專利名稱：流程制造業(yè)工序關(guān)系的表達方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息管理與信息系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種業(yè)務(wù)流程建模方法，尤其涉及一種流程制造業(yè)工序關(guān)系的表達方法。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的發(fā)展和制造業(yè)信息化工程的深入實施，企業(yè)對各類信息集成解決方案或系統(tǒng)(如企業(yè)資源計劃ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES和計算機輔助工藝過程設(shè)計CAPP)的要求越來越高。這些集成解決方案和系統(tǒng)都要使用過程模型，以適應生產(chǎn)調(diào)度、工藝規(guī)劃、 過程建模與仿真，以及企業(yè)業(yè)務(wù)流程重組等各種應用需求。工序關(guān)系的表達是對上述應用進行過程建模中最基礎(chǔ)、最常見的內(nèi)容。工序關(guān)系的表達方法可以分為三類一是用表格的方式表達，如“工序管理系統(tǒng)及工序管理方法”(CN101136085A)中， 根據(jù)制造物種類的不同，用“工序表”表示該制造物的工序，用“工序關(guān)系表”表示所述工序的作業(yè)順序?！肮ば虮怼敝邪üば騃D、作業(yè)場所、種類和作業(yè)內(nèi)容等四項標識工序的基本要素；“工序關(guān)系表”則包含前工序ID、后工序ID、推定時間和組ID等四項內(nèi)容，前后工序間的推定時間是“工序關(guān)系表”表達的核心內(nèi)容。二是用網(wǎng)絡(luò)圖的方式表達。通常的網(wǎng)絡(luò)圖由節(jié)點和有向連線構(gòu)成，節(jié)點表示一個或若干個工序的開始或結(jié)束點，節(jié)點不消耗資源也不占用時間；有向線表示工序活動，消耗一定資源或占用一定的時間；有向線的方向表示加工前進方向。節(jié)點和有向線的連接構(gòu)成了整個工序關(guān)系的直觀和確定性表達。三是用Petri網(wǎng)或Gantt圖等業(yè)務(wù)流程建模工具表達。這些方法中，表格的優(yōu)點是表達方式簡單明了，但缺點是限制了作業(yè)的自由度和柔性；網(wǎng)絡(luò)圖能較好地表達規(guī)模小、作業(yè)任務(wù)事先確定的工序關(guān)系，但這種靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與表格一樣，存在柔性不足的缺點，并且當任務(wù)的規(guī)模增大時，網(wǎng)絡(luò)圖的復雜程度會急劇增加，因而其可擴展性也不佳；Petri網(wǎng)或Gantt圖等業(yè)務(wù)流程建模工具能較好地描述工序關(guān)系，但其本身比較復雜，需要研究人員事先掌握與這些工具相關(guān)的基礎(chǔ)知識。此外，這些方法都有一個共同的缺陷，即與信息系統(tǒng)的集成程度較低，例如難以支持生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)做出全局優(yōu)化的作業(yè)調(diào)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種簡便、通用、低剛性、高柔性的流程制造業(yè)工序關(guān)系的表達方法，同時還提供一種相應的運算方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的流程制造業(yè)工序關(guān)系的表達和運算方法，該方法包含以下兩部分內(nèi)容一、工序關(guān)系的表達方法
