基于車間作業(yè)計(jì)劃的數(shù)據(jù)重用技術(shù)研究

周 旭，徐學(xué)民，李曉閣

（中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著制造業(yè)的市場全球化趨勢的加劇，企業(yè)面臨的市場競爭更加劇烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也急劇加快，企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品的生產(chǎn)流程也會隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代而發(fā)生即時(shí)的變化?，F(xiàn)在企業(yè)由于受市場需求變化的影響，訂單驅(qū)動生產(chǎn)成為制造業(yè)的主生產(chǎn)模式，訂單的完成速度更是決定了一個(gè)企業(yè)命運(yùn)的關(guān)鍵，而決定一個(gè)企業(yè)訂單完成情況的一個(gè)主要因素就是車間作業(yè)計(jì)劃。車間作業(yè)計(jì)劃制定的合理與否直接決定產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度，從而影響企業(yè)訂單的交貨期[1]。

車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃是協(xié)調(diào)企業(yè)日常生產(chǎn)活動的中心環(huán)節(jié)，它根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃規(guī)定的產(chǎn)品品種、數(shù)量及大致交貨期要求對每個(gè)生產(chǎn)單位（車間、班組、工段等），在每個(gè)具體時(shí)期（月、旬、班、小時(shí)等）內(nèi)的生產(chǎn)任務(wù)做出詳細(xì)規(guī)定，使年度生產(chǎn)計(jì)劃得到落實(shí)，是提高車間生產(chǎn)效益的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1]。重用（Reuse）可以簡單理解為有選擇的再利用，然而現(xiàn)在的重用大都指軟件的重用，人們對數(shù)據(jù)方面的重用很少涉獵，數(shù)據(jù)重用體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的繼承性。本文旨在通過研究車間作業(yè)計(jì)劃重用的可實(shí)施性來探討數(shù)據(jù)重用技術(shù)的可行性。本文將采用零件族和零件制造特征模型的思想，對實(shí)例庫中的實(shí)例進(jìn)行分類，有助于提高檢索效率和實(shí)例質(zhì)量。通過過程模型的建立、實(shí)例匹配和檢索等方法來實(shí)現(xiàn)車間作業(yè)計(jì)劃的重用。

1 車間作業(yè)計(jì)劃實(shí)例庫中產(chǎn)品族和零件制造特征模型的建立

1.1 實(shí)例庫中產(chǎn)品族的建立

本文將采用零件族的思想，對實(shí)例庫中的實(shí)例進(jìn)行分類，有助于提高檢索效率和實(shí)例質(zhì)量。產(chǎn)品族是一組具有共同的形狀特征和功能、以一定的市場為目標(biāo)的產(chǎn)品集合。一個(gè)產(chǎn)品集合組成一個(gè)產(chǎn)品族，需要滿足一定的條件，如：產(chǎn)品族中的產(chǎn)品需要具有相同的市場定位和客戶群；產(chǎn)品族中產(chǎn)品需要具有相似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并可以用通用結(jié)構(gòu)來表述；產(chǎn)品族中的產(chǎn)品葉節(jié)點(diǎn)上的零部件具有相似的功能和相同的外部接口關(guān)系[4]。產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)如圖1所示，產(chǎn)品族 P 由類零件 P1、P2和 P3組成。（par1，par2），（par1，par3）和（par3）分別是類零件 P1、P2和 P3的變量集，VAL11和VAL12是變量par1的值，S（P1｜par1=VAL11，par2=VAL21）是類零件P1的一個(gè)實(shí)例子集。

圖1 產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)

1.2 零件制造特征模型的建立

所謂特征是指對象組中表征和區(qū)分某一對象的決定性性質(zhì)，零件制造特征是對該對象描述區(qū)別于其他零件制造過程的特征，零件的制造特征也可以描述為零件的特征。零件特征模型包含了一類零件的特征，基本覆蓋同族或同類零件對象，但要根據(jù)實(shí)際需要突出主要特征，即研究問題所最為關(guān)心的那些特征，而不是對象的全部事物特征。為了與產(chǎn)品族實(shí)例特征進(jìn)行匹配，提高基于實(shí)例推理（Case-based reasoning，CBR）檢索效率及實(shí)例質(zhì)量[4]，本文主要針對零件加工，根據(jù)零件形狀、加工方法和制造資源等對特征進(jìn)行分類，如圖2所示。

