支持快速擴散制造的制造資源配置平臺研究

摘要：在分析國內外網絡化制造研究成果的基礎上，結合武器裝備快速變批量生產的需求，對武器裝備快速擴散制造的概念和特征進行了介紹，并給出滿足快速擴散制造要求的制造資源內涵及其概念模型。為了達到短時間內快速組織制造資源進行生產的目標，本著利用外部資源、使用內部技術的原則，提出了面向快速擴散制造的制造資源配置平臺解決思路，并提煉出制造資源配置平臺的體系結構和若干關鍵技術，從而實現問題研究范圍的界定。

關鍵詞：快速擴散制造； 制造資源配置平臺； 體系結構

中圖分類號：TP391.7文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0285-03

0引言

為了能夠打贏一場高技術條件下的局部戰爭，潛在的威脅和需求迫切要求我國軍工制造業具有敏捷、精準、高效以及網絡化協同等多方面的能力。如何快速響應突發戰爭的需求，在短時間內生產出大量高技術武器裝備（即武器裝備快速變批量生產）是我軍工制造業不得不正視的問題。從過去三十多種制造模式的發展歷程來看，網絡化制造是敏捷制造、全球制造以及計算機集成制造等先進制造模式在信息技術、網絡技術方面的集中體現，制造的網絡化和網絡化制造已成為制造模式重要的發展趨勢。應該說武器裝備快速擴散制造 ^[1]是融入軍工制造業特色的網絡化制造，其重點強調網絡環境下的協同與快速響應能力，并通過在短時間內快速組織制造資源裝備，解決企業有限技術能力與激增的產品訂單之間的矛盾，實現武器裝備快速變批量生產。

1快速擴散制造的理論基礎

1．1快速擴散制造的概念和特征

REM^[2]從本質上屬于敏捷制造網絡化制造研究范疇，重點強調制造的敏捷性、協同性以及分布性。圍繞武器裝備快速研制、變批量生產和戰時動員生產三項重要任務，以網絡技術、制造技術以及信息技術為支撐，構建基于網絡的快速制造系統。并在該系統的支撐下，突破空間地域對企業產品制造范圍和方式的約束，將制約武器裝備快速生產的加工瓶頸任務以規范、標準和統一的形式擴散到具有加工能力的制造企業中進行生產；以實現企業制造能力的擴展和固化工藝制造任務的擴散，以滿足其短時間內變批量生產的需求。總的來說，快速擴散制造是一種基于有限制造能力的社會化聯合制造模式；是一種建立在企業數字化和社會網絡化基礎上快速組織動員的戰備方法；是一套綜合運用供應鏈、資源多層次全生命周期管理技術、工作流技術和異地協同制造技術的系統平臺。

在快速擴散制造過程中，主生產企業將不能完成的生產任務進行擴散，成為擴散制造鏈的龍頭和核心。擴散生產企業接受被擴散的生產任務，從而形成擴散制造鏈的某個關鍵節點。針對現代高技術戰爭爆發突然、進程急促、消耗量大等特點，如何實現短時間內大批量復雜的高精尖武器裝備的快速生產是快速擴散制造亟待解決的問題。據此，快速擴散制造模式應具有以下特征：

a)可復制性（reproductive）。被擴散零部件的加工工藝、制造資源組織方式、生產過程管理方法等具有高度的可復制性，這是快速擴散制造得以順利實現的前提，也是快速擴散制造預案標準化、規范化的核心。

b)規范化（standardization）。將待擴散零部件的加工工藝、資源描述及管理方法、加工過程監控以及質量保證體系等以規范的形式固化下來。擴散制造時，按照規范的方法體系在新的加工地點組織新的加工人員進行快速生產，從而保證加工生產的高效、敏捷。

c)可重組（reconfigurable）。參與擴散制造的成員企業根據生產任務的不同，在一定范圍內迅速構建滿足快速擴散要求的不同聚合粒度資源實體（如制造單元、制造車間、制造企業等），從而組合成全新的異地協同制造鏈。

d)可擴充(scalable)。快速擴散制造成員企業的各制造資源聚合實體在正常情況下進行自身的軍品或民品的生產，一旦武器裝備批量加工任務驟緊甚至達到國防動員的程度，就在可擴展的制造系統框架體系下根據擴散預案形成武器裝備快速擴散制造鏈。

