（航空宇航制造工程专业论文）基于工作流的协同制造任务分配技术研究.pdf

两北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 网络化协同制造模式已经成为2 1 世纪制造业发展的必然趋势，新时期的国防 企业既要适应和平时期产品的多研少制特点又要满足战时装备损耗的需求，其平 战批量快速转换的能力急需提高，网络化的协同制造模式可以为国防企业构建一 套高柔性的快速反应体系。论文针对网络化协同制造模式中的任务分配问题进行 研究，提出了基于工作流的解决方案，提高了协同制造任务分配的快速反应能力 及柔性。主要研究工作包括： ( 1 ) 基于工作流的协同制造任务分配体系框架研究。 本文在对协同制造体系的一般特征以及工作流管理技术实现环境的分析基础 上，提出了基于m u l t i a g e n t 的协同制造任务分配系统结构，构建了该体系框架下 的软件模型，确定了软件的运行模式。 ( 2 ) 基于工作流的协同制造任务建模及分配驱动研究。 本文参考w f m s 提出的工作流参考模型，结台航空企业的项目制造任务实际 情况提出了基于工艺的任务分解方法，并对项目制造过程实现了基于工作流的过 程建模。通过引入基于规则的专家系统( r b e s ) j e s s 平台，实现了基于工作流的 分配驱动。 ( 3 ) 任务分配制造链预案生成过程研究。 任务分配制造链预案生成包括四个步骤：任务的资源发现、任务协同制造链 的构建，项目企业与资源企业之间的合作协商、制造链的优化配置。论文基于领 域知识制造资源模型提出了基于常识推理的资源发现方法，并对所有的潜在任务 分配制造链进行了构建；采用改进后的合同网协议实现了企业间的网上合作协商， 提出v e 企业评价体系，采用制造链优化算法对构建的所有制造链进行优化，从 而确定一条最优的制造链，完成了制造链预案的生成。 ( 4 ) 任务分配原型系统的开发和实现。 基于多a g e n t 框架结构，开发并实现了协同制造任务分配原型系统。 关键字：协同制造，任务分配，工作流，制造链预案，合同网协议 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e t w o r kc o o p e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gp a t t e r nh a sa l r e a d yb e c o m eat e n d e n c yi n 21 c e n t u r y sm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e i no r d e r t o s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s i n p e a c e t i m ea n dw a r t i m e ，af l e x i b l em a ds p e e d i n e s sr e s p o n s es y s t e mw a sr e q u i r e d t h e p r o b l e m o ft a s k a s s i g n m e n t h a sb e e nr e s e a r c h e di nn e t w o r kc a l l a b o r a t i v e m a n u f a c t u r i n g ，a n dar e s o l v a b l es c h e m eb a s e do nt h ew o r k f l o wh a sb e e np r o p o s e d s e v e r a la s p e c t si nt h i s 廿1 e s i sa sf o i l o w sh a v eb e e ns t u d i e d ： f i r s t l y ，c o o p e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gt a s ka s s i g n m e n tf r a m es y s t e mh a sb e e n r e s e a r c h e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o o p e r a t i o nm a l l u f a c t u r i n g s y s t e ma n dt h e e n v i r o n m e n to fw o r k f l o wh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dc o o p e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gt a s k d i s t r i b u t i o ns y s t e mf r a n l em o d e lh a sb e e np u tf o r w a