萬 峰，劉檢華，寧汝新，莊存波

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

0 引言

復(fù)雜產(chǎn)品指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜和項(xiàng)目管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品，如航天器、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品和武器系統(tǒng)等［1］。復(fù)雜產(chǎn)品的裝配通常是離散型裝配，具有作業(yè)周期長(zhǎng)、以手工裝配為主、單件或小批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。在復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程中，存在著大量的信息傳遞和資源協(xié)調(diào)，特別是在產(chǎn)品研制階段，由于設(shè)計(jì)更改頻繁、生產(chǎn)擾動(dòng)多，其生產(chǎn)調(diào)度極其復(fù)雜和困難。

國(guó)內(nèi)外對(duì)裝配生產(chǎn)線調(diào)度技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代前后，對(duì)裝配調(diào)度策略與控制方法的研究主要偏向于自動(dòng)化程度較高的柔性生產(chǎn)線［2－5］，研究成果難以適用于以手工裝配為主的復(fù)雜產(chǎn)品的裝配調(diào)度。吳鋒等針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的手工裝配作業(yè)環(huán)境，提出用Petri網(wǎng)規(guī)范裝配工藝流程，并基于關(guān)鍵工序點(diǎn)進(jìn)行控制的調(diào)度策略和控制方法［6］；謝志強(qiáng)提出工序間有約束的復(fù)雜產(chǎn)品工序調(diào)度方法，對(duì)多種車間狀況下單產(chǎn)品和多產(chǎn)品的調(diào)度策略進(jìn)行了研究［7］；梁燕等針對(duì)以手工裝配為主的混合裝配線改造問題，提出一種帶有工位約束的啟發(fā)式算法，并提出了分段優(yōu)化的策略［8］。但是，以上研究成果尚存在以下問題：①主要側(cè)重于排產(chǎn)調(diào)度的研究，缺少針對(duì)離散裝配過程中生產(chǎn)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法的研究；②主要側(cè)重于調(diào)度策略和算法的設(shè)計(jì)，缺少對(duì)裝配狀態(tài)可視化監(jiān)控方法的研究，而目前企業(yè)管理模式中，調(diào)度問題往往通過人工方式進(jìn)行反饋，不利于裝配計(jì)劃的及時(shí)調(diào)整和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的快速響應(yīng)；③缺少對(duì)調(diào)度信息的組織和管理方法，導(dǎo)致調(diào)度信息和調(diào)度過程難以追溯。

針對(duì)上述問題，本文結(jié)合航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間的實(shí)際需求，提出了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程的可視化生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)，建立了復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程的可視化模型和調(diào)度模型，提出了基于裝配流程的調(diào)度算法和面向裝配過程的可視化調(diào)度及信息管理技術(shù)，并對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)品有序、可控、高效的裝配執(zhí)行效果。

1 基于工作流的裝配過程可視化建模

1．1 復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程特點(diǎn)分析

復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程分為裝前準(zhǔn)備和裝配實(shí)施兩個(gè)階段（具體描述可參見文獻(xiàn)［9］），具有以下特點(diǎn)：

（1）以流程為主組織裝配生產(chǎn) 在裝前準(zhǔn)備階段，首先按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)條件劃分裝配單元，確定其裝配基準(zhǔn)、定位方法、裝配方案、工裝和工藝方法，并根據(jù)裝配單元的作業(yè)順序制定裝配工藝流程。根據(jù)裝配單元的不同，將復(fù)雜產(chǎn)品的裝配分為部件裝配和總體裝配，對(duì)應(yīng)的裝配流程分別為部裝流程和總裝流程：①部裝流程指組部件裝配（如航天器結(jié)構(gòu)板裝配）的工作流程，由一個(gè)串（并）聯(lián)混合而成的裝配工序鏈組成；②總裝流程指復(fù)雜產(chǎn)品總體裝配（如航天器總裝總調(diào)）的工作流程，由完成產(chǎn)品裝配的最終工序串（并）聯(lián)而成。

（2）生產(chǎn)擾動(dòng)多，返工返修多 復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝復(fù)雜，裝配周期長(zhǎng)，在裝配過程中會(huì)受到大量的諸如設(shè)備故障、人員缺勤等擾動(dòng)事件的影響。此外，復(fù)雜產(chǎn)品（特別是處于型號(hào)研制過程中的產(chǎn)品）的裝配活動(dòng)需要不斷嘗試、反復(fù)求精，在裝配過程中常常會(huì)發(fā)生大量的返工返修，例如在衛(wèi)星的總裝過程中，返工返修可達(dá)到上百次之多。

（3）注重產(chǎn)品制造信息的可追溯性 復(fù)雜產(chǎn)品在注重裝配質(zhì)量的同時(shí)，更加強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品裝配過程的可追溯性。對(duì)每件產(chǎn)品，要求能追溯到組成該件產(chǎn)品的零／部／組件的編號(hào)、批次、裝配人員、檢驗(yàn)人員、完成時(shí)間及裝配質(zhì)量記錄等信息。

1．2 裝配流程圖創(chuàng)建

復(fù)雜產(chǎn)品的裝配流程是典型的工作流，在航天器等復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程中，通常要繪制總裝和部裝工藝流程圖，按照工藝流程圖組織裝配工作。裝配工藝流程圖通過圖形化的表達(dá)，直觀地描述了產(chǎn)品裝配單元的劃分和執(zhí)行的順序，其繪制方法可參見文獻(xiàn)［10］，示意圖如圖1所示。裝配工藝流程圖包含以下內(nèi)容：