圖2 零件制造特征

本文將零件的制造特征分為形狀特征（SF）、加工方法特征（PF）、材料特征（MF）、精度特征（AF）和制造資源特征（RF）五個(gè)方面，其中形狀特征是核心，其他特征都要圍繞著形狀特征進(jìn)行選擇，也可以認(rèn)為其他特征是形狀特征的子屬性或者是為了實(shí)現(xiàn)這種特征形狀的制約因素。形狀特征是指零件上的一組相互關(guān)聯(lián)的幾何元素的集合，幾何元素的形狀和拓?fù)潢P(guān)系滿足一定工藝過程，能夠形成零件的特征形狀。加工方法特征是另一個(gè)重要特征，其表示針對形狀特征并考慮材料特征和精度特征所能夠采用的工藝方法、切削刀具和加工設(shè)備等。一個(gè)制造特征對應(yīng)于一種確定的工藝過程，這兩個(gè)要素共同形成對制造特征的結(jié)構(gòu)和工程語義的描述。制造特征FM可以表示為 FM=（SF，PF，MF，AF，RF）。一個(gè)零件從毛坯到成品的過程需要加工許多形狀特征，零件就是多個(gè)形狀特征的組合體，而車間作業(yè)計(jì)劃的制定就是為了加工這些特征形狀，因此車間作業(yè)計(jì)劃可以表示為這些特征形狀參數(shù)的函數(shù)

對于標(biāo)準(zhǔn)化系列化的零件族，一個(gè)零件特征模型可以用來描述一族零件，零件制造特征值與零件加工之間存在著對應(yīng)關(guān)系，因此，可以采用零件制造的特征數(shù)值來進(jìn)行基于CBR的零件加工作業(yè)計(jì)劃的制定。同樣，零件的制造特征數(shù)值也能夠反映出零件之間的相似程度，利用制造特征數(shù)值來進(jìn)行零件相似性的計(jì)算，以此作為選擇相似實(shí)例零件的匹配與檢索依據(jù)。

2 車間作業(yè)計(jì)劃制定過程模型及相似性計(jì)算

2.1 車間作業(yè)計(jì)劃制定過程模型的建立

由于車間作業(yè)計(jì)劃的數(shù)據(jù)具有重用性，因此，可以采用相似實(shí)例零件的車間作業(yè)計(jì)劃來推算產(chǎn)品族中新零件的加工作業(yè)計(jì)劃。車間作業(yè)計(jì)劃的重用性主要是由其相似性所決定的。從機(jī)械加工角度出發(fā)，零件的相似性主要包括零件特征相似性和制造資源相似性。零件結(jié)構(gòu)特征的相似性在零件族中，盡管其幾何尺寸、重量以及細(xì)部結(jié)構(gòu)等不盡相同，但是其總體結(jié)構(gòu)特征具有很強(qiáng)的相似性。零件結(jié)構(gòu)的相似性帶來工藝的相似性，工藝的相似性帶來加工作業(yè)計(jì)劃的相似性；零件的制造資源主要是指加工設(shè)備以及技術(shù)工人等。對于多數(shù)制造企業(yè)而言，加工設(shè)備通常更新周期比較長，上崗技術(shù)工人的技術(shù)水平也比較穩(wěn)定，因此，制造資源就具有相似性。制造企業(yè)車間作業(yè)計(jì)劃的派工都是直接派給加工設(shè)備或者加工人員，從而制造資源的相似性帶來派工的相似性最終帶來車間作業(yè)計(jì)劃的相似性。

圖3 作業(yè)計(jì)劃制定過程模型

圖3為基于CBR的車間作業(yè)計(jì)劃制定的過程模型。為了對車間作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行快速制定，首先需要進(jìn)行新零件的分析，判斷是否存在該零件加工作業(yè)計(jì)劃的模板，存在的話就直接調(diào)用該模板生成作業(yè)計(jì)劃；不存在就繼續(xù)分析零件從毛坯到成品的所有制造活動的作業(yè)計(jì)劃及其影響因素。在此基礎(chǔ)上，用與制定車間作業(yè)計(jì)劃相關(guān)的主要零件制造特征構(gòu)建信息模型以零件信息模型的特性數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定匹配規(guī)則，進(jìn)行相似實(shí)例檢索，用來確定車間作業(yè)計(jì)劃制定的參考實(shí)例，根據(jù)新零件的特征信息以及制造資源信息對參考實(shí)例進(jìn)行修正，從而確定新的車間作業(yè)計(jì)劃，并將新實(shí)例進(jìn)行零件族劃分保存到實(shí)例庫中。

