（机械电子工程专业论文）基于工作流的车间生产过程管理与仿真技术的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 制造企业在信息时代面临着来自市场及竞争对手等诸多方面的压力，如何 应用先进的信息技术和管理技术是制造企业维持可持续发展的关键环节。工作 流管理技术是一项新兴技术，但它应用于制造业的前景已初步显示出来，它为 提高企业的敏捷化程度、实现制造过程的合理化、自动化和集成化提供了新的 思路。车间作为企业产品的物化中心，其信息化程度和管理水平直接影响到整 个企业的竞争水平。 本文首先从工作流管理技术的基本概念与定义入手，总结了工作流建模和 仿真技术发展现状，分析了制造车间过程管理的内容及其传统管理方法的不足。 在这些的基础之上，把工作流管理思想引入到生产过程管理中来，分析了基于 工作流的车间生产过程管理的特点，提出了对生产过程进行仿真的方法来支持 业务流程重组的构想。然后对工作流的建模方法( 包括面向过程管理的工作流 模型和面向仿真的工作流模型) 、工作流引擎设计方法、工作流实例执行规则、 工作流仿真方法等进行了详细的研究。最后实现了一个原型系统，并通过实例 说明系统运作方式。 关键词：工作流，工作流引擎，过程管理，仿真，企业流程重组 基于工作流的车间生产过程管理与仿真技术的研究 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e i sf a c e du pt om o r ea n dm o r ec o m p e t i t i o np r e s s e s c o m i n gf r o m m a r k e ta n dc o m p e t i t o ri nt i m eo fi n f o r m a t i o n ，h o wt ot a k et h e a d v a n t a g e o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g i e s a n d m a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e s t o h e l p e n t e r p r i s e sm a i n t a i nc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n tb e c o m et h ek e yp o i n t a l t h o u g hb ea r i s i n gt e c h n o l o g y , t h ew o r k _ f l o wm a n a g e m e n ta l r e a d ys h o w ap r o s p e r o u sf u t u r ei nt h e a p p l i c a t i o n s o f m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e a u t o m a t i o n p r o c e s s a s ac e n t e ro f m a n u f a c t o r y , m a n a g e m e n ta n da u t o m a t i o n i n s h o p f l o o rl e v e lw i l la f f e c tt h e e n t e r p r i s ec o m p e t i t i o nd i r e c t l y i t i st h ev e r yw o r ko ft h i s p a p e rt or e s e a r c ht h e a p p l i c a t i o n m e t h o do f w o r k f i o w t e c h n o l o g yi nw o r kf l o o ro f m a n u f a c t u r ef i e l d n ”p a p e r f i r s tp r e s e n t st h ec o n c e p ta n dd e f i n i t i o no f w o r k f l o w m a n a g e m e n ta n d i t sc u r r e n td e v e l o p m e n t ，p o m to u tw e a k n e s so ft r a d i t i o n a l p r o c e s sm a n a g e m e n ti n w o r kf l o o ro f m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s o nt h eb a s eo f a l lt h e s ea n a l y s e s ，t h ea u t h o r b r i n gw o r k n o wm a n a g e m e n ti n t op r o c e s sm a n a s e