分布式网络化制造系统构想

1、分布式网络化制造系统构想XXXXXX叔子2004-10-13中国制造协作网本文从世界经济的全球化发展趋势、新时期市场的特征与本质、科学 技术的发展等方面出发，阐述变革传统制造模式的内在动力，立足于当前制造业的发展现 状，借助制造技术和信息技术的最新发展，基于“敏捷制 造”的基本思想，试图探索出 一种适应这些形势的生产制造模式。1制造模式变革的内在动力1.1 全球化趋势世界各国之间在经济上越来越多地相互依存，不可能离开全球化的市场而 独立地求 得本国经济的发展，必须与国际接轨，充分利用国际市场的信息、资本、资源、技术、商 品和服务，在平等竞争的基础上，互利互惠，相互合作。经济的全球化、市场的国际

2、化、 贸易和投资的自由化，以及服务的世界化，促进了竞争，提高了效率，鼓励了革新，增加 了新的资本投资和加快了经济增长速度13。随着越来越多的国家接受自由市场思想， 全球自由贸易体制的逐步建立和完善，世界大市场的逐步形成以及全球交通运输系统和通 讯网络的建立，国际间的经济贸易交往与合作更加频繁和紧密，竞争愈来愈激烈。这股全 球化的洪流正推动着世界经济稳健、快速、持续地增长。这使得制造产业、制造技术和产 品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布和组合。竞争的加剧将促使竞争对 手利用一切可以利用的制造资源，主动积极地寻求市场机遇，灵捷地响应和适应客户多样 化的消费需求，高质量地为全球顾客服

3、务，从而获得规模经济，促进企业的发展与壮大。1.2 客户化市场驱动世界制造业正面临着一个不确定性的、急剧变化的、竞争日趋激烈的国际化市场3。(1)客户驱动市场客户驱动着市场，市场牵动制造企业，制造业从生产为中心转向 市场需求为中心，从企业为主导转向客户为主导，以满足客户需求为目标。(2)客户对制造产品的要求集中表现为多品种、变批量、高性能、高质量、高可靠 性、交货期短、合理的价格、完善的行销及售后服务等，而且这些要求是随着客户的经济及其它条件的变化而不断变化的，由此导致制造业面对一个 产品寿命期短、更新快、 动态快速多变、稳定性差和难以预测的市场。(3)物质产品与服务的交融在从产品的设计与生产

4、到行销与售后服务等过程中必须 为全球范围内的客户提供优质与全方位的满意服务，这是制造企业赢得客户、开拓和占 领市场的重要因素。(4)合作基础上的市场竞争由于一个企业的资金、人员素质与知识和技能、设施与 设备、设计与开发、制造能力、营销能力等都存在着局限性，在全球范围内日趋激烈的 市场竞争中不可能取胜，因此必须进行企业间的合作，形成以竞争为基础和合作协同为 主导、风险共担、利益共享、共存共荣的机制，充分实现资本、资源、技术、人才、信 息和知识的交流与共享，优势互补、分工协作，才能积极有效、主动、快速响应和适应 市场，夺取竞争胜利。以这种竞争与合作机制为基础，借助于计算机网络、远程通讯技 术及装备

5、，以及四通八达的交通运输网络，使在地域上分布的企业组成能适应当今和跨 世纪市场需求变化的、有竞争能力的、动态可变的企业联盟，是实现在远比过去更广阔 的范围内，充分有效利用比过去更广泛的资源，灵活快速响应全球范围内用户需求，提 供优质服务的最佳模式。1.3 科技进步本世纪中叶以来，微电子、计算机、通讯、网络、信息、自动化等科学技术的迅猛 发展，掀起了以信息技术为核心的“第三次浪潮”，正牵引着人类进入工业经济时代 最鼎盛的时期，并已叩响知识经济时代的大门4。正是这些高新科学技术在制造领域中的广泛渗透、应用和衍生，推动着制造业的深 刻变革，极大地拓展了制造活动的深度和广度，促使制造业日益向着高度自动

6、化、智能 化、集成化和网络化的方向蓬勃发展。在全球化浪潮的冲击和高速发展的高科技的推动下，制造企业的经营、生产战略与 活动应面向全球，充分合理利用以信息技术为代表的高科技，建立和实现基于分布式网 络化体系结构的组织、生产和管理模式，以快速、灵活地组织和利用各种分布的、异构 的制造资源，谋求企业间的相互合作、共同寻求市场机遇，在激烈的市场竞争中求得生 存与发展。2分布式网络化制造系统的总体构想分布式网络化制造系统具有如下特点:(1)层次结构的相似性分布式网络化制造系统具有一定的层次性，从下到上一般可 分为单元级、车间级、系统/企业级等不同的层次，而且在不同的层次上都具有相似的 体系结构，即同一层

7、次中各结点都通过其Agent利用计算机网络相互连接，而处于低层 次的系统，则作为一个整体通过其在上一网络层次中的代理连接到上一层次的网络中 去。(2)分布式、开放的体系结构在分布式网络化制造系统中，处于同一网络层次中的 各个结点在逻辑结构上或地理位置上是分布的，无主从之分，能独立地、自主地完成各 自的子任务，但为完成系统的整体任务，彼此间还需进行大量的交互活动，包括信息、 数据的交流与共享，相互协商、协调与合作以协同完成任务。(3)良好的容错能力、可扩展和可重组性(4)互联性各结点通过计算机网络，以一定逻辑互联方式实现连接和通讯。(5)互操作性各结点或应用系统间能够交互作用、相互协调与合作以协

