分布式網絡化制造系統構想

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    1.1　全球化趨勢

    世界各國之間在經濟上越來越多地相互依存，不可能離開全球化的市場而獨立地求得本國經濟的發(fā)展，必須與國際接軌，充分利用國際市場的信息、資本、資源、技術、商品和服務，在平等競爭的基礎上，互利互惠，相互合作。經濟的全球化、市場的國際化、貿易和投資的自由化，以及服務的世界化，促進了競爭，提高了效率，鼓勵了革新，增加了新的資本投資和加快了經濟增長速度［1～3］。隨著越來越多的國家接受自由市場思想，全球自由貿易體制的逐步建立和完善，世界大市場的逐步形成以及全球交通運輸系統和通訊網絡的建立，國際間的經濟貿易交往與合作更加頻繁和緊密，競爭愈來愈激烈。這股全球化的洪流正推動著世界經濟穩(wěn)健、快速、持續(xù)地增長。這使得制造產業(yè)、制造技術和產品逐步走向國際化，導致制造業(yè)在全球范圍內重新分布和組合。競爭的加劇將促使競爭對手利用一切可以利用的制造資源，主動積極地尋求市場機遇，靈捷地響應和適應客戶多樣化的消費需求，高質量地為全球顧客服務，從而獲得規(guī)模經濟，促進企業(yè)的發(fā)展與壯大。

    1.2　客戶化市場驅動

    世界制造業(yè)正面臨著一個不確定性的、急劇變化的、競爭日趨激烈的國際化市場［3］。
　　
    (1)客戶驅動市場　客戶驅動著市場，市場牽動制造企業(yè)，制造業(yè)從生產為中心轉向市場需求為中心，從企業(yè)為主導轉向客戶為主導，以滿足客戶需求為目標。
　　
    (2)客戶對制造產品的要求　集中表現為多品種、變批量、高性能、高質量、高可靠性、交貨期短、合理的價格、完善的行銷及售后服務等，而且這些要求是隨著客戶的經濟及其它條件的變化而不斷變化的，由此導致制造業(yè)面對一個產品壽命期短、更新快、動態(tài)快速多變、穩(wěn)定性差和難以預測的市場。
　　
    (3)物質產品與服務的交融　在從產品的設計與生產到行銷與售后服務等過程中必須為全球范圍內的客戶提供優(yōu)質與全方位的滿意服務，這是制造企業(yè)贏得客戶、開拓和占領市場的重要因素。
　　
    (4)合作基礎上的市場競爭　由于一個企業(yè)的資金、人員素質與知識和技能、設施與設備、設計與開發(fā)、制造能力、營銷能力等都存在著局限性，在全球范圍內日趨激烈的市場競爭中不可能取勝，因此必須進行企業(yè)間的合作，形成以競爭為基礎和合作協同為主導、風險共擔、利益共享、共存共榮的機制，充分實現資本、資源、技術、人才、信息和知識的交流與共享，優(yōu)勢互補、分工協作，才能積極有效、主動、快速響應和適應市場，奪取競爭勝利。以這種競爭與合作機制為基礎，借助于計算機網絡、遠程通訊技術及裝備，以及四通八達的交通運輸網絡，使在地域上分布的企業(yè)組成能適應當今和跨世紀市場需求變化的、有競爭能力的、動態(tài)可變的企業(yè)聯盟，是實現在遠比過去更廣闊的范圍內，充分有效利用比過去更廣泛的資源，靈活快速響應全球范圍內用戶需求，提供優(yōu)質服務的最佳模式。

    1.3　科技進步

    本世紀中葉以來，微電子、計算機、通訊、網絡、信息、自動化等科學技術的迅猛發(fā)展，掀起了以信息技術為核心的“第三次浪潮”，正牽引著人類進入工業(yè)經濟時代最鼎盛的時期，并已叩響知識經濟時代的大門［4］。正是這些高新科學技術在制造領域中的廣泛滲透、應用和衍生，推動著制造業(yè)的深刻變革，極大地拓展了制造活動的深度和廣度，促使制造業(yè)日益向著高度自動化、智能化、集成化和網絡化的方向蓬勃發(fā)展。

