摘 要：为了实现网络制造环境下制造资源的共享与优化配置，提出了面向复杂零件的协同制造链的概念，分析了协同制造链的特点。通过对某航空发动机关键零件制造过程的分析，详细论述了协同制造链的生成与演化过程，提出了一种基于蚂蚁算法的组合优化求解策略，有效地解决了协同制造链优化配置问题。最后，基于网络协同制造平台实现了协同制造链的构建与运行。
关键词：网络制造；协同制造链；平台；蚂蚁算法
引言
当今的制造业已发展成在网络制造模式管理下，将产品设计、制造、销售等企业结成合作伙伴，形成一个分散型的网络制造体系，通过组建虚拟企业，进行生产经营活动的合作，以实现企业间资源的共享和优化配置［1-2］。
本文针对某航空发动机关键零件的异地协同制造，提出了协同制造链的概念，它能够灵活而迅速地把分布在不同地理位置的制造资源和各种核心生产能力迅速地组织成一个统一指挥的经营实体。本文重点论述协同制造链的概念和特点，并结合某航空发动机关键零件描述协同制造链的生成、演化过程及其优化配置方法。
1 相关研究工作
作为一种具有快速响应机制的网络制造模式，协同制造链的研究与网络化制造研究直接相关。目前网络化制造［3,4］仍在理论或模式研究阶段。国内外学者提出的与网络化制造相关的概念、原理和体系结构包括：分散网络化制造［4］、基于网络的敏捷制造［5］、基于Agent的网络化制造［6］、以Web为中心的全球制造［7］、分布式网络化制造系统［8］和网络化集成制造［9］ 等等。尽管在名称上不同，实质上都是通过计算机网络的协调和运作，把分布在世界各地的资源（人力、设备和信息资源）组织起来，实现企业间资源共享，缩短产品的开发和生产周期，提高企业的市场竞争能力。
2 协同制造链的定义与特点
2.1 协同制造链的定义
定义1 协同制造链（Collaborative Manufacturing Chain, CMC）。协同制造链是围绕核心企业，将复杂零件工艺过程中的部分制造工序，分别由网络中多个企业所提供的制造服务完成，各制造服务之间按一定顺序组合成一个整体的服务链。在该服务链中，每-个节点都是一个制造服务，节点之间的先后顺序关系由零件的结构特点、技术要求、制造成本、质量以及交货期来确定［10］。计算机集成制造系统第12卷第1期吉 锋 等： 网络制造环境下面向复杂零件的协同制造链研究协同制造链可以用下式来描述：
CMC=∑ni=1Si， i=1,2,3，…，n；
Si=(NSi,Oi,Sij)， j=1,2,3，…，n。
式中，Si为整个协同制造链中第i个制造服务，NSi为制造服务Si的名称，Oi为制造服务Si所完成的制造工序，Sij描述了制造服务Si与下一个制造服务Sj之间的先后顺序关系。
2.2 协同制造链的特点
协同制造链本质上是网络环境下的一种合作制造模式，其特点是：
(1)网络化。利用以Internet为标志的信息高速公路，将分布在不同地理位置的制造资源连接成一个有机的整体，实现信息交流和资源共享，零件制造通过竞争合作方式进行。
(2)虚拟化。协同制造链是基于网络空间的制造活动组织形式，零件制造的各个环节由不同的企业来完成，采用虚拟企业的形式来组织管理。
(3)技术最优化。为了制造某种复杂零件，盟主企业可以在网络空间中寻求技术、设备最好的合作伙伴，各个企业可以充分发挥其技术优势，形成最优组合，以达到技术的最优化。
(4)开放性。计算机互联网络的最大特点是开放性，建立在这个基础上的协同制造链，也将是一个开放的系统。
(5)分布集成性。协同制造链由多个伙伴企业组成，这些企业在空间上分布在不同的地域甚至跨越国界，这种地域上分散的缺点可以在计算机网络技术支持下通过信息集成得以弥补。
(6)动态性。构成协同制造链的成员不象传统企业那样一成不变，而是为了共同的利益通过某个市场机遇暂时联合在一起。
3 协同制造链的生成与演化过程
应用统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)顺序图来描述协同制造链的生成过程。UML顺序图将对象的交互关系表示为一个2维图，纵向是时间轴，横向轴代表了协作中各个独立的对象。对象用生命线表示，当对象存在时，角色用一条虚线表示；当对象的过程处于激活状态时，生命线是一条双道线。UML顺序图非常适合用来描述协同制造链生成过程中所涉及的相关对象之间的交互活动。图1为协同制造链的生成过程，图中带箭头的实线描述了盟主企业、盟员企业以及制造服务注册中心等对象的交互活动，箭头线上的文本提供了一个关于此交互的简单描述。
协同制造链的生成主要包括以下几个步骤：
（1）零件加工工艺分析