m e n t , c h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s s m a n a g e m e n tb a s e do nw o r k f l o wi sa n a l y z e d ，a n dt h ei d e ao fs u p p o r t i n gb u s i n e s s p r o c e s s r e e n g i n e e r i n g ( b p r ) w i t hp r o c e s s s i m u l a t i o ni s p u tf o r w a r d s e c o n d l yt h ep a p e rp u tf o r w a r df u n c t i o n a ld i a g r a mo fap r o d u c t i o np r o c e s s m a n a g e m e n ta n ds i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nw o r k f l o w ，a n dt h ea u t h o rg i v e s g r e a te m p h a s i so nm o d e lm e t h o d so fw o r k f l o w ，i n c l u d i n gp r o c e s sm a n a g e m e n t o r i e n t e da n d s i m u l a t i o n o r i e n t e dw o r k f l o w m o d e l ，m e t h o do f d e s i g n w o r k f l o we n g i n e ，r u l e sf o ri n s t a n c ee x e c u t i o n ，m e t h o do fs i m u l a t i o na n d s oo n f i n a l l yt h ep a p e rd e v e l o pap r o t o t y p es y s t e ma n dd e m o n s t r a t eh o w t h es y s t e mw o r k sb yac o n c r e t ei n s t a n c e k e yw o r d s ：w o r k f l o w , w o r k f l o w e n g i n e ，s h o p f l o o rp r o d u c t i o n p r o c e s s m a n a g e m e n t ，s i m u l a t i o n ，b u s i n e s sp r o c e s sr e - e n g i n e e r i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 作者签名： 日期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 当前迅速变化和竞争日益激烈的全球化市场环境要求企业能以最短的时间 制造出符合个性化需求的新产品，能较大程度上提高产品上市时间( t ) 、产品 质量( q ) 、产品成本( c ) 和售后服务( s ) 等指标。企业对各种信息的利用程 度( 信息采集、传递速度与再利用的程度) 与有效的管理、业务过程优化程度， 已成为企业在竞争中能否发展和保持优势的关键。 企业规模日益壮大，过去传统的管理方式势必成为企业未来发展的绊脚石， 而以计算机技术为基础的信息化发挥了很大的作用。如今制造业信息化如火如 荼，不少企业已采用了信息化管理系统，如e r p 系统、s c m 系统等，这些系统 都为企业适应市场环境的变化起到一定的积极作用。然而，简单的企业信息化 已渐渐的不能满足企业的增长需求。在无纸办公已基本形成的今天，企业更需 要的是对业务过程的协同处理、不同的企业应用整合以及为适应企业和环境的 变化而快速的过程重构。当前，发展中的先进制造技术，现已成为能够有效的 控制制造系统中的物料流、信息流和资金流的工程技术，其中，并行工程、敏 捷制造、供应链管理等先进制造技术的一个共同的特点就是强调业务过程集成 和过程重构【lj 。当前产品客户化定制生产比例的加大、客户希望了解产品生产过 程情况的需求增多、企业希望通过改进业务流程以降低产品成本和生产周期的 要求越来越迫切，这些都迫使企业优化业务过程，将传统的面向产品、面向库 存的生产方式转变成面向市场、面向订单的生产方式，以更好地适应日益变化 的市场。在面向订单的生产方式变得越来越普遍的今天，传统的生产过程管理 方法显得越来越低效了，在这种情况下，改变生产过程管理方法变得越来越迫 切了。然而，与生产过程管理密切相关技术，如企业业务过程的过程建模、过 程管理、过程仿真优化技术日益成为现代企业需攻关的关键技术问题之一。 对于制造企业来说，车间是企业的关键生产机构，是企业的物化中心，它 不仅是制造计划执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集 散地。