行模糊聚類[9],即關系較強的任務劃為一類,而關系較弱或沒有關系的任務則作為獨立任務進行處理,形成“內聚集、外松散”的任務集,實現了基于任務相關性的擴散任務分解。第 Ⅱ類相關值也由數字型轉化為布爾型,即r′T ij∈{0,1},任務間關系緊密,r′T ij=1;關系松散,則 r′T ij=0 。

圖5 擴散任務矩陣模型

如圖4a所示的7個擴散任務經過降耦優化后,撕裂了2-4,4-7,1-7之間的相關關系,而任務7則為獨立任務,最終完成擴散任務的分解,形成3個任務集{1,2,3},{4,5,6},{7}。其矩陣分解過程如圖6所示。

圖6 第Ⅱ類相關性矩陣分解過程示意圖

2.3 擴散升耦策略

擴散升耦策略是在降耦完成的基礎上,考慮任務相關性及制造資源相關性因素,設定優化目標,實現擴散資源配置,完成擴散聯盟的構建。升耦策略也分為兩個步驟,即資源相關性分析及資源優化配置,如圖2中的 ③所示。

2.3.1 制造資源相關性分析

主企業選擇相關性強的制造資源組成聯盟,將其納入主企業的制造體系,這是提高制造節點間耦合性、增強制造過程可控性和可靠性的有效手段之一。本文從行業、隸屬、歷史合作、地理位置及自身制造能力描述資源相關性。

行業關系 行業相近的企業間的專業人員、設備、數字化平臺等資源類型和生產習慣會有較大的相似性。接到任務后,在對原有條件不做太大改動的情況下,能迅速實現轉產,達到快速響應的目的。根據國家質量監督檢驗檢疫總局發布的《國民經濟行業分類》(GB/T4754-2002)建立行業結構樹,如圖7所示。

圖7 行業分類結構樹

隸屬關系 存在隸屬關系的資源間有相同的上級主管,便于在實施擴散制造的過程中溝通協調,有利于問題的快速查找、解決,保證擴散過程的順暢,圖8所示為隸屬關系結構樹。

圖8 隸屬關系結構樹

參照行業相關性值的求解方法,求得MRi_p與MR j_q隸屬相關值r S(i_p,j_q)。

歷史合作關系 主企業對以往合作過的擴散企業完成的歷史任務從交付時間、完成質量及價格等方面進行評價,歷史合作相關性反映了擴散企業間合作關系的良好程度及潛在的再次合作的可能性,按照專家打分的方法,MR i_p與MR j_q歷史合作關系的評價值rC(i_p,j_q)由低到高依次為{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1};

地理位置關系 地理位置也是影響企業間合作的因素,兩個擴散企業間的地理位置越近,在一定程度上越能縮短運輸時間,節約運輸成本;反之,越增加運輸時間和運輸成本。制造資源MRi_p到MRj_q的運輸時間和運輸成本分別為t Tr(i_p,j_q)、c Tr(i_p,j_q)。

制造資源自身能力是確定合作意愿強弱的關鍵因素之一,能力越強,主企業選擇其進行合作的機會越大;反之,合作機會越小。本文給出3個評價企業自身能力的指標:IC={tM(i_p),cM(i_p),q M(i_p)},其中,t M(i-p)、c M(i_p)、q M(i_p)分別為承擔擴散任務i的制造資源MRi_p的加工時間、加工成本和加工產品合格率。

2.3.2 資源升耦配置

傳統的網絡化制造資源配置過程多考慮地理位置{tTr(i_p,j_q)、cTr(i_p,j_q)}、企業制造能力{tM(i_p),c M(i_p),q M(i_p)}等因素,在本文中將這些因素也列為制造資源的相關特性,并在此基礎上增加了資源行業、隸屬以及歷史合作相關性的指標,使得升耦優化配置成為一個更為復雜的多目標優化問題。

主企業選擇擴散企業時,需要考慮擴散制造資源的產品加工質量、時間和成本等指標;此外,主企業與制造資源的橫向相關程度也是需考慮的重要因素。承擔所有任務MTi的擴散資源MRi_p與主企業的橫向相關程度可表示為

