張 晶，梁工謙

(西北工業(yè)大學 管理學院，西安 710129)

0 引言

再制造生產(chǎn)過程的一個顯著特點就是再制造對象質(zhì)量信息等的不完備性。再制造毛坯在其生命周期中的失效形式以及失效程度都不盡相同，再制造加工對象有其不同的質(zhì)量水平，這導(dǎo)致了每一個再制造對象的再制造工藝信息都呈現(xiàn)出個性化差異，再制造加工路徑的不確定性給再制造產(chǎn)品的工藝信息管理及再制造生產(chǎn)過程可靠性帶來很大的問題。

Petri網(wǎng)采用可視化圖形描述又有形式化的數(shù)學方法所支持，最適合描述制造系統(tǒng)這樣的離散事件系統(tǒng)模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化[1～3]。文獻[4]提出了一種將Petri網(wǎng)和面向?qū)ο蠓椒ㄏ嘟Y(jié)合的生產(chǎn)流程實體建模方法，將生產(chǎn)流程中各個加工站點或生產(chǎn)單元進行高度抽象，抽象出一個個生產(chǎn)站點庫所子模塊，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)流程實際情況，將抽象庫所進行排列組合，從而組建企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)流程實體建模模型。文獻[5]提出了基于關(guān)系對象Petri網(wǎng)的裝配系統(tǒng)模型快速構(gòu)建方法。文獻[6]提出基于擴展隨機Petri網(wǎng)(Extended stochastic Petri nets，ESPN)的模塊化建模方法，將可重組制造系統(tǒng)不同的加工資源對應(yīng)于相應(yīng)的ESPN基本模塊，并通過過渡變遷合成ESPN模型。文獻[7]通過對面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的討論，闡述了利用面向?qū)ο驪etri網(wǎng)建立業(yè)務(wù)流程模型的基本問題。文獻[8]將面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)（OPNs）擴展為面向?qū)ο蟮碾S機Petri網(wǎng)（SOPNs）解決生產(chǎn)資源及系統(tǒng)的隨機問題。以上文獻用不同形式的Petri網(wǎng)對生產(chǎn)系統(tǒng)建模，但對生產(chǎn)系統(tǒng)不確定性及不確定性系統(tǒng)工藝柔性設(shè)計的研究較少。

1 再制造生產(chǎn)系統(tǒng)原型分析

再制造生產(chǎn)源頭是以廢棄產(chǎn)品中那些可以繼續(xù)使用或通過再制造加工可以再使用的零部件作為毛坯輸入，因此供應(yīng)源是從消費者流向再制造商，所以相對于新品制造活動，具有逆向、流量小、分支多、品種雜和品質(zhì)參差不齊等特點[9]。

再制造生產(chǎn)系統(tǒng)包括：回收、拆卸、檢測、清洗、再制造修復(fù)、裝配和測試等環(huán)節(jié)[10]。這幾個環(huán)節(jié)在傳統(tǒng)的制造業(yè)中也有體現(xiàn)，但是在再制造領(lǐng)域，由于再制造本身具有不確定性的特點，即回收產(chǎn)品的數(shù)量、時間和質(zhì)量（如損耗程度、污染程度、材料的混合程度等）的不確定性，他們的角色和特性發(fā)生了巨大變化。除此之外，隨著加工的進行，由于廢舊零件再一次損壞、加工前未察覺的狀況、進一步加工的不可行性都有可能導(dǎo)致原有的加工方案需要重新選擇[11]。一種工藝方案無法保證使用于再制造的全過程，因此每個再制造毛坯在再制造生產(chǎn)過程中每個環(huán)節(jié)都有不同的工藝選擇，如圖1所示。再制造加工路線不確定，是實際生產(chǎn)和規(guī)劃時最關(guān)心的問題。資源計劃、調(diào)度、車間作業(yè)管理以及物料管理等，都因為這些不確定性因素而變得復(fù)雜。工藝路線變性使得再制造生產(chǎn)必須尋求更為柔性的方法[11]。

圖1 再制造生產(chǎn)流程及工序不確定性

再制造生產(chǎn)系統(tǒng)是具有并行、異步、鎖死和沖突等特征的離散事件動態(tài)系統(tǒng)，為了能夠?qū)ζ溥M行深入認識和研究，本文采用面向?qū)ο笾玴etri網(wǎng)對再制造生產(chǎn)系統(tǒng)模型進行分析與設(shè)計。

2 面向?qū)ο笾玴etri網(wǎng)