因此车间层的生产过程管理及重构是企业生产管理系统中的重要一环， 车间生产管理水平一定程度上决定整个企业的管理水平1 2 1 1 3 。现代企业规模日益 基于工作流的车间生主垫程管理量笪塞垫查曲亟塞 扩大，车间生产的信息化管理也日益重要。现有的车间生产管理信息系统，如 制造执行系统( m e s ) ，对车间生产管理发挥了很大的作用，加强了车间的生产 信息处理能力，提高了车间生产效率t 4 1 t s l 。但这些系统不能很好地满足车间生产 过程管理的要求。面对着车间的生产过程复杂易变化，客户需求日益个性化， 生产信息繁多，多品种、小批量的生产日益成为主流，企业需要从生产过程链 中着手，对生产过程重构、优化、改善车间的生产过程管理，提高车间生产信 息响应能力，切实改善企业的t 、q 、c 、s 指标，提高企业竞争力。 1 2 工作流技术 1 2 1 工作流的基本概念与定义 工作流的概念起源于生产组织和办公自动化领域。它是针对日常工作中具 有固定程序的活动而提出的一个概念。提出的目的是通过将工作分解成定义良 好的任务、角色、按照一定的规则和过程来执行这些任务并对它们进行监控， 达到提高办事效率、降低生产成本、提高企业生产经营管理水平和企业竞争的 目标。工作流技术一出现马上得到广泛的重视和研究。至今工作流管理技术已 成功地应用到图书馆、医院、保险公司、银行等行业，然而它更重要的应用还 是在工业领域，特别是制造业领域中。 在企业应用实际中，虽然工作流的概念相对于物料流、资金流、信息流等 概念要抽象些，但是工作流从更高的层次上提供了实现物料流、资金流、信 息流及其涉及的相关过程与应用的集成机制，从而使得企业能够实现业务过程 集成、业务过程自动化( 不是物流自动化和信息处理自动化) 与业务过程的管 理。在工作流概念下实现业务过程集成与业务过程自动化的集成机制，是通过 定义不同任务之间相互关系的工作流模型( 也称为过程模型) 来实现的。在工 作流模型中，无论是具体的物料转移动作，实际物理装置的操作动作，还是抽 象的信息处理动作与决策过程，都可以用工作流的基本组成元素任务( 也 称为活动) 来统一地进行描述。同样，反映不同任务之间的关系，无论是具体 的车间中零件加工的顺序关系、办公自动化中的文件批转，还是抽象的决策流 之间的关系。都可以用工作流的基本组成元素连接弧来统一地进行描述。 连接弧反映了对企业业务经营过程的种控制逻辑，它定义了活动之间的连接 关系和执行顺序。 南京航空航天大学硕士学位论文 工作流模型【6 1 是对工作流的抽象表示，也就是对经营过程的抽象表示。工作 流管理建立阶段( b u i l d - t i m e ) 的功能主要是完成经营过程的计算机化的定义， 也就是完成过程建模的任务。在这个阶段，利用一个或多个建模方法及其相应 的建模工具，完成实际的经营过程到计算机可处理的形式化定义的转化，所得 到的定义通常可称为过程模型或过程定义。由于需要在计算机环境下运行，所 以工作流模型不仅仅要让人读懂，更要让计算机能够理解所定义的工作流过程。 也正因为如此，简单的业务过程通过语言或文字就可以表达完全，无需建立明 确的模型，而描述企业经营过程的工作流则必须建立相应的工作流模型，才能 实现企业业务流程的工作流管理，尤其是对那些实现许多复杂的并行执行流程 的业务过程，只有建立了它们的计算机化的模型，才可能对流程的执行情况进 行有效的监控。 不同的研究者和工作流产品供应商从不同的角度给出了工作流的定义。工 作流管理联盟给出的工作流 4 1 定义是：“工作流是一类能够完全或者部分自动执 行的经营过程，它根据一系列过程规则，文档，信息或任务能够在不同的执行 者之间进行传递与执行。” 使用工作流作为经营过程的实现技术，首先要求工作流系统能够反映经营 过程的如下几个方面的问题：经营过程是什么( 由哪些活动、任务组成、也就 是结构上的定义) ，怎么做( 活动阔的执行条件、规则以及所交互的信息，也就 是控制流与信息流的定义) 。由谁来做( 人或者计算机应用程序，也就是组织角 色的定义) ，做得怎样( 通过工作流管理系统对执行过程进行监控) 。在企业应 用中，工作流经常与经营过程重构相联系，它完成对一个组织( 或机构) 中核 心经营过程( 或者称为关键经营过程) 的建模、评价分析和操作的实施。虽然 弗非所有b p r 过程都需要采用工作流的方式进行实施，但是工作流技术通常是 实施b p r 的一个较好的方法，因为工作流提供了经营过程逻辑与它的信息支撑 系统的分离，并实现了应用逻辑和过程逻辑分离，这种方式在企业实际应用中 具有显著的优点。 1 2 2 工作流参考模型 工作流管理联盟针对市场上多种的工作流产品提出了一种适用于大多数产 品的通用的工作流管理系统体系结构参考模型，如图1 1 e 7 l ： 茎王三堡煎盟主回圭主塾堡笪堡兰笪塞垫查塑盟壅一 引用 = 二 组织角色 模型数据 过程建模工l 具j 1 生成 过程定义l 数据r 、 l被解释 引用 i 剐引用霹 执行服l | j 溪引擎 务1j o 半 监控 管理 任务表 生隔黠川俺 使用 调用 工作流相i 更 关数据l 新 交互 i 任务表管理强 ， 器黏 操纵 工作流 应用数 据 管理员 馔甭芦戳 工作员 调用 i 应用 _ 软律构 口耥箬撇 二 外部产品数据 躅1 1 工作流管理系统参考模型 该模型涉及主要两个部分：过程定义、工作流执行服务。 