分布移動環境下的生產模式研究

[摘 要] 分布移動環境給企業的產品開發#65380;生產和經營活動帶來了新的挑戰#65377;本文提出分布移動環境下的生產模式——面向服務架構的敏捷制造(AMSOA)，借鑒敏捷制造及動態聯盟等現代制造模式，利用面向服務的架構#65380;業務流程管理和語義Web服務等相關的標準和技術構造企業業務集成服務平臺，利用無線服務中間件集成移動業務#65377;此外，研究了該模式的AMSOA內涵#65380;應用體系結構#65380;關鍵技術等，為企業快速組織生產#65380;增強企業生存競爭能力提供了一種新的解決方案#65377;

[關鍵詞] 生產模式;分布;移動;敏捷制造;生產管理

[中圖分類號]F270.7;TP311[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194(2009)04-0072-04

1 引 言

目前企業內和企業間存在著眾多形式和性質的業務，例如產品設計#65380;生產和交付需要企業各部門#65380;供應商#65380;分銷商#65380;零售商和顧客之間的協作#65377;單項業務所涉及的企業規模變得越來越大，經常需要跨越多個管理域邊界，所涉及的資源數量和類型也越來越多，遠遠超出了傳統生產的范疇#65377;敏捷制造及動態聯盟的實施為實現跨地區的資源共享和業務協作提供了戰略手段#65377;近年來，移動通信技術的飛速發展和廣泛應用，給敏捷制造及動態聯盟的實施帶來了新的機遇和挑戰#65377;移動環境通常具有如下一些特點:①移動設備存儲#65380;處理能力弱;②無線連接帶寬有限，且連接不穩定;③用戶與設備具有移動性#65377;由于移動計算的引入和分布經營的特點改變了企業的運作流程，在生產過程面向移動性重構和分布式自動化水平提高的過程中產生了很多新問題#65377;因此，對面向國情的分布移動環境下的生產模式研究是必然的#65377;

在面向分布移動環境下的技術實現方面，盡管工作流技術部分滿足了上述需求，并已廣泛應用于企業業務協作的自動化過程之中，然而，由于其在模型定義#65380;執行環境及接口方面的異構性，以及應用程序接口匱乏等問題，結果只能滿足企業的內部需求，而不適用于跨企業的流程互操作#65377;面向服務的架構(Service Oriented Architecture，SOA)和Web服務催生了面向服務的業務流程新范型，它采用Web服務作為業務流程執行平臺，并將業務流程作為Web服務進行注冊#65380;發布和使用#65377;面向服務的架構(SOA)以及服務組合技術在復用性#65380;靈活性和可擴展性等方面的優勢使其逐漸在跨組織的企業應用集成中得到應用，尤其在服務組合方面更是如此#65377;業務流程以Web服務的形式分布在各協作企業#65377;

本文借鑒敏捷制造及動態聯盟等現代制造模式，利用面向服務的架構#65380;業務流程管理(Business Process Management，BPM)和語義Web服務等相關的標準和技術構造企業間業務集成服務平臺，利用無線服務中間件集成移動業務，從而形成面向服務架構的敏捷制造(Agile Manufacturing based on SOA，AMSOA)作為分布移動環境下的生產模式#65377;它是借助敏捷制造及動態聯盟等現代制造模式在分布式企業中開展，是面向服務#65380;敏捷制造和動態聯盟的綜合實施#65377;

2 AMSOA的內涵

2. 1AMSOA是敏捷制造的拓展

敏捷制造是指制造企業采用現代網絡信息技術手段，通過動態地#65380;有效地協調整合各種生產要素，快速配置各種資源(包括技術#65380;管理和人)，響應用戶需求，實現制造敏捷化的一種現代制造模式#65377;其核心是制造業企業要在不斷變化#65380;不可預測的經營環境中，著力提升企業市場應變能力和快速反應能力的一種戰略性舉措，是現代制造業發展的方向，更是制造業信息化的必然趨勢和本質要求#65377;

