董思洋，許建新，王克勤，秦現(xiàn)生

（1．西北工業(yè)大學 機電學院，陜西 西安 710072；2．西北工業(yè)大學 管理學院，陜西 西安 710072）

0 引言

在多任務、多型號交叉生產的飛機制造環(huán)境中，工藝業(yè)務流程一般均固化在信息化軟件模塊中，其可擴展性不強，不能滿足業(yè)務過程持續(xù)改進、柔性化的需要；同時，資源沖突和工藝活動的不確定性問題也一直是制約工藝流程的關鍵環(huán)節(jié)。特別對于新研發(fā)項目、緊急上馬工程等的急迫性、突發(fā)性工作，其工藝的安排、進度、審簽流程等只能依靠現(xiàn)有的工藝制度和人為保障等方式來控制，難以實現(xiàn)飛機制造工藝的精確性、可控性，以及工藝數(shù)據的可追溯性。

資源沖突消解一直是工藝管理領域的研究熱點。文獻［1－4］提出了優(yōu)先級排序、隨機排序和并行排序等算法，并給出了應用實例，但仍然存在一些不足。針對這些問題，文獻［5］提出了事件驅動的基于規(guī)則、約束和實例的混合消解策略，但若其中涉及的沖突類型較多，則會在一定程度上影響應用效果。此外，以Job－Shop制造資源沖突的消解為背景，文獻 ［6］以 非 合 作 博 弈 （Non－Cooperation Game，NCM）理論為基礎，建立了Job－Shop資源沖突的檢測及消解模型。文獻［7］針對車間作業(yè)的動態(tài)調度，對工時不確定性問題進行了詳細研究，但在如何實現(xiàn)作業(yè)排產方案的關聯(lián)調整算法方面需要進一步展開；文獻［8］利用關鍵鏈理論（Critical Chain Method，CCM）對再制造系統(tǒng)的不確定性生產調度模型進行求解，但壓縮比例等參數(shù)需要根據生產的實際情況具體設置，因此也限制了其應用范圍。近年來，更多文獻對制造工藝業(yè)務管理模式進行了研究，文獻［9］針對航空產品，從信息傳遞和工藝業(yè)務過程角度進行深入分析，并提出工藝過程管理體系，主要解決了工藝過程中物料清單數(shù)據的轉換，形成了工藝過程管理方法；文獻［10］對基于工藝任務的宏觀工藝管理進行了研究。從現(xiàn)有文獻來看，對工藝過程管理和具體沖突問題消解方法的研究居多，但從業(yè)務流程角度探討如何構建業(yè)務子過程，進而驅動工藝過程管理方式的研究卻不多見。

本文以飛機結構件的制造工藝過程為研究對象，采用業(yè)務過程驅動的系統(tǒng)設計方法，用軟件結構來反映業(yè)務過程，增強了系統(tǒng)的柔性。首先，按照面向組件（Component Oriented，CO）的思想，將制造工藝過程劃分為若干具有獨立功能又彼此制約的工藝子過程，提高系統(tǒng)適應性；然后，建立過程驅動的響應機制，同時對每個子過程的響應方式、工作內容、異常處理等內容進行封裝處理，實現(xiàn)基于過程驅動的工藝管理模式；最后，對制造資源沖突消解算法和工藝活動的快速排序算法進行了重新設計。

1 基于過程驅動的工藝管理模式

基于對飛機制造工藝過程的理解，以及對制造過程中常見沖突的內涵和成因的分析，構建了服務于工藝設計、工藝應用的軟件框架模型（如圖1）。該模型的設計依據了軟件設計中可靠性、效率性、健壯性和可擴展性等原則，借鑒了面向對象和組件的設計概念和方法。

基于過程驅動的飛機制造工藝管理模式（記為OP）提供了工藝的設計和管理平臺，它由數(shù)據庫DM、工藝子過程構建SpM、生產流程的過程驅動PpdM，以及生產過程中的沖突消解CrM等諸多單元組成。該模式可表示為OP ＝ ｛DM，SpM，PpdM，CrM｝。該運行模式可操作性強，充分考慮了功能實現(xiàn)、系統(tǒng)安全等內容，對過去只注重數(shù)據和流程的管理模式作了以下幾個方面的改進：

（1）抽取有關數(shù)據信息和流程信息，構建了工藝子過程抽象模型，針對具體問題實例化各個工藝子過程。

（2）以工藝子過程為基礎建立過程驅動的制造工藝管理模式，強制規(guī)范并保障工藝的運行流程，同時利用與制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）的交互功能，增加了工藝過程的閉環(huán)監(jiān)視反饋功能。