1 过程定义( p r o c e s sd e f i n i t i o n ) ：建立工作流模型，包括定义过程开始、 结束的条件，组成的活动以及导航规则，用户要承担的任务，激活应用程序的 参数，所有在工作流过程中的相关数据等； 2 工作流执行服务( w o r k f l o w e n a c t m e n ts e r v i c e ) 及工作流引擎：为过程 实例和活动提供运行时间环境，负责解释和激活部分或全部的过程定义，控制 过程的初始化，摔序活动，向用户任务作表中添加工作项目及在必要时引用应 用程序，是工作流管理系统的核心； 该参考模型给出了当前的工作流产品所遵循的设计标准，体现了工作流系 统基本的功能，但是，对具体的应用、具体的环境，需要进一步改进。在车间 生产过程管理中，车间生产的随机环境、过程的复杂性等要求其工作流系统的 应用需结合工作流理论详细分析生产工作流的特点进行具体研究。 塑塑堕窒堕鲞查兰堡主兰垡兰苎一 1 2 3 工作流模型的建模方法概述 进入2 0 世纪9 0 年代以后，市场上已经出现了较多的工作流产品，人们开 始对工作流模型进行深入的研究。许多工作流模型来自不同的工作流产品，有 些模型则来自专门的研究项目或者直接由某位学者提出。目前对于工作流的建 立模型的方法有很多，主要包括以下几种： 1 基于活动网络的建模方法：只是指以活动和活动之间的关系为基础建立 的工作流模型。其特点是用户界面友好、易于理解，并且在需要进行模型验证 时可以将其转化为扩展p e t r i 网模型来进行验证。 2 基于形式化表示的建模方法：如基于p e t r i 网的建模方法。在扩展p e t r i 网的基础上，a a l s t 提出了工作流网的概念，并对应用中的许多问题，如结构特 性以及如何将工作流映射到p e t r i 网等进行了研究。 3 基于对话模型的建模方法：w i n o g r a d 与f l o r e s 在语言行为理论的基础 上提出了一种基于对话的工作流模型。这种工作流模型是从客户方与服务方这 两个角色之间的语言行为交互上对工作流过程进行了定义。 4 基于状态与活动图的建模方法：它介于p e t r i 网模型和图形化模型之间。 对于用户，它比p e t r i 网容易学习和理解，在模型的正确性方面，它比图形化 模型易于验证。其欠缺的方面是模型验证工作比p e t r i 网模型麻烦，可视性效 果比图形模型差。 5 基于事务模型的建模方法：事务的概念来自于数据库研究领域，用于解 决数据的并发访问和出错恢复问题。特点是：能保证系统的可靠性。 1 2 4 工作流模型的仿真分析 为了减少企业成本和增加性能，使企业具有更好的柔性，能够在日益激烈 的市场竞争中立于不败之地，人们提出了企业经营过程重组( b u s i n e s sp r o c e s s r e e n g i n e e r i n g ) 的概念。企业经营过程重组是对企业的经营过程进行重新思考 与再设计，以追求企业性能的突破性提高。b p r 非常复杂，它的实施需要通过先 进的过程建模和分析手段来描述、分析和评价经营过程，发现其中的问题并对 其进行优化。目前，工作流模型仿真分析方法就是支持b p r 的一种可行的和有 效的分析手段。工作流模型仿真是指用仿真引擎模拟活动的执行，自动推进工 作流实例，其目的是定量地分析企业经营过程的各项性能指标，例如过程的运 行时间、运行成本和资源的利用率等，判断经营过程中是否存在瓶颈和死锁因 基于工作流的车间生产过程管理与仿真技术的研究 素，经营过程的性能是否良好。仿真结果可以作为经营过程的评价、过程改进 方案的可行性和有效验证的依据，也是企业进行决策的可靠的基础。 仿真分析法的优点主要体现在以下几个方面： 1 运行时间短，效率高。一个需要运行几天或者几个月才能完成的经营过 程，其仿真过程可能只需几个小时甚至几分钟； 2 安全可靠，风险小。工作流模型仿真是通过设置仿真环境、修改生产流 程模型和仿真初始化条件来模拟业务过程的变动和市场环境的变化，它不会对 实际业务过程的运行产生任何影响，避免了改变实际的业务过程而可能带来的 不可挽回的影响； 3 经济。生产流程模型仿真过程中，除了仿真系统的运行消耗外，不需要 消耗其他的车间资源，因此，仿真运行成本低，非常经济。 1 2 5 工作流模型的建模和仿真的国内外研究和开发现状 目前，国内国外已出现了多种工作流建模工具，例如：h p 公司的h p 建模工 具，m i c r o g r a f x 公司的i g r a f x 建模工具，p a v o n e 公司的e s p r e s s o 产品，日本k y o t o u n i v e r s i t y 的w o r l d w e bs y s t e m 建模工具，m e t a s o f t 公司的m e t a s o f t 系列产品和清 华大学的c i m f l o w 建模工具等等。