分布式虚拟制造系统的框架体系.doc

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摘要指出了分布式虚拟制造的技术特性；以上海市科委重大科技攻关项目“SAMTCDVMS”系统为背景，介绍了该系统的三维框架体系，着重分析了分布式虚拟制造的两个核心功能：并发活动控制和分布式信息流管理；并提出了分布式虚拟制造的下一步研究方向。 关键词分布式虚拟制造并发活动分布式信息流虚拟产品开发 中国图书资料分类法分类号TH12 自从Nagel和Dove1提出动态联盟和敏捷制造的思想以来，人们就开始描绘21世纪制造业的前景。作为先进制造技术之一的分布式制造(Distributed Manufacturing,DM)，是实施敏捷制造的关键技术之一，是动态联盟下的产品开发模式，也是虚拟制造技术的重要组成部分。所谓分布式制造2，是指具有不同生产规模和能力的、处于不同地域上的、使用不同应用工具平台的各联盟厂家(盟员)建立面向产品开发的暂时合作关系，以最快的速度提供高质量、低成本、易使用的市场需求产品；其间，不同盟员内的相关工程技术人员借助网络异地进行产品开发的全部活动，所以分布式制造又称异地制造。当分布式制造所涉及的数据和应用属于某一个虚拟制造系统时，这时的分布式制造演变为分布式虚拟制造(Distributed Virtual Manufacturing,DVM)。 1分布式虚拟制造的技术特性 分布式制造大大不同于企业间的现行合作方式，它是信息时代制造业的一次革命。就产品开发过程而言，与传统的合作方式相比，分布式制造的优点3如下：可以实时地在线决定合作厂家；设计产品时就可以考虑潜在供应商的产品开发能力；计算机辅助手段的介入能简化择盟过程、缩短择盟时间；基于Internet/Intranet的信息交互更快捷、方便；盟友合作关系建立在开放式的平等基础上；由合作关系决定的分布式制造系统的生命周期取决于产品的开发过程。 DVM又在DM的基础上更进一步，它兼有DM和VM的共同优点： (1)人员分布的广域性通过Internet/Intranet连接的虚拟制造系统内的工程技术人员位于不同的地址上； (2)虚拟资源的分布性工程人员共享虚拟产品开发所需的数据、知识、资源信息； (3)仿真工具的分散性工程人员可以使用位于不同网络终端上的工程应用工具和仿真工具； (4)虚拟指令的远程性工艺师可遵照远程指令进行工艺修改和版本维护； (5)知识领域的多样性各领域工程师可对产品设计方案及其修改方案对本领域的影响进行仿真评价。 2DVM的核心功能 DVM系统有2个核心的处理对象：并发活动和分布式信息流。相应地，DVM系统的核心功能也有2个：并发活动控制和分布式信息流管理(见图1)。 2.1并发活动控制 在DVM系统的控制下，虚拟产品开发活动不再是一个单步式的、严格串行的顺序过程，这是一项并行工程，而且是分布式的并行工程。这其中存在着两方面的特性： (1)虚拟制造资源的共享冲突在DVM系统的虚拟产品开发过程中，这些虚拟制造资源不再为某个项目成员所占有，而是产品开发小组内有权限的成员均可访问。这样，虚拟制造资源的状态不再取决于某个成员干涉的结果，而可以是多个分布式成员的活动共同干预的结果。 (2)开发活动的并发运行在虚拟产品开发的某个时刻，系统内可以存在着众多同步、异步、穿插的活动。这时，系统不再简单地顺序执行某个成员的活动指令。也就是说，一个成员的某部分指令结束后，系统不一定立即执行其后的指令，而有可能转而执行其他成员的某些指令。 虚拟制造资源共享和开发活动的并发运行，使得DVM系统的工作情况变得相当复杂，这种复杂性尤其表现在同步、异步、穿插活动的相对独立性和约束方面。由于活动的目的不同，DVM系统中的各个并发活动都有一定的独立性；另一方面，同一系统中各个并发活动又存在着一定的约束关系。经过研究，我们发现并发活动的控制机理可由以下几个方面保证： (1)活动内容的定义包括活动的目标、活动的被处理信息、活动的功能、用户对活动的权限、活动在产品开发过程中的逻辑位置等。 (2)基于状态描述的活动生命周期如准备状态、运行状态、待善后处理状态、暂停状态、睡眠状态。 (3)活动间约束关系的描述如时序关系、功能替代关系、资源竞争关系、前后触发关系、父子生成关系。 (4)活动的控制技术主要对来自外部(用户)和内部(活动)的请求进行管理，通过分析请求所提交的问题，规划目标，并据此目标选择合适的活动。活动的控制技术包括虚拟制造资源的冲突控制、多用户的并发活动控制、知识库控制。 2.2分布式信息流管理 作为DVM系统的信息管理基础结构的分布式信息流管理是一项综合性的数据管理技术，它区别于以往工程数据管理仅局限于设计与工程部分，而是从DVM系统下虚拟产品开发过程的信息流动出发，通过集中手段管理虚拟产品开发过程中的所有相关分布性的信息流、虚拟物流、决策流，同时对这些信息流进行演化、分解、合并等操作，并决定其下一步流向。分布式信息流管理为DVM系统提供了信息的宏观和微观管理及控制手段，它可在虚拟产品开发过程中，提高工作人员的工作效率和系统运行效率，能及时地给决策者提供全面、可靠的前瞻预测以支持企业决策。 