（3）對資源沖突和工藝活動不確定性問題，設計了相應的消解算法和快速排序算法。

（4）與信息化系統(tǒng)無縫集成，實現(xiàn)了數(shù)據的實時交互。

2 飛機制造工藝管理模式中的若干關鍵技術

2．1 過程驅動的飛機制造工藝管理模式

過程驅動式工藝管理模式的最大特點是以業(yè)務為中心、以工作目的為驅動力來驅動系統(tǒng)的需求獲取、流程管理等工作。因此，該管理模式主要包括工藝子過程業(yè)務建模和響應機制的構建兩部分內容。

2．1．1 相關概念

定義1 工藝子過程?；诿嫦蚪M件的原理，將工藝子過程定義為具有清晰的、標準化的接口，并可以實現(xiàn)特定業(yè)務功能的抽象模型，記為SpM。該模型封裝了具體實現(xiàn)功能的各種資源，包括人員（PE）、任 務 （PT）、前 驅 條 件 （PC）、工 作 方 式（WM）、成果物（RC）和異常處理程序（EH）等信息，表示為SpM ＝ ｛PE，PT，PC，WM，RC，EH ｝。

在飛機制造工藝管理過程中，工藝子過程是一個相對獨立的概念，其功能的設計、調用、實現(xiàn)、調試等均與外界無關。因此，在具體實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)不必理會其內部具體實現(xiàn)步驟，只需要調用相應的接口函數(shù)來驅動該過程的執(zhí)行即可。

規(guī)定1 前驅過程集和后續(xù)過程集。在飛機制造工藝過程管理中，設工藝子過程集合P＝ ｛p1，p2，p3，p4，…，pn｝，其中pi（1≤i≤n）表示某單個工藝子過程。若過程pj的執(zhí)行是由pi中某些因素引發(fā)的，則稱pi是pj的前驅子過程；相反，pj是pi的后續(xù)子過程。通常情況下，某一個工藝子過程的前驅子過程和后續(xù)子過程均不唯一，由pi的所有前驅子過程pn，pn＋1，pn＋2，…，pn＋k組成的集合Ppre＝｛pn，pn＋1，pn＋2，…，pn＋k｝稱為pi的前驅子過程集，由pi的所有后續(xù)子過程組成的集合Plater稱為后續(xù)子過程集。

定義2 激勵。單個工藝子過程開始工作的前提條件。一個有效的激勵（e）分為工作條件（econditions）和準備文檔（edocuments）兩個部分，用集合表示為：e＝｛econditions，edocuments｝。

工藝子過程在獲得執(zhí)行命令后，同時檢查工作條件和工作文檔的準備是否滿足要求，只有二者齊備，該子過程才開始執(zhí)行。

規(guī)定2 激勵集和激勵類型。使工藝子過程pi開始工作的所有相關激勵組成的集合，即pi的激勵集合，稱為激勵集，記為Epi。根據激勵對后續(xù)子過程的影響，如果后續(xù)子過程需要激勵集中的所有或部分激勵共同來驅動，則稱其為激勵集驅動；若后續(xù)子過程的驅動僅需要激勵集中的某個單一激勵即可驅動，則稱其為關鍵激勵驅動。

激勵集在某些情況下只是一些文件和指令的集合；前驅過程集中是某些具體的工藝子過程。激勵集的提出是為了滿足系統(tǒng)過程驅動的設計，在系統(tǒng)應用過程中，只需要判斷是否滿足執(zhí)行的激勵條件，并不關心具體的工藝子過程。

定義3 過程驅動。在對工藝子過程劃分的基礎上，將過程驅動定義為各個子過程根據工作內容對后續(xù)子過程的選擇，以及使之執(zhí)行的激勵，記為PsD。因此，過程驅動包含了對子過程的選擇（SpC）和激勵（IC），表示為PsD＝ ｛SpC，IC ｝。

過程驅動是推動制造工藝管理得以實現(xiàn)的基本驅動力，解決了相關子過程的關聯(lián)和管理問題。

下面以圖2為例對上述內容進行說明。

在圖2中，以工藝子過程p7為例詳細說明。p7的前驅子過程集為Ppre＝ ｛p4，p5，p6｝，后續(xù)子過程集為Plater＝｛p9，p10｝，其中p7的激勵集為Ep4＝｛e6，e8，e9｝。根據規(guī)定2，若p7的執(zhí)行由p4引起，則它是一個e6的關鍵激勵驅動；若p7的執(zhí)行由p5和p6共同引起，則它是一個激勵集驅動，激勵集為E′p4＝｛e8，e9｝。另外，根據不同的生產條件，工藝子過程p7可以通過e10作為關鍵激勵來驅動p9工藝子過程開始工作。

