注塑产品并行开发工作流管理关键技术研究

论文题目: 注塑产品并行开发工作流管理关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 杨宁

导师: 阮雪榆,周雄辉

关键词: 工作流管理,注塑产品,并行工程,敏捷制造,设计结构矩阵,工作流程规划,合作伙伴选择,任务调度,过程建模与控制

文献来源: 上海交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 可制造性评价及流程管理是计算机支持的协同工作与先进制造技术相结合的产物,是一项针对企业经营过程管理的软件和系统技术。采用工作流管理技术是企业在激烈市场竞争压力和科学技术进步推动下的必然选择,是企业高质量、短时间、低成本地推动新产品研究与开发的重要保证。注塑产品开发是一个十分复杂的过程,它涉及产品设计、模具设计、注塑成型过程计算机仿真等多个方面。以往,对注塑产品开发的研究主要集中于CAD/CAE/CAM方面,而对产品的开发工作流程管理等方面研究则较少。当涉及工作流程管理的问题时,一般是通过手动或半自动的方式进行处理,大大降低了产品开发的效率,难以适应新制造模式下企业过程管理的需求。本文将工作流管理技术引入注塑产品开发过程中,结合并行工程、敏捷制造等先进制造思想,对敏捷制造环境下注塑产品并行开发工作流管理系统关键技术进行了研究和探讨。其主要研究内容如下:根据现代产品开发的特点和需求,在对工作流管理相关技术全面回顾的基础上,提出了敏捷环境下的注塑产品并行开发工作流管理系统模型。基于对象描述方法和标准建模语言,给出了工作流元模型的形式化定义和图形化描述,使得抽象的工作流元模型更加贴近于具体应用。基于Web Service技术,建立了敏捷环境下注塑产品并行开发工作流集成框架,使得产品开发活动更容易、有效地被部署,基于工作流技术的各种应用能够实时地、无缝地进行互操作,从而保证了敏捷模式下产品开发活动的顺利进行。深入研究了并行环境下开发活动间的相互关系,首次提出了一种基于映射机制和事例推理的设计结构矩阵(DSM)计算方法。首先,解析了注塑件特征与设计结构矩阵间的关系,提出了一个包括特征映射、工艺映射和邻接映射关系的特征-活动的多阶段映射关系表达式,获得了零件特征与设计结构矩阵之间关系的定性认识。然后,以事例推理技术为量化求解平台,用模拟退火算法和粗糙集对事例的索引、检索、修改学习等关键技术进行了重点研究,并建立了数学模型及相应算法,通过多种技术的相互融合与渗透,成功继承与模拟专家的经验知识。深入研究了耦合活动对开发任务执行次序的影响,以图论的相关原理为基础,提出了一种新的基于图论的并行流程规划方法。围绕并行活动的定耦与解耦问题,将整个流程规划分为活动识别和活动规划两大阶段。在活动识别阶段,通过邻接矩阵、可达矩阵和强连通矩阵,对耦合活动进行了识别。在活动规划阶段,首先借助缩减矩阵、层次递阶矩阵,通过建立相邻层次活动间的偏序关系,对开发活动进行总体规划。在此基础上,借助模糊设计结构矩阵,通过耦合活动间关联强度大小,确定耦合活动撕裂优先级,对开发活动的进行局部规划,以最终实现并行开发流程的优化与重组。整套方法一个突出的优点和创新点是能够实现流程图的自动生成,从而大大提高了工作流程规划的自动化水平。研究了敏捷制造环境下合作伙伴的选择方法,结合模具制造企业发展的战略需求,提出了一个面向模具开发的合作伙伴模糊选择方法。首先,建立了综合评价指标体系,对敏捷开发任务需求进行了明确的描述。然后,对当前主要评价方法进行了对比与分析,面向整条生产链的优化,提出了一个面向注塑产品并行开发的合作伙伴多指标优化模型,以追求整个生产链性价比的最大化为目标。进一步以生产链作为禁忌对象,基于活动位置禁忌,提出了一个的合作伙伴优选禁忌搜索算法。针对注塑模具领域强经验弱理论的特点,各评价指标及权重值均采用三角模糊数表示,使决策能够更符合领域专家的思维习惯。研究了敏捷制造环境下生产任务调度方法,结合模具生产制造的特点,提出了一个柔性动态的产品并行开发任务调度模型,并对模型中柔性动态的环境参数进行了详细计算。在此基础上,提出了一个基于扩展工序编码方法的遗传算法,并对算法中染色体编码/解码、遗传算子设计、优选策略设计等关键技术进行了重点研究。为保证任务尽早完工,染色体编码/解码分别通过柔性和活动调度相结合的方法进行设计。为避免计算过程潜在的冲突与死锁情况的发生,染色体交叉算子通过次序交叉和“冒泡”排序相结合的方法进行设计。为避免由于染色体雷同而造成种群整体的早熟现象的出现,染色体变异算子通过差异度的概念进行设计。为保证遗传算法收敛于全局最优解,适应度函数通过调节参数进行设计,以维持种群的多样性。深入研究了工作流过程建模与监控方法,针对注塑产品并行开发流程复杂、环节多的特点,首次提出了一种带有总控页的层次赋时有色Petri网模型-CHCTPN(Control page-based Hierarchical Colored and Timed Petri Nets)。为降低开发活动及其状态管理的复杂性,在保留CTPN描述优点的基础上,CHCTPN通过层次聚类的方法来对耦合开发活动分而治之。为了有效监控复杂环境下工作流状态,保证开发任务的如期进行,CHCTPN通过将控制页引入Petri网,力求使各种过程控制功能与方法能够在Petri网中得到表达与应用。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 现代生产模式的变革

