陳 生，郭 宇，錢偉偉，汪偉麗，王勝博，陳 偉

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

0 引言

離散制造車間加工產(chǎn)品多品種、多批次、小批量，工位布局不嚴(yán)格遵照生產(chǎn)流程，存在雜亂無序，管控困難的問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，將RFID、傳感器、SCADA等技術(shù)應(yīng)用在車間現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面實(shí)時(shí)采集，但信息的轉(zhuǎn)發(fā)水平傳遞距離理想的互聯(lián)互通仍有差距。身處龐大混亂的車間現(xiàn)場(chǎng)，工作人員難以第一時(shí)間從多源異構(gòu)海量動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)中獲取所需信息，降低了工作效率。由此可見，在離散制造車間內(nèi)信息孤島和信息過載問題亟待解決，開展制造信息動(dòng)態(tài)推送研究對(duì)于提高信息利用率、提升車間整體生產(chǎn)效率具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者開展了關(guān)于車間信息服務(wù)的研究。其中多數(shù)信息服務(wù)的研究局限于知識(shí)的推送[1-5]。李章錦等[6]將車間人員按管理等級(jí)分類，對(duì)不同等級(jí)的人員推送不同的信息。趙軍等[7]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種應(yīng)用于混裝車間的電子看板，以混合推拉的方式傳遞裝配任務(wù)的相關(guān)信息。張映鋒等[8]將RFID技術(shù)應(yīng)用到看板管理系統(tǒng)，提高看板的智能化水平。鄭立斌等[9]依據(jù)用戶的興趣愛好、訪問記錄建立用戶模型，計(jì)算制造資源信息與用戶模型的相似度以匹配排序，以郵件形式推送制造資源信息。于毅[10]基于人工免疫機(jī)理對(duì)推送過程建模，來實(shí)現(xiàn)切削數(shù)據(jù)的主動(dòng)推送。Lei L等[11]針對(duì)高校工程訓(xùn)練系統(tǒng)，通過車間無線網(wǎng)絡(luò)和智能移動(dòng)終端，推送訓(xùn)練所需的車間信息。上述研究雖然考慮了車間用戶對(duì)知識(shí)或信息的個(gè)性化需求，但尚未充分考慮車間生產(chǎn)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化對(duì)推送過程中用戶需求與信息內(nèi)容產(chǎn)生的影響。

基于以上分析，本文提出一種工位狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的離散制造車間信息動(dòng)態(tài)推送服務(wù)方法，該方法充分考慮了車間生產(chǎn)過程的全部生產(chǎn)要素信息、工位狀態(tài)與時(shí)間、位置的關(guān)系，具備良好的全面性、實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性。

1 離散制造車間信息動(dòng)態(tài)推送服務(wù)體系架構(gòu)

離散制造車間信息推送服務(wù)涉及數(shù)據(jù)采集、信息提取、推送實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。建立工位狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的離散制造車間信息動(dòng)態(tài)推送服務(wù)體系架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于制造要素的車間信息分類

(1)數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)架構(gòu)最底層，通過條碼、RFID、UWB、傳感器等各種技術(shù)完成車間信息的采集。

(2)處理層。處理層主要涵蓋制造信息的管理、加工狀態(tài)的判定、優(yōu)先度的確定。將車間信息與各個(gè)制造要素綁定，通過工件、工序、工位間的內(nèi)在邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)車間信息的組織管理。根據(jù)工位內(nèi)工件的數(shù)量及位置判定其加工狀態(tài)，確定各信息的優(yōu)先度，作為動(dòng)態(tài)排名的依據(jù)。

(3)服務(wù)層。服務(wù)層是系統(tǒng)架構(gòu)最頂層，實(shí)現(xiàn)從服務(wù)器到用戶終端的車間信息推送。

2 離散車間制造信息組織模型構(gòu)建

工序是工件在一個(gè)工位上被加工或裝配的連續(xù)生產(chǎn)活動(dòng)[12]。工序P(Wm,i)所指定的相關(guān)設(shè)備、物料、方法文件等制造要素個(gè)體，構(gòu)成其制造要素集{Work(m,i),Staf(m,i),Mach(m,i),Mate(m,i),…}。以工序?yàn)槊浇閷?shí)現(xiàn)制造要素信息的組織關(guān)聯(lián)，為信息推送提供數(shù)據(jù)來源。

工序的定義賦予了工件和工位的唯一性，工件Wm在工位Sn上的一次加工為一道工序，當(dāng)工件Wm的第i道工序用P(Wm,i)表示，同時(shí)工位Sn的第j道工序用P(Sn,j)表示時(shí)，即P(Wm,i)=P(Sn,j)，可知工件Wm的第i個(gè)加工工位S(Wm,i)=Sn，工位Sn的第j個(gè)加工工件W(Sn,j)=Wm。

