面向复杂产品装配过程的可视化生产调度技术

面向复杂产品装配过程的可视化生产调度技术
万峰;刘检华;宁汝新;庄存波
【摘要】To solve the problems such as unreasonable assembly planning, tough dynamic scheduling, lacking of process monitoring and information management tools in complex product assembly, the visual production scheduling technology was proposed. By analyzing the characteristic of complex product assembly process, the visual modeling method of assembly process based on workflow was presented, and the scheduling model of complex product assembly was raised on the basis of assembly process model. Aiming at the assembly plan scheduling, heuristic scheduling algorithm was proposed. Aiming at the disturbance problem, the dynamic scheduling algorithm was raised. Furthermore, visual assembly scheduling method and information management method were discussed, and visual monitoring of assembly process, dynamic scheduling as well as scheduling information management were realized. The proposed technology and method were proved effectively by actual applications.%为解决复杂产品装配过程中出现的装配计划不合理、动态调度困难、过程监控和信息管理手段缺乏等问题,提出面向复杂产品装配过程的可视化生产调
度技术.分析了复杂产品装配过程的特点,提出了基于工作流的装配过程可视化建模
方法,并在此基础上建立了复杂产品装配调度模型.针对装配计划排产问题,提出了基于启发式调度规则的装配调度算法；针对装配过程中的扰动事件,提出了面向生产
扰动的动态调度算法.提出了面向装配过程的可视化调度及信息管理方法,实现了装
配过程的可视化监控、动态调度以及调度信息的组织与管理.通过实例验证了所提方法和技术的有效性.
【期刊名称】《计算机集成制造系统》
【年(卷),期】2013(019)004
【总页数】11页(P755-765)
【关键词】复杂产品;装配过程;工作流;可视化;装配调度模型;调度算法;过程监控与管理
【作者】万峰;刘检华;宁汝新;庄存波
【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
0 引言
复杂产品指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂和项目管理复杂的一类产品，如航天器、飞机、复杂机电产品和武器系统等［1］。

复杂产品的装配通常是离散型装配，具有作业周期长、以手工装配为主、单件或小批量生产等特点。

在复杂产品装配过程中，存在着大量的信息传递和资源协调，特别是在产品研制阶段，由于设计更改频繁、生产扰动多，其生产调度极其复杂和困难。

国内外对装配生产线调度技术的研究始于20世纪90年代前后，对装配调度策略与控制方法的研究主要偏向于自动化程度较高的柔性生产线［2－5］，研究成果难以适用于以手工装配为主的复杂产品的装配调度。

吴锋等针对复杂产品的手工装
配作业环境，提出用Petri网规范装配工艺流程，并基于关键工序点进行控制的调度策略和控制方法［6］；谢志强提出工序间有约束的复杂产品工序调度方法，对多种车间状况下单产品和多产品的调度策略进行了研究［7］；梁燕等针对以手工装配为主的混合装配线改造问题，提出一种带有工位约束的启发式算法，并提出了分段优化的策略［8］。

但是，以上研究成果尚存在以下问题：①主要侧重于排产调度的研究，缺少针对离散装配过程中生产扰动的动态调度方法的研究；②主要侧重于调度策略和算法的设计，缺少对装配状态可视化监控方法的研究，而目前企业管理模式中，调度问题往往通过人工方式进行反馈，不利于装配计划的及时调整和对现场的快速响应；③缺少对调度信息的组织和管理方法，导致调度信息和调度过程难以追溯。

针对上述问题，本文结合航天复杂产品装配车间的实际需求，提出了面向复杂产品装配过程的可视化生产调度技术，建立了复杂产品装配过程的可视化模型和调度模型，提出了基于装配流程的调度算法和面向装配过程的可视化调度及信息管理技术，并对上述技术进行了应用验证，最终实现了复杂产品有序、可控、高效的装配执行效果。