r db a s e do nm u l t i a g e n t s e c o n d l y ，t h ec o o p e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gt a s km o d e l i n ga n dt h et a s ka s s i g n m e n t b a s e do nw o r k f l o wd r i v i n gh a sb e e nr e s e a r c h e d a sa l li n f o r m a t i o nf o u n t a i n h e a d t h e t a s ka s s i g n m e n tc a nb em o d e l e da n dc h a n g e df l e x i b l y a c c o r d i n gt ot h ew f m s w o r k f l o wm o d e la n dp r a c t i c a la s s i g n m e n ti na e r o n a u t i ce n t e r p r i s e am e t h o do ft a s k a s s i g n m e n tb a s e do nt h ep r o c e s sh a sb e e nd i s c u s s e da n dap r o c e s s i n gm o d e l i n gh a s b e e na c c o m p l i s h e d t h ea s s i g n m e n td r i v i n gh a sb e e ni m p l e m e n t e db yi m p o r t i n gt h e r b e s j e s sp l a t f o r r n t h i r d l y ，p r e d e t e r m i n e dp l a n n i n go fm a n u f a c t u r i n gc h a i ni nt a s ka s s i g n m e n th a sb e e n r e s e a r c h e d a n di ti sd i v i d e di n t of o u rs t e p s ：m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ed i s c o v e r y c h a i n c o n s t r u c t i n g ，c o l l a b o r a t i o n b e t w e e np r o j e c t e n t e r p r i s e a n dr e s o u r c e e n t e r p r i s e ， o p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o no ft h ec h a i nt h er e s o u r c ed i s c o v e r i n gm e t h o db a s e do n c o m m o ns e n s ei l l a t i o nh a sb e e np r o p o s e da c c o r d i n gt o 恤em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e m o d e l i n go fd o m a i nk n o w l e d g e t h eo p t i m i z a t i o nc h a i np l a n n i n gh a sb e e nr e a l i z e d a m o n gt 1 1 et a s ka s s i g n m e n tm a n u f a c t u r i n gc h a i n st h ei m p r o v e dc o n t r a c tn e tp r o t o c o l h a sb e e nu s e dt oc o m p l e t et h ee n t e r p r i s e so n 1 i n ec o o p e r a t i o nc o n s u l t a t i o na n dv e e v a l u a t i o nh a sb e e np u tf o r w a r d f o u r t h l y ，at a s ka s s i g n m e n tp r o t o t y p es y s t e mb a s e do nt h ec o n c e p ts y s t e ma n d m u l t i a g e n th a sb e e nr e a l i z e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i o nm a n u f a c t u r e ，t a s ka s s i g n m e n t ，p r e d e t e r m i n e dp l a n n i n g o fm a n u f a c t u r ec h a i n ，c o n t r a c tn e tp r o t o c o l i i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 制造业是国民经济的支柱产业，无论在发达国家，还是在发展中国家，制造 业在国民经济中均占据主要地位，制造技术水平的高低已成为衡量一个国家经济 实力和科技发展水平的重要标志之一1 1 】。 