復雜產品離散制造過程信息追溯模型研究*

梁軍義，李智皓，劉 偉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111)

0 引言

ISO9001：2015標準對產品標識和可追溯性做了明確規定，生產過程中的產品需要輸出唯一標識來保障產品的可追溯性。可追溯性有利于公司和客戶鑒別產品、追溯其制造過程信息和原料來源，并能夠與制造過程歷史記錄關聯。產品的可追溯性有助于保障產品安全，在發現產品質量問題時企業能夠快速定位問題產品范圍并采取必要的行動[1]。

復雜產品具有研發成本高、規模大、技術含量高、單件或者小批量定制化、集成度高的特點，它包括大型通信系統、航空航天系統、大型船只、電機網絡控制系統、高速列車、大型武器裝備等，與現代工業休戚相關，直接影響到一個國家的綜合國力和核心競爭力[2]。復雜產品通常為離散型制造，生產過程中包含著較多的變化和不確定性因素[3-4]，生產數據類別繁多且分散，這對制造過程追溯的深度和完整性有較大影響。

近年來，在復雜產品制造過程管理方面研究眾多，無論是從硬件方面還是在軟件方面都取得了不少成果。文獻[5-6]通過對制造過程中產品采用RFID和條碼進行標識，實現了在物料跟蹤、質量控制與追溯、生產過程控制、在制品管理等方面的管理。文獻[7-8]研究了使用MES軟件技術，通過記錄制造過程信息，根據物料的批次或者序列號進行信息回查。目前對離散制造過程信息研究多集中在以物料標識為主導，數據采集為前提來實現物料信息回溯。從復雜產品生產全過程出發，研究制造過程信息間的關系、制造過程信息與產品之間的關系以及產品制造過程信息追溯模型的還比較少，本文結合離散制造過程作業特點，著眼制造過程可追溯性、信息完整性，通過對追溯信息建模以及追溯過程建模來研究復雜產品離散制造過程信息追溯的實現。

1 離散制造過程信息分析

離散型制造產品的生產過程通常被分解成多個工序來完成，工件從一個工位到另一個工位進行不同類型的工藝處理。作業工序之間、作業順序之間都有約束限制，制造過程信息涵蓋人、機、料、法、環各方面要素[9]。一定時間內同一生產線上可能同時生產多個品種的產品，產品從原材料投入到產成品交付整個生產過程如圖1所示。

圖1 離散制造過程工藝流程圖實例

復雜產品離散制造過程生產任務較多，且存在混流生產，產品的多樣性造成了離散制造過程涉及的信息種類繁多，而且各信息的聯系比較復雜[10]，最終導致生產過程信息追溯難度大。復雜產品離散制造過程管理是圍繞產品及其變化過程展開的，產品的變化過程(形態變化、位置變化、價值增值等)衍生了其他信息，如何將復雜產品物料信息與其制造過程信息進行關聯是實現可追溯的關鍵。圍繞離散制造過程產品的形成過程，可以將離散制造過程信息分為4大類：產品信息、生產作業信息、制造資源信息、作業反饋信息。

(1)產品信息是指制造過程中相關的產品或者零部件的物料屬性信息，包括物料編碼、圖號、型號等。此類信息在制造過程中屬于靜態類信息，只與物料本身有關系。通過對產品信息的追溯可以確定物料設計、工藝、制造來源。

(2)生產作業信息是組織生產作業的載體，離散制造過程中由于各部件產品非連續性制造，通常以制造物料清單(Manufacturing BOM，MBOM)對整個制造過程進行切割，并以工單的形式來體現具體部件的生產作業內容。生產作業信息涵蓋了離散制造過程物料的投入和產出、工藝輸入、質量參數要求、生產計劃的執行和關閉等。

(3)制造資源是從最初的原材料投入到最終產品交付涉及的所有資源的統稱。制造資源信息按照其用途可分為工藝資源信息、人力資源信息、工位資源信息、物料資源信息。制造資源信息反映了產品利用何種工藝作業、由誰執行、使用何種工藝裝備、采用了何種物料生產的。

