基于多色集合理論的再制造生產(chǎn)過程知識(shí)迭代學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì)*

□ 張海峰 □ 梁工謙 □ 張 晶

1.西北工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院 西安 710072

2.北京航天情報(bào)與信息研究所 北京 100854

目前我國再制造工程的研究與應(yīng)用仍處于起步階段［1］。再制造產(chǎn)品不同于新品制造過程，面對(duì)再制造對(duì)象故障與壽命數(shù)據(jù)匱乏性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、加工工況多變性以及失效模式多樣性等眾多不確定因素的影響，綜合再制造活動(dòng)逆向、流量小、分支多、品種雜和質(zhì)量參差不齊的特點(diǎn)，給再制造產(chǎn)品質(zhì)量知識(shí)管理帶來了困難。

目前的研究多數(shù)提到了再制造加工不確定性，但是對(duì)再制造加工知識(shí)學(xué)習(xí)、分類和控制的研究并不多。文獻(xiàn)［2-5］研究了不確定環(huán)境下的庫存控制和系統(tǒng)的優(yōu)化問題；文獻(xiàn)［6］提出了考慮回收不確定性情況下基于加強(qiáng)學(xué)習(xí)的優(yōu)化拆卸計(jì)劃問題的方法；文獻(xiàn)［7-9］分析了再制造生產(chǎn)中加工對(duì)象的質(zhì)量不確定性及在質(zhì)量不確定情況下裝配與加工策略的優(yōu)化。以上文獻(xiàn)對(duì)再制造過程不確定性進(jìn)行了一定的分析，研究假設(shè)較為嚴(yán)格，針對(duì)特定的生產(chǎn)類型進(jìn)行相關(guān)問題的處理，因此不具有普遍適用性。本文認(rèn)為通過對(duì)再制造加工對(duì)象質(zhì)量進(jìn)行不斷的知識(shí)積累，才能逐漸消除質(zhì)量不確定性問題帶來的額外成本，通過對(duì)再制造企業(yè)的知識(shí)管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定性。本文通過分析再制造加工對(duì)象質(zhì)量的不確定性問題，建立再制造生產(chǎn)過程逆質(zhì)量基本模型，通過不斷的迭代學(xué)習(xí)積累再制造過程知識(shí)，應(yīng)用多色集合理論建模，實(shí)現(xiàn)知識(shí)迭代學(xué)習(xí)過程。

1 再制造生產(chǎn)過程不確定性及逆質(zhì)量模型

1.1 再制造加工對(duì)象的特征及其影響

再制造是以廢棄產(chǎn)品中那些可以繼續(xù)使用或通過再制造加工可以再使用的零部件作為毛坯輸入，再制造加工毛坯的來源與產(chǎn)品使用狀況、技術(shù)更新的速度、銷售狀況及回收狀況等因素有關(guān)，因此再制造加工對(duì)象到達(dá)時(shí)間、數(shù)量和質(zhì)量存在很大的不確定性。

由于再制造加工對(duì)象的使用工況、使用環(huán)境、使用強(qiáng)度不同，故其內(nèi)部的可再制造零部件的磨損情況幾乎各不相同。由于再制造加工對(duì)象質(zhì)量不同，就給每個(gè)零部件的加工過程帶來一系列的不確定問題。

首先，在制定再制造的生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，不僅需要預(yù)測(cè)產(chǎn)品回收數(shù)量，還要統(tǒng)計(jì)測(cè)算回收產(chǎn)品的可再制造率。由于回收產(chǎn)品的質(zhì)量狀況不同，其可再制造率存在很大的不確定性。而且廢棄產(chǎn)品回收的不確定性比傳統(tǒng)采購過程中訂貨提前期的不確定性還要大。因此，如果對(duì)產(chǎn)品回收預(yù)測(cè)存在誤差，將使綜合生產(chǎn)計(jì)劃與實(shí)際情況偏離較大，并使后續(xù)的一系列計(jì)劃都不準(zhǔn)確。

其次，由于回收零部件的質(zhì)量狀況不同，在進(jìn)行再制造時(shí)需要采用不同的工藝流程，因此再制造工藝路徑與時(shí)間會(huì)存在很大的差別。如產(chǎn)品的可拆卸性和拆卸時(shí)間不確定、產(chǎn)品的再制造率不確定、不確定的加工路徑與時(shí)間會(huì)使加工設(shè)備的相關(guān)設(shè)置產(chǎn)生問題，造成生產(chǎn)物流不均衡，增加了資源計(jì)劃、調(diào)度和庫存、物流控制的復(fù)雜性。

