1單元化制造系統(tǒng) 為......



1 單元化制造系統(tǒng)
為適應(yīng)市場(chǎng)和技術(shù)的發(fā)展變化，制造系統(tǒng)正變得越來(lái)越分散化。將整個(gè)制造系統(tǒng)看成是由許多具有不同控制策略、自治的、相互協(xié)調(diào)彼此行為的單元(cell)組成的，具有動(dòng)態(tài)單元化的組織結(jié)構(gòu)，可降低系統(tǒng)的組織復(fù)雜度，便于組成更靈活、有效的系統(tǒng)。我們稱采用這種思想構(gòu)建的分布式制造系統(tǒng)為單元化制造系統(tǒng)。其中的單元可以是一個(gè)子單元，也可以是由多個(gè)子單元組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)中任何一個(gè)可用資源都可視作單元(包括制造單元和非制造單元，甚至可以是虛擬單元)，單元間不存在固定的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，而是通過(guò)協(xié)調(diào)來(lái)形成目標(biāo)明確、邏輯獨(dú)立的組織。

一個(gè)單元可同時(shí)參與多個(gè)這樣的組織。
圖1 單元化制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
單元化制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中有四類單元：產(chǎn)品單元管理產(chǎn)品的配套結(jié)構(gòu)和工藝信息，產(chǎn)品或零部件與產(chǎn)品單元有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：任務(wù)單元負(fù)責(zé)任務(wù)管理，任何一個(gè)任務(wù)(生產(chǎn)或非生產(chǎn))都對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)單元：資源單元是資源代理，可與任務(wù)單元通信協(xié)調(diào)制造系統(tǒng)中資源的分配，如加工中心就是資源單元之一：輔助單元代表專職單元，比如，工藝設(shè)計(jì)單元、調(diào)度單元、CAD單元等，統(tǒng)稱為輔助單元。
2 單元化制造系統(tǒng)中面向訂單的動(dòng)態(tài)組織
TAEMS任務(wù)建模語(yǔ)言
單元化制造系統(tǒng)要根據(jù)產(chǎn)品單元提供的任務(wù)來(lái)進(jìn)行組織。我們采用麻省理工大學(xué)MAS研究所提出的TAEMS(Task Analysis, Environment Modeling, and Simulation)作為產(chǎn)品任務(wù)結(jié)構(gòu)的描述語(yǔ)言，該語(yǔ)言具有表達(dá)組織和任務(wù)結(jié)構(gòu)的雙重功能。
圖2 產(chǎn)品A的BOM和任務(wù)結(jié)構(gòu)(TAEMS表達(dá)) TAEMS基本要素
TAEMS用TaskGroud樹代表問(wèn)題求解過(guò)程(圖2b)。樹節(jié)點(diǎn)稱為任務(wù)(task)，葉節(jié)點(diǎn)又可稱為方法(method)。非葉節(jié)點(diǎn)task有一個(gè)或多個(gè)子任務(wù)，任務(wù)間存在約束關(guān)系。任務(wù)(方法)有三個(gè)量化參數(shù)：成本(cost)、質(zhì)量(quality)和工期(duration)，用來(lái)比較方案之間的優(yōu)劣。質(zhì)量是任務(wù)完成質(zhì)量的量化表示。質(zhì)量值越大，任務(wù)完成得越好。非葉節(jié)點(diǎn)任務(wù)的質(zhì)量以其子任務(wù)的質(zhì)量值為參數(shù)，通過(guò)質(zhì)量累計(jì)函數(shù)(quality accumulating functions簡(jiǎn)稱為QAFs)計(jì)算得出。樹中各級(jí)任務(wù)質(zhì)量依次逐級(jí)向上累計(jì)，最后得到根節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量值，從而可對(duì)任務(wù)的全局完成情況進(jìn)行評(píng)估。
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質(zhì)量累計(jì)函數(shù)(QAFs)-min和exactone(圖2b)
min函數(shù)表明子任務(wù)全部完成了，父任務(wù)才算完成，父任務(wù)的質(zhì)量值由子任務(wù)中當(dāng)前最小質(zhì)量值決定：exact one函數(shù)表明父任務(wù)有若干種互斥的解決方案，父任務(wù)質(zhì)量值取決于選中的執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量值。
‘enables’關(guān)系(圖3)
‘enables’是任務(wù)之間的一種重要約束關(guān)系。用下式表示任務(wù)Ta、‘enables’任務(wù)M：
enables(Ta, M, t, d, q, q)
式中：t——當(dāng)前時(shí)刻
d——在時(shí)刻t，完成Ta需要的時(shí)間(duration)
q——Ta的當(dāng)前質(zhì)量
q——‘enables’關(guān)系滿足時(shí)，Ta必須具有的質(zhì)量值
圖3 ‘enables’關(guān)系
如果q等于q(M，d)，對(duì)‘enables’的簡(jiǎn)單解釋是：Ta完成之前，M不可能開始。‘enables’關(guān)系類似于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析中的先后次序關(guān)系。
產(chǎn)品A的任務(wù)結(jié)構(gòu)示例
