文摘

多层网络模型,提出了生产技术的探索性分析。代表产品之间的关系、零件、机器、资源,运营商,和技能,标准化生产和product-relevant数据转换为一组bi -和多国参加的网络。这种表示是有益的在生产流程分析(PFA)用于识别改进机会通过分组相似组产品,组件和机器。这是证明了面向目标的映射和modularity-based多层网络的聚类可以作为PFA容易适用,可判断的决策支持工具,和节点的度和相关性分析可以识别至关重要的技能和资源。的适用性提出的方法证明了是一个尽人皆知的线束生产过程的基准问题。结果证实,该多层网络可以支持生产的标准化集成数据和探索性分析强烈相互联系的生产系统。

1。介绍

行业4.0是一个战略的方法来设计最优生产流动通过集成灵活和敏捷制造系统与工业物联网(IIoT)技术(1使人与人之间的沟通,产品,和复杂的系统2- - - - - -4]。制造业和信息系统的集成,然而,一个具有挑战性的任务5]。水平和公司间的集成供应链应该连接的元素(6),而垂直整合应该连接相关信息(整个产品生命周期7]。根据这一新的概念,生产技术的改进和优化基于cyber-physical系统(CPS)实现了信息的同时利用相关生产系统(8)、产品模型(9),模拟器和处理数据(10,11]。

CPS - 4.0和行业类型解决方案还可以帮助小细胞的成分提供更大的灵活性对于生产(12]。这个想法导致分散的制造(13)和新兴的下一代机系统(14]。这一趋势突出灵活性之间的关系的重要性和复杂性15]。

生产系统的复杂性可分为物理和功能域(16]。分析这方面,我们的重点是生产系统的生产流程分析分析有多个角度根据生产系统的层次分解:(1)生产流程分析研究活动需要每个部分和机器用于简化物料流。(2)公司流分析研究材料的流动不同工厂开发一个有效的系统,每一个工厂完成所有的部分。(3)工厂流分析计划工厂的部门为组织或部门的生产所有的部分就和计划一个简单的单向流动系统通过加入这些部门。(4)组分析将各部门划分为组,每个完成所有的部分没有回流,它可以因素使一个团队完成部分横向气流(组间),和不需要购买任何额外的设备。(5)线分析分析了材料的流动之间的机器在每组确定植物中的快捷方式布局,和(6)工具分析试图最小化安装时间由发现序列,减少所需的额外工具对以下工作(17]。

生产流程分析(PFA)技术来识别两组及其相关组件过程中“家庭”通过分析信息路线展示活动(通常称为操作)需要每个部分和机器用于每个活动18,19]。每个生产流程分析与数据收集期间nonvalue添加活动开始应该优化(20.]。在处理大量的制造业数据,表征模式可以有效地代表结构多样化和动力系统必须考虑。标准ISO 18629、10303(步骤),15531(授权)支持信息流通过标准化生产流程的描述(21]。基于这些标准和web语义,制造系统工程(MSE)知识表示方案,称为MSE本体模型,是作为生产的建模工具开发(22]。MSE本体模型从本质上可以被解释为一个标签网络。

提出了一个简单的多维表示,可以展开生产系统的复杂关系。网络模型是理想的代表对象和属性之间的联系(23]。然而,作为一个多维问题,需要灵活性由于不断增长的信息量问题和一个新的多维多层网络方法的形式(24]。

分析的结果类型标记为多层网络,技术促进细胞的形成和能力为运营商开发任务。

制造细胞的形成旨在创造制造业细胞从一个给定的机器和产品分区相似的机器数量生产类似的产品。标准单元形成问题处理产品和机器连接由两层由两部分构成的图形或machines-products发病率矩阵。经典算法都是基于集群和系列化的关联矩阵。最近,各种替代算法被开发出来,例如,自组织映射(25)模糊clustering-based方法(26]。常见的这些方法在大多数是他们只考虑两个变量(27]。然而,复杂的生产过程应该以众多的特性,如产品的类型和资源,和所需技能的运营商也应该考虑在成功线平衡由于运营商的技能是影响传送带的速度(28]。动态工作轮换(29日)还需要有效的装配任务分配时考虑的约束与运营商的可用的技能有关。

