制造企業信息化系統研究綜述

[摘 要] 本文從以下幾個方面綜述了制造企業信息化系統的研究:制造企業信息化系統的發展#65380;系統的體系結構研究#65380;系統的集成問題#65380;人工智能技術在其中的應用，最后討論了Petri網在制造企業信息化系統中的應用研究情況#65377;

[關鍵詞] 企業信息化系統;體系結構;人工智能;Petri網

[中圖分類號]F270.7;TP391[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194(2008)13-0062-05

0 前 言

當前我國企業，特別是制造企業主要面臨產品創新#65380;結構調整#65380;產業升級#65380;持續發展等一系列重大問題，為了解決這些問題，必須大力推進企業信息化[1]#65377;制造業信息化通過產品數字化建模#65380;數字樣機#65380;優化仿真分析等技術手段和工具軟件以及它們之間的集成，建立面向產品研制的數字化集成環境，改變傳統的產品設計#65380;優化#65380;分析#65380;仿真以及數據管理等方法，實現產品設計數據#65380;技術狀態#65380;工程變更及研制過程的集成管理和狀態控制，提高產品的研制創新能力，縮短設計周期，降低研制成本;通過信息技術實現供應鏈中不同企業間的資源共享#65380;業務協同和功能互操作，提高企業間的信息#65380;資金#65380;物流的流動率，增強企業間的業務協同能力，從而提高產業鏈的整體競爭力#65377;

實現制造企業信息化，CIMS(計算機集成制造系統/現代集成制造系統)是其最核心的部分[2，3]#65377;按照約瑟夫·哈林頓提出的CIM哲理，企業的多個生產環節是不可分割的，整個制造過程實質上是信息采集#65380;傳遞和加工處理的過程#65377;按照CIM哲理構成的企業生產與管理的自動化系統即第一代的CIMS(Computer Integrated ManufacturingSystem——計算機集成制造系統)#65377;CIMS是從機械制造行業中發展起來的，它包括市場研究#65380;新產品開發#65380;計算機輔助設計(CAD)#65380;工藝工裝設計(CAPP)#65380;編制生產計劃#65380;原材料供應管理#65380;計算機輔助制造(生產流水線與數控機床)等#65377;對于流程工業企業的CIMS，又稱其為CIPS(ComputerIntegratedProducingSystem)#65377;從20世紀80年代中期開始，CIMS被看作是制造業的未來而受到普遍重視#65377;

現代集成制造系統(Contemporary Integrated Manufacturing System，CIMS) 是計算機集成制造系統新的發展[2]，將信息技術#65380;現代管理技術和制造技術相結合，按系統技術的理論與方法應用于企業產品全生命周期(從市場需求分析到最終報廢處理)的各個階段，通過信息集成#65380;過程優化及資源優化，實現物流#65380;信息流#65380;價值流的集成和優化運行，達到人#65380;經營和技術三要素的集成#65377;以提高企業新產品開發的T(時間)#65380;Q(質量)#65380;C(成本)#65380;S(服務)#65380;E( 環境)水平，從而提高企業的市場應變能力和競爭能力#65377;

企業信息化涉及的另一個概念是ERP(Enterprise Resource Planning，企業資源計劃系統)，是由美國Gartner Group公司于1990年提出的，指MRPⅡ(企業制造資源計劃)下一代的制造業系統和資源計劃軟件#65377;ERP涉及面很廣，包含了企業的所有資源，CIMS的內容有很多部分和ERP系統重疊，但它更多強調的是制造業企業內部的生產過程#65377;總的來說，ERP在原有功能的基礎上，使MRPⅡ向內#65380;外兩個方向延伸，向內主張以精益生產方式改造企業生產管理系統，向外則增加戰略決策功能和供需鏈管理功能[4]#65377;