在这些建模工具中，有的产品具有模型仿真 功能，例如m i c r o g r a f x 公司的i o r a f x 建模工具，有的还没有仿真功能，例如h p 公司的h p 建模工具；另一方面，有的产品将仿真功能嵌入建模工具中，例如日 本k y o t ou n i v e r s i t y 的w o r l d w e bs y s t e m 建模工具：有的却开发了专门的仿真器， 例如m e t a s o f f 公司的m e t a s o f t 系列产品和清华大学的c i m f l o w 建模工具。但是， 总的来说，仿真作为一种有效的模型分析的手段，已为很多人接受。以下我们 对几个典型的支持仿真的建模工具作以描述。 1 日本k y o t o u n i v e r s i t y 开发的基于多代理结构的w b r l d w 曲s y s t e m 该系统将建模和仿真集成在一起，支持的模型比较简单。系统为每个活动 分配参与者及个人代理，它的仿真功能，支持对多个过程的实例同时仿真，并 且注熏予由于人的行为的不确定性而对过程执行的影响。 该系统的仿真模型包含以下几个方面的内容： 1 ) 四种人的行为类型：o b e d i e n t 、h a s t y 、l a z y 、c o n c u r r e n t ，这些类型是非 常极端的例子，但它包含了人类行为的信息。 2 ) 两个时刻表：s c h e d u l i n gb ya g e n t 、s c h e d u l i n gb yah u m a n ，为了建模不遵 南京航空航天大学硕士学位论文 守代理时刻表的人，在仿真器中，代理和人各有一个时刻表。 3 ) 两种优先级：p e r s o n a lp r i o r i t y 、p r o c e s sp r i o r i t y 。 4 ) 沟通频率：这个参数定义了一个人多久报告代理它的工作结果，或者个 人代理多久通过访问任务数据监测个人的任务成果。该参数有几种设置，例如： p e r i o d i c ，a tc o m p l e t i o no f e v e r y t a s k ，a ts w i t c h i n g t a s k s 。 利用该系统的支持仿真的建模工具，用户首先可以建立一个过程模型，然 后可通过人力数据窗口定义人力资源，定义包括工人的名字、图标、处理类型 ( o b e d i e n t , h a s t y , l a z y , c o n c u r r e n t ) 、个人优先级和c o n t a c tf r e q u e n c y ( p e r i o d i c a l l y , a t e v e r ys w i t c h i n go f t a s k ，a tf i n i s h i n gt a s k ) ，最后启动仿真功能进行仿真。仿真完成 后，用户可以在结果窗口直接看到仿真结果，该工具只提供两种结果：第一种： 使用柱状图显示工人为每个过程所花费的时间；第二种：使用柱状图显示每个 过程的吞吐量( 每个星期所完成的任务) 。 2 i g r a f x 公司的支持仿真的建模工具 该软件是现在做的较好的一种支持仿真的建模工具，它为用户提供了友好 的用户界面、多样的模型元素、强大的仿真能力和灵活的仿真报表生成样式， 使过程工程师可以容易地建立企业的工作流模型，并对其进行仿真分析。 该工具对过程模型的仿真可以分为以下几个步骤： 1 ) 进行建模：建立工作流模型。 2 ) 设置仿真环境： 包括运行设置，例如设置仿真开始时间、仿真长度、仿真报告名等：事务 生成器的设置，例如设置事务的发生类型、事务的初始个数、事务的间隔规律 等。资源设置，例如设置员工遵守的时刻表、活动的资源个数、员工的小时工 资、员工的小时加班工资等。 3 ) 执行仿真： 支持仿真过程的动画显示，支持开始、终止、暂停、单步仿真等功能。 4 ) 生成时间、资源、成本、队列的仿真报告，例如： 事务时间统计表：事务数、平均周期时间、平均等待时闻、平均等待资 源时间、平均阻塞时间。 活动时间统计表：活动的平均周期时间、执行次数、平均工作时间、平 均阻塞时间等。 活动队列统计表：事务数、总等待队列、平均等待队列、最大等待队列。 鳌王三堡煎丝兰塑篁主蕉猩笪翌兰堕壅堇查塑婴塑 1 3 论文研究的意义及研究内容 1 3 1 论文研究意义 生产过程管理1 8 1 是对产品的生产过程进行计划、组织和控制，用经济的手段 制造出质量好、价格低的产品，达到及时满足市场和用户要求的一种管理职能。 生产过程管理包括：生产过程组织；生产准备：生产计划；生产控制。其目的 是为了对外生产出质量、交货期和价格符合用户要求的产品；对内提高职工劳 动生产率和设备利用率，使材料、在制品、成品储备量最小，资金周转最快， 材料消耗最省，管理费用最低，生产计划、生产方法最优，生产过程最有效。 当前车间生产管理信息化做了很多积极工作，现有的车间生产过程管理系 统通过利用关系数据库技术和网络技术，某种程度上提高了车间机床等设备资 源的集成度，增强了车间生产数据的事务处理能力，提高了车间的物料加工自 动化。但是，在多品种、小批量生产方式的车间生产过程更复杂多变，随机性 更强，这导致过程管理和过程控制工作变得越来越难。