扩散制造联盟构建过程研究

安 波 廖文和 郭 宇 刘骄剑

南京航空航天大学,南京,210016

扩散制造联盟构建过程研究

安 波 廖文和 郭 宇 刘骄剑

南京航空航天大学,南京,210016

针对扩散制造这种面向武器装备等复杂产品网络化制造模式,提出了扩散制造联盟构建方法,给出了网络化制造耦合性等相关概念,并提出了基于降耦及升耦的扩散联盟构建策略;分析扩散任务相关性,建立扩散任务相关性矩阵;分析扩散资源相关性,确定资源配置优化目标,实现了扩散资源升耦优化配置,完成了扩散联盟的构建;描述了某型号扩散制造在扩散联盟构建平台上的应用,验证了扩散联盟构建过程的可行性和实用性。

扩散制造联盟;耦合性;相关性;升耦;降耦

0 引言

网络化制造是现代制造业发展趋势之一,并针对特定需求衍生出多种网络化制造组织形式,如虚拟企业[1]、基于ASP的网络化制造模式[2]、协同制造链[3]等。但上述制造模式多为“松耦合”管理,强调合作企业的自主性和自治性,往往存在生产过程安全保密措施不到位、进度无法及时了解、质量问题无法跟踪等问题,不能满足战时大型复杂武器装备快速响应、制造过程可控、可测、可靠的要求。扩散制造[4]联盟正是基于解决上述问题而建立的新型网络化制造模式。本文从资源配置的角度提出一种全过程可控的扩散联盟方法,将耦合性概念引入扩散制造模式,分析了扩散制造节点间的耦合特征,提出了基于降耦策略和升耦策略的资源配置解决方案,亦即相关关系紧密的制造任务由相关关系紧密的资源进行制造,最终建立扩散制造联盟。

1 基于耦合性的扩散制造联盟

1.1 相关概念

目前国内外研究基于耦合性的复杂产品设计任务规划的人员较多[5-7],而涉足制造耦合性研究的人员则较少,为了更清晰、明确地论述扩散制造耦合特性及扩散制造联盟结盟过程,本文首先定义以下相关概念:

定义1 网络化制造耦合性 网络化制造的生产任务由异地制造资源协同完成,由于各企业的组织结构、生产习惯、信息化平台以及地域上的差异,使得原本在单独企业内的连续制造过程,移植到网络上后被拆分为若干离散的制造节点。两个(或两个以上的)制造节点间相互作用,而彼此影响整个制造系统的现象即为网络化制造耦合性。

定义2 扩散资源 分布在扩散企业,能够承担某项扩散制造任务的生产组织和生产要素,按照任务粒度大小的不同,扩散资源分为企业级、单元级、设备级等不同层次。

定义3 扩散节点 实施扩散制造过程中,复杂产品的制造被分解为若干制造任务,并分配到具有加工能力的外部企业进行生产,外部资源与其制造任务相互匹配的称为制造节点。由定义可知,制造节点由制造任务、制造资源两部分组成,可形式化定义为

式中,MNi为制造节点;MTi为制造任务;MRi为制造资源。

1.2 扩散制造耦合性分析

网络化制造耦合性的产生是由制造任务的离散分布导致的,扩散制造作为面向大型复杂武器装备的网络化制造模式,制造节点间的相互影响程度更强,耦合特性表现得更为突出,其原因有以下两点:

(1)制造过程复杂。由于军方对保密、产品质量、生产进度方面的要求,各级供应商都应纳入扩散制造体系,构建全过程可控的扩散联盟。各扩散资源承担不同粒度的扩散任务,原材料、半成品、成品在制造节点间流动,层层交付,相互交织,形成庞大而复杂的扩散制造网络。

(2)制造任务复杂。大型复杂产品的研制是一个巨大、复杂且技术密集的系统工程。如构成飞机的零件数目多达数百万,零件的制造不仅要保证自身质量达到要求,而且还要满足不同粒度制造任务间的相互协调关系,如同一零件不同加工工序的加工协调关系、零部件间的装配协调关系。