1 基于工作流的装配过程可视化建模
1．1 复杂产品装配过程特点分析
复杂产品装配过程分为装前准备和装配实施两个阶段（具体描述可参见文献［9］），具有以下特点：
（1）以流程为主组织装配生产在装前准备阶段，首先按产品结构和生产条件划分装配单元，确定其装配基准、定位方法、装配方案、工装和工艺方法，并根据装配单元的作业顺序制定装配工艺流程。

根据装配单元的不同，将复杂产品的装配分为部件装配和总体装配，对应的装配流程分别为部装流程和总装流程：①部装流程指组部件装配（如航天器结构板装配）的工作流程，由一个串（并）联混合而成的装
配工序链组成；②总装流程指复杂产品总体装配（如航天器总装总调）的工作流程，由完成产品装配的最终工序串（并）联而成。

（2）生产扰动多，返工返修多复杂产品装配工艺复杂，装配周期长，在装配过程中会受到大量的诸如设备故障、人员缺勤等扰动事件的影响。

此外，复杂产品（特别是处于型号研制过程中的产品）的装配活动需要不断尝试、反复求精，在装配过程中常常会发生大量的返工返修，例如在卫星的总装过程中，返工返修可达到上百次之多。

（3）注重产品制造信息的可追溯性复杂产品在注重装配质量的同时，更加强调产品装配过程的可追溯性。

对每件产品，要求能追溯到组成该件产品的零／部／组件的编号、批次、装配人员、检验人员、完成时间及装配质量记录等信息。

1．2 装配流程图创建
复杂产品的装配流程是典型的工作流，在航天器等复杂产品的装配过程中，通常要绘制总装和部装工艺流程图，按照工艺流程图组织装配工作。

装配工艺流程图通过图形化的表达，直观地描述了产品装配单元的划分和执行的顺序，其绘制方法可参见文献［10］，示意图如图1所示。

装配工艺流程图包含以下内容：
（1）基本要素包括活动节点、组织节点和连接线。

活动节点包括开始节点、结束节点和装配操作节点，其中一个装配操作节点对应一道装配工序；组织节点包括汇合节点、分支节点和换行节点；连接线表达了节点间的关系以及装配工作流的方向。

（2）流程结构包括顺序流程（节点间串联）和并行流程（节点间并联）两种结构。

（3）层次结构包括总装流程图和部装流程图，分别对应总装流程和部装流程。

其中，总装流程图中的一个装配节点对应一个部装流程，两者形成包含嵌套的关系。

装配工艺流程图本质上是产品的装配工艺路线，但不能表达装配进度状态和执行状态，因此在装配工艺流程图中引入颜色集，对装配节点进行状态标志，形成着色的
装配流程图，其中节点状态和颜色对照如表1所示，着色后的装配流程图能够反
映装配工序之间的时序关系和实际的装配状态。

创建着色装配流程图不仅为调度模型的构建提供了工艺约束，也为装配过程的实时监控提供了可视化的工具。

表1 节点状态和颜色对照表进度状态未装配红色装配中黄色装配完成绿色执行状态正常装配按进度状态进行颜色标志违反装配计划蓝色出现技术问题或质量
问题灰色
1．3 装配流程模型构建
为描述装配流程中各装配节点的执行方法和时间要求，需进一步建立装配流程的资源约束和时间约束，具体内容如下：
（1）装配流程的资源约束主要包括4M1E的五项内容，即人（作业人员）、机（工位、工装、设备等）、料（零部件、主辅料等）、法（工艺、操作方法及规范）、环（工作环境）。

其中，装配调度过程中涉及的资源主要包括人、机和料，具体描述如下：
1）人复杂产品的装配通常由包含各类岗位人员的车间装配班组负责，因此将“人”定义为包含装配工人、检验人员和设备操作人员等的装配班组。

