基于能力池和角色库的制造装备选择方法

刘久义，李 博，王克勤

(1.西北工业大学机电学院，陕西 西安 710072)

(2.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064)

(3.西北工业大学 管理学院，陕西 西安 710072)

根据制造任务选择企业的制造装备是制造型企业普遍面临的问题。合适的制造装备不但能够满足基本的制造要求，而且能够提高制造质量，节约成本，缩短交货期。如果制造装备选择不好，不但影响企业的产品质量和成本，给企业带来亏损，甚至有可能影响企业的声誉，使企业在激烈的市场竞争中失利。因此，制造装备的选择是制造型企业提高制造效率、优化制造过程必须要解决的一个关键问题。

目前关于制造装备选择的研究主要集中在制造资源的建模、配置和选择方法方面。在制造资源建模方面，肖艳秋[1]等针对协同制造系统中虚拟单元的构建和优化，建立了基于关联约束的协同制造资源单元信息模型。郑浩[2]等针对云制造环境下制造资源的全面共享，提出一种适用于云制造模式的虚拟资源的建模与优化组合方法。在制造资源配置方面，王庆安[3]等研究了变批量生产的制造资源配置技术。王时龙[4]等研究了云制造资源的优化配置问题，构建了以成本和时间最小化、质量最优化为目标的资源优化配置模型。在制造资源选择方面，南京航空航天大学的刘金山[5]等提出双链遗传算法，解决制造资源在网络制造环境下的优化配置问题。房亚东[6]等构建制造资源选择综合评价体系，将层次分析法与灰色关联理论相结合，实现制造资源快速选择。赵占芳[7]等提出正交差异混合演化算法，进行制造资源的选择。

已有研究主要集中在制造资源的建模、配置以及制造资源选择的算法和评价方面。本文从制造资源保障的角度，对制造资源选择模式进行了研究，以制造能力和制造角色为基本概念，提出并分析了制造能力池和制造角色库，并以制造能力池中的现实制造能力和制造资源库中的期望制造能力的匹配为核心，构建了制造资源选择模型，为制造资源保障提供了前提。

1 制造能力与能力池

1.1 制造能力

制造能力是指在计划期内，企业参与制造的全部固定资产，在既定的组织技术条件下，所能制造的产品数量，或者能够处理的原材料数量。本文所指制造能力均为制造装备的制造能力，其形式化定义分别如下。

定义2－1(制造能力):设制造装备E具有一组可操作的加工活动集合A={a1，a2，…，an}(n为自然数)，且A对应一组性能集合PA={p1，p2，…，pn}(p1a≤ p1≤ p1b，p2a≤ p2≤ p2b，…，pna≤pn≤pnb，pia≠pib，i=1，2，…，n)，待加工零件 P具有一组特征F={f1，f2，…，fn}，若AF，可使E在PA约束范围内使P具有F，并达到一定质量要求，则称E具有制造能力。

在定义2－1中，加工活动集合A包括车削、铣削、镗削、磨削、钻孔等活动。性能集合PA包括最大转速、最大加工尺寸、额定功率、加工精度等级等。待加工零件的特征F包括平面、曲面、槽、孔等。作用过程可以是单独的一种加工活动，如车削或铣削，也可以是几种活动共同作用，如镗削和磨削同时作用于被加工零部件。

国内一般将制造能力分为设计能力、查定能力和现实能力，国外将制造能力分为固定制造能力和可变制造能力。基于本文研究目的，将制造能力分为现实能力和期望能力。现实制造能力指企业根据现有的生产组织条件和技术水平等因素，审查核定制造装备所具有的实际制造能力。期望制造能力指的是从制造需求的角度出发，期望制造装备所能够具有的能力。

1.2 制造能力池

能力具有复杂性。同一实体具有不同方面的能力，同一方面的能力又可以分为不同种类。如汽车具有供人驾乘的能力和抗碰撞的能力等，其中，供人驾乘的能力包括发动机的能力、驱动桥的能力等，抗碰撞的能力包括钢板的能力和抗碰撞设计的能力等。鉴于能力种类繁多，层次关系复杂，提出能力池概念以描述、存储和管理这些不同的能力，并在能力与其承载实体之间建立联系，快速实现适用能力及其载体的正确选择，提高制造效率。制造能力池有2层含义:第一层含义是所有现实制造能力的集合，并且这些现实制造能力本身具有一定层次结构;第二层含义是制造能力池具有存放和管理现实制造能力的功能，并且通过在能力池中搜寻现实制造能力及其组合，可以迅速获得具有相应制造能力的设备信息。本文主要从制造能力池的第一层含义的角度进行研究，其形式化定义如下。

