虛擬制造中協同制造資源建模研究

肖艷秋，魏闖闖，趙 和，王 磊

XIAO Yan-qiu, WEI Chuang-chuang, ZHAO He, WANG Lei

（鄭州輕工業學院，鄭州 450002）

0 引言

隨著信息技術的發展，根據敏捷制造思想，建立協同企業聯盟，通過虛擬制造單元實現協同制造資源優化成為研究的熱點。協同制造系統中，虛擬單元的構建與優化的關鍵就是協同制造資源信息模型建立，對協同制造資源特點加以分析是尤其重要。然而協同資源模型的建立，不單單是對資源的描述，必須為下一步虛擬單元構建與優化打下基礎。

基于以上，本文根據協同制造資源內涵及特點，結合已有的協同制造分類方法，針對協同制造資源之間的關聯特點，以虛擬制造單元構建優化為目標，構建了協同制造資源的關聯約束信息模型，以滿足虛擬制造單元構建優化要求。

1 基于多關聯約束協同資源信息模型的虛擬制造單元構建

協同制造資源的優化配置是將零散的制造資源組織成為功能性的虛擬制造單元。要解決虛擬單元構建過程中資源選擇與優化問題，首先需解決協同資源信息模型構建，虛擬制造單元構建方法如圖1所示。虛擬單元構建分為兩個過程。

1）通過對協同制造資源進行分析，根據資源的類型及層次結構，通過制造資源約束條件及約束之間的關聯關系進行資源模型構建，形成初始的資源信息模型和資源族。

2）以生產任務模型及資源信息模型為前提，根據優化目標要求，通過專家遺傳算法，實現虛擬單元構建及優化配置。

圖1 虛擬單元構建過程

資源信息模型構建是實現虛擬單元構建的關鍵。由于協同制造資源的復雜性和約束因素的多樣性，以往研究過程中只針對關鍵的要素進行研究和分析，很少考慮到各個約束因素之間的關聯關系，本文通過引入多關聯約束模型對于解決這樣問題有先天的優勢。通過構建能夠反映協同制造資源結構、層次和關聯關系的多關聯信息模型，用于虛擬制造單元構建與優化。

2 協同制造資源單元信息模型的特點

2.1 協同制造資源特點

由于協同制造資源的動態變化性，制造資源模型需要不斷充實和完善。通過多層次、多維度對協同制造資源類型、特點及關聯關系進行立體空間合成如圖2所示，清晰反映協同制造資源的本質特征，指導協同資源模型構建。

1）資源層次維：體現協同制造資源所屬層次結構，表達了制造資源的構成粒度，分別為聯盟層、企業層、車間層、單元層和設備層；

2）資源分類維：反映資源某種共同屬性或特征層次歸，制造資源的分類就是將某種共同屬性或特征的制造資源歸并在一起。協同制造資源建模，必須采用統一標準的分類方法，使協同制造資源在描述表達和理解上具有一致性。通過對協同企業的了解，按照制造資源屬性及其在整個生產制造活動中發揮的作用，將協同制造資源劃分為：設備資源、人力資源、技術資源、物料資源、服務資源和信息資源等；

3）資源關聯維：體現各個資源類及資源層之間的關聯關系。虛擬單元有不同類型的制造資源構建，彼此之間并不是孤立存在的，都存在相互關系。因此在本文通過構建制造資源關聯模型，關聯模型隨著虛擬單元中資源的積累，不斷地豐富和擴展，形成“縱、橫”緊密關聯的知識模型，為虛擬單元的優化提供了寶貴知識。