敏捷制造的實現需要有多個相關企業的協同工作，它必然促使企業建立起動態組織架構#65377;敏捷制造要求企業能以最快的反應速度，對市場變化#65380;需求變更做出反應，并要以第一反應速度對原有的不適應市場需求的組織架構進行適應性調整#65377;調整的基本原則是要建立動態聯盟#65377;動態聯盟是指為了贏得某一機遇性的市場競爭，圍繞某種新產品開發，通過選用不同組織/公司的優勢資源，綜合成單一的靠網絡通信聯系的階段性經營實體#65377;動態聯盟具有集成性和時效性兩大特點#65377;它實質上是不同組織/企業間的動態集成，隨市場機遇的存亡而聚散#65377;在具體表現上，結盟的可以是同一個大公司的不同組織部門(以互利和信任為基礎，而非上級意識)，也可以是不同國家的不同公司#65377;動態聯盟的思想基礎是共贏#65377;聯盟體中的各個組織/企業互補結盟，以整體優勢來應付多變的市場，從而共同獲利#65377;

敏捷制造必須依托各種先進制造技術和動態調度系統#65377;敏捷制造的核心在于:快速地生產出能準確滿足用戶需求的產品#65377;因此，敏捷制造必須在其各個制造環節采用先進制造技術，如柔性制造#65380;計算機輔助管理#65380;計算機輔助質量保證#65380;產品數據挖掘管理，甚至還包括企業經營過程重構技術#65377;敏捷制造中的敏捷性還體現在必須要建立動態的#65380;適時的信息傳輸和決策傳遞的動態調度系統;要廣泛運用移動終端和網絡終端等多維傳輸手段和信息轉移傳輸技術，確保信息及時獲得#65380;決策及時到位#65380;變動及時調整#65380;物流及時銜接#65380;樣品及時提供#65380;生產及時安排#65377;

敏捷制造需要充分調動和發揮人的作用#65377;敏捷制造提倡以人為中心的管理，強調用分散決策代替集中控制#65380;用對話溝通機制代替遞進控制機制#65377;例如，在中國多數企業的底層車間生產是一個復雜的不確定系統，單純依靠計算機和自動化技術實現車間敏捷制造是不現實的#65377;隨著現代無線通訊技術的發展，企業有機會把無線移動通信技術引進來，創建一種以人為中心的能充分發揮“人的智能”和“機器智能”的分布式的人機協同工作的新模式#65377;在這種模式下，人能隨時隨地獲取信息并根據形象思維#65380;直覺和經驗作出判斷，并與基于長期存儲#65380;精確推理與快速數據處理的機器智能無縫地結合起來，靈活快捷地實現最佳決策#65377;

根據以上分析，分布移動環境下的敏捷制造，構建動態聯盟，除組織和人的因素外，對技術平臺的要求很高#65377;在聯系現實世界的實際情況和當前分布式計算技術的發展趨勢的基礎上，一種以“服務”為中心的體系結構(即面向服務架構)能夠很好地滿足分布移動環境下的生產要求#65377;

2. 2SOA是AMSOA實施的技術平臺

(1)SOA模型

SOA 是一個分布式組件模型，將應用程序的不同單元封裝成服務，通過服務間定義良好的接口和契約聯系起來#65377;接口采用中立的方式定義，獨立于實現服務的硬件平臺#65380;操作系統或編程語言，使得構建在系統中的服務可以使用統一和標準的方式進行通信，從而實現在分布的環境下將軟件組件#65380;系統的各種功能以服務的形式提供給最終用戶或者其他服務#65377;

SOA 的概念最早由Gartner Group 于1996 年提出，旨在為企業級各種基于不同中間件#65380;操作平臺#65380;編程語言的異構系統之間的集成提供一種面向服務的解決方案框架#65377;在SOA 中，服務是最基本的單元，提供了服務提供者的語義特征#65380;接口特征和服務的各種非功能特征，通過標準協議和數據格式進行通信#65377;目前廣泛采用XML 作為標準的數據交換格式#65377;圖1 是SOA 模型#65377;其中，服務提供者和請求者之間能夠進行動態綁定和直接交互，實現企業應用的邏輯#65377;SOA 強調服務的封裝#65380;重用以及服務之間的互操作性，通過“描述—發布—發現—交互”的一系列標準操作，為構建大規模#65380;資源可重用#65380;松散耦合的分布式系統提供了一個開放的體系結構#65377;

(2)SOA 的實現技術Web Service

SOA是一種架構思想，其實現與具體技術無關#65377;基于SOA的實現技術目前主要有Web Service#65377;Web Service作為廣泛應用的SOA 實現技術，是在分布式計算#65380;XML 等技術相互融合的基礎上，采用HTTP#65380;SOAP 等Internet 標準協議與分布式Web 組件，進行交互的自包含#65380;自適應和自描述的軟件組件#65377;Web Service 采用SOA 對資源進行統一描述#65380;發布#65380;發現以及動態綁定與調用，可以解決Internet 環境下松耦合分布式異構問題#65377;Web Services 的核心技術規范包括:可擴展標記語言XML#65380;簡單對象訪問協議SOAP#65380;Web 服務描述語言以及統一描述#65380;發現和集成機制UDDI#65377;

