基于车间作业计划的数据重用技术研究

周 旭，徐学民，李晓阁

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

进入21世纪，随着制造业的市场全球化趋势的加剧，企业面临的市场竞争更加剧烈，产品的更新换代速度也急剧加快，企业的生产计划和产品的生产流程也会随着产品的更新换代而发生即时的变化。现在企业由于受市场需求变化的影响，订单驱动生产成为制造业的主生产模式，订单的完成速度更是决定了一个企业命运的关键，而决定一个企业订单完成情况的一个主要因素就是车间作业计划。车间作业计划制定的合理与否直接决定产品的生产进度，从而影响企业订单的交货期[1]。

车间生产作业计划是协调企业日常生产活动的中心环节，它根据企业生产计划规定的产品品种、数量及大致交货期要求对每个生产单位（车间、班组、工段等），在每个具体时期（月、旬、班、小时等）内的生产任务做出详细规定，使年度生产计划得到落实，是提高车间生产效益的基础和关键[1]。重用（Reuse）可以简单理解为有选择的再利用，然而现在的重用大都指软件的重用，人们对数据方面的重用很少涉猎，数据重用体现了数据的继承性。本文旨在通过研究车间作业计划重用的可实施性来探讨数据重用技术的可行性。本文将采用零件族和零件制造特征模型的思想，对实例库中的实例进行分类，有助于提高检索效率和实例质量。通过过程模型的建立、实例匹配和检索等方法来实现车间作业计划的重用。

1 车间作业计划实例库中产品族和零件制造特征模型的建立

1.1 实例库中产品族的建立

本文将采用零件族的思想，对实例库中的实例进行分类，有助于提高检索效率和实例质量。产品族是一组具有共同的形状特征和功能、以一定的市场为目标的产品集合。一个产品集合组成一个产品族，需要满足一定的条件，如：产品族中的产品需要具有相同的市场定位和客户群；产品族中产品需要具有相似的产品结构，并可以用通用结构来表述；产品族中的产品叶节点上的零部件具有相似的功能和相同的外部接口关系[4]。产品族的结构如图1所示，产品族 P 由类零件 P1、P2和 P3组成。（par1，par2），（par1，par3）和（par3）分别是类零件 P1、P2和 P3的变量集，VAL11和VAL12是变量par1的值，S（P1｜par1=VAL11，par2=VAL21）是类零件P1的一个实例子集。

图1 产品族结构

1.2 零件制造特征模型的建立

所谓特征是指对象组中表征和区分某一对象的决定性性质，零件制造特征是对该对象描述区别于其他零件制造过程的特征，零件的制造特征也可以描述为零件的特征。零件特征模型包含了一类零件的特征，基本覆盖同族或同类零件对象，但要根据实际需要突出主要特征，即研究问题所最为关心的那些特征，而不是对象的全部事物特征。为了与产品族实例特征进行匹配，提高基于实例推理（Case-based reasoning，CBR）检索效率及实例质量[4]，本文主要针对零件加工，根据零件形状、加工方法和制造资源等对特征进行分类，如图2所示。

图2 零件制造特征

本文将零件的制造特征分为形状特征（SF）、加工方法特征（PF）、材料特征（MF）、精度特征（AF）和制造资源特征（RF）五个方面，其中形状特征是核心，其他特征都要围绕着形状特征进行选择，也可以认为其他特征是形状特征的子属性或者是为了实现这种特征形状的制约因素。形状特征是指零件上的一组相互关联的几何元素的集合，几何元素的形状和拓扑关系满足一定工艺过程，能够形成零件的特征形状。加工方法特征是另一个重要特征，其表示针对形状特征并考虑材料特征和精度特征所能够采用的工艺方法、切削刀具和加工设备等。一个制造特征对应于一种确定的工艺过程，这两个要素共同形成对制造特征的结构和工程语义的描述。制造特征FM可以表示为 FM=（SF，PF，MF，AF，RF）。一个零件从毛坯到成品的过程需要加工许多形状特征，零件就是多个形状特征的组合体，而车间作业计划的制定就是为了加工这些特征形状，因此车间作业计划可以表示为这些特征形状参数的函数

对于标准化系列化的零件族，一个零件特征模型可以用来描述一族零件，零件制造特征值与零件加工之间存在着对应关系，因此，可以采用零件制造的特征数值来进行基于CBR的零件加工作业计划的制定。同样，零件的制造特征数值也能够反映出零件之间的相似程度，利用制造特征数值来进行零件相似性的计算，以此作为选择相似实例零件的匹配与检索依据。