我國在1987年將CIMS列入“863”高技術發展計劃，1992年底在清華大學建立了國家CIMS工程研究中心，一些研究成果和經驗已在國內的成都飛機工業公司#65380;蘭州煉油化工總廠等多家工廠中得到推廣[5]#65377; “十一五”發展規劃綱要中明確提出要實施“中小企業成長工程”，推進中小企業信息化建設#65380;縮小數字鴻溝是中小企業成長工程的重要內容#65377;2006年6月，中小企業信息化推進工程座談會在京召開#65377;2006年9月，全國制造業信息化科技工作會議的勝利召開，標志著“十一五”制造業信息化科技工程正式啟動#65377;

1 信息化系統的體系結構

企業信息化早期主要集中在機械制造行業，隨后走向各個行業#65377;不同行業由于其生產經營特點和發展背景各不相同，在功能和信息需求上也大不一樣，盡管有著相同的哲理，卻在內容與核心上存在著相當大的差異#65377;一般來說，由于經驗的局限性，設計成果難以全面反映企業的各方面要求，且設計結果是一家企業的特有成果，對其他企業只有有限程度的參考價值，因此企業迫切需要一種從系統設計到實施的#65380;具有較高規范程度和參考價值的參考結構，以及利用此參考結構較快#65380;較優地規劃#65380;設計和實施信息化系統的方法#65380;工具及集成基礎結構#65377;

美國先進制造研究機構(AMR)通過對大量企業的調查發現:完善的企業生產管理系統，普遍由以下3種軟件構成:以ERP#65380;MRPII為代表的企業管理軟件;以SCADA(數據采集與監視)#65380;HMI(Human Machine Interface)為代表的生產過程監控軟件;以及實現操作過程自動化#65380;支持企業全面集成的MES(Manufacturing Execution System)軟件#65377;根據調查結果，AMR于1992年提出了三層的企業集成模型[6]，如圖1所示#65377;

(1)計劃層:也是決策層使用的管理工具，主要應用系統是ERP(企業資源計劃)#65380;CRM(客戶關系管理)#65380;SCM(供應鏈管理)#65380;BPM(企業績效管理)等#65377;

(2)執行層:企業中層使用的工具，如MES(制造執行系統);制造執行系統MES在計劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁#65377;

(3)控制層:一線操作人員使用的，以SCADA(數據采集與監視)#65380;HMI(Human Machine Interface)為代表的生產過程監控軟件#65377;

據美國ARC公司調查，采用基于三層結構的MES可明顯提高生產質量#65380;勞動生產率和產品產量#65377;

除AMR三層企業集成模型之外，目前國際上也提出了其他幾種企業信息化系統體系結構 [3，7，8]，基本上可分為以下幾類:

(1)面向系統生命周期的體系結構#65377;制造系統的生命周期包括需求分析與定義#65380;系統設計#65380;系統實施和系統運行4個階段#65377;隨著企業經營環境#65380;經營目標或產品等的改變，在上一代制造系統生命周期尚未結束時就要開始新一代的系統生命周期#65377;CIM-OSA體系結構[9]和普杜(Purdue)體系結構就是這類結構的典型代表#65377;

(2)面向系統功能構成和控制結構的體系結構#65377;這類體系的特點是面向控制結構，把復雜分系統縱向分解為分層控制，減少全局控制和開發難度#65377;以美國國家標準技術研究院(NBS)的五層遞階控制結構和國際標準化組織(ISO)的六層遞階控制結構為典范#65377;

(3)面向系統集成平臺的體系結構#65377;如美國DEC公司體系結構，IBM公司體系結構#65377;

(4)其他類型體系結構#65377;除以上幾種影響比較大的體系結構外，國內外研究人員也從不同的視角提出了一些其他的體系結構，比較有代表性的有分布式C/S結構的體系結構[10]#65380;面向中小企業的體系結構[11]#65380;面向對象的體系結構[12]#65380;基于知識的企業CIMS體系結構[13]#65380;基于供應鏈的體系結構[14]#65380;面向工作流的體系結構[15-17]等#65377;