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區(qū)別于已有的表格、網(wǎng)絡(luò)圖、Petri網(wǎng)和Gantt圖等方式，本發(fā)明應用一系列矩陣或向量表示流程制造業(yè)的工序關(guān)系。首先，定義所描述的流程制造企業(yè)的基本情況，做如下假設(shè)1.該企業(yè)生產(chǎn)流程中有多道工序；2.每道工序有多臺相互之間可以替換的加工設(shè)備；3.產(chǎn)品在制造過程中需經(jīng)過不同工序的加工，工序之間的運輸時間不能忽略；4.生產(chǎn)計劃中包含多個批次，每一批次中有多個產(chǎn)品；5.同一批次中多個的產(chǎn)品的加工順序已按照合同交貨期排序，不能顛倒；6.同一批次產(chǎn)品的工藝路線相同。然后，定義下列符號k為處理工序編號，共有K道工序；Dk為第k道工序的設(shè)備數(shù)；dk為第k道工序使用的設(shè)備編號；i為生產(chǎn)計劃批次序號，共有I個批次而為第i個批次中的產(chǎn)品數(shù)；j為第i個批次中的產(chǎn)品序號；Ψ為全部處理工序的集合，Ψ = {k|k e [1， K]}。接下來，依次定義系列矩陣或向量(1)定義工序名稱向量、工序設(shè)備數(shù)向量，以及批次中的產(chǎn)品數(shù)向量，具體如下Aixk——工序名稱向量，用于保存各工序的名稱，如Aixk=[‘工序 1，‘工序 2，··. ‘工序 k，··. ‘工序 K，]Nixk——工序設(shè)備數(shù)向量，用于保存各工序包含的設(shè)備數(shù)量，滿足Nixk = [D1 D2. · · Dk. · · Dk]Pixi——批次中的產(chǎn)品數(shù)向量，用于保存每個批次中的產(chǎn)品數(shù)，滿足Pixi = [G1 G2. . .Gi. . .G1](2)定義各工序設(shè)備間的可達性矩陣定義各工序設(shè)備間的可達性矩陣是建立與表達工序關(guān)系的關(guān)鍵。各工序設(shè)備間的可達性矩陣為一上三角矩陣，行、列數(shù)均等于各工序上所有處理設(shè)備數(shù)量之和，若分別屬于不同工序的兩個設(shè)備之間存在可能的加工處理路徑，則在矩陣中對應的位置填入元素1，否則填入0。例如，若工序1的1#設(shè)備和工序2的1#設(shè)備之間存在加工路線，則在行序號與工序1的1#設(shè)備對應，同時列序號與工序2的1#設(shè)備對應的位置上填入1。各工序設(shè)備的可達性矩陣定義為M Z^ ’ ΤΛ——各工序設(shè)備間的可達性矩陣，為Σ A χ Σ4的上三角陣。
^e Ψ ^εΨΛεΨΛεΨ(3)定義工序間的運輸時間矩陣工序間的運輸時間矩陣用于保存產(chǎn)品在各工序之間遷移所花費的運輸時間，本發(fā)明忽略兩個工序的不同設(shè)備之間的運輸時間差異。工序間的運輸時間矩陣定義如下Rkxk——工序間的運輸時間矩陣，矩陣中的元素代表了與該元素所在的行、列分別對應的工序之間的運輸時間數(shù)字，如元素R(k，k+1) = 10，則表達的意義為工序k和工序 (k+Ι)之間的運輸時間為10分鐘。(4)定義多工藝路線矩陣本發(fā)明定義的多工藝路線矩陣，規(guī)定一條工藝路線作為該矩陣的一個行向量，每一個行向量中的元素代表了一條工藝路線中某個工序上的加工處理時間，若一條工藝路線不經(jīng)過某個工序，則行向量中與該工序?qū)脑赜?表示，具體如下
Τηχκ——多工藝路線矩陣，該矩陣為η行，對應η條工藝路線，列數(shù)與生產(chǎn)流程中的總工序數(shù)量相同。設(shè)矩陣中的第1個行向量為T(l, ) = [33 41 37 0 38]則該行向量表達的工藝路線的加工順序為工序1 —工序2 —工序3 —工序5，在各工序上的加工處理時間分別為33、41、37和48min(假定時間單位為分鐘)。多工藝路線矩陣的行向量數(shù)目可以動態(tài)變化，若增加了一條新的工藝路線，則只需向該矩陣的最后增加一個行向量即可，通過這種方式保持了整個工序關(guān)系的開放性。(5)定義各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣前面定義了各工序設(shè)備間的可達性矩陣，該矩陣能表達流程生產(chǎn)企業(yè)的工序設(shè)備間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，也包含了所有可能的加工路徑信息。