最后，由于再制造加工對(duì)象到來的時(shí)間和質(zhì)量的不確定性，使獲得合格零件的產(chǎn)量具有很大的隨機(jī)性，導(dǎo)致再制造產(chǎn)品的銷售需求具有很大不確定性。再制造過程不確定性及其影響如圖1所示。

圖1 再制造過程的不確定性及其影響

1.2 再制造生產(chǎn)過程逆質(zhì)量的形成及知識(shí)內(nèi)容

1.2.1 再制造逆質(zhì)量形成

文獻(xiàn)［10］介紹了為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量控制，將生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)輸入和關(guān)鍵參數(shù)輸出數(shù)據(jù)顛倒使用，設(shè)計(jì)了逆質(zhì)量模型。本文在此借用逆質(zhì)量概念，描述由再制造對(duì)象質(zhì)量逆推制造過程質(zhì)量。通過對(duì)再制造對(duì)象質(zhì)量狀態(tài)的分析，能夠提取其在原始設(shè)計(jì)及制造過程的質(zhì)量，此過程對(duì)制造及再制造質(zhì)量知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提升原始設(shè)計(jì)質(zhì)量及減少再制造過程質(zhì)量不確定性的影響。逆質(zhì)量過程如圖2所示。

圖2 再制造逆質(zhì)量傳遞過程

1.2.2 再制造生產(chǎn)過程知識(shí)分類及內(nèi)容

考慮再制造過程逆質(zhì)量的形成，針對(duì)解決提升原制造設(shè)計(jì)及減少不確定性的目的，按照再制造壽命周期理論，將再制造過程中的知識(shí)按生產(chǎn)過程依次進(jìn)行提取，為方便在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的使用，將提取的知識(shí)歸為3類，即再制造產(chǎn)品全生命周期知識(shí)庫、材料知識(shí)庫、工藝分析知識(shí)庫，其中工藝知識(shí)庫包括從拆、卸、檢驗(yàn)和再制造加工過程提取的失效知識(shí)與從再制造加工和裝配過程提取的修復(fù)工藝知識(shí)。再制造生產(chǎn)過程知識(shí)的提取如圖3所示，各類知識(shí)分別進(jìn)入不同的知識(shí)庫進(jìn)行存儲(chǔ)與更新，同時(shí)指導(dǎo)再制造過程的進(jìn)行。

圖3 再制造過程知識(shí)的提取

2 多色集合理論

多色集合理論［11］是一種新型的信息處理工具。利用多色集合理論建模仿真可以應(yīng)用形式上相同的數(shù)學(xué)模型仿真不同的設(shè)計(jì)、工藝過程和生產(chǎn)系統(tǒng)，使仿真系統(tǒng)更加具有柔性，從而為建立產(chǎn)品全壽命信息處理自動(dòng)化系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。多色集合理論的特點(diǎn)是：算法簡(jiǎn)單，編程方便，易于向復(fù)雜系統(tǒng)拓展；模型中不僅包括特征，而且包括性質(zhì)、屬性、參數(shù)和指標(biāo)等；不僅可以表示數(shù)據(jù)量，而且可以表示自然語言量和模糊量。因此本文采用多色集合理論對(duì)再制造質(zhì)量知識(shí)迭代學(xué)習(xí)過程進(jìn)行信息建模。

在多色集合中，集合 A=｛a1，a2，…，ai，…，an｝整體本身和它的組成元素被同時(shí)涂上不同的“顏色”，用來表示研究對(duì)象和它的元素的性質(zhì)。普通集合A的元素是多色集合的元素。與集合A整體相對(duì)應(yīng)的顏色記為F（A），其組成為：

式中：F（A）為多色集合的統(tǒng)一著色；Fj（A）為多色集合的第j個(gè)統(tǒng)一顏色，可簡(jiǎn)記為Fj。

與每個(gè)組成元素ai∈A相對(duì)應(yīng)的顏色集合記為F（ai），其組成為：

式中：F（ai）為元素 ai的個(gè)人著色；fj（ai）為元素 ai的第 j個(gè)個(gè)人顏色，可簡(jiǎn)記為fj。

多色集合的統(tǒng)一著色F（A）和元素ai的個(gè)人著色F（ai）都包含在統(tǒng)一的顏色集合（布爾矢量空間）F中，即：

在用多色集合為復(fù)雜對(duì)象（或系統(tǒng)）建模時(shí)，多色集合的第j個(gè)統(tǒng)一顏色Fj（A）和元素ai的第j個(gè)個(gè)人顏色fj（ai）分別對(duì)應(yīng)于對(duì)象A和元素ai的第j個(gè)性質(zhì)。

