基于协同制造网格的高级计划系统

作者：曾小青 高阳

欢迎访问e展厅 展厅 2 OA办公自动化展厅 协同办公软件, 打印机, 投影机, 电子白板, 视频会议, ... 由于ERP生产计划不准确，对供应链上企业的计划协同性方面也存在不足，ERP计划模型已不能适应企业信息集成的需求。高级计划系统（APS：Advanced Planning and Scheduling）通过复杂而有效的算法可快速生成跨越整个供应链的可行最优(或近似最优)计划。本文介绍了APS，并针对APS求解的困难，提出了协同制造网格（CMG：Collaborative Manufacturing Grid）的概念，讨论了CMG的内涵与功能，分析了基于协同制造网格的高级计划系统的关键技术，指出CMG是解决目前ERP生产计划存在的问题、实现APS的重要方法。 1、引 言 我国作为世界最大的潜在市场，已经成为众多跨国公司群雄逐鹿的重要场所。据统计，世界500强企业中有400多家落户中国，宣告了一个制造业新时代的到来，但是毫无疑问，我国制造业面临着巨大的冲击和挑战[1]。为使我国企业在竞争中立于不败之地，使我国真正成为制造强国，亟需采用先进的制造理念和管理模式来提升企业竞争力。 生产计划是制造企业运作的核心内容之一 [2]。一直以来，企业广泛采用企业资源计划（ERP）系统对企业运作进行管理，并于90年代中后期创造了ERP实践的辉煌时期。然而，ERP的计划管理的模型依然是MRPII，其编制计划的方法还是采用MRP，但是MRP方法存在以下弱点[3]：(1) MRP算法假定提前期是已知的固定值；(2) 系统要求固定的工艺路线；(3) 仅仅根据交付周期或日期来安排生产的优先次序；(4) 所有工作都是在假定无限能力的前提下进行。这就限制了企业制订准确而又切合实际的生产计划，这也正是很多ERP系统实施失败的重要原因之一。 近年来，许多企业开始把注意力放在自己的核心竞争力上，对一些非强项业务则尽可能外包给别的公司。结果，销售给顾客的产品或服务，其特征和质量在很大程度上取决于供应链上的所有相关企业。这便带来了新的挑战：如何实现供应链的集成？如何更有效地协调和控制企业间的物流、信息流和资金流？这就需要在供应链上的企业之间进行有效地协同。而ERP系统无论在计划技术或功能方面都不具备协调多个企业资源的能力，ERP仍旧是面向企业内部的事务处理系统[4]。直至90年代中期，寻求克服ERP缺点的努力开始有了成果，这就是高级计划系统（APS：Advanced Planning and Scheduling，又称为:高级计划与排程系统）。 APS技术的出现，为企业生产计划与调度技术这一古老的研究课题带来了新的生机，突出的特征是APS实现了生产计划与作业调度的融合。而实现APS，需要针对企业的生产计划提出通用的数学模型(如LP，MIP，CP)，并对这些优化问题进行求解。当问题规模很大的时候，求解是困难的。要实现APS，需将问题进行分解，为此，我们提出了协同制造网格（CMG：Collaborative Manufacturing Grid）的概念。本文讨论了CMG的内涵与功能，分析了基于协同制造网格的高级计划系统的主要研究内容和关键技术，并指出CMG是解决目前ERP生产计划存在的问题、实现APS的重要方法。 2、高级计划系统APS APS是一种基于供应链管理和约束理论的先进计划与排程系统，包含大量数学模型、优化及模拟技术 [5-6]。对制造业而言，APS能及时响应客户要求，快速同步计划，提供精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并发考虑供应链的所有约束，自动识别潜在瓶颈，提高资源利用率，从而改善企业的管理水平。美国AMR（Advanced Manufacturing Research）研究中心经调查认为，那些已经采用APS模式的企业产生的投资收益率约为300%，并称APS是日益复杂的商务环境下具有革命性进步的企业计划工具[7]。APS在决策过程中考虑到包括客户以及供应商在内的整个供应链，其计划范围扩展到了单个企业之外；并且APS系统采用智能优化算法等决策技术帮助企业对整个供应链的约束进行模拟分析，并找出最佳计划或解决方案，因而，APS成为支持企业协同计划最主要的手段。 从20世纪50年代以来，许多学者一直在寻求数学方法进行精确计算来安排计划和生产进度。但由于当时受到建模困难、运算量大等客观条件的限制，发展比较缓慢。随着MRP方法的诞生，生产计划管理领域就存在着并行的两种编制生产计划哲理：MRP法和数学解析方法[8]。在80年代中期，从缩短计划运行时间开始的改进MRP的工作取得成效，有人开发了快速MRP的模拟技术。