（1）基本要素 包括活動(dòng)節(jié)點(diǎn)、組織節(jié)點(diǎn)和連接線?；顒?dòng)節(jié)點(diǎn)包括開始節(jié)點(diǎn)、結(jié)束節(jié)點(diǎn)和裝配操作節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)裝配操作節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一道裝配工序；組織節(jié)點(diǎn)包括匯合節(jié)點(diǎn)、分支節(jié)點(diǎn)和換行節(jié)點(diǎn)；連接線表達(dá)了節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系以及裝配工作流的方向。

（2）流程結(jié)構(gòu) 包括順序流程（節(jié)點(diǎn)間串聯(lián)）和并行流程（節(jié)點(diǎn)間并聯(lián)）兩種結(jié)構(gòu)。

（3）層次結(jié)構(gòu) 包括總裝流程圖和部裝流程圖，分別對(duì)應(yīng)總裝流程和部裝流程。其中，總裝流程圖中的一個(gè)裝配節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)部裝流程，兩者形成包含嵌套的關(guān)系。

裝配工藝流程圖本質(zhì)上是產(chǎn)品的裝配工藝路線，但不能表達(dá)裝配進(jìn)度狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，因此在裝配工藝流程圖中引入顏色集，對(duì)裝配節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)志，形成著色的裝配流程圖，其中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和顏色對(duì)照如表1所示，著色后的裝配流程圖能夠反映裝配工序之間的時(shí)序關(guān)系和實(shí)際的裝配狀態(tài)。創(chuàng)建著色裝配流程圖不僅為調(diào)度模型的構(gòu)建提供了工藝約束，也為裝配過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了可視化的工具。

表1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和顏色對(duì)照表

1．3 裝配流程模型構(gòu)建

為描述裝配流程中各裝配節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行方法和時(shí)間要求，需進(jìn)一步建立裝配流程的資源約束和時(shí)間約束，具體內(nèi)容如下：

（1）裝配流程的資源約束 主要包括4M1E的五項(xiàng)內(nèi)容，即人（作業(yè)人員）、機(jī)（工位、工裝、設(shè)備等）、料（零部件、主輔料等）、法（工藝、操作方法及規(guī)范）、環(huán)（工作環(huán)境）。其中，裝配調(diào)度過程中涉及的資源主要包括人、機(jī)和料，具體描述如下：

1）人 復(fù)雜產(chǎn)品的裝配通常由包含各類崗位人員的車間裝配班組負(fù)責(zé)，因此將“人”定義為包含裝配工人、檢驗(yàn)人員和設(shè)備操作人員等的裝配班組。

2）機(jī) 因?yàn)槭止ぱb配操作都是在裝配工位上進(jìn)行，各類設(shè)備也根據(jù)工位進(jìn)行組織管理，所以復(fù)雜產(chǎn)品裝配中的“機(jī)”應(yīng)該定義為包含裝配工位、工裝設(shè)備、測(cè)量?jī)x器等裝配要素的裝配作業(yè)單元，本文簡(jiǎn)稱“工位”。

3）料 主要指產(chǎn)品裝配過程中所用的零件、組部件、標(biāo)準(zhǔn)緊固件、重要輔助材料、外協(xié)件等。物料作為生產(chǎn)準(zhǔn)備的重要內(nèi)容，需在裝配之前準(zhǔn)備完畢。

（2）裝配流程的時(shí)間約束 主要包括裝配任務(wù)的時(shí)間約束和裝配節(jié)點(diǎn)的時(shí)間約束。

1）裝配任務(wù)的時(shí)間約束 包括裝配任務(wù)的計(jì)劃開始時(shí)間TPS、計(jì)劃完成時(shí)間TPF、實(shí)際開始時(shí)間TRS、實(shí)際完成時(shí)間TRF等。

2）裝配節(jié)點(diǎn)的時(shí)間約束 包括額定工時(shí)mh、計(jì)劃開始時(shí)間TS、計(jì)劃完成時(shí)間TF、最早開始時(shí)間ES、最早完成時(shí)間EF、最晚開始時(shí)間LS、最晚完成時(shí)間LF、實(shí)際開始時(shí)間RS和實(shí)際完成時(shí)間RF。其中，最早開始／完成時(shí)間和最晚開始／完成時(shí)間表達(dá)了裝配節(jié)點(diǎn)計(jì)劃作業(yè)時(shí)間的可行時(shí)間區(qū)域，可通過工作流的時(shí)間約束計(jì)算方法獲得［11］。

基于上述分析，將裝配流程模型定義如下：

定義1 復(fù)雜產(chǎn)品裝配流程模型。復(fù)雜產(chǎn)品裝配任務(wù)k的裝配流程模型可表示為AFk＝（Na，NO，L，F(xiàn)T）。其中：Na是裝配活動(dòng)節(jié)點(diǎn)集合；NO是組織節(jié)點(diǎn)集合；L是連接線集合；FT是裝配流程的層次變量，F(xiàn)T∈｛0，1｝，若FT＝0，則該流程為總裝流程，若FT＝1，則該流程為部裝流程。

