面向变更的重型装备制造任务重组研究

刘 颖，熊思洁，王富强，温红舸

(1.重庆大学 机械与运载工程研究所，重庆400044；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安710018)

0 前言

近年来，随着我国重型装备制造业水平不断发展，重型装备的制造逐渐形成用户参与、资源共享、数据集成、企业协同、资源一体化的多领域协同设计和制造的模式，复杂重型装备制造行业向着网络化、数字化、智能化及服务化的发展趋势越来越明显。然而，复杂重型装备具有结构复杂、体积庞大、相关零部件多、制造流程复杂、高度定制化等特点，决定了其研制过程中有着研制周期长、成本高、研制规模大、涉及企业多、信息交互难等问题。复杂重型装备制造行业也面临着制造资源分散、难以高效协作的困境。在市场竞争加剧的情况下，复杂重型装备的研制企业面临着缩短研制工期、节约成本、快速响应客户需求等挑战，传统制造模式难以满足其生产需求，因此复杂重型装备迫切需要向网络化协同制造模式转型。在存在例如疫情影响下产品供应链发生变更、协作企业的人员变动等因素引发产品设计、制造等产生变更的情况下，若按照原生产任务规划可能会导致产品工期、质量、成本等与预期发生较大偏差。如何通过网络化协同平台对重型装备制造过程中的变更活动进行任务规划的重组活动，将不利因素对产品设计制造的影响控制到最小化，以确保复杂重型装备产品的顺利生产的相关研究引起了广泛的关注。

网络化协同制造平台是一个为产品设计方、制造方、需求方等提供一个信息交互渠道的平台。平台方提供相应的制造资源和制造能力服务，用户方通过平台提出服务请求，平台根据用户提交的任务请求，在云制造相关技术支持下寻找符合用户需求的服务[1]。复杂重型装备结构复杂、工艺多样、工况环境多变，在网络协同制造模式下，需要对其研制过程中的实际情况进行任务重组活动以确保生产制造活动顺利进行。目前，网络化协同制造领域的研究主要集中在制造资源组织适配与优化，多源异构数据建模，网络协同制造平台构建与应用研究等方面。针对变更的任务重组调整是平台进行研制活动协调与安排的重要活动，其重组结果对于研制任务的顺利进行至关重要。然而，当前尚无针对复杂重型装备产品研制过程中发生变更时子任务重组活动方面的相关深入研究。

在变更管理方面，刘东升[2]等在计算机集成制造系统(CIMS)发展之初提出需要将工程变更与之结合，由此协助企业形成信息知识库、提升企业研发能力。Han[3]等通过构建基于项目制造的集成变更控制模型，能够捕获项目中变更请求、变更订单等数据，达到提高设计质量、降低设计成本的目的。Eswaran[4]等对某公司自动化列车系统设计与制造中的设计与变更管理为例进行了研究，提出了支持产品生命周期的复杂产品变更管理方法。Natalia[5]等指出了变更管理在专项生产项目(Engineer-to-Order, ETO)中的重要性。Ameni[6]等构建了CAD管理模型以辅助协同设计，其目的是在变更发生传播后，能够自动改变传播路径上的部件或装配过程，达到协同设计过程中信息一致的要求。Pai[7]等提出一种基于事件的DSM法与成本敏感学习方法结合的方案用于智能产品服务系统(Smart PSS)的变更管理。

在任务重组方面，Tang[8]等运用有向图(DD)与结构设计矩阵(DSM)对设计活动进行建模描述，提出了一种设计过程重组的方法。刘电霆[9]等采用基于区间数结构设计矩阵的方法对设计任务进行分解，根据分解后的子任务间信息交互程度对任务进行重组，得到最终分解结果。包北方[10]等在任务分解过程中考虑判断划分独立任务与依赖耦合型任务的类别，对分解后的子任务进行合并，最终得到最优子任务集。陈健[11]等通过分析任务分解后子任务间信息交互强度与耦合关系运用权重有向图与结构设计矩阵结合的方法，对子任务进行了模块化重组，提升了资源配置效率。