Eli Goldratt提出的优化生产技术OPT根据能力瓶颈安排计划，后来又继续发展成为约束理论TOC[9]，并开始在离散制造业优化排序中应用，出现了第一批APS公司和基于常驻内存运行的交互式APS产品。1984年AT&T推出的 Karmarkar’s 算法[10]，成为线性规划(LP)的突破性进展，以后几乎被所有现代LP解决方案所采用。90年代一些主要的化工企业开始选用APS供应商的产品。其后，新的计划与排程系统开发商，将线性规划等优化方法通用化，在新一代计算机的支持下，创造出几乎能在瞬间生成优化计划的软件包，使理论的数学解析的计划方法达到了实用程度[11,12]。这些新的软件包被称为APS引擎，它使得基于数学优化方法的生产计划重新得到关注。 在我国，许多学者都在尝试建立企业范围内的生产计划优化模型[13-16]。蓝伯雄等针对MRP存在的问题，提出了一个统筹考虑产品组合、物流关系、生产能力和库存能力约束，寻求最优生产计划的制造企业整体经营优化模型[14]；马士华对大规模定制生产模式下的计划平准化模型的最优算法进行了研究[15]。这些模型处理的往往是单个企业内部的计划问题，针对供应链上企业的地域分布性及自治性，汪定伟建立了模糊交货期分布式多工厂单件制造业生产计划模型[16], 周水银、陈荣秋等人分析了Internet环境下的虚拟企业制造资源计划[2]。但这些研究尚未系统化，难以直接应用于企业运作。 为了实现供应链上企业“共赢”的目的，发挥各企业的协同效应，需要考虑各企业计划的协同。对此，笔者作了一些探索：在虚拟企业协同生产管理研究的基础上[17]，对基于资源和能力约束的虚拟企业协同计划与调度进行了分析[18-19]，采用多Agent技术开发出一套虚拟企业协同生产管理系统（CPMPS）[20]，并将其应用于美菱集团的冰箱生产管理，通过提供一种分布式协同工作环境，使得企业能够针对客户的个性化需求，以一种规范的方式对生产任务的性能参数、约束条件进行描述，动态构建产品制造链，并根据生产能力适当地安排生产计划。同时，笔者深感有必要对协同工作环境下的企业计划功能作进一步重点研究，建立高级计划系统模块，使企业能快速准确地进行生产计划。然而，对于APS引擎的开发，国内还处于空白。但是在国外，近2年来，几乎每套ERP软件，无论是购买还是自己开发，80%有了与之集成的APS引擎。如SAP 有SAP APO (Advanced Planning and Optimization)，Baan有Baan SCS (Supply Chain Solutions), Oracle买了ILOG的产品，PeopleSoft购买了Red Pepper，而JD Edwards则买了Numetrix。因此开展对APS的研究，无论对我国制造企业还是ERP软件提供商，都具有重要意义。 3、协同制造网格 为了实现APS，需要针对企业的生产计划提出通用的数学模型(如LP，MIP，CP)，并对这些优化问题进行求解。当问题规模很大的时候，求解是困难的，往往需要有高性能计算机的支持；另外，在供应链上的企业APS还须与其协作伙伴协同需求、库存、产品数据等信息才能制订出可行的生产计划，因此APS应该是互联、互操作的。而在信息技术领域，网格（Grid）技术正在蓬勃发展，网格以其能够实现资源共享、协同工作、基于国际开放的技术标准等一系列特点，与供应链上企业APS的需求存在极强的吻合性，网格技术已成为支持企业APS系统的最佳选择[21]。为此，我们以敏捷制造为应用背景，提出了协同制造网格（CMG：Collaborative Manufacturing Grid）的概念。我们认为，CMG是解决目前ERP生产计划存在的问题、实现APS的重要方法。 3.1 协同制造网格的内涵 网格是一组一体化的共享资源。协同制造网格CMG以网格技术为基础，以各种制造资源为结点，以网格平台中间件为桥梁，实现资源共享、协同生产计划，达到降低制造成本、提高资源利用率、加快产品上市的目的。CMG集成了产品全生命周期内各个相关设计制造资源、各种流程和知识等信息，是现代集成制造系统发展的平台和支撑环境，为最终实现网络环境下的资源共享和协同工作，实现面向产品全寿命周期集成提供了有效的解决思路。 3.2 网格与网格技术 网格把整个因特网整合成一台巨大的虚拟超级计算机，以实现网络虚拟环境下的高性能资源共享和协同工作 [22]。2001年，Foster等人进一步将网格定义为支持动态、分布式虚拟企业资源共享的协作系统，并分析了网格的基本属性，介绍了网格协议和服务的关键要求[23]。以美国阿尔贡国家实验室为主、56 所大学和研究机构参与的Globus研发项目对网格的资源管理、网格安全、信息服务及数据管理等关键理论进行了研究，开发了能在各种平台上运行的网格计算工具软件Globus toolkit[24]。目前，Globus技术已在美国NASA网格、美国TeraGrid、欧洲数据网格(Data Grid)、美国国家技术网格(NTG)等几十个项目中得到应用。