蔡飛飛，郗欣甫，沈瑞超，孫以澤

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

生產(chǎn)車間是企業(yè)信息流、工作流、物料流和控制流的交匯點(diǎn)，也是確保生產(chǎn)計(jì)劃順利完成的關(guān)鍵部分[1]。對(duì)車間生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有助于企業(yè)及時(shí)掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)并根據(jù)生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)調(diào)整訂單計(jì)劃，進(jìn)而有效控制生產(chǎn)進(jìn)度，提高生產(chǎn)效率和制造水平，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置與效益最大化[2]。

經(jīng)編車間過(guò)程監(jiān)控不僅監(jiān)控經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)織造過(guò)程中的數(shù)據(jù)，還監(jiān)控操作人員信息，以此作為車間生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)據(jù)來(lái)源，可更好地管理車間。信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)[3]利用先進(jìn)感知、計(jì)算、通信等技術(shù)將物理與信息空間相映射和交互，致力于實(shí)現(xiàn)按需響應(yīng)與動(dòng)態(tài)優(yōu)化。利用CPS構(gòu)建經(jīng)編車間監(jiān)控系統(tǒng)，既可以采集人機(jī)數(shù)據(jù)，又可以進(jìn)行計(jì)算與響應(yīng)，可提高經(jīng)編機(jī)的智能響應(yīng)性能，也可提升經(jīng)編車間的動(dòng)態(tài)調(diào)控能力。目前，CPS已在相關(guān)行業(yè)中得到應(yīng)用。付盼[4]提出利用CPS研究農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)；畢筱雪等[5]借助CPS設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)；陳容等[6]基于CPS設(shè)計(jì)了智能控制生產(chǎn)線框架。我國(guó)作為經(jīng)編大國(guó)[7]，經(jīng)編機(jī)占有量高，但車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)利用率低、管理方式落后。經(jīng)編布織造過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)斷紗、漏針等情況，需人工不斷巡檢，以及時(shí)排查、發(fā)現(xiàn)、上報(bào)并修復(fù)，從而確保加工過(guò)程順利進(jìn)行。計(jì)劃人員需手工抄錄工藝數(shù)據(jù)，及時(shí)計(jì)算盤頭紗線剩余量和織造時(shí)間，而經(jīng)編車間由于產(chǎn)品種類多、工藝多、設(shè)備多，造成車間用工多，給人工管理帶來(lái)極大困難。經(jīng)編布在加工過(guò)程中，需經(jīng)歷上軸、穿紗與織造等步驟，其中上軸與穿紗步驟均由人工完成，工藝難易程度、人員分配及人工熟練度等因素將影響工序完成時(shí)間。鑒于上述原因，車間排程需考慮設(shè)備型號(hào)、產(chǎn)品種類、工藝參數(shù)、人工熟練程度等因素，存在多因素組合優(yōu)化困難及交期不準(zhǔn)的問(wèn)題。此外，操作人員素質(zhì)參差不齊，導(dǎo)致接紗、落布及設(shè)備故障等信息記錄不完整或缺失，無(wú)法為管理人員提供有效的故障修復(fù)措施、成因分析、人員考核標(biāo)準(zhǔn)等車間管理優(yōu)化信息。為此，需對(duì)經(jīng)編車間生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度，合理配置人、機(jī)、物等資源。本文為實(shí)現(xiàn)經(jīng)編車間的過(guò)程監(jiān)控與生產(chǎn)調(diào)度，基于CPS設(shè)計(jì)經(jīng)編車間過(guò)程監(jiān)控體系架構(gòu)并劃分車間管理層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建經(jīng)編機(jī)信息模型并賦予數(shù)據(jù)具體內(nèi)涵，通過(guò)在邊緣側(cè)計(jì)算，加快了計(jì)算效率與響應(yīng)速度，最后利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)訂單排程，以實(shí)現(xiàn)訂單的快速分配與執(zhí)行。

1 經(jīng)編車間CPS體系架構(gòu)

