协同制造的配置管理和协同控制

lihuolin958

  　在现代生产制造中，协同制造在企业中的应用越来越广泛，国内外科研机构对它的研究也日益重视，使它成为一个热门的研究领域。协同制造项目管理作为协同制造过程的管理解决方案，为盟主和外协厂商提供了一个协同生产的平台，通过对协同制造过程中产生的所有相关信息和文档进行追踪、组织、管理和控制，建立规范化的协同生产环境，从而使企业快速有效地实施协同生产，进而使其成为越来越多的企业解除困境的方案。在国外已经出现很多成熟的协同制造集成平台，如Teradyue公司已经开发了协同制造执行系统(MES)软件TeradyneSCE 3.0系统，而Interwave公司也已将协同的概念运用于其商业的MES软件中。所以，以制造任务为中心的离散式协同制造任务配置管理已成为当前研究的热点。本工作主要研究协同制造中的任务排程、配置管理和协同控制。

　　1.协同制造任务配置管理

　　图1为协同制造任务配置管理的系统架构，包括任务排程与制造请求管理(PMRM)、协同制造任务配置管理(CMTCM)、协同控制和任务执行状态追踪(LT)。一个母产品由很多子零件组成，子零件又要分配给不同的外协厂商生产，所以要研究如何进行排程，使任务能合理有效地分配给各外协厂商。更为重要的是保证合理的生产时间安排，使总体的生产进度不会因为某一个厂商的零件交货或质量问题而延误。外协厂商得到自己的任务单和产品文档进行生产，在检查阶段要提交检查单和检查包，在结束阶段还要提交任务完成交付包。每种配置项的添加删改都有对应的权限，配置项的配置操作还应该满足协同控制的需求。盟主方登录CMTCM，设计和定义各种配置项的生命周期和权限，制定访问控制和配置管理计划，建立项目和工作空间。盟主与外协厂商双方都应该遵循某种规则，互相配合完成任务的计划、执行和检查。当生产活动进人到工作流定义的下一个阶段时，外协厂商需要登录CMTCM，设置配置项状态并增加活动描述。它保证了执行状态的实时提交，并保证了外协厂商的下一阶段生产任务。

　　

　　图l.协同制造任务配置管理系统架构

　　2.任务排程

　　2.1 配置项设计与关联模型

　　在产品协同制造过程中产生很多文档信息，每一项称为一个项目配置项(ppject configuration item，PCI)，它是配置管理的基本单位。这些信息的所有项构成一个配置项目，包括排程需要的电子订单和产品需求说明文档、排程后生成的任务单、制造请求(MR)和任务追踪表。协同厂商的生产任务与制造请求相关联，使得只有制造请求被批准后，生产任务才能被执行.本工作讨论一种一对一关联模式(一个制造请求对应一个任务单)，并规定一个任务单只对应一个子零件。生产行为报告(PAR)记录外协厂商对于生产这个子零件而触发的所有CMTCM的行为。CMTCM配置项如图2所示。每个生产实体都会关联一个PAR，用来追踪生产状态。

　　

　　图2.CMTCM配置项的关联模型图

　　2.2 离散式协同生产任务排程模型

　　排程目标是制定出最优生产计划，使各外协厂商之间在最佳组合状态下运作。图3是任务排程模型PMRM实现任务排程的流图。PMRM输入是用来管理数据库中排程需要的各种信息MRM输出则是用来管理任务、MR以及排程的输出结果;排程和MR生成模块按照盟主选择的排程算法、排程，并按任务单与MR的关联规则生成MR。

　　

　

　图3.离散式协同生产任务排程模型

　　2.3 最短生产时间零件优先任务排程算法

　　最短生产时间零件优先算法是指对于每一个外协厂商，在得到盟主分配来的一批不同的子零件生产任务后，优先生产花费时间最短的那个子零件。首先根据订单中的母产品ProductNo号，可以在产品数据表中查找出所有组成这个母产品的子零件和所有生产这个子零件的外协厂商(包括生产数量和能力等其他信息)，把这些数据连接后存储在一个临时数据集中。AP(advance planning)类会循环处理每一个子零件，输出每个厂商分配到的生产量和交货期。只要是能生产这个子零件的且在产品数据表中的外协厂商，都会被分配到生产任务。盟主可按照实际情况手动更改外协厂商或子零件数量等参数。在手动排程更新结束后，会生成新的记录集。这个记录集就是排程的结果。同时，MR生成类MRGenerator也会读取手动排程结果数据集，按照MR生成规则(一个任务单对应一个MR)，对每一个任务单生成MR。