文献[2-9]从不同层次和角度分别对网络化协同发展、变更管理以及任务重组活动进行了研究，但是目前的研究大多聚焦于根据任务分解后原任务之间的耦合关系进行聚类，只是将任务重组活动作为任务分解程序的一个步骤，实际情况中设计和制造过程各个环节的变更均可能导致重组活动的发生使得原任务配置与现实状况脱节的问题。变更作为制造项目整个生命周期中不可避免的环节，在复杂重型装备这类复杂产品的研制过程中会引发多种重组活动，因此可以考虑将变更与任务重组结合研究，以此提高网络化协同模式下复杂重型装备的研制效率。因此，本文以设计及制造过程中的变更活动为研究对象，以解决原生产任务配置与现实情况脱节为目的，提出面向研制任务过程中变更活动进行任务重组的方法。该方法将重型装备制造过程中可能产生的变更活动的特点进行分析，通过变更关键节点识别对任务聚类的方案进行重组，使得变更活动发生时，涉及到的相关性变更传播范围尽可能小，以保证最终任务按期按质完成。

1 重型装备变更问题描述

在理想研制情况下，研制过程中不会发生变更事件，采用衡量任务相关度而制定任务分解方案可以有效提高协同效率。但在实际研制过程中，变更活动存在于产品整个生命周期，从变更的复杂程度来说，复杂程度低的变更可以是简单的文档修改，复杂程度高的能对产品的设计与制造流程重新更改[12]，具体的变更点可以是在功能、形式、尺寸、装配过程、组成材料等发生变更或者修改[13]，在实际制造过程中变更也包括了来自生产活动的变化。

在产品从设计到回收的整个流程中，不管是何种工程变更，都会一定程度上影响后续工作的进行。为把控工程变更造成的影响，工程变更传播也是在工程变更相关研究中的重点。对于生产制造的产品来说，构成产品的零部件是根据工序装配关系最终组成了产品，对于生产过程中发生的变更，能够通过零部件的物理逻辑关系进行传播，极有可能“牵一发而动全身”。对于变更传播影响，Claudia[14]将由零部件发生改变造成的工程变更传播影响分为了三种。

(1)水波型。指初始变更引起了一部分变更，但后续变更会随时间推移而逐渐消失。

(2)开花型。指初始变更如同“开花盛放期”一般最开始引起了大量变更，随后会进入“凋零期”变更迅速减少。

(3)雪崩型。指初始变更会随着时间的推移如同“滚雪球”般引起大量的变更，难以控制。在复杂重型装备的研制过程中，需要及时防控雪崩型工程变更传播。不同种类变更传播影响范围示意图如图1所示。

图1 变更传播类型

由于在复杂重型装备的整个生命周期中会发生各式各类的变更活动，如发生在产品初始设计阶段的变更会影响后续产品的设计流程，延长产品的设计周期；发生在产品生产阶段的变更会影响产品生产的后续工序，例如紧急停工、增加工序、调整生产批次等会影响到产品的交货期、产品生产计划以及产品的生产成本；在产品生命周期中发生的变更处理方法不当也会造成产品质量问题、产品的满意度问题等。

为更好地分析工程变更对产品造成的影响，需要对工程变更的诱发原因进行分析[64]。本文主要从产品生命周期的角度，对复杂重型装备生命周期中的工程变更原因进行划分。复杂重型装备产品生命周期示意图如图2所示。复杂重型装备在产品生命周期各阶段的不同活动中都会由于各类原因发生变更活动，具体分析如表1所示。

图2 复杂重型装备产品生命周期

表1 产品生命周期各阶段变更原因

由表1可知，从产品生命周期角度划分工程变更原因是多样且复杂的，然而复杂重型装备产品研制项目周期长、涉及单位多，难以针对每一类变更做出详细具体的应对方案。因此本文将从三个方面划分复杂重型装备研制过程中的变更事件。

(1)需求变更。需求变更是面向订单设计生产模式中的一类重要变更，由于复杂重型装备研制过程中客户参与程度高，常常会面临着由于客户需求发生改变而需要做出对应的产品调整。