2）机因为手工装配操作都是在装配工位上进行，各类设备也根据工位进行组织管理，所以复杂产品装配中的“机”应该定义为包含装配工位、工装设备、测量仪器等装配要素的装配作业单元，本文简称“工位”。

3）料主要指产品装配过程中所用的零件、组部件、标准紧固件、重要辅助材料、外协件等。

物料作为生产准备的重要内容，需在装配之前准备完毕。

（2）装配流程的时间约束主要包括装配任务的时间约束和装配节点的时间约束。

1）装配任务的时间约束包括装配任务的计划开始时间TPS、计划完成时间TPF、实际开始时间TRS、实际完成时间TRF等。

2）装配节点的时间约束包括额定工时mh、计划开始时间TS、计划完成时间TF、
最早开始时间ES、最早完成时间EF、最晚开始时间LS、最晚完成时间LF、实际
开始时间RS和实际完成时间RF。

其中，最早开始／完成时间和最晚开始／完成
时间表达了装配节点计划作业时间的可行时间区域，可通过工作流的时间约束计算方法获得［11］。

基于上述分析，将装配流程模型定义如下：
定义1 复杂产品装配流程模型。

复杂产品装配任务k的装配流程模型可表示为
AFk＝（Na，NO，L，FT）。

其中：Na 是装配活动节点集合；NO 是组织节点集合；L是连接线集合；FT是装配流程的层次变量，FT∈｛0，1｝，若FT＝0，则
该流程为总装流程，若FT＝1，则该流程为部装流程。

定义2 装配活动节点模型。

设Nai是装配活动节点集合Na中的第i个节点，则Nai＝（Ri，Ti，Ci，Di）。

其中：Ri为装配节点Nai的资源约束集合，Ri＝（WMi，WPi，MLi，MDi），WMi 为装配班组的集合，WPi为包含装配工位和设备的装配作业单元的集合，MLi为物料的集合，MDi为装配工艺信息的集合；
Ti为节点Nai的时间约束集合，Ti＝（mhi，TS，i，TF，i，ESi，EFi，LSi，LFi，RSi，RFi）；Ci 为节点Nai的颜色；Di为节点Nai的输入输出数据集合。

2 基于流程的复杂产品装配调度模型及算法
2．1 调度模型构建
复杂产品的装配属于单件小批量的生产模式，在进行车间调度时，往往将生产计划分解为一个或多个装配任务，每个装配任务对应一个产品或组部件的装配流程。

在装配时应满足：①一道工序在某一时刻只能在一个工位进行装配；②一个工位开始进行某个工序的装配，只有在该工序装配完毕后，该工位才能进行其他工序的装配；
③每道工序必须在其前驱工序装配完毕后才能开工；④允许工序之间等待，允许工位闲置。

根据上述分析，将复杂产品的装配调度问题描述如下：设需要调度的任务集合AT
＝｛AT1，AT2，…，ATi，…，ATk｝，对应的装配流程集合 AF＝｛AF1，
AF2，…，AFi，…，AFk｝，装配车间中有 m 个可用装配班组（WM1，
WM2，…，WMi，…，WMm）和n个可用工位（WP1，WP2，…，WPi，…，WPn），需要在调度约束条件下，合理地设置各个装配工序的工位和班组，并实
现相应的优化调度目标。

结合复杂产品装配的业务流程和特点，对调度目标和调度约束分析如下：
（1）调度目标
1）工期最短在满足交货期要求和资源约束的前提下，通过调度排产，使装配任务的作业周期最小，从而降低生产成本，提高资源的利用率。

2）资源均衡在满足交货期要求和资源约束的前提下，合理地配置某些工序的资源，使各个同类装配资源的需求量在一定时间周期内趋于均衡，从而减少资源瓶颈，并使资源的损耗也趋于均衡。

