支持柔性生产计划的任务元模型

王新，及冲冲，何月，屈文兴

(1.河北联合大学，河北 唐山 063009;2.唐山市信德锅炉集团有限公司，河北唐山 063009;3.河北钢铁集团九江线材有限公司，河北唐山 063009)

0 引 言

大批量定制(mass customization，MC)是以接近于大批量生产的成本和速度，为客户提供满足其个性化需求的定制产品和服务的新型生产模式［1］。随着日益增长的个性化需求，客户参与产品设计和生产实现等过程的程度不断加深，支持传统大批量生产的生产计划管理面临新的挑战，个性化需求对产品实现过程影响的牛鞭效应日渐突出。与传统大批量生产模式生产计划相比，因应个性化需求，大批量定制生产模式下生产计划存在可预测性差、生产计划调整周期缩短和频率变大等特点，因此，如何提高生产计划柔性以降低个性化需求对生产环节的影响，是解决问题的关键;国内外学者对支持MC的生产领域相关技术进行了大量有益的研究［2-4］，而任务元作为柔性生产计划制定的基本单位，随着任务执行效率的不断提高，合理改善任务分解、分配系统，成为研究的关键问题，也是制定支持大批量定制生产模式下柔性生产计划的核心内容。

1 基于产品结构树的任务层次模型

生产任务的分解是将整个生产任务分解为多个子任务，而产品结构树显式表达了产品结构以及各零部件的关系，因此，通过建立产品结构树节点同子任务之间的映射，由节点间的独立性、关联性建立子任务间的关系，按照产品结构进行生产任务划分。

1.1 产品结构树及遍历

产品由不同零部件构成，部件又由相关的低层次子部件和零件组成，它们之间存在相对确定的约束关系。产品结构树中，零部件之间是通过父、子级的形式结合它们之间的所属关系来表示结构装配属性，即在加工过程中，只有相关子零部件完成之后才可进行父零部件的生产。产品结构具有聚集产品任务总体数据、数据结构实现方便、数据库转换容易等特点［5］，如图1产品结构树模型:

图1 产品结构树模型

在产品结构模型中，按装配顺序描述了产品结构组成，零部件之间以树状层次关系存在，总任务即产品为树的根节点，随后将其分解为多个子任务，即根节点的子节点，子节点还可再细分，最底层为叶子节点。除此之外，每个节点分别定义零部件各自相关属性，其中产品根节点包括产品ID、产品类型、产品交货期、产品设计参与者等属性，部件节点包含部件ID、部件类型、部件数量、部件生产周期等，零件节点包含零件ID、零件类型、零件生产周期、物料配置、零件数量、零部件的装配关系等。如图2，通过遍历产品结构树算法流程图生成产品结构树:

图2 遍历产品结构树算法流程图

如图2所示，生成产品结构树的流程如下:①以客户订单产品的订单号，产品ID，产品类型等作为开始对象，查询到根节点，②将产品ID，类型等作为查询条件，以①中查询到的根节点作为父节点，进行零部件节点查询;③对②查询出来的节点判断其类型，若为“零件”，则生成零件节点，并返回到②或遍历结束，若为“部件”，则生成部件节点;④以③查询到的部件节点作为父节点，并结合查询条件查询该部件节点下的相关零部件子节点;⑤对④中的子节点判断其类型，如果是“零件”，生成零件节点，然后判断是否遍历结束，为N时返回到④，为Y时则返回到②，如果是“部件”类型，那就生成部件节点并返回到④;⑥遍历结束，退出循环，产品结构树生成。

1.2 任务层次模型

任务分解主要功能是根据企业自身生产资源能力，将客户提交的订单分解成多个具体且并行度尽可能高的，相互关联、相互作用的一系列子任务，并在结构、资源等约束条件下，确定各子任务间的依赖约束关系，它是各任务元顺利有效完成的前提条件。在任务分解过程中，通过产品结构树可直观显现零部件之间的装配关系，将其作为基础数据，建立生产任务分解模型，以表达出任务的串并行层次时间约束关系［6－8］。

根据产品结构树划分任务分解层次图，如图3:

图3 任务分解层次图

2 基于产品结构树的零部件约束关系

由于零部件之间、部件与部件之间存在一定的装配约束关系，导致不同零部件生产具有一定的时间次序。因此，在进行任务分解的同时，考虑零部件前后序时间的约束关系是必要的。为解决上述问题，试图运用PERT技术，估算订单整个生产系统中各个任务元的交货期，精确地预测是否能在交货期内完成，从而从整体角度出发，全面考虑各生产任务，合理制定生产计划，恰当安排生产任务，使相关联的任务依照前后序约束关系依次执行，以提高生产系统的柔性和适应性。

2.1 PERT 方法

为了便于研究，首先定义紧前任务概念，在生产系统中每一个任务单元即可看作下一任务的紧前任务，所谓紧前任务即前序任务，是指任务ni+1执行之前，任务ni必须提前生产以提供ni+1所必须的生产物料，从而保证整个生产任务链能够顺利执行，此时ni就是ni+1的紧前任务，ni的生产周期对ni+1的生产周期有着最直接的约束，并对ni+1的下一任务有间接的约束。因此，为了满足交货期及客户的需求，当资源发生冲突时，运用任务单元之间的流程性，结合交货期预测出各个任务的生产周期，从而有助于生产的顺利完成。