    在全球化浪潮的沖擊和高速發(fā)展的高科技的推動下，制造企業(yè)的經營、生產戰(zhàn)略與活動應面向全球，充分合理利用以信息技術為代表的高科技，建立和實現基于分布式網絡化體系結構的組織、生產和管理模式，以快速、靈活地組織和利用各種分布的、異構的制造資源，謀求企業(yè)間的相互合作、共同尋求市場機遇，在激烈的市場競爭中求得生存與發(fā)展。 　

    2　分布式網絡化制造系統的總體構想

    建立和實現基于計算機網絡的分布式制造系統模式，是對傳統制造模式的揚棄與創(chuàng)新。近些年來，在理論上已初具系統，在實踐中亦取得成效的先進制造生產模式主要有柔性生產、智能制造、精益生產和敏捷制造等，在總結這些成果的基礎上，結合當前國內外制造業(yè)的基本形勢，本文提出了分布式網絡化制造系統（distributed networked-manufacturing system, DNMS）的初步構想，分布式網絡化制造系統是一種由多種、異構、分布式的制造資源，以一定互聯方式，利用計算機網絡組成的、開放式的、多平臺的、相互協作的、能及時靈活地響應客戶需求變化的制造系統，是一種面向群體協同工作并支持開放集成性的系統。其基本目標是將現有的各種在地理位置上或邏輯上分布的異構制造系統/企業(yè)，通過其Agent連接到計算機網絡中去，以提高各個制造系統/企業(yè)間的信息交流與合作能力，進而實現制造資源的共享，為尋求市場機遇，及時、快速地響應和適應市場需求變化，贏得競爭優(yōu)勢，求得生存與發(fā)展奠定了堅實的基礎，從而也為真正實現制造企業(yè)研究與開發(fā)、生產、營銷、組織管理及服務的全球化開辟了道路。

    分布式網絡化制造系統具有如下特點：
    (1) 層次結構的相似性　分布式網絡化制造系統具有一定的層次性，從下到上一般可分為單元級、車間級、系統/企業(yè)級等不同的層次，而且在不同的層次上都具有相似的體系結構，即同一層次中各結點都通過其Agent利用計算機網絡相互連接，而處于低層次的系統，則作為一個整體通過其在上一網絡層次中的代理連接到上一層次的網絡中去。 　　
    (2) 分布式、開放的體系結構　在分布式網絡化制造系統中，處于同一網絡層次中的各個結點在邏輯結構上或地理位置上是分布的，無主從之分，能獨立地、自主地完成各自的子任務，但為完成系統的整體任務，彼此間還需進行大量的交互活動，包括信息、數據的交流與共享，相互協商、協調與合作以協同完成任務。
    (3) 良好的容錯能力、可擴展和可重組性
    (4) 互聯性　各結點通過計算機網絡，以一定邏輯互聯方式實現連接和通訊。
    (5) 互操作性　各結點或應用系統間能夠交互作用、相互協調與合作以協同完成共同的任務。
    (6) 數據、知識和信息的分布性　各個結點都有各自的以各種形式（如文件、數據庫、知識庫和電子表格等）存在的數據、知識和信息資源。
    (7) 多樣化　硬件平臺、操作系統和應用平臺的多樣化。 　

    3　分布式網絡化制造系統的關鍵技術

    在繼承當前制造技術的基礎上，構建和實現分布式網絡化的制造系統需要計算機網絡技術、分布式對象技術、多自主體系統(multi-agent system, MAS)技術以及數據庫等關鍵技術的支撐。在此，僅就分布式對象技術及其主要標準和多自主體系統技術作簡單介紹。