經過降耦優化后,形成多個內耦合、外松散的擴散任務集,對于集內任務(r′Tij=1)進行升耦優化,提高制造節點間的耦合程度。承擔相關任務的資源間需有較強的相關性,便于資源間相互協調,保證產品的質量和進度,所有相關任務選擇的擴散資源MRi_p、MRj_q的橫向相關性可表示為式中,ωm(m=1,2,3,4)分別為主企業選擇指標、制造資源相關性指標、運輸時間和運輸成本的權重;ω1m分別為制造資源與主企業的相關性評價、加工時間、加工成本和質量的權重;λ1m為標準化系數。時間約束為

擴散資源p承擔任務i的時間ti應小于任務的計劃最早開始時間Si和最晚交付時間Ei。成本約束可表達為

擴散任務加工成本cMi_p和運輸成本cTr(i_p,j_q)的總和應小于項目計劃成本總和C。

3 擴散聯盟構建平臺應用

利用VB.Net進行了系統實現,開發了擴散制造資源配置系統,包括主企業對任務的錄入、擴散企業錄入資源信息、擴散任務分解以及升耦配置功能?，F以某型號飛機零部件實施擴散制造生產說明資源配置系統運行過程。如圖9所示,某型號機翼擴散生產的部分零部件有蒙皮、機翼、搖臂、彈簧、副翼、伺服補償器、拉桿、發動機、發動機機架、襟翼、發動機葉片。

圖9 某型號機翼結構圖

首先,對待擴散制造任務的相關性進行分析,根據任務相關性準則建立相關性矩陣,如圖10所示;然后利用降耦分解方法,消除弱耦合關系,解耦后的擴散任務聚集為{1,2,5,10},{3,4,6},{8,11},{7},{9}。

圖10 擴散任務相關性矩陣

擴散資源配置過程包括兩個部分:①錄入已注冊資源的相關信息,除基本T、C、Q之外,還有行業、隸屬、合作及地理位置等,以確定資源間的相關度值,表1為承擔任務1、2的2個資源間的相關關系;②通過在配置平臺上進行擴散制造資源的升耦配置,實現擴散任務與制造資源的緊耦合匹配,建立了面向某飛機型號的擴散制造聯盟。擴散聯盟構建成功后,各參與資源可使用平臺所提供的項目協作管理工具,進行進度監控、工藝協同,完成整個擴散聯盟的正常運行。

表1 MR1_1與 MR 2_1相關關系

4 結束語

本文研究了現有的網絡化制造模式后,針對武器裝備等復雜產品的異地協同制造特征,給出了網絡化制造耦合性概念,分析了擴散制造耦合性的特征;通過擴散制造降耦分解、升耦配置策略,完成了基于耦合性的擴散制造聯盟構建,并開發了資源優化配置系統,本項目已在上海某航天所進行了驗證,實現了13類零部件的快速擴散制造。擴散制造耦合模型的建立及其演化,為復雜產品網絡化制造過程分析提供了更為豐富的途徑,可以指導擴散制造資源優化配置,提高其合理性和科學性。

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Research on Construction Processof Extended Manufacturing Alliance

An Bo Liao Wenhe Guo Yu Liu Jiaojian
Nanjing University of Aeronautics&A stronautics,Nanjing,210016

According to ex tendedm anu facturing was a new netw orkedm anu facturingm odel,which was oriented to armam ent and another comp lex products,a construction method of extended manufacturing alliance w as proposed.The concept of networked manufacturing coup ling was presented,and the construction process of extended alliance based on rising coup ling and dropping coup ling strategies was proposed;The correlation of extended tasks was analyzed,and dropping coup ling decomposition was realized.The correlation o f ex tended resources was analyzed,the op timization objective of resource allocation was determ ined,and extended resources rising coup ling allocation w as realized.A t last,the app lication ofaircraft on theextended manufacturing p latform was described,and feasibility and applicability of the method of the extended alliance construction were verified.

extended manu facturing alliance;coupling;correlation;rising coupling;d ropping coup ling

TP391

1004—132X(2011)12—1434—07

2010—08—03

“十一五”國防基礎科研項目

(編輯 何成根)

安 波,男,1981年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。主要研究方向為CAD/CAPP/CAM、制造業信息化。發表論文5篇。廖文和,男,1965年生。南京航空航天大學機電學院教授、博士研究生導師。郭 宇,男,1972年生。南京航空航天大學機電學院副教授。劉驕劍,男,1985年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。