基于资源约束顶层基本骨架的制造协同链建模研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.36MB 76 页 15积分

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摘要

为实现区域性企业动态联盟制造协同链优化组合问题，在顶层基本骨架理论

基础上提出了资源约束顶层基本骨架(Resource constraints Top Basic Skeleton，

RCTBS)模型。并将制造协同链的优化选择问题建立在 RCTBS 运行系统基础之上，

RCTBS 运行系统是区域性企业动态联盟合作伙伴选择和制造协同链优化配置的重

要信息平台和选择平台。在制造协同链（Manufacturing Cooperative Chain，MCC）

组建的初期能够完成对生产环节候选资源集的选择，在 MCC 组建后期能够完成对

制造协同链约束条件的有效调节,实现制造约束条件的整体变更，以适应市场需

求。在 MCC 选择过程中借助于其内在的算法和运行机制进行制造协同链综合性能

的优化求解。在区域性企业动态联盟 MCC 合作伙伴优化选择的过程中，将层次分

析法与小生境蚁群算法有机结合，实现了制造资源约束条件从定性评价向定量评

价转化。

为实现制造协同链的优化选择目标，给出了制造资源可行组合矩阵和制造企

业动态联盟的边权值表示方法，表达前后两个生产环节制造资源的组合情况，为

制造协同链优化组合问题求解打下基础。针对制造协同链优化配置过程中的生产

环节较多、候选制造资源较多，MCC 优化组合过程存在断链的情况，采用小生境

蚁群算法加以实现，有效解决了制造协同链 “组合爆炸”情况下的优化求解问题。

小生境蚁群算法是在利用基本蚁群算法正反馈的同时，有效的避免了基本蚁群算

法在优化过程中出现的停滞现象，便于最终得到较优解。

此外，本文在制造约束条件评价时，针对制造资源的综合性能进行整体评价，

而不是对单一性能进行优劣评判，为制造协同链组合后期根据市场要求调整制造

约束条件留下了可变更的调节空间。最后针对一次性高速口腔涡轮手机的开发过

程，综合运用层次分析法和小生境蚁群算法的优点，对区域企业动态联盟的优化

组合进行求解，得到了较好的效果，实现了一次性高速口腔涡轮手机的制造协同

链优化组合。

关键词：资源约束顶层基本骨架制造协同链小生境蚁群算法层次分

析法

ABSTRACT

To achieve the problem that the combinatorial optimization of the Regional

Enterprise Dynamic Alliance Manufacturing Cooperative Chain, the theory of the

Resource Constraints Top Basic Skeleton (RCTBS) is put forward based on the theory

of Top Basic Skeleton. It builds the optimization of the Manufacturing Cooperative

Chain (MCC) on the basis of RCTBS’s operating system, RCTBS operating system is

the important information platform and choice platform for selecting regional enterprise

dynamic alliance partner and optimization distribution of the manufacturing

collaboration chain. At the initial part of forming the MCC, selecting the candidates of

the set of resources on the production option has completed. At the initial part of the

MCC changing the manufacturing constraints to meet the market demands can be

achieved by effectively regulating the MCC. When selecting the MCC, with its intrinsic

algorithm and the operational mechanisms, the integrated performance optimization

solution of the MCC can be achieved. In the optimal selecting processing of the MCC’s

partners of the regional enterprise dynamic alliance, combined the AHP method and

Microhabitat Ant Colony Optimization Algorithm to achieve the transformation of the

manufacturing resource constraints from qualitative to quantitative evaluation.

To achieve the aim of optimization of Manufacturing Collaboration Chain, a viable

combination matrix of manufacturing resources and the representation of the

manufacturing dynamic alliance’s side weight are given. The combination of

manufacturing resource in the two production processes which is ahead and after the

production chain lays the groundwork for the optimization of MCC. Aimed at the

problems, which are there are more production chains, more candidate resources

enterprise and there may be disconnect chains when optimization for manufacturing

collaboration, in optimized combination of MCC, the Microhabitat Ant Colony

Optimization Algorithm is used. It can effectively solve the problem that optimization

among the "combinatorial explosion" of MCC. Positive feedback method in the basic

ant colony algorithm was effectively used in the Microhabitat Ant Colony Optimization

Algorithm. At the same time, stagnation in the basic ant colony algorithm when

optimization was effectively avoided. And then the more excellent solutions can be

finally received.