2 0 世纪中叶以来，以微电子、自动化、计算机、通信、网络为代表的信息技 术迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的新科技革命浪潮。以网络化、信息化为 标志的2 1 世纪，将改变人类获取、处理、交流以及利用信息和知识的方式，推动 人们的生产、生活方式以及社会结构发生变化。这些技术在制造领域中的广泛渗 透、应用和衍生，也使得制造环境发生了根本性的变化口j 。 当前，制造业正面临着全球性的市场、资源、技术和人才的竞争，开放的国 际市场使得消费者面临更多的选择，个性化、多样化的消费需求又使得市场快速 多变，不可捉摸，而各种新技术的涌现和应用则进一步加剧了市场的快速变化。 随着全球经济一体化的加深，信息技术的发展又加速了这竞争态势，i n t e r n e t 技术的迅猛发展和电子业务技术的应用，使得企业的信息化进程已由原来的企业 集成向协同集成和随机性协同方向发展，形成以电子市场为基础，以电子业务为 特征的协作化网络制造环境，企业与企业之间的竞争转变为价值链之间的竞争。 企业如果不能有效地参与到制造网络体系中，不能在价值网伙伴和客户之间建立 一个透明的协同生产环境，就很难有所发展。为了求得生存，所有的企业都感受 到了空前的压力，在工业界，跨国集团都在重新定位，围绕电子市场进行业务的 展开和分工，以获取最大的市场利润。如i b m 、福特、通用、s i e m e n s 、f a n u c 等公司纷纷调整其战略部署，改善其制造环境，以迎接e 世界的到来。 网络化制造是在网络环境下对计算机集成制造、智能制造、敏捷制造等先进 制造模式与技术的综合、深化与实现【3 ”j ，它可使企业充分利用网络、信息等技 术的最新成就帮助企业及时获取市场需求信息、充分利用全球制造资源优势、以 加速产品的更新换代、完善产品的售后服务，从而大大增强企业的市场应变能力。 因此，可以说制造网络化是现代制造业发展的主要发展趋势之。 有关网络化制造的基本定义、特征和技术等概念说法不尽统一，目前国际上 还没有一个准确的定义。国家科技部关于网络化制造的定义为：网络化制造是按 照敏捷制造的思想，采用i n t e m e t 技术，建立灵活有效、互惠互利的企业动态联 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 盟，有效的实现研究、设计、生产和销售各种资源的重组，从而提高企业的市场 快速响应和竞争能力的新模式【5 1 。其核心是利用网络，特别是i n t e r n e t ，跨越不同 企业之间存在的空间差距，通过企业之间的信息集成、业务过程集成、资源集成 与共享，对企业开展异地协同设计制造、网上营销、供应链管理等提供技术支撑 环境和手段，实现产品商务的协同、产品设计的协同、产品制造的协同和供应链 的协同，缩短产品的研制周期和研制费用，提高整个产业链和制造群体的竞争力。 从管理模式的发展历程来看，企业无论采用何种制造模式，作为全球制造链 上的个节点，敏捷性、协同性以及链条上业务过程的优化是其根本( 协同制造) ， 未来的企业如果不能将自身的业务有效地融入到全球化网络制造体系中，不能在 价值网伙伴和客户之间建立一个透明的协同生产环境，就很难有所发展，就将面 临无业可务的境地。设计协同、制造协同和供应链协同将成为未来制造业发展的 一个重要基本策略。 在全球网络化协同制造的大环境下，企业实现协同的总体支持环境、协同管 理、协同设计、协同制造等层面上需要采用的关键技术、战略方法等协同问题的 解决已经迫在眉睫，炙手可热。对一个网络化制造环境下的现代企业而言，设计 和制造通常是由位于不同地理位置的其他企业共同协作而完成，甚至在一个企业 内部制造部门也是分散的，网络化协同制造的目的就是要通过整合制造网络中的 不同企业的核心资源来实现各参与企业利益的最大化，这就意味着只有将合适的 任务分配给合适的企业，各个制造链上的企业共担风险，精诚合作，网络化制造 的整体优势才能发挥出来。因此，协同制造中虚拟企业的任务分配与协调是网络 化制造运作过程中的关键步骤，行之有效的协同制造任务分配方法和技术，直接 决定协同制造链的生产成本、生产周期、生产质量和服务，以及企业对动态多变 的市场需求做出快速响应的能力，在网络化协同制造中越来越显示出其重要地位。 1 2 国内外研究现状 网络化协同制造环境下，协同制造企业通常分布在不同的地理位置，动态联 盟是其企业组织形式，并由虚拟企业( v e ) 来实现。