2．1．2 過程驅動的飛機制造工藝管理模式

以某飛機制造企業(yè)中飛機結構件的加工過程為例，工藝設計過程包括工藝審查、測量數(shù)據點采集、工藝編制、NC程序編制、測量報告申請等多個相互獨立的工藝子過程，由多個不同部門人員共同參與完成。根據2．1節(jié)中的定義，將每個工藝子過程中所用到的軟件、處理過程等封裝之后，利用過程驅動來搭建整個工藝管理平臺。

以工藝編制子過程為例，其封裝模型如圖3所示。

工藝編輯子過程的啟動需要項目分工計劃和工藝準備文件組成的激勵集來驅動，根據任務的不同，需要啟動不同的后續(xù)子過程進行下一步工作（如圖3）。

表1對飛機制造工藝管理過程中重要的工藝子過程進行了歸納和總結。

表1 工藝業(yè)務過程主要內容描述

續(xù)表1

2．2 飛機制造工藝管理模式中資源訪問的沖突消解

2．2．1 問題描述

工藝子過程中涉及對多種資源的訪問（如刀具、機床、量具、裝夾設備，甚至切削參數(shù)等），不可避免地會存在對同一目標的并行訪問沖突。如何突破資源的唯一性限制，使得每個工人能夠在最短時間內完成自己的工作，是管理模式主要解決的問題之一。

以表1中的工藝應用環(huán)節(jié)為例，表2給出了該工藝子過程的屬性描述，詳細說明了該工藝子過程所需的資源以及前置、后繼任務。

表2 工藝應用子過程的屬性描述

從表2可以看出，工藝應用任務的進行過程中勢必需要依賴和使用不具有共享性的資源。

2．2．2 算法思路

為提高選擇過程的效率，優(yōu)化選擇過程，本文引入熵值法算法和排隊論知識。將熵值法引入工藝子過程的權威性排列過程，然后在權威性相近的工藝子過程之間利用排隊論中的相關概念，來完成資源訪問沖突的消解。

結合工藝過程的實際工作情況，記各工藝子過程分別為Agent1，Agent2，…，Agentn。

定義4 工藝子過程的權威性（Authority）。由于某些工藝的特殊需求（特別是試制件），各個A－gent執(zhí)行的優(yōu)先級不同。權威性評價指標由子過程的急迫 性 （urgency）、工 藝 準 備 程 度 （processpreparation）和生產準備條件（production－preparation）等分指標組成，即 Authority＝ ｛urgency，process－preparation，production－preparation｝。

上述各分指標值均介于0～1之間，由主管部門工作人員根據實際工作情況指定，同時視生產進度和要求隨時調整。

規(guī)定3 權威優(yōu)先策略。權威性不同的兩個任務Agenti與Agentj，在同時滿足執(zhí)行條件時會產生相互干擾和抑制現(xiàn)象，因此需要對任務按權威進行排序，篩選出權威性差異較小的幾個候選任務，然后在候選任務之間使用規(guī)定4。

文獻［11］提到利用熵值法可以用來確定指標的重要性，本文同樣利用此法來對任務進行綜合評價，步驟如下：

（1）將各分指標同度量化，Agenti的第t項分指標同度量化公式如下：

式中：xit表示Agenti權威性的第t個分指標值，Pit表示同度量化后的數(shù)值。

（2）計算第t項分指標的熵值et

式中：k＞0，ln為自然對數(shù)，et＝0，k＝lnm。

（3）計算第t項指標的差異性系數(shù)

（4）計算第t項指標的權重

（5）計算Agenti的權威性

規(guī)定4 總時間最短策略。在忽略換裝夾工具時間后，工藝過程滿足以下兩個特點：

（1）每項工藝子過程的開始時間彼此獨立，并且在指定時間段（t，t＋Δt）內工藝子過程開始的數(shù)目N（Δt）與開始時間t無關，因此這里將每項工藝子過程的開始時間視為符合參數(shù)為λ的泊松分布［12］。

（2）每項工藝子過程的工作時長服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布。證明過程如下：

證明 設工藝子過程工作時長是一個連續(xù)型隨機變量μ，若工藝子過程在工作了t時間之后的Δt時間段內得以完成的概率為λΔt＋o（Δt），其中λ是一個常數(shù)λ＞0，則o（Δt）表示Δt→0時較Δt高階的無窮小量。