包括IBM、Microsoft、SGI、Sun、NEC在内的计算机和软件厂商已宣布采用Globus Toolkit作为一种开放架构和开放标准基础设施。我国也正在加强网格方面的投入，1999-2001年，中科院计算所联合十几家科研单位，承担了863重点项目“国家高性能计算环境（NHPCE）”[25]。之后，计算所又推出了“服务网格（Service Grid）”，其目标是使同一个平台同时具备以下几种能力：大规模的数据处理能力、高性能计算能力、资源共享和提高资源利用率的能力。 3.3 协同制造网格的功能 网格技术一开始主要应用于科学研究领域的海量数据高性能计算方面，但随着这一技术的成长和现实需要的发展，网格渐渐显示出广阔的商业应用前景[26]。在高性能计算网格中强调物理资源的共享，而在最新的网格体系结构OSGA(Open Grid Services Architecture)中则将一切都看成网格服务。网格服务是指具有特定功能的网络化实体（比如提供APS功能的网格服务）。网格服务是一种Web Service[27]，它通过提供一组定义明确的接口来解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理等问题。它采用SOAP协议实现应用与服务之间的通信，采用WSDL文件对服务进行标准的描述。SOAP和WSDL都基于XML规范，这就保证了异构系统之间的跨平台操作，实现了互联网上各种资源的动态共享。因此，将网格技术应用于制造企业，将网格服务以不同的方式聚集起来构建协同制造网格，将能够最大限度地实现设计、制造、信息、技术资源的共享，克服空间上的距离给不同企业间的协同带来的障碍，使整个制造网格中的企业群体以较低的成本、较短的开发周期，提供符合市场需求的高质量产品。基于协同制造网格的企业高级计划系统，必定能促进制造资源跨地区跨国家地协同、共享和优化利用，推动全球制造业实现更深层次的发展。 4、基于协同制造网格的高级计划系统的主要研究内容及关键技术 4.1 基于协同制造网格的高级计划系统的主要研究内容 (1) 对企业高级计划系统的功能、约束、输入输出的信息进行分析，建立企业高级计划系统的体系结构。 (2) APS的核心是一系列优化算法，但APS所采用的并不是单一的技术，具体应用的算法（诸如线性规划、混合整数规划、人工智能、启发式算法、遗传算法和其它的优化技术等等），视需要解决问题的类型而定。因此不仅要构造各种优化模型，还须对各类APS计划引擎进行研究。 (3) 将网格技术引入制造企业，研究企业的网格模式，构造面向供应链的企业协同制造网格体系结构； (4) 研究供应链中基于APS技术的各企业间计划系统的协同关联，以及网格计算环境下APS系统的资源约束与协同关联。 (5) 采用Multi-agent技术对APS功能进行封装，并将其实现为网格服务（Grid Service），分析APS Agent之间的通信协议和语义本体，研究基于协同制造网格的企业高级计划系统的实现技术。 4.2 基于协同制造网格的高级计划系统的关键技术 (1) 对协同制造网格来说，能否将制造资源表达和封装成服务，为其定义合适的属性、接口、操作和服务数据，实现一定的功能，是制约网格向制造业推广的关键。因此需要研究面向制造网格的中间件技术以及制造网格资源管理与配置技术，解决制造网格资源的整合与优化、实现基于制造网格的应用服务支持。 (2) 运用Multi-agent技术，以FIPA-ACL为通信语言，以PSLX作为高级计划系统基于XML的规范语言，以Grid Service作为APS Agent的实现方式，建立不同APS Agent间进行协同计划的XML Schema。 (3) 参考OGSA（Open Grid Services Architecture）建立面向供应链的协同制造网格的体系结构，在Globus Toolkit软件系统的基础上，应用J2EE开发基于协同制造网格的企业高级计划原型系统。 5、小 结 本文分析了基于协同制造网格的高级计划系统的内涵、研究内容和关键技术，为ERP的生产计划提供了一种新思路。实现基于CMG的APS系统，不仅有利于提高企业生产计划的快捷性与准确性，甚至对ERP服务商扩充ERP系统功能都有一定的现实指导意义。另外将网格技术用于制造企业，并与Multi-agent技术结合起来，是网格技术从高性能计算领域向商业应用方向扩展的一次有意义的尝试，不仅有利于释放网格技术的更大潜能，还将为制造业信息化提供一种新的解决方案。 参考文献 [1] 张旭梅,黄河,刘飞. 敏捷虚拟企业-21世纪领先企业的经营模式[M].北京：科学出版社.2003,3. 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