(2)资源变更。在网络协同制造模式下的资源指两类资源，一种是原材料类资源变更，此类资源变更会影响到产品的设计与生产，从而引发产品重组活动。另一类是网络协同制造模式中具有研制能力的“虚拟”执行资源变更，执行资源的变更大多是在执行过程中发生突发事件导致的，如设备故障、人员调动等；此外由于复杂重型装备产品是高度定制化的生产模式，在选择执行资源过程中同时需要解决资源冲突问题，从而引发对执行资源选择的变更。因此这类变更会影响子任务匹配执行资源的过程，从而引发过程重组活动。

(3)计划变更。由于复杂重型装备研发周期长、研制难度大，通常对于产品的生产需要从项目管理的角度进行计划制定，在项目计划节点验收时通常会根据项目前期进展情况进行调整，从而发生计划变更活动。

2 变更关键节点识别

2.1 变更影响度加权网络图的构建

采用无向加权图的方式对复杂重型装备研制过程中子任务变更影响度进行分析，将子任务根据相关关系构造为无向加权网络。对于无向加权图G=(V,E,W)，V(v1,v2,…,vn)为图G中所有节点的集合，E(e11,e12,…,eij)为图中所有边的集合。对于图G的边集合E如式(1)定义；根据图G中每条边的权重wij可以构建出n阶邻接矩阵W，对于wij如式(2)定义，其中rij表示图G中顶点vi与顶点vj的变更传播风险。将子任务间功能相关性、结构相关性以及物理相关性作为衡量子任务间变更影响度的指标，由此构建的任务间邻接矩阵WC如式(3)，对应的加权网络图如图3所示。

图3 变更影响度加权网络示意图

(1)

(2)

(3)

2.2 基于加权网络图的关键节点识别

复杂重型装备研制过程中子任务变更影响度加权网络图是一个复杂网络，在复杂网络中，对节点重要度的判断需要从全局角度、局部角度以及位置角度进行综合考量，对于全局属性的评估主要由网络的介数中心性评判，网络的局部属性由节点的度反映，位置属性则由节点的中心接近度来体现。因此节点重要度主要由节点的度、介数中心性、以及中心接近度三个指标共同决定的。

(1)节点的度。对于无向加权图G中连接节点vi与节点vj的边eij来说，存在如式(4)所示关系。其中ki代表节点vi的度，指节点vi连接边的数量。

(4)

(2)介数中心性。对于无向加权图G中的两个节点vs与节点vt存在多个可以通过的路径，但至少存在一个最短的路径dst。在目前对于最短路径的图论算法中，常用的有Dijkstra算法与Floyd算法，本文选取Dijkstra算法进行最短路径的计算。对于节点vi的介数中心性是指最短路径传过该节点的次数，用Cb(i)表示，如式(5)所示，其中N指图G中节点的数量，n(dst)指节点vs与节点vt最短路径的数量，dst(vi)指经过节点vi的在两个节点vs与vt之间的最短路径数量。

(5)

(3)中心接近度。对于图G中的任一节点vi来说，其中心接近度表示的是节点与其他节点的距离表现，即表现了该节点与其他节点的近邻程度。中心接近度越高，代表该节点离其他节点越近，反之则越远。采用Ccl(i)表示节点的中心接近度，计算方法为节点vi到图G中其他节点的最短路径距离之和的倒数，如式(6)所示。

(6)

为综合考虑节点度、介数中心性以及接近中心度的影响，采用三个指标的几何平均值作为来判断节点重要度的依据，记为节点综合影响度dc(i)。对于图G中节点vi的节点综合影响度dc(i)如式(7)所示。

(7)

因此，对于节点综合影响度越大的节点，其节点重要度越高，代表该节点对应的任务越容易引起变更传播。通过节点重要度的识别能够帮助变更负责人等分析变更传播范围，给变更负责人制定变更应对方案提供参考。

3 基于变更的子任务重组方案

对复杂重型装备协同研制过程中变更分析可以得知，变更事件能够引发变更传播从而对研制过程造成一定的影响。为保证复杂重型装备最终成品的质量，在研制过程中一旦发生变更事件，则需要对变更进行工程变更管理，达到工程变更可控制、可追溯的目的。