當t＞0時，對于Δt＞0，有

上述微分方程滿足初始條件F（0）＝0的解為F（t）＝1－e－λt，即μ的分布函數(shù)為

因此μ服從指數(shù)分布。

根據排隊論中的知識可知，這是一種顧客來源有限制排隊系統(tǒng) （M／M／1／∞／n／FCFS）。其中，每個子任務在該活動中的總時間

各個子任務的平均等待加工時間

2．2．3 資源沖突消解算法

對于在工藝過程中出現(xiàn)的資源沖突，其引發(fā)的必要條件可以總結為以下幾點：

（1）必須要有能夠引起主體活動因故延遲的沖突源，且沖突源的數(shù)量有可能不唯一。

（2）沖突產生的主客體之間存在某種約束，可以歸結為對時間Δt的約束。

（3）針對不同的沖突，其模型均可按照規(guī)定3和規(guī)定4產生。

這里對資源逐一提取其相關沖突關系模型，沖突檢測及消解算法如下：

步驟1 清空判斷集合BSet、活動集合ST以及結果集合ET ，設置ST的容量n。

步驟2 遍歷所有活動集ASet，查找與本資源相關的活動，存入判斷集合BSet。

步驟3 判斷集合BSet是否為空，如果是，則轉步驟9，否則轉步驟4。

步驟4 遍歷集合BSet，根據規(guī)定3中的熵值法，從BSet中取權威性最大的n個任務，組成活動集合ST。

步驟5 判斷集合ST是否為空，如果是，則轉步驟9，否則轉步驟6。

步驟6 根據式（6）和式（7）計算每個任務的平均時間和等待時間，存入臨時變量σTtotal和σTwait。從ST中取一個節(jié)點STi，記活動節(jié)點OSP為STi；判斷Δti＝Timei－Timej，其中i≠j。如果Δti＜0，則記OSP為STj，循環(huán)遍歷ST中的全部節(jié)點。

步驟7 將OSP添入結果集合ET中，從ST中移除OSP，轉步驟5。

步驟8 將ST中的所有任務從B中移除，清空活動集合ST，轉步驟3。

步驟9 退出。

2．3 飛機制造工藝管理模式中工藝活動不確定性的快速排序算法

2．3．1 問題描述

工藝子活動之間存在各種約束關系，而這種關系是實現(xiàn)工藝管理正常運行的必要保障。由于工藝活動在執(zhí)行過程中的不可預知性，當某個子活動的發(fā)生比預期延遲或提前時，不可避免地會影響后續(xù)過程的執(zhí)行，即產生工藝活動的不確定性問題。

為了準確描述存在于工藝子活動之間的約束關系，建立了其屬性描述體系。表3所示為工藝校對任務的屬性描述。

表3 工藝校對任務的屬性描述

續(xù)表3

從表3可以看出，工藝編制及其準備工作在延時的情況下會嚴重影響工藝校對任務的執(zhí)行。為了在復雜生產環(huán)境下使工藝活動有條不紊地進行，本文提出了工藝子活動的快速排序算法。

2．3．2 算法思路

在對工藝子活動執(zhí)行的不確定、動態(tài)性進行研究的同時，提出與生產適合的調度優(yōu)化技術，是算法的主要目的。為了保證調度方案對實際生產的指導性，該方案首先必須保證能夠對外界擾動進行及時調整，并且操作簡單，適于人為干預。因此，特制定以下規(guī)定：

規(guī)定5 不確定子過程的隔離和處理?；顒訄?zhí)行過程遇到某些因故延遲的情況時，系統(tǒng)首先暫停該任務，以避免對后續(xù)相關過程造成沖擊。

規(guī)定6 不確定子過程的快速響應。根據以往經驗，將該子過程對后續(xù)其他過程造成的影響進行評估，得到具體評估值；根據歷史經驗值判斷該評估結果。如果該值未超出閾值，則它對后續(xù)影響不明顯，不會造成很大的經濟損失，系統(tǒng)依據經驗自行處理，發(fā)布相關指令；相反，如果該值超出該閾值，則將其結果、影響到的后續(xù)相關過程，以及系統(tǒng)對其作出的判斷同時提交給相關管理部門。

為了準確描述該算法，對其中涉及的概念作如下定義：

定義5 允許延遲時間?；顒拥脑试S延遲時間指該活動的最大容忍時間偏差，即在此時間偏差范圍內，不影響后續(xù)工作的正常執(zhí)行。

定義6 閾值。閾值指對延時活動的綜合考慮，是包括時間、影響、成本在內的綜合測評值。

另外，時間鏈在傳遞過程中具有放大作用（即受影響子活動下級所受的影響是上幾級子活動延時的疊加）。因此，在子活動延時之后，必須進一步深度考查其下各級子活動是否會受影響。

