熊思潔，楊 妮，王富強，劉 穎，魏海峰

(1.重慶大學(xué) 機械與運載工程研究所，重慶400044；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710018)

0 前言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)信息通訊技術(shù)的快速發(fā)展，全球制造業(yè)競爭日趨激烈，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式不能適應(yīng)當(dāng)前市場需求變化，為在激烈的市場競爭中占據(jù)一席之地，中國需充分發(fā)揮其互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，借助云計算、大數(shù)據(jù)、5G等先進(jìn)信息通訊技術(shù)，實現(xiàn)中國制造模式向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化及智能化轉(zhuǎn)型升級。而在傳統(tǒng)的制造模式下研制過程“信息孤島”導(dǎo)致各企業(yè)之間資源、信息共享困難，不僅使得面對變化多端的市場需求難以做出有效應(yīng)對，同時當(dāng)面對任務(wù)與需求供需不平衡時難以提高制造資源利用效率，嚴(yán)重影響復(fù)雜重型裝備的研制過程。網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造為擠壓裝備的研制提供了新的思路，在擠壓裝備的研制過程中，涉及的零部件成千上萬，各零部件之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜[1]。不同粒度的研制任務(wù)由分布在不同空間的資源執(zhí)行，各任務(wù)之間、任務(wù)內(nèi)部之間存在的相互協(xié)調(diào)關(guān)系構(gòu)成了復(fù)雜而龐大的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同耦合系統(tǒng)。擠壓裝備中存在多變量、多目標(biāo)、多約束的多層耦合，耦合關(guān)系的存在是擠壓裝備在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造過程中產(chǎn)生困難的根本原因，嚴(yán)重影響擠壓裝備研制效率、質(zhì)量以及客戶滿意度。為解決上述難題需要攻克擠壓裝備任務(wù)之間的耦合機理，因此在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造模式下擠壓設(shè)備研制過程中，對多層次耦合系統(tǒng)的研究與優(yōu)化，對網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造下擠壓裝備協(xié)同制造的實現(xiàn)具有重要的意義。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造在現(xiàn)有制造模式基礎(chǔ)上融合云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對多源異構(gòu)行業(yè)資源虛擬化和服務(wù)化后形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造云資源，實現(xiàn)對各類資源統(tǒng)一集中管理和智能化調(diào)度，促進(jìn)各企業(yè)在全生命周期過程中高效協(xié)同，最大實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，靈活應(yīng)對市場需求[2]。在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造模式及框架結(jié)構(gòu)研究方面，郭剛等[3]將語義Web與網(wǎng)絡(luò)化制造相結(jié)合，采用語義元數(shù)據(jù)描述制造資源，對領(lǐng)域知識的表示、分類和推理運用描述邏輯的本體語言，提出了基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)化制造模式。李春常等[4]通過分析網(wǎng)絡(luò)化制造標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)建模方法，從功能出發(fā)構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)模型。吉鋒等[5]針對網(wǎng)絡(luò)制造下資源共享及配置，提出了協(xié)同制造鏈組織模式，并對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造平臺的主要功能、工作流程、體系架構(gòu)進(jìn)行了研究，完成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造平臺的開發(fā)。隨著網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造技術(shù)快速發(fā)展，更加復(fù)雜和大規(guī)模的協(xié)同制造問題出現(xiàn)，李伯虎、張霖等人結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)提出了一種面向服務(wù)的制造模式——云制造模式[2]。齊二石等人通過對國內(nèi)外云制造相關(guān)理論研究總結(jié)，系統(tǒng)闡述了云制造概念、特點及內(nèi)涵，深入研究了云制造服務(wù)架構(gòu)、模型及應(yīng)用[6, 7]。