8、同完成共同 的任务。(6)数据、知识和信息的分布性各个结点都有各自的以各种形式(如文件、数据库、 知识库和电子表格等)存在的数据、知识和信息资源。(7)多样化硬件平台、操作系统和应用平台的多样化。3分布式网络化制造系统的关键技术在继承当前制造技术的基础上，构建和实现分布式网络化的制造系统需要 计算机网络技术、分布式对象技术、多自主体系统(multi-age nt system, MAS技术以及数据库等关键技术的支撑。在此，仅就分布式对象技术及其主要标准和多自主体系统 技术作简单介绍。3.1 分布式对象技术及其标准为在分布的、多种异构制造资源的基础上构造起分布式网络化制造系统，以有效地 实现资源

9、与信息共享、相互协调与合作以协同完成整体目标，因此系统集成就成为十分 突出的问题。解决系统集成问题的有效途径就是遵循开放系统原则，采用标准化技术， 建立集成软件环境。一种可分布的、可互操作的面向对象机制一一分布式对象技术，对 实现分布异构环境下对象之间的互操作和协同工作以构建起分布式系统具有十分重要的 作用和意义。其主要思想是，在 分布式系统中引入一种可分布的、可互操作的对象机 制，把分布于网络上可用 的所有资源封装成各个公共可存取的对象集合，采用客户/服务 器（C/S结构和模式实现对对象的管理和交互，使得不同的面向对象和非面向对象的应用可以集 成在一起 5。DEC Microsoft等在内的

10、计算机与软件厂商和X/open、OSF以及COSE Alliance等国际联盟的积极支持和采纳，已有几个遵循此标准的产品问世5，6。基于CORBAT准实现的系统集成和应用开发环境在企业中将会有潜在的巨 大的应 用前景，在逐步实现企业生产和管理的自动化与智能化，提高生产率，增强和提高企业 及时快速响应和适应市场的能力等方面都将起到积极的推动作用。基于CORBAT准的 系统是一个能跨越不同地理位置、穿越不同网络系统、屏蔽实现细节、实现透明传输、 集成不同用户特长的基于C/S模式、面向对象、开放的分布式计算集成环境。3.2 多自主体系统技术多自主体系统理论与技术在制造领域中的应用与实现，将给制造系统

11、/企业带来巨大变化7。制造系统是由若干完成不同制造子任务的环节组成的，如订货、 设计、生产、销售等，各个环节上的各功能子系统既相互独立，又相互协同，以提高产品的市场竞争力和企业的经济效益为目标，共同完成制造任务。因此可 以说整个制造过程是一种典型的多自主体问题求解过程，系统/企业中的每一部门（或环 节）相当于该过程中的一个自主体（Agent）。制造系统/企业中的每一子任务、功能、问题或单元设备等都可由单个Agent或组织良好的Age nt群 来代理或实现，并通过它们的交互和相互协商、协调与合作，来共同完 成制造任务。将 制造系统/企业模拟成多自主体系统可以使系统易于设计、实现与维护，降低系统的

12、复 杂性，增强系统的可重组性、可扩展性和可靠性，以及提高系统的柔性、适应性和敏捷 性等。4原型系统基于这一构想，我们利用StarBus2.2开发了一个分布式网络化制造原型系统。该 原型系统由系统经理、任务规划、设计和生产者4个结点组成。4.1 系统组成(1)系统经理(2)任务规划任务规划结点的主要功能是对定单进行规划、分解成若干子任务，并通过招标一投 标的方式将这些子任务分配给各个结点。该结点由一个任务经理和它的代理任务经理 Age nt组成。任务经理的主要功能如下：访问全局数据库获取网络用户的定单；根据定单进行任务登记；将任务 分解成若干子任务；查询其它结点的类型、能力和其它信息；基于价格机

13、制， 通过谈判进程以招标一投标的方式将这些子任务分配给网上其它结点。任务经理Age nt 主要负责如下事务：网络注册，以使该结点能加入到原型系统中，获得相应的权限；与系统中 其它结点进行交互；管理本地数据库，包括数据查询、修改、添加、删除等；取 消注册，以使该结点退出本系统。(3)设计设计结点是一个计算机辅助设计系统。该结点是由一个CAD工具及其代理一一 CAD Age nt组成的。CAD工具是一个工具软件包，用于帮助设计人员根据用户要求进 行产品设计；而CAD Age nt则负责网络注册、取消注册、数据库管理、与其它结点的 交互、决定是否接受设计任务和向任务发放者提交任务等事务。(4)生产者

14、生产者包括一台加工中心和它的Agent机床Age nt °该加工中心配置有 我们在 华中I型数控系统的基础上开发的智能自适应数控系统8、刀具状况监控模块以及自 诊断和自修复模块，可以提高加工效率、降低成本、保障设备运行的可靠性和安全性。此外，还具有与外部环境进行交互的能力。其主要任务是，利用串口或网络适配器与 其机床Age nt进行信息交流，包括从机床Age nt接受控制命令、数据和相关文档，将 有关机床的运行状态和结果传送给机床Age nt；根据从机床Age nt接受的控制命令、 数据和相关文档完成加工任 务。机床Agent的主要功能如下：与网络上其它结点的Age nt进行交互，包括谈判、协商和信息与数据交流等； 进行推理并作出决策以决定是否接受子任务，如不接受，则寻求其它能接受该子任务 的结点，并进行任务迁移；如接受，则对该子任务进行规划以确定其行为活动；利 用串口或网络适配器与其加工中心