為更好地管理車間和更快地響應(yīng)指令，按照

CPS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)編車間實(shí)際情況，設(shè)計(jì)兩級(jí)經(jīng)編車間體系架構(gòu)。單元級(jí)經(jīng)編CPS架構(gòu)如圖1所示，該架構(gòu)主要立足于感知與自動(dòng)控制層面，通過(guò)信息殼將物理世界與信息世界相連。經(jīng)編機(jī)內(nèi)傳感器、控制器等硬件設(shè)備，以及一線操作員工、管理員等，既是信息采集源也是信息接收方和執(zhí)行方，既是數(shù)據(jù)環(huán)流的起點(diǎn)也是終點(diǎn)?？紤]到經(jīng)編機(jī)自身數(shù)據(jù)量大，為更好地傳輸與展示數(shù)據(jù)，一方面需構(gòu)建經(jīng)編機(jī)信息模型以豐富數(shù)據(jù)內(nèi)涵，另一方面需將整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算工作分配至邊緣側(cè)即單元級(jí)經(jīng)編CPS中，以加快數(shù)據(jù)處理效率與指令響應(yīng)進(jìn)程。

經(jīng)編布訂單多，需拆分后分配至多臺(tái)經(jīng)編機(jī)上加工，為實(shí)時(shí)感知單臺(tái)經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)狀態(tài)，并促進(jìn)經(jīng)編機(jī)之間的互聯(lián)、互通與互操作，從而在一定程度上提高制造資源優(yōu)化配置的廣度、深度與精度，需構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)經(jīng)編CPS架構(gòu)，如圖2所示。利用大數(shù)據(jù)分析制定科學(xué)決策，通過(guò)監(jiān)視診斷及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障信息，協(xié)調(diào)各部門、工種，加快制造進(jìn)程，提升經(jīng)編車間管理水平，保證如期交貨。

2 信息建模

車間內(nèi)經(jīng)編機(jī)數(shù)量眾多，單純數(shù)據(jù)無(wú)法顯示來(lái)源及相互間聯(lián)系，缺乏針對(duì)性[8]，采用OPC UA進(jìn)行經(jīng)編機(jī)信息建模，以便于各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索。經(jīng)編機(jī)通常包含感知設(shè)備(傳感器、射頻讀卡器和編碼器)和控制設(shè)備(電動(dòng)機(jī)和打碼機(jī))。感知設(shè)備只具備變量屬性，不具備方法；控制設(shè)備除具有變量屬性外，還具有方法。表1為不同節(jié)點(diǎn)的經(jīng)編機(jī)對(duì)象類型，表2為控制設(shè)備中電動(dòng)機(jī)的定義。

表1 經(jīng)編機(jī)對(duì)象類型

表2 電動(dòng)機(jī)類型定義

經(jīng)編機(jī)中各類設(shè)備類型定義與電動(dòng)機(jī)類型相似，整個(gè)模型以XML形式保存，可以在不同平臺(tái)和不同語(yǔ)言環(huán)境下識(shí)別，根據(jù)經(jīng)編機(jī)的具體型號(hào)在軟件中實(shí)例化對(duì)應(yīng)數(shù)量的對(duì)象，即可完成經(jīng)編機(jī)模型的建立，使用過(guò)程中可根據(jù)需求增刪節(jié)點(diǎn)，具有操作靈活方便、開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)編機(jī)整體信息模型對(duì)象如圖3所示。

3 邊緣側(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算

經(jīng)編車間過(guò)程監(jiān)控需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸不僅造成傳輸通道阻塞，還會(huì)留下數(shù)據(jù)安全隱患，影響指令傳遞效率。在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的單元級(jí)經(jīng)編CPS內(nèi)，進(jìn)行單個(gè)經(jīng)編機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)計(jì)算，既可以減輕服務(wù)器計(jì)算壓力，也可以將計(jì)算結(jié)果直接反饋給當(dāng)前經(jīng)編機(jī)，減少了數(shù)據(jù)反饋時(shí)間。經(jīng)編布織造時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，有助于把握交貨期并合理配置生產(chǎn)人員與設(shè)備，可減少上下游產(chǎn)品的庫(kù)存量，提升企業(yè)效益。影響經(jīng)編布織造時(shí)間的因素較多，各因素既單獨(dú)影響織造時(shí)間又相互聯(lián)系與影響，其相互之間的關(guān)系可抽象為