重型制造裝備在研制過程中存在大量耦合，使得結(jié)構(gòu)化活動變得異常復(fù)雜。在耦合任務(wù)識別研究方面，楊德林等[8]針對復(fù)雜新產(chǎn)品概念開發(fā)中存在的系統(tǒng)耦合，指出系統(tǒng)耦合在概念域中的表現(xiàn)形式為規(guī)格耦合、設(shè)計耦合、任務(wù)耦合，闡述了設(shè)計耦合識別活動的具體實施方法，并通過設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣分析了系統(tǒng)之間設(shè)計耦合關(guān)系。在耦合因素研究方面，陳柏鴻等[9]討論了耦合因素的組成及影響關(guān)系，將耦合因素分為三類，利用一階靈敏度性質(zhì)來分析相互耦合子系統(tǒng)之間的關(guān)系，并根據(jù)全局靈敏度方程GSE分析系統(tǒng)之間耦合因素的性質(zhì)。李廖平等[10]通過對復(fù)雜產(chǎn)品中耦合因素的分析，提出了一種基于魯棒思想的耦合因素處理方法，有效降低了耦合程度。李超等[11]針對復(fù)雜裝備中多因素耦合誘發(fā)的危險事故，提出場景分割耦合方法，構(gòu)建了QHS-ESN模型，并采用量子和聲搜索算法進(jìn)行求解。在耦合優(yōu)化研究方面，閆喜強等[12]針對設(shè)計過程中的耦合信息，建立了耦合強度的模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，并采用截斷、規(guī)劃和聚合的方法實現(xiàn)對設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的求解，減少了耦合迭代。徐路寧等[13]從復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計過程出發(fā)，用DSM量化表達(dá)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計流程，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，降低開發(fā)成本。王志亮等[14]針對任務(wù)間由于耦合關(guān)系產(chǎn)生的過程迭代，提出了耦合度執(zhí)行序列優(yōu)選方法，并指出耦合任務(wù)集執(zhí)行序列決定了復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)周期。

灰色關(guān)聯(lián)度的研究上，主要側(cè)重于通過相關(guān)指標(biāo)體系的建立分析兩個元素之間的相關(guān)關(guān)系。蘭海等[15]通過結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析和變權(quán)綜合理論，并將其應(yīng)用于大型橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估上。潘超等[16]通過對風(fēng)場內(nèi)各風(fēng)力機進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析并利用昆蟲優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)選重構(gòu)，根據(jù)風(fēng)速與空間的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行多位置多風(fēng)速的組合預(yù)測。陳長坤等[17]根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立洪澇災(zāi)害評價指標(biāo)，綜合灰色關(guān)聯(lián)度以及熵權(quán)法對洪災(zāi)的分級進(jìn)行評估，并據(jù)此結(jié)果給出防范工作建議。羅毅等[18]通過結(jié)合熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)度法對各個指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行量化以充分利用全指標(biāo)信息且得以發(fā)揮灰色關(guān)聯(lián)度在處理具有一定灰度的小樣本事件問題上的優(yōu)勢，并將算法應(yīng)用于解決輸電網(wǎng)規(guī)劃方案研究。張芷若等[12]建立了科技金融與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展耦合系統(tǒng)的指標(biāo)體系，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)方法，以中國30個省市為研究目標(biāo)研究了時空耦合特征。

文獻(xiàn)[8-18]的作者在耦合研究領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，從不同層面取得了非常大的成果。從研究內(nèi)容來看，主要集中在復(fù)雜機電產(chǎn)品的設(shè)計系統(tǒng)，通過研究系統(tǒng)之間的設(shè)計變量的相互作用以及耦合因素的處理實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的整體性能優(yōu)化，復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)優(yōu)化已經(jīng)取得了有非常大的研究成果，所以網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造平臺下擠壓重型裝備系統(tǒng)之間功能結(jié)構(gòu)耦合可以借鑒文獻(xiàn)[8-18]進(jìn)行分析；但文獻(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)的實際執(zhí)行過程研究不多，而對于體量大、設(shè)計任務(wù)眾多的擠壓重型裝備，設(shè)計任務(wù)之間及活動要素的執(zhí)行更加復(fù)雜，本文將填補這方面的空白。從研究的耦合場景來看，現(xiàn)階段的研究主要產(chǎn)品的設(shè)計層面，在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造模式下擠壓裝備設(shè)計層與制造層協(xié)同一體信息交互，設(shè)計層的耦合將對制造層產(chǎn)生影響，同時現(xiàn)階段研究者對耦合因素的分析只限于設(shè)計系統(tǒng)層級的變量研究，沒有對任務(wù)層和活動層出現(xiàn)的耦合因素進(jìn)行分析。因此本文將在前人的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造平臺下擠壓重型裝備的設(shè)計耦合場景進(jìn)行研究，分析擠壓重型裝備在設(shè)計制造層的耦合關(guān)系強度決定性指標(biāo)，基于灰色關(guān)聯(lián)度構(gòu)建設(shè)計子任務(wù)間耦合關(guān)系量化模型，并相應(yīng)給出設(shè)計制造耦合任務(wù)的強度級別劃分。

