基于知识集成的车间制造系统运行模式研究_管理信息化_MES_2166.doc

基于知识集成的车间制造系统运行模式研究_管理信息化_MES0 引 言 车间制造过程是制造企业通过机器和工具将原材料转变为有用产品的过程，是制造资源、能源消耗和产品制造完成的主要过程，是制造企业运作的关键环节之一。现代车间制造系统除了要实现生产效率、加工质量、生产成本等常规目标优化运行外，还需要提高车间制造过程的敏捷性，以及实现绿色制造的相关目标。车间制造系统的优化运行目标对车间制造系统的运作和管理提出了更高的要求，要求车间制造系统朝着网络化、知识化、敏捷化和绿色化等方向发展。 制造执行系统(Manufacturing Executive System，MES)作为一种面向车间制造系统的信息化解决方案，能够有效地实现制造过程的网络化和精益化管理，对实现车间制造系统的经济目标和制造系统的优化运行起着重要的支持作用。但是，当前的MES主要考虑生产进度、车间物料、在线质量管理等常规车间制造业务管理，而对车间制造过程中人、管理系统及设备的集成，制造过程业务流程的自适应和重构技术的实现，以及制造过程中制造知识管理等方面的支持较弱，还不能较好地支持车间制造系统的优化运行。因此，需要采用一种集成化的思路来综合考虑车间制造系统执行过程的业务敏捷管理、制造过程知识应用与创新等相关问题，以支持制造车间系统的优化运行。知识管理作为一种新的管理理念和方法在制造企业中发挥着日益重要的作用，制造过程知识的有效共享和应用，能够有效地提高制造效率、产品质量和降低产品制造成本，以及有效地支持车间制造系统新的制造模式的实施。目前，国内外针对知识管理在制造企业的应用，以提高制造效率为目的开展了大量的研究，但知识管理在车间制造系统及制造过程的研究和应用则相对较少。车间制造过程属于制造企业的运作层，其运作围绕着产品制造流程展开，制造过程的特点决定了基于知识集成的制造过程优化运行需要把制造知识有效地整合到车间的MES，以支持车间的文档类制造知识共享、制造过程中制造经验的有效获取与共享、制造过程中基于知识的有效协作，同时通过知识化和信息化的手段，有效支持车间制造过程新的制造模式的实施。 本文在制造系统优化运行和信息化研究成果的基础上，结合车间制造系统优化运行目标和特点，提出了一种基于知识集成的车间制造系统优化运行模式，详细分析了该运行模式的构成要素。在此基础上，对实现车间制造系统优化运行的工作中心服务化、基于知识集成的制造执行链等关键技术进行了深入研究，最后结合一个应用案例，验证了该模式的可行性。1 基于知识集成的车间制造系统运行模式框架 车间是现代制造企业生产运作的基本单元，车间制造系统的优化运行是车间组织生产和制造业务运作的基本要求。为了有效地实现车间制造系统的优化运行，提高车间制造系统的效率，实现车间制造过程的敏捷性，本文基于制造过程知识管理、制造资源封装、制造执行链构建等敏捷化技术，提出了一种基于知识集成的车间制造系统运行模式框架，如图1所示(其中k为制造过程知识创新)。基于知识集成的车间制造系统运行模式的基本思想是有效整合制造知识管理和制造执行链构建、执行和控制等技术和方法，对车间制造过程从资源、设备、制造知识、生产任务、生产组织、过程控制等制造资源和生产管理方法进行优化组织和运营，以实现车间制造系统的优化运行目标。图1 基于知识集成的车间制造系统运行模式框架 基于知识集成的车间制造系统运行模式框架的构成如下： (1)车间制造系统优化运行目标集 车间制造系统优化运行目标集是车间制造系统经济效益和社会效益协调优化的具体指标构成的集合，它要求制造过程制造周期尽可能短(T)、产品质量水平尽可能高(Q)、产品制造成本尽可能低(C)、产品的资源消耗尽可能少(R)，以及产品制造过程对环境影响尽可能小(E)，同时通过制造过程知识的发现、共享与应用，不断提高制造过程的制造执行能力和创新能力。 (2)设备资源 设备资源是车间制造系统运行的物理载体，既包括数控加工设备、普通加工设备、监控设备、设备状态传感器等硬件装置，又包括设备状态通讯软件、数据传输协议、设备控制系统(如可编程逻辑控制器(Programmable Logic Control，PLC) 、分布式数控系统(Distributed Numerical Control，DNC) )、设备生产信息采集系统、设备实时加工状态监控系统、设备故障检测系统等软件系统。它们是车间制造的基本资源。 (3)工作中心 工作中心是生产加工单元的逻辑实体，由一台或几台功能相关的设备、一个或多个操作人员、一个成组加工单元或一个装配场地等制造资源封装而成，以完成特定加工工序或任务。通过对工作中心的建模和描述，实现与制造过程业务层的制造服务相匹配，进行制造任务或工序的安排。 (4)制造知识库及知识管理工具 制造知识库和知识管理工具实现对制造过程的制造知识的发现与获取、组织存储、知识共享与应用，以及制造知识评价等功能。其中制造知识库包含了制造过程中涉及到的各类知识库。知识管理工具主要支持制造过程的制造知识与制造业务流程的集成化运行，支持制造知识全生命周期的获取、存储和应用的相关工具等。在制造业务过程中，车间的知识用户能够通过人机交互的方式把制造过程积累的相关经验和知识存储到知识库中，同样，信息系统中的智能代理应用知识发现的相关方法和算法，从车间制造系统的海量数据中获取制造过程的有用知识并存储在知识库中。制造业务过程中的知识使用则通过制造知识主动推荐和人机交互相结合的方式实现。 (5)制造过程业务流程 制造过程业务流程是车间制造业务流程的具体实现，包括车间作业计划制定与任务调度、作业计划下达、作业计划执行与控制、作业完工等，所有业务都围绕着制造执行链展开。在基于知识集成的车间制造过程运行模式下，制造执行链的构建和执行是制造过程业务有效运作的保证。制造执行链是根据产品制造工艺构建的、由制造服务顺序构成的车间制造业务流程，制造执行链的构建和执行需要与制造知识有效地集成并综合考虑制造过程优化运行的各项目标。 (6)支持车间制造系统优化运行的信息化支持系统 支持车间制造系统优化运行的信息化支持系统是支持基于知识集成的车间制造过程优化运行模式的制造过程信息化系统的集合，包括扩展的MES(该系统扩展了传统MES的功能模型，在支持车间制造系统业务管理功能的基础上增加了工作中心服务化、面向服务的制造执行链快速构建、制造过程知识管理、制造过程实时信息采集与实时信息交互等功能)、现场监控系统(Shop Floor Control，SFC) 、企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP) 、产品数据管理(Product Data Management，PDM) 、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM) 、计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning，CAPP)等，并能够通过企业服务总线无缝地实现各信息系统之间的集成，以支持车间的数字化运行管理和多目标的优化运行。 从上述基于知识集成的车间制造系统运行模式框架分析可以看出，该运行模式具有以下特点；其运行目标是实现车间制造系统的时间、质量、制造成本、资源消耗、环境影响、知识创新与应用等多个目标的协调优化运行；是由车间业务管理、制造和技术等各相关信息系统支持下的一种集成化、数字化的运行模式；制造知识作为车间制造系统的重要资源，通过制造知识库被有效地进行管理，并通过制造知识管理的相关工具与车间制造系统的业务流程、技术和人员，实现了有效的集成和应用；车间的制造资源通过服务化的方式进行了封装，屏蔽了制造资源的异构性。同时，车间制造业务执行模式能够动态、快速地对制造业务流程进行构建和重构，有效地提高了车间制造系统的敏捷性。2 基于知识集成的车间制造系统运行模式构建若干关键技术研究 基于知识集成的车间制造系统运行模式是一种受多目标约束的优化运行模式。该模式的构建和实施涉及大量的管理和技术方法，如制造资源的封装、制造过程的快速组织、制造知识的集成和应用、制造过程实时信息采集与处理等。下面将重点对基于知识集成的车间制造系统优化运行模式框架中的基于制造资源封装的工作中心服务化技术、基于知识集成的制造执行链的构建方法进行详细分析。 2.1 基于制造资源封装的工作中心服务化 工作中心作为完成特定加工任务的逻辑实体，由一到多台设备、人员及相关的制造资源构成。为了更好地实现车间制造资源的组织，支持制造任务的调度安排，需要采用一种规范化的方法对构成工作中心的制造资源进行封装。以制造服务的方式对工作中心进行建模和设置，屏蔽工作中心的资源构成细节，并通过标准的接口描述工作中心所能提供的加工能力，是实现工作中心建模和设置的有效方式。下面给出服务化的工作中心的形式化定义。 