肖艷秋，魏闖闖，趙 和，王 磊

XIAO Yan-qiu, WEI Chuang-chuang, ZHAO He, WANG Lei

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)敏捷制造思想，建立協(xié)同企業(yè)聯(lián)盟，通過(guò)虛擬制造單元實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造資源優(yōu)化成為研究的熱點(diǎn)。協(xié)同制造系統(tǒng)中，虛擬單元的構(gòu)建與優(yōu)化的關(guān)鍵就是協(xié)同制造資源信息模型建立，對(duì)協(xié)同制造資源特點(diǎn)加以分析是尤其重要。然而協(xié)同資源模型的建立，不單單是對(duì)資源的描述，必須為下一步虛擬單元構(gòu)建與優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

基于以上，本文根據(jù)協(xié)同制造資源內(nèi)涵及特點(diǎn)，結(jié)合已有的協(xié)同制造分類(lèi)方法，針對(duì)協(xié)同制造資源之間的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)，以虛擬制造單元構(gòu)建優(yōu)化為目標(biāo)，構(gòu)建了協(xié)同制造資源的關(guān)聯(lián)約束信息模型，以滿(mǎn)足虛擬制造單元構(gòu)建優(yōu)化要求。

1 基于多關(guān)聯(lián)約束協(xié)同資源信息模型的虛擬制造單元構(gòu)建

協(xié)同制造資源的優(yōu)化配置是將零散的制造資源組織成為功能性的虛擬制造單元。要解決虛擬單元構(gòu)建過(guò)程中資源選擇與優(yōu)化問(wèn)題，首先需解決協(xié)同資源信息模型構(gòu)建，虛擬制造單元構(gòu)建方法如圖1所示。虛擬單元構(gòu)建分為兩個(gè)過(guò)程。

1）通過(guò)對(duì)協(xié)同制造資源進(jìn)行分析，根據(jù)資源的類(lèi)型及層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)制造資源約束條件及約束之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行資源模型構(gòu)建，形成初始的資源信息模型和資源族。

2）以生產(chǎn)任務(wù)模型及資源信息模型為前提，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)要求，通過(guò)專(zhuān)家遺傳算法，實(shí)現(xiàn)虛擬單元構(gòu)建及優(yōu)化配置。

圖1 虛擬單元構(gòu)建過(guò)程

資源信息模型構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)虛擬單元構(gòu)建的關(guān)鍵。由于協(xié)同制造資源的復(fù)雜性和約束因素的多樣性，以往研究過(guò)程中只針對(duì)關(guān)鍵的要素進(jìn)行研究和分析，很少考慮到各個(gè)約束因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文通過(guò)引入多關(guān)聯(lián)約束模型對(duì)于解決這樣問(wèn)題有先天的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)構(gòu)建能夠反映協(xié)同制造資源結(jié)構(gòu)、層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系的多關(guān)聯(lián)信息模型，用于虛擬制造單元構(gòu)建與優(yōu)化。

2 協(xié)同制造資源單元信息模型的特點(diǎn)

2.1 協(xié)同制造資源特點(diǎn)

由于協(xié)同制造資源的動(dòng)態(tài)變化性，制造資源模型需要不斷充實(shí)和完善。通過(guò)多層次、多維度對(duì)協(xié)同制造資源類(lèi)型、特點(diǎn)及關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行立體空間合成如圖2所示，清晰反映協(xié)同制造資源的本質(zhì)特征，指導(dǎo)協(xié)同資源模型構(gòu)建。

1）資源層次維：體現(xiàn)協(xié)同制造資源所屬層次結(jié)構(gòu)，表達(dá)了制造資源的構(gòu)成粒度，分別為聯(lián)盟層、企業(yè)層、車(chē)間層、單元層和設(shè)備層；