1 子任務(wù)耦合關(guān)系問題描述

在重型制造裝備中對耦合的定義表述為：在不同場景不同階段任務(wù)之間存在相互作用的信息，其中對方含有的信息對任務(wù)下一階段的計劃起到約束及促進(jìn)的作用，雙方在設(shè)計制造的過程中會經(jīng)過多次信息交并對彼此產(chǎn)生影響。重型制造裝備的研發(fā)是一項復(fù)雜的大規(guī)模定制化活動，涉及空間、時間、知識維度，不同層次之間的任務(wù)具有極其復(fù)雜的關(guān)系，同時每個層次內(nèi)部的子任務(wù)之間相互關(guān)聯(lián)，相互影響在理想化協(xié)同設(shè)計過程中，設(shè)計任務(wù)分解不考慮任務(wù)之間的耦合關(guān)系，但是在實際情況中擠壓裝備任務(wù)之間存在大量的耦合，怎么合理的將任務(wù)間的關(guān)系斬斷或者保持，需要研究任務(wù)之間存在的耦合關(guān)系。在對擠壓裝備任務(wù)耦合關(guān)系的研究過程中進(jìn)行分解，通過分析任務(wù)之間存在的原始關(guān)系，這種原始關(guān)系不會因為分解而消失，但會因為客戶需求改變導(dǎo)致功能結(jié)構(gòu)發(fā)生變化破壞原來的關(guān)系，產(chǎn)生新的耦合關(guān)系。

在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造模式中重型制造裝備設(shè)計任務(wù)之間關(guān)系復(fù)雜多變，主要包含三種關(guān)系，串行、并行、耦合關(guān)系，本文主要對設(shè)計任務(wù)間的耦合關(guān)系進(jìn)行研究，耦合關(guān)系主要體現(xiàn)為子任務(wù)之間具有相互依賴的關(guān)系，為了更加準(zhǔn)確得到設(shè)計任務(wù)之間的相互關(guān)系，將設(shè)計任務(wù)之間的耦合關(guān)系分為空間(S)、能量(E)、信息(I)、資源(R)、屬性(A)。

(1)空間聯(lián)系。表示子任務(wù)在物理空間和排列的組合，描述了任務(wù)之間的連接和定位。

(2)能量聯(lián)系。表示子任務(wù)之間傳遞能量對各自的影響，表現(xiàn)為任務(wù)A對任務(wù)B的能量輸入，任務(wù)B對任務(wù)A的能量反饋。

(3)信息聯(lián)系。表示子任務(wù)之間交流或傳遞的數(shù)據(jù)或信號，體現(xiàn)為設(shè)計信息迭代過程。

(4)資源聯(lián)系。表示子任務(wù)之間交流所需要的物料在使用過程中相互反饋。

(5)屬性關(guān)系。表示子任務(wù)在參數(shù)之間、功能、結(jié)構(gòu)之間的影響因子。

為了更加清楚的表達(dá)任務(wù)之間的耦合關(guān)系，建立耦合關(guān)系模型。擠壓裝備經(jīng)過設(shè)計方與需求方的二次轉(zhuǎn)化，客戶需求轉(zhuǎn)化為模塊化設(shè)計任務(wù)FTi，模塊化設(shè)計任務(wù)之間相互獨立，主要包含液壓設(shè)計、設(shè)備設(shè)計、電氣設(shè)計，包含多個子任務(wù)RTi，定義如下：

FTi={RT1,RT2,…,RTm}(m=1,2,…,)

(1)