實際上，在多數(shù)情況下，同一工序的不同設(shè)備之間存在選擇的優(yōu)先權(quán)值問題。本發(fā)明將上述各工序設(shè)備間的可達性矩陣進行調(diào)整，設(shè)計了一種替代方案，即各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣，以備需要考慮設(shè)備間的優(yōu)先權(quán)值的情況下應用。在各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣中，若分別屬于不同工序的兩個設(shè)備之間存在可能的加工處理路徑，這時不再在對應的位置填入1，而是填入將從前一工序設(shè)備開始的所有可能達到的后一工序設(shè)備關(guān)聯(lián)考慮后，得出的預置的優(yōu)先權(quán)值。若兩個設(shè)備之間不存在加工處理路徑，則填入0。優(yōu)先權(quán)值的設(shè)定一般以各工序設(shè)備在廠房內(nèi)的總圖布置為原則， 目的是為了使整個煉鋼-連鑄工廠內(nèi)的吊車和罐車等運輸工具的調(diào)度盡可能簡便，物流時間盡可能縮短，鋼水溫降也盡可能減少。各工序設(shè)備的可達性權(quán)值矩陣定義為mZd1^D1——各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣，為2>4 的上三角陣。
^e Ψ ^εΨΛεΨΛεΨ(6)定義各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣為同型矩陣，其行數(shù)等于所有批次中的產(chǎn)品數(shù)總和Il1G，列數(shù)等于處理工序數(shù)K，矩陣中的元素分別為產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻，用數(shù)值表示，具體定義為δΣ;^ιΧκ——各產(chǎn)品的加工開始時刻矩陣，ΕΣ;^,χΚ——各產(chǎn)品的加工結(jié)束時刻矩陣。(7)定義各產(chǎn)品在各工序的加工設(shè)備分配矩陣該矩陣記錄了為產(chǎn)品分配加工設(shè)備的情況，其行列數(shù)分別與各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣的行列數(shù)相等，矩陣中的元素為產(chǎn)品在各工序上分配到的加工設(shè)備序號，具體定義為ΧΣ；^, χκ——各產(chǎn)品在各工序上的加工設(shè)備分配矩陣。二、工序關(guān)系的運算方法在工序關(guān)系的表達方法之外，本發(fā)明還提供了一種相應的運算方法。以流程制造業(yè)中常見的問題——“為產(chǎn)品分配具體的加工設(shè)備”為描述對象。假設(shè)要為產(chǎn)品分配加工設(shè)備的當前工序編號為k-Ι，該工序的下一道工序為k，產(chǎn)品在下一道工序加工時使用的設(shè)備序號為dk，則分配加工設(shè)備的運算過程按下列步驟執(zhí)行1.根據(jù)下一道工序所使用的設(shè)備序號，從各工序設(shè)備間的可達性矩陣中找到當前工序可用的設(shè)備集合；設(shè)當前工序的可用設(shè)備集合為Set,則滿足Set = find (Μ (sum (N(l :k_l))+dk，sum(N(l :k_l))+l :sum(N(l :k))))；上式首先在各工序設(shè)備間的可達性矩陣中，定位下一道工序所使用的設(shè)備所在的行，然后在該行中根據(jù)當前工序的編號，定位當前工序的所有設(shè)備所在列，最后在被定位的向量中查找不為0的元素，也即是與下一道工序所使用的設(shè)備之間存在加工路徑的當前工序的設(shè)備集合。函數(shù)find表示在矩陣或向量中查找不為0的元素，sum表示對向量求和。2.判斷當前工序可用的設(shè)備集合的大小，若該集合僅有一個元素，則直接分配給產(chǎn)品，作為當前工序的加工設(shè)備；3.若該集合中有多個元素，則依次按照等待時間最小，或設(shè)備負荷均衡，或隨機的原則確定當前工序的加工設(shè)備。