处理这些元素的生产线,传统的细胞形成问题扩展到多维的。主要的思想是由多层图来表示这些问题并应用模块化分析,确定项目的组织,可以一起处理来改善生产流程。

一个完全可再生的基准问题是为了证明我们的方法。作为一个例子,线束生产工艺流程分析的问题被选为这个产品很复杂,变化显著(30.)的几何图形和组件利用取决于最终产品(31日]。因为有挑战的选择具有成本效益的设计(32)和灵活性和短交货期的需求冲动的定义产品家庭产生的子(33),这个问题需要先进的集成过程——和product-relevant信息。

论文的其余部分的结构如下。节2多层网络模型形式化,是代表生产系统开发的。节3,生产流程如何分析问题可以理解为网络分析的任务进行了探讨。部分3.1描述了网络科学PFA的适用性。部分3.2正式的投影的多层网络,研究如何定义条件的连接,而部分3.3适用于这个投影计算节点的相似性。描述的群体形成任务部分3.4,这种方法的结果指标的例子是。详细的案例研究部分开始4与线束生产的定义用例。的细节问题在附录中给出。部分4.1演示了相似的适用性和模块化的分析。工作负载分析节中给出4.2,而有趣的应用程序相关的评估的灵活性operator-task分配问题中讨论部分4.3。最后,结论部分5。

2。生产系统的Multilayer-Network表示

基本信息产品进行组装、零部件制造,材料,方法和技术将所需成品的材料,和人力操作可用的植物通常是一个公司,但很少在一个适当的形式缓解消化由经理(34]。在本节中,我们提出一个基于网络的模型来研究这些元素之间的关系。

我们可以看到在图1,该网络由一组由两部分构成的图形代表产品的集之间的联系 、机器/工作站 、部件/组件 、活动(操作) ,他们的分类属性(称为活动类型) 和技能的操作需要执行给定的活动 。

这些集合是由双方的之间的关系图 由 biadjacency矩阵,和使用一般表示的对象集,是吗 。

这些由两部分构成的网络的边缘可以表示材料、能源和信息流动,结构关系,作业,属性,和偏好,边的权值可以共享组件的数量成正比/资源或时间/成本需要产生一个给定的产品(见表1)。

该模型可以被看作是一个相互作用或相互关联的网络(24),一式两份的网络的家庭定义交叉层。因为不同类型的节点之间的连接可以被定义,模型也可以作为一个处理多维网络。这些模型都是多层网络的特殊情况,这表示是有益的,自定义的层代表直接连接由两部分构成的图表,而层间连接帮助的复杂系统的可视化通过安排相应的节点在同一个地方在层(见图2)。

前面提出的例子只作为例证。对于实际的应用程序,该模型应该扩展和标准化。制造系统及其信息可以由以下5和5女士cs概念。5女士代表材料(属性和函数),机器(精度和功能),方法(效率和生产力),测量(传感和改进),和建模(预测、优化和预防)。5 c代表连接(传感器和网络)、云(随时需求和数据),内容和目的(相关性),社区(共享和社会)和定制(个性化和价值)8]。基于特征元素和生产系统的连接,网络的节点和边的类型(35)可以被定义,总结在表中相关的信息2- - - - - -4。虽然这些概念已经在构建有用的信息,作为一个标准化的解决方案,ADACOR谓词的应用,建立生产管理建议的基本概念之间的关系(36)(见表5)。

由于最近标准化和集成的企业资源计划(ERP),制造执行系统(MES)、车间控制(证监会)和产品生命周期管理(PLM),它是容易识别生产管理的标准化变量的连接和转换成一个多维网络模型。模型能够代表在不同层次的信息,所以它可以支持工厂流分析、部门流分析,或者,根据行业4.0的概念,它还可以整合企业间供应链。还支持组织模型的发展,为此,解决方案后,联合国/ EDIFACT标准(联合国规则对电子数据交换管理、商业和运输)可以使用。

提取的模型适合处理数据库的图形(37,38)或基于rdf的本体(39]。在我们的工作中,建立和存储基于决策系统的相关技术细节不是重点;相反,如何提取信息从这个模型来支持生产流程分析的问题。在下一节中,提出了这些技术。