在擠壓裝備耦合系統(tǒng)中存在信息交互，其中任何一個任務(wù)、活動的信息變動會對其他任務(wù)活動產(chǎn)生影響，在耦合閉環(huán)系統(tǒng)中每經(jīng)過一次耦合迭代都要進(jìn)行信息調(diào)整，從而保證耦合系統(tǒng)進(jìn)化到完整狀態(tài)。在擠壓重型制造裝備中以耦合任務(wù)集為例進(jìn)行信息調(diào)整模型的構(gòu)建，其他層級的信息調(diào)整模型與耦合任務(wù)集的一樣，只不過對應(yīng)的信息變量在不同的層級中各有具體的含義，在耦合任務(wù)中信息變量表示為任務(wù)間的設(shè)計參數(shù)、設(shè)計能力、資源匹配等，在耦合活動中信息變量表現(xiàn)為活動執(zhí)行順序相互作用。

在重型制造裝備研發(fā)過程中，設(shè)計任務(wù)之間的信息聯(lián)系造成了不同子任務(wù)相互依賴、相互影響，甚至相互矛盾的復(fù)雜關(guān)系，耦合任務(wù)集就是一組具有復(fù)雜關(guān)系的子任務(wù)集合[19]。耦合任務(wù)集構(gòu)成一個耦合系統(tǒng)，耦合任務(wù)集中每一個任務(wù)的信息反饋導(dǎo)致其他任務(wù)不同程度的信息調(diào)整。通過不斷調(diào)整的過程使設(shè)計信息由不完整狀態(tài)逐漸進(jìn)化到完整狀態(tài)，而信息調(diào)整量的大小表明了其迭代工作量的大小。

在大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計過程中耦合任務(wù)集，重型制造裝備中耦合任務(wù)集的特點如下：

(1)耦合任務(wù)集中任務(wù)之間相互關(guān)聯(lián)，形成信息環(huán)路，耦合任務(wù)集的求解過程需要反復(fù)迭代。

(2)耦合任務(wù)集中各任務(wù)之間均有信息傳遞，形成耦合任務(wù)信息環(huán)路，同時耦合任務(wù)集中某一任務(wù)的輸入信息可以來自于多個任務(wù)的輸出信息。圖1中任務(wù)C的輸入信息來自于任務(wù)B、任務(wù)A、任務(wù)E，同時任務(wù)C的輸出信息又作為任務(wù)A、任務(wù)B、任務(wù)F的輸入信息，又叫反饋信息。

圖1 耦合任務(wù)集信息網(wǎng)絡(luò)

(3)耦合任務(wù)集的確定實際上是子任務(wù)之間耦合關(guān)系的確定，通過計算子任務(wù)之間的耦合強度將強耦合任務(wù)合并為一個任務(wù)。

2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的設(shè)計子任務(wù)間耦合強度度量

由于設(shè)計任務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系較為復(fù)雜，可以將其看作灰色系統(tǒng)，通過灰色理論相關(guān)知識進(jìn)行任務(wù)之間相關(guān)度的度量?；疑P(guān)聯(lián)分析是以灰色系統(tǒng)理論為依據(jù)的一種分析方法，灰色關(guān)聯(lián)分析相較于經(jīng)典數(shù)學(xué)方法更適用于對內(nèi)涵和外延不界定相對模糊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對某一發(fā)展變化系統(tǒng)的動態(tài)過程和發(fā)展態(tài)勢的量化分析，相較于其他分析方法，更能準(zhǔn)確地反映各因素間的空間分布規(guī)律和親疏程度[20]。本文選取其中一個模塊設(shè)計任務(wù)FT1={RT1,RT2,…,RTm}作為研究對象，通過對該集合內(nèi)各個子任務(wù)間空間聯(lián)系(S)、能量聯(lián)系(E)、信息聯(lián)系(I)、資源聯(lián)系(R)、屬性關(guān)系(A)五個指標(biāo)的灰色相關(guān)度來度量各個子任務(wù)間的耦合強弱關(guān)系。研究步驟為：