由于复杂重型装备网络化协同制造平台是依托于研制企业联盟搭建，研制活动是由多协同主体共同完成，因此各研制企业内数据需要与平台进行对接。变更事件所产生的数据以及所涉及的人员不仅要在企业内部进行管理，变更影响跨单位跨企业的事件需要通过网络协同制造平台进行统一管理。此外，网络协同制造平台搭建过程中集成了复杂重型装备研制过程中的各类历史方案形成了方案库与数据库，能够辅助变更管理人员制定变更方案。在网络协同制造平台中，常规任务与变更任务都需要任务监控管理模块对数据进行实时监控与即时采集，以便管理流程的透明化与可追溯。

基于以上分析并结合变更管理的相关方法，得到网络协同制造模式下变更管理流程步骤。

(1)变更发生主体识别。变更事件的发生都有对应的变更源头，将其称之为变更发生主体。变更事件发生后，由对应的人员向平台发起变更管理流程，同时填写变更申请表以便将变更事件归档存储，变更主体识别意味着变更管理的起始点。

(2)变更评估及变更方案的初步制定。由于复杂重型装备产品结构复杂，变更造成的影响可能是多方面的，因此平台以及相关变更负责人员需要对整个变更流程进行管理与监控。变更负责人根据经验以及平台储存的相关历史方案与数据对变更事件进行评估，产生初步的变更方案。

(3)变更评审。变更方案制定后需要由变更管理人员进行评审，审核变更方案是否可行，以及评估变更方案执行后是否满足产品成品质量以及安全性。此步骤关系到最终成品，因此变更审核必须通过才能进行后续操作，如果审核不通过则驳回变更申请。

(4)变更方案发起与变更任务单的制定。当变更方案审核通过后，变更管理人员在平台上传变更方案，通过平台接入的执行资源数据制定变更任务单，以便将变更任务下达到相关执行资源。同时需要对变更事件加以说明，以便变更执行人员了解如何执行变更方案。

(5)变更通知。当变更方案与变更任务单制定完成后，变更管理人员需要在平台发布变更通知并制定变更通知单，变更通知是为了将变更任务告知于变更执行人员，变更通知单的制定能够一定程度上辅助变更追溯的功能。

(6)变更执行与实施。相关变更执行人员根据平台发布的变更方案执行变更后的任务活动等。

(7)执行反馈。变更方案在执行过程中可能会出现与后续工作无法顺利衔接等问题。为解决此类问题，在执行过程中需要将相关信息进行反馈，如有异常，则需要变更负责人进行方案调整。

网络协同制造模式下变更管理流程图如图4所示。

图4 网络协同制造模式下变更管理流程

根据本文变更关键节点识别中的分析，可以列出基于复杂重型装备研制过程中任务变更影响网络的节点重要度衡量的算法步骤。

输入：变更影响度矩阵WC；

步骤1，根据变更影响度矩阵WC与子任务序列绘制变更影响加权网络图；

步骤2，运用Dijkstra 算法求得网络中各节点对应的最短路径dst(vi)；

步骤3，根据式(4～6)计算网络中各节点的度、介数中心性以及中心接近性；

步骤4，根据式(7)计算出网络中各节点的节点综合影响度，并根据数值的由大到小进行排序。

为控制变更的传播范围，需要将变更影响大的节点所映射的子任务尽量聚集在一个任务集内。因此需要根据节点重要度衡量算法计算得出的节点重要度排序情况，对给定的聚类重组的任务模块进行调整，得到最终的任务分解方案。由变更影响度网络识别出来的重要节点是更容易引起变更传播的任务，因此为控制变更传播，应当对此类任务进行一定的处理。常用的控制变更传播的方法有：

(1)将更容易引起变更传播的任务在任务聚合阶段尽量划分在一个任务集内，由此变更只会在该子任务内引起影响较大的传播，而对其他任务集影响较小，从而限制了变更传播的范围。