(4)作業反饋信息是指產品在生產線上從開始到結束，經過生產作業后產品形態、功能變化所衍生的信息，不僅包括產品的零部件組成結構信息、質量特性信息的反饋，還包括生產異常、工程變更、質量事件的反饋信息。通過作業反饋信息可以追溯到產品本身的質量特征以及生產過程中相關的變更記錄，是產品制造過程回溯的重要組成部分。

2 基于作業活動驅動的追溯信息單元結構

2.1 追溯信息單元

離散制造企業的運作和管理圍繞產品及其變化過程展開，生產管理正是通過對產品信息的處理、分析來決策對實體物流實施何種動作[11]。為了完整表述產品在生產線上各環節制造過程數據，并對數據進行結構化表達，本文提出了基于最小作業集的“追溯信息單元”概念，追溯信息單元(Traceability Unit，TU)以最小作業集切割，每個追溯信息單元包括產品作業集合相關的資源信息及其生產狀態信息，且每個追溯信息元通過物料演繹關系進行鏈接。相關定義如下：

定義1：產品——產品指在制造過程中的物料經過工藝裝配、加工等生產作業活動的演繹結果，零件、部件、產成品都是產品特定階段的演繹狀態，記作P。

定義2：最小作業集——離散生產中為了達到產品P特定品質特性所包含的作業集合，記作W。

定義3：制造資源——最小作業集W執行過程中所使用的物料資源、工藝資源、工位資源、人力資源信息等，制造資源記作R。

定義4：作業反饋——生產作業執行中各作業狀態記錄的集合，包括質量狀態、異常狀態、變更狀態、指標狀態等，記作S。

因此追溯信息元表達式為：

2.2 追溯信息單元體系構建

追溯信息單元描述了最小作業集合的追溯信息構成，產品在離散作業過程中根據工藝路線，在不同的作業單元上進行作業流轉，每個作業單元上都會產生相應的追溯信息單元，追溯信息單元中的Pi為該作業單元Wi的產出物料信息，當產品Pi流轉到下一作業單元Wi+1時，其作為Ri+1的物料資源進行投入，并產生新的產出物料信息Pi+1，最終形成該產品的追溯信息單元鏈式結構，如圖2所示。

圖2 產品追溯信息單元鏈式結構

產品追溯信息單元鏈式結構中TUi代表該產品的某個追溯信息單元，各追溯信息單元通過產品的演繹關系進行鏈接，每一個鏈接對應著一個生產作業活動。基于產品的生產作業活動將離散的作業信息進行歸集，在鏈式結構上的每一個節點為一個追溯信息單元，通過追溯信息單元可追溯該生產過程過程產品信息、工序信息、投入資源信息以及作業反饋信息。

3 制造過程信息追溯模型構建

3.1 制造過程信息模型

信息模型是指從信息的角度對過程進行描述，其目標是用面向對象的方法刻畫企業數據和過程信息[12]。ISO10303-21:2002提出的EXPRESS-G是數據的一種形式化表達語言，廣泛應用于機械、制造、航空航天、工藝等產品制造領域[13]。為了描述制造過程信息實體各要素的關系，選擇EXPRESS-G表達語言對復雜產品離散制造過程中的產品信息、生產作業信息、制造資源信息、作業反饋信息進行建模。

3.1.1 產品信息模型

復雜產品離散制造過程可追溯性管理的出發點是基于物料的，制造過程中的產品指參與生產過程的各類物料的統稱[14]。為了實現對產品靜態屬性和業務動態屬性的追溯，構建產品信息模型如圖3所示。產品信息模型包括物料信息對象和項目信息對象，通過物料信息對象能夠追溯設計階段的設計屬性，例如物料編碼、圖號、材質、型號等。通過物料的業務動態屬性，可追溯該物料的項目信息，并且能夠和制造過程形成關聯。

