流程驱动式生产管控系统设计及研究

张岩 王明珠 侯康伟

摘要：为实现航空产品生产线的精细化和智能化管控，需要打通制造过程各个环节，实现业务的深度集成与信息的互通共享。在分析航空产品生产管控基础上，通过引入流程驱动搭建了生产管控系统架构，解决了生产智能调度的应用难题。以航天研究所的实际生产为背景，开发了系统原型并进行了实际应用。

关键词：流程驱动；生产管控；生产智能调度

中图分类号：TP18文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）06-58-4

0引言

伴隨协同设计制造、协同办公和数字化集成制造等多项关键技术的突破，我国航空制造业在信息化和工业化方面都取得了长足进步。张森堂指出，生产管控系统需要能够将计划流、控制流、质量流和工艺信息流全面集成，在企业的集成中起到承上启下的桥梁作用[1]。李新伟等实现了对生产全过程的管控，协调了各类资源、物流运输及各单元的生产组织、物料平衡[2]。流程驱动作为生产管控系统中的核心要素，也得到了学者的关注[3-5]。乐承毅等通过对流程特征、员工特征和知识领域属性等进行分析，实现了知识领域的主动推送[6]；冯毅雄等设计了基于流程驱动的数控机床设计知识推送方案，提高了设计知识推送的准确度[7]。

1基于流程驱动的生产管控系统功能设计

1.1生产管控过程特点分析

日常生产中的航空产品主要具备以下特征：

①产品结构复杂、数量庞大，且生产加工过程需要大量工装和样板等辅助设备，因此具有典型的小批量、多品种及生产周期长等特点。

②生产过程主要分为生产工艺准备、生产作业、零件加工和生产管控4个阶段。随着生产任务的要求，这些阶段可依次完成，也可并行开展。

③生产线管控过程涉及制造过程各环节，如工装夹具设计、物流运输、工艺设计、检测及数控加工等，实际生产过程中需要满足过程、质量、设备、物料以及现场等各单元间的精细化集成管控。

④生产管控过程具有明显流程驱动特点，可以借助流程驱动来实现流程优化、相关业务整合，综合管控产线运行过程中的物料、工装及设备等信息，并基于实时数据实现生产调度、资源管理和物流调度等子业务模块的分析决策功能，进而将决策数据转为可识别的控制指令，保证生产线的精准执行和高效运行。

1.2基于流程驱动的生产管控系统设计

在研究所的生产管控系统是各类数据汇聚、管理、处理、运算和分发的核心枢纽，在实际应用中起到承上（顶层信息系统）启下（生产线各执行机构调度管控）的自主智能决策作用。其主要功能包括智能调度、物流管理、资源管理、机内制造、数据管理及任务管理等功能模块。核心模块是生产智能调度，其主要功能是生产任务的接收、输入与排序。系统需要接收上游系统输入的工作任务，并根据现场实际的反馈数据对生产任务在各台设备上的加工顺序进行快速调整，实现加工周期近似最短、各项零件按时交付等目标。生产任务完成后，将输出数据分别以结构化、图形化的结果展示给调度人员做出确认和必要的调整，最后将资源需求数据分发到各个相关的部门（刀具、夹具和物流等），以便于提前做好相关的准备。

2基于流程驱动的生产调度管理

2.1流程驱动模型

基于对航空制造过程的理解，借鉴面向对象和组件的设计概念，将生产调度中涉及到的各环节视为某种具体对象。通过构建工艺、零件、设备、刀具及原料等模型，构建驱动激励等内容，实现流程驱动模型，如图1所示。

过程驱动是推动问题解决的基本驱动力，解决了相关子过程的关联和管理问题。

2.2生产智能调度问题描述

结合流程驱动模型，生产调度问题可简单描述如下：

（1）问题输入

①工艺方面：零件加工的工序名称、先后顺序、各工序的时间长度、工序之间的最小/最大时间间隔；②设备方面：可用设备数量、各设备的可用起止时间；③刀具方面：各种刀具的数量、各刀具适用工序的名称、各刀具的可用起止时间、刀具剩余寿命；④原料方面：各相关原料或毛坯最早抵达时间；⑤订单数据：零件的数量、各零件的最迟完工时间。

（2）问题输出

①各设备的零件任务清单，以及各零件加工的起止时间或先后顺序；

②各设备的资源需求（原材料、半成品、刀具等），以及这些需求的起止时间或先后顺序。

2.3问题解决思路

为了利用流程驱动的方式解决生产调度问题，需要将该问题中涉及的各种对象进行封装。流程驱动的调度模型强调每个步骤都需要根据实际情况选择下游的对象和激励，因此整个调度管理算法如图2所示。