上面介紹了不考慮設(shè)備間優(yōu)先權(quán)值時工序關(guān)系的運算方法，所考慮優(yōu)先權(quán)值，則上述分配加工設(shè)備的運算過程更簡單，具體過程為根據(jù)下一道工序所使用的設(shè)備序號，從各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣中找到當前工序可用的設(shè)備集合，然后在該集合中找到權(quán)值最大的設(shè)備作為當前工序的加工設(shè)備就可以了。設(shè)當前工序的加工設(shè)備序號為Cllri，則 Clk-! 兩足
權(quán)利要求
1.一種流程制造業(yè)工序關(guān)系的表達方法，其特征在于該方法利用矩陣或向量對所述工序關(guān)系進行建模，然后利用矩陣運算的方法對工序關(guān)系進行計算，所述矩陣或向量包括工序名稱向量，工序設(shè)備數(shù)向量，批次中的產(chǎn)品數(shù)向量，各工序設(shè)備間的可達性矩陣，工序間的運輸時間矩陣，多工藝路線矩陣，各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣，各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣，以及各產(chǎn)品在各工序的加工設(shè)備分配矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表達方法，其特征在于該方法按下列步驟實施首先，定義下列符號k為處理工序編號，共有K道工序；Dk為第k道工序的設(shè)備數(shù)；dk 為第k道工序使用的設(shè)備編號；i為生產(chǎn)計劃批次序號，共有I個批次而為第i個批次中的產(chǎn)品數(shù)；j為第i個批次中的產(chǎn)品序號；Ψ為全部處理工序的集合，Ψ = {k I k e [1，K]}， 然后，依次定義系列矩陣或向量(1)定義工序名稱向量、工序設(shè)備數(shù)向量，以及批次中的產(chǎn)品數(shù)向量，具體是 Aixk——工序名稱向量，用于保存各工序的名稱，Nixk——工序設(shè)備數(shù)向量，用于保存各工序包含的設(shè)備數(shù)量，滿足 Nixk = [D1 D2. . .Dk. . . DK],Pixi——批次中的產(chǎn)品數(shù)向量，用于保存每個批次中的產(chǎn)品數(shù)，滿足 Pixi = [G1 G2. · · Gi. · · G1]；(2)定義各工序設(shè)備間的可達性矩陣定義各工序設(shè)備間的可達性矩陣是建立與表達工序關(guān)系的關(guān)鍵，各工序設(shè)備間的可達性矩陣為一上三角矩陣，行、列數(shù)均等于各工序上所有處理設(shè)備數(shù)量之和，若分別屬于不同工序的兩個設(shè)備之間存在可能的加工處理路徑，則在矩陣中對應的位置填入元素1，否則填入0 ；各工序設(shè)備的可達性矩陣定義為‘ ZDt——各工序設(shè)備間的可達性矩陣，為Σα χ ΣΑ的上三角陣；^e ψ ^εψλεψλεψ(3)定義工序間的運輸時間矩陣工序間的運輸時間矩陣用于保存產(chǎn)品在各工序之間遷移所花費的運輸時間，同時忽略兩個工序的不同設(shè)備之間的運輸時間差異， 工序間的運輸時間矩陣定義為Rkxk——工序間的運輸時間矩陣，矩陣中的元素代表了與該元素所在的行、列分別對應的工序之間的運輸時間數(shù)值；(4)定義多工藝路線矩陣所述定義的多工藝路線矩陣，規(guī)定一條工藝路線作為該矩陣的一個行向量，每一個行向量中的元素代表了一條工藝路線中某個工序上的加工處理時間，若一條工藝路線不經(jīng)過某個工序，則行向量中與該工序?qū)脑赜?表示，具體是Τηχκ——多工藝路線矩陣，該矩陣為η行，對應η條工藝路線，列數(shù)與生產(chǎn)流程中的總工序數(shù)量相同。