每一個(gè)元素ai的個(gè)人著色F（ai）的并集定義為所有元素的個(gè)人著色 F（a），即：

組成多色集合的元素的個(gè)人顏色的存在是統(tǒng)一顏色存在的首要原因。

3 基于多色集合理論的再制造生產(chǎn)過程迭代學(xué)習(xí)模型

多色集合理論的基本模型有3種：多色集合圍道矩陣+多色圖模型；UML+多色集合集成模型；多色集合層次結(jié)構(gòu)模型。本文利用多色集合圍道矩陣+多色圖模型+多色集合層次結(jié)構(gòu)模型對(duì)再制造生產(chǎn)過程進(jìn)行信息建模，設(shè)計(jì)再制造生產(chǎn)過程迭代學(xué)習(xí)模型。

3.1 基于多色集合理論的再制造生產(chǎn)過程知識(shí)庫的建立

3.1.1 分解再制造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

為了提取每一零部件的知識(shí)，并用知識(shí)表示零部件及其之間的關(guān)系，必須分解再制造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型。本文在此按產(chǎn)品的物料清單（Bill of Material，BOM）結(jié)構(gòu)分解再制造加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)。一是有利于再制造產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)原制造設(shè)計(jì)，直接進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)；二是有利于再制造產(chǎn)品材料及結(jié)構(gòu)批量配置。通過BOM結(jié)構(gòu)分解構(gòu)造了產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)模型，在此模型基礎(chǔ)上可以對(duì)零部件的知識(shí)進(jìn)行提取與學(xué)習(xí)。

3.1.2 基于多色集合圍道矩陣+多色圖模型的再制造生產(chǎn)過程知識(shí)表達(dá)

在分解完產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型之后，根據(jù)1.2中歸納的知識(shí)類別，建立零部件的知識(shí)庫。為了設(shè)計(jì)及工藝方案的有效形成，采用多色集合圍道矩陣+多色圖模型建立再制造生產(chǎn)過程知識(shí)庫，分別搜集并積累再制造過程的全生命周期知識(shí)庫、材料知識(shí)庫、工藝分析知識(shí)庫中各類知識(shí)集合，在BOM樹的基礎(chǔ)上，通過圍道組成矩陣 F（∏）=［F×B］和工裝元素關(guān)聯(lián)圖 G=（B×C）建立各類知識(shí)間的關(guān)系連接。其中｛F｝為圍道集合，｛B｝為知識(shí)元素集合，｛C｝為關(guān)聯(lián)圖中的布爾矢量矩陣，取值1代表存在關(guān)聯(lián)，取值0代表不存在關(guān)聯(lián)。在利用多色集合和多色圖對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析時(shí)，要用圍道的概念來替換純數(shù)學(xué)的“顏色”這一術(shù)語。顏色是數(shù)學(xué)意義上的術(shù)語，圍道概念是諸如性質(zhì)、屬性、參數(shù)、特征和指標(biāo)等技術(shù)概念的抽象和概括。

3.1.3 建立迭代學(xué)習(xí)層次結(jié)構(gòu)模型

對(duì)再制造加工對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解后得到產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)模型，本模型除了用于設(shè)計(jì)和批量配置，還需要設(shè)計(jì)層次及關(guān)系標(biāo)識(shí)，以利于產(chǎn)品知識(shí)的學(xué)習(xí)，以減少生產(chǎn)中的不確定性?；诙嗌侠碚搶?duì)傳統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行3方面的改進(jìn)和擴(kuò)展。

一是增加了節(jié)點(diǎn)顏色。將節(jié)點(diǎn)及其顏色以有序?qū)Φ男问奖硎緸椤碏［A（k，ik，jk-1）］，A（k，ik，jk-1）〉，其中，A（k，ik，jk-1）表示第 k 層第 ik個(gè)節(jié)點(diǎn)，其父節(jié)點(diǎn)為第 k-1層的第 jk-1個(gè)節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)［A（k，ik，jk-1）］表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn) A（k，ik，jk-1）的顏色，它描述了節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)、參數(shù)等屬性，零部件的可再使用性、可修復(fù)性、修復(fù)及加工特性均由顏色進(jìn)行標(biāo)示。