根據(jù)工件和工位這兩個(gè)工序的基本元素，若Wm的當(dāng)前工序?yàn)镻(Wm,i)，則Wm的前道工序?yàn)镻(Wm,i-1)，Wm的后道工序?yàn)镻(Wm,i+1)。若Sn的當(dāng)前工序?yàn)镻(Sn,j)，則Sn的前道工序?yàn)镻(Sn,j-1)，Sn的后道工序?yàn)镻(Sn,j+1)。

工件前道工序與工件后道工序即通常意義上的前道工序與后道工序，受到工藝制定過程中的明確時(shí)間先后約束，工件前后工序之間存在時(shí)間層面的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。工位前后工序共用同一工位，順序未事先明確規(guī)定，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)有變動(dòng)，這種關(guān)聯(lián)是一種空間層面的弱關(guān)聯(lián)。

3 離散制造車間信息推送機(jī)制分析

一道工序完成后，既需要給工件后道工序P(Wm,i+1)的工位S(Wm,i+1)推送工件Wm的信息，也需要給本工位推送關(guān)于工位后道工序?yàn)镻(Sn,j+1)的相關(guān)信息。不同于工序前道工序，工位后道工序的空間關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)需根據(jù)工位狀態(tài)來進(jìn)行。根據(jù)信息的內(nèi)容、條件、價(jià)值是否與加工狀態(tài)有關(guān)，將車間制造信息分為加工狀態(tài)信息和加工狀態(tài)無關(guān)信息。

本工位的加工狀態(tài)無關(guān)信息是關(guān)于工位內(nèi)固定設(shè)備、存放物料、指派到工位的緊急指令和車間環(huán)境等的信息，包括機(jī)床基本信息Mach(Sn)、入緩存區(qū)工件隊(duì)列信息ListInto(Sn)、出緩存區(qū)工件隊(duì)列信息ListOuts(Sn)、工位物料集合信息ListMate(Sn)、工位工裝集合信息ListFroc(Sn)、工位刀具集合信息ListTool(Sn)、環(huán)境信息Envi、緊急信息Urge(Sn)。加工狀態(tài)無關(guān)信息的推送不受加工狀態(tài)的影響，貫穿整個(gè)生產(chǎn)流程始終。

工件前道工序P(Wm,i)執(zhí)行和完成以及工件Wm轉(zhuǎn)運(yùn)離開S(Wm,i)時(shí)，推送給等待中的工位S(Wm,i+1)。對(duì)于工位S(Wm,i+1)，基于工件前道工序的推送內(nèi)容包括：①當(dāng)工序P(Wm,i)加工完成，推送工件基本信息Fund(Wm)和工件位置信息Loca(Wm)給工位S(Wm,i+1)；②工件Wm轉(zhuǎn)運(yùn)離開工位S(Wm,i)，推送工件基本信息Fund(Wm)、工件位置信息Loca(Wm)和轉(zhuǎn)運(yùn)車輛信息Vehi(Wm)；③工件Wm進(jìn)入工位S(Wm,i+1)，推送工件基本信息Fund(Wm)。

實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)信息的推送，需要根據(jù)工件的數(shù)量和位置，判別工位加工狀態(tài)，分為待定、就緒、進(jìn)行、完成4種，其中就緒狀態(tài)和完成狀態(tài)是暫時(shí)性的過渡狀態(tài)。每次加工完成后，對(duì)工位加工狀態(tài)進(jìn)行判定，判定流程如圖2所示。

圖2 加工狀態(tài)判定流程

前一道工序完成后，根據(jù)工位加工狀態(tài)推送對(duì)應(yīng)信息：①當(dāng)工位加工狀態(tài)為“進(jìn)行”時(shí)，推送工件基本信息Fund(Wm)、機(jī)床運(yùn)行信息StatMach(Sn) 、工序基本信息Proc(m,i)、方法文件信息Meth(m,i)；②當(dāng)工位待定時(shí)，分為無工件與多工件兩種情況處理，一是無工件，等待工件；二是工位內(nèi)存在多個(gè)工件Wm、Wm+1、Wm+2、…，不能確定工位后序工序時(shí)，推送各工件的工件基本信息Proc(m,im)、Proc(m+1,im+1) 、Proc(m+2,im+2)、…和對(duì)應(yīng)的工序基本信息P(Wm,im) 、P(Wm+1,im+1)、P(Wm+2,im+2)、…，并根據(jù)各工件的交付日期、等待時(shí)間、物料工裝齊套性等挑選出最優(yōu)先的工件WM，推送最優(yōu)先工件的基本信息Fund(WM)和對(duì)應(yīng)的工序基本信息Proc(M,i)、物料基本信息Mate(M,i)、物料位置信息LocaMate(M,i)、工裝基本信息Froc(M,i)、工裝位置信息LocaFroc(M,i)、刀具基本信息Tool(M,i)、刀具位置信息LocaTool(M,i)、方法信息Meth(M,i)；③當(dāng)工位就緒時(shí)，根據(jù)唯一工件Wm與工位Sn確定工位后道工序P(Wm,i)，推送工序基本信息Proc(m,i)、物料基本信息Mate(m,i)、物料位置信息LocaMate(m,i)、工裝基本信息Froc(m,i)、工裝位置信息LocaFroc(m,i)、刀具基本信息Tool(m,i)、刀具位置信息LocaTool(m,i)、方法信息Meth(m,i)。