2）資源分類(lèi)維：反映資源某種共同屬性或特征層次歸，制造資源的分類(lèi)就是將某種共同屬性或特征的制造資源歸并在一起。協(xié)同制造資源建模，必須采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)方法，使協(xié)同制造資源在描述表達(dá)和理解上具有一致性。通過(guò)對(duì)協(xié)同企業(yè)的了解，按照制造資源屬性及其在整個(gè)生產(chǎn)制造活動(dòng)中發(fā)揮的作用，將協(xié)同制造資源劃分為：設(shè)備資源、人力資源、技術(shù)資源、物料資源、服務(wù)資源和信息資源等；

3）資源關(guān)聯(lián)維：體現(xiàn)各個(gè)資源類(lèi)及資源層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。虛擬單元有不同類(lèi)型的制造資源構(gòu)建，彼此之間并不是孤立存在的，都存在相互關(guān)系。因此在本文通過(guò)構(gòu)建制造資源關(guān)聯(lián)模型，關(guān)聯(lián)模型隨著虛擬單元中資源的積累，不斷地豐富和擴(kuò)展，形成“縱、橫”緊密關(guān)聯(lián)的知識(shí)模型，為虛擬單元的優(yōu)化提供了寶貴知識(shí)。

2.2 關(guān)聯(lián)約束資源信息形式化描述

根據(jù)上述協(xié)同制造資源分類(lèi)、邏輯層次以及關(guān)聯(lián)關(guān)系分析對(duì)其進(jìn)行形式化描述。協(xié)同制造資源描述為：

M={ID,Base,Bind,Relevance,Assess,Status}：

1）ID是制造資源編碼，協(xié)同制造資源集成平臺(tái)中一個(gè)唯一特定資源；

2）Base制造資源基本屬性，

Base={Name,Type,Ayer,Owner}：

Name為資源名稱(chēng)；Type為資源類(lèi)型；

Ayer為資源層次；Owner為資源所屬企業(yè)；

3）Bind資源約束屬性，

Bind={Type,Capa,T,C,Q,S,E,O}：

Type為資源支持任務(wù)類(lèi)型，硬件資源是指可以加工的產(chǎn)品或零件類(lèi)型；軟件資源是指所有支持的應(yīng)用領(lǐng)域或功能；

Capa為制造能力約束，

例如硬件資源包括設(shè)備對(duì)加工要求約束，

Capa={加工形狀，精度，尺寸，形狀，材料}；

對(duì)于軟件資源可以是支持運(yùn)行環(huán)境，

Capa={參數(shù)，響應(yīng)速度，支持功能，效率，流量，可靠性}：

T為時(shí)間約束，C為費(fèi)用約束，Q為質(zhì)量約束，S為服務(wù)約束，E為環(huán)境約束，G為其他約束；

4）Relevance資源關(guān)聯(lián)關(guān)系，

Relevance={ID,Type,Object,Ratio}：

ID表示兩個(gè)資源間的關(guān)系標(biāo)識(shí)；

Type表示制造資源之間關(guān)系類(lèi)型，

Type={控制關(guān)系，順尋關(guān)系，輸入輸出關(guān)系，整體部分關(guān)系，空間關(guān)系，時(shí)間關(guān)系}；

Objet表示該資源有關(guān)聯(lián)的其他制造資源；

Ratio兩個(gè)資源之間關(guān)聯(lián)系數(shù)，關(guān)聯(lián)系數(shù)根據(jù)歷史記錄的一個(gè)綜合評(píng)價(jià)值；

5）Assess 資源綜合評(píng)價(jià),形式可描述為，

Assess={T,C,Q,S,E,I}：

分別表示時(shí)間T、成本C 、質(zhì)量Q、 服務(wù)S 、環(huán)境E、 信譽(yù)I 、其他評(píng)價(jià)O, 綜合評(píng)分為虛擬制造單元專(zhuān)家遺傳算法優(yōu)化提供依據(jù)；

6）Status資源狀態(tài)屬性，

Status={維修，閑置，未滿(mǎn)負(fù)荷，滿(mǎn)負(fù)荷}。

在制造單元目標(biāo)約束下，實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)同制造資源的模型表達(dá)，對(duì)應(yīng)三種維度的交點(diǎn)，從而建立協(xié)同制造資源多關(guān)聯(lián)約束因素與制造模型的映射關(guān)系。