定义1 工作中心WorkerCenter:(WciWid，Wdecription，Wshop，WeFunWcFI，WcF2，WcF3，WcRWcR1，WcR2，WcR3，WcQoSWcTime，WcQuality，WcCost，WcGreen，WcThroughout)，WcSWcState，WcTaskList)，WcVisitWeProtocols，WcMFormat，WcTransferMode，WcAddress)。 从服务化的工作中心的形式化定义中可以看出，工作中心由工作中心基本信息视图Wci、工作中心功能描述视图wcFun、工作中心资源构成视图WcR、工作中心服务质量描述视图WcQoS、工作中心状态视图WcS、工作中心访问视图WcVisit构成，它们从不同的角度对服务化的工作中心的特性进行描述。其中：Wci包含工作中心编号、工作中心描述和工作中心所属的车间等信息；WcFun对工作中心能够提供的加工功能进行描述；WcR则对工作中心所包含的设备、工具、人员、知识、专利等有形和无形资源进行描述；WcQoS主要对工作中心的服务质量进行描述，如加工时间、加工质量评价、加工成本、制造绿色度评价、加工能力等；WcS描述工作中心当前的状态及已经安排了制造任务的任务列表；VcVisit主要对工作中心访问的特性，以及所遵循的标准和协议进行描述，以便于车间作业计划安排应用和服务对工作中心服务的访问。 为了有效地实现制造过程中对工作中心服务的有效地访问和使用，本文采用可扩展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)对工作中心属性进行描述，并采用Web服务的方式对工作中心进行封装。但是，由于Web服务是无状态的，为了有效地实现对工作中心状态的描述，本文采用一个专用状态XML文件对工作中心服务的动态信息进行存储，工作中心则提供相应的接口对状态信息进行更新和访问。具体的实现如图2所示。图2 工作中心服务化模型及实现过程 2.2 基于知识集成的制造执行链构建方法 制造执行链的构建是实现车间制造系统优化运行目标的关键技术之一，它根据产品制造的工艺路线，应用制造过程的相关知识，结合作业车间生产任务的调度，并综合考虑制造过程优化运行的各个约束目标，从车间的相关工作中心选择满足需求的工作中心安排生产而构成的一个产品制造链。同时，根据车间的实时状况，能够快速地进行制造执行链的重构，以实现生产过程的调整。基于知识集成的制造执行链构建方法如图3所示。图3 基于知识集成的制造执行链构建 定义2 制造执行链MEC:MEtiN。其中，ME为可执行的制造任务，即制造执行链是由相互关联的可执行的制造任务构成的集合。 定义3 可执行的制造任务ME:(MetIDi，MTaski，WCS，IDPid1，id2，idm)，IDLid1，id2，idn)。其中：Met是可执行的制造任务的基本信息，包括任务编号、加工任务，以及提供制造服务的工作中心；IDP为制造任务的紧前任务列表；IDL为制造任务的紧后任务列表。 基于知识集成的制造执行链构建过程步骤如下： 步骤1 车间的生产调度子系统根据车间作业计划和产品加工工艺路线，进行产品加工任务的分解，形成受工艺路线约束的有序的加工任务列表。在加工任务分解环节，扩展MES的知识管理子系统根据产品工艺及任务的特征，检索知识库中已有的案例形成初始的方案，通过知识推送的方式主动把相关的知识推荐到调度员的桌面，供调度员在任务分解过程中参考。同时，调度员也可以通过人机交互界面检索所需要的知识。 步骤2 以加工任务功能要求、加工顺序和优化运行目标(如加工精度、质量、时间、绿色度等)等为约束和输入条件，生产调度子系统通过调用历史的调度知识、工艺知识、绿色制造知识、加工经验等制造过程知识，应用相关的服务匹配和选择算法，选择满足需求的工作中心，把加工任务分配给相应的工作中心服务。根据系统给出的制造执行链的初始调度结果，调度员可以通过其调度经验和采用人机交互的方式检索所需要的知识对调度方案进行评价和调整。 步骤3 服务组合引擎根据加工工艺的约束，应用服务组合等相关知识，采用业务流程执行语言(Business Process Excutive Language，BPEL)对服务进行组合形成可执行的制造执行链，并根据制造任务更新工作中心的任务列表。 制造执行链的构建实现了车间制造过程生产任务的安排，通过制造执行链的下达就能够进行制造过程生产任务的执行。同时，当生产现场出现异常状况时，可以根据车间的实时动态信息和制造知识进行相关制造执行链的局部或全局重构，进行生产任务的调整，以快速地对变化做出反应。