定义2－2(制造能力池):设 ei(i=1，2，3，…)为制造装备个体，Ci为ei所具有的现实能力集合，f为制造装备能力函数，则Ci=f(ei)，若E为制造装备的集合，E={e1，e2，…，en}，则 C'={C1，C2，…，Cn}={f(e1)，f(e2)，…，f(en)}，表示制造能力池。

制造能力池在制造需求与制造装备相互匹配中起重要作用。不同的现实制造能力封装在一起形成角色，企业按照所需制造装备的角色从制造能力池中选择相应角色对应的现实制造能力及其集合，据此寻找相应装备，实现制造需求与制造装备的匹配。

2 制造角色与角色库

2.1 制造角色

制造装备角色指的是制造装备为满足一定制造需求所能够表现出来的行为模式，同时也是制造需求对装备的期望和要求。制造角色与期望制造能力之间具有紧密联系，制造角色是期望制造能力及其集合的宏观表现，期望制造能力是制造角色的微观支撑条件，制造角色比制造能力的层次高，包括不同层次结构、不同内容的制造能力。制造角色的形式化定义如下。

定义3－1(制造角色):设A'表示制造装备的全部期望制造能力的集合，且 A'={a1'，a2'，…，a'n}，R表示制造角色，则R⊆A'。其中，a'i(i=1，2，…，n)表示具体的期望制造能力，如:a1'表示制造管径;a2'表示制造厚度;a'n表示生产速度。

2.2 制造角色库

制造角色库有2层含义:第一层含义是所有制造角色的集合;第二层含义是制造角色库具有存放和管理制造角色的功能。通过在制造角色和制造能力池之间建立联系，可以获得所需制造设备的相关信息。从制造角色库的第一层含义的角度对其进行形式化定义如下。

定义3－2(制造角色库):设R表示制造角色，R'表示制造角色库，则 R'={R1，R2，…，Rn}。

Ri(i=1，2，3，…)表示不同的制造角色。根据定义3－1，R⊆A'，则制造角色库R'可以表示为R'=2A'。其中，2A'表示 A'的幂集，即 a'i集合(即A')的集合。

以通用机床为例，通用机床的制造角色包括车、刨、铣、冲、磨、电火花成型、线切割、钻、镗、滚齿、旋铆和折弯等。随着现代科技的发展，出现了多功能加工中心，包括立式加工中心、卧式加工中心、多工作台加工中心(柔性加工单元、FMC)和复合加工中心等，可同时扮演铣、镗、钻等角色。

3 基于能力池和角色库的制造装备选择

3.1 制造装备选择原理

企业的制造任务最终要落实到适合的制造装备。制造装备选择就是从制造任务出发，寻找到合适的制造解决方案。根据制造任务的分解从制造角色库中选出完成制造任务所需要的制造角色，然后从制造能力池中选择这些制造角色所包含的制造能力，再根据这些制造能力去寻找相对应的制造装备，完成制造装备的选择。图1所示为制造装备选择原理，分为3个阶段。

第一阶段，制造任务分解:在该阶段，企业的制造任务被按照零部件特征进行分解，最终分解为制造角色，即期望制造能力的集合，并从制造角色库中找到相应的制造角色。

第二阶段，期望制造能力和现实制造能力的匹配:在制造角色库中，按照所需制造角色所包含的期望制造能力到制造能力池中寻找相同或相似的现实制造能力。制造能力池中若存在与期望制造能力相同的现实制造能力，称为“匹配”。若不存在，则为“不匹配”。若存在但不能完全满足期望的制造能力，则称“一定程度上匹配”。

图1 制造装备选择模型

第三阶段，制造装备匹配策略设计阶段:根据期望制造能力和现实制造能力的匹配程度，从企业现有的制造装备中挑选合适的装备，或者采取其他措施满足要求。在“匹配”情况下，直接选择即可。若几台装备同时满足要求，按照效率原则，选择能够最高效完成任务的装备。在“不匹配”情况下，如果所制造的零部件非企业核心部件，则可采取外包加工的形式。如果是企业核心零部件，则要提前制订采购计划。若遇技术封锁，还需提早布局研发，争取掌握核心制造技术。在“一定程度上匹配”情况下，要采取维修、技术改造、软件升级换代等措施，提高加工精度等装备性能，力争满足加工要求。若仍不满足要求或者时间来不及，应参考“不匹配”情况下的做法，重新采购或提前自行研发。

