分布移动环境下的生产模式研究

吴　锋　侯平智

[摘 要] 分布移动环境给企业的产品开发､生产和经营活动带来了新的挑战｡本文提出分布移动环境下的生产模式——面向服务架构的敏捷制造(AMSOA),借鉴敏捷制造及动态联盟等现代制造模式,利用面向服务的架构､业务流程管理和语义Web服务等相关的标准和技术构造企业业务集成服务平台,利用无线服务中间件集成移动业务｡此外,研究了该模式的AMSOA内涵､应用体系结构､关键技术等,为企业快速组织生产､增强企业生存竞争能力提供了一种新的解决方案｡

[关键词] 生产模式;分布;移动;敏捷制造;生产管理

[中图分类号]F270.7;TP311[文献标识码]A[文章编号]1673-0194(2009)04-0072-04

1 引 言

目前企业内和企业间存在着众多形式和性质的业务,例如产品设计､生产和交付需要企业各部门､供应商､分销商､零售商和顾客之间的协作｡单项业务所涉及的企业规模变得越来越大,经常需要跨越多个管理域边界,所涉及的资源数量和类型也越来越多,远远超出了传统生产的范畴｡敏捷制造及动态联盟的实施为实现跨地区的资源共享和业务协作提供了战略手段｡近年来,移动通信技术的飞速发展和广泛应用,给敏捷制造及动态联盟的实施带来了新的机遇和挑战｡移动环境通常具有如下一些特点:①移动设备存储､处理能力弱;②无线连接带宽有限,且连接不稳定;③用户与设备具有移动性｡由于移动计算的引入和分布经营的特点改变了企业的运作流程,在生产过程面向移动性重构和分布式自动化水平提高的过程中产生了很多新问题｡因此,对面向国情的分布移动环境下的生产模式研究是必然的｡

在面向分布移动环境下的技术实现方面,尽管工作流技术部分满足了上述需求,并已广泛应用于企业业务协作的自动化过程之中,然而,由于其在模型定义､执行环境及接口方面的异构性,以及应用程序接口匮乏等问题,结果只能满足企业的内部需求,而不适用于跨企业的流程互操作｡面向服务的架构(Service Oriented Architecture,SOA)和Web服务催生了面向服务的业务流程新范型,它采用Web服务作为业务流程执行平台,并将业务流程作为Web服务进行注册､发布和使用｡面向服务的架构(SOA)以及服务组合技术在复用性､灵活性和可扩展性等方面的优势使其逐渐在跨组织的企业应用集成中得到应用,尤其在服务组合方面更是如此｡业务流程以Web服务的形式分布在各协作企业｡

本文借鉴敏捷制造及动态联盟等现代制造模式,利用面向服务的架构､业务流程管理(Business Process Management,BPM)和语义Web服务等相关的标准和技术构造企业间业务集成服务平台,利用无线服务中间件集成移动业务,从而形成面向服务架构的敏捷制造(Agile Manufacturing based on SOA,AMSOA)作为分布移动环境下的生产模式｡它是借助敏捷制造及动态联盟等现代制造模式在分布式企业中开展,是面向服务､敏捷制造和动态联盟的综合实施｡

2 AMSOA的内涵

2. 1AMSOA是敏捷制造的拓展

敏捷制造是指制造企业采用现代网络信息技术手段,通过动态地､有效地协调整合各种生产要素,快速配置各种资源(包括技术､管理和人),响应用户需求,实现制造敏捷化的一种现代制造模式｡其核心是制造业企业要在不断变化､不可预测的经营环境中,着力提升企业市场应变能力和快速反应能力的一种战略性举措,是现代制造业发展的方向,更是制造业信息化的必然趋势和本质要求｡

敏捷制造的实现需要有多个相关企业的协同工作,它必然促使企业建立起动态组织架构｡敏捷制造要求企业能以最快的反应速度,对市场变化､需求变更做出反应,并要以第一反应速度对原有的不适应市场需求的组织架构进行适应性调整｡调整的基本原则是要建立动态联盟｡动态联盟是指为了赢得某一机遇性的市场竞争,围绕某种新产品开发,通过选用不同组织/公司的优势资源,综合成单一的靠网络通信联系的阶段性经营实体｡动态联盟具有集成性和时效性两大特点｡它实质上是不同组织/企业间的动态集成,随市场机遇的存亡而聚散｡在具体表现上,结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门(以互利和信任为基础,而非上级意识),也可以是不同国家的不同公司｡动态联盟的思想基础是共赢｡联盟体中的各个组织/企业互补结盟,以整体优势来应付多变的市场,从而共同获利｡