In addition, when evaluation the manufacturing constrains, this paper evaluates the

combination property of manufacturing resources by an overall evaluation rather than

the merits of a single judge. This method provides a modifiable regulation space for

adjusting the manufacturing constraints in the later period of the combination of MCC.

And it just is the difference with other papers which only aim at single manufacturing

constraints optimization. "An One-Off High Speed Turbine Dental Hand pieces

（HSTDH）" was developed. This paper, in the development process of an One-Off

High Speed Turbine Dental Hand pieces（HSTDH）, the AHP method and Microhabitat

Ant Colony Optimization Algorithm are organic combined. It is used to solve the

optimization combination of the dynamic alliance. Better effects are received, and the

optimization of the HSTDH’s MCC is achieved.

Key words: Resource Constraints Top Basic Skeleton, Manufacturing

Cooperative Chain, Microhabitat Ant Colony Optimization, Analytic

hierarchy process

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 研究背景 ..........................................................................................................1

§1.2 国内外研究现状 ..............................................................................................2

§1.2.1 网络化制造模式的国内研究现状 .......................................................2

§1.2.2 网络化制造模式的国外现状 ...............................................................3

§1.3 目的意义以及研究内容 ..................................................................................4

§1.3.1 本课题研究的主要意义及价值 ...........................................................4

§1.3.2 本课题研究的主要内容 .......................................................................4

§1.4 课题来源 .........................................................................................................5

第二章制造协同链及区域性制造资源分析 ................................................................ 6

§2.1 传统生产方式与现代生产方式比较 ..............................................................6

§2.1.1 传统生产方式中的招投标模式 ............................................................6

§2.1.2 现代制造技术的生产方式 ....................................................................6

§2.2 制造系统的生产方案 ......................................................................................7

§2.2.1 生产方案的多样性 ...............................................................................8

§2.2.2 特定生产方式下生产方案的组成 ........................................................8

§2.3 生产方案的描述及相关定义 ..........................................................................9

§2.4 区域性制造资源的特点 ................................................................................13

§2.5 区域性制造资源分析 ...................................................................................14

§2.5.1 区域制造资源树 .................................................................................14

§2.5.2 基于 RMRT 的区域制造协同链 ....................................................... 15

§2.6 本章小结 ..........................................................................................................16

第三章制造协同链优化选择算法 .............................................................................. 17

§3.1 蚁群算法 ........................................................................................................17

§3.1.1 基本蚁群算法概述 .............................................................................17

§3.1.2 基本蚁群算法与制造协同链优化选择问题的内在联系 ...................19

§3.1.3 小生境蚁群算法 .................................................................................20

§3.2 基于层次分析法的定性评价的定量表达 ....................................................24

3.2.1 层次分析法概述 ......................................................................................24

3.2.2 层次分析法在候制造选资源综合性能指标评价中的应用 ..................24

3.2.3 候选制造资源定量评价的意义 ..............................................................29

§3.3 本章小结 .......................................................................................................30

第四章资源约束顶层基本骨架 .................................................................................. 31

§4.1 制造协同链的自顶向下组建 ........................................................................31

§4.2 资源约束顶层基本骨架 ................................................................................32

§4.2.1 资源约束顶层基本骨架 RCTBS 描述 ...............................................32

§4.2.2 RCTBS 的运行过程 .........................................................................34

§4.3 资源约束顶层基本骨架 RCTBS 运作研究 .................................................35

§4.3.1 RCTBS 运行系统结构 .......................................................................35

§4.3.2 RCTBS 运行系统运作模型 ................................................................36

§4.4 RCTBS 运行系统的运作特点 ......................................................................38

§4.5 RCTBS 的功能 ..............................................................................................40

§4.6 本章小结 ........................................................................................................41

第五章制造协同链的组建及优化研究 ...................................................................... 42

§5.1 制造协同链的优化分析 ................................................................................42

§5.1.1 定性指标的定量转化问题 ...................................................................42

§5.1.2 制造资源结点断路情况下制造协同链组建分析 ..............................43

§5.2 合作伙伴选择步骤 .......................................................................................44

§5.3 本章小节 .......................................................................................................49

第六章基于制造协同链的一次性涡轮口腔手机开发 .............................................. 50

§6.1 一次性高速涡轮口腔手机研制的目的及意义 ...........................................50

§6.2 “一次性高速口腔涡轮手机”的开发 .......................................................51

§6.3 本章小结 ........................................................................................................66