3所示。生产流程分析对网络相关操作

3.1。从生产问题分析到网络科学的工具

多维网络模型的主要好处是,它提供了一个透明的、更容易解释的集成过程,以及product-relevant信息和促进网络科学的工具进行生产流程分析。

生产流程分析(PFA)的目的是识别瓶颈并组织产品、组件,和机器突出可能改进通过重新设计布局,形成制造细胞,安排的活动、产品或标识线家庭基于集群机器使用的序列。

模块/家庭的一部分机器和零部件,极有可能一起工作在一个组或类似的顺序进行处理。从这个定义类似于网络模块的概念,假设罚款模块(多维)网络可以被认为是一个有用的试探性的方法PFA中止。

启发式在PFA的应用是一个普遍接受的方法,因为在大多数情况下,经济利益是复杂和耗时的计算,和由此产生的复杂优化问题不容易解决经典优化算法/操作研究工具。在本文中,我们建议以下网络分析工具应该作为很好的启发式解决方案特定的PFA的问题:(1)计算负载和使用frequencies-identification的瓶颈(我)计算未知的依赖关系(2)中心节点和边缘的分析(2)集团formation-clustering节点和识别社区(我)Rank-order-based集群(2)相似性聚类(一)计算节点的相似性(预计)网络(b)集群节点和边的基础上计算的相似之处(c)加入集群的不同对象形成模块(3)发现模块(多层)网络(3)行formation-ordering模块顺序转移降到最低(我)排序的基础上的比例/ degrees-Hollier的方法(40](2)图形布局的应用技术

3.2。多层网络的预测和计算的未定义的连接

如图3所示,当之间的关系和集是没有直接定义,可以评估其之间的关系和元素的数量可能的路径或这些节点之间的最短路径的长度。

在连接的情况下未加权的多歧的图表,路径相交的数量设置可以很容易地计算基于连接对由两部分构成的图形

有条件连接的PFA也可能提供有用的信息。为了演示这个问题,让我们看看图4这显示了网络中定义(2)。在这个例子中,尽管运营商和不共享任何机器,机器和生产相同产品的结果投影算子定义这些操作符之间的连接。

在某些情况下,正式结束有条件的预测可能会感兴趣的定义 的合成网络状态属性集的基础上,分析了内部网络定义的内心投射的对象设置。

预测并不适用于所有类型的边缘与优先级约束(例如,投影不会导致可判断的网络)。通常,预测计算节点之间的路径数量数量是直接解释的(例如,它可以反映分配运营商对于一个给定的工作站的数量)。

支持这些计算,它是有利于利用获得的整个多路网络的邻接矩阵压扁或matricization: 在哪里是用来表示 biadjacency矩阵的由两部分构成的图形。

3.3。计算节点的相似性

节点的相似性可以揭示有用的信息关于PFA,例如,如果机器需要基于定义的相似之处有多少公共部分他们处理。当机器被指示为和 ,和和集的部分连接到这些机器,机器的相似性可以评估根据Jaccard相似性指数(41]:

提出的基于网络的代表也是有益的相似性分析。当 代表一组机器/工作站和 代表组件的集合 边缘重量存储的十字路口th行和th的列 biadjacency矩阵表示的是建立在th类型的组件工作站的程度th节点, 的基数是一样的吗集,这意味着数量的组件类型是如何建立的工作站。

我们可以生成两个预测由两部分构成的网络。第一个连接两个投影O_o节点(在我们的例子中,两个工作站)通过一个链接,如果他们都与相同的相同节点(组件)。如图5说明了, 基数是相同的边缘的重量预测网络代表多少都是建立在相同的组件th和th工作站:

第二个连接投影节点(在我们的例子中,两个组件/部件)通过一个链接,如果他们连接到相同的节点(工作站)投影代表部分是如何连接的机器:

当考虑到更多层的相似之处,可以定义多个预测在同一机器上的加权和预测:

3.4。识别模块组的形成

本地社区密集网络中连通子图,所以节点属于一个社区有更高的概率联系社区的其他成员比节点不属于同一个社区。我们的主要想法是,发现社区(多层)拟议的模型可以用于解决网络组织/细胞形成PFA的问题。形式化的细胞形成的问题,我们利用模块化测量引入的纽曼(42和改善两偶图的理发师43]。

网络的一个模块包含的子图的顶点更有可能被连接到另一个顶点在子图。模块化反映的程度,相对于一个随机配置网络,边缘形成内部模块之间,而不是模块。每个社区的模块化可以确定一个网络(在PFA,这意味着每个生产单元的模块化可以计算)。为一个网络社区,以下模块化值用于确定模块化社区的价值在每个方面的社区,节点连接链接, :