定義2 裝配活動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型。設(shè)Nai是裝配活動(dòng)節(jié)點(diǎn)集合Na中的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，則Nai＝（Ri，Ti，Ci，Di）。其中：Ri為裝配節(jié)點(diǎn)Nai的資源約束集合，Ri＝（WMi，WPi，MLi，MDi），WMi為裝配班組的集合，WPi為包含裝配工位和設(shè)備的裝配作業(yè)單元的集合，MLi為物料的集合，MDi為裝配工藝信息的集合；Ti為節(jié)點(diǎn)Nai的時(shí)間約束集合，Ti＝（mhi，TS，i，TF，i，ESi，EFi，LSi，LFi，RSi，RFi）；Ci為節(jié)點(diǎn)Nai的顏色；Di為節(jié)點(diǎn)Nai的輸入輸出數(shù)據(jù)集合。

2 基于流程的復(fù)雜產(chǎn)品裝配調(diào)度模型及算法

2．1 調(diào)度模型構(gòu)建

復(fù)雜產(chǎn)品的裝配屬于單件小批量的生產(chǎn)模式，在進(jìn)行車間調(diào)度時(shí)，往往將生產(chǎn)計(jì)劃分解為一個(gè)或多個(gè)裝配任務(wù)，每個(gè)裝配任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)產(chǎn)品或組部件的裝配流程。在裝配時(shí)應(yīng)滿足：①一道工序在某一時(shí)刻只能在一個(gè)工位進(jìn)行裝配；②一個(gè)工位開始進(jìn)行某個(gè)工序的裝配，只有在該工序裝配完畢后，該工位才能進(jìn)行其他工序的裝配；③每道工序必須在其前驅(qū)工序裝配完畢后才能開工；④允許工序之間等待，允許工位閑置。

根據(jù)上述分析，將復(fù)雜產(chǎn)品的裝配調(diào)度問題描述如下：設(shè)需要調(diào)度的任務(wù)集合AT＝｛AT1，AT2，…，ATi，…，ATk｝，對(duì)應(yīng)的裝配流程集合 AF＝｛AF1，AF2，…，AFi，…，AFk｝，裝配車間中有 m 個(gè)可用裝配班組（WM1，WM2，…，WMi，…，WMm）和n個(gè)可用工位（WP1，WP2，…，WPi，…，WPn），需要在調(diào)度約束條件下，合理地設(shè)置各個(gè)裝配工序的工位和班組，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。

結(jié)合復(fù)雜產(chǎn)品裝配的業(yè)務(wù)流程和特點(diǎn)，對(duì)調(diào)度目標(biāo)和調(diào)度約束分析如下：

（1）調(diào)度目標(biāo)

1）工期最短 在滿足交貨期要求和資源約束的前提下，通過調(diào)度排產(chǎn)，使裝配任務(wù)的作業(yè)周期最小，從而降低生產(chǎn)成本，提高資源的利用率。

2）資源均衡 在滿足交貨期要求和資源約束的前提下，合理地配置某些工序的資源，使各個(gè)同類裝配資源的需求量在一定時(shí)間周期內(nèi)趨于均衡，從而減少資源瓶頸，并使資源的損耗也趨于均衡。

（2）調(diào)度約束

1）裝配工藝約束 該約束可以通過裝配流程圖進(jìn)行圖形化表達(dá)，也可以通過裝配節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行描述：裝配流程中的任意裝配節(jié)點(diǎn)應(yīng)在其最晚開始時(shí)間之前開工，并在其最晚完成時(shí)間之前完工；同時(shí)，除開始節(jié)點(diǎn)外的其他裝配節(jié)點(diǎn)應(yīng)在其所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)完工后才能進(jìn)行工作。

2）裝配資源約束 主要包括裝配工位和裝配班組。在裝配車間中，一般有多個(gè)同類的裝配工位和裝配班組可以選擇。不同于機(jī)械加工中工人可同時(shí)操作多臺(tái)自動(dòng)化加工設(shè)備，在復(fù)雜產(chǎn)品裝配中，因?yàn)檠b配操作多以手工裝配的方式完成，裝配班組不能同時(shí)在兩個(gè)工位進(jìn)行裝配操作，所以裝配班組和裝配工位的比率往往接近并大于1。

3）交貨期約束 復(fù)雜產(chǎn)品的裝配通常采用訂單驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行生產(chǎn)組織，必須按照訂單中的交貨期及時(shí)交付產(chǎn)品。為保證生產(chǎn)任務(wù)及時(shí)完成，采取余量控制方法，為交貨期約束設(shè)置提前期。在裝配調(diào)度時(shí)，考慮交貨期和交貨提前期，確定裝配任務(wù)的截止日期，作為調(diào)度的交貨期約束。

4）裝前準(zhǔn)備約束 主要包括物料、工裝／工具、工藝文件、圖紙規(guī)范等的準(zhǔn)備工作。每道裝配工序都有對(duì)應(yīng)的裝前裝備約束，只有在裝前準(zhǔn)備完畢后，才能開始進(jìn)行該裝配工序的操作。

復(fù)雜產(chǎn)品裝配調(diào)度模型定義如下：

其中：式（1）表示工期最短的調(diào)度目標(biāo)，TS，ij和mhij分別為任務(wù)i中工序j的計(jì)劃開工時(shí)間和額定工時(shí)；式（2）和式（3）表示工位均衡和班組均衡目標(biāo)，PHa，i和MHb，i分別為任務(wù)i中使用的a 工位和b班組的總工時(shí)，PHl和MHk分別為工位l和班組k的總工時(shí)，n和m分別為工位和班組的數(shù)量；式（4）表示裝配任務(wù)i應(yīng)早于交貨期DDi完成；式（5）表示每個(gè)裝配工序的開始時(shí)間須小于其最晚開始時(shí)間；式（6）表示每個(gè)裝配工序的開始時(shí)間應(yīng)大于其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的完成時(shí)間，TS，ij．pre和mhij．pre分別為任務(wù)i中第j個(gè)裝配工序的前驅(qū)工序的開工時(shí)間和工時(shí)；式（7）和式（8）表示每個(gè)裝配工序需有可用的工位和班組，WPij．left和 WMij．left分別表示任務(wù)i中第j 個(gè)裝配工序的可用工位集合和班組集合；式（9）中SPij為任務(wù)i中第j個(gè)裝配工序的裝前準(zhǔn)備狀態(tài)，若SPij＝1，則表示準(zhǔn)備就緒。