同时，在砸向过程的企业 集成环境下，由于制造企业的结构发生了变化，其制造车间的生产过程管理与 控制也发生了相应的改变，这就要求车间的生产过程管理能够通过不同产品的 生产过程与车间的人员、设备等各种资源紧密相连。目前车间生产过程管理仍 然存在以下不足： 1 车间生产不能很好的适应客户个性化需求，对客户提出的按需生产不能 很好的控制，其生产过程不能自定义调整，车间生产的自适应性很差； 2 信息传递的层次和环节多，速度慢，调节迟缓，各生产环节就不能有效 的协同，尤其是涉及到多个生产部门时，各个部门信息不能有效的共享，上一 个环节的信息不能及时被下一个环节所利用，整个生产信息流不通畅，这样造 成了生产过程的拖沓，整个车间生产的协同性、集成性很差； 3 车间生产各个任务离不开“人”的参与，“人”在车间生产中是最重要 的。而现有的车间管理信息系统只是在很大程度上提高了车间设备资源等的集 成度，并没有将入、信息、技术很好的集成在一起； 4 传统的车间生产工作流程纯粹是一种串行的生产方式，车间的组织结构 是面向职能的组织结构，不能适应先进制造技术中的面向市场、面向订单的生 产管理方式，整个车间不能快速响应市场多变的需求。 5 同一产品在车间生产时，在车间现有的约束条件下，比较不同工艺方案 南京航空航天大学硕士学位论文 的好坏，往往是根据经验判断，缺少有说服力的手段。 6 在多任务生产车间中，当出现资源冲突时，对于各种不同资源调度方案 的比较同样缺少有效的手段。 基于上述前6 个问题，本课题引入工作流方法对车间业务过程进行建模和 深入分析，使得车间从面向功能转变为面向过程的管理。工作流投术可以使车 间实现对经营管理和生产组织的过程控制以及决策支持，实现“现代车间在适 当的时间把适当的信息传递给适当的人”的要求，从而实现车间过程有效的管 理。同时，在本文中也提出在设定的环境下对生产过程进行仿真，根据仿真结 果，可以得出使用不同工艺方案和不同调度方案造成的差异，以此来辅助生产 管理人员来决策采用何种工艺方案和生产调度方案，仿真结果也可以用来评价 车间生产能力、为车间生产流程的重组提供依据。 1 3 2 论文研究内容及结构 本文首先从工作流管理技术的基本概念与定义入手，总结了工作流建模技 术和工作流模型仿真的发展现状，分析了制造车间过程管理的内容及其传统管 理方法的不足，在这基础上提出了把工作流管理思想引入到制造车间生产过程 管理系统中来，以实现车间信息的有效、快捷、准确的管理。然后，利用仿真 技术对生产过程进行仿真，为生产过程重构、工艺方案的比较、生产调度方案 的比较提供依据。根据这些研究内容，本课题的各章节的内容安排如下： 第一章绪论首先阐述了车间生产过程管理的趋势，介绍了工作流管理 技术的相关概念、工作流模型建模方法以及工作流模型的仿真分 析。接着，详细分析了车间过程管理存在的问题，在这基础上， 把工作流管理技术引入到制造车间生产管理系统中来，得出了本 课题的研究意义。 第二章 工作流技术在生产过程管理中的应用首先，分析了生产过程管 理与工作流管理的相关性然后，重点阐述了工作流技术在生产 过程管理中的应用和基于工作流的生产过程仿真。最后，给出了 基于工作流的生产过程管理与仿真的体系结构图。 第三章系统建模本章重点讨论了面向过程管理的工作流模型和面向仿 真的工作流模型的实现方法，并介绍了二种模型语言符号来描述 模型。 基于工作流的车间生产过程管理与仿真技术的研究 第四章工作流引擎及工作流实例执行本章重点讨论介绍了整个系统的 核心工作流引擎的概念、设计方法以及工作流实例的执行规 则，最后引出了工作流仿真引擎。 第五章系统的实现本章主要在前四章的基础上，给出了整个系统的实 现方案，包括系统开发工具和环境、系统的数据库模型、系统数 据表的设计等，最后运用一个实例介绍了整个系统的应用方法。 第六章总结与展望总结了本文的主要工作与应用的成果，展望了还需进 一步的研究内容，分析了该系统运作所带来的效益。 2 1 引言 第二章工作流技术在生产过程管理中的应用 在绪言中已经详细介绍了工作流技术的基本概念、工作流模型的建模方法 及其工作流模型的仿真分析的功能，本章将重点讨论工作流技术在车间生产过 程管理中的应用。 2 2 生产过程管理与工作流管理 在讨论过程管理与工作流管理之前，在这里先介绍与其相关的三个概念： 过程模型、工作流模型和过程建模。 1 过程模型【l ：过程模型是一种通过定义组成活动及其活动之间逻辑关系 来描述工作流程的模型。 2 工作流模型f l 】：工作流模型是一种特殊的过程模型，不仅能描述活动及 其相互之间的连接关系，而且需要定义许多其他的信息，如组织、资源、数据 等，这样是为了使模型能够由计算机进行解释和执行，实现业务过程的自动化。 3 过程建模【l j ：是一种建立描述过程模型的方法与技术，它通过定义活动 和活动之间的关系来描述业务过程或者工作流程。 车间生产过程管理的基本任务是在一定的生产条件下，应用现代管理科学理 论，对各项生产任务进行计划、组织和控制，使之按一定的原则、顺序和方法 有效地进行。具体来说，生产过程管理就是对产品生产过程进行监控和调度， 对多种信息进行有效的管理。车间生产过程的形式是复杂的，内容是丰富的。 若把某个产品的生产过程看作是一个生产流程，而流程是由许多生产任务( 工 作项) 组成，则可以把生产过程管理看作任务的管理。