　　3.配置管理

　　3.1 离散式协同制造任务配置管理

　　CMTCM实现了配置管理的主要功能，其模型结构如图4所示。

　　

　　图4.CMTCM结构

　　CMTCM提供的操作如表l所示。

　　表1.CMTCM提供的操作

　　Table.1 Operation of collaborative manufacturing task configuration management

　　

　　CMTCM数据库中实体类型表有配置项PCI表、配置操作Action表、配置项类型PCIType表、生命周期状态Status表、状态变迁规则StatusChange表、项目Projects表、用户Operators表和用户类型OperatorType表。

　　实体类型关系表有配置操作控制关系ActionControl表、配置项关联关系Relation表、状态关系Status表和状态变迁关系StatusChange表。控制隶属关系的有用户隶属关系表和配置项隶属关系表。

　　3.2 协同控制功能和配置项操作

　　本工作为几个核心的配置项设计了生命周期状态，用状态来描述人员的同步协作行为。它是具有明确的行为目标、拥有活动的部分资源和能够完成一定操作的活动子单元。通过将配置项的生命周期分解为一个个状态，按照状态之间的约束规则及其状态依赖关系，可以支持整个协同制造业务过程的自动化。配置项生命周期状态与实际协同活动的关联关系如下：多个状态可以与一个实际协同活动实例相关联，而一个状态只属于一个实际协同活动实例。本工作采用制定配置项生命周期变迁规则来控制人员的协同，并为任务单建立生命周期状态表和权限变迁表。在TaskStatus表中设置了6种状态来记录任务单生命周期变迁的所有可能，用PCI表来记录所有的配置项。这些配置项有“配置项名Name”、“配置项类型Type”、“类型Id TypeID”、“状态Id StatusId”、“关联关系ID RelationId”和“文件地址FileAddress”等属性。在CMTCM中，利用配置操作Action表、配置操作控制关系ActionControl表和配置项PCI表来完成配置项操作的权限控制的实现。Action表记录了CMTCM允许的所有操作类型。ActionControl记录了所有配置项允许的配置操作ActionID。在CMTCM中，利用配置项PCI表和配置项关联关系Relation表来控制实现配置项之间的关联。在任务实际执行阶段，任务配置管理活动分3个层面：(1)配置管理员完成管理和维护工作;(2)由项目管理员和外协厂商方的管理员执行任务配置管理;(3)外协厂商方的实际生产。这3个层面是彼此之间既独立又相互联系的有机整体。

　　具体实现过程如下：(1)配置管理员设立配置管理库和工作空间，为执行任务配置管理做好准备;(2)项目管理员主要是建立项目、管理项目和按照项目的进度综合外协厂商的任务执行结果;(3)外协厂商管理员按照统一的任务配置管理规范，根据获得授权的资源执行相应的任务;(4)外协厂商的车间实际生产产品。

　　4.协同控制与任务追踪

　　4.1 系统协同控制策略

　　本工作给出系统的协同配置策略，使系统的所有角色共同对一个生产项目进行有序的配置管理。在任务计划阶段，采用任务模板来定义好生产活动和部分规则。在执行阶段，采用制造请求和任务单2个配置项的状态变迁规则来控制协同。在检查阶段，采用检查包的状态变迁规则来控制协同。图5给出了协同制造人员的任务配置管理协同策略图。

　　

　　图5.协同制造人员的任务配置管理协同策略图

　　在任务阶段的协同控制分为3个阶段：

　　(1)任务计划阶段的协同控制是为了对生产业务过程进行协同控制。本工作采用任务模板来实现.任务模板是一系列过程规则的集合，用于描述一种业务执行过程。盟主企业利用任务模板来管理外协厂商制造执行过程，在给外协厂商划分阶段(即配置项的一个生命周期状态)时，就可以把每个阶段对应于一个活动。