(1)

式中：T為織造時(shí)間；G,H,K,P為自變量與因變量之間的某種函數(shù)映射關(guān)系；a～f為織造時(shí)間的影響因素，依次為設(shè)備、工藝參數(shù)、人員熟練度、訂單數(shù)量、停機(jī)次數(shù)和保養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)。

分析式(1)可知，織造時(shí)間與列出的6類因素存在某種相互影響關(guān)系。訂單量越大，織造時(shí)間越長(zhǎng)；訂單數(shù)量分配不均，整體織造時(shí)間無(wú)法預(yù)估；停機(jī)次數(shù)越多則停機(jī)累計(jì)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，織造時(shí)間將延長(zhǎng)，而設(shè)備性能優(yōu)劣影響停機(jī)次數(shù)，人員熟練度影響單次停機(jī)時(shí)長(zhǎng)；設(shè)備保養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)影響生產(chǎn)進(jìn)程，設(shè)備持續(xù)運(yùn)行不保將降低設(shè)備性能，從而影響織造質(zhì)量及時(shí)間；人工操作熟練程度影響操作設(shè)備的時(shí)間與處理停機(jī)狀況所需的時(shí)間；工藝參數(shù)的差異將導(dǎo)致紗線送經(jīng)量、布匹牽拉密度、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度等參數(shù)不同，從而使得各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程不同，最終導(dǎo)致織造時(shí)間不同；不同類型的設(shè)備性能不同，加工同樣的產(chǎn)品消耗的時(shí)間不盡相同。

各因素之間相互影響，導(dǎo)致映射關(guān)系G較為復(fù)雜，難以用精確數(shù)學(xué)表達(dá)式表征。為解決上述問(wèn)題，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建經(jīng)編布織造時(shí)間預(yù)測(cè)模型，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，不斷優(yōu)化神經(jīng)元權(quán)重與閾值，使得結(jié)果不斷逼近準(zhǔn)確值。分析上述6類影響因素，可通過(guò)統(tǒng)一訂單數(shù)量減少一維影響因素，從而減少模型復(fù)雜度及求解時(shí)間。因經(jīng)編布織造時(shí)間的影響因素有5類，根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可確定輸入層包含5個(gè)神經(jīng)元，輸出層包含1個(gè)神經(jīng)元。為求出隱含層層數(shù)及各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，需利用數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，如圖4～6所示。

單、雙隱含層的均方誤差最大值分別為0.124和0.034 h，最小值分別為0.056和0.021 h。由此可見，單隱含層的最小均方誤差比雙隱含層的最大均方誤差還大，故隱含層選擇雙層結(jié)構(gòu)。由圖5可知，在神經(jīng)元個(gè)數(shù)為10時(shí)，均方誤差最小。由圖6可知，當(dāng)雙隱含層次層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為9時(shí)，均方誤差最小。至此可以確定適合經(jīng)編布織造時(shí)間預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即輸入層(5個(gè)神經(jīng)元)、雙隱含層(神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為10和9)和輸出層(1個(gè)神經(jīng)元)，如圖7所示。

為驗(yàn)證圖7所示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取100組數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行運(yùn)算。通過(guò)對(duì)比樣本預(yù)測(cè)值與期望值，得到樣本的預(yù)測(cè)誤差，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，大多數(shù)預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值小于0.4，表明預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。根據(jù)經(jīng)編布織造過(guò)程實(shí)際情況可知，樣本預(yù)測(cè)誤差在可容納范圍內(nèi)，故可作為預(yù)測(cè)經(jīng)編布織造時(shí)間的一種方案。

