第8章 制造系統(tǒng)性能實時

分析與診斷2018年7月智能制造系統(tǒng)與決策提綱物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架3基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模21物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析41.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架實現(xiàn)目標生產(chǎn)過程的主動感知與性能分析方法是在實時多源信息獲取的基礎上，通過對采集的基本事件進行增值運算，為不同管理層提供重要的實時生產(chǎn)過程關鍵性能信息；同時，通過對歷史異常事件進行分析，建立異常評價與識別專家?guī)?，形成生產(chǎn)異常事件與制造資源之間的關聯(lián)關系，從而當實時生產(chǎn)異常來臨時，能迅速識別并快速獲取可能導致該異常的原因。1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架關鍵使能技術1.基于關鍵事件的實時生產(chǎn)性能分析2.基于決策樹的制造系統(tǒng)異常動態(tài)識別方法該模塊設計一種基于多層次事件的關鍵事件分析模型，對生產(chǎn)性能關鍵事件的組成及結構進行詳細分析，進而結合分層著色Petri網(wǎng)分析方法，構建針對不同生產(chǎn)關鍵性能事件的Petri網(wǎng)主動感知模型。進而，當系統(tǒng)獲取經(jīng)由實時多源信息獲取方法采集而來的基本事件信息后，便可以主動觸發(fā)相應的事件感知過程，獲取生產(chǎn)性能關鍵事件實時信息，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程關鍵性能的主動分析?；跊Q策樹的制造系統(tǒng)異常動態(tài)識別模塊，對實時采集的生產(chǎn)性能關鍵事件，進行評估與分析，及時診斷出生產(chǎn)異常狀態(tài)，并快速獲取可能導致該異常的原因，以更好地輔助生產(chǎn)管理者及時、精確地獲取生產(chǎn)異常信息，并快速地做出最優(yōu)的決策。1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架多層次事件分析模型多層次事件分析模型分為原始事件、基本事件、復雜事件、關鍵事件四層。復雜事件(ComplexEvents,CE)

產(chǎn)品加工過程單元級或生產(chǎn)線級的生產(chǎn)事件，可以通過基本事件之間的時間、層次、因果等關系，依據(jù)實時生產(chǎn)工藝執(zhí)行情況獲得。定義8.1：復雜事件用(CE_ID,Attributes,Context,T)表示，其中，CE_ID表示復雜事件唯一的身份標記；Attributes表示該事件的屬性集合，用以描述事件類別、在制品代碼、工序代碼以及其他事件屬性；Context給出事件的具體內容以及屬性之間的關系；T表示事件發(fā)生的時間。1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架多層次事件分析模型關鍵事件(CriticalEvents,CrE)

制造執(zhí)行系統(tǒng)中訂單及產(chǎn)品級的生產(chǎn)信息的變化事件，這些事件對制造執(zhí)行系統(tǒng)有較大影響件，其狀態(tài)的變化會導致車間整體生產(chǎn)性能的變化。定義8.2：關鍵事件可以用(CrE_ID,Name,Attributes,Context,T)表示，其中，CrE_ID表示事件唯一的身份標記；Name為關鍵事件的名稱；Attributes表示該事件的屬性；Context表示事件的內容以及屬性之間的關系；T表示事件發(fā)生的時間。1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架分層著色Petri網(wǎng)模型Petri網(wǎng)經(jīng)典的Petri網(wǎng)是簡單的過程模型，由兩種節(jié)點：庫所（Place）和變遷（Transition），有向弧（Arc），以及令牌（Token）等元素組成的。庫所：資源的場所變遷：變化·令牌：資源狀態(tài)有向弧：聯(lián)系1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架分層著色Petri網(wǎng)模型著色Petri網(wǎng)著色Petri網(wǎng)是對令牌添加不同的顏色，用以指代不同的制造資源特征。時間Petri網(wǎng)時間Petri網(wǎng)（TPN）用來建模制造系統(tǒng)的加工時間，等待延遲等，分為庫所的時間Petri網(wǎng)和變遷的時間Petri網(wǎng)。1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架分層著色Petri網(wǎng)模型分層Petri網(wǎng)當建模的生產(chǎn)系統(tǒng)比較復雜時，從全局的角度對系統(tǒng)建模時，該模型的變遷或庫所可能由幾個子系統(tǒng)組成，故可以通過使用替代變遷或替代庫所替代子系統(tǒng)的方法，簡化主要系統(tǒng)模型，當需要查詢更詳細與精確信息的時候，用戶可以查看相應的子網(wǎng)模型。由于高層事件是通過低一層事件組合而成的，層級關系比較明確，因此可在關鍵事件分析過程中使用替代庫所或替代變遷的分層的方法對事件進行簡化，以達到簡化分析模型的目的。