第七章结论与展望 ...................................................................................................... 67

§7.1 结论 ...............................................................................................................67

§7.2 展望 ..............................................................................................................68

参考文献 .........................................................................................................................69

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 72

致谢 .............................................................................................................................73

第一章绪论

§1.1 研究背景

自21 世纪以来，网络技术迅猛发展，以 Internet 为代表的网络技术使当今社

会发生着深刻的变革，制造业的生产模式在网络技术的冲击下也发生着深刻的变

化。企业的生产过程正由传统的生产方式向网络化制造模式的方向转变。区域性

企业动态联盟作为网络化制造的重要组织形式之一，能够利用网络技术将分散在

区域内不同企业的制造资源迅速整合起来。通过区域内优质制造资源的有效利用

达到降低生产成本、缩短生产周期、提高产品质量的目的。动态联盟作为一种动

态、多变的企业组织形式是一种面对市场机遇快速推出新产品的有效竞争手段，

其实质是按照网络化制造模式临时组建、具有动态性的经济实体。

产品经营过程的扰动因素主要来自市场需求的变化，当市场需求的新产品或新

经营机遇来到时，可以由迅速抓住市场机遇的企业作为盟主，通过发达的计算机

网络和通讯工具把地域上分散和归属于不同企业的制造资源以最快的速度进行最

优组合，对机遇产品进行开发、生产、经营。这种临时结合起来的组织就是“动

态联盟”（也有学者将其称为虚拟企业）。在动态联盟结构中，盟主企业处于核心

地位。

当然，作为盟主企业需要具备两个不可或缺的条件：一方面是盟主企业能够迅

速抓住市场机遇；另一方面是盟主企业必须有很强的技术、经济实力和高智能的

人力资源。同时盟主企业的地位还取决于盟员企业对其信任的程度。为了快速响

应市场要求，制造出符合市场需求的产品，动态联盟企业的生产系统及其生产过

程应当具有可重构性(Reconfigurable)、可重用性(Reusable)和规模可调性(Scalable)，

即RRS 特性。

21 世纪是网络化的时代，以信息化带动工业化是我国政府做出的重要战略决

策之一，目前许多省市均在部署本区域制造业信息化的工作。综合应用电子信息、

先进制造、现代管理等科技手段改造传统制造业，推进制造业信息化，已是我国

制造业发展的必然趋势。因此，在借鉴并吸收国内外先进制造模式的基础上，形

成一种符合我周国情的新的制造模式——区域性网络化制造，已成为近年来学者

们研究的一个热点，并深受学术界和工业界关注。

由于制造业跨入数字化的时代，使得制造不在仅仅是单独的加工过程，而是

基于资源约束顶层基本骨架的制造协同链建模研究

包括市场调研、产品设计、生产加工、质量保证、生产过程管理、营销、售后服

务等产品全生命周期内一系列相互联系活动的总称。企业的生产活动也不再是单

个企业的生产加工过程，而是企业动态联盟之间的产品全生命周期的协作。在这

一背景下，把区域制造资源集成起来，实现对传统制造业的结构调整、资源优化

组合、合理配置及共享，发挥区域内技术、人才、资源优势，提升制造企业的快

速反应能力和市场竞争能力，增强区域制造企业的整体竞争力具有重要的意义。

在传统的生产过程中某个生产环节单个制造任务可以选择到最佳资源，达到了局

部最优。但是如何对各个生产环节之间的多种制造资源进行合理优化组合，以及

系统协作的全局最优却少有研究，而在区域内使制造资源的整体优化配置达到最

高效率才是我们所真正希望的。

在区域制造资源优化配置过程中，市场机会资源的确定与获取，任务资源的

快速分解与流程管理，合作伙伴资源的选择与管理，软件资源的异构数据共享，