2．2 基于啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則的裝配調(diào)度算法

在裝配計(jì)劃制定階段，采用自動(dòng)調(diào)度和人機(jī)交互調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度策略，即通過自動(dòng)調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)預(yù)排產(chǎn)，通過人機(jī)交互調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)裝配計(jì)劃的人工調(diào)整，從而滿足復(fù)雜產(chǎn)品的工程需求。

啟發(fā)式方法易于描述復(fù)雜的生產(chǎn)特性，并可在較短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)求出令用戶滿意的可行解［12］，因此采用基于啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則的調(diào)度算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度算法的設(shè)計(jì)。由于單一的調(diào)度規(guī)則通常只能對(duì)某一種優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生較好的優(yōu)化作用，很難滿足多優(yōu)化目標(biāo)的需求。采用規(guī)則組合的調(diào)度策略來研究復(fù)雜產(chǎn)品裝配中的多目標(biāo)調(diào)度問題［13］，其基本思想是：將調(diào)度過程分為裝配任務(wù)選擇、裝配工序選擇和裝配資源選擇等階段，在各階段運(yùn)用相應(yīng)的優(yōu)先規(guī)則解決各種排序和資源分配問題，從而分階段完成整個(gè)問題的求解過程，得到問題的最優(yōu)解或近優(yōu)解。具體的調(diào)度規(guī)則組合如下：

（1）裝配任務(wù)的優(yōu)先調(diào)度規(guī)則

1）過程最早到期規(guī)則 優(yōu)先選擇截止日期最早的裝配任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，保證其任務(wù)不拖期。

2）最小開始時(shí)間規(guī)則 優(yōu)先選擇最早開始的裝配任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，減少等待或資源空閑時(shí)間。

（2）裝配工序的優(yōu)先調(diào)度規(guī)則

1）最小完成時(shí)間規(guī)則 優(yōu)先選擇截止日期近的工序進(jìn)行調(diào)度。在調(diào)度排產(chǎn)時(shí)，選取工序的最晚完成時(shí)間作為截止時(shí)間。

2）關(guān)鍵路徑節(jié)點(diǎn)優(yōu)先規(guī)則 關(guān)鍵路徑指裝配流程中工時(shí)最長(zhǎng)的路徑，關(guān)鍵路徑上裝配節(jié)點(diǎn)的時(shí)間直接影響了裝配任務(wù)的總時(shí)間，因此優(yōu)先選擇關(guān)鍵路徑上的工序進(jìn)行調(diào)度。

（3）裝配資源的優(yōu)先調(diào)度規(guī)則

1）緊前工序資源優(yōu)先規(guī)則 由于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配操作具有一定的連貫性，大多數(shù)時(shí)候要求在一個(gè)工位上由相同班組完成盡可能多的工序，以避免工件搬運(yùn)、設(shè)備調(diào)試等造成的時(shí)間延遲和精度偏差。因此在資源配置時(shí)，優(yōu)先選擇前驅(qū)工序的工位和班組進(jìn)行配置。

2）最小開始時(shí)間規(guī)則 針對(duì)本工序，選擇等待時(shí)間最短的資源進(jìn)行優(yōu)先配置。

基于上述調(diào)度規(guī)則組合進(jìn)行啟發(fā)式自動(dòng)調(diào)度算法的設(shè)計(jì)，算法流程如圖2所示，具體步驟如下：

步驟1 建立待調(diào)度裝配任務(wù)的集合AT。若AT不為空，則根據(jù)過程最早到期規(guī)則和最小開始時(shí)間規(guī)則獲取優(yōu)先調(diào)度的裝配任務(wù)ATi及其裝配流程AFi，轉(zhuǎn)步驟2；否則，轉(zhuǎn)步驟7。

步驟2 根據(jù)AFi獲取待調(diào)度的裝配工序集合Pi。若Pi不為空，則根據(jù)最小完成時(shí)間規(guī)則和關(guān)鍵路徑節(jié)點(diǎn)優(yōu)先規(guī)則獲取優(yōu)先調(diào)度的裝配工序pij，轉(zhuǎn)步驟3；否則，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟3 根據(jù)緊前工序資源優(yōu)先規(guī)則和最小開始時(shí)間規(guī)則獲取pij可用的工位。若工位存在，則設(shè)為WPij，轉(zhuǎn)步驟4；否則，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4 根據(jù)緊前工序資源優(yōu)先規(guī)則和最小開始時(shí)間規(guī)則獲取pij可選擇的班組。若班組存在，則設(shè)為WMij，轉(zhuǎn)步驟5；否則，轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5 若WPij和WMij存在，則根據(jù)工位的最早可用時(shí)間TWPS，ij和班組的最早可用時(shí)間TWMS，ij，以及pij的前驅(qū)工序的最晚計(jì)劃完成時(shí)間Tpre，ij，計(jì)算pij的計(jì)劃開始時(shí)間TS，ij和計(jì)劃完成時(shí)間TF，ij，計(jì) 算 方 法 為 TS，ij＝max｛TWPS，ij，TWMS，ij，ESij，Tpre｝，TF，ij＝TS，ij＋mhij，計(jì)算完成轉(zhuǎn)步驟2；否則，轉(zhuǎn)步驟2。