Web Services服務與其他分布應用集成方法相比，其最大的特點是:它是完全低耦合的，服務請求者只在需要服務時，動態地綁定服務提供者即可;其次，采用SOAP交互協議及XML作為消息格式，具有跨平臺的特性，對集成的應用系統也要求較低，只要能夠支持SOAP協議及處理XML文檔就可以#65377;

3 應用AMSOA的解決方案

3. 1應用AMSOA的企業應用體系結構

應用AMSOA的指導原則來構造企業應用集成系統，通過強制分開每個服務的使用者和該服務的提供者，增加了松耦合的關鍵特性，從而克服了以往脆弱的#65380;緊耦合的應用程序集成#65377;為了獲得SOA 所帶來的面向未來的長期利益和優點，該集成系統需要結合企業應用集成平臺(有文獻稱之為企業服務總線技術)來組織實施應用#65377;企業應用集成平臺提供粒度不等的服務#65377;一個采用AMSOA方式進行企業應用集成的參考體系結構如圖2所示#65377;

基于AMSOA的企業應用集成系統分為4個層次:設備層#65380;數據層#65380;支撐層#65380;應用層#65377;設備層將完成作業點現場數據采集和即時計算，是分布移動系統的信息來源#65377;其中具有代表性的企業移動計算模式有PDA#65380;手持終端#65380;手機和移動PC#65377;這些移動計算采集企業作業點的數據，在本地即可即時計算處理，同時可將信息通過無線局域網#65380;無線廣域網實時傳輸#65377;企業應用平臺通過無線中間件對信息進行正確運算及存儲#65377;數據層通過將現有的應用系統提供Web服務支持，使各種原有應用系統如CAPP/PDM/ERP等用WSDL統一描述出來，作為服務的接口，統一發布給企業應用集成平臺即支撐層系統#65377;支撐層由統一身份認證#65380;數據交換平臺#65380;請求服務平臺#65380;共享數據平臺組成，其中請求服務平臺為服務請求者和服務提供者的互操作提供了簡單#65380;可靠的方式#65377;應用層是整個敏捷制造體系的最上層，是AMSOA體系架構中服務的消費者，在企業應用集成平臺的基礎上，進一步構建企業的各種應用，支持分布#65380;異地的分布式敏捷制造系統的開發及評估工作#65377;

3. 2基于AMSOA的關鍵技術

(1)基于AMSOA的產品數據交換平臺

基于AMSOA的敏捷制造系統建立在以XML為主的#65380;開放的Web規范技術基礎上，XML是表示其數據的基本格式#65377;如何將現有的異構制造資源#65380;信息轉化成符合Web規范的標準數據表示方式是該系統實現的關鍵之一#65377;

目前采用的產品數據交換標準是STEP(Standard for The Exchange of Product model data)，EXPRESS信息建模語言是STEP標準的核心，它為產品數據模型定義提供了強大#65380;靈活的手段，但是由于STEP Part 21中性文件支持的數據交換方式缺乏足夠的靈活性和擴展性，并且Web環境不能很好地支持，因此提供從EXPRESS到XML文檔的映射方法和標準就顯得十分必要#65377;XML的用法十分靈活，因此有許多途徑可以實現從EXPRESS數據模型向XML映射，常用的有兩種:①后期綁定，XML標記不直接與EXPRESS數據類型相對應，而是與EXPRESS的元數據對象(metadata objects)相對應#65377;②前期綁定，XML標記與EXPRESS數據模型中的數據類型以及屬性直接對應#65377;

(2)網絡環境架構

支持AMSOA的網絡環境由移動終端#65380;無線網絡#65380;WAP網關#65380;本地/遠程服務器#65380;互聯網#65380;互聯網服務器組成#65377;其基本流程是移動終端通過無線通信網與本地/遠程服務器連接，再通過高速寬帶互聯網與固定服務器連接#65377;同時，高速寬帶互聯網構成了連接互聯網服務器的主干，服務器網絡中擁有若干個支持分布式移動服務的本地/遠程服務器和互聯網服務器，每個本地/遠程服務器負責管理一個無線網絡單元，單元內的移動終端與本地服務器之間通過無線通信連接，每個無線網絡單元的覆蓋范圍取決于其采取的無線通信技術#65377;