设备资源的合理调度等等问题，都需要考虑并加以解决。合理地构建生产任务的

各个生产环节，完成制造资源优化配置，是区域企业制造资源整体优化的关键因

素。先进制造业是上海建设四个中心的重要产业支撑，近几年，上海市政府出台

了一系列发展先进制造业的规划与计划，努力打造先进制造业中心。并且，上海

周边各省市，也纷纷推出各项政策，以促进其加入以上海为中心的经济圈。

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 网络化制造模式的国内研究现状

国内制造业有关利用网络技术实现跨企业的动态合作的研究起步于 19 世纪 90

年代。在专业化平台建设方面，清华大学国家 CIMS 工程技术中心现代集成制造

系统应用网络（CIMS NET)，实现了全国现代集成制造技术信息与资源的有机集

成。国家 863 计划现代集成制造系统技术重点安排了陕西关中地区、四川成德绵

阳区域、北京地区、江苏地区和粤港陕渝等 5大区域的区域现代集成制造系统总

体方案设计[3] ，并确定其中四大区域进行系统开发与应用实施。我国的网络化制

造现以区域企业群网络化制造模式的研究和实施为主体[4]。目前，我国工业界同新

技术的新兴产业群中的一些大型企业对制造网络化作了有益的尝试，并取得了一

定的成功，如深圳的华为公司、北大的方正公司等[5]。但实用的区域性的网络化制

造在工业界尚未形成气候，与此对应的区域制造资源优化配置功能体系、逻辑结

构和物理实现等依然处在理论研究的阶段。

第一章绪论

虚拟异地合作设计组织主要强调在产品设计和开发过程中，获取设计知识的

异地合作。我国企业存在一批可以支持产品开发过程中设计知识获取的制造资源

或潜在制造资源，要使这些资源以及企业外资源能以企业开发某项产品的行为为

中心并和企业组织在一起，共同为这个项目的完成进行设计支持、特别是新知识

的获取工作。已有一些异地合作设计组织进行关键技术研究，在实验室中也有一

些局部初级的试验，如上海交通大学与上海飞机制造有限公司之间进行了异地设

计的联网试验；西安交通大学、清华大学与上海交通大学等高校策划的异地合作

设计网，但这些仍属起步阶段。

此外，上海先进制造技术中心于 1998 年提供的上海交通大学的快速原形制造

中心的上网服务，同济大学也与香港某些中小型企业进行了联网合作制造模具的

试验，但这样的系统还需要有进一步的研究和配套措施。

§1.2.2 网络化制造模式的国外现状

上世纪 90 年代以来，欧盟，日本韩国、美国等国家和组织大力发展以敏捷制

造为代表的先进制造技术。利用网络化的制造系统技术等改造传统制造业，如欧

盟的“第五框架计划(1998-2004)”、美国——俄罗斯虚拟企业网(RA—VEN))研究

报告、美国政府中小企业信息网络，日本社会化信息系统。韩国的网络化韩国 21

世纪计划等，都取得了巨大的成功，目前美国、日本等经济发达国家正以年增长

率35%的速度组建跨行业、跨地区的虚拟企业、这些虚拟企业以形成超过 250 亿

美元的生产规模。

1994 年美国能源部提出了“敏捷制造的使能技术(TEAM)”，TEAM 集成产品

的设计和制造，建立了一个“产品实现过程模型”；“全美工厂网络（FAN）”建立

于1995 年，是国家工业数据库，提供包括生产能力，各种工程服务项目、产品及

其价格和性能数据、销售和用户服务专门服务；1995 年洛克海德·马丁航空公司

建立“制造系统的敏捷基础设施网络 AIMSnet”，利用国际互联网支持和管理敏捷

企业的供应链；美国通用电器研究和开发部的“计算机辅助制造网络（CAMnet）”

建立于 1996 年，它通过 Internet 网提供多种制造支撑服务，如产品设计的可制造

性、加工过程仿真及产品的试验等，使得集成企业的成员能够快速连接和共享制

造信息。这些网络主要为大公司的成员和客户提供服务。

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摘要：

摘要为实现区域性企业动态联盟制造协同链优化组合问题，在顶层基本骨架理论基础上提出了资源约束顶层基本骨架(ResourceconstraintsTopBasicSkeleton，RCTBS)模型。并将制造协同链的优化选择问题建立在RCTBS运行系统基础之上，RCTBS运行系统是区域性企业动态联盟合作伙伴选择和制造协同链优化配置的重要信息平台和选择平台。在制造协同链（ManufacturingCooperativeChain，MCC）组建的初期能够完成对生产环节候选资源集的选择，在MCC组建后期能够完成对制造协同链约束条件的有效调节,实现制造约束条件的整体变更，以适应市场需求。在MCC选择过程中借...

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