2.2 關聯約束資源信息形式化描述

根據上述協同制造資源分類、邏輯層次以及關聯關系分析對其進行形式化描述。協同制造資源描述為：

M={ID,Base,Bind,Relevance,Assess,Status}：

1）ID是制造資源編碼，協同制造資源集成平臺中一個唯一特定資源；

2）Base制造資源基本屬性，

Base={Name,Type,Ayer,Owner}：

Name為資源名稱；Type為資源類型；

Ayer為資源層次；Owner為資源所屬企業；

3）Bind資源約束屬性，

Bind={Type,Capa,T,C,Q,S,E,O}：

Type為資源支持任務類型，硬件資源是指可以加工的產品或零件類型；軟件資源是指所有支持的應用領域或功能；

Capa為制造能力約束，

例如硬件資源包括設備對加工要求約束，

Capa={加工形狀，精度，尺寸，形狀，材料}；

對于軟件資源可以是支持運行環境，

Capa={參數，響應速度，支持功能，效率，流量，可靠性}：

T為時間約束，C為費用約束，Q為質量約束，S為服務約束，E為環境約束，G為其他約束；

4）Relevance資源關聯關系，

Relevance={ID,Type,Object,Ratio}：

ID表示兩個資源間的關系標識；

Type表示制造資源之間關系類型，

Type={控制關系，順尋關系，輸入輸出關系，整體部分關系，空間關系，時間關系}；

Objet表示該資源有關聯的其他制造資源；

Ratio兩個資源之間關聯系數，關聯系數根據歷史記錄的一個綜合評價值；

5）Assess 資源綜合評價,形式可描述為，

Assess={T,C,Q,S,E,I}：

分別表示時間T、成本C 、質量Q、 服務S 、環境E、 信譽I 、其他評價O, 綜合評分為虛擬制造單元專家遺傳算法優化提供依據；

6）Status資源狀態屬性，

Status={維修，閑置，未滿負荷，滿負荷}。

在制造單元目標約束下，實現對協同制造資源的模型表達，對應三種維度的交點，從而建立協同制造資源多關聯約束因素與制造模型的映射關系。

3 協同制造信息關聯約束模型

3.1 關聯約束網絡模型的概念

關聯是指事物之間所具有的彼此約束的關系，也稱為關聯約束或約束關聯。本文通過約束關聯模型描述制造信息資源的方法和技術。在協同制造資源中，制造資源之間的關聯性體現在虛擬單元構建中不同資源模型間所具有的內在聯系，具有關聯關系的資源模型互為關聯單元，制造資源之間的順序關系也可以認為是一種關聯。因此，所建立的制造資源模型應該滿足虛擬制造單元構建的需求。

3.2 關聯模型

關聯是指各個資源彼此之間所具有的關系。

在制造資源信息關聯模型中，制造資源的關聯性體現不同資源之間多具有的內在聯系，關聯約束模型如圖3所示，其中包括人力資源、設備資源、物料資源和技術資源，每種資源分別描述了內部的關聯關系。制造資源的關聯約束模型為一個三元組合；

I＝{X, D, C}

其中：RC表示制造資源之間的關聯約束關系集合；X＝(x1, x2, !, xn)是制造資源信息的集合；D＝(d1, d2, !, dn)關聯變量值域集合，di是制造資源xi可能的取值；C＝(c1, c2, !, cn)變量關系的集合。

圖3 制造單元多約束因素關聯模型

3.3 關聯約束關系

根據約束關聯模型特點，我們建立一個有同層次任意兩個約束因素i和j之間的關系矩陣。本文采用一個如圖4所示6×6矩陣體現六個約束之間關聯系數。

圖4 矩陣關系

其中rij為每個約束與其他約束之間的重要程度關系系數，取值范圍（1, 9）。對矩陣的關系賦值如圖5所示，通過以下方法求出個約束相對的權重。

1）計算判斷每行所有元素的幾何平均值

圖5 賦值矩陣

可得

得到

為各個約束因素之間的權重。

3）由以上分析可得：制造資源關聯約束之間影響權重關系。

虛擬單元的優化選擇是一個面向多約束目標的篩選問題。同時各個約束因素之間存在這關聯關系，不應該以某個或某幾個因素為依據而忽略了因素之間的關系，我們將各個約束因素之間的關聯關系模型化，綜合分析各種約束因素影響權重，為虛擬單元的構建與優化提供科學的選擇方案。

4 結束語

本文根據協同制造系統中虛擬單元構建與優化的需要出發，從資源分類、層次和關聯關系進行全面描述，針對制造資源多維度多層次關聯關系，采用了一種基于關聯約束的制造資源模型構建方法，給出了協同制造資源形式化描述，分析了關聯約束矩陣關系給出了約束權重，為協同制造資源的建模提供了理論和方法上的指導，為下步虛擬單元優化構建奠定了基礎。

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