2.2 實(shí)例匹配

在產(chǎn)品族建立之后我們還要針對每一個(gè)產(chǎn)品族建立一個(gè)與之相對應(yīng)的產(chǎn)品族實(shí)例特征參數(shù)集合，用于描述該產(chǎn)品族實(shí)例所具有的公共特征，即問題描述的表達(dá)。產(chǎn)品族實(shí)例特征參數(shù)類主要用來描述本產(chǎn)品族實(shí)例所擁有的相似或相同功能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平等，表明該產(chǎn)品族中的產(chǎn)品變量所適用的范圍。本文將產(chǎn)品族實(shí)例特征參數(shù)分為功能特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和性能特征參數(shù)。另外，將客戶需求特征參數(shù)分為功能需求特征參數(shù)（Fr）、技術(shù)需求特征參數(shù)（Tr）、結(jié)構(gòu)需求特征（加工特征）參數(shù)（Sr）和復(fù)合需求特征參數(shù)（Cr）。通過客戶需求特征參數(shù)與產(chǎn)品族實(shí)例特征參數(shù)的匹配，確定該產(chǎn)品族實(shí)例能否滿足客戶需求。若能滿足客戶需求，則進(jìn)入到下一步實(shí)例檢索當(dāng)中；若不能滿足，則重新在新的產(chǎn)品族實(shí)例中進(jìn)行匹配或與客戶溝通修改相關(guān)需求，以免在相似實(shí)例檢索中直接進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)例檢索而影響檢索效率和實(shí)例質(zhì)量。具體如圖4所示。

圖4 零件實(shí)例匹配

2.3 實(shí)例相似檢索

式（2）與式（3）主要用于計(jì)算實(shí)例的形狀特征相似度，然而位置特征的相似度也是零件與實(shí)例相似度的一個(gè)重要因素。對于同類型的形狀特征，其位置相似是指特征的位置參數(shù)約束一一對應(yīng).計(jì)算特征的位置相似度可以判斷特征位置的相似程度。設(shè)兩個(gè)類型相同的形狀特征A和B，它們的位置相似度是特征基點(diǎn)位置相似度和特征旋轉(zhuǎn)角相似度的乘積，即：

式（4）中的Sc（AB）和Sa（AB）采用式（5）計(jì)算，其相似函數(shù)為式（6），在式（5）中wi為第i個(gè)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，其取值一般要根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业闹R。

3 作業(yè)計(jì)劃重用實(shí)例

圖5 作業(yè)計(jì)劃重用實(shí)例

根據(jù)圖3所示的流程，在進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃重用的時(shí)候首先判斷是否生產(chǎn)過該零件，如果生產(chǎn)過直接點(diǎn)擊圖5a中的“調(diào)用模板信息”按鈕，直接顯示該零件以前的作業(yè)計(jì)劃信息；如果沒有生產(chǎn)過該零件則點(diǎn)擊圖5a中的“實(shí)例匹配”按鈕，即可顯示圖5b所示內(nèi)容，根據(jù)零件特征信息對產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品族劃分，采用產(chǎn)品族實(shí)例特征參數(shù)與客戶需求的零件特征參數(shù)進(jìn)行匹配，從而進(jìn)行相似零件實(shí)例的檢索。圖5c所示的是產(chǎn)品族中零件的工序信息，點(diǎn)擊“作業(yè)計(jì)劃模板”顯示圖5d所示的具體實(shí)例的車間作業(yè)計(jì)劃，根據(jù)實(shí)例與新任務(wù)的相似度選擇“零件級”重用或“工序級”重用，最后根據(jù)車間實(shí)際生產(chǎn)以及產(chǎn)品要求在甘特圖上進(jìn)行手工調(diào)整，如圖5e所示。

4 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)車間作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)的重用，縮短訂單交付周期，本文首先根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，建立基于CBR的產(chǎn)品族模型和零件制造特征模型；其次，針對制造資源的相似性與否給出了基于數(shù)據(jù)重用的車間作業(yè)計(jì)劃制定的過程模型以及相似零件的實(shí)例匹配和檢索算法；最后，結(jié)合上述模型和算法分析車間作業(yè)數(shù)據(jù)重用的可行性。

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