面向?qū)ο笾玴etri網(wǎng)（Object Colored Petri Net， OCPN）應(yīng)用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)中的“對象”（Object）與“信息傳遞”的概念，將系統(tǒng)看作由一系列對象及其對象之間的信息傳遞構(gòu)成[1]。再制造生產(chǎn)系統(tǒng)可看作由若干對象（如機器）構(gòu)成，每一對象（如機床）具有用方法（如切削）表征的行為，以及屬性或狀態(tài)（如開始切削、正在切削和結(jié)束切削）。對象根據(jù)其輸入信息進行相應(yīng)的活動，對象之間的信息傳遞控制與協(xié)調(diào)著不同對象所進行的活動及其順序。采用著色可以對系統(tǒng)類似的要素（如機器、任務(wù)和操作等）合并，用這些要素的屬性來區(qū)分同一類型系統(tǒng)要素的不同個體，即使用色彩作為屬性來區(qū)別系統(tǒng)內(nèi)不同個體。

再制造生產(chǎn)系統(tǒng)是由相互關(guān)聯(lián)的許多實體對象（再制造資源）組成的。在OCPN方法中，一個系統(tǒng)S是由一定數(shù)目相互作用的實體對象和他們的關(guān)系構(gòu)成，一個系統(tǒng)的數(shù)學定義如下：S=(O,R) ，其中O代表系統(tǒng)中一組實體對象的OCPN；R代表實體對象間信息傳遞關(guān)系的集合。

2.1 面向?qū)ο蟮闹玴etri網(wǎng)中實體對象的定義

其中：Oi——系統(tǒng)中實體對象Oi的OCPN模型；Pi——Oi的有限狀態(tài)庫所集合；Ti——Oi的有限活動變遷集合；IMi——Oi的有限輸入信息庫所集合；OMi——Oi的有限輸出信息庫所集合；Ai——活動變遷和狀態(tài)庫所（信息庫所）間的輸入輸出關(guān)系；Ei——對象Oi中，活動變遷和狀態(tài)庫所（信息庫所）間的輸入輸出關(guān)系表達函數(shù)；Ci——和Oi關(guān)聯(lián)的色彩集合；Mi,O——對象Oi所有狀態(tài)庫所和信息庫所的初始標識；其中MMi,o和SMi,o分別對象Oi所有初始信息庫所和狀態(tài)庫所的初始標識的集合。

OCPN內(nèi)部的狀態(tài)庫所與活動變遷描述了OCPN所建模的對象的動態(tài)屬性（對象的活動引起的內(nèi)部狀態(tài)的變化），而輸入/輸出信息庫所接受來自其他對象/向其他對象發(fā)送信息（托肯）。

2.2 OCPN中信息傳遞關(guān)系網(wǎng)的定義

定義2 對象Oi（信息發(fā)送者）Oi至（信息接受者） 信息傳遞關(guān)系網(wǎng)正規(guī)地表示為：

其中：OMi——對象Oi的輸出信息庫所有限集合；gij——Oi至Oj的信 傳遞門的有限集合；IMj——對象Oj的輸入信息庫所有限集合；C(IMj)——對象Oj的輸入信息庫所的色彩集合；C(OMj)——對象Oi的輸出信息庫所的色彩集合；C(gij)——gij的色彩集合；Iij(OMi,gij)——從輸出信息庫所OMi到門gij的輸入映射（函數(shù)），即（非負整數(shù)），對應(yīng)著從OMi到gij的彩色有向弧；Oij(IMj ,gij)——從門gij到輸入信息庫所IMj的輸出映射（函數(shù)），即（非負整數(shù)），對應(yīng)著從gij到IMj的彩色有向弧。

3 基于OCPN的再制造生產(chǎn)系統(tǒng)建模

基于OCPN的再制造生產(chǎn)系統(tǒng)建模有二個階段：靜態(tài)分析階段和動態(tài)分析階段。

3.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析階段主要是確定再制造生產(chǎn)系統(tǒng)模型建模中要用到的所有對象類及其基本屬性和方法，構(gòu)建各對象的OCPN。例如再制造生產(chǎn)過程中機床的靜態(tài)OCPN如圖2所示。此步需對再制造生產(chǎn)過程中的所有資源（包括使用的所有機器及加工工具、緩沖區(qū)和運輸設(shè)備等）進行分析與建模。

圖2 機床靜態(tài)OPN模型

3.2 動態(tài)分析

動態(tài)分析階段是根據(jù)靜態(tài)分析階段的結(jié)論，將對象的OCPN相互連接，建立基本的OCPN模型。為了再制造生產(chǎn)的柔性，需對每道工序中的方法或過程進行封裝，例如拆解工藝中具有擊卸法、拉卸法、壓卸法等方法，由于工序的不確定性，不同加工對象使用的拆解方法不同，為了使用的方便，將每種方法用petri網(wǎng)建模，并進行封裝，以便在使用中直接調(diào)用。本文在此設(shè)計了按工藝方法對對象OCPN進行封裝，按過程實現(xiàn)調(diào)用的方法以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的柔性。