分布式移動網絡環境各個層面的功能由企業級#65380;車間級和設備級等3層網絡組成#65377;

企業級環境支持“管理軟件+互聯網+移動通訊”的融合，突破了空間和時間的限制，從而使企業管理從桌面走向網絡，從PC走向手機，從辦公室推向移動空間#65377;

車間級環境支持車間計劃管理和現場調度兩大功能#65377;車間管理層應配置車間數據庫服務器#65380;Web服務器和計劃調度工作站#65377;車間管理層以臺式PC 機為主，在原有有線網絡結構的基礎上，配備無線網關#65380;網橋#65380;路由器等，通過無線通信對現場調度層和加工設備層提供技術支持#65377;由于車間是一個隨機事件頻發的不確定系統，因此車間級環境具有移動和分散的特點，因此對車間個人數字助理(Shop Floor PDA)的研發是必需的#65377;車間個人數字助理協助調度員實時采集現場數據，及時獲取車間數據庫和服務器的支持，快速靈活地作出決策#65377;

設備級環境應該是一個可靠的#65380;支持高速率數據傳輸的網絡，對企業來說，無線局域通訊技術(IEEE 802.11/藍牙)和無線廣域通訊技術(GSM/GPRS/CDMA/3G)扮演重要角色#65377;基于無線通訊的車間數字助理和掌上數控是人機協同網絡環境下數字化生產模式整體解決方案的關鍵部分#65377;

(3)生產計劃制訂

在分布移動環境下，許多生產數據具有一定的模糊性#65377;根據業務流程管理的思想，計劃的制訂可采用推進式與反饋式相結合的方法進行#65377;在圖4中，生產計劃由主生產計劃和需求計劃組成，需求計劃(RP)被分為高層生產計劃(HPP)和車間滾動生產計劃(RPP)兩個層次#65377;高層生產計劃相當于直接對主生產計劃初步分解得到的各個車間訂單#65377;車間可執行計劃由RPP部分和車間計劃員合作完成#65377;整個縱向結構增加在線產品差異投入的負反饋控制，車間計劃員根據實際生產進展情況進行動態調整，從而逐漸向前推進#65377;

(4)生產動態調度

敏捷制造必須依托動態調度系統#65377;基于AMSOA模式組織生產調度，強調生產的動態性和快速性，并保證生產計劃的柔性#65377;因而，在計劃執行和過程調度方面，更多地強調在生產計劃下對不確定性和隨機性問題的協調能力以及過程管理#65380;優化能力#65377;為實現這一目標，本文應用了動態調度原理#65377;

為防止意外事件沖擊，基于關鍵點的動態調度將被采用，其原理就是將生產過程視為由一系列關鍵點組成，調度策略就是要控制各關鍵點的結余量#65380;投入量#65380;完工期等，而對非關鍵點及細節過程不予過問#65377;動態調度原理由4個算法組成:按周期計劃初安排生產#65380;按作業進度計劃預測缺件#65380;基于關鍵工序點的在制品控制和定期的盈虧檢查#65377;

以基于關鍵工序點的在制品投入量控制的算法為例，由于受市場影響或對自身加工進度等方面的考慮，相同批次的零件(或組件)在不同關鍵工序點必須有部分在制品結余#65377;在制品結余主要出于以下幾方面的考慮:一是在未來周期內入庫;二是用戶突然改變訂單，必須做出相應調整;三是屬于市場長線產品，逐月都有入庫要求，以維持企業生產的連續性;四是在某些工序常出現廢品#65377;對于調度，不論發生何種情況，必須保質#65380;保量，按期交貨#65377;

4 總 結

本文在分析分布#65380;移動環境特點的基礎上，提出了面向AMSOA架構的生產模式，從系統結構#65380;產品數據交換#65380;生產計劃#65380;生產調度等方面對分布移動環境下的生產模式進行了初步的研究與探討，實現按業務組織生產，為企業快速組織生產#65380;增強企業生存競爭能力提供了一條新的思路#65377;然而，作為一個新的管理模式和方法，還存在著一些技術問題，如無線網絡寬帶傳輸#65380;移動數據管理#65380;生產過程中各主要指標的性能評價#65380;合作伙伴選取等，這些問題還有待作更深入的研究與探討#65377;

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