而每一个任务是与一个 抽象的活动对应起来，这样一次具体任务的执行和完成过程，本质上可以用一 次活动的执行完成过程来描述。简而言之，任务即活动，活动即任务，这样车 间生产过程管理就是一种工作流的管理。 车间生产过程管理信息化的本质就是要求生产过程管理的自动化执行，而工 作流管理思想恰好就是过程的自动化执行。因而，只要在传统的过程模型上进 基于工作流的车间生产过程管理皇值塞蕉查塑婴窒 行扩充，得出工作流模型，使模型能够被计算机解释和执行，实现基于工作流 的车间生产过程管理。 2 3 基于工作流的生产过程管理 车间是制造企业内部组织生产的一级生产单位和一级行政单位，是一级经 济核算单位口】。它是制造系统的一部分，完成制造系统运行中转换环节的工作， 将原材料、能源等转换为半成品和成品。车间生产过程是将原材料、能源按照 设计好的产品结构、工艺通过计划安排、生产3 m - r 、生产调度、质量控制等子 过程转换为半成品或成品的过程，是车间主要的业务过程。 以生产过程为主链，合理安排车间的资源( 包括人力、设备、物料) 、信息、 技术，实现车间的按计划、按进度、按品种、按质量高效、均衡生产，是车间 生产过程管理的本质所在【6 l 。总的来讲，车间生产过程管理的目的是保持生产过 程的连续性、保持生产过程的协调和保持生产的均衡性。 2 3 1 车间生产过程信息内容 生产过程信息是管理部门对生产情况进行查询和评估的基础，这些实时信息 对生产过程控制非常重要，管理部门往往在这些数据的基础上对生产中出现的 问题进行分析，对生产作出调整。生产过程信息主要由产品信息、工位信息、 物料信息三个部分组成，其结构如图2 1 所示。 生 产 进 度 信 息 血 品 质 检 信 息 生产过程信息 产品信息ll 工位信息il 物料信息 霎 萋 耋i耋l耋|薹l 萋茎鍪 物 料 报 警 信 息 图2 1 生产过程信息结构示意图 在制造车间中，生产过程管理是通过电子看板技术对生产过程进行适时监 控，根据生产的实际情况制定生产计划及物料清单，实现车间生产过程管理。 南京航空航天大学硕士学位论文 _ _ 一。 2 3 2 车间工作流程和生产信息流分析 一般由企业的生产管理部门将主生产计划 2 5 】( m p s ) 的机械加工及其它配套 生产计划分解到机械加工车间，再由车间的生产( 调度) 科将其分解成各个班 组的生产计划，下达到工段( 班组) ，各班组成员按计划生产，完成后成品入库， 由销售统一调配发送给客户。生产过程中，工艺人员负责向车间提供技术支持； 供应人员、库房和库管员负责向车间提供物资，并监督车间用料状况：质检人 员负责质量检验和产品的验收：财务人员负责统计生产者的工时和废品的费用 以及整个车间的收支；管理人员负责与其职责相关的协调和监督。通过以上分 析，可以得到一张生产过程的主要信息流图，如图2 2 所示。 图2 2 生产过程中的主要信息流 车间现场生产的一般工作流程图2 3 所示，由调度科通过工段向现场生产 人员下发工令单，生产人员按照工令单的要求领取工艺文件、工艺装配和原料 进行生产，首先生产完工，产生超差品和全部生产完成后，通知检验人员检验， 若首件合格则继续进行生产；若最后一件也合格，就将完工产品按要求入下一 工序或入库，并通知财务部门核算工时：若产生不合格品，则需要通知技术人 员进行处理，可以返修的进行返修后检验，不能返修则按废品处理，进行相应 的手续，如填写废品单，责任认定，废品费用的分提核算和废品入库等。 2 3 3 基于工作流的生产过程分析 工作流管理为制造业车间实施生产过程中任务协调与分解的自动化进程提 供了有效的技术支持。因为这一环节是对管理流程实施并行设计的首要一步。 车间实现生产运作包含三大类任务：任务分配；任务和资源的协调：工作调度 和控制。车间生产过程是由一系列活动按照一定的执行顺序组成的，活动构成 了工作进程的基本单位，在生产计划和调度的过程中，每个活动节点都对应着 制造加工任务中的一个基本的子任务，工作流管理系统通过描述过程之间的信 基于工作流的车间生产过程管理与仿；i 垫术的! ! 垄 息、资源和组织之间的关系，引导过程中的活动自动进行，对活动所需的资源 进行调度分配，从而将各活动组织成一个顺畅进行的工作流程以实现工作的调 度与控制。对于制造车间，首先要定义与生产过程有关的产品、资源、工艺与 订单信息。这些信息在工作流引擎的引导下，进行任务的动态分配，实现任务 和资源间的动态计划和调度。 躅2 3 车闻生产过程的工作漉程 根据1 2 2 所介绍的工作流参考模型，结合本章前两节总结的车间生产过 程特点，可以得出车间生产逻辑结构图，如图2 4 所示： 由图2 4 可以看出，该系统的主要功能部件如下： 1 工作流定义工具( w o r k f l o wd e f i n i t i o nt o o l s ) ：主要功能是以计算机 能够处理的形式进行过程的定义，绘用户提供一种对实际业务进行分析、建模 的手段，最后应输出一个能被工作流引擎解释并执行的过程定义，这也就是工 作流开发阶段的主要内容。 2 工作流执行服务( w o r k f l o we n a c t m e n ts e r v i c e ) ：工作流执行服务是 工作流管理系统的核心。