4 基于優(yōu)先級(jí)排序的信息動(dòng)態(tài)推送算法

工位或工序狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化會(huì)影響信息的推送次序，因此，需要按照工位或工序狀態(tài)變化程度設(shè)計(jì)信息推送的優(yōu)先級(jí)策略，構(gòu)建推送信息的動(dòng)態(tài)排序模型，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)推送。推送信息按照動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)建立顯示順序，既能使得高優(yōu)先級(jí)信息的優(yōu)先推送，又能保證低優(yōu)先級(jí)信息的推送機(jī)會(huì)，保障信息推送生態(tài)的完整性[13]。

設(shè)在第s個(gè)工位上的第w個(gè)工件的第p個(gè)工序的第q個(gè)信息的優(yōu)先度為PRVswpq，第s個(gè)工位上的第w個(gè)工件的第p個(gè)工序的第q個(gè)信息未被推送而產(chǎn)生的等待時(shí)間所形成的等待優(yōu)先度為WATswpq；第s個(gè)工位上的第w個(gè)工件的第p個(gè)工序的第q個(gè)信息被推送后，而降低的優(yōu)先度為REDswpq。則第s個(gè)工位上的第w個(gè)工件的第p個(gè)工序的第q個(gè)信息的綜合優(yōu)先度CPVswpq為：

(1)

其中，wi為權(quán)重，CPVswpq相關(guān)的指標(biāo)有PRVswpq、WATswpq、REDswpq和wi。由于確定wi指標(biāo)權(quán)重的方法包括德爾菲法、層次分析法、主成分分析法和熵值法等有多種，因此，本文主要對(duì)PRVswpq、WATswpq、REDswpq指標(biāo)的確定展開討論。

待推送的信息包括：工序基本信息(Proc)、工件基本信息(Fund)、工件位置信息(Loca)、機(jī)床基本信息(Mach)、機(jī)床狀態(tài)信息(StatMach)、物料基本信息(Mate)、物料位置信息(LocaMate)、工裝基本信息(Froc)、工裝位置信息(LocaFroc)、刀具基本信息(Tool)、刀具位置信息(LocaTool)、配送車輛位置信息(Vehi)、方法文件信息(Meth)、入緩存區(qū)工件隊(duì)列(ListInto)、出緩存區(qū)工件隊(duì)列(ListOuts)、工位物料集合(ListMate)、工位工裝集合(ListFroc)、工位刀具集合(ListTool)、環(huán)境信息(Envi)以及緊急信息(Urge)。待推送信息的優(yōu)先級(jí)隨著工序狀態(tài)的變化而改變，待推送信息的優(yōu)先級(jí)見表1。

表1 待推送信息的優(yōu)先級(jí)及編號(hào)

不同工序狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信息的優(yōu)先級(jí)不同，Urge(20)中的“20”表示Urge在待推送信息中的編號(hào)。將待推送信息按照優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行量化，PRV按照優(yōu)先級(jí)的高、中、低分別取1、0.8、0.5。WATswpq取決于工序P所處的工序狀態(tài)，包括：等待待定時(shí)間(Tpwt)、加工時(shí)間(Tppt)、完成時(shí)間(Tpct)等狀態(tài)，WATswpq的計(jì)算公式如下：

(2)

其中，nqpwt、nqppt和nqpct分別表示編號(hào)為q的待推送信息處于等待待定狀態(tài)、加工狀態(tài)和完成狀態(tài)中的狀態(tài)，當(dāng)編號(hào)為q信息被推送時(shí)，nqpwt=nqppt=nqpct=1，否則nqpwt=nqppt=nqpct=2。ξpwt、ξppt和ξpct分別表示修正系數(shù)，ξpwt,ξppt,ξpct∈( 0,1 ]。

REDswpq取決于待推送信息已經(jīng)被推送的頻次，設(shè)在第s個(gè)工位上的第w個(gè)工件的第p個(gè)工序的第q個(gè)信息被推送的頻次為Freswpq；在第s個(gè)工位上的第w個(gè)工件的第p個(gè)工序的第q個(gè)信息被推送一次的優(yōu)先度減少量為λswpq，則REDswpq計(jì)算公式如下：

REDswpq=Freswpq×λswpq

(3)