复杂的制造过程和任务使得复杂产品在扩散制造过程中的物料、信息交互量要远远大于一般的网络化制造模式,如图1所示。

图1 扩散节点物料、信息传递示意图

首先主企业向制造资源发布任务数据包,包括生产起止时间、工艺数据、质量要求等;资源在生产过程中实时向主企业反馈生产进度、质量检测数据;主企业对数据进行分析,并迅速发出调整指令,以保证整个扩散系统的正常、顺利运行。再者,在扩散制造实施过程中,为保证物料、信息及时准确地在节点间传递,扩散节点间需要相互沟通协调,确保生产进度协调一致及产品质量满足要求。庞大的信息、物料传输对主企业的制造过程控制以及节点间的配合造成了诸多困难。倘若某一中间环节出现扰动,必定会影响其他节点的任务进度及完成质量,甚至影响整个扩散制造的正常实施。

因此,关系紧密的扩散任务有必要匹配关系紧密的制造资源形成扩散制造节点,使节点间的耦合性更强。信息沟通、物料流转更加顺畅,有利于产品的制造、装配、功能调试以及后续的维修工作,也有利于降低不确定扰动对制造过程的影响,保证扩散制造在运行过程中的稳定状态和持续生产能力,提升扩散制造过程的可靠及可控性。

然而,扩散任务间相关关系复杂,相关强度也参差不齐,如何合理处理任务间的复杂关系,以及如何进行相关资源配置则是构建扩散联盟的两个关键问题。扩散降耦策略亦即对制造任务弱相关关系进行分析,对相对弱的关系进行撕裂,形成“内紧密、外松散”的任务集,以降低制造节点间的耦合度,降低控制策略复杂性,提高任务执行的独立性和并行性。扩散资源升耦配置则是在降耦完成的基础上实现基于资源相关性的扩散资源配置,为同一任务集的扩散任务选择关系紧密的制造资源,构建紧耦合的扩散制造联盟。

2 扩散制造结盟过程

2.1 任务-资源匹配

零部件种类繁多、制造过程复杂,使得一个制造企业没有能力单独承担一个零件或部件的加工,这也决定了扩散制造任务呈现多粒度(部件、组件、零件、工序级任务)的特点,如图2所示。本文用MTi(i=1,2,…,nT)表示扩散任务,nT为扩散任务的总数。根据扩散任务的具体加工需求,通过扩散制造系统检索相应的制造资源,具备该任务加工能力的资源可能有若干个,分布在不同的扩散企业内,任务-资源形成1对多的匹配关系,如图2中的 ①所示。本文用MRi_p(p=1,2,…,n R)表示第p个具备MTi制造能力的扩散资源,n R为扩散资源的总数。

2.2 扩散降耦策略

降耦策略包括两个步骤,分别为扩散任务相关性分析和扩散任务分解,如图2中的 ②所示。

2.2.1 任务相关性分析

扩散任务间的复杂相关关系是使扩散系统产生耦合性的原因,为了明确说明任务相关性,本文将相关关系分为两类进行说明。

图2 扩散制造联盟构建过程示意图

第I类为物料传递关系。即不同粒度任务完成后在扩散企业间传递以进行下一步零件加工、部件装配任务。fij∈{0,1}表示物料间的传递关系,fij=0,表示任务i、j无流动关系;fij=1,表示任务i完成后转向下一任务j。

第II类为除物料传递关系外的任务相关关系。

协调配合关系 各种产品或部件都是许多零件有条件地装配在一起的,需考虑定位、连接、尺寸大小和装配顺序等,有装配关系的零部件间相关关系紧密。

加工工序关系 由于复杂零件的加工复杂性,在很多情况下需要异地转包加工,同一零件的各工序级加工任务间存在紧密的相关关系。

功能实现关系 共同实现产品某一子功能的零部件生产任务间相互协调配合,以完成能量转换、信号转化、力的传播,以及其他功能干涉,关系紧密。

I T mij表示扩散任务i、j第II类相关度评价标值,m=1,2,3,分别为协调配合关系、加工工序关系和功能关系,视其重要或密切程度,并参考文献[8]中的6分划分标准,设为I T mij∈{无关系,弱,较弱 ,中 ,较强,强}={0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},其中,第 Ⅱ类相关值可表示为