圖2a表示產(chǎn)品A的BOM。產(chǎn)品A由零件B和零件C裝配而成。零件C自制，零件B有兩種獲得方式：“自制”和“外購(gòu)”。圖2b是產(chǎn)品A的生產(chǎn)任務(wù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)任務(wù)都有自己的“執(zhí)行單元”和“單元角色”。前者負(fù)責(zé)任務(wù)的執(zhí)行和管理，后者表明單元的組織關(guān)系。task B與兩個(gè)子任務(wù)之間的質(zhì)量累計(jì)函數(shù)為exactone，表示task B只能選取子任務(wù)中的一個(gè)執(zhí)行。task B的“執(zhí)行單元”根據(jù)實(shí)際情況(產(chǎn)品交貨期的緊迫程度、生產(chǎn)設(shè)備的狀況)，通過(guò)質(zhì)量累計(jì)函數(shù)計(jì)算得到質(zhì)量、成本、工期的值，并做出方案決策。
面向訂單的組織形成過(guò)程
單元圍繞訂單的協(xié)調(diào)組織過(guò)程可分為兩步：(1)任務(wù)單元分析任務(wù)結(jié)構(gòu)，逐層產(chǎn)生輔助任務(wù)單元：(2)任務(wù)單元根據(jù)自身任務(wù)結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的資源單元協(xié)商，取得資源使用權(quán)。
(1)任務(wù)單元的組織
根據(jù)客戶合同產(chǎn)生產(chǎn)品A的訂單(任務(wù)單元A)。任務(wù)單元A在產(chǎn)品單元A處取得產(chǎn)品A的生產(chǎn)任務(wù)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)任務(wù)結(jié)構(gòu)中task B和task C的復(fù)雜程序，生成對(duì)應(yīng)的“執(zhí)行單元”(任務(wù)單元B和任務(wù)單元C)，同時(shí)將任務(wù)結(jié)構(gòu)復(fù)制給新產(chǎn)生的任務(wù)單元，見圖4a。執(zhí)行任務(wù)的單元必須承擔(dān)任務(wù)規(guī)定的角色，從而在多個(gè)任務(wù)單元之間形成了一定的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系。這種關(guān)系通過(guò)角色來(lái)表達(dá)。其中，角色“任務(wù)執(zhí)行者”負(fù)責(zé)向“任務(wù)管理者”報(bào)告方案選擇結(jié)果、質(zhì)量累計(jì)結(jié)果、質(zhì)量、成本、工期等。“任務(wù)管理者”對(duì)子任務(wù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和決策(比如，根據(jù)質(zhì)量累計(jì)函數(shù)對(duì)子任務(wù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，取得累計(jì)質(zhì)量)。總而言之，“任務(wù)管理者”承擔(dān)管理職能，“任務(wù)執(zhí)行者”負(fù)責(zé)任務(wù)執(zhí)行和進(jìn)度匯報(bào)。單元的組織關(guān)系具有分形特點(diǎn)，比如任務(wù)單元B和任務(wù)單元C對(duì)任務(wù)單元(而言是“任務(wù)執(zhí)行者”，對(duì)于其子任務(wù)的執(zhí)行單元而言是“任務(wù)管理者”圖4 單元的組織過(guò)程
(2)任務(wù)單元和資源單元的組織
為具體組織生產(chǎn)，任務(wù)單元要和相應(yīng)資源單元協(xié)商取得資源使用權(quán)。以任務(wù)單元B與資源單元的協(xié)商為例，見圖4b。任務(wù)單元B在取得自己的任務(wù)結(jié)構(gòu)之后，根據(jù)質(zhì)量累計(jì)函數(shù)exact one，首先向企業(yè)的采購(gòu)部門(資源單元)和可承擔(dān)加工任務(wù)的工作中心1和工作中心2(資源單元)詢問(wèn)當(dāng)前狀況。根據(jù)當(dāng)前狀況，任務(wù)單元B作出方案選擇。假設(shè)任務(wù)單元B從任務(wù)單元A得到的訂單控制策略是“質(zhì)量越高越好”，在權(quán)衡了候選方案(“自制”和“從供應(yīng)商S1處購(gòu)買”)的質(zhì)量后，任務(wù)單元B選擇前者(其質(zhì)量值為4，大于后者的3)。隨后，任務(wù)單元B與工作中心1和工作中心2進(jìn)行協(xié)商取得相應(yīng)時(shí)間段的資源使用權(quán)，形成了任務(wù)單元和資源單元之間的合同關(guān)系。
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單元化制造系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的柔性
各單元在TAEMS基礎(chǔ)上，通過(guò)協(xié)調(diào)圍繞任務(wù)單元A形成了單元之間的組織結(jié)構(gòu)。任務(wù)單元之間形成管理層次結(jié)構(gòu)，任務(wù)單元與資源單元(工作中心1和工作中心2)形成“合同”結(jié)構(gòu)。單元間這種組織關(guān)系不是固定的，可隨內(nèi)外環(huán)境的變化做出相應(yīng)的調(diào)整。比如，在工作中心1不能工作的情況下，任務(wù)單元B可根據(jù)其質(zhì)量累計(jì)函數(shù)(exact one)，轉(zhuǎn)而采用“從供應(yīng)商S1處購(gòu)買”的方案，并且與供應(yīng)商協(xié)商得到新的task B的完成時(shí)間(供應(yīng)商交貨時(shí)間)。根據(jù)關(guān)系“task B‘enables’task D”，task B的“執(zhí)行單元”(任務(wù)單元B)還要與task A的“執(zhí)行單元”(任務(wù)單元A)直接協(xié)商，為task D(裝配產(chǎn)品A)的執(zhí)行安排新的時(shí)間。因此，利用TAEMS語(yǔ)言描述的任務(wù)結(jié)構(gòu)，單元間可形成靈活、動(dòng)態(tài)的組織關(guān)系，增加和提高系統(tǒng)的抗干擾能力和柔性。