圖3 產品信息模型

3.1.2 生產作業信息模型

生產作業是指將投入的制造資源轉化為最終產品的相關活動[15]。離散制造過程中的作業活動從與產品的直接關聯程度可分為生產性作業和非生產性作業。生產性作業與產品直接相關，例如產品的加工、組裝作業等，生產性作業描述了產品是由物料通過作業工序按照特定要求生產的過程信息，因此生產性作業包含了產品信息、作業工序信息、物料信息；非生產性作業與產品生成不直接相關，例如工位上料、作業點檢等。生產作業信息在執行時通過工作單號進行標識，通過工作單號可追溯生產作業環節具體的信息，生產作業信息模型如圖4所示。

圖4 生產作業信息模型

3.1.3 制造資源信息模型

生產制造是生產企業整合相關的生產資源，按預定目標進行系統性地從前端概念設計到產品實現的物化過程。制造資源信息是復雜產品離散制造過程追溯信息的重要組成部分，通過EXPRESS-G語言對制造資源進行描述，包括工藝、工位、人員、物料資源屬性，如圖5所示。

圖5 制造資源信息模型

3.1.4 作業反饋信息模型

作業反饋信息是生產制造過程中各種過程要求、過程狀態、生產性能的描述和記錄。從生產制造角度而言，作業過程是生產活動、檢驗活動、異常處理、變更處理綜合作用的過程，作業反饋信息模型如圖6所示。作業反饋信息反映了生產制造活動中各類信息的收集、傳遞和處理狀態。通過作業反饋信息模型能夠對生產制造過程中各活動的反饋進行記錄，并與生產作業進行關聯，使之可追溯到作業過程中生產異常狀態、質量事件、質檢記錄、變更執行狀態等作業反饋數據。

圖6 作業反饋信息模型

3.2 離散制造過程追溯模型

離散制造過程追溯信息單元不僅描述了各類型的追溯信息，同時還反映了具體生產過程投入物料和產出物料的演繹關系。以生產過程各生產作業物料演繹關系為主線，在生產過程中，通過為產品在生產過程中賦予一個唯一的身份識別碼，形成追溯標識基礎，每一個身份識別碼都能夠對應一個追溯信息單元，依據產品追溯信息單元鏈式結構可推導出以產品裝配結構為骨架、追溯信息單元為附屬的樹形結構模型，如圖7所示。通過該模型可以追溯每一個作業的追溯信息單元。

圖7 產品離散制造過程信息追溯樹形結構

樹形結構為非線性的數據結構，支持自頂向下(Top to Down)和自底向上(Bottom to Up)操作。自頂向下是“尋子”過程，可追溯該產品的物料結構組成以及各物料制造過程中生產作業信息、作業過程中的資源信息以及作業完成后作業反饋信息；自底向上是“尋根”過程，通過某一作業信息追溯其影響的產品范圍，例如通過某原材料標識追溯該原材料分布在哪些具體的產品中。自頂向下追溯和自底向上追溯實現了追溯的深度和廣度，基于制造過程信息追溯樹形模型，產品在制造過程或者交付運行后發生質量問題，可以通過產品制造過程信息追溯樹快速確定產品物料屬性，例如產品設計圖號、版本等，通過產品信息追溯模型，準確回溯產品制造過程所應用的工藝參數、物料構成、質量屬性、異常狀態、責任人員等。

4 結論

通過對復雜產品離散制造過程特點研究，結合復雜產品形成過程分析了離散制造過程追溯信息特征，提出了追溯信息單元概念，并構建了追溯信息單元體系。追溯體系實現自頂向下追溯和自底向上追溯，拓展了制造過程追溯的深度和廣度。該模型在某高鐵車輛制造企業制造執行系統中進行了驗證，并取得了良好的效果。本文主要從模型的構建和追溯實現方面進行了研究，對制造過程數據挖掘以及制造過程信息對產品設計優化將是后續的研究課題。