分布式网络化制造系统构想

作者：程涛 胡春华 吴波 杨叔子

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 本文从世界经济的全球化发展趋势、新时期市场的特征与本质、科学技术的发展等方面出发，阐述变革传统制造模式的内在动力，立足于当前制造业的发展现状，借助制造技术和信息技术的最新发展，基于“敏捷制造”的基本思想，试图探索出一种适应这些形势的生产制造模式。 1　制造模式变革的内在动力 1.1　全球化趋势 世界各国之间在经济上越来越多地相互依存，不可能离开全球化的市场而独立地求得本国经济的发展，必须与国际接轨，充分利用国际市场的信息、资本、资源、技术、商品和服务，在平等竞争的基础上，互利互惠，相互合作。经济的全球化、市场的国际化、贸易和投资的自由化，以及服务的世界化，促进了竞争，提高了效率，鼓励了革新，增加了新的资本投资和加快了经济增长速度［1～3］。随着越来越多的国家接受自由市场思想，全球自由贸易体制的逐步建立和完善，世界大市场的逐步形成以及全球交通运输系统和通讯网络的建立，国际间的经济贸易交往与合作更加频繁和紧密，竞争愈来愈激烈。这股全球化的洪流正推动着世界经济稳健、快速、持续地增长。这使得制造产业、制造技术和产品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布和组合。竞争的加剧将促使竞争对手利用一切可以利用的制造资源，主动积极地寻求市场机遇，灵捷地响应和适应客户多样化的消费需求，高质量地为全球顾客服务，从而获得规模经济，促进企业的发展与壮大。 1.2　客户化市场驱动 世界制造业正面临着一个不确定性的、急剧变化的、竞争日趋激烈的国际化市场［3］。 　　 (1)客户驱动市场　客户驱动着市场，市场牵动制造企业，制造业从生产为中心转向市场需求为中心，从企业为主导转向客户为主导，以满足客户需求为目标。 　　 (2)客户对制造产品的要求　集中表现为多品种、变批量、高性能、高质量、高可靠性、交货期短、合理的价格、完善的行销及售后服务等，而且这些要求是随着客户的经济及其它条件的变化而不断变化的，由此导致制造业面对一个产品寿命期短、更新快、动态快速多变、稳定性差和难以预测的市场。 　　 (3)物质产品与服务的交融　在从产品的设计与生产到行销与售后服务等过程中必须为全球范围内的客户提供优质与全方位的满意服务，这是制造企业赢得客户、开拓和占领市场的重要因素。 　　 (4)合作基础上的市场竞争　由于一个企业的资金、人员素质与知识和技能、设施与设备、设计与开发、制造能力、营销能力等都存在着局限性，在全球范围内日趋激烈的市场竞争中不可能取胜，因此必须进行企业间的合作，形成以竞争为基础和合作协同为主导、风险共担、利益共享、共存共荣的机制，充分实现资本、资源、技术、人才、信息和知识的交流与共享，优势互补、分工协作，才能积极有效、主动、快速响应和适应市场，夺取竞争胜利。以这种竞争与合作机制为基础，借助于计算机网络、远程通讯技术及装备，以及四通八达的交通运输网络，使在地域上分布的企业组成能适应当今和跨世纪市场需求变化的、有竞争能力的、动态可变的企业联盟，是实现在远比过去更广阔的范围内，充分有效利用比过去更广泛的资源，灵活快速响应全球范围内用户需求，提供优质服务的最佳模式。 1.3　科技进步 本世纪中叶以来，微电子、计算机、通讯、网络、信息、自动化等科学技术的迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的“第三次浪潮”，正牵引着人类进入工业经济时代最鼎盛的时期，并已叩响知识经济时代的大门［4］。正是这些高新科学技术在制造领域中的广泛渗透、应用和衍生，推动着制造业的深刻变革，极大地拓展了制造活动的深度和广度，促使制造业日益向着高度自动化、智能化、集成化和网络化的方向蓬勃发展。 在全球化浪潮的冲击和高速发展的高科技的推动下，制造企业的经营、生产战略与活动应面向全球，充分合理利用以信息技术为代表的高科技，建立和实现基于分布式网络化体系结构的组织、生产和管理模式，以快速、灵活地组织和利用各种分布的、异构的制造资源，谋求企业间的相互合作、共同寻求市场机遇，在激烈的市场竞争中求得生存与发展。 　 2　分布式网络化制造系统的总体构想 建立和实现基于计算机网络的分布式制造系统模式，是对传统制造模式的扬弃与创新。