其中，λswpq的計(jì)算公式如下：

(4)

基于上述分析，可以確定PRVswpq、WATswpq、REDswpq指標(biāo)的值。動(dòng)態(tài)推送算法流程如圖3所示。

步驟1：確定待推送的信息集合，并對(duì)信息進(jìn)行編號(hào)；

圖3 信息循環(huán)推送算法流程

步驟2： 根據(jù)工序狀態(tài)，采用公式(1)計(jì)算初始的CPVswpq，進(jìn)行首次信息排序并進(jìn)行推送；

步驟3：計(jì)算PRVswpq，分別采用式(2)～式(4)計(jì)算WATswpq和REDswpq；

步驟4： 根據(jù)式(1)更新CPVswpq；

步驟5： 對(duì)q個(gè)信息進(jìn)行排序，并按照CPVswpq進(jìn)行推送；

步驟6： 判斷是否超過推送周期T，若不超過推送周期T，則轉(zhuǎn)步驟3，否則算法結(jié)束。

5 應(yīng)用案例

本文以某衛(wèi)星零部件機(jī)加車間為研究對(duì)象。Station A的“待定”、“就緒”和“進(jìn)行”狀態(tài)的持續(xù)周期分別為Tpwt=200 s、Tpptt=100 s、Tpct=900 s。Station A的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息見表2。

表2 Station A的數(shù)據(jù)信息

取w1=0.6，w2=0.3，w3=0.1，n=20，ξpwt=ξppt=ξpct=0.1 ，根據(jù)信息循環(huán)推送算法進(jìn)行信息推送，當(dāng)首次推送時(shí)，REDswpq=0，WATswpq=0，采用公式(1)得CPVswpq=0.6PRVswpq，推送信息編號(hào)見表3。

表3 推送信息的初始編號(hào)

表3表明，進(jìn)行首次信息推送時(shí)(注：綜合優(yōu)先度相同信息，則采用隨機(jī)選取的方式進(jìn)行排序)，不同的工位狀態(tài)對(duì)應(yīng)的推送信息的次序不同，例如：工位為“待定”、“就緒”和“進(jìn)行”狀態(tài)的第4條推送信息(豎框)分別為“Mate”、“Mate”和“StatMach”，說明該信息排序算法可以根據(jù)不同的工位狀態(tài)進(jìn)行信息推送。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定同時(shí)推送4條信息，顯示時(shí)長(zhǎng)為t=5 s。例如：“進(jìn)行”狀態(tài)的編號(hào)為[20,1,2,5]信息(橫框)進(jìn)行同時(shí)推送顯示。當(dāng)首次信息推送完成后，采用式(2)～式(4)對(duì)WATswpq和REDswpq進(jìn)行更新，并進(jìn)行第2輪顯示。

在設(shè)定顯示時(shí)長(zhǎng)為5 s的情況下，待定狀態(tài)的信息需要推送的次數(shù)number(Tpwt)=Tpwt/t=40，就緒狀態(tài)的信息需要推送的次數(shù)number(Tppt)=Tppt/t=20，進(jìn)行狀態(tài)的信息需要推送的次數(shù)number(Tpct)=Tpct/t=180。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該推送算法的循環(huán)推送性能，對(duì)工位的3種狀態(tài)進(jìn)行全狀態(tài)周期實(shí)驗(yàn)，并分別統(tǒng)計(jì)3種狀態(tài)下各條信息的出現(xiàn)頻次，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 三種加工狀態(tài)下信息的出現(xiàn)頻次數(shù)據(jù)

表4表明，該排序算法可以根據(jù)工位的不同狀態(tài)，按照信息的重要程度動(dòng)態(tài)增加信息推送的頻次，即：重要信息優(yōu)先且頻繁顯示(如：虛線框中編號(hào)為20的Urge信息)，一般信息也同樣保留顯示的頻次(如：實(shí)線框中編號(hào)為4的Mach信息)，保證待推送信息的推送完整性，滿足車間工位的信息動(dòng)態(tài)推送需求。

6 結(jié)束語

本文研究了離散制造車間任務(wù)信息動(dòng)態(tài)推送方法，主要貢獻(xiàn)如下：①構(gòu)建了一種離散制造車間信息組

織模型，實(shí)現(xiàn)工件等制造要素與工位、工序的關(guān)聯(lián)；②設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的信息循環(huán)推送算法，該算法能夠按照信息的重要程度動(dòng)態(tài)增加信息推送頻次，實(shí)現(xiàn)待推送信息的差異化循環(huán)顯示，解決推送信息的隨意性問題；③實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法在實(shí)現(xiàn)信息差異化顯示的同時(shí)，保證待推送信息的推送完整性，具有良好的性能。后續(xù)可融入更多的情境因素，對(duì)離散制造車間信息推送方法的性能優(yōu)化作進(jìn)一步研究。