1.1.1 计算机集成制造

1.1.2 并行工程

1.1.3 智能制造

1.1.4 敏捷制造

1.2 工作流管理技术

1.2.1 工作流管理的概念

1.2.2 工作流管理的技术体系

1.2.3 国内外研究现状

1.3 现代注塑产品开发模式

1.3.1 模具企业面临的问题

1.3.2 注塑产品开发过程研究现状

1.4 论文选题背景、意义和研究内容

第二章注塑产品并行开发工作流管理系统框架

2.1 工作流管理系统参考模型

2.1.1 工作流系统功能

2.1.2 工作流参考模型

2.1.3 工作流元模型

2.2 注塑产品并行开发工作流系统设计

2.2.1 总体要求

2.2.2 面向对象的注塑产品并行开发工作流元模型

2.2.3 注塑产品并行开发工作流集成框架

2.3 敏捷模式下注塑产品并行开发工作流管理系统框架

2.4 本章小结

第三章注塑产品并行开发设计结构矩阵计算方法研究

3.1 设计结构矩阵

3.2 注塑产品特征与设计结构矩阵之间的映射机制

3.3 相关背景知识

3.3.1 基于事例的推理技术

3.3.2 模拟退火算法

3.3.3 粗糙集技术

3.4 基于事例推理的注塑产品并行开发设计结构矩阵计算

3.4.1 计算流程

3.4.2 CBR 特征编码

3.4.3 基于模拟退火算法的事例检索方法

3.4.4 基于粗糙集的事例修改方法

3.5 设计结构矩阵计算实例

3.6 本章小结

第四章注塑产品及模具并行开发过程规划

4.1 产品开发过程与并行工程

4.2 产品并行开发过程活动的类型和特点

4.3 基于图论的产品并行开发过程规划

4.3.1 基于图论的产品并行开发过程规划流程

4.3.2 基于图论的产品并行开发流程规划方法

4.4 注塑产品并行开发实例

4.4.1 注塑产品及模具开发过程分析

4.4.2 注塑产品并行开发步骤

4.5 本章小结

第五章敏捷模式下注塑产品开发合作伙伴选择方法

5.1 引言

5.2 综合评价指标的确定

5.3 合作伙伴优化选择模型

5.4 基于三角模糊数的定性指标量化方法

5.5 模型优化禁忌搜索算法设计

5.6 算例

5.7 本章小结

第六章注塑产品并行开发任务调度策略

6.1 调度问题描述与NP 难问题

6.1.1 调度问题描述

6.1.2 NP 难问题

6.2 遗传算法基本原理

6.3 敏捷环境下注塑产品并行开发任务调度模型

6.3.1 注塑模具生产调度问题的特点

6.3.2 注塑产品并行开发柔性动态调度模型

6.3.3 动态环境参数的计算

6.4 注塑产品并行开发任务调度的遗传算法设计

6.5 算例

6.6 本章小结

第七章注塑产品并行开发工作流建模与控制

7.1 基于Petri 网的建模方法

7.1.1 Petri 网的研究

7.1.2 Petri 网定义

7.1.3 赋时有色Petri 网定义

7.1.4 信息控制网和工作流定义

7.2 工作流网络的控制结构

7.3 工作流网络托肯及触发规则

7.4 基于Petri 网的工作流模型特性分析

7.4.1 安全性与有界性分析

7.4.2 活性与死锁

7.4.3 冲突分析

7.4.4 模型转换与组合

7.4.5 工作流模型结构合理性判据

7.5 基于Petri 网的注塑产品并行开发工作流建模

7.5.1 CHCTPN 定义

7.5.2 基于CHCTPN 的注塑产品并行开发工作流模型

7.6 本章小结

第八章基于Web 的注塑产品并行开发工作流管理原型系统的实现

8.1 系统概述

8.2 系统配置与管理

8.3 系统运行实例

8.3.1 导航服务

8.3.2 设计结构矩阵计算

8.3.3 工作流程规划

8.3.4 合作伙伴选择

8.3.5 任务调度

8.3.6 工作过程控制建模

8.3.7 系统配置与管理

8.4 本章小结

第九章结论与展望

参考文献

作者在攻读博士学位论文期间所完成的论文

致谢

发布时间: 2006-12-29

注塑产品并行开发工作流管理关键技术研究

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