(2)对重要节点对应的子任务进行分析，看是否能够切断或削弱变更关联性更强的任务，从而达到控制变更传播的目的。

4 实例验证

Z公司是从事研制复杂重型装备的单位，承接重型锻压设备、有色冶金装备、工业连铸设备极其成套设备的研发、设计、制造、安装、运维等技术工作。由Z公司牵头研制的125 MN双动铝挤压机是大型挤压设备，属于复杂重型装备的范畴，通过分析125 MN双动铝挤压机机械系统与液压系统的结构功能，可以得到子任务列表如表2所示，其中TMi代表列表中第i个子任务。已知当前任务聚类结果如表3所示。

表2 125 MN双动挤压机机械系统子任务

表3 子任务聚类结果

由125 MN双动铝挤压机的研制活动实际情况对表2对应的子任务的功能相关性、结构相关性以及物理相关性分析得到邻接矩阵WC如表4所示，以此作为变更影响矩阵绘制变更影响网络图G如图5 所示。根据对于节点综合影响度的计算流程，分别计算节点综合影响度中三类原始数据——节点度k(i)、介数中心性Cb(i)、中心接近度Ccl(i)的比值以及节点综合影响度的排序，得到节点综合影响度数据表如表5所示。

表4 邻接矩阵WC

图5 变更影响加权网络图G

表5 节点综合影响度

根据节点综合度的计算结果显示，影响度最高的前六个节点分别是v12、v1、v16、v2、v18、v17，此六个节点所对应的子任务在发生变更时更容易引起变更传播。

基于变更影响构建的网络图中的重要节点，具有更高的传播特性，为了控制变更传播，需要对重要节点进行一定的处理。

对于节点v12对应的子任务是螺母，由于螺母在各零部件间起着连接作用，且对于不同的零部件来说对应的螺母可能型号不一，因此可以对该子任务与其他子任务进行关联切断处理，将其拆分到各子任务集内，将其不作为一个独立子任务。

对于节点v1与节点v2对应的子任务，根据表3聚类结果显示，该两个节点对应的子任务在三种聚类情况下均划分在一个子任务集内，因此不做调整。

对于节点v16、v18、v17三个节点对应的子任务，根据表3的聚类结果可以发现：当k=4时，节点v16与节点v17划分一个子任务集内；当k=5与k=6时，节点v16与节点v18划分一个子任务集内。综合考虑三种划分结果，该三个节点对应的子任务可以划分在一个子任务集内，从而达到控制变更传播的目的。

综合表3中三种划分方案与重要节点的调整结果，最终将面向需求变更控制的任务分配方案重组结果如表6所示。

表6 面向需求变更控制的任务分配方案重组

由表6可知面向需求变更控制的任务分配方案重组结果是将125 MN铝挤压机的机械系统与液压系统的研制过程分为5个子任务，每个子任务集与子任务映射关系为——子任务集FT1{1,2,3,5,6,8,9}，子任务集FT2{4,10,11,14,27,28}，子任务集FT3{7,13,15,16,17,18,19}，子任务集FT4{20,21,22}，子任务集FT5{23,24,25,26}。

5 结束语

本文针对复杂重型装备研制过程中的变更活动，提出了面向需求变更的子任务重组方法。在任务分解阶段引入变更控制的思想，对传统子任务聚合而成的初步重组方案进行调整。首先分析由已知任务初步分解而成的子任务间的功能相关性、结构相关性以及物理相关性，然后通过运用图论的相关方法，识别项目研制过程中变更影响较大的子任务，采取控制变更传播的策略对初始任务分解方案结果进行重组，从而达到控制变更的目的。

本文针对复杂重型装备网络协同研制过程中的工程变更事件，提出了应对变更的任务重组方法，在研究过程中理想化了实际研制过程。由于产品研制过程的复杂性，在产品生命周期中可能还存在更为复杂的变更事件与任务重组活动。下一步研究将进一步优化关键节点分析模型及算法以得出更加科学的量化结果，更加深入分析研制过程中的变更因素，针对其特点给出相应的应对措施以进一步增强现实适用性。