（2）调度约束
1）装配工艺约束该约束可以通过装配流程图进行图形化表达，也可以通过装配节点之间的时序关系进行描述：装配流程中的任意装配节点应在其最晚开始时间之前开工，并在其最晚完成时间之前完工；同时，除开始节点外的其他装配节点应在其所有前驱节点完工后才能进行工作。

2）装配资源约束主要包括装配工位和装配班组。

在装配车间中，一般有多个同类的装配工位和装配班组可以选择。

不同于机械加工中工人可同时操作多台自动化加工设备，在复杂产品装配中，因为装配操作多以手工装配的方式完成，装配班组不能同时在两个工位进行装配操作，所以装配班组和装配工位的比率往往接近并大于1。

3）交货期约束复杂产品的装配通常采用订单驱动的方式进行生产组织，必须按照订单中的交货期及时交付产品。

为保证生产任务及时完成，采取余量控制方法，为
交货期约束设置提前期。

在装配调度时，考虑交货期和交货提前期，确定装配任务的截止日期，作为调度的交货期约束。

4）装前准备约束主要包括物料、工装／工具、工艺文件、图纸规范等的准备工作。

每道装配工序都有对应的装前装备约束，只有在装前准备完毕后，才能开始进行该装配工序的操作。

复杂产品装配调度模型定义如下：
其中：式（1）表示工期最短的调度目标，TS，ij和mhij分别为任务i中工序j的计划开工时间和额定工时；式（2）和式（3）表示工位均衡和班组均衡目标，PHa，i和MHb，i分别为任务i中使用的a 工位和b班组的总工时，PHl和
MHk分别为工位l和班组k的总工时，n和m分别为工位和班组的数量；式（4）表示装配任务i应早于交货期DDi完成；式（5）表示每个装配工序的开始时间须小于其最晚开始时间；式（6）表示每个装配工序的开始时间应大于其前驱节点的完成时间，TS，ij．pre和mhij．pre分别为任务i中第j个装配工序的前驱工序
的开工时间和工时；式（7）和式（8）表示每个装配工序需有可用的工位和班组，WPij．left和 WMij．left分别表示任务i中第j 个装配工序的可用工位集合和班
组集合；式（9）中SPij为任务i中第j个装配工序的装前准备状态，若SPij＝1，则表示准备就绪。

2．2 基于启发式调度规则的装配调度算法
在装配计划制定阶段，采用自动调度和人机交互调度相结合的调度策略，即通过自动调度方法实现预排产，通过人机交互调度方法实现装配计划的人工调整，从而满足复杂产品的工程需求。

启发式方法易于描述复杂的生产特性，并可在较短的计算时间内求出令用户满意的
可行解［12］，因此采用基于启发式调度规则的调度算法进行自动调度算法的设计。

由于单一的调度规则通常只能对某一种优化目标产生较好的优化作用，很难满足多优化目标的需求。

采用规则组合的调度策略来研究复杂产品装配中的多目标调度问题［13］，其基本思想是：将调度过程分为装配任务选择、装配工序选择和
装配资源选择等阶段，在各阶段运用相应的优先规则解决各种排序和资源分配问题，从而分阶段完成整个问题的求解过程，得到问题的最优解或近优解。

具体的调度规则组合如下：
（1）装配任务的优先调度规则
1）过程最早到期规则优先选择截止日期最早的装配任务进行调度，保证其任务不拖期。

2）最小开始时间规则优先选择最早开始的装配任务进行调度，减少等待或资源空闲时间。

（2）装配工序的优先调度规则
1）最小完成时间规则优先选择截止日期近的工序进行调度。

在调度排产时，选取工序的最晚完成时间作为截止时间。

2）关键路径节点优先规则关键路径指装配流程中工时最长的路径，关键路径上装配节点的时间直接影响了装配任务的总时间，因此优先选择关键路径上的工序进行调度。

（3）装配资源的优先调度规则
1）紧前工序资源优先规则由于复杂产品的装配操作具有一定的连贯性，大多数时候要求在一个工位上由相同班组完成尽可能多的工序，以避免工件搬运、设备调试等造成的时间延迟和精度偏差。