1.物聯(lián)制造執(zhí)行系統(tǒng)性能分析的體系構架基于決策樹的生產(chǎn)過程異常動態(tài)識別工作流程1.基于現(xiàn)有的制造工藝信息，詳細分析制造系統(tǒng)的人、機、料、法、環(huán)各種制造要素的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將制造資源的狀態(tài)進行分類處理2.采用決策樹分析算法（如C4.5、Fuzzy-ID3），通過相應的建樹策略和剪枝策略，構造出生產(chǎn)性能評估所需的決策樹，進而提取出相應的評估規(guī)則庫。3.當感知到關鍵生產(chǎn)性能信息時，異常檢測系統(tǒng)便可以通過實時生產(chǎn)性能信息與規(guī)則庫中規(guī)則的匹配情況，識別出實時異常事件。4.針對獲取的生產(chǎn)異常事件，通過制造資源信息與異常原因定位模糊決策規(guī)則庫中規(guī)則匹配情況，及時定位導致異常發(fā)生的原因。2.物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件2.物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件生產(chǎn)成本管理增值成本增值成本一般是必須的成本，它是產(chǎn)品生產(chǎn)中必須的支出，是給企業(yè)帶來利潤的主要組成部分，如由材料加工成產(chǎn)品過程中，所消耗的材料、人工、能源、設備損耗等，主要有人員成本、材料成本、設備維護成本、物流成本和能源成本。非增值成本產(chǎn)品質量檢驗、包裝等成本，為非產(chǎn)品必須的成本，即為非增值成本。非增值成本可以通過持續(xù)改善加以消除。如下線產(chǎn)品一次合格率達到百分之百、產(chǎn)品銷售運輸過程中專人專車運送等，那么檢驗、包裝就可以消除。因此非增值成本是通過持續(xù)改善可以降低或消除的成本。主要有質量成本、安全成本、固有資產(chǎn)及環(huán)境成本。2.物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件生產(chǎn)質量管理產(chǎn)品生產(chǎn)質量管理用來保證制造過程的中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品滿足一定的質量要求。質量管理活動協(xié)調、指導和跟蹤質量測量過程并生成報告，向生產(chǎn)管理提供產(chǎn)品質量信息，及時調整生產(chǎn)過程以滿足質量要求。廣義的質量管理不僅僅包括最終產(chǎn)品的質量測試和報告，還包括生產(chǎn)運行過程中中間物料的實時質量監(jiān)控。生產(chǎn)質量情況的主要性能指標包括合格率(FinalYield)，廢品率(ScrapRate)，返修率(RepairRate)，流通合格率(RolledThroughoutYield,RTY)，實際與計劃廢品比率(ActualtoPlannedScrapRate,APSR)。2.物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件維護管理維護管理過程用來保證制造過程中的設備穩(wěn)定高效運行，主要關注的是設備。維護管理實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，協(xié)調設備的使用，當某些設備出現(xiàn)故障時及時做出反應，首先保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行，然后通過一系列的維護調度指令對故障設備進行處理，保證設備的可用性。維護管理方面主要的關鍵事件指標有平均失效前時間(Meantimetofailure,MTTF)，平均故障間隔時間(Meantimebetweenfailures,MTBF)，恢復時間(Meantimetorestoration，MTTR)，故障檢修率(Correctivemaintenanceratio)等。2.物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件庫存管理庫存管理的對象是庫存項目，即企業(yè)中的所有物料，包括原材料、零部件、在制品、產(chǎn)品及其輔助物料。庫存管理的主要功能是在供、需之間建立緩沖區(qū)，達到緩和用戶需求與企業(yè)生產(chǎn)能力之間，最終裝配需求與零配件之間，零件加工工序之間、生產(chǎn)廠家需求與原材料供應商之間的矛盾。庫存管理主要關注實時的庫存量及庫存儲運過程中的損失事件，故庫存管理的關鍵事件指標主要有庫存量、儲運損失率(Storageandtransportationlossratio，STLR)、庫存周轉量(Inventoryturnsratio,IT)等。2.物聯(lián)制造執(zhí)行過程中的關鍵事件交貨期管理交貨期管理是指企業(yè)將產(chǎn)品交付客戶的科學系統(tǒng)的管理過程和辦法。交貨期管理涉及采購、生產(chǎn)、銷售、庫存等多個環(huán)節(jié)，囊括了生產(chǎn)管理、質量管理、物料管理等領域，必須通過企業(yè)各個部門的協(xié)作來實現(xiàn)。交貨期管理的核心是生產(chǎn)時間的管理，與之相關的交貨期事件主要有實時生產(chǎn)進度，訂單的下達與交付以及生產(chǎn)周期，相應的指標有交付周期，產(chǎn)品生產(chǎn)周期，準時交貨率。交貨期管理的另一部分為產(chǎn)量管理，主要有總產(chǎn)量和單位時間產(chǎn)量兩種指標。3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模著色Petri網(wǎng)定義8.3：著色Petri網(wǎng)的靜態(tài)結構可以描述為CPN={P,Po,Po,T,Ttype,Arc,GF,C,B,E}(1)P是庫所(Place)的有限集合，每個庫所指代一類事件；(2)為輸入庫所的有限集合；(3)