2.2 任务时间约束关系及生产周期计算方法

假设某订单分解有9个生产任务，其约束关系及各任务通用生产周期，如表1，生产周期一般为经验值，则假定为已知条件，从而计算各任务元的交货期。

表1 任务的约束关系

图4 任务关系网络图

网络图中有7个节点，其中节点1为始节点，节点7为终节点。运用PERT方法，交货期计算公式为:tE(j)=max[tE(i)+t(i，j)](i＜j)，其中，tE(i)表示第i节点的交货期，也是下游任务的最早开始生产时间，tE(1)=0;t(i，j)表示节点j紧前任务的生产周期，根据交货期的计算公式，将tE顺着网络图箭头方向计算至最下游任务。用表示交货期，计算结果如图5:

图5 带交货期的任务网络图

如上图，计算出各节点的交货期，任务链中终节点的最早交货期即生产任务的最终交货期，将其与订单的规定交货期相比较，从而确保任务在满足交货期的前提下顺利完成。

3 大批量定制任务元模型

基于产品结构树的生产任务分解完成的同时，子任务继承了产品结构树中节点间的关系，但子任务的顺利执行受企业各种资源的约束，考虑任务分解后的任务元之间时间和装配约束及任务的生产周期，对任务元属性及其与企业相关资源及部门的动作之间的关联关系进行系统研究，为了更好的反映任务间的关联、嵌套关系，进而确定子任务相关属性及其资源间的逻辑映射，将子任务执行中相关对象及关系建立任务元模型，如图6所示:

图6 任务元模型

模型包括设计模块、生产计划模块和设备模块三大部分，其中，设计模块包括任务单元的物料配置即配置BOM、结构模块、图档管理等;设备模块主要涉及到设备功能、设备当前工作状态及空闲时间等;生产模块主要包括生产计划的制定、工艺工序关系模块、生产日历模块等。

模型以任务单元作为核心，描述了任务生产过程中涉及到任务执行过程前后序相关任务及设备等基本资源元素，其中首任务单元只含有后序任务关联，不存在前序任务;最后一项任务单元则无后序任务关联，只包含前序任务;而作为中间任意任务单元，具有多重属性，其本身即可作为上游任务单元的后序关联任务，又作为下游任务单元的前序关联任务。前后序任务自身又存在各自起约束作用的前后序任务，而在任务先后序网络图中，如果一个节点作为紧前任务节点，那么其后序节点任务必须在其所有活动完成之后才可进行，因此，各个任务单元紧密衔接、相互关联。当前任务与其前后序任务之间生产顺序存在一定的关系，在设备、资源等方面存在着相互影响、相互制约。

而生产模块中，工艺与工序安排以及计划制定与控制是核心内容。工艺规划决定了生产计划具体内容;工艺路线是包含将任务单元实现的所有动作的一种工作过程;在安排生产计划时，工作日历也是考虑的因素之一，在安排计划时应跳过非工作日，对工作日进行安排生产。

任务元模型采用相关联的结构对象将任务元和其相关属性及资源间的关系统一到一个实体模型中，通过对象之间的关联与嵌套关系，对任务元相关属性进行描述。当某一对象所包含属性发生变化，其它对象属性则受到影响，通过对象间的协同链接，可以方便的对变更信息做出相应调整。因此，依据产品结构树及任务分层模型，建立描述任务与资源属性间关系的任务元模型，同时，提高任务的可控性及计划执行的柔性。

4 结论

基于产品结构树知识理论，分析了产品与零部件之间的层次关系，给出了任务元生产周期的计算方法，并在此基础上建立了生产任务元模型，有助于提高生产过程中对子任务的控制，为柔性生产计划制定提供了依据。

［1］Stanley M Davis.Future Perfect［M］.Addision-Wesley，1987.

［2］Anderson D.M，PineⅡB.J.Agile production development for mass customization:how to develop and deliver products for mass customization.Nichemaskets，JIT，Build-to-order，and Flexible Manufacturing，1997.

［3］Davinel A M，Robert B S.Functional interdependence and product similarity based on customer needs.Engineering Design，1999(11):1.

［4］Salvador F，Rungtusanatham M.Supply-chain configurations for mass customization.Production Planning and Control Mass Customization，2004，15(3):347.

［5］JI Guo-li，Gong Da-xin，Freddie Tsui.A tree structure storage model of BOM ［J］.Journal of systems science and systems engineering，2002，11(1):55-60.

［6］CHEN Yong，DAI Xianzhong.Construction of mobile-robot-oriented reconfigurable MAS platform［J］.Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2003，9.［陈勇，戴先中.基于移动机器人的可重构多智能体系统平台的构建.东南大学学报，2003，9.］

［7］ZHANG Kai，ZHU Shihe，ZHENG Qingchun.Project decomposition and evaluation of virtual enterprise［J］.Journal of Tianjin University of Technology，2005，12.［章凯，朱世和，郑清春.虚拟企业的项目分解及评估［J］.天津理工大学学报，2005，12.］

［8］WANG Yongfeng，GONG Xiaxia，LI Yin.Study on Product Structure Model of PDM System［J］.Mechanical Engineering ＆ Automation，2008，2.［王永峰，宫霞霞，李银.PDM系统中产品结构模型的研究［J］.机械工程与自动化，2008，2.］