步驟6 根據(jù)各個(gè)裝配工序的時(shí)間、工位和班組信息，制定ATi的裝配計(jì)劃，轉(zhuǎn)步驟1。

步驟7 調(diào)度結(jié)束。

在實(shí)際排產(chǎn)過程中，采用自動(dòng)調(diào)度算法有時(shí)不能生成滿意的裝配計(jì)劃，可采用人機(jī)交互調(diào)度方法對(duì)裝配計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。人機(jī)交互調(diào)度并不是完全由調(diào)度員手動(dòng)設(shè)置時(shí)間和資源，而是通過計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算得到裝配任務(wù)信息、裝配流程信息以及可用的工位和班組信息，以此輔助調(diào)度員做出決策，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)判斷裝配計(jì)劃信息的合理性（如工序計(jì)劃開始時(shí)間是否超過最晚開始時(shí)間），若不合理，則提示調(diào)度員進(jìn)行調(diào)整，直至計(jì)劃合理。

2．3 面向生產(chǎn)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法

復(fù)雜產(chǎn)品裝配執(zhí)行環(huán)境具有不確定性、不準(zhǔn)確性和不完備性等特點(diǎn)，裝配過程中存在大量來自計(jì)劃層、工藝層和執(zhí)行層的生產(chǎn)擾動(dòng)。因?yàn)槲纯紤]裝配工序的完成狀況和生產(chǎn)擾動(dòng)的影響，上述基于啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則的調(diào)度算法僅適用于裝前準(zhǔn)備階段的計(jì)劃排產(chǎn)，不能用于裝配實(shí)施階段的動(dòng)態(tài)調(diào)度，所以需研究面向生產(chǎn)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。在裝配實(shí)施過程中，針對(duì)不同的生產(chǎn)擾動(dòng)事件具有不同的處理方法，具體的擾動(dòng)事件和處理方法如表2所示。

由表2可知，生產(chǎn)擾動(dòng)的處理方法主要包括重調(diào)度方法和受影響工序調(diào)整方法。重調(diào)度方法指對(duì)裝配任務(wù)中的未執(zhí)行工序進(jìn)行重新排產(chǎn)，基本思想是針對(duì)裝配流程中未執(zhí)行的裝配工序，重新計(jì)算其裝配時(shí)間和裝配資源，生成新的裝配計(jì)劃，具體的計(jì)算過程與啟發(fā)式自動(dòng)調(diào)度算法類似，在此不進(jìn)行詳述。

受影響工序調(diào)整方法指針對(duì)受生產(chǎn)擾動(dòng)影響的工序及其關(guān)聯(lián)工序進(jìn)行調(diào)整，使原有裝配計(jì)劃盡量少變動(dòng)。受影響工序調(diào)整算法通過對(duì)受生產(chǎn)擾動(dòng)影響的工序及其關(guān)聯(lián)工序進(jìn)行時(shí)間和資源的重新計(jì)算，實(shí)現(xiàn)裝配計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)整。裝配工序的關(guān)聯(lián)工序指因當(dāng)前工序裝配計(jì)劃的變化而可能影響到的其他工序，主要包括該工序在裝配流程上的后續(xù)工序、在工位上的后續(xù)工序和占用班組的后續(xù)工序。文獻(xiàn)［14］為解決機(jī)加車間快速調(diào)整的問題，提出一種工時(shí)偏差容忍度技術(shù)和關(guān)聯(lián)工序遍歷算法。其中，工時(shí)偏差容忍度指工序執(zhí)行時(shí)間與額定工時(shí)的偏差不超過一定程度時(shí)（一般設(shè)為工序時(shí)間的10%），可以不必對(duì)該工序的裝配計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，從而降低動(dòng)態(tài)調(diào)整的頻率。借鑒上述思想，設(shè)計(jì)了受影響工序調(diào)整算法，算法流程如圖3所示，步驟如下：

表2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程生產(chǎn)擾動(dòng)事件及處理方法表

步驟1 建立受影響工序集合DP，獲取發(fā)生擾動(dòng)事件的工序，設(shè)為當(dāng)前工序pn，w，m（n，w，m 分別為表征工序、工位和班組的變量），并將其加入DP。

步驟2 若pn，w，m未開始執(zhí)行，則根據(jù)工位和班組的調(diào)度規(guī)則，自動(dòng)或手動(dòng)設(shè)置工位和班組，重新計(jì)算 其 計(jì) 劃 開 始 時(shí) 間 TS，n，w，m和 計(jì) 劃 完 成 時(shí)間TF，n，w，m。