早期提出的體系結構主要針對離散加工行業，而石油化工等流程產業的生產與機械制造行業有著較大的差異#65377;其主要表現為在生產過程方面它是連續式的，具有高溫#65380;高壓#65380;易燃#65380;易爆等特點，對安全穩定生產要求很高;從管理角度看，規模大#65380;結構復雜#65380;專業系統多#65380;系統之間相互聯系緊密#65380;信息量大，而且要求數據傳送以及決策速度快;從數據模型和控制方面看，模型的變量多，時變快，外部環境影響干擾大，運用各種先進控制和優化策略難度大#65377;國外先進工業化國家的現狀證明，在大規模流程生產企業中實現信息化比機械等行業更加困難#65377;隨著流程企業的信息化系統的推廣實施，對流程工業企業生產特點認識不斷深入[18，19]，相應體系結構的研究成果也不斷推出[19，20]，不過至今沒有形成特別有影響的體系結構#65377;

另外，還存在另一類混合型工業企業，典型的代表如鋼鐵企業#65377;現代鋼鐵企業是一個復雜的#65380;相互關聯的生產整體，生產過程兼有連續生產和離散加工的特點，因此既有別于機械制造行業的完全離散加工過程，又有別于石化行業的完全連續生產過程#65377;目前對于這類企業的生產特點有深入研究[21]，特別是對生產組織中的一些具體問題如生產調度[22，23]#65380;死鎖[24]等研究成果更為豐富，文獻[23]提出了一種采用“事件(Event)”方式將系統中離散和連續的兩部分集成起來的方法#65377;但目前缺少的是規范化的方法，包括體系結構的研究#65377;

2 信息化系統中的集成問題

目前人們通常采用離散型#65380;連續型#65380;混合型等企業分類方法，只體現了企業生產方面的區別#65377;實際上由于企業特點不同，實現企業信息和功能集成的難點與關鍵技術也不相同，因此分類的目的在于針對不同企業特點提出不同的集成方案#65377;信息化系統是一個集產品設計#65380;制造#65380;經營為一體的多層次#65380;多結構的復雜系統，通過物理集成#65380;信息集成和功能集成，將企業的各種生產與經營活動集成為一個高度自動化的整體#65377;

所謂物理集成，是要求各種自動化設備的合理配置與到位;信息集成則要求通過計算機網絡與數據庫實現信息傳遞與共享，讓各種信息在各種控制#65380;信息管理與決策中發揮其應有的作用;功能集成則是要將企業主要的生產經營活動通過計算機協調實現#65377;顯然，功能集成是目的，信息集成是關鍵，物理實現是前面兩者集成的基礎，信息化系統分類的本質要素應是實現系統信息和功能集成的技術難點所在，也是影響信息化系統發揮整體效益的技術關鍵所在#65377;

一般說來，實現物理集成是不困難的，如何設計與開發適合本企業特點的應用系統，在實現信息集成的基礎上達到功能的集成，是實現企業信息化的關鍵和難點#65377;

信息觀點是信息化的核心內涵之一，根據信息觀點，企業的生產經營過程實質上是信息的采集#65380;傳遞和加工處理的過程，這一觀點為企業大量采用信息技術奠定了認識上的基礎#65377;信息化系統便是在這種思想指導下，通過生產經營各個環節的信息集成，支持了技術的集成，進而由技術的集成進入技術#65380;經營管理和人#65380;組織的集成，使物流#65380;資金流#65380;信息流集成并優化遠行，以此提高企業的市場競爭力和應變能力#65377;因此，解決好信息集成的問題是建設信息化系統的關鍵#65377;當前對于信息集成的研究主要集中于信息集成模式[25]和具體技術[26]兩個方面#65377;

從當前研究與應用來看，以成本信息集成為中心的信息集成模式是一種有效的方式#65377;成本控制的范圍，從生產向前可延伸到投資#65380;設計，向后可延伸到用戶使用等整個過程#65377;企業生產經營全過程的信息，都可以反映成為成本信息，可以通過成本信息的集成來實現整個系統的信息集成[27]#65377;利用信息化技術，制訂合理的成本計劃，利用信息反饋進行成本計算與控制，通過計算機輔助生產管理縮短生產周期，實現計算機庫存管理，減少資金占用量，從而達到降低產品成本的目的#65377;文獻[28]從MES成本管理控制角度，分析了按經濟用途的成本分類和按成本性態的成本分類，討論了基于作業的成本管理控制方法的原理#65380;優點，給出了作業成本計算過程和MES成本管理控制系統的主要功能#65377;