v e 有各种不同的定义，但 文献 9 将其综合为：“一个v e 是一个临时的企业联盟，为了某一商业机会而共享 技能或核心能力和资源，并通过计算机网络进行协作”。 目前，对虚拟企业的任务分配的研究范畴还没有很明确的定义，文献 9 认为 一个产品的开发过程由一系列的活动组成，而要求一个成员提供的服务可能由若 干活动组成，每个v e 成员至少有一种核心资源被共享，将任务分配看作v e 重 构过程( 图1 1 ) 中的一部分，基于这一观点，提出了一种面向核心资源的任务 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 分配的方法，对任务分配的定义为：“活动分配是将产品开发过程中的活动分成若 干个任务组，每个任务组可由一个合作伙伴完成。”将任务分配仅仅定义为对产品 活动进行若干具有核心资源的任务组的划分，是组建v e 的一个关键环节：其任 务分配的基本方法概括为：根据产品的开发过程描述活动之间的关系，将非关键 活动归并到关键活动中，使得产品的开发过程形成若干个任务组，每个任务组只 需要一种核心资源，并确定每个成员在v e 中的作用，为选择伙伴提供条件。 否 v e 的市场机遇 【任务分解，确定于任务所需的资源k i 寻找潜在的合作伙伴 否 是+ l 将任务分配个给成员企业，并接收成员企业j j 的子生产计划，对子生产计划进行整体优化i 就优化后的子生产计划与成员企业进行协商j 图1 i v e 重构过程图1 - 2 虚拟企业的任务分配与协调研究思路 在文献f 1 0 中，认为任务分配贯穿于整个v e 重构的过程当中，对任务分配的 定义为：“虚拟企业的任务分配过程实际上是成员企业的资源整合、优化与集成的 过程。”包括总任务分解、虚拟企业的任务综合集成及冲突谈判。”文中对任务分 配提出了“分解一整合”的基本研究思路( 图1 2 ) ，即根据产品的特点对产品生 产中的括动进行结构或者功能上的分解，然后协调、优化、整合修改成员企业的 任务计划，与成员企业进行沟通协商，最后签订合同：对任务分配过程中的总任 务分解、总任务计划集成以及任务冲突谈判都提出了解决方案和思路。 在上述两种观点中，作者认为前者对协同制造任务分配技术的研究范畴过于 狭窄，而后者，忽略了对任务分配结果从制造链的成本( c ) 、时间( t ) 、质量( 0 ) 、 服务( s ) 等角度进行优化，且其优化仅仅局限于对成员企业子生产计划的整合。 协同制造任务分配的实现技术是依赖于协同制造体系的，目前，在协同制造 体系结构，协同制造过程管理、协同制造的伙伴选择策略、协同制造的协商策略、 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 协同制造安全保障等方面均有很多成果，如目前世界上已经有许多国家在支持产 品的异地开发、异地设计及异地制造通信基础设施方面开展的工作已经取得成效， 如美国的m i i p ( n a t i o n a li n d u s t r i a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ep r o t o c o l s ) ，欧共体的 p r o d n e t 、v e g a 和我们国家的c i m s n e t 。在协同制造体系结构方面，出现 了多a g e n t ( m a s ) 框架等：协同制造过程管理方面，工作流管理技术已经相当 成熟；协同任务伙伴选择方面，如数学家t h o m a sl s a t t y 提出的a h p ( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ) 法，遗传算法等；任务的协商策略方面，提出的多目标协商策 略等。 相对于协同制造中的上述几个研究问题，任务分配的研究工作还比较少。不 过，在些协同制造研究和实现上，任务分配的实现情况及实现方法也不尽相同。 加拿大学者wn ls h e n 提出能够用于构建支持虚拟企业层、企业层和车间层 的分布式协同制造框架，但系统中缺乏明确定义的制造任务，因此很难实现任务 分配及对制造过程的控制和协调。 清华大学hmg o u 提出基于a g e n t 协同制造运行框架，其任务分配、参与者 之间的通讯和协调关系是预先定义的，适合于静态的制造过程执行管理。 c r o s s f l o w 作为商务服务软件，将虚拟企业看作包含服务提供和服务消费的面 向服务的架构，服务消费组织可以委派工作流中的任务到服务提供者，服务提供 和消费之间的合同是跨组织工作流协作的基础，在工作流执行过程中进行资源和 服务匹配，动态选择任务的执行者，实现跨企业工作流中任务执行的柔性。 1 3 课题来源、研究目标及研究目的 1 3 1 课题来源 作为提高企业竞争能力的一种全新制造业组织模式，集成化的敏捷制造系统 已经成为2 i 世纪制造业采用的主要手段，而虚拟企业是敏捷制造系统的重要表 现形式。动员扩散生产体现为跨地域、跨企业的协同生产方式，一般以一个企业 为主要生产企业，其它企业以协同、合作、供应与被供应的方式存在。本课题来 源于国防基础研究项目k 1 8 0 5 0 3 0 2 0 2 和航空基金项目0 4 h 5 3 0 6 3 。 