步驟3 獲取pn，w，m在其所屬的裝配流程中的后續(xù)工序pn＋1，w，m，如果不存在，則轉(zhuǎn)步驟4；否則，判斷pn，w，m的計(jì)劃完成時(shí)間與pn＋1，w，m的計(jì)劃開始時(shí)間之差是否超過工時(shí)偏差容忍度，即判斷時(shí)間偏差（TF，n，w，m－TS，n＋1，w，m－0．1×mhn＋1，w，m）是否大于0，如果大于0，則將pn＋1，w，m加入DP，并轉(zhuǎn)步驟4；否則，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4 獲取pn，w，m工位內(nèi)后續(xù)工序pn，w＋1，m，如果不存在，則轉(zhuǎn)步驟5；否則，按照步驟3的方法進(jìn)行工時(shí)偏差的判斷，如果偏差大于0，則將pn，w＋1，m加入DP，并轉(zhuǎn)步驟4；否則轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5 獲取pn，w，m班組內(nèi)后續(xù)工序pn，w，m＋1，若不存在，則轉(zhuǎn)步驟6；否則，按照步驟3的方法進(jìn)行工時(shí)偏差的判斷，如果偏差大于0，則將pn，w，m＋1加入DP，并轉(zhuǎn)步驟6；否則，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟6 將pn，w，m從DP中剔除，從DP中獲取一個(gè)工序，將其設(shè)定為當(dāng)前工序pn，w，m，轉(zhuǎn)步驟2，如果DP為空，則算法結(jié)束。

3 面向裝配過程的可視化調(diào)度及信息管理

3．1 裝配過程可視化監(jiān)控與調(diào)度

基于上述裝配調(diào)度模型和調(diào)度算法，采用可視化方法，實(shí)現(xiàn)裝配計(jì)劃的展示以及工位裝配狀態(tài)和裝配流程狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為裝配調(diào)度提供支持。具體內(nèi)容如下：

（1）裝配計(jì)劃甘特圖展示

通過自動(dòng)調(diào)度或人機(jī)交互調(diào)度完成裝配計(jì)劃制定后，采用甘特圖對(duì)裝配計(jì)劃進(jìn)行可視化展示，裝配計(jì)劃的甘特圖展示界面如圖4所示。甘特圖中顯示了裝配車間中各個(gè)工位的裝配計(jì)劃信息，包括計(jì)劃時(shí)間、工序、班組等。當(dāng)裝配計(jì)劃發(fā)生變化時(shí)，甘特圖也隨之進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變化。調(diào)度員或裝配工人通過查看甘特圖，可以方便、直觀地了解裝配計(jì)劃。

（2）工位狀態(tài)可視化監(jiān)控

為快速獲取各工位的執(zhí)行狀況，通過軟件系統(tǒng)中的工位狀態(tài)集成監(jiān)控界面對(duì)工位狀態(tài)進(jìn)行可視化展示，界面示意圖如圖5所示。在該界面中，分別對(duì)工位的物料、人員、裝配進(jìn)度及裝配執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。若該工位裝配執(zhí)行狀態(tài)正常，則“指示燈”全為綠色；若發(fā)生物料、人員未到位或發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問題等狀況，則對(duì)應(yīng)的“指示燈”變?yōu)榧t色。調(diào)度員通過該界面能實(shí)時(shí)地了解各個(gè)工位的狀態(tài)，并及時(shí)處理裝配過程中出現(xiàn)的問題。

（3）裝配流程圖監(jiān)控與調(diào)度

通過對(duì)裝配流程圖實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的展示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品裝配進(jìn)度和裝配執(zhí)行狀態(tài)的監(jiān)控，裝配流程圖監(jiān)控的示意圖如圖6所示。在裝配任務(wù)開始前，裝配節(jié)點(diǎn)都處于等待處理狀態(tài)，全部標(biāo)志為紅色；當(dāng)某節(jié)點(diǎn)正進(jìn)行裝配操作時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的顏色變?yōu)辄S色。裝配班組嚴(yán)格按照裝配流程圖的順序進(jìn)行裝配操作，在完成某裝配節(jié)點(diǎn)的操作后，裝配工人和檢驗(yàn)員通過電子簽名的方式確認(rèn)完工，流程圖上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的顏色會(huì)自動(dòng)變?yōu)榫G色，這樣方可實(shí)施下一個(gè)裝配節(jié)點(diǎn)的裝配工作。

在當(dāng)前工序（正在執(zhí)行的裝配工序或即將執(zhí)行的第一個(gè)裝配工序）的操作過程中，軟件系統(tǒng)根據(jù)裝配計(jì)劃接收和完工簽署等動(dòng)作，自動(dòng)采集工序的開始時(shí)間、完成時(shí)間、資源狀況等信息，并與裝配計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者之間出現(xiàn)差別時(shí)（如某工序發(fā)生執(zhí)行時(shí)間超時(shí)且超過工時(shí)偏差容忍度時(shí)），將當(dāng)前工序?qū)?yīng)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志為藍(lán)色。若發(fā)生技術(shù)問題或質(zhì)量問題等現(xiàn)場(chǎng)問題，則將相應(yīng)的裝配節(jié)點(diǎn)顏色變?yōu)榛疑?。車間調(diào)度員查看流程圖，若發(fā)現(xiàn)藍(lán)色節(jié)點(diǎn)，則通過動(dòng)態(tài)調(diào)度方法對(duì)該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工序及其關(guān)聯(lián)工序的計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整；若發(fā)現(xiàn)灰色節(jié)點(diǎn)，則查看對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)問題信息，下發(fā)技術(shù)問題處理單或進(jìn)行質(zhì)量問題處理。當(dāng)計(jì)劃調(diào)整完畢或現(xiàn)場(chǎng)問題解決時(shí)，節(jié)點(diǎn)顏色恢復(fù)為紅色。