敏捷制造必须依托各种先进制造技术和动态调度系统｡敏捷制造的核心在于:快速地生产出能准确满足用户需求的产品｡因此,敏捷制造必须在其各个制造环节采用先进制造技术,如柔性制造､计算机辅助管理､计算机辅助质量保证､产品数据挖掘管理,甚至还包括企业经营过程重构技术｡敏捷制造中的敏捷性还体现在必须要建立动态的､适时的信息传输和决策传递的动态调度系统;要广泛运用移动终端和网络终端等多维传输手段和信息转移传输技术,确保信息及时获得､决策及时到位､变动及时调整､物流及时衔接､样品及时提供､生产及时安排｡

敏捷制造需要充分调动和发挥人的作用｡敏捷制造提倡以人为中心的管理,强调用分散决策代替集中控制､用对话沟通机制代替递进控制机制｡例如,在中国多数企业的底层车间生产是一个复杂的不确定系统,单纯依靠计算机和自动化技术实现车间敏捷制造是不现实的｡随着现代无线通讯技术的发展,企业有机会把无线移动通信技术引进来,创建一种以人为中心的能充分发挥“人的智能”和“机器智能”的分布式的人机协同工作的新模式｡在这种模式下,人能随时随地获取信息并根据形象思维､直觉和经验作出判断,并与基于长期存储､精确推理与快速数据处理的机器智能无缝地结合起来,灵活快捷地实现最佳决策｡

根据以上分析,分布移动环境下的敏捷制造,构建动态联盟,除组织和人的因素外,对技术平台的要求很高｡在联系现实世界的实际情况和当前分布式计算技术的发展趋势的基础上,一种以“服务”为中心的体系结构(即面向服务架构)能够很好地满足分布移动环境下的生产要求｡

2. 2SOA是AMSOA实施的技术平台

(1)SOA模型

SOA 是一个分布式组件模型,将应用程序的不同单元封装成服务,通过服务间定义良好的接口和契约联系起来｡接口采用中立的方式定义,独立于实现服务的硬件平台､操作系统或编程语言,使得构建在系统中的服务可以使用统一和标准的方式进行通信,从而实现在分布的环境下将软件组件､系统的各种功能以服务的形式提供给最终用户或者其他服务｡

SOA 的概念最早由Gartner Group 于1996 年提出,旨在为企业级各种基于不同中间件､操作平台､编程语言的异构系统之间的集成提供一种面向服务的解决方案框架｡在SOA 中,服务是最基本的单元,提供了服务提供者的语义特征､接口特征和服务的各种非功能特征,通过标准协议和数据格式进行通信｡目前广泛采用XML 作为标准的数据交换格式｡图1 是SOA 模型｡其中,服务提供者和请求者之间能够进行动态绑定和直接交互,实现企业应用的逻辑｡SOA 强调服务的封装､重用以及服务之间的互操作性,通过“描述—发布—发现—交互”的一系列标准操作,为构建大规模､资源可重用､松散耦合的分布式系统提供了一个开放的体系结构｡

(2)SOA 的实现技术Web Service

SOA是一种架构思想,其实现与具体技术无关｡基于SOA的实现技术目前主要有Web Service｡Web Service作为广泛应用的SOA 实现技术,是在分布式计算､XML 等技术相互融合的基础上,采用HTTP､SOAP 等Internet 标准协议与分布式Web 组件,进行交互的自包含､自适应和自描述的软件组件｡Web Service 采用SOA 对资源进行统一描述､发布､发现以及动态绑定与调用,可以解决Internet 环境下松耦合分布式异构问题｡Web Services 的核心技术规范包括:可扩展标记语言XML､简单对象访问协议SOAP､Web 服务描述语言以及统一描述､发现和集成机制UDDI｡

Web Services服务与其他分布应用集成方法相比,其最大的特点是:它是完全低耦合的,服务请求者只在需要服务时,动态地绑定服务提供者即可;其次,采用SOAP交互协议及XML作为消息格式,具有跨平台的特性,对集成的应用系统也要求较低,只要能够支持SOAP协议及处理XML文档就可以｡