1 3 2 研究目标 论文的研究课题是项目的重要组成部分，其目标是实现协同项目任务在所有 资源企业问的合理、快速、高效分配，并完成分配过程的动态驱动和柔性调整， 4 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 资源企业间的合理、快速、高效分配，并完成分配过程的动态驱动和柔性凋整， 解决企业在协同制造过程中所面临的协同制造任务分配问题。 课题以某航空企业的关键零件生产为项目依托，实现协同制造任务分配系统 的设计与开发。通过计算机网络组织和协调分布在多个企业中的人力、设备和信 息资源，缩短产品的开发和生产周期，实现企业问制造资源共享，提高企业的快 速扩散能力及平战转换能力。 1 3 3 研究目的 协同制造任务分配研究的目的有两点。第一+ ，使得任务分配预案从众多的可 选企业之中脱颖而出，达到效益最高、成本最低；第二，解决生产过程中的分配 驱动、及业务流程变更时的快速再分配问题，按时按质完成项目生产。 1 4 论文的研究思路、研究内容及章节安排 1 4 1 研究思路 现有的研究成果对任务分配研究的范畴界定并不明确，作者认为从广义上讲 任务分配需要解决的问题包括静态预案生成和动态任务分配管理两个方面。 静态预案生成的问题包括：项目任务的分解，可联盟资源企业的发现，制造 链的构建，制造链预案的优化配置等问题，其目的是使得任务分配预案达到效益 最高、成本最低。 动态任务分配管理问题是指当该动态联盟开始实际运行时，生产过程的分配 冲突消解问题、由于某成员企业提出任务的延期交付，或者不能达到任务生产的 进度要求、质量要求，需要中途终止合约等异常时的快速再分配问题。 工作流技术能够有效支持企业业务过程集成、盟主和群组协同工作，是支持 协同制造的一项重要的使能技术 1 3 】，提供了过程参与者之间连续的信息流、任务 流的无缝集成机制，成为构建协同产品开发集成环境中的重要支撑技术。采用工 作流技术可以解决协同制造过程管理中的不足，能够实现任务分配的柔性动态调 整和解决分配冲突等问题。目前，在很多的协同制造管理方案中都将协同制造的 过程管理交给工作流管理系统执行协调和监控，因此提出基于工作流对协同制造 任务的分配进行研究的观点，通过对项目任务进行基于工作流的过程建模，设计 任务分配工作流驱动服务，实现对任务分配过程的动态监控及柔性管理。 童j ! 三些奎兰里主堂垒笙茎 第一章绪论 2 。3 2 2 2 2 2 2 8 2 2 。2 2 = g e 自! ! ! ! ! ! = ! t ! t 一 ：； 1 4 2 研究内容 图1 - 3 协同制造任务分配研究思路 为实现论文的研究目标，研究内容如下： ( 1 ) 协同制造任务分配支持系统。列任务分配技术实现的支持系统进行分析与 设计。 ( 2 ) 基于工作流的协同制造任务建模。基于工怍流的建模思想，将x x 厂加工 项目进行任务分解，并对项目执行过程进行抽象和概括，完成项目任务协 同制造过程模型。 ( 3 ) 协同制造任务分配制造链预案生成。基于任务模型信息为协同制造任务生 成最优的动态联盟制造链。研究内容包含以下几点： 协同制造任务分配资源发现方法。 基于合同网协议实现企业间的网上通讯与合作协商。 协同制造任务分配的制造链构建。解决如何组建协同制造动态联盟的 方法。 制造链的预案配置。对构建的制造链进行优化，选择最优的制造链进 行预案。 ( 4 ) 协同制造任务分配动态驱动及柔性管理。根据任务模型中的执行规则以及 任务执行的优先级等模型信息，实现及时、准确地任务分配驱动，解决任 务冲突，并支持任务分配的快速调整。 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 3 论文章节安排 本文的章节安排如下： 第一章，绪论。介绍了任务分配技术研究的背景、研究现状、课题来源进 而提出了本文的目标、研究内容及章节安排。 第二章，协同制造任务分配支持系统研究。对协同制造任务分配的现状进行 分析，提出了基于m a s 的协同制造任务分配支持系统。 第三章，基于工作流的协同制造任务建模与分配驱动。对工作流管理的概念 特别是工作流参考模型及建模方法进行了介绍，在此基础上结合项目实际建立了 协同制造任务模型，同时，基于专家系统实现工作流驱动的任务分派。 第四章，任务分配制造链预案生成。具体研究了资源发现方法及策略、a g e n t 企业间的协商实现技术、制造链的构建以及优化选择及动态调整方法等内容。 第五章，原型系统实现。设计并开发了协同制造任务分配原型系统，验证了 文中所提方法。 第六章，总结与展望。对全文进行了总结，并指出下一步工作的重点。 1 5 本章小结 本章阐述了网络化协同制造的大趋势，以及协同制造环境下任务分配技术的 重要性，然后介绍协同制造任务分配技术的研究与发展现状；接着，简要说明了 课题来源以及论文研究的目标，通过对研究背景、现状以及需求的分析，提出了 沦文的研究思路、研究内容。 西北工业大学硕士学位论文 第二章协同制造任务分配支持系统 第二章协同制造任务分配支持系统 2 1 企业协同制造任务分配现状分析 随着航空产品研制技术复杂性的不断提高和产品生命周期的不断缩短，企业 面临着巨大的市场压力。