1．2快速擴散制造的支撐理論

快速擴散制造并非全新的制造理念和模式，其基本思想來源于敏捷制造和外包生產，是網絡化制造在軍工制造業的具體體現。研究快速擴散制造的目的是從已有的理論方法和應用成果中找出能夠解決戰時快速大批量武器裝備生產問題的技術途徑。快速擴散制造過程復雜、涉及因素過多，是一個龐大的系統工程，所以有必要利用和運用先進制造技術、信息技術、現代管理理念等方法對其加以剖析和解決。圖1描述了快速擴散制造的理論基礎體系。其中先進制造技術是快速擴散制造得以順利實施的先決條件，為REM工藝優化、標準化以及制造的柔性和協同性提供技術支持。針對REM過程復雜、參與主體類型繁多的特點，現代管理理念為REM過程管理和控制提供了有效的技術手段。信息技術是REM的關鍵技術，通過與先進制造技術和現代管理理念相互融合，為REM的實現提供了理論技術基礎。另外，經濟學理論、外包理論以及企業建模方法和自動控制技術在REM的實施中發揮了各自應有的作用。

2支持快速擴散制造的制造資源配置平臺的構建

2．1面向快速擴散制造的制造資源內涵

隨著人類社會的發展，資源的內涵和外延在不斷擴展與變化。目前對資源還沒有一個統一、公認的定義，而且不同的領域對資源有不同的解釋。制造資源是指為完成產品加工任務所需要的物理和概念對象的集合。圍繞國內外專家學者有關先進制造模式及其關鍵技術的研究和探討，制造資源的內涵也層出不窮，歸納起來有如下定義：

a)傳統廣義制造資源^[3]。企業完成產品整個生命周期所有生產活動的物理元素的總稱。按照企業的組織結構可將企業劃分為五個層次，即企業層、車間層、單元層、工作站層和設備層，其常被界定在單個企業內部。

b)傳統狹義制造資源^[4]。加工一個零件所需要的物質元素，主要包括面向CIMS、CAPP、NC等系統所需的企業車間底層資源（如機床、刀具、夾具、量具和加工材料等）。

c)網絡化制造環境下廣義制造資源^[5]。以特定產品（項目）的制造為目標，在其整個生命周期內用于支持擴展企業的生產活動的所有物理、信息及技術要素的總和。其主要包括各成員企業相關設備、技術、信息、材料、人員以及相應的軟件等。

本文綜合以上觀點，并圍繞武器裝備快速擴散制造的特點和需求，定義制造資源為：

MR（manufacturing resources，制造資源）不僅僅是企業經營過程和制造活動的載體，也不僅僅是企業組織的從屬物，它是實現快速擴散制造生產模式最重要的物質基礎，主要為企業設備、工裝資源在各個層次聚合而成的將物料轉變成擴散產品的一系列實體集。從企業間不同層次協作的需求角度分析，可將其分為企業層制造資源、車間層制造資源、單元層制造資源、設備層制造資源等；從設備及工裝資源在企業中的生命歷程出發，制造資源有著自己獨特的分類結構以及不同生命階段的信息；根據不同軟件應用系統對其關注的側重點的不同，制造資源有著不同的理解和視圖。