算法流程如圖4所示。

2．3．3 工藝活動快速排序算法

具體算法步驟如下：

步驟1 清空判斷集合St、活動集合Ssource和報告集合Sreport。

步驟2 確定執(zhí)行活動的拖延時間DelayTime和本項目的允許拖延時間Time，計算Δt＝Time－DelayTime，如果Δt＜0，則轉步驟14，否則轉步驟3。

步驟3 遍歷所有活動集Ssource，將本活動直接影響到的其他活動存入臨時活動集合Stemp。

步驟4 判斷集合Stemp是否為空，如果是，則轉步驟14，否則轉步驟5。

步驟5 將Stemp中的活動節(jié)點生成報告Report1存入Sreport。

步驟6 遍歷臨時活動集Stemp，記其中的活動節(jié)點為Activityi（i為活動的索引）。針對每個節(jié)點Activityi，抽取相關經驗知識，查找類似的解決方案，分別針對時間、影響、成本，對該延時做出結果評估（Ei＝Etime＋Eeffect＋Ecost），生成報告Report2，存入Sreport。

步驟7 遍歷集合Stemp，針對每個節(jié)點Activityi取其允許拖延時間Timei，計算Δti＝Timei－DelayTime，如果Δti＜0，則將Activityi存入關鍵活動因素集合SKey。

步驟8 判斷集合SKey是否為空，如果是，則轉步驟14，否則轉步驟9。

步驟9 遍歷集合SKey，將每個節(jié)點Activityi的下級各個節(jié)點均放入SKey。針對每個節(jié)點Activityi，取獲取其綜合測評值Ei，計算ΔEi＝Ei－Threholdi，如果ΔEi＜0，則將Activityi剔除。

步驟10 遍歷集合SKey，尋找每個節(jié)點Activityi的歷史經驗，如果有，則根據經驗調整后續(xù)過程的開始時間，最后仍然依據時間、影響、成本評估影響，形成報告Report3，存入Sreport，轉步驟11；如果沒有歷史經驗，則抽取相關類似經驗，形成建議報告Report4，存入Sreport，轉步驟12。

步驟11 將推理結果生成新的歷史經驗并加以保存，提交報告集Sreport。

步驟12 等待管理人員將該調整方案保存為歷史經驗；如果不需要，則直接根據調整結果通知相關人員。

步驟13 調整后續(xù)受影響活動的時間。將每個被調整活動作為主體，轉步驟2，重新調整它以下的各級活動。

步驟14 退出。

3 飛機制造工藝管理模式在實際中的應用

飛機結構件的形狀復雜、型腔多、壁板薄，造成其加工方式多樣、工藝現(xiàn)場更改頻繁，特別是新型改進零件的工藝設計中，工藝編制與現(xiàn)場加工往往并行處理，從而使工藝活動的不確定性和資源沖突等問題表現(xiàn)得更加明顯。以某飛機制造企業(yè)工藝管理為例，說明基于過程驅動的飛機制造工藝管理模式的使用方法，并驗證其中資源沖突消解算法和工藝活動快速排序算法的有效性。

圖5所示為飛機制造工藝管理平臺主界面。以裝配工藝過程為例，該平臺以項目為單位，按2．1節(jié)內容詳細劃分出每個子過程并圖形化表示，以此來管理相關的人員、工具、設備、生產等數(shù)據，并對工藝現(xiàn)場發(fā)生的子過程不確定性問題和資源沖突問題進行提示和處理。

若工藝子過程發(fā)生活動不確定性和資源沖突等問題，系統(tǒng)首先會根據2．2節(jié)和2．3節(jié)中的內容自動處理，動態(tài)地給出處理方案，供工作人員最后編輯確認（如圖6和圖7）。

4 結束語

本文圍繞飛機制造企業(yè)的工藝管理，提出了工藝子過程概念，設計了工藝管理的過程驅動模式；對活動不確定性問題、資源沖突問題給出了相應的工藝子過程快速排序算法和資源訪問沖突消解算法。最后以某飛機制造企業(yè)工藝過程為例，進行了基于過程驅動的飛機制造工藝管理模式的實施應用，實現(xiàn)了對工藝信息的便捷、有效管理，取得了較為理想的應用效果，增強了企業(yè)工藝過程的執(zhí)行力度。進一步需要研究和完善各種工藝子過程模型，針對不同客戶實現(xiàn)可定制功能；考慮如何進一步挖掘PDM、MES等管理系統(tǒng)功能，實現(xiàn)數(shù)據共享和過程的可視化管理，增強企業(yè)的競爭優(yōu)勢。

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