3．2 裝配調(diào)度信息組織與管理

裝配調(diào)度信息指調(diào)度過程的驅(qū)動(dòng)信息或由調(diào)度產(chǎn)生的信息，主要包括生產(chǎn)訂單信息、裝配計(jì)劃信息和調(diào)度問題信息。通過對(duì)調(diào)度信息進(jìn)行組織和管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)訂單、裝配計(jì)劃和生產(chǎn)擾動(dòng)事件及處理方法的完全追溯，還可以為后續(xù)的生產(chǎn)調(diào)度提供經(jīng)驗(yàn)。

通過構(gòu)建裝配計(jì)劃樹可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度信息分層次的細(xì)化組織和管理。裝配計(jì)劃樹是產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹（參見文獻(xiàn)［8］）的衍生，它繼承了裝配結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)下掛接生產(chǎn)訂單信息、裝配任務(wù)信息、作業(yè)計(jì)劃信息和調(diào)度問題信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)度信息與裝配結(jié)構(gòu)樹的集成，其結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

為實(shí)現(xiàn)調(diào)度信息的快速查詢，可采用基于關(guān)聯(lián)屬性的搜索方法。該方法的基本思想是根據(jù)調(diào)度信息的屬性進(jìn)行搜索，即根據(jù)裝配計(jì)劃名稱、所屬產(chǎn)品或組部件、調(diào)度人員等屬性信息，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行搜索，獲取具有上述屬性的數(shù)據(jù)列表。

此外，為輔助調(diào)度員進(jìn)行調(diào)度決策，需進(jìn)一步分析計(jì)算調(diào)度信息。在實(shí)際應(yīng)用中，需對(duì)裝配進(jìn)度和資源利用率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化展示。具體計(jì)算方法如下：

（1）裝配進(jìn)度的計(jì)算

裝配進(jìn)度反映了裝配任務(wù)的執(zhí)行程度。車間管理人員和調(diào)度員通過查看裝配進(jìn)度，了解任務(wù)進(jìn)展，并根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行裝配計(jì)劃的調(diào)整。裝配進(jìn)度用工序完成率?（i）表示，

式中：QF，i為任務(wù)i中已完成工序的數(shù)量，Qi為裝配工序的總數(shù)。

（2）資源工時(shí)利用率的計(jì)算

資源工時(shí)利用率反映了各類裝配資源在復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程中的忙閑狀態(tài)，對(duì)裝配人員組織和工位資源配置，特別是瓶頸資源的有效識(shí)別有重要的指導(dǎo)意義。復(fù)雜產(chǎn)品裝配調(diào)度過程中涉及的資源主要包括工位與班組兩類，其中工位工時(shí)利用率φwp（i）和班組工時(shí)利用率φwm（j）的計(jì)算公式如下：

式中：PHi為工位i的總工時(shí)，n為工位數(shù)量；MHj為班組j的總工時(shí)，m為班組數(shù)量。

4 系統(tǒng)實(shí)例

基于上述研究，本文利用Microsoft Visual Studio 2008和Microsoft．Net Framework 3．5工具開發(fā)了瀏覽器／服務(wù)器（Brower／Server，B／S）架構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助裝配過程控制與管理系統(tǒng)，其中可視化裝配調(diào)度是該系統(tǒng)的核心功能模塊。目前，該系統(tǒng)已在某航天企業(yè)裝配車間進(jìn)行了工程化應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了車間裝配作業(yè)調(diào)度和裝配過程監(jiān)控，下面以某產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)板裝配為例進(jìn)行說明。結(jié)構(gòu)板裝配流程圖可通過系統(tǒng)中的流程定制器模塊進(jìn)行繪制和信息編輯，并通過如圖8所示的界面進(jìn)行展示。

該裝配車間共有4個(gè)裝配工位和4個(gè)裝配班組，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)件的裝配，工位和班組狀況展示界面如圖9所示，在該界面中展示了工位列表、班組列表，以及工位和班組工時(shí)利用情況的柱狀圖。

設(shè)該裝配任務(wù)的計(jì)劃開始時(shí)間為2012年1月10日，計(jì)劃完成時(shí)間為2012年2月1日，一周工作5d（周末休息），每天工作8h（上午8：00～12：00，下午13：00～17：00）。通過系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度排產(chǎn)，生成初始裝配計(jì)劃，裝配計(jì)劃信息可通過PDF格式的裝配計(jì)劃報(bào)表進(jìn)行輸出，界面如圖10所示。在此基礎(chǔ)上，可通過人機(jī)交互的方式對(duì)裝配計(jì)劃進(jìn)行局部調(diào)整。

圖10 裝配計(jì)劃報(bào)表輸出界面

在完成調(diào)度排產(chǎn)后，車間調(diào)度員將裝配計(jì)劃下發(fā)至車間，裝配工人根據(jù)計(jì)劃信息進(jìn)行裝配操作、數(shù)據(jù)采集和完工確認(rèn)。車間調(diào)度員可通過如圖11所示的裝配過程監(jiān)控界面實(shí)時(shí)查看裝配進(jìn)度和執(zhí)行狀況。在進(jìn)行“噴漆”工序的操作時(shí)，由于設(shè)備故障，完成裝配的時(shí)間為1月18日13：30，遠(yuǎn)超出工時(shí)偏差容忍度，軟件系統(tǒng)自動(dòng)將該工序?qū)?yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)志為藍(lán)色。車間調(diào)度員根據(jù)受影響工序調(diào)整方法進(jìn)行裝配計(jì)劃的調(diào)整，調(diào)整后的裝配計(jì)劃信息如圖12所示。調(diào)整完畢后，工人按照新的計(jì)劃信息進(jìn)行操作，直至完成任務(wù)。裝配過程中的調(diào)度信息可在如圖13所示的調(diào)度信息查詢及管理界面進(jìn)行快速的查詢。