2．2制造資源配置平臺體系結構

基于上述有關制造資源快速配置特點和需求的分析，制造資源快速配置平臺必須是開放的和可擴展的。鑒于J2EE體系的跨平臺性、應用移植性、組件重用性、應用互操作性以及與非Java系統的集成性等方面的優勢，本文提出的加工任務異地制造資源快速配置平臺采用J2EE標準體系結構，如圖2所示。該平臺通過Internet/Intranet將分散在各成員企業內部的制造資源進行有效的建模和集成，形成制造資源庫，實現各成員企業制造資源信息的共享。同時通過制造任務管理、制造資源發現以及制造資源選擇等功能模塊實現制造資源的快速配置。由圖2可知，制造資源快速配置平臺共分為四層，即客戶層、請求接收層、業務邏輯層和數據存儲層。各層詳細功能介紹如下：

a）客戶層。各成員企業需要數據交互時通過Web服務器以及EJB（enterprise JavaBeans，企業JavaBean）服務器提供的接口對制造資源快速擴散平臺進行訪問，調用平臺提供的各項功能。客戶層主要包括兩種客戶端，即純Web瀏覽器的瘦客戶端模式和為從平臺下載的基于Java的專用客戶端。

b）請求接收層。主要用于接收從瀏覽器傳來的請求并將其交給底層進行處理，同時將請求處理結果發送給瀏覽器。這些過程主要由JSP以及顯示給客戶端信息的servlet組成。該層可對數據進行一些簡單的邏輯處理，如數據校驗、客戶端瀏覽器檢驗等。該層不進行復雜的邏輯處理。

c）業務邏輯層。它是平臺的核心，運行于Java應用程序服務器中，所有事務處理邏輯均封裝于EJB組件中，應用服務器為EJB組件提供一個優化的執行環境。其業務流程為：(a)任務發起企業根據產品固化工藝以及生產計劃，進行制造任務的定義、編輯和發布，并將其寫入制造任務庫中；(b)各擴散候選企業通過制造資源建模、集成和管理工具實現制造資源庫的構建；(c)利用轉換算法實現制造資源關系型數據庫與網絡本體文件之間的轉換，任務發起企業通過制造資源本體了解各擴散候選企業的制造能力，同時利用制造資源發現算法獲取資源發現結果集；(d)以資源發現結果集為基礎，通過制造資源選擇算法完成制造資源的快速配置。

d）數據存儲層。它主要為制造資源快速配置提供基礎支持，由制造任務庫、制造資源庫、制造資源本體庫、擴散制造鏈庫以及基礎數據庫等幾部分組成。其主要負責數據的存儲、查詢和備份；維護數據的一致性和安全性，為應用服務層提供數據服務，如存儲應用服務層處理結果、返回應用服務層檢索的數據結果等。

2．3制造資源配置平臺功能模型

支持快速擴散制造的制造資源配置需解決的問題包括制造任務查詢、制造資源統一描述、異地制造資源管理和查詢、制造任務快速分配。針對上述主要問題分析，本文給出的制造資源配置平臺功能模型如圖3所示。其提供的功能主要包括：

a）制造資源模型管理。該模塊的功能是建立完整的制造資源信息模型，通過制造資源類和屬性管理實現模型的動態維護，并通過模型的導入/導出功能實現制造資源模型的可重用，以滿足快速擴散制造對制造資源動態規范的建模需求。

b）制造資源庫管理。該模塊為擴散企業提供制造資源對象的注冊、注銷、檢索、更新以及各種報表生成的功能。制造資源對象注冊的目的是通過資源門戶的構建將地域上分散的制造資源集中起來管理，從邏輯上形成聯盟企業核心制造資源信息庫，以支持制造資源快速配置。

c）制造資源集成管理。該模塊功能主要包括接口模式管理、映射關系管理、更新模式管理等。其主要作用為：解決企業內部應用系統之間有關制造資源結構以及語義表達方面的沖突和矛盾，實現企業間網絡環境下制造資源信息無二義性共享。接口模式管理主要負責外部系統制造資源信息結構的定義、修改和刪除；映射關系管理用于確定外部系統資源與平臺有關模型方面的對應關系，以避免資源結構和信息表達上的沖突；更新模式管理主要處理制造資源本體文件生成和解析，同時進行基于本體文件的各成員企業制造資源信息有效共享。