2 车间作业计划制定过程模型及相似性计算

2.1 车间作业计划制定过程模型的建立

由于车间作业计划的数据具有重用性，因此，可以采用相似实例零件的车间作业计划来推算产品族中新零件的加工作业计划。车间作业计划的重用性主要是由其相似性所决定的。从机械加工角度出发，零件的相似性主要包括零件特征相似性和制造资源相似性。零件结构特征的相似性在零件族中，尽管其几何尺寸、重量以及细部结构等不尽相同，但是其总体结构特征具有很强的相似性。零件结构的相似性带来工艺的相似性，工艺的相似性带来加工作业计划的相似性；零件的制造资源主要是指加工设备以及技术工人等。对于多数制造企业而言，加工设备通常更新周期比较长，上岗技术工人的技术水平也比较稳定，因此，制造资源就具有相似性。制造企业车间作业计划的派工都是直接派给加工设备或者加工人员，从而制造资源的相似性带来派工的相似性最终带来车间作业计划的相似性。

图3 作业计划制定过程模型

图3为基于CBR的车间作业计划制定的过程模型。为了对车间作业计划进行快速制定，首先需要进行新零件的分析，判断是否存在该零件加工作业计划的模板，存在的话就直接调用该模板生成作业计划；不存在就继续分析零件从毛坯到成品的所有制造活动的作业计划及其影响因素。在此基础上，用与制定车间作业计划相关的主要零件制造特征构建信息模型以零件信息模型的特性数据为依据，确定匹配规则，进行相似实例检索，用来确定车间作业计划制定的参考实例，根据新零件的特征信息以及制造资源信息对参考实例进行修正，从而确定新的车间作业计划，并将新实例进行零件族划分保存到实例库中。

2.2 实例匹配

在产品族建立之后我们还要针对每一个产品族建立一个与之相对应的产品族实例特征参数集合，用于描述该产品族实例所具有的公共特征，即问题描述的表达。产品族实例特征参数类主要用来描述本产品族实例所拥有的相似或相同功能、结构、技术水平等，表明该产品族中的产品变量所适用的范围。本文将产品族实例特征参数分为功能特征参数、结构特征参数和性能特征参数。另外，将客户需求特征参数分为功能需求特征参数（Fr）、技术需求特征参数（Tr）、结构需求特征（加工特征）参数（Sr）和复合需求特征参数（Cr）。通过客户需求特征参数与产品族实例特征参数的匹配，确定该产品族实例能否满足客户需求。若能满足客户需求，则进入到下一步实例检索当中；若不能满足，则重新在新的产品族实例中进行匹配或与客户沟通修改相关需求，以免在相似实例检索中直接进行复杂的实例检索而影响检索效率和实例质量。具体如图4所示。

图4 零件实例匹配

2.3 实例相似检索

式（2）与式（3）主要用于计算实例的形状特征相似度，然而位置特征的相似度也是零件与实例相似度的一个重要因素。对于同类型的形状特征，其位置相似是指特征的位置参数约束一一对应.计算特征的位置相似度可以判断特征位置的相似程度。设两个类型相同的形状特征A和B，它们的位置相似度是特征基点位置相似度和特征旋转角相似度的乘积，即：

式（4）中的Sc（AB）和Sa（AB）采用式（5）计算，其相似函数为式（6），在式（5）中wi为第i个参数的权重系数，其取值一般要根据工程实际经验和领域专家的知识。

3 作业计划重用实例

图5 作业计划重用实例

根据图3所示的流程，在进行作业计划重用的时候首先判断是否生产过该零件，如果生产过直接点击图5a中的“调用模板信息”按钮，直接显示该零件以前的作业计划信息；如果没有生产过该零件则点击图5a中的“实例匹配”按钮，即可显示图5b所示内容，根据零件特征信息对产品进行产品族划分，采用产品族实例特征参数与客户需求的零件特征参数进行匹配，从而进行相似零件实例的检索。图5c所示的是产品族中零件的工序信息，点击“作业计划模板”显示图5d所示的具体实例的车间作业计划，根据实例与新任务的相似度选择“零件级”重用或“工序级”重用，最后根据车间实际生产以及产品要求在甘特图上进行手工调整，如图5e所示。

4 结语

为实现车间作业计划数据的重用，缩短订单交付周期，本文首先根据生产实际情况，建立基于CBR的产品族模型和零件制造特征模型；其次，针对制造资源的相似性与否给出了基于数据重用的车间作业计划制定的过程模型以及相似零件的实例匹配和检索算法；最后，结合上述模型和算法分析车间作业数据重用的可行性。

参考文献：

[1] 丁明磊，刘炳镰.生产模式演进动因及其对我国制造业企业的启示[J].阅江学刊，2009，（1）：51-55.

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[5] 刘轶茜，杨家明.基于实例推理的智能服装图形设计系统[J].中国图象图形学报，2003，8（特刊）：736-739.

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