　　(2)任务执行阶段的协同控制用来进行人员的协同，通过对制造请求和任务单这2个配置项的生命周期的每一步状态的变迁，设置相应的前提条件和控制权限。对订单排程后，排程模块生成任务单和制造请求，每一个任务单和制造请求的生命周期开始状态为：任务单进入执行(under work)状态，制造请求进入分配(assign)状态。在盟员得到任务后，到CMTCM接收任务，并根据任务的执行进度实时更新任务单和制造请求的生命周期状态。

　　(3)任务检查阶段的协同控制用以控制盟主检查人员和外协厂商检查人员之间的协同。任务执行结果必须被检查是否完全符合产品需求。外协厂商和盟主检查人员应该协同来检查任务执行结果，即外协厂商提交的CMTCM检查包。在检查之后，检查包会被更新，其版本也会在确认后升级。如果盟主方检查人员在检查过程中发现错误，就会要求外协厂商重新更改检查包并升级版本。如果一个检查包超过了5个版本，那么可以认为执行任务单的该外协厂商生产效率不高，盟主就会对这个外协厂商进行评估从而作出决策。

　　4.2 任务执行状态追踪

　　通过LT将数据采集过程自动化，提取与制造需求和配置管理相关信息以及任务分配状态。定制外协生产的主生产企业可以查询其外协产品的信息，企业可以随时查询及监督其协作企业的产品加工。LT通过一个监控台(监控面板)来对任务进行实时执行状态的监控，能直观地显示当前这个子零件的生产状态。如果MR的状态变成“Hold”和“Rejected”，或任务单的状态变为“Withdrawn”和“Rejected”时，这个任务执行状态的改变就会停止，监控变成无效，监控页面就会处于空闲停滞状态。监控任务选择算法就是为了避免这种监控台的无效等待状态。任务的有效性通过这个任务几个关联的配置项的属性进行判断。对于某任务，如果它关联的MR的状态不为“Hold”且不为“Rejected”，任务单状态不为“Withdrawn”和“Rejected”，则该任务有效。图6为常规任务选择算法的流程图。

　　

　　图6.常规任务选择算法流程图

　　5.实验与结果分析

　　本工作通过实现一个吸油烟机协同制造系统的原型来验证协同排程、配置管理和协同控制的可行性。盟主登录控制台(见图7)查询产品、外协厂商及订单等信息，增加新订单并进行排程。

　　用户进入CMTCM的界面(如图8所示)，对配置项进行状态变迁以及关联操作。

　　在CMTCM配置中心，用户可以查询和修改配置项生命周期状态，如图9所示。

　　项目经理可以查询MR和任务单的状态，并对其监督。图10显示为这个任务的产品制造已经完成，下一步将要发生的行为是生产商的交货。

　　如图7-图10所示，本系统完成了协同制造环境中工作流和信息流的信息集成与制造人员之间的协同控制，证明本研究的排程、配置管理和协同控制技术能够很好地支持产品整个生命周期的盟主和外协厂商协同的工作模式。

　　

　　图7.盟主排程控制台PMRM主界面图

　　

　　图8.协同制造任务配置管理中心图

　　

　　图9.MR的生命周期状态更改操作对话框图

　　

　　图l0.某个任务的实时监控界面图

　　6.结束语

　　在协同制造中的任务排程、配置管理和协同控制能够统一各外协厂商之间的协同制造业务过程，通过增加生产的柔性能力提高了生产效率。本工作提出了PMRM模型，采用最短生产时间零件优先的排程算法，实现了任务单和制造请求的生成，给出了协同制造任务配置管理模型、人员配置管理协同策略与任务计划、任务执行和检查阶段中的业务过程和人员的协同控制方法，采用常规任务选择算法避免了监控进入无效状态。本工作的主要贡献在于：尝试了一种新的支持协同制造方式的流程和技术;提出了利用控制配置项的生命周期状态变迁的方法来控制人员的协同，给配置项生命周期每一步状态的变迁都设计出了前提条件和权限控制。目前的研究还存在不足，例如采购、外协和自制等作业并不可能与预期计划完全符合，模拟的排程算法在真正处于作业阶段时还需调整，CMTCM研究还不充分。将来的工作重点将放在研究不同配置项的不同生命周期状态变迁控制上。