如果模块化集群是一个积极的价值的价值,那么子图往往是一个社区。完整的模块化网络可以通过总结评估对所有社区, 。

可以看到,模块化的定义完全符合制造细胞形成的问题。因此,我们提出一个图模块化maximization-based为此方法。在这项研究中,我们适应纽曼(42],LP-BRIM [44),和自适应边缘(43)算法中可用BiMAT MATLAB工具箱(45]。

为了说明这种方法的适用性,人物6可视化单元形成问题和如何分配提取模块制造细胞。

的效率可以评估基于细胞的形成 ,活动的总人数; ,特殊元素的数量被排除在细胞;和 ,0的细胞的数量(46]:

表6比较细胞形成的效率通过细胞形成的集群和modularity-based提出算法与最近发达先进的面向目标的优化结果在几个基准的问题(46]。可以看到,modularity-based算法执行得非常好值(给定的圆形血统)附近的优化性能,最重要的是,机械零件的匹配的数量之外的模块(值)和模块的数量小得多比优化的参考解决方案在几乎所有的情况下。

在此基础上成功,几个模块化优化算法被应用。将在以下部分,方法也适用在搜索模块在多个层由多层InfoMap算法(47,48]。

4所示。线束生产的应用分析

提供一个详细的和可再生的生产流程分析案例研究,一个开源的基准模型的模块化的线束生产开发。模型的细节在附录中给出。生产流程分析问题的多层网络模型和分析形成MuxViz框架为多层网络的交互式可视化和勘探开发(49]。建立网络如图2。

4.1。相似性和模块化分析

多层网络的可约性的分析提供有用的信息层的相似之处(50,51]。证明这个指标的适用性,C、Z,年代,O, T层进行了分析(见图7)。

我们可以看到在图8基于网络的还原性两个集群形成。第一个集群相关生产过程(Z-T-C)层,而第二个收集operator-skills——(里)相关的信息。活动类型的定义的重要性(T)层也突出显示。

虽然我们的网络定义家庭间接层M和部分还组织这些活动(T)层,有趣的是观察多层网络结构和网络的模块化分析如何组成部分和活动组织。为了这个目的,一个多层InfoMap算法应用(47,48]。

分析了有用的和有益的结果。26个模块被确定。虽然层M代表活动是如何分组,根据不同的产品,这种分析可以检测产品的模块 活动的类型 。这个结果证实了提出的多层网络的模块化的分析模型是有用的在调整现有的部分家庭基于模型的表示层的多个方面。

证明这些信息是有用的在平稳的早期阶段定义技术模块层T C-Z-S-O-T多层网络的图所示9。可以看到,最重要的模块分为六个小组遵循的结构层Z定义区域活动的发生。最频繁和广泛分布的中心作用t₁₀类型的活动(电线接头附件)也突出显示。

4.2。工作负荷分析

模块化生产的平衡挑战由于产品的多样性52]。除了群体形成,工作负载的分析也是一个重要的任务在生产流程的分析。建议由两部分构成的基于网络的模型可以直接应用到这一目的层的biadjacency矩阵导致简单的计算。为了说明这适用性,让我们考虑如何分析生产线平衡。这个方程 代表生产的活动th产品(代表了th的列积模矩阵)。这些活动被分配到工作站 和代表活动分组活动的类型和数量在工作站是内置组件的数量,总活动时间在工作站可以通过以下方程,计算在哪里代表在附录中给出的基本活动时间:

如图10所示,上面的计算可以用来检查过程是如何平衡和产品的复杂性如何影响工作站的工作负载。

虽然提出了工作负载分析模型并不是唯一的,我们相信,结果表明多层网络的丰富的信息内容和广泛的适用性,也可以解释为一个线性代数方法的模型系统。

4.3。分析运营商分配的灵活性

在80年代早期,53)建议组织研究纳入网络视角。在90年代早期,六个主题(营业额/旷工、功率、工作态度、工作设计、领导、和动机)主导microorganisational行为的研究(54]。最近,多层网络越来越广泛应用于社交网络的分析,人们以多种方式相互作用通过手机和电子邮件(55- - - - - -59]。在本文中,我们第一次尝试这样的集成分析的建模和优化生产流程。