近些年来，在理论上已初具系统，在实践中亦取得成效的先进制造生产模式主要有柔性生产、智能制造、精益生产和敏捷制造等，在总结这些成果的基础上，结合当前国内外制造业的基本形势，本文提出了分布式网络化制造系统（distributed networked-manufacturing system, DNMS）的初步构想，分布式网络化制造系统是一种由多种、异构、分布式的制造资源，以一定互联方式，利用计算机网络组成的、开放式的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地响应客户需求变化的制造系统，是一种面向群体协同工作并支持开放集成性的系统。其基本目标是将现有的各种在地理位置上或逻辑上分布的异构制造系统/企业，通过其Agent连接到计算机网络中去，以提高各个制造系统/企业间的信息交流与合作能力，进而实现制造资源的共享，为寻求市场机遇，及时、快速地响应和适应市场需求变化，赢得竞争优势，求得生存与发展奠定了坚实的基础，从而也为真正实现制造企业研究与开发、生产、营销、组织管理及服务的全球化开辟了道路。 分布式网络化制造系统具有如下特点： (1) 层次结构的相似性　分布式网络化制造系统具有一定的层次性，从下到上一般可分为单元级、车间级、系统/企业级等不同的层次，而且在不同的层次上都具有相似的体系结构，即同一层次中各结点都通过其Agent利用计算机网络相互连接，而处于低层次的系统，则作为一个整体通过其在上一网络层次中的代理连接到上一层次的网络中去。 　　 (2) 分布式、开放的体系结构　在分布式网络化制造系统中，处于同一网络层次中的各个结点在逻辑结构上或地理位置上是分布的，无主从之分，能独立地、自主地完成各自的子任务，但为完成系统的整体任务，彼此间还需进行大量的交互活动，包括信息、数据的交流与共享，相互协商、协调与合作以协同完成任务。 (3) 良好的容错能力、可扩展和可重组性 (4) 互联性　各结点通过计算机网络，以一定逻辑互联方式实现连接和通讯。 (5) 互操作性　各结点或应用系统间能够交互作用、相互协调与合作以协同完成共同的任务。 (6) 数据、知识和信息的分布性　各个结点都有各自的以各种形式（如文件、数据库、知识库和电子表格等）存在的数据、知识和信息资源。 (7) 多样化　硬件平台、操作系统和应用平台的多样化。 　 3　分布式网络化制造系统的关键技术 在继承当前制造技术的基础上，构建和实现分布式网络化的制造系统需要计算机网络技术、分布式对象技术、多自主体系统(multi-agent system, MAS)技术以及数据库等关键技术的支撑。在此，仅就分布式对象技术及其主要标准和多自主体系统技术作简单介绍。 3.1　分布式对象技术及其标准 为在分布的、多种异构制造资源的基础上构造起分布式网络化制造系统，以有效地实现资源与信息共享、相互协调与合作以协同完成整体目标，因此系统集成就成为十分突出的问题。解决系统集成问题的有效途径就是遵循开放系统原则，采用标准化技术，建立集成软件环境。一种可分布的、可互操作的面向对象机制——分布式对象技术，对实现分布异构环境下对象之间的互操作和协同工作以构建起分布式系统具有十分重要的作用和意义。其主要思想是，在分布式系统中引入一种可分布的、可互操作的对象机制，把分布于网络上可用的所有资源封装成各个公共可存取的对象集合，采用客户/服务器(C/S)结构和模式实现对对象的管理和交互，使得不同的面向对象和非面向对象的应用可以集成在一起［5］。 许多计算机厂商、标准化组织等纷纷制定了分布式对象技术的相关标准［5，6］。其中，国际对象管理组织OMG发布的公共对象请求代理结构(common object broker architecture,CORBA)，为分布异构环境下各类应用系统的集成，实现应用系统之间的信息互访、知识共享和协同工作提供了良好的可遵循的规范、技术标准和强有力的支持，它通过客户/服务器对象间的交互而实现资源的实时共享。CORBA具有软硬件的独立性、分布透明性、语言的中立性，以及面向对象的数据管理等优点，从而成为当前十分有效的一种集成机制。因此得到包括IBM、HP、DEC、Microsoft等在内的计算机与软件厂商和X/open、OSF以及COSE Alliance等国际联盟的积极支持和采纳，已有几个遵循此标准的产品问世［5，6］。 基于CORBA标准实现的系统集成和应用开发环境在企业中将会有潜在的巨大的应用前景，在逐步实现企业生产和管理的自动化与智能化，提高生产率，增强和提高企业及时快速响应和适应市场的能力等方面都将起到积极的推动作用。基于CORBA标准的系统是一个能跨越不同地理位置、穿越不同网络系统、屏蔽实现细节、实现透明传输、集成不同用户特长的基于C/S模式、面向对象、开放的分布式计算集成环境。 3.2　多自主体系统技术 多自主体系统理论与技术在制造领域中的应用与实现，将给制造系统/企业带来巨大变化［7］。