分布式信息流管理区别于工作流管理，它不是仅局限于规划、调度和监视产品开发的工作流，以期在正确的工作流节点上获得正确的信息和资源，而是要从产品开发的两个方向，即广义地域轴(信息的地域和人员分布性)和广义时间轴(信息流动过程的时序性)，进行分布式对象技术支持下的广义网状信息流管理。因此，对信息流中任一个特定信息集都可以用两个坐标进行定位：广义地域坐标和广义时间坐标。 相应地，DVM系统中分布式信息流的逻辑功能就可以有以下5个基本处理单元保证： (1)分解单元将一个信息集分解成位于不同坐标上的若干个信息集； (2)合成单元将若干具有不同坐标的信息合成到一个一定坐标下的信息集； (3)演绎单元变更一个信息集的坐标位置或改变信息集内的信息构成； (4)注入单元在DVM系统的一定坐标点上从外部环境加入一个信息集； (5)抽取单元将一个信息集从它所在的系统坐标点上删除。 3SAMTCDVMS系统 “SAMTCDVMS”系统是由上海市科委立项的重大科技攻关项目。该系统根据我国现有国情，以快速、低廉的网络集成技术确立了适用于机械制造业的Internet/Intranet信息集成框架；通过对分布式的并发活动进行分析，为DVM系统提供了协同技术支持；在系统设计过程中，兼用了Web技术、网络Java编程技术，从而改变了传统网络信息查询的静态性，基于分布式动态信息库的信息流管理实现了DVM的环境需求。该系统已在由上海先进制造工程技术研究中心与上海飞机制造厂建立的动态联盟内进行了虚拟事务模拟，初步实现了制造信息和应用的共享，如多应用文档和多文档类型的异地交互传输，项目管理、协同工作所需数据的维护，支持强交互性的群体活动和应用的实时响应，设计/工艺/制造方案的远程/本地版本维护，产品开发小组的在线讨论、网络会议等。 图2是“SAMTCDVMS”系统的三维框架体系。图中水平轴(具体化过程)沿箭头方向，对信息层和活动层进行具体化，形成虚拟制造系统中的组织管理体系，其中信息层管理分布式信息流，活动层进行并发活动控制。垂直轴(生成过程)从视角出发，将DVM系统中的信息层、活动层、组织层又分别规划为3个视图：功能视图(包括项目管理、并发活动控制和分布式信息流管理)、工具视图(包括项目管理工具、活动定义和控制工具以及信息流定义和管理工具)、传输视图(包括项目控制总线、活动控制总线和信息流控制总线)。前后轴(扩展过程)完成对DVM系统中不同盟员的定义，并确定他们在DVM系统中的角色，如盟主、设计盟友、制造盟友等，其中每个盟员都有一个由生成过程轴和具体化过程轴组成的平面层，但是由于他们在产品开发过程中的任务不同，其所具有的视图和层次的内涵也将不同，不同企业层的有机合作组成了DVM系统的产品开发活动。 4展望 “SAMTCDVMS”系统确立了在中国实施DVM技术的可行性。对DVM而言，下一步的主要工作如下：分布式虚拟环境下的设计/制造的优化方法。DVM系统应在分布式信息流管理的基础上，考虑盟员的能力、容量、资源的可获得性、制造成本，加强项目管理的功能，支持企业相关业务流程的定义与优化。面向技术保密的核心知识/数据的封装和安全性维护。 我们希望“SAMTCDVMS”系统能为国内同行对DM和VM的研究提供初步、可行的实践基础。可以预见，一旦DVM技术得到成功，它必将与并行工程、动态联盟、敏捷制造、智能制造技术一起，将下一个世纪的中国制造业提高到前所未有的新高度。*国家自然科学基金资助项目(59785006)、上海市科委重大科技攻关项目 作者简介：姚健男，1971年生。上海交通大学(上海市200030)CIM研究所博士研究生。主要研究方向为集成化CAPP、虚拟制造、异地设计和制造网络。 严隽琪傅仕伟蒋祖华马登哲上海市200030上海交通大学 作者单位：姚健上海交通大学(上海市200030) 参考文献 1Nagel R,Dove R.21st Century Manufacturing Enterprise Strategy，an Industry-led View.Technical Report.Lehigh University,Bethlehem,Pennsylvania,USA,1991. 2Lawrence Associates Inc.Contribution to Virtual Manufacturing Background Research.Technical Report.Virtual Manufacturing User Workshop，Dayton,Ohio,1994:1213 3Nau D,Ball M,Gupta S et al.Design for Manufacture by Multi-Enterprise Partnerships:Current Status and Future Directions.ASME Winter Annual Meeting,New York,USA,1994：287299 啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊分布式虚拟制造系统的框架体系啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊摘要 指出了分布式虚拟制造的技术特性;以上海市科委重大科技攻关项目SAMTCDV