圖12 調(diào)整后的裝配計(jì)劃信息

5 結(jié)束語

本文從復(fù)雜產(chǎn)品裝配調(diào)度的實(shí)際需求出發(fā)，首先構(gòu)建了基于工作流的復(fù)雜產(chǎn)品裝配流程模型，實(shí)現(xiàn)了裝配過程的可視化建模；然后基于裝配流程模型建立了裝配調(diào)度模型，并通過基于啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則的裝配調(diào)度算法和面向生產(chǎn)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃排產(chǎn)和動(dòng)態(tài)調(diào)度；最后通過對(duì)裝配過程的可視化監(jiān)控、動(dòng)態(tài)調(diào)度以及對(duì)調(diào)度信息的有效管理，實(shí)現(xiàn)了裝配計(jì)劃的快速、動(dòng)態(tài)調(diào)整，并且保證了生產(chǎn)調(diào)度信息的可追溯性。通過本文的研究，為復(fù)雜產(chǎn)品裝配調(diào)度和裝配過程控制提供了新的思路。下一步將研究裝配計(jì)劃與調(diào)度集成優(yōu)化等問題，以完善復(fù)雜產(chǎn)品裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)的技術(shù)體系。

［1］LI Bohu，CHAI Xudong．Virtual prototyping engineering for complex product［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2002，8（9）：678－683（in Chinese）．［李伯虎，柴旭東．復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2002，8（9）：678－683．］

［2］FU Minglei，LE Zichun．Design of assembly control algorithm based on burst－size feedback for optical burst switching network［J］．Chinese Optics Letters，2009，7（5）：376－379．

［3］REYES A，YU H，KELLEHER G，et al．Integrating Petri nets and hybrid heuristic search for the scheduling of FMS［J］．Computers in Industry，2002，47（1）：123－138．

［4］PHILIPOOM P，RRUSSELL R，F(xiàn)RY T．A preliminary investigation of multi－attribute based sequencing rules for assembly shops［J］．International Journal of Product ion Research，1991，29（4）：739－753．

［5］LIN Juguang．Research visual manufacturing execution system oriented to assembly process and its key techniques［D］．Hefei：Hefei University of Technology，2007（in Chinese）．［林巨廣．面向裝配過程的可視化制造執(zhí)行系統(tǒng)極其關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007．］

［6］WU Feng，LIU Wenhuang．Scheduling strategy and control methods for the manual assembly process［J］．Journal of Tsinghua University，1998，38（2）：56－61（in Chinese）．［吳 鋒，劉文煌．手工裝配作業(yè)下的一種調(diào)度策略與控制方法［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，38（2）：56－61．］

［7］XIE Zhiqiang．Study on operation scheduling of complex product with constraint among jobs［D］．Harbin：Harbin University of Science and Technology，2009（in Chinese）．［謝志強(qiáng)．工件間有約束的復(fù)雜產(chǎn)品工序調(diào)度研究［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009．］

［8］LIANG Yan，JIN Ye．Subsection optimization on mixed model assembly lines based on workstation constrained fast heuristic algorithm［J］．Journal of Shanghai Jiaotong University，2007，41（9）：1501－1505（in Chinese）．［梁 燕，金 燁．基于工位約束快速啟發(fā)式算法的混合裝配線分段優(yōu)化［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（9）：1501－1505．］

［9］LIU Jianhua，LIN Xiaoqing，LIU Jinshan，et al．Assembly workshop production planning ＆control technology based on workflow［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2010，16（4）：755－762（in Chinese）．［劉檢華，林曉青，劉金山，等．基于工作流的裝配車間生產(chǎn)過程計(jì)劃和控制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（4）：755－762．］

［10］ZHANG Jiapeng，LIU Jianhua，NING Ruxin．Assembly process generation and information integration technique based on workflow［J］．Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2010，29（9）：1145－1151（in Chinese）．［張佳朋，劉檢華，寧汝新．基于工作流的產(chǎn)品裝配工藝生成及信息集成技術(shù)研究［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（9）：1145－1151．］

［11］MENG Qinghai．Research on workflow temporal characteristic with resource constraints［D］．Dalian：Dalian University of Technology，2006（in Chinese）．［孟慶海．受資源約束的工作流時(shí)間特性研究［D］．大連：大連理工大學(xué)，2006．］

［12］JIN Fenghe，KONG Fansen，JIN Dongyuan．Scheduling rules for assembly Job Shop based on machine available time［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2008，14（9）：1727－1731（in Chinese）．［金鋒赫，孔繁森，金東園．基于設(shè)備可用時(shí)間約束的裝配作業(yè)車間調(diào)度規(guī)則［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14（9）：1727－1731．］

［13］WANG Haiyao．Research on the flexible scheduling methods with multi－objective in Job Shop based on combinatorial rule［D］．Hefei：Hefei University of Technology，2009（in Chinese）．［王?，帲谝?guī)則組合的Job Shop多目標(biāo)柔性調(diào)度方法研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009．］

［14］DING Lei，WANG Aimin，NING Ruxin．Job－Shop scheduling technology with uncertain processing time［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2010，16（1）：98－108（in Chinese）．［丁 雷，王愛民，寧汝新．工時(shí)不確定條件下的車間作業(yè)調(diào)度技術(shù)［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（1）：98－108．］