因此，如何依靠同行业企业的协作，迅速提高该企业的 快速扩散生产能力，提高企业核心竞争力，满足市场需求，已经成为该厂的当务 之急。目前，航空x x 厂在协同制造的技术和管理方面存在的具体问题如下： 信息化技术处于非常初级的阶段，与其它企业的沟通多以电话、出差、上级 协调的方式进行，沟通周期长，手续复杂，不直接，协同信息没有实现无纸 化传递和信息共享，影响研发和生产的周期。 x x 厂面临着研发和批量生产的各项任务，常常进行变批量多品种混线生产， 而且随时都会有紧急任务来临，因此，整个加工过程管理复杂，协调困难， 而现行的过程管理信息反馈滞后，信息不能共享，异常处理周期长。 协同制造任务分配伙伴的选择范围狭窄，只是与一些相对熟悉的企业进行合 作，而很可能忽略最合适的协作伙伴，使得协网制造链的构建不能达到最优 选择。 缺乏协同制造预案管理手段及科学的任务分配预案的决策支持手段。现行的 协同任务分配预案都是以人的判断和经验来决定的，没有进行预案管理和分 析优化。 协同制造的任务分配与执行过程之间的信息交互严重脱节，缺乏动态的柔性 调整。 综上所示，可以看出该企业在协同制造任务分配中主要存在两个方面的问题， 协同制造任务分配预案选择没有科学依据，阱同制造过程管理不足，造成任务分 配不能及时、准确驱动而且动态调整困难。 2 1 1 以动态联盟形式进行任务分配制造链构建的需求 航空产品工艺流程复杂、技术要求高，品种多样，具有多研少制的特点，然 而新时期下，航空企业一方面面临着巨大的市场压力，一方面在资源优化配置与 合理利用上却存在着很多问题。 为适应新时期市场需求，企业必须依赖企业间的协作。然而传统合作制造的 西北工业大学硕士学位论文第二章协同制造任务分配支持系统 运行一般是以企业为中心，企业和企业之间直接通过网络点对点的进行信息共享、 集成和工作协同，因此，它们之间形成了一个网状结构的关系【l “。当合作企业不 是很多时，这种两层结构下的企业合作也是快捷和方便的，但是，每个企业都必 须记录其它企业的相关合作信恩。随着网络技术的发展，企业之间的合作能力变 得更加强大，能相互合作的企业不断增多，这时两层合作结构就暴露出以下弊端： 企业面对的是大量不确定的合作伙伴，在众多的企业中寻找合作伙伴将变 得越来越困难。 企业面对的是各种各样的异构环境，企业与企业之间的集成和协调变得异 常复杂，企业之间( 点对点转换) 应用转换的代价增大。 随着合作伙伴的增多，合作制造项目日趋复杂，合作变得更加难以管理。 协同制造的组织形式为协同制造联盟( 图2 1 ) ，它是应用计算机网络化技术， 通过i n t e m e t ，在协同制造支持环境下由核心企业和其临时或长期存在业务联系的 功能实体成员组成的广义扩展组织。 ( 竺兰竺 图2 i 网络化协同制造联盟模式 充分合理利用以信息技术为代表的高科技，建立和实现以网络化体系结构为 基础的协同制造联盟的生产组织和管理模式，快速、灵活地组织和利用各种分布 的、异构的制造资源，形成更具竞争力的协同制造链，才能迅速提高企业的综合 技术能力。 2 1 2 基于工作流的任务分配柔性过程管理的需求 任务分配需要在制造执行过程中随着协同制造任务规则和业务流程变更的 改变而改变，及时、准确地将任务的技术资料下发给正确的资源企业，跨企业的 协同制造流程是动态的、交互的、分布的复杂过程，协同制造过程中的任务分配 西北工业大学硕士学位论文 第二章协同制造任务分配支持系统 包含非常多的变化因素： 任务的重复分配工作( 当制造链下游发现错误时需要上游任务重作，上 游设计变化下发的更改信息可以导致下游的任务重复) ； 协同制造周期长，任务分配的预案可能在项目制造过程中发生变化； 不可预测的测试结果和环境、制造过程的改进等都会影响任务的分配过 程； 每个参与者的决策互相影响和依赖，某些任务执行的路径是根据参与者 动态选择而确定的，而决策可能随着时间变化，因此项目任务分配预案 也需要动态改变。 盟主企业经常通过改变任务优先级或者通过任务的过程变更对任务进行 动态重新分配； 由于这些因素，因此论文提出基于柔性工作流对任务分配过程进行管理的观 点。柔性工作流要求业务过程在执行过程中能够适应性的调整或修改，并且能够 按被修改后最新的过程定义来执行当前过程实例( 使修改“即时生效”) ，工作流 不仅要求所有参与者配合过程的执行而且参与过程定义的修改，这就需要系统提 供协同机制使得所有参与者同步监视工作流的执行进度情况。 2 1 3 系统的功能需求分析 根据第一章中的任务分配研究思路( 图1 3 ) ，协同制造任务分配系统各功能 模块需求分析如下： ( 1 1 制造任务建模模块。采用工作流描述制造任务，将制造过程表示为一组子 过程任务以及任务之间的关系和交互结构，关系隐含了任务的顺序即控制 逻辑，同时指定了任务之间的转移关系( 如顺序执行、异步执行和同步协 同执行) ，并支持盟主企业a g e n t 对制造任务进行分解。 ( 2 ) 工作流执行服务平台。按照基于工作流的任务模型中的规则驱动任务分配 预案的执行，并动态修改、及时回馈任务执行状态。 ( 3 ) 制造资源管理模块。为用户提供企业信息和资源的注册、登记等功能。 ( 4 1 任务分配管理模块。通过对任务执行状态的跟踪，对任务分配进行实时动 态的分配调整和管理。 ( 5 ) 任务分配协同制造链预案管理模块。包括协同制造链的构建、配置与调整 三个子模块。协同制造链的构建功能实现基于任务过程模型的定义，对项 目执行的任务进行生产线及批次、时间等的详细定义，在此基础上进行资 西北工业大学硕士学位论文 第二章协同制造任务分配支持系统 源发现与匹配，从而完成制造链的构建。制造链预案配置功能确定一组资 源企业a g e n t ，实现任务分配的制造链全局优化，进而选择执行企业，构 建和生成制造链的预案。制造链的调整功能，是在任务执行前或者任务执 行过程中重新寻找最优的合作替代者，使得任务分配及时调整，按时按质 完成生产任务。 2 2 基于m a s 的协同制造任务分配支持系统的提出 a g e n t 是生存于一定环境中，通过与环境交互，及时并灵活自主的行动以完成 自身任务的计算实体，其具有自治性、通信能力、反应性、协作性和适应性等特 性。由于m a s 的分布性和开发性，使其具有反应性和主动性，能够对环境的变 化做出反应，但同时保持目标引导的主动行为，使得其组织结构具有较大柔性， 同时又具有较灵活的工作方式，所以较适合于复杂问题特别是分布性、动态性、 协作性问题的解决。 协同制造企业的计算和通信环境是异构和分布的，协作和协调、信息的集成 和共享是企业协同制造任务分配最迫切需要解决的问题，多a g e n t 系统作为最适 当的集成平台，为动态联盟各企业成员提供统一的集成接口，避免各企业由于环 境和数据的异构造成的信息孤岛问题，可以实现企业间的资源共享，由于它的自 主性、社会性和较大的组织柔性，使得动态联盟协同制造模式的运行成为可能。 a g e n t 的自适应能力和动态部署的计算方式能满足工作流在执行过程中动态 适应的要求：a g e n t 之间对等通信( 同步信息的广播) 的方式可满足工作流多用户 间协作的要求。 m a s 技术被认为是在未来生产系统中实现降低生产费用、生产分散化控制、 自适应及处理复杂过程的关键技术，同时它又是种新的方法论，贯穿在先进制 造的各个领域，从动态联盟、分布式智能制造系统、企业集成、供应链、e r p 、 规划与调度到现场控制都有m a s 思想与技术的应用。因此，多a g e n t 系统对工 作流管理具有良好的支持，为任务分配系统以后与工作流管理系统的集成，服务 于协同制造管理平台系统奠定了基础，因此本文基于m a s 集成框架，提出基于 工作流的协同制造任务分配支持系统。 2 3 系统的体系结构 论文研究的任务分配是基予协同制造整个过程中的任务分配而提出的，它的 实现具体划分为扔同制造任务过程建模、协同项目生产线的构建、协同制造任务 l l 西北工业大学硕士学位论文第二章协同制造任务分配支持系统 资源发现与匹配、制造链构建、制造链上成员企业与盟主企业之间的合作协商、 制造链优化、制造链预案选择以及制造链预案动态调整等七个环节的实现。 论文从系统的组成层次角度出发，以实现协同制造任务分配的业务功能为目 标，最终服务于协同制造对任务分配功能的需求为目的，提出任务分配系统体系 结构的概念模型，如图2 2 所示，由客户层、功能层、工具层和基础环境层四个 层次组成任务分配的框架体系。 协同制造任务分配界面( 八口) 系统和环境数据( s y s t e m & e n v i r o n m e n t a ld a t a ) ：它包含了工作流管理系 统和本地化的系统环境数据。 西北工业大学硕士学位抡文第三章基于工作流的协同制造任务建模与分配驱动 图3 1工作流过程定义元模型 3 1 2 3 2 作流过程建模方法 工作流模型是企业经营过程模型的一种表现形式，目前已有多家研究机构和 工作流管理软件生产商对工作流模型的定义方法进行了研究，产生了多种不同形 式的工作流模型，例如，基于事务模型的工作流模型、基于p e t r i 网的工作流模型、 基于语言行为的工作流模型和基于活动网络的工作流模型等。不同形式的工作流 模型，其建模方法也有差异。概括地说，建立工作流模型的方法学主要有三类： ( 1 ) 基于通信( c o m m u n i c a t i o n b a s e d ) 的工作流建模方法。该方法以描述顾客 与执行者之间的对话和信息交互为基础，定义工作流中的每一个动作，从 而建立工作流模型。a c t i o n 技术公司采用这种过程建模方法并开发了相应 的工作流产品m e t r o 。 ( 2 ) 基于加工对象( a r t i f a c t b a s e d ) 的工作流建模方法。该建模方法的描述对 象是在过程中创建、修改和使用的加工对象。也就是说，通过描述工作产 品以及它们在业务过程中的路径来建立工作流模型。该方法适用于制造过 程建模。 ( 3 ) 基于活动( a c t i v i t y b a s e d ) 的工作流建模方法。基于活动的过程建模是应 用最为广泛的一种方法。它通过把经营过程分解为一系列存在一定逻辑关 系的活动( 任务) ，然后描述每一个活动的属性以及活动间的相互关系来 定义工作流模型。基于p e t r i 网的工作流模型、基于活动网络的工作流模 型和c i m f i o w 模型等都是采用这种方法建立的。 