3 在信息化系統中應用人工智能

人工智能是計算機科學#65380;控制論#65380;信息論等多種學科互相滲透的一門綜合性學科，當前人工智能在信息化系統中有廣泛的應用[29]，主要包括:

(1)在工廠級規劃與分析中，智能系統綜合運用專家知識和眾多的開發工具，為設備布局，材料需求規劃及自動存取系統提供支持[30]#65377;

(2)基于經濟批量調度的智能系統[31]，運用智能技術同時考慮到物料和工廠承受力因素，在諸多需求規劃中尋找出一個盡可能好的低成本需求規劃，從而大大提高了MRP的效能#65377;

(3)工藝設計中，智能過程規劃系統將眾多的工藝專家知識集中在知識庫中[32]，并根據產品原材料及產品質量要求對零件進行自動分析，識別加工特征，決定加工順序#65377;

(4)將智能系統與仿真系統結合起來構成的知識仿真系統是典型的智能預測系統[33-34]，而將智能系統與監控結合起來，就是知識故障診斷系統#65377;

人工智能可以用于信息化系統的各個子系統及總體集成中，也可以用于系統設計和實施過程之中#65377;文獻[13]的基于知識的企業CIMS系統框架，把知識管理的理論研究成果應用到企業，實現這個系統的關鍵技術是實現知識管理和集成#65377;智能制造系統概念的提出正是強調了人工智能在現實中的重要作用#65377;

4 Petri網在企業信息化系統中的應用研究

企業信息化系統建模是當前人們研究的熱點，一個好的模型將對想要構造或分析的系統性質給出嚴格的定義，同時也為實現和驗證這些系統提供基礎#65377;為了描述復雜系統的不同層次#65380;不同子系統#65380;不同側面的系統行為，人們開發和研究了多種模型和方法，希望借助于這些模型和方法推動問題的解決#65377;被較多采用的模型和方法包括馬氏鏈#65380;神經網絡#65380;GA#65380;排隊論和Petri網(PN)等[35]#65377;

Petri網的概念最早在1962年Carl Adam Petri 的博士論文中提出來[36]#65377;Petri網是一個狀態變遷模型，可用來描述系統中各異步成分之間的關系，同時允許同時發生多個狀態變遷，也是一個并發模型#65377;用Petri網描述的系統有一個共同的特征:系統的動態行為表現為資源(物質資源和信息資源)的流動#65377;Petri網被認為是系統建模最重要的方法之一#65377;Petri網在企業信息化系統的眾多領域里都得到了廣泛的應用研究#65377;

(1)系統建模仿真#65377;傳統的離散事件仿真語言，如GPSS等雖然可按模塊程序遞階的方式描述事件進程中某些子模塊內的細節變化，但其動作次序都是預先編排好的，無法響應任務執行中環境所發生的動態變化#65377;運用Petri網模型能克服這一缺點，可靈活地統計出各資源在仿真中的行為#65377;使用一般Petri網對FMS(柔性制造系統)建模的最大缺點是:當系統規模稍大時，相應網的變遷和庫所數目相當大，給分析和圖形表示都造成很大困難，為此有人又提出了各種不同類型的高級Petri網，如OOPN#65380;CPN等[37-39]，當然，其效率往往低于分析型GSPN模型所做的計算[40-41]，因此不少研究中采用層次Petri網[39，42]#65377;

(2)性能分析#65377;運用Petri網表示系統模型，可對加工#65380;制造系統的設計#65380;組建和運行階段，按不同的需要作出系統行為的性能分析與評價#65377;這對合理使用投資金額#65380;發揮裝備的組合能力和創造最大收益等重要問題的解決，提供了相應的控制決策依據#65377;