3 应用AMSOA的解决方案

3. 1应用AMSOA的企业应用体系结构

应用AMSOA的指导原则来构造企业应用集成系统,通过强制分开每个服务的使用者和该服务的提供者,增加了松耦合的关键特性,从而克服了以往脆弱的､紧耦合的应用程序集成｡为了获得SOA 所带来的面向未来的长期利益和优点,该集成系统需要结合企业应用集成平台(有文献称之为企业服务总线技术)来组织实施应用｡企业应用集成平台提供粒度不等的服务｡一个采用AMSOA方式进行企业应用集成的参考体系结构如图2所示｡

基于AMSOA的企业应用集成系统分为4个层次:设备层､数据层､支撑层､应用层｡设备层将完成作业点现场数据采集和即时计算,是分布移动系统的信息来源｡其中具有代表性的企业移动计算模式有PDA､手持终端､手机和移动PC｡这些移动计算采集企业作业点的数据,在本地即可即时计算处理,同时可将信息通过无线局域网､无线广域网实时传输｡企业应用平台通过无线中间件对信息进行正确运算及存储｡数据层通过将现有的应用系统提供Web服务支持,使各种原有应用系统如CAPP/PDM/ERP等用WSDL统一描述出来,作为服务的接口,统一发布给企业应用集成平台即支撑层系统｡支撑层由统一身份认证､数据交换平台､请求服务平台､共享数据平台组成,其中请求服务平台为服务请求者和服务提供者的互操作提供了简单､可靠的方式｡应用层是整个敏捷制造体系的最上层,是AMSOA体系架构中服务的消费者,在企业应用集成平台的基础上,进一步构建企业的各种应用,支持分布､异地的分布式敏捷制造系统的开发及评估工作｡

3. 2基于AMSOA的关键技术

(1)基于AMSOA的产品数据交换平台

基于AMSOA的敏捷制造系统建立在以XML为主的､开放的Web规范技术基础上,XML是表示其数据的基本格式｡如何将现有的异构制造资源､信息转化成符合Web规范的标准数据表示方式是该系统实现的关键之一｡

目前采用的产品数据交换标准是STEP(Standard for The Exchange of Product model data),EXPRESS信息建模语言是STEP标准的核心,它为产品数据模型定义提供了强大､灵活的手段,但是由于STEP Part 21中性文件支持的数据交换方式缺乏足够的灵活性和扩展性,并且Web环境不能很好地支持,因此提供从EXPRESS到XML文档的映射方法和标准就显得十分必要｡XML的用法十分灵活,因此有许多途径可以实现从EXPRESS数据模型向XML映射,常用的有两种:①后期绑定,XML标记不直接与EXPRESS数据类型相对应,而是与EXPRESS的元数据对象(metadata objects)相对应｡②前期绑定,XML标记与EXPRESS数据模型中的数据类型以及属性直接对应｡

(2)网络环境架构

支持AMSOA的网络环境由移动终端､无线网络､WAP网关､本地/远程服务器､互联网､互联网服务器组成｡其基本流程是移动终端通过无线通信网与本地/远程服务器连接,再通过高速宽带互联网与固定服务器连接｡同时,高速宽带互联网构成了连接互联网服务器的主干,服务器网络中拥有若干个支持分布式移动服务的本地/远程服务器和互联网服务器,每个本地/远程服务器负责管理一个无线网络单元,单元内的移动终端与本地服务器之间通过无线通信连接,每个无线网络单元的覆盖范围取决于其采取的无线通信技术｡

分布式移动网络环境各个层面的功能由企业级､车间级和设备级等3层网络组成｡

企业级环境支持“管理软件+互联网+移动通讯”的融合,突破了空间和时间的限制,从而使企业管理从桌面走向网络,从PC走向手机,从办公室推向移动空间｡

车间级环境支持车间计划管理和现场调度两大功能｡车间管理层应配置车间数据库服务器､Web服务器和计划调度工作站｡车间管理层以台式PC 机为主,在原有有线网络结构的基础上,配备无线网关､网桥､路由器等,通过无线通信对现场调度层和加工设备层提供技术支持｡由于车间是一个随机事件频发的不确定系统,因此车间级环境具有移动和分散的特点,因此对车间个人数字助理(Shop Floor PDA)的研发是必需的｡车间个人数字助理协助调度员实时采集现场数据,及时获取车间数据库和服务器的支持,快速灵活地作出决策｡