3 協(xié)同制造信息關(guān)聯(lián)約束模型

3.1 關(guān)聯(lián)約束網(wǎng)絡(luò)模型的概念

關(guān)聯(lián)是指事物之間所具有的彼此約束的關(guān)系，也稱(chēng)為關(guān)聯(lián)約束或約束關(guān)聯(lián)。本文通過(guò)約束關(guān)聯(lián)模型描述制造信息資源的方法和技術(shù)。在協(xié)同制造資源中，制造資源之間的關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在虛擬單元構(gòu)建中不同資源模型間所具有的內(nèi)在聯(lián)系，具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的資源模型互為關(guān)聯(lián)單元，制造資源之間的順序關(guān)系也可以認(rèn)為是一種關(guān)聯(lián)。因此，所建立的制造資源模型應(yīng)該滿(mǎn)足虛擬制造單元構(gòu)建的需求。

3.2 關(guān)聯(lián)模型

關(guān)聯(lián)是指各個(gè)資源彼此之間所具有的關(guān)系。

在制造資源信息關(guān)聯(lián)模型中，制造資源的關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)不同資源之間多具有的內(nèi)在聯(lián)系，關(guān)聯(lián)約束模型如圖3所示，其中包括人力資源、設(shè)備資源、物料資源和技術(shù)資源，每種資源分別描述了內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系。制造資源的關(guān)聯(lián)約束模型為一個(gè)三元組合；

I＝{X, D, C}

其中：RC表示制造資源之間的關(guān)聯(lián)約束關(guān)系集合；X＝(x1, x2, !, xn)是制造資源信息的集合；D＝(d1, d2, !, dn)關(guān)聯(lián)變量值域集合，di是制造資源xi可能的取值；C＝(c1, c2, !, cn)變量關(guān)系的集合。

圖3 制造單元多約束因素關(guān)聯(lián)模型

3.3 關(guān)聯(lián)約束關(guān)系

根據(jù)約束關(guān)聯(lián)模型特點(diǎn)，我們建立一個(gè)有同層次任意兩個(gè)約束因素i和j之間的關(guān)系矩陣。本文采用一個(gè)如圖4所示6×6矩陣體現(xiàn)六個(gè)約束之間關(guān)聯(lián)系數(shù)。

圖4 矩陣關(guān)系

其中rij為每個(gè)約束與其他約束之間的重要程度關(guān)系系數(shù)，取值范圍（1, 9）。對(duì)矩陣的關(guān)系賦值如圖5所示，通過(guò)以下方法求出個(gè)約束相對(duì)的權(quán)重。

1）計(jì)算判斷每行所有元素的幾何平均值

圖5 賦值矩陣

可得

得到

為各個(gè)約束因素之間的權(quán)重。

3）由以上分析可得：制造資源關(guān)聯(lián)約束之間影響權(quán)重關(guān)系。

虛擬單元的優(yōu)化選擇是一個(gè)面向多約束目標(biāo)的篩選問(wèn)題。同時(shí)各個(gè)約束因素之間存在這關(guān)聯(lián)關(guān)系，不應(yīng)該以某個(gè)或某幾個(gè)因素為依據(jù)而忽略了因素之間的關(guān)系，我們將各個(gè)約束因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型化，綜合分析各種約束因素影響權(quán)重，為虛擬單元的構(gòu)建與優(yōu)化提供科學(xué)的選擇方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)協(xié)同制造系統(tǒng)中虛擬單元構(gòu)建與優(yōu)化的需要出發(fā)，從資源分類(lèi)、層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行全面描述，針對(duì)制造資源多維度多層次關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用了一種基于關(guān)聯(lián)約束的制造資源模型構(gòu)建方法，給出了協(xié)同制造資源形式化描述，分析了關(guān)聯(lián)約束矩陣關(guān)系給出了約束權(quán)重，為協(xié)同制造資源的建模提供了理論和方法上的指導(dǎo)，為下步虛擬單元優(yōu)化構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

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