為輸出庫所的有限集合；(4)T是變遷(Transition)的有限集合；(5)Ttype是托肯(Token)類型的集合；(6)Arc是連接庫所和變遷的弧的集合；3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模著色Petri網(wǎng)定義8.3：著色Petri網(wǎng)的靜態(tài)結構可以描述為CPN={P,Po,Po,T,Ttype,Arc,GF,C,B,E}(7)GF是守衛(wèi)函數(shù)(GuardFunction)的集合G:T

{Expression}，其中，Expression描述了事件的約束條件表達式，結果是與輸入庫所顏色相關的布爾表達式；當G未指明或等于空集時，即該變遷的守衛(wèi)函數(shù)永為真(8)C是顏色函數(shù)，C={C(P),C(t)}，其中，C(p)是與每個庫所有關的色彩集合，C(t)是與變遷有關的色彩集合；(9)B是變遷表達式，B：T

{Expression}，其中expression描述如何計算輸出token的屬性值；(10)E是有向弧的權函數(shù)，描述了弧上消耗或產(chǎn)生的Token數(shù)目和顏色。3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模分層著色Petri網(wǎng)通過用替代庫所與替代變遷替代低層網(wǎng)絡模型，將制造過程事件屬性用顏色(Color)表示，并考慮到制造系統(tǒng)時間相關因素，能夠很好地簡潔經(jīng)典PN結構，提高PN圖形化描述系統(tǒng)的能力。分層時間著色Petri網(wǎng)(HierarchicalTimedColoredPetriNet)的靜態(tài)結構可以用定義8.4所示方法進行描述。定義8.4：分層著色Petri網(wǎng)由一組子著色Petri網(wǎng)組成，如HTCPN={HTCPN_1,HTCPN_2,…HTCPN_n},這里HTCPN_i(i=1-n)為子著色Petri網(wǎng)，n是組成系統(tǒng)模型的子著色Petri網(wǎng)總數(shù)量。HTCPN建?！臼录侯I料出庫事件物料裝載物料核對托盤裝載物料搬運物料卸載正確錯誤工作流程Petri網(wǎng)模型依據(jù)以下步驟建立該事件系統(tǒng)的CPN模型1.確定系統(tǒng)的所有資源。該系統(tǒng)的資源包括：配貨員、裝載工件的托盤，物料搬運工人，搬運小車，待分配物料2.確定各資源有關的所有活動及其先后順序，并建立其子模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建模——基本事件：領料出庫事件Petri網(wǎng)模型2.確定各資源有關的所有活動及其先后順序，并建立其子模型1）托盤歷經(jīng)以下狀態(tài)與活動：裝載上物料搬運工人核對托盤上物料被裝載到搬運載體被搬運載體配送至生產(chǎn)工位處物料被卸載進而建立相應的PN模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录侯I料出庫事件Petri網(wǎng)模型1）托盤歷經(jīng)以下狀態(tài)與活動，進而建立相應的PN模型P1T1P4T2T4P6T3P7P10T5P53.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录侯I料出庫事件Petri網(wǎng)模型2）配貨員歷經(jīng)以下狀態(tài)與活動，并構建PN模型按訂單調配物料完成任務，人員釋放3）搬運工人與搬運載體需要一起工作，故將二者合并在一個子模型，搬運載體與搬運工人歷經(jīng)以下狀態(tài)與活動搬運工人與搬運載體到達物料所在位置，并核對物料裝載托盤到搬運載體上搬運托盤到達目標工位卸載物料到工位inbufferT1P4T2P3T2T4P8P9P6T3P7P10T53.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录侯I料出庫事件Petri網(wǎng)模型3.根據(jù)各資源之間的關系，合并所有子模型，得到系統(tǒng)的模型各子模型之間存在著共用的庫所和變遷，雖然這些庫所和變遷在不同的子模型中，代表的意義可能不同，但實際上他們表示同一過程，只是不同的子系統(tǒng)從各自的角度用不同的語意予以解釋。例如，T1在托盤模型中的解釋為“被裝載上物料”，在配貨員模型中解釋為“按訂單調配物料”，實際上，我們在系統(tǒng)模型中可以用語意“配貨員按訂單裝載物料到托盤上”統(tǒng)一這些不同的解釋。3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录侯I料出庫事件Petri網(wǎng)模型3.根據(jù)各資源之間的關系，合并所有子模型，得到系統(tǒng)的模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录杭庸ぜ把b配事件Get1AGet3BGet1C以下面的裝配過程進行討論如圖所示，該裝配過程有三種物料參與((1A+3B)+1C)。