d）制造任務管理。該模塊面向平臺注冊企業，主要提供制造任務定義、編輯和發布等功能，待擴散制造任務的發布是制造資源快速配置的驅動源。

e）制造資源配置管理。該模塊包括兩部分內容，即制造資源發現和制造資源選擇。制造資源發現主要根據待擴散的制造任務，運用選擇算法從制造資源庫中選擇出滿足其制造能力需求的制造資源；制造資源選擇模塊在此基礎上，查詢該制造資源有關時間、成本、質量、服務等方面信息依據選擇算法完成制造任務的快速分配。

f）平臺管理。該模塊主要包括用戶管理、安全管理、數據維護、網絡協同制造本體管理、訪問控制管理等，以便完成平臺數據的備份、恢復、導入/導出、基礎數據維護等功能，保證平臺的安全使用。

3制造資源配置平臺實施的關鍵技術

3．1制造資源建模技術

掌握制造資源的布局和拓撲結構，理清制造資源之間的邏輯關系是分布式制造資源有效管理的前提和基礎，同時也為網絡環境下制造資源有效的集成與共享提供依據，進而實現擴散企業制造資源庫的構建。因此，制造資源建模技術是通過定義快速擴散制造過程中制造資源實體及其相互關系，從而描述制造資源結構和構成的方法與技術。建立多層次、多視圖、全面、開放、可集成、柔性的制造資源模型，以實現分散制造資源統一有效的管理，為制造資源的快速配置奠定堅實的基礎。

3．2制造資源集成和共享技術

制造資源集成與共享是制造資源快速配置的關鍵環節。在快速擴散制造環境下各個企業首先需要解決的問題為異構制造資源的有效集成，然后在此基礎之上通過網絡實現不同企業分布式制造資源的合理共享。主要解決的問題包括：a)如何在制造資源統一模型約束下構建擴散企業分布式的制造資源庫。b)如何建立企業內部一系列制造資源應用視圖映射關系，保證企業內部制造資源信息共享的準確性和無二義性。c)將語義Web技術應用在制造資源信息的描述和網絡共享中，解決制造資源具有Web語義特征的本體中性文件與關系型數據庫相互轉換的問題，保證制造資源信息在網絡環境中快速共享。d)制造資源動態信息向制造資源快速配置平臺及時反饋的保證機制和策略問題。

3．3制造資源快速發現和選擇技術

快速擴散制造環境下制造資源信息分散性、復雜性、動態性的特點使得制造資源的發現和選擇成為制造資源快速配置的瓶頸。該項技術主要從以下幾方面進行：a)以固化工藝中制造特征為基礎，構建適合擴散制造模式的任務模型。b)確定制造資源發現過程中的目標條件，從制造時間、制造成本、產品質量等方面構建制造資源發現評價體系，通過制造任務與制造資源綜合制造能力匹配，獲取候選制造資源集。c)根據制造任務模型，從快速擴散制造鏈全局最優出發研究制造資源選擇算法，完成制造資源優化選擇。d)根據擴散企業反饋的制造資源動態信息，能夠迅速地重新分配擴散任務，實現制造資源快速配置。

4結束語

隨著信息技術和網絡技術的發展，基于網絡合理地利用大范圍內的資源進行企業的生產經營活動，已經成為現代制造技術的發展趨勢之一。同時武器裝備的技術復雜性、質量以及個性化要求不斷提高，而現代高技術戰爭突發性的特點卻要求武器裝備的制造周期盡可能短。所以充分利用Internet/Intranet網絡環境所帶來的資源和信息的優勢，通過網上制造資源信息的快速傳遞和共享，解決企業有限制造能力與激增的產品訂單之間的矛盾，實現武器裝備快速變批量生產，不僅是必要的，而且是可行的。為此，本文以現代高技術條件下局部戰爭中武器裝備快速變批量生產為背景，提出了快速擴散制造的概念，探討了快速擴散制造的過程和支撐理論，并對快速擴散制造過程中的核心問題進行了歸納總結。

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