论文将采用基于活动的工作流建模方法来为协同制造任务分配建立过程模 西北工业大学硕士学位论文 第三章基于工作流的协同制造任务建模与分配驱动 型。 3 2 基于工作流的协同制造任务建模 模型是用文字、图表、符号、关系式以及实体等描述所认识到的客观对象的 一种简化表示形式。它是人们为了研究和解决客观世界中存在的各种问题而对客 观现实经过思维抽象后得到的，为人们抽象地表达客观对象提供了一个参考性的 框架环境。 3 2 1 基于工作流的协同制造任务建模问题分析 为了对协同制造任务分配的复杂过程进行有效的管理，本文基于工作流的过 程模型建立协同制造过程模型，将项目任务的基本信息、运作参数、运行规则、 传递路径等一系列过程管理的数据和规则，统一地进行建模。 协同制造任务模型需要解决的问题有以下几点： ( 1 ) 项目任务的信息描述。形式化描述项目对象信息，包括创建信息、项目 任务要求信息、负责人等项目基本信息。 ( 2 ) 项目的子任务分解。对项目任务按照定的原则进行任务划分，使得分 解后的任务能够进行外包加工。 ( 3 ) 项目子任务信息描述。项目分解后，生成一系列的项目子任务，形式化 描述项目子任务的基本信息、相关参数、所需资源、转移条件等，为协 同制造任务分配的资源发现及分配驱动提供信息来源。 ( 4 ) 项目执行过程描述。将子任务的执行规则及转移条件信息进行综合，将 项目子任务以有序的执行活动形式化表示出来，描述出子任务之间的串 行、并行执行逻辑关系。 通过对以上问题的解决，完成协同制造项目任务的模型抽象及形式化描述。 3 2 。2 基于工艺流程的协同制造任务分解 协同制造任务分解是指将盟主企业x x 厂的生产任务当作一个协作生产的目 标项目，对它进行划分的过程。任务分解的原则是保持子任务之间尽可能独 立( 不耦合) 以减少交互和交易费用。制造任务的分解一般按照产品的结构 进行，由于航空产品的加工对工艺的要求非常严格，而且往往在加工过程中 的质量和进度控制等过程管理都是基于工序的，因此，提出基于工艺流程对 西北工业大学硕士学位论文第三章基于工作流的协同制造任务建模与分配驱动 协同制造任务进行分解的方案。它严格按照加工的工艺路线为准则，对每一 个加工任务选择加工的资源企业，对于企业内部可以加工的工序，由企业主 管进行确定由哪一台设备或者由某一生产制造单元来负责完成；对于需要外 部协同加工的工序，盟主企业就要通过网络为该加工工序选择合适的加工企 业，从而形成以工艺路线为依据的协同制造链。而工艺路线的制定需要根据 零件的结构特点、工艺要求、制造成本、加工质量以及交货期来确定【2 6 j ，这 里不再详述。 3 2 3 任务模型的建立 f 1 1 任务模型的设计原则 任务模型是整个协同制造任务分配的基础和信息源头，是协同制造任务分配 的重要一环，因此制定了如下四个模型设计的原则。 面向企业用户，易学易用，以简单、直观、容易掌握为前提，并具有较强 的可读性。 具有较强的过程描述能力，能够描述协同制造生产过程中的各种活动之间 的串、并行关系，能够描述具体的活动转移规则，活动执行状态等协同制 造过程信息。 应该体现协同制造网络的多视图性，因为一个过程模型不仅要能够描述一 个生产经营的过程问题，而且还应该描述由谁来做，使用什么样的资源、 以及由什么样的数据来控制过程执行的问题。 模型必须具有可扩展性。 f 2 ) 任务模型的视图 任务模型要能够完整地描述协同制造企业经营的过程，而企业是一个非常复 杂的社会、经济、物理的系统，必须从多个层次多个角度来考察才能全面地描述 企业的经营过程。因此，一个完备的企业的经营过程模型应该具备多个存在着密 切联系的视图，每一个视图都从不同的侧面描述经营过程的信息，从而全面完整 地体现企业经营过程模型。 由于项目任务是由1 2 个相互关联的子任务组成，因此任务模型的视图是建立 在项目子任务信息模型的基础之上的，从任务关系视图、相关参数视图、所需资 源视图、参与者视图、转移条件视图等5 个视图共同体现任务模型的完备信息， 如图3 _ 8 。 西北工业大学硕士学位论文第三荜 基于工作流的协同制造任务建模与分配驱动 子任务属性维 基本信息 相关参数 转移条件 关联任务 参与者 所需资源 图3 - 8 任务模型的视图 项目子任务关系视图：描述项目子任务之间的相互关系，体现任务执行的 产加工流程，并对任务的执行情况进行状态跟踪。 相关数据视图：描述项目任务执行过程中所有用到的相关数据信息，是子 任务之间流程转移的依据。 所需资源视图：描述项目任务执行过程中所有需要用到的资源信息，是实 现子任务资源发现的基础。 参与者视图：描述项目任务执行过程中所有子任务的执行者信息，并对参 与者的执行情况进行评价，体现任务执行过程当中的所有制造加工或者服 务提供者的详细信息。 转移条件视图：描述项目任务执行过程中所有转移条件视图。 ( 3 ) 任务元模型的建立 工作流从本质上讲是在多个参与者之间按照某种预先定义的规则传递文档、 信息或任务的过程，在生产控制中，需要相对应地定义生产过程控制结构模型以 描述各生产活动之间的关系、对资源的需求以及相关的约束条件，它是实现企业 生产过程运行的基础。本文采用基于活动网络图的建模方法，结合项目任务生产 过程的具体情况，建立了任务模型，实现了协同制造过程的完整描述。 论文将生产过程控制中与项目活动有关的属性和对象集成