因此在资源配置时，优先选择前驱工序的工位和班组进行配置。

2）最小开始时间规则针对本工序，选择等待时间最短的资源进行优先配置。

基于上述调度规则组合进行启发式自动调度算法的设计，算法流程如图2所示，具体步骤如下：
步骤1 建立待调度装配任务的集合AT。

若AT不为空，则根据过程最早到期规则和最小开始时间规则获取优先调度的装配任务ATi及其装配流程AFi，转步骤2；否则，转步骤7。

步骤2 根据AFi获取待调度的装配工序集合Pi。

若Pi不为空，则根据最小完成时间规则和关键路径节点优先规则获取优先调度的装配工序pij，转步骤3；否则，转步骤6。

步骤3 根据紧前工序资源优先规则和最小开始时间规则获取pij可用的工位。

若工位存在，则设为WPij，转步骤4；否则，转步骤4。

步骤4 根据紧前工序资源优先规则和最小开始时间规则获取pij可选择的班组。

若班组存在，则设为WMij，转步骤5；否则，转步骤5。

步骤5 若WPij和WMij存在，则根据工位的最早可用时间TWPS，ij和班组的最早可用时间TWMS，ij，以及pij的前驱工序的最晚计划完成时间Tpre，ij，计算pij的计划开始时间TS，ij和计划完成时间TF，ij，计算方法为 TS，ij ＝max ｛TWPS，ij，TWMS，ij，ESij，Tpre｝，TF，ij＝TS，ij＋mhij，计算完成转步骤2；否则，转步骤2。

步骤6 根据各个装配工序的时间、工位和班组信息，制定ATi的装配计划，转步骤1。

步骤7 调度结束。

在实际排产过程中，采用自动调度算法有时不能生成满意的装配计划，可采用人机交互调度方法对装配计划进行进一步调整。

人机交互调度并不是完全由调度员手动设置时间和资源，而是通过计算机辅助计算得到装配任务信息、装配流程信息以及
可用的工位和班组信息，以此辅助调度员做出决策，同时系统会判断装配计划信息的合理性（如工序计划开始时间是否超过最晚开始时间），若不合理，则提示调度员进行调整，直至计划合理。

2．3 面向生产扰动的动态调度算法
复杂产品装配执行环境具有不确定性、不准确性和不完备性等特点，装配过程中存在大量来自计划层、工艺层和执行层的生产扰动。

因为未考虑装配工序的完成状况和生产扰动的影响，上述基于启发式调度规则的调度算法仅适用于装前准备阶段的计划排产，不能用于装配实施阶段的动态调度，所以需研究面向生产扰动的动态调度算法。

在装配实施过程中，针对不同的生产扰动事件具有不同的处理方法，具体的扰动事件和处理方法如表2所示。

由表2可知，生产扰动的处理方法主要包括重调度方法和受影响工序调整方法。

重调度方法指对装配任务中的未执行工序进行重新排产，基本思想是针对装配流程中未执行的装配工序，重新计算其装配时间和装配资源，生成新的装配计划，具体的计算过程与启发式自动调度算法类似，在此不进行详述。