4 生產(chǎn)調(diào)度

經(jīng)編車間內(nèi)經(jīng)編機(jī)種類多、訂單多、操作人員流動(dòng)性大，經(jīng)編機(jī)選擇、人員配置、物料供應(yīng)等方面協(xié)調(diào)作業(yè)需生產(chǎn)部門制定詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃。為降低人力成本并減少加工織造時(shí)間成本，以保證訂單如期交貨，需優(yōu)化現(xiàn)有的生產(chǎn)調(diào)度方式。利用系統(tǒng)級(jí)經(jīng)編CPS的數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算以制定科學(xué)決策方案。相比普通機(jī)加工車間生產(chǎn)調(diào)度[9]，經(jīng)編車間存在特殊性：相關(guān)工序需人工完成，由于完成時(shí)間與操作工數(shù)量及熟練度有關(guān)，故不能忽略人工工序；同一經(jīng)編機(jī)上不同訂單工序之間相互制約。不同訂單工序之間的約束抽象為

(2)

式中：TOj, 1為第j號(hào)訂單的第Oj, 1工序的開始時(shí)間；TOi, N0為第i號(hào)訂單的第Oi, N0工序的開始時(shí)間；N0為訂單加工工序的最后一道工序數(shù)；tOi, N0,k為第Oi, N0工序在第k臺(tái)設(shè)備上的加工時(shí)間；M(Oi, N0)為第Oi,N0工序選擇的加工設(shè)備；X(Oi, N0,M(Oi, N0))為第Oi, N0工序在M(Oi, N0)機(jī)床上加工的開始時(shí)間。

遺傳算法在解決柔性作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題方面具有很好的效果且應(yīng)用范圍廣[10]。考慮到經(jīng)編車間生產(chǎn)過(guò)程中人工參與度高，不同訂單之間存在相互約束的特點(diǎn)，對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)后求解經(jīng)編車間生產(chǎn)訂單的排程方案。其主要過(guò)程如下：人員虛擬化；訂單分配與可選設(shè)備確定；基于工序和設(shè)備的編碼；選擇、交叉與變異；編碼條件約束；適應(yīng)度計(jì)算；求解；調(diào)度圖反虛擬化。人員虛擬化是在排程時(shí)，將參與上軸的班組員工虛擬成能夠完成上軸的設(shè)備，將穿紗的班組員工虛擬成能夠穿紗的設(shè)備，并與選出的具體經(jīng)編機(jī)一起組成基礎(chǔ)設(shè)備。編碼條件約束是指將式(2)的約束加載進(jìn)算法中，以確保編碼與加工時(shí)間符合實(shí)際情況，從而充分考慮經(jīng)編車間排程特點(diǎn)。調(diào)度圖反虛擬化是指將虛擬的機(jī)器即不同工種的班組操作人員反虛擬化成在實(shí)際設(shè)備上加工的操作序列，形成符合經(jīng)編車間生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)度方案甘特圖。現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中，多功能機(jī)的出現(xiàn)加快了柔性化制造過(guò)程，借鑒多功能機(jī)概念，將上軸工與穿紗工按照一定比例進(jìn)行分組，形成同時(shí)具備上軸與穿紗兩種功能的工種，將此過(guò)程稱為“類多功能”分組。

以8訂單9機(jī)床的范例進(jìn)行測(cè)試，分別求解普通分組與“類多功能”分組的生產(chǎn)調(diào)度方案，經(jīng)反虛擬化得到生產(chǎn)調(diào)度甘特圖，圖中工序Oj, i上方的數(shù)字代表操作班組代號(hào)或經(jīng)編機(jī)編號(hào)，如圖9和10所示。由圖9和10可知：普通分組時(shí)訂單完成所用時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程不連續(xù)；“類多功能”分組時(shí)訂單完成所用時(shí)間較短，生產(chǎn)過(guò)程較為緊密。兩種分組方式求解得到的最優(yōu)解隨著迭代次數(shù)而改變，普通分組在完成25次迭代后收斂于最小值，“類多功能”分組在完成12次迭代后收斂于最小值，可見其收斂速度優(yōu)于普通分組，如圖11所示。