实际上它是企业经营过程的任务调度器，并且还在某 种程度上是企业资源分配器。工作流执行服务由一个或多个工作流引擎组成 它提供了过程实例执行的运行环境。 3 过程与任务管理稻监视工具( a d m i n i s t r a t o r m o n i t o r i n gt 0 0 1 s ) ： 其功能是对工作流管理系统中过程实例的状态进行监控与管理，需要从过程执 行过程所发生的各种事件上捕获和记录的各种信息，如过程实例信息、活动实 堕室堕窒堕丕奎堂堡主兰堡堡苎 例信息、工作项信息等。 图2 4 车间生产逻辑结构图 4 工作流执行服务内部逻辑结构：组织管理负责管理与维护系统中组织机 构、岗位及人员的配置等组织模型数据，为过程的任务分派提供基础信息。工 作流实铡管理中保存有过程的基本信息、状态信息及结果信息，构成过程的各 活动或任务的基本信息、活动之间的逻辑关系、状态信息及结果信息等。过程 管理对各过程的基本信息、过程中活动之间的逻辑关系、状态信息及结果信息 等进行管理与维护，并进行过程的仿真执行、下达过程的执行指令、暂停或终 止过程的执行等操作，基于活动的基本信息及组织模型数据。任务管理为各活 动分派执行者，或者根据实际情况更换活动的执行者，任务执行模块对下达给 基于工作流的车间生产过程管理与值塞垫查盟婴窒 执行者的任务进行浏览，根据任务开始执行的环境信息( 时间、所需数据、所 需资源等) 及其对该任务的影响，对其前趋任务进行评估，根据任务的执行情 况对其状态信息进行实时维护。任务监控模块检测任务的进度及完成时间，对 可能拖期的过程进行预警或报警。检测完成活动的后继任务。如果条件具备， 则下达该任务。如果某过程的晟后一个任务已经完成，则置该过程为完成状态， 以便过程负责人对最后一个任务及该过程的执行情况进行评估，并进行相关的 归档处理。 在图2 4 中，涉及人员的操作体现在以下几方面： 1 车间生产决策人，流程设计人等相关人员合作完成对生产过程的定义， 生产过程的定义具体依据和方法下一章会作详细的介绍说明。 2 车间主任( 或产品负责人) 对多个生产过程进行管理监控。一般来讲， 同一车间在同一时间段里，会有多个产品在生产，对单件小批量生产车忙1 这种 现象更加普遍，在这种情况下，车间主任要多个产品生产流程进行有效的管理， 包括每一个流程的当前状态、生产进度、交货期限、生产成本、预计完工时间 等。 3 车间主任( 或产品负责人) 要对每一个生产流程中的任务进行派发，也 就是把生产任务指定给具体的工人或相关技术人员，当出现多个任务争抢同一 设备、工具或人时，车间主任需要根据一定的规则进行选择派发哪一个任务， 如：先到先服务( f i f o ) 、后到先服务( l i f o ) 、优先级( f r i ) 、最早交货期( e d d ) 、 最短加工时间( s p t ) 、最小排序变化余地( s l a c k ) 、最小剩余工步加工时间之 和( s p r t ) 等。 4 技术人员( 工人) 执行、完成车间主任派发给自己的任务，当根据任务 清单申请相应的设备、工具等辅助物品。并根据完工日期安排自己的工作时间。 2 3 ，4 基于工作漉的生产过程管理的特点 工作流的业务过程管理和车间生产过程管理从逻辑上来说既存在着一定的 共性，也存在一定的区别【9 】。具体而言，两者都是对生产或商务过程的控制和调 节，力图在合适的时间将合适的任务分配给合适的人或机器来完成，力图实现 资源和任务的最优化分配。但两者也存在一定的区别：在一个生产制造系统中， 具体任务是实际要加工的产品或零件，具体的资源包括车床、机器人、传送带、 车间工人、工装辅具等；而在业务过程中，其任务可能是抽象的、信息化的( 如 南京航空航天大学硕士学位论文 一个文档等) ，其资源可能是人或应用程序：另外，重复加工一个零件是具体而 实际的，需要一定的时间和资源，而重复一个业务过程有时只是一个简单的文 档复制或信息复制，这在计算机上实现是几乎不需要时间和资源；传统的工作 流管理工具是以过程的自动化为目标的，适合对可预先定义、重复性强的静态 过程进行描述和管理，其着重点是对任务执行次序以及静态信息的分发或使用 进行严格的控制。而生产过程是一个非常复杂的系统，必须从多个角度来描述， 它牵涉到生产用的生产资源和设备、生产信息和生产组织等方面。因此，生产 制造过程的工作流管理是一个动态的、特殊的复杂系统。 车间生产过程管理中的工作流技术与其它工作流应用系统中工作流技术相 比，生产任务的运行具有新的特点和新的要求： 1 生产任务的运行需要一定的生产加工时间； 2 需要一定的加工成本，需要保证一定的加工质量； 3 需要一定的产品运输时间，需要一定的库存； 4 受到诸多因素的限制，如生产过程中的交货期约束、资源约束、设备加 工能力约束、人员的操作能力约束等各种不确定的因素约束； 5 生产过程中人的因素很熏要，也是最灵活的，每个人的职责和生产能力、 工作范围是不同的。 因此，基于工作流的车间生产过程管理与普通的业务过程管理既有区别又 有联系，需要在工作流技术的基础上，全面分析车间生产过程的复杂性，研究 能适应于车间生产过程管理。 2 4 基于工作流的生产过程仿真 车间生产过程的仿真是利用事件和时间驱动的仿真引擎模拟执行生产过程 模型中各项活动，自动地推进生产过程实例。