算法说明：

步骤1：读取各种输入数据。

①零件类：待加工零件列表、各零件工艺路线列表、各零件的资源需求列表、各零件各工序的工时列表、各零件相邻工序之间的最小时间间隔列表；

②设备类：各设备的数量、各设备的工作状态列表（正在加工什么零件）、各设备可用于下一个零件加工的就绪时间列表；

③刀具类：各种刀具的数量、各刀具的适用工序列表、各刀具的当前使用状态列表、各刀具可用于下一个零件加工的就绪时间列表、各刀具的剩余使用寿命时间。

另外，需要假设具备加工条件的零件满足以下要求：①存在空闲的设备；②零件的前续工序已经全部完成；③零件将要使用的刀具空闲，而且剩余使用寿命满足加工需求。

步骤4：组零件排产完成后，找出各设备在工作过程中的空闲时间段，并更新零件、设备、刀具和订单数据。

步骤5：按照分组的顺序，尽可能将后续组内的零件插入到这些空闲时间段内加工，直到所有的这些空闲时间段都无法被填充为止。

步骤6：更新零件、设备、刀具和订单数据，并返回步骤3，直到所有的零件都被安排生产。

步骤7：输出排产结果，分发资源需求数据到相关部门或系统。

步骤8：查询零件、设备、刀具和订单数据是否发生变化，如果有，重新排产。

3原型系统验证

3.1系统架构

以航空制造企业实际生产过程为背景，进行系统原型设计。该系统分为数据层、组件服务层、逻辑层、应用层和表现层，系统架构如图3所示。

①数据层：实现实时数据的快速采集和存储，以及各类生产数据、日志消息等信息。将系统所需数据按照生产资源、任务数据、生产监控数据（设备数据）、人员信息等进行分类，以进行数据获取路径、方式等的规划。

②逻辑及组件服务层：是一个应用支撑基础软件平台层，为管控平台提供所需的公共性、基础性组件和服务，并提供组件的运行、开发和管理环境，支持信息交换应用的快速开发，以满足平台的扩展和变化，同时降低工程实施、维护的成本和风险。

③应用层：基于应用支撑层提供的框架、组件服务和工具，访问信据层的数据库，构建面向信息交换的业务应用，以实现系统各功能模块对数据的深入应用。应用层主要包括应用门户系统和应用服务接口等。

④表现层：以车间的大屏幕、现场的触摸屏及工控机的人机界面等方式进行任务排程和各生产单元的实时监视。

3.2生产智能调度界面设计

图4是生产智能调度界面设计，系统可以根据任务数据源、资源数据源采用流程驱动算法进行生产任务自动排序，生成待加工任务队列，并将任务队列传输给管控平台供其他模块实时调用，以此保证生产效率的最大化，同时用户可以对录入的生产任务进行手段调整。当物料、设备、工装及刀具等资源状态发生变化时，算法将被重新调用，并基于现有资源条件进行任务执行过程的动态调整。

4结束语

以研究所为背景，阐述了其生产管控过程特点，在此基础上引入流程驱动模型设计了生产管控系统。对流程驱动模型进行设计，然后将其应用在生产智能调度管理的研究中，得到了良好的应用效果。由于系统正在建设实施中，故下一阶段的主要工作是在后续工作中收集详细资料，进一步验证该系统的使用效果。

参考文献

[1]张森堂，付龙，马明阳，等.航空产品自动化机加线的探索与研究[J].航空制造技术，2016（16）：36-40.

[2]聂磊.基于业务和管理架构的生产管控信息系统设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2014.

[3]于海斌，朱云龙.可集成的制造执行系统[J].计算机集成制造系统，2000，12（6）：1-6.

[4]杨帆，萧德云.基于Agent的流程工业制造执行系统结构研究[J].计算机集成制造系统，2003，9（2）：107-111.

[5]李鹏阳，李言，杨明顺，等.基于GSM的制造执行系统信息传输平台[J].计算机工程，2007，33（2）：233-235.

[6]樂承毅，代风，吉祥，等.基于流程驱动的领域知识主动推送研究[J].计算机集成制造系统，2010，16（12）：2720-2727.

[7]冯毅雄，张舜禹，高一聪，等.基于特征语义分析的数控机床设计知识精确智能推送方法[J].计算机集成制造系统， 2016，22 （1）：189-201.