其重构的方法与制造执行链的构建方法类似。3 应用实例 基于上述理论研究成果，结合863CIMS重点项目“面向离散制造的可配置MES产品及行业解决方案的开发”，笔者在重庆某汽车空调制造企业的车间制造过程进行了应用示范。该企业是中澳合资专业生产汽车空调的制造企业，为长安福特、长安汽车等汽车制造企业提供汽车空调配套。随着市场竞争的加剧，以及汽车主机厂的准时生产(Just in Time，JIT)配送的要求，对企业的车间制造过程管理提出了更高的要求。结合企业精益生产的推进，从实现生成过程实时化、透明化、可视化、知识化等优化运行目标出发，该企业对制造过程进行了管理模式的改革，并实施了MES，以支持车间制造过程的优化运行。图4给出了基于制造任务为主线的知识集成的车间制造执行运行模式(虚线框内为MES支持的车间制造任务运行模式)。图4 某汽车空调制造企业车间制造任务运行模式示意 主机厂的JIT订单是车间制造计划的输入，由市场部每周从主机厂的网络化配套系统中获取，并通过集成接口进入MES系统，制造部的计划主管制造，根据JIT订单制定每周的车间作业计划，MES系统根据周作业计划、工作中心及历史案例知识库的相关信息，生成产品生产的制造执行链(基于工艺的产品加工任务)，计划员进行评估后下达到每个工作中心。每个工作中心的操作人员则通过基于多功能信息交互终端的数据采集平台进行任务接受和实时信息采集(如生产进度、工艺状态、质量状况、物料状况、设备状况等)。当生产线出现异常事件时，由车间异常事件管理模块进行处理，针对异常事件的特征和类型，MES系统首先进行类似事件原因和处理方案知识的检索，并把检索结果推荐到事件处理人员的桌面，以辅助事件的处理，同时通过MES的实时信息交互平台，事件处理人员可以与相关的工程师和专家进行在线沟通，以快速地找到事件原因和解决事件的方法。事件处理完成后，事件的特性及具体的处理方法作为案例存入车间知识库，以供以后参考和使用。如果异常事件导致生产异常，则通过制造链重构和安排进行生产任务的调整。如图5所示为该运行模式的系统实现。图5 某汽车空调制造企业车间制造任务运行模式的系统实现 通过该运行模式及车间MES系统的实施，并经将近半年的运行，已经取得了良好的应用效果，主要表现在：初步实现了生产过程的透明化。每条生产线都能够及时输入进度信息，管理人员可以在系统中直接查询到各个产品装配、零件加工的进度和状态，实时掌握现场加工的进度。实现了生产过程的可视化。通过车间的LED大屏幕和车间信息虚拟展示平台，使车间管理人员和企业管理人员可视化地了解到生产进度及生产线状态。通过生产线异常事件管理，实现了实时了解生产线的运行情况，提高了响应速度，从而降低生产线故障及减少故障恢复时间，保证生产的正常顺利进行。通过制造过程知识的有效管理和应用，为制造过程业务流程提供了知识支持，使制造知识和制造业务流程通过信息化平台紧密地结合在一起，提高了流程执行和问题解决的效率，为企业积累了大量的制造过程执行和管理的相关知识，并形成了一种知识共享和协作的工作氛围。极大地提高了企业制造执行能力，有效推动了精益生产在企业的实施。4 结束语 本文针对车间制造系统优化运行的目标，结合制造系统工程和信息化等相关技术和方法，提出了一种基于知识集成的车间制造系统运行模式，该模式能够有效整合制造过程知识和制造资源，以制造执行链的模式，敏捷、知识化和信息化地开展车间制造业务的运作和管理。 通过工作中心建模和制造执行链构建技术的研究，实现了基于制造资源封装的工作中心服务化技术，以及基于制造服务组合的制造执行链的实现技术，解决了基于知识集成的车间制造系统运行模式运作的相关关键问题。 以重庆某汽车空调制造企业的车间制造系统为例，进行了基于知识集成的车间制造系统运行模式及其支持系统的应用和实施，取得了较好的应用效果，极大地提高了企业的车间制造执行能力和管理水平。0 引 言 车间制造过程是制造企业通过机器和工具将原材料转变为有用产品的过程，是制造资源、能源消耗和产品制造完成的主要过程，是制造企业运作的关键环节之一。现代车间制造系统除了要实现生产效率、加工质量、生产成本等常规目标优化运行外，还需要提高车间制造过程的敏捷性，以及实现绿色制造的相关目标。车间制造系统的优化运行目标对车间制造系统的运作和管理提出了更高的要求，要求车间制造系统朝着网络化、知识化、敏捷化和绿色化等方向发展。 