3.2 制造装备选择模型

根据制造能力池、角色库的定义及其形式化描述，以及制造装备选择原理，建立制造装备选择的分阶段模型。

阶段Ⅰ即制造任务分解:设R表示制造角色，R'表示制造角色库，T表示制造任务，将T分解为制造角色的集合，则T={R1，R2，…，Rn}⊆ R'。根据定义3－1，即R⊆A'，其中A'表示制造装备的全部期望制造能力的集合，A'={a1'，a2'，…，a'n}(a'i表示期望制造能力)，则T=2A'，即将制造任务表示为期望制造能力a'i的集合的集合，亦即A'的幂集形式。

阶段Ⅱ即期望制造能力和现实制造能力的匹配:设C'表示制造能力池，Ci表示制造装备ei所具有的现实能力集合，根据定义2－2，C'={C1，C2，…，Cn}={f(e1)，f(e2)，…，f(en)}，将期望制造能力集合中的制造能力a'i与C'中的现实制造能力f(ej)进行比较，若a'i∈ f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)，则称期望制造能力与现实制造能力匹配。若a'i∉ f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)，则称期望制造能力与现实制造能力不匹配。若存在A''⊂A'，且 A''⊄ f(ej)(j=1，2，3，…)，则称期望制造能力与现实制造能力在一定程度上匹配。

阶段Ⅲ即制造装备匹配策略设计，分下列3种情形。

情形一:期望制造能力与现实制造能力匹配，即a'i∈ f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)的情况下，若e'表示目标制造装备，E表示制造装备的集合，Ne表示满足要求的装备数目，则e'∈E(Ne≥1)。若Ne=1，则直接选择该装备。若Ne＞1，即存在满足制造需求的制造装备集合E'={e1'，c2'，…}，Opti()表示择优函数，则目标制造装备e'=Opti(e'1，c'2，…)，即选择能够最高效完成任务的装备。

情形二:期望制造能力与现实制造能力不匹配，即a'i∉ f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)的情况下，若将制造任务T表示为T={Pc，Pno}，其中，Pc表示核心部件，Pc={c1，c2，…}，Pno表示非核心部件，Pno={c'1，c'2，…}，ci和c'i分别表示核心部件和非核心部件的期望制造能力;若Pc⊄C'，则提前制订采购计划。若采购中遇到技术封锁，还需提前进行预研，争取掌握自主知识产权;若Pno⊄C'，则可采取外包加工的方式。

情形三:期望制造能力与现实制造能力一定程度上匹配，即 A''⊂ A'，且 A''⊄ f(ej)(j=1，2，3，…)的情况下，应该通过采取维修、技术改造、软件升级换代等措施，来提高装备性能，达到加工要求。若仍不满足要求或者时间来不及，应重新采购或提前预研。

4 结束语

本文通过建立能力池和角色库并以现实制造能力和期望制造能力的匹配为核心，实现了企业制造装备的快速、高效选择，提高了企业制造资源利用的效率和质量。与以往研究从制造资源的建模、配置、选择算法和评价方面的出发点不同，本文从制造资源保障的角度进行研究，提出的基于能力池和角色库的制造装备选择方法是一种高效的资源保障模式，进一步丰富和完善了资源保障管理理论，同时对制造企业具有一定的现实意义。后续研究工作正在展开，主要集中于制造角色库和能力库的建立及其与ERP等企业信息系统的集成。

[1] 肖艳秋，魏闯闯，赵和，等.虚拟制造中协同制造资源建模研究[J].制造业自动化，2012，34(3):52－55.

[2] 郑浩，冯毅雄，谭建荣，等.一类制造资源的协同建模、优化与求解技术[J].计算机集成制造系统，2012，18(7):1387－1395.

[3] 王庆安，胡小秋.面向变批量生产的制造资源配置技术研究[J].机械制造与研究，2006，35(6):77－79.

[4] 王时龙，宋文艳，康玲，等.云制造环境下的制造资源优化配置研究[J].计算机集成制造系统，2012，18(7):1396－1405.

[5] 刘金山，廖文和，郭宇.基于双链遗传算法的网络化制造资源优化配置[J].机械工程学报，2008，44(2):189－195.

[6] 房亚东，杜来红，何卫平，等.快速扩散制造环境下制造资源选择技术研究[J].计算机集成制造系统，2009，15(3):515－521.

[7] 赵占芳，马立肖，许冀伟.基于正交差异混合演化算法的制造资源选择[J].计算机工程，2012，38(2):181－183.