式中,rTij为扩散任务i、j间第 Ⅱ 相关度值;ωTm为相关关系权重,m=1,2,3。

由第 Ⅰ维及第 Ⅱ维相关关系共同建立扩散任务i、j间的相关性模型,第一象限内是 fij,表示物料在任务间的流向;第二象限内是I T ij,表示协调配合、加工工序以及功能相关关系的强度值,如图3所示。

图3 扩散任务相关模型

例如有7个任务,0为主企业总装任务;1为部件级任务,2、3为该部件的零件,受交货期限或加工能力限制需继续扩散到下一级扩散资源进行生产,完成后转移到部件生产企业,以完成部件的装配;4为零件级任务,5、6为零件4扩散出去的工序级任务,交由外部扩散资源进行加工。

扩散过程可由有向图表达,如图4所示。图4中,实线箭头方向表示任务完成后的物料传递流向,而具有第 Ⅱ类相关关系的任务间则用虚线连接。相关性模型矩阵如图5所示。

图4 扩散任务相关有向图

2.2.2 扩散任务分解

本节对任务耦合模型中第 Ⅱ类相关关系进行模糊聚类[9],即关系较强的任务划为一类,而关系较弱或没有关系的任务则作为独立任务进行处理,形成“内聚集、外松散”的任务集,实现了基于任务相关性的扩散任务分解。第 Ⅱ类相关值也由数字型转化为布尔型,即r′T ij∈{0,1},任务间关系紧密,r′T ij=1;关系松散,则 r′T ij=0 。

图5 扩散任务矩阵模型

如图4a所示的7个扩散任务经过降耦优化后,撕裂了2-4,4-7,1-7之间的相关关系,而任务7则为独立任务,最终完成扩散任务的分解,形成3个任务集{1,2,3},{4,5,6},{7}。其矩阵分解过程如图6所示。

图6 第Ⅱ类相关性矩阵分解过程示意图

2.3 扩散升耦策略

扩散升耦策略是在降耦完成的基础上,考虑任务相关性及制造资源相关性因素,设定优化目标,实现扩散资源配置,完成扩散联盟的构建。升耦策略也分为两个步骤,即资源相关性分析及资源优化配置,如图2中的 ③所示。

2.3.1 制造资源相关性分析

主企业选择相关性强的制造资源组成联盟,将其纳入主企业的制造体系,这是提高制造节点间耦合性、增强制造过程可控性和可靠性的有效手段之一。本文从行业、隶属、历史合作、地理位置及自身制造能力描述资源相关性。

行业关系 行业相近的企业间的专业人员、设备、数字化平台等资源类型和生产习惯会有较大的相似性。接到任务后,在对原有条件不做太大改动的情况下,能迅速实现转产,达到快速响应的目的。根据国家质量监督检验检疫总局发布的《国民经济行业分类》(GB/T4754-2002)建立行业结构树,如图7所示。

图7 行业分类结构树

隶属关系 存在隶属关系的资源间有相同的上级主管,便于在实施扩散制造的过程中沟通协调,有利于问题的快速查找、解决,保证扩散过程的顺畅,图8所示为隶属关系结构树。

图8 隶属关系结构树

参照行业相关性值的求解方法,求得MRi_p与MR j_q隶属相关值r S(i_p,j_q)。

历史合作关系 主企业对以往合作过的扩散企业完成的历史任务从交付时间、完成质量及价格等方面进行评价,历史合作相关性反映了扩散企业间合作关系的良好程度及潜在的再次合作的可能性,按照专家打分的方法,MR i_p与MR j_q历史合作关系的评价值rC(i_p,j_q)由低到高依次为{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1};

地理位置关系 地理位置也是影响企业间合作的因素,两个扩散企业间的地理位置越近,在一定程度上越能缩短运输时间,节约运输成本;反之,越增加运输时间和运输成本。制造资源MRi_p到MRj_q的运输时间和运输成本分别为t Tr(i_p,j_q)、c Tr(i_p,j_q)。

制造资源自身能力是确定合作意愿强弱的关键因素之一,能力越强,主企业选择其进行合作的机会越大;反之,合作机会越小。本文给出3个评价企业自身能力的指标: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)分别为承担扩散任务i的制造资源MRi_p的加工时间、加工成本和加工产品合格率。