3.2.1 按工藝方法進行封裝

將每道工序中每個工藝方法使用到的對象OCPN按其關(guān)系進行連接，建立某道工序某方法的OCPN模型。由于每個這樣的OCPN模型都是使用不同的方法處理工件，因此都會有一個信息輸入庫所im和一個信息輸出庫所om，通過門變遷與其他方法或?qū)ο蟮腛CPN模型相連。調(diào)用時只需設(shè)計每個OCPN之間門變遷的輸入輸出映射（函數(shù)），此映射即為工藝路徑的條件選擇函數(shù)。例如：某道工序的工藝方法（以系統(tǒng)Sk表示其封裝模型）需用到2臺機床（a1，a2），一個緩沖區(qū)(b1)和一臺運輸設(shè)備(c1)。該工藝方法為工件a1通過運輸設(shè)備先由機床a1進行加工，然后再由運輸設(shè)備運到機床a2，由機床a2進行加工完成工件a2。imb1接前一封裝工藝的信息輸出，oma2接后一封裝工藝的信息輸入。門變遷完成加工條件的選擇。如圖3所示。

圖3 某工藝方法封裝OCPN模型

該封裝工藝方法Sk的初始模型可以定義為Sko=(Oo,Ro)，其中Oa2，Ob1，Oc1的定義同靜態(tài)分析中的定義，

3.2.2 系統(tǒng)的調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用過程與BOM（Bill of Material，物料清單）視圖生成過程同步。BOM是對產(chǎn)品配置關(guān)系的描述，包括產(chǎn)品對象的結(jié)構(gòu)關(guān)系和基本屬性信息。傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中BOM具有設(shè)計BOM（EBOM），工藝BOM（PBOM），制造BOM（MBOM）等幾種形式，不同階段的BOM記錄了產(chǎn)品生命周期中不同的制造信息，對產(chǎn)品形成過程具有指導(dǎo)與跟蹤作用。在再制造生產(chǎn)過程比傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程多了拆卸BOM（DBOM）。DBOM是再制造生產(chǎn)過程的專用視圖，是產(chǎn)品拆卸階段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視圖，記錄了產(chǎn)品拆卸過程及結(jié)果。

造成EBOM和PBOM結(jié)構(gòu)區(qū)別的特殊部件是關(guān)鍵部件和外協(xié)部件。關(guān)鍵部件是需自己生產(chǎn)的部件（需進行工藝設(shè)計），外協(xié)部件是需要從外部購置的部件（不需進行工藝設(shè)計）。拆卸BOM向設(shè)計BOM轉(zhuǎn)換的過程中需經(jīng)過檢驗工序，因此設(shè)計BOM即在拆卸BOM中標出關(guān)鍵部件與外協(xié)部件，如圖4所示設(shè)計BOM中黃色為關(guān)鍵部件，綠色為外協(xié)件，工藝BOM需在設(shè)計BOM上對關(guān)鍵部件進行細分與工藝設(shè)計，即可直接對現(xiàn)有封裝的工藝方法OCPN模型進行組合與調(diào)用。調(diào)用過程需將相應(yīng)的輸入與輸出進行連接，增加信息傳遞關(guān)系，在相應(yīng)的門變遷加入條件選擇函數(shù)。3.2.3 系統(tǒng)性能檢驗

圖4 基于BOM的工藝柔性設(shè)計

在運用模型對生產(chǎn)系統(tǒng)實行控制之前，必須確定系統(tǒng)是否存在鎖死狀態(tài)、溢出情況、系統(tǒng)是否安全等。鎖死的發(fā)生會導(dǎo)致制造系統(tǒng)中止運行，因此在激發(fā)系統(tǒng)控制前必須設(shè)法避免其發(fā)生。系統(tǒng)性能檢驗分為兩部分：對封裝工藝方法模型的檢驗和對調(diào)用系統(tǒng)的檢驗。由于對工藝方法的封裝將再制造工藝大系統(tǒng)劃分成小系統(tǒng)，其鎖死，溢出檢驗較為容易。系統(tǒng)調(diào)用過程中會添加一些約束條件，可能會增加托肯的隱藏路徑即增加沖突發(fā)生路徑，因此需對沖突添加必要的控制/決策規(guī)則。

4 結(jié)論

針對再制造加工對象工藝路徑的不確定性，通過運用面向?qū)ο蟮闹玴etri網(wǎng)對工藝方法的封裝，實現(xiàn)在BOM設(shè)計過程中對工藝方法的調(diào)用，從而克服了工藝路徑不確定性對再制造生產(chǎn)柔性的要求，實現(xiàn)工藝快速設(shè)計。再制造工藝的柔性設(shè)計有利于再制造在大型裝備制造方面的應(yīng)用。

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