成功线平衡的线束生产、经营者的技能影响传送带的速度也应该研究[28)和处理(60]。动态工作轮换(29日需要有效的装配任务分配而考虑经营者的约束与可用的技能。图11显示了所需技能的分布的函数不同的产品模块, 。我们可以看到,最需求的年代₃terminal-attaching技巧,虽然年代₆是视觉检测技术在生产过程中只需要一次。运营商也可以计算的能力,例如,产量有多少活动可以执行在给定operator-workstation赋值(见图(11日))。

提出分析可用于设计的会话运营商通过确定关键的技能和知识的组件。图12显示层和O的网络。五组的活动、技能和操作节点的帮助下确定了多层模块化分析。最小的模块包含了t₁₅夹安装活动类型,需要专业技能。

可以看到,这个技能₄可以被认为是一个关键的知识,因为它是与五种活动。运营商啊₉和o₁₀拥有专业知识,而年代₃由group-wise知识,因为它是最相关的运营商。

提出了分析表明,节点度的分析可以确定非常必要的技能和资源。技能,有小度在O层可以被视为知识的专家,而技能与大型度量化group-wise知识。技能没有链接在S层是无用的,而技能,有一个小的程度在O层和高度在S层至关重要,因为这反映了少数运营商可以分配给大量的任务,需要这方面的知识。

5。结论

多层网络模型开发生产流程分析代表生产系统的物理和功能域的方面考虑的结构系统,各种各样的机器,产品、组件和运营商和他们的相互依赖关系。

大多数模型的层由两偶图,边代表物质,能量,或信息流动和属性的节点所代表的对象图。强调,基于定义的节点和连接很容易的过程管理标准。作为网络的层次代表生产系统的不同方面,该模型是灵活的和可扩展。

后新的建模概念的引入,它演示了如何网络科学的工具应该用于支持生产流程分析。首先,这是表明网络中路径的分析提供有用的信息隐藏起来,以前未定义的连接。这是认识到网络的模块化分析是一个有前途的工具,形成团体在PFA,和先进的表演(一式两份的和多层)网络模块化算法(如InfoMap)与最先进的优化算法根据细胞形成的问题。

一个详细的基准问题是多变量的研究算法的开发可再生的生产流程分析。的帮助下研究线束的过程,所带来的好处的模块化分析论证问题特定的套层。结果证实,发现组织活动是有用的微调模块(家庭部分)。工作负载和capability-related网络开发措施。随着节点度和相关性的分析,个人,关键和group-wise技能可以被识别。网络导致的biadjacency矩阵的计算工作负载,并调查生产线的平衡。除了数值分析,提出了可视化演示多层网络提供见解的关键因素相互联系的生产系统,和结果的确认,多层网络可以支持生产数据的集成和决策相关的复杂的生产系统。

自处理过程系统的时变行为正变得越来越关键领域的cyber-physical系统,我们未来的工作将集中在历史过程的集成数据定义的顺序程序和时间连接网络。

附录

线束的生产技术的细节

支持可再生的生产流程分析和优化算法的发展,一个开源的基准问题模块化的线束生产系统。系统的核心是一个节奏输送机图所示13。根据公布的数据(32,61年),N_p是基于64产品和定义结合7模块:基础模块,左边或右边驾驶,正常/混合,卤素/ LED灯,汽油/柴油发动机,4门/ 5门,手动或自动变速箱。定义654活动/任务分为由16个活动类型well-modeled活动时间(见表7)。在这些活动中,等于64个不同的内置部分家庭(组件类型)(其中包括 终端, 绷带, 剪辑, 电线)。传送带由10个工作站(表)。对于每个表(工作站),一个操作员分配, 。所需的也被定义为6技能的运营商,也就是说,铺设电缆,-spot-tying,终端连接,连接器安装、夹安装,人们测试。工作站也定义为6区(见图14)研究装置的分布表。相关的Z矩阵的定义是基于表的布局和显示工作站的活动和区域之间的关系,这有助于详细分析在工作站的工作负载。所有这些信息都由一组表示由两部分构成的图形中定义的表1和图中所示2。相关的数据集是自由,完全可以在作者的网站:https://www.abonyilab.com。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明,不存在利益冲突,关于本文的发表。

确认

这项研究得到了美国国家研究、开发和创新办公室(NKFIH),通过项目otka - 116674(过程采矿和深度学习自然科学和过程开发)和efop 3.6.116 - 2016 - 00015智能专业化策略(S3)机构综合开发项目。