5 應(yīng)用分析

經(jīng)編車間過(guò)程監(jiān)控中，除采集經(jīng)編機(jī)控制器中數(shù)據(jù)外，還需要采集其他信息，如經(jīng)編機(jī)的停機(jī)原因。單元級(jí)經(jīng)編CPS通過(guò)控制經(jīng)編機(jī)啟停的方式，規(guī)范擋車工輸入停機(jī)原因，保證每一次停機(jī)產(chǎn)生時(shí)間、原因、時(shí)長(zhǎng)等信息均被系統(tǒng)采集。單元級(jí)經(jīng)編CPS將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后，一方面將整機(jī)狀態(tài)數(shù)

據(jù)包反饋給系統(tǒng)級(jí)經(jīng)編CPS，另一方面將計(jì)算結(jié)果形成的決策反饋回經(jīng)編機(jī)，使其精準(zhǔn)執(zhí)行。系統(tǒng)級(jí)經(jīng)編CPS將單元級(jí)經(jīng)編CPS反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)包進(jìn)行再處理：一方面進(jìn)行“透明化”工作，便于管理人員掌握生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，并及時(shí)調(diào)度人員進(jìn)行故障修復(fù)，減少經(jīng)編機(jī)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)；另一方面進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，綜合考量各方面資源、成本，形成生產(chǎn)排程方案，從宏觀上指導(dǎo)經(jīng)編車間生產(chǎn)。

圖形化界面用以展示生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，包含停機(jī)記錄信息、產(chǎn)能信息、工藝信息、訂單信息以及人員安排等信息，管理員根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算的紗線剩余量、時(shí)間及警示信息，及時(shí)向整經(jīng)車間提交紗線需求單；結(jié)合開機(jī)時(shí)長(zhǎng)、月度產(chǎn)量趨勢(shì)圖、當(dāng)日產(chǎn)量、斷紗時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)，判斷擋車工工作效率和經(jīng)編機(jī)生產(chǎn)效率等參數(shù)，作為績(jī)效考核參考指標(biāo)。單車間生產(chǎn)信息可視化界面如圖12所示。

目前，系統(tǒng)已經(jīng)在企業(yè)試運(yùn)行，效果良好。采用系統(tǒng)后，車間巡檢人員已從3人減至1人；每班次操作員工人數(shù)比原先減少10%；生產(chǎn)排程人員減少1人；班次產(chǎn)能提高2%；穿紗工穿紗時(shí)間顯著提高；上軸工與穿紗工配合效率提高；停機(jī)信息記錄提高90%。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了經(jīng)編車間的CPS體系結(jié)構(gòu)，提出適用于經(jīng)編車間的兩級(jí)CPS監(jiān)控與生產(chǎn)調(diào)度架構(gòu)；建立了經(jīng)編機(jī)信息模型，可賦予數(shù)據(jù)深刻內(nèi)涵與意義；構(gòu)造了邊緣側(cè)計(jì)算的經(jīng)編布織造時(shí)間預(yù)測(cè)模型，以輔助進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)；研究了采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行經(jīng)編車間生產(chǎn)調(diào)度的問(wèn)題，提出生產(chǎn)人員虛擬化與編碼約束的解決方案，以輔助管理人員進(jìn)行訂單排程作業(yè)。實(shí)踐表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確記錄停機(jī)原因，實(shí)時(shí)展示廠區(qū)、車間、設(shè)備的各種數(shù)據(jù)，便于管理人員掌握生產(chǎn)進(jìn)程與動(dòng)態(tài)，從而及時(shí)調(diào)度操作人員解決設(shè)備故障，可保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。