假設(shè)矩陣中的第1個行向量為 T(l, ) = [33 41 37 0 38]則該行向量表達的工藝路線的加工順序為工序1 —工序2 —工序3 —工序5，在各工序上的加工處理時間分別為33、41、37和48min，假定時間單位為分鐘，多工藝路線矩陣的行向量數(shù)目可以動態(tài)變化，若增加了一條新的工藝路線，則只需向該矩陣的最后增加一個行向量即可，通過這種方式保持了整個工序關(guān)系的開放性；(5)定義各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣前面定義了各工序設(shè)備間的可達性矩陣，該矩陣能表達流程生產(chǎn)企業(yè)的工序設(shè)備間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，也包含了所有可能的加工路徑信息，實際上在多數(shù)情況下，同一工序的不同設(shè)備之間存在選擇的優(yōu)先權(quán)值問題，在各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣中，若分別屬于不同工序的兩個設(shè)備之間存在可能的加工處理路徑，這時不再在對應的位置填入1，而是填入將從前一工序設(shè)備開始的所有可能達到的后一工序設(shè)備關(guān)聯(lián)考慮后，得出的預置的優(yōu)先權(quán)值；若兩個設(shè)備之間不存在加工處理路徑，則填入0，各工序設(shè)備的可達性權(quán)值矩陣定義為1 χ 1 ——各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣，為！込χ ΣΑ的上三角陣；/teT/teTkex￥kex￥(6)定義各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣為同型矩陣，其行數(shù)等于所有批次中的產(chǎn)品數(shù)總和H1G，列數(shù)等于處理工序數(shù)K，矩陣中的元素分別為產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻，用數(shù)值表示，具體定義為s^iG1XK——各產(chǎn)品的加工開始時刻矩陣，——各產(chǎn)品的加工結(jié)束時刻矩陣；(7)定義各產(chǎn)品在各工序的加工設(shè)備分配矩陣該矩陣記錄了為產(chǎn)品分配加工設(shè)備的情況，其行列數(shù)分別與各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣的行列數(shù)相等，矩陣中的元素為產(chǎn)品在各工序上分配到的加工設(shè)備序號，具體定義為x^iG1XK——各產(chǎn)品在各工序上的加工設(shè)備分配矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表達方法，其特征在于該方法結(jié)合權(quán)利要求2的建模結(jié)果，利用矩陣計算的方法對工序關(guān)系進行運算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表達方法，其特征在于采用所述矩陣計算方法為產(chǎn)品分配加工設(shè)備的步驟為Stepl 根據(jù)產(chǎn)品的交貨時間填充各產(chǎn)品的加工結(jié)束時刻矩陣的最后一個列向量Ε(， K)，即將產(chǎn)品在最后一個工序上的加工結(jié)束時刻作為其交貨時刻；Step2 在多工藝路線矩陣T中查找與該產(chǎn)品采用的工藝路線，并得到該產(chǎn)品在最后一個工序上的加工處理時間，設(shè)產(chǎn)品所屬的生產(chǎn)計劃批次序號為i，則該產(chǎn)品在最后一個工序上的加工處理時間為T (i，K)，將各產(chǎn)品的加工結(jié)束時刻矩陣的最后一個列向量中的元素減去這個加工處理時間，并填入加工開始時刻矩陣中的對應位置，即滿足S(:，K) =E(:， K)_T(i，K)；乂印3 設(shè)前一道處理工序的編號為k，參考工序間的運輸時間矩陣R，將工序倒推一步，計算各產(chǎn)品在當前工序(k_l)的加工開始和結(jié)束時刻，填入矩陣S和E，滿足E( ，k-l)=S( ，k)-R(k-l，k)和 S( ，k-1) = E( ，k-l)-T(i，k-1)；將產(chǎn)品的加工開始時刻矩陣中當前工序的所有作業(yè)按開始時刻從小到大的順序進行排序；St印5 