工艺过程规划是连接产品设计与产品制造的桥梁，其主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。协同制造链的构建过程可以近似地看作网络环境下复杂零件的工艺规划过程，它同样依赖于零件的工艺信息。在协同制造链的构建过程中，盟主企业应首先对零件进行工艺分析，了解零件的各项技术要求，找出主要技术要求和加工关键，初步划分工艺过程的组成，选择零件表面的加工方法，安排加工顺序和组合工序，确定零件的加工周期。
在零件加工工艺分析阶段，盟主企业应该根据零件的制造要求(包括数量、精度、质量、交货时间等)评估本企业的制造资源，看其能否满足要求，确定缺少的加工能力。评估的结果将作为制造服务发现的依据。在对零件进行工艺分析后，盟主企业将获得一个面向网络协同制造的零件工艺规划（Collaborative-Oriented Process Plan，COPP）。
定义2 面向网络协同制造的零件工艺规划（COPP）。COPP是完成一个零件加工的所有可能的工艺过程的集合，它包括完成该零件的所有工序，以及每道工序所包含的工步，工序之间的先后顺序受生产类型、零件的结构特点、技术要求等约束。nextpage
与传统的工艺过程不同，COPP中的工序与工步均未与加工车间、工段、加工设备以及工装相关联，并且COPP中某些工序的加工顺序也未完全确定。COPP的设计基于工序集中原则，零件的加工集中在少数几个工序内完成，每个工序的内容和工步都较多，工步之间按先粗后精、先主后次、先面后孔等规则进行排序。
图2为某航空发动机关键零件的COPP，其中节点O表示工序，节点P表示工步，连接弧表示节点之间的先后顺序关系，AND节点用于描述无严格的加工先后顺序关系的工序集合。由图可知，该零件的加工过程包括9道工序。首先划线、线切割结合面，然后可以进行前、后槽加工，或者进行前、后端面加工，或者进行结合面加工，这些工序之间没有严格的先后顺序关系。由于该零件属于薄壁件，考虑到加工变形等因素，只有在上述工序完成后方可进行外形面的加工，最后进行荧光检验。图2中加工结合面工序又包括了5道工步，依次是粗铣结合面、半精铣结合面、钻镗结合面工艺孔、反锪结合面工艺孔、精铣结合面。
（2）制造服务发现
针对零件加工制造过程中本企业所不具有的工艺能力，盟主企业去制造服务注册中心搜索能够满足工序技术要求的制造服务，将这些工序外包给制造服务提供商进行加工。对每一道外协工序，制造服务中心可能会返回多个满足要求的制造服务。如果制造服务注册中心无法返回满足外协工序要求的制造服务，盟主企业则应对零件图样的完整性、技术要求的合理性以及材料是否选择恰当等提出相关修改意见。盟主企业在完成制造服务发现后，将获得一个依赖于制造服务的零件工艺规划（manufacturing Service-Dependent Process Plan，SDPP）。
定义3 依赖于制造服务的零件工艺规划（SDPP）。SDPP是一个包含AND节点和带工序标志的OR节点的有向图，SDPP通过将制造服务注册中心返回的制造服务与COPP中对应的工序进行绑定后生成，SDPP中的每一个制造服务都具有完成COPP中对应工序的能力。
图3为某航空发动机关键零件的SDPP，其中划线、荧光检验这2道工序由盟主自行完成，其余工序则外包给相应的制造服务完成。图中引入了带工序标志的OR节点，2个OR节点之间是满足该道工序加工要求的所有可选制造服务集合，如加工结合面这道工序就可由制造服务F或制造服务I完成。
（3）协同制造链生成
协同制造链的生成分为人工筛选与优化配置2个阶段。
在人工筛选阶段，盟主企业首先通过制造服务描述文件中的服务提供商联系信息与每一个制造服务提供商进行联系，询问并确认各提供商的最终报价、制造周期、以及加工质量等方面信息。然后，盟主企业对各制造服务提供商返回的结果进行评价，剔除明显不合适的制造服务（或因为报价过高，或由于加工周期太长），获得一个筛选后的SDPP。
图4为一个筛选后的SDPP，其中在线切割结合面的工序中，服务B由于报价超过盟主企业预期而被剔除；加工前后端面的工序中，服务G则由于加工周期过长而被剔除；加工结合面的工序中，服务F也是由于加工周期过长而被剔除。 在优化配置阶段，盟主企业将筛选后的SDPP根据成本、周期等约束条件进行制造过程的优化配置，最终生成协同制造链，图5为某航空发动机关键零件的协同制造链。对于可以由同一制造服务完成的多道工序，对其进行归并处理，图5中加工前、后槽这两道工序可由制造服务C完成，加工前、后端面这两道工序可由制造服务F完成，分别对其进行了归并，将其合并为一个节点。
（4）合同签订