设备级环境应该是一个可靠的､支持高速率数据传输的网络,对企业来说,无线局域通讯技术(IEEE 802.11/蓝牙)和无线广域通讯技术(GSM/GPRS/CDMA/3G)扮演重要角色｡基于无线通讯的车间数字助理和掌上数控是人机协同网络环境下数字化生产模式整体解决方案的关键部分｡

(3)生产计划制订

在分布移动环境下,许多生产数据具有一定的模糊性｡根据业务流程管理的思想,计划的制订可采用推进式与反馈式相结合的方法进行｡在图4中,生产计划由主生产计划和需求计划组成,需求计划(RP)被分为高层生产计划(HPP)和车间滚动生产计划(RPP)两个层次｡高层生产计划相当于直接对主生产计划初步分解得到的各个车间订单｡车间可执行计划由RPP部分和车间计划员合作完成｡整个纵向结构增加在线产品差异投入的负反馈控制,车间计划员根据实际生产进展情况进行动态调整,从而逐渐向前推进｡

(4)生产动态调度

敏捷制造必须依托动态调度系统｡基于AMSOA模式组织生产调度,强调生产的动态性和快速性,并保证生产计划的柔性｡因而,在计划执行和过程调度方面,更多地强调在生产计划下对不确定性和随机性问题的协调能力以及过程管理､优化能力｡为实现这一目标,本文应用了动态调度原理｡

为防止意外事件冲击,基于关键点的动态调度将被采用,其原理就是将生产过程视为由一系列关键点组成,调度策略就是要控制各关键点的结余量､投入量､完工期等,而对非关键点及细节过程不予过问｡动态调度原理由4个算法组成:按周期计划初安排生产､按作业进度计划预测缺件､基于关键工序点的在制品控制和定期的盈亏检查｡

以基于关键工序点的在制品投入量控制的算法为例,由于受市场影响或对自身加工进度等方面的考虑,相同批次的零件(或组件)在不同关键工序点必须有部分在制品结余｡在制品结余主要出于以下几方面的考虑:一是在未来周期内入库;二是用户突然改变订单,必须做出相应调整;三是属于市场长线产品,逐月都有入库要求,以维持企业生产的连续性;四是在某些工序常出现废品｡对于调度,不论发生何种情况,必须保质､保量,按期交货｡

4 总 结

本文在分析分布､移动环境特点的基础上,提出了面向AMSOA架构的生产模式,从系统结构､产品数据交换､生产计划､生产调度等方面对分布移动环境下的生产模式进行了初步的研究与探讨,实现按业务组织生产,为企业快速组织生产､增强企业生存竞争能力提供了一条新的思路｡然而,作为一个新的管理模式和方法,还存在着一些技术问题,如无线网络宽带传输､移动数据管理､生产过程中各主要指标的性能评价､合作伙伴选取等,这些问题还有待作更深入的研究与探讨｡

主要参考文献

[1] Tom Bacon. Wireless Systems Changing Manufacturing[J]. Manufacturing Engineering,2004(1).

[2] Johan Potgieter,Glen Bright,et al. Wireless Networks Control for Internet Manufacturing[C]. Proc 2002 Australasian Conference on Robotics and Automation,Auckland,2002.

[3] 丛兰兰,金蓓弘,张英. 移动分布式环境下服务适配系统研究[J]. 计算机科学,2007,34(1).

[4] 刘敏,严隽薇. 基于面向服务架构的企业间业务协同服务平台及技术研究[J]. 计算机集成制造系统,2008,14(2).

[5] 王汝林. 敏捷制造是制造业信息化的本质要求[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2007(7).

[6] 刘凡,张宜生,梁书云,等. 面向服务架构的全球数字制造技术[J]. 计算机工程与科学,2003,25(3).

[7] 贾丽,张和明. 面向服务的分布式建模仿真框架研究[J]. 系统仿真学报,2007,19(20).

[8] 周超. 基于SOA的敏捷制造系统集成框架研究[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2008(6).

[9] 刘传菊,黄洪波,肖明明. 网络环境下数字化生产模式的研究[J]. 电气时代,2006(6).