受影响工序调整方法指针对受生产扰动影响的工序及其关联工序进行调整，使原有装配计划尽量少变动。

受影响工序调整算法通过对受生产扰动影响的工序及其关联工序进行时间和资源的重新计算，实现装配计划的动态调整。

装配工序的关联工序指因当前工序装配计划的变化而可能影响到的其他工序，主要包括该工序在装配流程上的后续工序、在工位上的后续工序和占用班组的后续工序。

文献［14］为解
决机加车间快速调整的问题，提出一种工时偏差容忍度技术和关联工序遍历算法。

其中，工时偏差容忍度指工序执行时间与额定工时的偏差不超过一定程度时（一般设为工序时间的10%），可以不必对该工序的装配计划进行调整，从而降低动态
调整的频率。

借鉴上述思想，设计了受影响工序调整算法，算法流程如图3所示，步骤如下：
表2 复杂产品装配过程生产扰动事件及处理方法表扰动来源生产扰动事件处理方法计划层扰动交货期或工序额定工时更改调整受影响工序的装配计划、重调度装配任务添加或重启针对该任务进行调度排产装配任务挂起或撤销释放该任务占
用的资源工艺层扰动装配工艺路线变化调整受影响工序的装配计划、重调度工序工艺内容更改若工序执行时间不变，则不进行处理；否则，调整受影响工序的装配计划执行层扰动执行时间偏差若不超出工时偏差容忍度范围，则不进行调整；否则，调整受影响工序的装配计划装配资源扰动调整受影响工序的装配计划、重调度质量问题或技术问题若执行时间未违反计划，则不进行处理；否则，按照执行时间偏差的处理方法进行处理
步骤1 建立受影响工序集合DP，获取发生扰动事件的工序，设为当前工序pn，w，m（n，w，m 分别为表征工序、工位和班组的变量），并将其加入DP。

步骤2 若pn，w，m未开始执行，则根据工位和班组的调度规则，自动或手动设置工位和班组，重新计算其计划开始时间 TS，n，w，m 和计划完成时间TF，n，w，m。

步骤3 获取pn，w，m在其所属的装配流程中的后续工序pn＋1，w，m，如果
不存在，则转步骤4；否则，判断pn，w，m的计划完成时间与pn＋1，w，m
的计划开始时间之差是否超过工时偏差容忍度，即判断时间偏差（TF，n，w，m
－TS，n＋1，w，m－0．1×mhn＋1，w，m）是否大于0，如果大于0，则将
pn＋1，w，m加入DP，并转步骤4；否则，转步骤4。

步骤4 获取pn，w，m工位内后续工序pn，w＋1，m，如果不存在，则转步骤5；否则，按照步骤3的方法进行工时偏差的判断，如果偏差大于0，则将pn，w ＋1，m加入DP，并转步骤4；否则转步骤5。

步骤5 获取pn，w，m班组内后续工序pn，w，m＋1，若不存在，则转步骤6；否则，按照步骤3的方法进行工时偏差的判断，如果偏差大于0，则将pn，w，
m＋1加入DP，并转步骤6；否则，转步骤6。

步骤6 将pn，w，m从DP中剔除，从DP中获取一个工序，将其设定为当前工
序pn，w，m，转步骤2，如果DP为空，则算法结束。

3 面向装配过程的可视化调度及信息管理
3．1 装配过程可视化监控与调度
基于上述装配调度模型和调度算法，采用可视化方法，实现装配计划的展示以及工位装配状态和装配流程状态的实时监控，为装配调度提供支持。

具体内容如下：（1）装配计划甘特图展示
通过自动调度或人机交互调度完成装配计划制定后，采用甘特图对装配计划进行可视化展示，装配计划的甘特图展示界面如图4所示。

甘特图中显示了装配车间中
各个工位的装配计划信息，包括计划时间、工序、班组等。

当装配计划发生变化时，甘特图也随之进行动态的变化。

调度员或装配工人通过查看甘特图，可以方便、直观地了解装配计划。

（2）工位状态可视化监控
为快速获取各工位的执行状况，通过软件系统中的工位状态集成监控界面对工位状态进行可视化展示，界面示意图如图5所示。

在该界面中，分别对工位的物料、
人员、装配进度及装配执行状态进行监控。

若该工位装配执行状态正常，则“指示灯”全为绿色；若发生物料、人员未到位或发现现场问题等状况，则对应的“指示灯”变为红色。

调度员通过该界面能实时地了解各个工位的状态，并及时处理装配过程中出现的问题。

（3）装配流程图监控与调度。