在裝配之前，需要先核對員工及物料實時情況(T1,T3)，如果員工正確且物料充足，則可以依次完成裝配任務(T7,T8)；否則，需要調配正確的員工(T2)或者補充物料(T4,T5,T6)3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录杭庸ぜ把b配事件000P4T2T1P2P3P1P5P6P7T3P8P9T4T5T6P10T7T8P11P12Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建模——基本事件：加工及裝配事件Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！臼录嘿|量檢驗事件物料緩沖區(qū)檢測工序合格品緩沖區(qū)廢品區(qū)生產(chǎn)線123在制品需維修緩沖區(qū)工作流程如圖所示，在制品經(jīng)過質量檢測工序進行質量檢測，檢測過程分為兩步：初檢和機器檢測(T1,T2)。然后通過依據(jù)檢測結果，流入不同的區(qū)域：合格品緩沖區(qū)，需維修緩沖區(qū)，廢品緩沖區(qū)。流入過程在PN模型中分別用T3，T4，T5。3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建模——基本事件：質量檢驗事件P1T1P4T2P2P3P5T3T4P6T5P7P8P9P10Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！獜碗s事件前橋總成安裝前橋總成分裝線后橋總成安裝發(fā)動機總成安裝傳動軸安裝變速器操縱機構安裝轉向操縱系統(tǒng)安裝制動系統(tǒng)安裝燃油供給系統(tǒng)安裝下線后橋總成分裝線發(fā)動機總成分裝線車體上線工作流程：以底盤加工線為例3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！獜碗s事件P1T1T8P10T10P13T2P2P7P8P12T11P14T13P18P19P20P21T14P22P23T15P24T4P5T7P9T9P11T3P3T5P6T12P16P17P4T6P15Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！獜碗s事件Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！P鍵事件PBS區(qū)內飾一線內飾二線儀表板分裝線車門分裝線底盤線總裝線動力總成分裝線后懸分裝線檢測線出車間進車間調試線工作流程，以某汽車總裝項目為例3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！P鍵事件P1T1T3P3T2P2T4P4T6P5T5P7T8P8T9P9T7T10P10P13P11T11T12P12T10P16P18T13P20P19P14P17P6P15Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模HTCPN建?！P鍵事件Petri網(wǎng)模型3.基于分層時間著色Petri網(wǎng)的關鍵事件建模4.基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析體系構架工作流程1.基于生產(chǎn)狀況的決策樹構建模塊，采用決策樹分析算法（如C4.5、Fuzzy-ID3），對歷史數(shù)據(jù)進行分析，獲取生產(chǎn)性能分析決策樹以及異常提取決策樹，構建相應分析規(guī)則庫2.生產(chǎn)異常提取模塊，針對實時生產(chǎn)性能信息，從決策樹數(shù)據(jù)庫中調用相應的分類規(guī)則，進而通過實時狀態(tài)與規(guī)則的匹配情況，提取出生產(chǎn)異常信息，并對異常事件標識上異常標簽(如L1)以區(qū)分于正常事件3.異常原因定位模塊，針對事件異常等級，篩選出能導致該等級異常的規(guī)則，通過實時制造資源狀況與模糊規(guī)則的匹配情況，分析出在當前制造資源狀況下各規(guī)則的真實度與隸屬度，篩選出最可能的異常規(guī)則，作為異常原因4.基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析體系構架4.基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析生產(chǎn)性能異常提取簡單的生產(chǎn)異常提取數(shù)據(jù)集合4.基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析生產(chǎn)性能異常提取構建決策樹1.選擇擴展屬性（選擇樹的根節(jié)點）；針對連續(xù)屬性的值域則將其分割為離散的區(qū)間集合2.對劃分得到的各個樣例子集遞歸選擇擴展屬性進行劃分，直到滿足停止條件，最終生成決策樹4.基于決策樹的生產(chǎn)過程實時性能分析生產(chǎn)性能異常提取由決策樹生成規(guī)則一顆決策樹可以轉換為一組If-Then規(guī)則，由樹的根節(jié)點到葉節(jié)點的每條路徑對應一條If-Then規(guī)則，所示的決策樹可以轉換為下面的這組If-Then規(guī)則。規(guī)則1IfType=AandPT>75,ThenOut=Abnormal規(guī)則2IfType=AandPT<=75,ThenOut=Normal規(guī)則3IfType=B,ThenOut=Normal規(guī)則4IfType=CandTimes=