在加工設(shè)備分配矩陣X中查詢當前作業(yè)的下一道工序所使用的設(shè)備序號，設(shè)作業(yè)序號為m，則下一道工序所使用的設(shè)備序號為X(m，k)，令X(m，k) = dk ；St印6:根據(jù)當前作業(yè)的下一道工序所使用的設(shè)備序號，從各工序設(shè)備間的可達性矩陣 M中找到當前工序中當前作業(yè)可用的設(shè)備集合kt，具體方法為首先在各工序設(shè)備間的可達性矩陣M中，定位下一道工序所使用的設(shè)備所在的行，然后在該行中根據(jù)當前工序的編號，定位當前工序的所有設(shè)備所在列，最后在被定位的向量中查找不為0的元素，也即是與下一道工序所使用的設(shè)備之間存在加工路徑的當前工序的設(shè)備集合。該方法的函數(shù)表達為:Set = find (Μ (sum (N(l :k_l))+dk，sum(N(l :k_l))+l :sum(N(l :k))))。子函數(shù) find 表示在矩陣或向量中查找不為0的元素，sum表示對向量求和；St印7 判斷當前工序中當前作業(yè)可用的設(shè)備集合Set中的元素個數(shù)是否大于1，若是， 則依次按照等待時間最小和設(shè)備負荷均衡的原則確定當前工序中當前作業(yè)的設(shè)備序號，否則，直接將可用的設(shè)備集合中唯一的設(shè)備分配給當前工序中的當前作業(yè)，完成對X(m，k-1) 賦值；StepS 判斷是否發(fā)生設(shè)備沖突，若是，則需要進行調(diào)整以消除沖突；Mep9:判斷是否已為當前工序中的所有作業(yè)分配設(shè)備，若是，則轉(zhuǎn)下一步，否則轉(zhuǎn) Step5 ；SteplO 結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表達方法，當考慮設(shè)備間優(yōu)先權(quán)值時工序關(guān)系的運算方法的具體過程為根據(jù)下一道工序所使用的設(shè)備序號，從各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣M中找到當前工序可用的設(shè)備集合，然后在該集合中找到權(quán)值最大的設(shè)備作為當前工序的加工設(shè)備就可以了 ；設(shè)當前工序的加工設(shè)備序號為Cllrl，則Cllri滿足dk_x = max (find (Μ(sum (N(l: k -1))+ dk, sum (N(1: Λ -1)) +1: sum (N(l: Λ}))))；其中，函數(shù)max表示求集合中最大的元素；與當前工序的可用設(shè)備集合Set的運算過程相比，這里只需在得出Set后在該集合中找到權(quán)值最大的元素就可以了。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種流程制造業(yè)工序關(guān)系的表達和運算方法，其中表達方法設(shè)計了一系列矩陣或向量對工序關(guān)系進行建模，具體包含下列矩陣或向量工序名稱向量、工序設(shè)備數(shù)向量、批次中的產(chǎn)品數(shù)向量、各工序設(shè)備間的可達性矩陣、工序間的運輸時間矩陣、多工藝路線矩陣、各工序設(shè)備間的可達性權(quán)值矩陣、各產(chǎn)品的加工開始時刻和結(jié)束時刻矩陣，以及各產(chǎn)品在各工序的加工設(shè)備分配矩陣；運算方法利用矩陣計算的方式對工序關(guān)系進行運算。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅更簡潔、通用，具有較好的柔性和可擴展性，還提高了工序關(guān)系的表達和運算方法與信息系統(tǒng)和解決方案的集成程度。
文檔編號G05B15/02GK102364510SQ201110274898
公開日2012年2月29日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者葉理德, 曾亮, 邵遠敬 申請人:中冶南方工程技術(shù)有限公司