    3.1　分布式對象技術及其標準

    為在分布的、多種異構制造資源的基礎上構造起分布式網絡化制造系統，以有效地實現資源與信息共享、相互協調與合作以協同完成整體目標，因此系統集成就成為十分突出的問題。解決系統集成問題的有效途徑就是遵循開放系統原則，采用標準化技術，建立集成軟件環(huán)境。一種可分布的、可互操作的面向對象機制——分布式對象技術，對實現分布異構環(huán)境下對象之間的互操作和協同工作以構建起分布式系統具有十分重要的作用和意義。其主要思想是，在分布式系統中引入一種可分布的、可互操作的對象機制，把分布于網絡上可用的所有資源封裝成各個公共可存取的對象集合，采用客戶/服務器(C/S)結構和模式實現對對象的管理和交互，使得不同的面向對象和非面向對象的應用可以集成在一起［5］。

    許多計算機廠商、標準化組織等紛紛制定了分布式對象技術的相關標準［5，6］。其中，國際對象管理組織OMG發(fā)布的公共對象請求代理結構(common object broker architecture,CORBA)，為分布異構環(huán)境下各類應用系統的集成，實現應用系統之間的信息互訪、知識共享和協同工作提供了良好的可遵循的規(guī)范、技術標準和強有力的支持，它通過客戶/服務器對象間的交互而實現資源的實時共享。CORBA具有軟硬件的獨立性、分布透明性、語言的中立性，以及面向對象的數據管理等優(yōu)點，從而成為當前十分有效的一種集成機制。因此得到包括IBM、HP、DEC、Microsoft等在內的計算機與軟件廠商和X/open、OSF以及COSE Alliance等國際聯盟的積極支持和采納，已有幾個遵循此標準的產品問世［5，6］。

    基于CORBA標準實現的系統集成和應用開發(fā)環(huán)境在企業(yè)中將會有潛在的巨大的應用前景，在逐步實現企業(yè)生產和管理的自動化與智能化，提高生產率，增強和提高企業(yè)及時快速響應和適應市場的能力等方面都將起到積極的推動作用?；贑ORBA標準的系統是一個能跨越不同地理位置、穿越不同網絡系統、屏蔽實現細節(jié)、實現透明傳輸、集成不同用戶特長的基于C/S模式、面向對象、開放的分布式計算集成環(huán)境。

    3.2　多自主體系統技術

    多自主體系統理論與技術在制造領域中的應用與實現，將給制造系統/企業(yè)帶來巨大變化［7］。制造系統是由若干完成不同制造子任務的環(huán)節(jié)組成的，如訂貨、設計、生產、銷售等，各個環(huán)節(jié)上的各功能子系統既相互獨立，又相互協同，以提高產品的市場競爭力和企業(yè)的經濟效益為目標，共同完成制造任務。因此可以說整個制造過程是一種典型的多自主體問題求解過程，系統/企業(yè)中的每一部門（或環(huán)節(jié)）相當于該過程中的一個自主體(Agent)。制造系統/企業(yè)中的每一子任務、功能、問題或單元設備等都可由單個Agent或組織良好的Agent群來代理或實現，并通過它們的交互和相互協商、協調與合作，來共同完成制造任務。將制造系統/企業(yè)模擬成多自主體系統可以使系統易于設計、實現與維護，降低系統的復雜性，增強系統的可重組性、可擴展性和可靠性，以及提高系統的柔性、適應性和敏捷性等。 　