制造执行系统(Manufacturing Executive System，MES)作为一种面向车间制造系统的信息化解决方案，能够有效地实现制造过程的网络化和精益化管理，对实现车间制造系统的经济目标和制造系统的优化运行起着重要的支持作用。但是，当前的MES主要考虑生产进度、车间物料、在线质量管理等常规车间制造业务管理，而对车间制造过程中人、管理系统及设备的集成，制造过程业务流程的自适应和重构技术的实现，以及制造过程中制造知识管理等方面的支持较弱，还不能较好地支持车间制造系统的优化运行。因此，需要采用一种集成化的思路来综合考虑车间制造系统执行过程的业务敏捷管理、制造过程知识应用与创新等相关问题，以支持制造车间系统的优化运行。知识管理作为一种新的管理理念和方法在制造企业中发挥着日益重要的作用，制造过程知识的有效共享和应用，能够有效地提高制造效率、产品质量和降低产品制造成本，以及有效地支持车间制造系统新的制造模式的实施。目前，国内外针对知识管理在制造企业的应用，以提高制造效率为目的开展了大量的研究，但知识管理在车间制造系统及制造过程的研究和应用则相对较少。车间制造过程属于制造企业的运作层，其运作围绕着产品制造流程展开，制造过程的特点决定了基于知识集成的制造过程优化运行需要把制造知识有效地整合到车间的MES，以支持车间的文档类制造知识共享、制造过程中制造经验的有效获取与共享、制造过程中基于知识的有效协作，同时通过知识化和信息化的手段，有效支持车间制造过程新的制造模式的实施。 本文在制造系统优化运行和信息化研究成果的基础上，结合车间制造系统优化运行目标和特点，提出了一种基于知识集成的车间制造系统优化运行模式，详细分析了该运行模式的构成要素。在此基础上，对实现车间制造系统优化运行的工作中心服务化、基于知识集成的制造执行链等关键技术进行了深入研究，最后结合一个应用案例，验证了该模式的可行性。1 基于知识集成的车间制造系统运行模式框架 车间是现代制造企业生产运作的基本单元，车间制造系统的优化运行是车间组织生产和制造业务运作的基本要求。为了有效地实现车间制造系统的优化运行，提高车间制造系统的效率，实现车间制造过程的敏捷性，本文基于制造过程知识管理、制造资源封装、制造执行链构建等敏捷化技术，提出了一种基于知识集成的车间制造系统运行模式框架，如图1所示(其中k为制造过程知识创新)。基于知识集成的车间制造系统运行模式的基本思想是有效整合制造知识管理和制造执行链构建、执行和控制等技术和方法，对车间制造过程从资源、设备、制造知识、生产任务、生产组织、过程控制等制造资源和生产管理方法进行优化组织和运营，以实现车间制造系统的优化运行目标。图1 基于知识集成的车间制造系统运行模式框架 基于知识集成的车间制造系统运行模式框架的构成如下： (1)车间制造系统优化运行目标集 车间制造系统优化运行目标集是车间制造系统经济效益和社会效益协调优化的具体指标构成的集合，它要求制造过程制造周期尽可能短(T)、产品质量水平尽可能高(Q)、产品制造成本尽可能低(C)、产品的资源消耗尽可能少(R)，以及产品制造过程对环境影响尽可能小(E)，同时通过制造过程知识的发现、共享与应用，不断提高制造过程的制造执行能力和创新能力。 (2)设备资源 设备资源是车间制造系统运行的物理载体，既包括数控加工设备、普通加工设备、监控设备、设备状态传感器等硬件装置，又包括设备状态通讯软件、数据传输协议、设备控制系统(如可编程逻辑控制器(Programmable Logic Control，PLC) 、分布式数控系统(Distributed Numerical Control，DNC) )、设备生产信息采集系统、设备实时加工状态监控系统、设备故障检测系统等软件系统。它们是车间制造的基本资源。 (3)工作中心 工作中心是生产加工单元的逻辑实体，由一台或几台功能相关的设备、一个或多个操作人员、一个成组加工单元或一个装配场地等制造资源封装而成，以完成特定加工工序或任务。通过对工作中心的建模和描述，实现与制造过程业务层的制造服务相匹配，进行制造任务或工序的安排。 (4)制造知识库及知识管理工具 制造知识库和知识管理工具实现对制造过程的制造知识的发现与获取、组织存储、知识共享与应用，以及制造知识评价等功能。其中制造知识库包含了制造过程中涉及到的各类知识库。知识管理工具主要支持制造过程的制造知识与制造业务流程的集成化运行，支持制造知识全生命周期的获取、存储和应用的相关工具等。在制造业务过程中，车间的知识用户能够通过人机交互的方式把制造过程积累的相关经验和知识存储到知识库中，同样，信息系统中的智能代理应用