2.3.2 资源升耦配置

传统的网络化制造资源配置过程多考虑地理位置{tTr(i_p,j_q)、cTr(i_p,j_q)}、企业制造能力{tM(i_p),c M(i_p),q M(i_p)}等因素,在本文中将这些因素也列为制造资源的相关特性,并在此基础上增加了资源行业、隶属以及历史合作相关性的指标,使得升耦优化配置成为一个更为复杂的多目标优化问题。

主企业选择扩散企业时,需要考虑扩散制造资源的产品加工质量、时间和成本等指标;此外,主企业与制造资源的横向相关程度也是需考虑的重要因素。承担所有任务MTi的扩散资源MRi_p与主企业的横向相关程度可表示为

经过降耦优化后,形成多个内耦合、外松散的扩散任务集,对于集内任务(r′Tij=1)进行升耦优化,提高制造节点间的耦合程度。承担相关任务的资源间需有较强的相关性,便于资源间相互协调,保证产品的质量和进度,所有相关任务选择的扩散资源MRi_p、MRj_q的横向相关性可表示为式中,ωm(m=1,2,3,4)分别为主企业选择指标、制造资源相关性指标、运输时间和运输成本的权重;ω1m分别为制造资源与主企业的相关性评价、加工时间、加工成本和质量的权重;λ1m为标准化系数。时间约束为

扩散资源p承担任务i的时间ti应小于任务的计划最早开始时间Si和最晚交付时间Ei。成本约束可表达为

扩散任务加工成本cMi_p和运输成本cTr(i_p,j_q)的总和应小于项目计划成本总和C。

3 扩散联盟构建平台应用

利用VB.Net进行了系统实现,开发了扩散制造资源配置系统,包括主企业对任务的录入、扩散企业录入资源信息、扩散任务分解以及升耦配置功能。现以某型号飞机零部件实施扩散制造生产说明资源配置系统运行过程。如图9所示,某型号机翼扩散生产的部分零部件有蒙皮、机翼、摇臂、弹簧、副翼、伺服补偿器、拉杆、发动机、发动机机架、襟翼、发动机叶片。

图9 某型号机翼结构图

首先,对待扩散制造任务的相关性进行分析,根据任务相关性准则建立相关性矩阵,如图10所示;然后利用降耦分解方法,消除弱耦合关系,解耦后的扩散任务聚集为{1,2,5,10},{3,4,6},{8,11},{7},{9}。

图10 扩散任务相关性矩阵

扩散资源配置过程包括两个部分:①录入已注册资源的相关信息,除基本T、C、Q之外,还有行业、隶属、合作及地理位置等,以确定资源间的相关度值,表1为承担任务1、2的2个资源间的相关关系;②通过在配置平台上进行扩散制造资源的升耦配置,实现扩散任务与制造资源的紧耦合匹配,建立了面向某飞机型号的扩散制造联盟。扩散联盟构建成功后,各参与资源可使用平台所提供的项目协作管理工具,进行进度监控、工艺协同,完成整个扩散联盟的正常运行。

表1 MR1_1与 MR 2_1相关关系

4 结束语

本文研究了现有的网络化制造模式后,针对武器装备等复杂产品的异地协同制造特征,给出了网络化制造耦合性概念,分析了扩散制造耦合性的特征;通过扩散制造降耦分解、升耦配置策略,完成了基于耦合性的扩散制造联盟构建,并开发了资源优化配置系统,本项目已在上海某航天所进行了验证,实现了13类零部件的快速扩散制造。扩散制造耦合模型的建立及其演化,为复杂产品网络化制造过程分析提供了更为丰富的途径,可以指导扩散制造资源优化配置,提高其合理性和科学性。

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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”国防基础科研项目

(编辑 何成根)

安 波,男,1981年生。南京航空航天大学机电学院博士研究生。主要研究方向为CAD/CAPP/CAM、制造业信息化。发表论文5篇。廖文和,男,1965年生。南京航空航天大学机电学院教授、博士研究生导师。郭 宇,男,1972年生。南京航空航天大学机电学院副教授。刘骄剑,男,1985年生。南京航空航天大学机电学院博士研究生。