(1)確定分析序列。本文選取的分析序列為RTi={RTi(1),RTi(2),RTi(3),RTi(4),RTi(5)},(i=0,1, 2,…,m)，即以每個子任務(wù)的指標(biāo)值組成序列組。選定其中某個子任務(wù)的序列組為參照序列記為RT0，則其余m-1個序列為對比序列以度量與參照序列間的耦合度關(guān)系，每個子任務(wù)分別充當(dāng)參照序列則可以得到每個子任務(wù)與其他子任務(wù)間的耦合強度關(guān)系。

(2)

(3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(3)

(4)計算耦合度。

(4)

式中，Ci為第i個子任務(wù)相對于參照序列的耦合度。Ci=1為兩個子任務(wù)耦合性最強，二者任務(wù)間執(zhí)行情況和變化規(guī)律完全相同，單個指標(biāo)間的耦合作用明顯。0

3 實例驗證

Z公司是從事研制復(fù)雜重型裝備的單位，承接重型鍛壓設(shè)備、有色冶金裝備、工業(yè)連鑄設(shè)備極其成套設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計、制造、安裝、運維等技術(shù)工作。由Z公司牽頭研制的125 MN雙動鋁擠壓機是大型擠壓設(shè)備，屬于復(fù)雜重型裝備的范疇，通過分析125 MN雙動鋁擠壓機機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能，可以得到某個設(shè)計模塊的子任務(wù)列表如表1所示，其中RTi代表列表中第i個子任務(wù)。針對所選取的空間(S)、能量(E)、信息(I)、資源(R)、屬性(A)五個指標(biāo)，表1對應(yīng)的28個子任務(wù)，企業(yè)通過歷史管理數(shù)據(jù)給定相對應(yīng)的五個指標(biāo)的百分制分值如表2。通過式(2)～式(4)可以求得各個子任務(wù)間灰色關(guān)聯(lián)度矩陣為表3。

表1 125 MN雙動擠壓機機械系統(tǒng)子任務(wù)

表2 子任務(wù)指標(biāo)值

表3 子任務(wù)間耦合關(guān)系矩陣

根據(jù)耦合度定級：(0.85,1]為I級耦合關(guān)系，(0.65,0.85]為II級耦合關(guān)系，(0.35,0.65]為III級耦合關(guān)系，(0,0.35]為四級耦合關(guān)系。分析表3可得處于I級耦合關(guān)系的設(shè)計任務(wù)對為(2,24)、(3,16)、(3,18)、(6,8)、(7,16)、(11,22)、(16,18)、(19,23)，這八對設(shè)計任務(wù)間存在強耦合關(guān)系，其他三個耦合級別對應(yīng)的設(shè)計任務(wù)對可以同理得到。可以通過對同級設(shè)計任務(wù)對采取相關(guān)措施以避免因為耦合相關(guān)關(guān)系造成對設(shè)計環(huán)節(jié)的影響，以提升設(shè)計環(huán)節(jié)的協(xié)同效率。

4 結(jié)束語

針對網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造環(huán)境下的重型裝備設(shè)計任務(wù)之間存在耦合關(guān)系造成信息反復(fù)迭代影響協(xié)同效率的問題，通過對設(shè)計任務(wù)之間的信息交互特點構(gòu)建了包括空間聯(lián)系、能量聯(lián)系、信息聯(lián)系、資源聯(lián)系和屬性關(guān)系在內(nèi)的五個指標(biāo)來衡量子任務(wù)之間的耦合強度關(guān)系。構(gòu)建了基于灰色關(guān)聯(lián)度的子任務(wù)耦合強度度量模型，并通過算例對模型和算法進(jìn)行了驗證。計算結(jié)果表明本文提出的設(shè)計任務(wù)間耦合關(guān)系模型和算法能夠有效解決網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造環(huán)境下復(fù)雜重型裝備的設(shè)計任務(wù)間耦合關(guān)系度量及定級問題。

本文在進(jìn)行耦合指標(biāo)選取時僅考慮了設(shè)計方本身的信息交互，后續(xù)將整合更多的利益需求方之間可能存在的對于設(shè)計環(huán)節(jié)的決定性指標(biāo)，并考慮設(shè)計與其他產(chǎn)品生命周期環(huán)節(jié)以及涉及的部門實體之間的信息交互，使模型更加完善。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化算法設(shè)計，確保模型求解的準(zhǔn)確性與高效性。