    4　原型系統

    基于這一構想，我們利用StarBus2.2，開發(fā)了一個分布式網絡化制造原型系統。該原型系統由系統經理、任務規(guī)劃、設計和生產者4個結點組成。

    4.1　系統組成
　 　
    (1)系統經理　
    系統經理包括數據庫服務器和系統Agent。前者提供一個全局數據庫，它可供原型系統中獲得權限的結點進行數據的查詢、讀取、存儲和檢索等操作；后者則負責該原型系統在網絡上與外部的交互，通過Web服務器在Internet上發(fā)布該原型系統的主頁，網上用戶可通過訪問該主頁獲得該系統的有關信息，并決定是否由該原型系統來滿足自己的需求，這可通過填寫和提交該主頁向用戶提供的定單登記表來向該原型系統發(fā)出定單，系統Agent決定是否接受這些定單，如接受，就將其存入數據庫服務器的全局數據庫中；另一方面，系統Agent還負責監(jiān)視該原型系統上各個結點間的交互活動，如記錄和實時顯示結點間發(fā)送和接收消息的情況、任務的執(zhí)行情況等。

    (2)任務規(guī)劃　
    任務規(guī)劃結點的主要功能是對定單進行規(guī)劃、分解成若干子任務，并通過招標—投標的方式將這些子任務分配給各個結點。該結點由一個任務經理和它的代理——任務經理Agent組成。

    任務經理的主要功能如下：①訪問全局數據庫獲取網絡用戶的定單；②根據定單進行任務登記；③將任務分解成若干子任務；④查詢其它結點的類型、能力和其它信息；⑤基于價格機制，通過談判進程以招標—投標的方式將這些子任務分配給網上其它結點。 任務經理Agent主要負責如下事務：①網絡注冊，以使該結點能加入到原型系統中，獲得相應的權限；②與系統中其它結點進行交互；③管理本地數據庫，包括數據查詢、修改、添加、刪除等；④取消注冊，以使該結點退出本系統。

    (3)設計　
    設計結點是一個計算機輔助設計系統。該結點是由一個CAD 工具及其代理——CAD Agent組成的。CAD工具是一個工具軟件包，用于幫助設計人員根據用戶要求進行產品設計；而CAD Agent則負責網絡注冊、取消注冊、數據庫管理、與其它結點的交互、決定是否接受設計任務和向任務發(fā)放者提交任務等事務。

    (4)生產者　
    生產者包括一臺加工中心和它的Agent——機床Agent。該加工中心配置有我們在華中Ⅰ型數控系統的基礎上開發(fā)的智能自適應數控系統［8］、刀具狀況監(jiān)控模塊以及自診斷和自修復模塊，可以提高加工效率、降低成本、保障設備運行的可靠性和安全性。此外，還具有與外部環(huán)境進行交互的能力。其主要任務是，①利用串口或網絡適配器與其機床Agent進行信息交流，包括從機床Agent接受控制命令、數據和相關文檔，將有關機床的運行狀態(tài)和結果傳送給機床Agent；②根據從機床Agent接受的控制命令、數據和相關文檔完成加工任務。 機床Agent 的主要功能如下：①與網絡上其它結點的Agent進行交互，包括談判、協商和信息與數據交流等；②進行推理并作出決策以決定是否接受子任務，如不接受，則尋求其它能接受該子任務的結點，并進行任務遷移；如接受，則對該子任務進行規(guī)劃以確定其行為活動；③利用串口或網絡適配器與其加工中心進行信息交流，即將控制命令、數據和相關文檔傳送給加工中心，并接受加工中心傳送來的有關機床運行狀態(tài)和結果的信息；④對機床Agent自身和加工中心的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

    4.2　系統運作

    該系統中的每個結點必須通過網絡注冊，才能成為該原型系統的正式成員以獲得相應的權限，才能與系統中的其它結點進行協作，共同完成系統任務。整個原型系統的運作過程。

    (1)任一網絡用戶都可以通過訪問該原型系統的主頁獲得該系統的相關信息（包括系統特征、能力和所承諾的服務等），系統主頁是由Web服務器在Internet上發(fā)布的。此外， 用戶還可通過填寫和提交系統主頁所提供的用戶定單登記表，向該系統發(fā)出定單。

    (2)如果接到并接受網絡用戶的定單，系統Agent就將其存入全局數據庫，任務規(guī)劃結點可以從全局數據庫

來源：CAD/CAM