盟主企业选择一条最优的协同制造链，与相关制造服务提供商签约，协同制造链正式进入运行阶段。在协同制造链运行阶段，将生成一个协作项目，采用基于网络的协作项目管理形式对整个零件的制造过程进行管理。nextpage
4 基于蚂蚁算法的协同制造链优化配置
协同制造链优化配置的过程是确定外协工序最终所选择的制造服务，以及制造服务之间先后顺序的过程，其实质是一个组合优化问题。对于这类问题，至今尚无多项式解法可以求出精确解，一般采用启发式算法来解决。本文采用蚂蚁算法，以解决协同制造链的优化配置问题。
在网络协同制造链的优化配置过程中，对筛选后的SDPP使用蚂蚁算法进行优化，生成协同制造链。具体过程如下：首先基于模糊层次分析法对制造服务进行综合评价，为每一个工序选定一个最优的制造服务；然后设置列表tabuk(s)用于存放蚂蚁选择的节点（即每个工序对应的制造服务节点），并将每只蚂蚁的起始节点（即SDPP第1个节点）置于tabuk(0)中，并在每两个节点(i,j)之间设置相同的信息素（τij(t)=c）和信息素增量（Δτij=0），之后根据信息素的大小来计算t时刻第k只蚂蚁在节点i处选择下一个节点j的概率，
pkij(t)=［τij(t)］α*［ηij］β∑k∈allowk［τij(t)］α*［ηij］β，j∈allowk；
0，j?allowk。
其中，α，β分别控制信息素及启发式信息相对重要程度的2个参数，计算前给定；ηij=1/dij，dij是i,j节点之间的运输成本；allowk表示第k个蚂蚁下一步可以选择的节点。根据概率的大小来选择下一个节点j，并将节点j插入列表tabuk(s)。当tabuk列表满时，计算第k只蚂蚁所选择节点的成本Lk，并计算信息素增量，
Δτkij=QLk，(i,j)∈tabuk描述的边；
0，Δτij:=Δτij+Δτkij。
之后根据等式τij(t+n)=ρ*τij(t)+Δτij为每2个节点间计算信息素浓度τij(t+n)（ρ为信息素的持久程度，计算前给定），并重新设置每2个节点间计算信息素增量为Δτij：=0。清空tabu列表，让蚂蚁重新循环，循环一定次数，当所有蚂蚁选择的节点相同时，即生成一条优化的协同制造链。
5 基于网络协同制造平台的协同制造链构建与运行
协同制造链的核心思想是基于面向服务的架构模型（Services-Oriented Architecture, SOA）［11-12］，利用制造服务的组合，将分布于不同地点的制造资源结合起来共同完成复杂零件的制造过程。在具体实现过程中，构建了一个网络协同制造平台，以支持协同制造链的构建与运行。网络协同制造平台是一个运行在语义Web框架下，以提供制造资源共享服务为主要功能的信息基础结构，该平台基于应用服务提供商(Application Service Provider,ASP)模式提供项目管理、协同制造链构建等应用服务。用户注册成为平台用户并登录后，即可进行协同制造链的构建工作。结合某型号航空发动机前机匣异地协同制造，阐述系统的实现。
首先，创建零件COPP，图6为某型号航空发动机前机匣的COPP，主要由工序节点、AND节点组成，以树的形式显示在界面左边框架中，右边框架显示对应工序节点的描述信息；在工序信息描述界面，用户可以基于网络化制造本体对工序加工要求进行语义化描述。然后，在语义匹配算法的支持下，用户将COPP中的外协工序与平台制造服务注册中心的制造服务进行匹配，生成该零件的SDPP。图7为某型号航空发动机前机匣的SDPP，最后，用户基于SDPP完成协同制造链的优化生成。该过程包括两个步骤：①用户通过SDPP管理界面输入制造服务的报价、工期等评价信息，并采用模糊层次分析法完成制造服务的综合评价，确定每道工序最终所选择的制造服务（如图8），图8中带星号的制造服务即为最终选择的制造服务；②基于蚂蚁算法完成协同制造链的优化生成，用户选择一个SDPP，点击制造链优化按钮即可。图8界面右边框架显示的即为经过蚂蚁算法优化后生成的某型号航空发动机前机匣的协同制造链。协同制造链构建成功后，各参与企业可以使用平台所提供的协作项目管理工具，进行零件制造任务的进度监控、文档资料共享，完成协同制造链的整个运行过程。
6 结束语
本文提出了面向复杂零件的协同制造链的概念，分析了协同制造链的特点，详细论述了协同制造链的生成与演化过程以及基于蚂蚁算法的协同制造链的优化配置。基于网络协同制造平台建立起来的协同制造链能够利用互联网，把分散在不同地区的生产设备资源、智力资源以及各种核心能力，迅速地组合成开放的、集成的、协同的网络联盟，快速、及时地响应市场的需求变化，赢得竞争优势，为网络制造环境下先进制造企业的合作与资源共享提供了一种新的模式。