在FMS設計階段，要求對準備投資建造的FMS作性能評價#65377;主要問題是投資量與FMS的規模和能力間的關系，包括車間中設備的數量#65380;功能#65380;位置分布和運輸方式，考核它們用幾種典型工件以一定混合配比進入FMS后，完成加工制造的效率#65377;例如零件在車間內完成加工的平均通過時間(Throughput Time)#65380;制造中逗留車間等待加工的零件數量#65380;各機床的利用率和與此對應的生產成本及利潤等[43]#65377;從設定的多種加工制造方案中，考察FMS的上述指標，并對設計方案進行修改#65377;

(3)生產調度問題#65377;生產調度問題是指在制造系統中，在滿足工藝要求的前提下，如何統籌安排各種不同工藝的制造順序#65380;分配系統資源#65380;獲得優化的系統運行效率的問題#65377;針對調度問題已經提出了很多方法，例如排隊論模型#65380;數學規劃#65380;系統仿真#65380;控制理論等[44]#65377;

最早采用Petri網求解調度問題的是J. Carlier等人[45]，他們采用時間Petri網來解決經典調度問題#65377;Petri 網作為一種強有力的圖形化的數學工具，現在被越來越廣泛地運用于該領域[46-47]#65377;文獻[47]在以往研究的基礎上利用層次Petri網模型，結合遺傳算法對調度問題中作了進一步分析，其他研究人員對于從任務管理到有效任務分配#65380;故障影響等一系列問題都作出了深入研究[44，48]，在部分研究中引入了人工智能的方法[49]#65377;

(4)Petri 網控制器#65377;要完全定義一個Petri網控制器的行為，除網絡本身的結構及初始標識外，還必須指定其運行規則#65377;執行算法可分為兩層實現:低層為狀態反饋控制策略，實現控制功能;高層為沖突解決策略，實現調度功能#65377;Petri網控制器對FMS的控制過程實際上是按此執行算法運行Petri網的過程#65377;設計Petri網控制器除了要滿足系統的各種操作約束外，還要有某些性能，例如各種系統資源的競爭#65380;死鎖情況#65380;活性#65380;有界性和可逆性等[50]，文獻[51]對DES中的死鎖問題作了分析并提出了一些解決方案，文獻[52]通過基于Petri網的結構特性分析，研究了FMS的一種預防死鎖方法#65377;

生產調度和系統控制都是Petri網應用的重要領域，今后的Petri網控制器將集生產計劃#65380;調度和實時控制于一體，用于解決越來越復雜的制造系統的自動化問題，人工智能技術和Petri網相結合將為這一方法的發展提供廣闊的前景#65377;文獻[34]用“面向對象知識網”的Petri網建立一個4層組裝模型，利用模糊邏輯來描述設計過程中的非精確知識#65377;基于Petri網的知識表達方法與推理算法的研究是實現Petri網在人工智能領域有效應用的基礎#65377;

5 結 論

和發達國家相比，目前我國制造企業信息化水平差距仍然較大#65377;從技術角度看，主要停留在單元技術的應用或集成技術的初級應用，孤島現象嚴重，集成化應用水平不高，協同制造遠不能滿足國際化競爭的要求;從應用角度看，制造業信息化軟硬件產品和企業應用缺乏標準規范的管理和指導是一個主要問題#65377;因此加強系統的集成研究與制定相應的技術規范是當前迫切的任務#65377;

Petri網是信息化系統建模最為重要的方法之一，在建模仿真#65380;性能分析#65380;生產調度#65380;過程控制等方面得到廣泛應用#65377;不過目前關于Petri網在該方向的應用與研究有兩個特點:①從系統體系結構的觀點來看，研究比較集中于系統的低層，但正在向高層擴展;②應用研究偏重于自動制造系統部分，特別是離散行業FMS#65377;結合AMR模型，以Petri網作為一種全系統統一的模型方法，為復雜的#65380;完整的企業信息化系統進行分析#65380;設計#65380;建立模型，進行系統評價與分析，是Petri網應用研究的一個發展方向#65377;

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