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1、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 0 引引 言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
2、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
3、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
4、 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 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
5、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)(1)车间制造系统优化运行目标集车间制造系统
6、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)(2)设备资源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 Lo
7、gic 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)(3)工作中心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)(4)制造知识库及知识管理工具制造知识库及知识管理工具制造知识库和知识管理工具
8、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)(5)制造过程业务流程制
9、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)(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
10、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
11、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
12、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 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
13、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。2.12.1 基于制造资源封装的工作中心服务化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，W
14、decription，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
15、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
16、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2.22.2 基于知识集成的制造执行链构建方法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