二是增加約束關(guān)系。標(biāo)識(shí)零部件間的直接及間接關(guān)系，包括：相鄰層節(jié)點(diǎn)顏色之間的直接約束關(guān)系采用多色集合中布爾矩陣［F（a）×F（A）］進(jìn)行描述與推理；最底層節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)的顏色之間的直接約束關(guān)系用［A×F（A）］進(jìn)行描述與推理；同一層節(jié)點(diǎn)顏色之間的間接約束關(guān)系用［F（A）×F（A）］進(jìn)行描述與推理；最底層節(jié)點(diǎn)之間的間接約束關(guān)系用［F（a）×F（a）］進(jìn)行描述與推理；相鄰層節(jié)點(diǎn)顏色之間的間接約束關(guān)系用［F（a）×F（A）］進(jìn)行描述與推理；最底層節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)顏色之間的間接約束關(guān)系用［A×F（A）］進(jìn)行描述與推理。

三是對(duì)不同的關(guān)系類型涂上不同的顏色。如果把不同關(guān)系類型的不同著色看作不同邊的著色，則邊與該邊代表的約束類型之間的關(guān)系可采用多色集合中布爾矩陣［A×F（a）］進(jìn)行描述。

層次結(jié)構(gòu)模型從結(jié)構(gòu)分解和約束條件兩方面對(duì)具有層次結(jié)構(gòu)且存在多種約束的問題進(jìn)行了形式化描述，當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)新的知識(shí)及新的約束時(shí)，要對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行更新，至此便完成了再制造生產(chǎn)過程知識(shí)庫的設(shè)計(jì)。

3.2 再制造生產(chǎn)過程的迭代學(xué)習(xí)模型

在3.1進(jìn)行完知識(shí)庫設(shè)計(jì)之后，為了實(shí)現(xiàn)利用知識(shí)庫的迭代學(xué)習(xí)過程，設(shè)計(jì)迭代學(xué)習(xí)模型，迭代學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。針對(duì)回收后的廢舊產(chǎn)品利用四大知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行分析，結(jié)合用戶需求，調(diào)研知識(shí)庫中設(shè)置的零部件知識(shí)表示，尋求產(chǎn)品的加工工藝路徑，找到可選方案后便存入實(shí)例庫中，實(shí)例庫存放了歸類的產(chǎn)品工藝方案，通過此過程不斷進(jìn)行知識(shí)方案的積累，同時(shí)案例庫中產(chǎn)生的新的知識(shí)補(bǔ)充到四大知識(shí)庫中，如此形成知識(shí)的迭代學(xué)習(xí)過程。

圖4 再制造生產(chǎn)知識(shí)迭代學(xué)習(xí)過程

4 案例分析

以再制造發(fā)動(dòng)機(jī)部分加工工藝方案設(shè)定為例，介紹再制造生產(chǎn)過程知識(shí)迭代學(xué)習(xí)過程。首先對(duì)回收的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解，發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸體、缸蓋、曲軸、連桿、凸輪軸等零部件組成。根據(jù)BOM樹分清零部件的層次結(jié)構(gòu)及內(nèi)部約束關(guān)系，以 F（J）=（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)10）代表氣缸體信息的統(tǒng)一顏色，F(xiàn)1～F4為尺寸信息，F(xiàn)5～F10為失效信息，J=（j1，j2，…，j5）為加工工藝信息，F(xiàn)=（f1，f2）是失效信息的各個(gè)個(gè)人顏色。建立氣缸體加工的圍道矩陣如圖5所示。

圖5 氣缸體加工的圍道矩陣

在布爾矩陣中，如果 Fj∈F（Ji），則 Cij=1（｛C｝為關(guān)聯(lián)圖中的布爾矢量矩陣，取值1代表存在關(guān)聯(lián)，取值0代表不存在關(guān)聯(lián)）， 否則，Cij=0 （1≤i≤5，1≤j≤10），因此第一行的布爾矢量為（1,0,0,0,0,1,0,1,0,0），其它類同。按照此方法建立零部件的多色集合模型，并通過多色集布爾矢量運(yùn)算建立約束關(guān)系，按照?qǐng)D4模型進(jìn)行算法迭代，從而實(shí)現(xiàn)加工工藝方案的制定。

5 結(jié)論

多色集合理論建立的零件信息模型和加工系統(tǒng)模型在形式上完全統(tǒng)一，信息的描述方法也完全相同，因此利用多色集合模型為再制造加工系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)建模，通過迭代學(xué)習(xí)過程減少不確定因素對(duì)生產(chǎn)過程的影響，此方法能夠通過知識(shí)的累積，快速實(shí)現(xiàn)工藝方案的制定和對(duì)產(chǎn)品及加工過程的認(rèn)識(shí)。

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