制造系统是由若干完成不同制造子任务的环节组成的，如订货、设计、生产、销售等，各个环节上的各功能子系统既相互独立，又相互协同，以提高产品的市场竞争力和企业的经济效益为目标，共同完成制造任务。因此可以说整个制造过程是一种典型的多自主体问题求解过程，系统/企业中的每一部门（或环节）相当于该过程中的一个自主体(Agent)。制造系统/企业中的每一子任务、功能、问题或单元设备等都可由单个Agent或组织良好的Agent群来代理或实现，并通过它们的交互和相互协商、协调与合作，来共同完成制造任务。将制造系统/企业模拟成多自主体系统可以使系统易于设计、实现与维护，降低系统的复杂性，增强系统的可重组性、可扩展性和可靠性，以及提高系统的柔性、适应性和敏捷性等。 　 4　原型系统 基于这一构想，我们利用StarBus2.2，开发了一个分布式网络化制造原型系统。该原型系统由系统经理、任务规划、设计和生产者4个结点组成。 4.1　系统组成 　 　 (1)系统经理　 系统经理包括数据库服务器和系统Agent。前者提供一个全局数据库，它可供原型系统中获得权限的结点进行数据的查询、读取、存储和检索等操作；后者则负责该原型系统在网络上与外部的交互，通过Web服务器在Internet上发布该原型系统的主页，网上用户可通过访问该主页获得该系统的有关信息，并决定是否由该原型系统来满足自己的需求，这可通过填写和提交该主页向用户提供的定单登记表来向该原型系统发出定单，系统Agent决定是否接受这些定单，如接受，就将其存入数据库服务器的全局数据库中；另一方面，系统Agent还负责监视该原型系统上各个结点间的交互活动，如记录和实时显示结点间发送和接收消息的情况、任务的执行情况等。 (2)任务规划　 任务规划结点的主要功能是对定单进行规划、分解成若干子任务，并通过招标—投标的方式将这些子任务分配给各个结点。该结点由一个任务经理和它的代理——任务经理Agent组成。 任务经理的主要功能如下：①访问全局数据库获取网络用户的定单；②根据定单进行任务登记；③将任务分解成若干子任务；④查询其它结点的类型、能力和其它信息；⑤基于价格机制，通过谈判进程以招标—投标的方式将这些子任务分配给网上其它结点。 任务经理Agent主要负责如下事务：①网络注册，以使该结点能加入到原型系统中，获得相应的权限；②与系统中其它结点进行交互；③管理本地数据库，包括数据查询、修改、添加、删除等；④取消注册，以使该结点退出本系统。 (3)设计　 设计结点是一个计算机辅助设计系统。该结点是由一个CAD 工具及其代理——CAD Agent组成的。CAD工具是一个工具软件包，用于帮助设计人员根据用户要求进行产品设计；而CAD Agent则负责网络注册、取消注册、数据库管理、与其它结点的交互、决定是否接受设计任务和向任务发放者提交任务等事务。 (4)生产者　 生产者包括一台加工中心和它的Agent——机床Agent。该加工中心配置有我们在华中Ⅰ型数控系统的基础上开发的智能自适应数控系统［8］、刀具状况监控模块以及自诊断和自修复模块，可以提高加工效率、降低成本、保障设备运行的可靠性和安全性。此外，还具有与外部环境进行交互的能力。其主要任务是，①利用串口或网络适配器与其机床Agent进行信息交流，包括从机床Agent接受控制命令、数据和相关文档，将有关机床的运行状态和结果传送给机床Agent；②根据从机床Agent接受的控制命令、数据和相关文档完成加工任务。 机床Agent 的主要功能如下：①与网络上其它结点的Agent进行交互，包括谈判、协商和信息与数据交流等；②进行推理并作出决策以决定是否接受子任务，如不接受，则寻求其它能接受该子任务的结点，并进行任务迁移；如接受，则对该子任务进行规划以确定其行为活动；③利用串口或网络适配器与其加工中心进行信息交流，即将控制命令、数据和相关文档传送给加工中心，并接受加工中心传送来的有关机床运行状态和结果的信息；④对机床Agent自身和加工中心的运行状态进行监控。 4.2　系统运作 该系统中的每个结点必须通过网络注册，才能成为该原型系统的正式成员以获得相应的权限，才能与系统中的其它结点进行协作，共同完成系统任务。整个原型系统的运作过程。 (1)任一网络用户都可以通过访问该原型系统的主页获得该系统的相关信息（包括系统特征、能力和所承诺的服务等），系统主页是由Web服务器在Internet上发布的。此外， 用户还可通过填写和提交系统主页所提供的用户定单登记表，向该系统发出定单。 (2)如果接到并接受网络用户的定单，系统Agent就将其存入全局数据库，任务规划结点可以从全局数据库 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/18/2004)