企業(yè)信息化：ERP中基于協(xié)同制造網(wǎng)格的高級計劃系統(tǒng)

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文章來源：泛普軟件     1、引 言
   
    我國作為世界最大的潛在市場，已經(jīng)成為眾多跨國公司群雄逐鹿的重要場所。據(jù)統(tǒng)計，世界500強企業(yè)中有400多家落戶中國，宣告了一個制造業(yè)新時代的到來，但是毫無疑問，我國制造業(yè)面臨著巨大的沖擊和挑戰(zhàn)[1]。為使我國企業(yè)在競爭中立于不敗之地，使我國真正成為制造強國，亟需采用先進(jìn)的制造理念和管理模式來提升企業(yè)競爭力。
   
    生產(chǎn)計劃是制造企業(yè)運作的核心內(nèi)容之一 [2]。一直以來，企業(yè)廣泛采用企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)對企業(yè)運作進(jìn)行管理，并于90年代中后期創(chuàng)造了ERP實踐的輝煌時期。然而，ERP的計劃管理的模型依然是MRPII，其編制計劃的方法還是采用MRP，但是MRP方法存在以下弱點[3]：（1）MRP算法假定提前期是已知的固定值；（2）系統(tǒng)要求固定的工藝路線；（3）僅僅根據(jù)交付周期或日期來安排生產(chǎn)的優(yōu)先次序；（4）所有工作都是在假定無限能力的前提下進(jìn)行。這就限制了企業(yè)制訂準(zhǔn)確而又切合實際的生產(chǎn)計劃，這也正是很多erp系統(tǒng)實施失敗的重要原因之一。
   
    近年來，許多企業(yè)開始把注意力放在自己的核心競爭力上，對一些非強項業(yè)務(wù)則盡可能外包給別的公司。結(jié)果，銷售給顧客的產(chǎn)品或服務(wù)，其特征和質(zhì)量在很大程度上取決于供應(yīng)鏈上的所有相關(guān)企業(yè)。這便帶來了新的挑戰(zhàn)：如何實現(xiàn)供應(yīng)鏈的集成？如何更有效地協(xié)調(diào)和控制企業(yè)間的物流、信息流和資金流？這就需要在供應(yīng)鏈上的企業(yè)之間進(jìn)行有效地協(xié)同。而ERP系統(tǒng)無論在計劃技術(shù)或功能方面都不具備協(xié)調(diào)多個企業(yè)資源的能力，ERP仍舊是面向企業(yè)內(nèi)部的事務(wù)處理系統(tǒng)[4]。直至90年代中期，尋求克服ERP缺點的努力開始有了成果，這就是高級計劃系統(tǒng)（APS：Advanced Planning and Scheduling，又稱為:高級計劃與排程系統(tǒng)）。
   
    APS技術(shù)的出現(xiàn)，為企業(yè)生產(chǎn)計劃與調(diào)度技術(shù)這一古老的研究課題帶來了新的生機，突出的特征是APS實現(xiàn)了生產(chǎn)計劃與作業(yè)調(diào)度的融合。而實現(xiàn)APS，需要針對企業(yè)的生產(chǎn)計劃提出通用的數(shù)學(xué)模型(如LP，MIP，CP)，并對這些優(yōu)化問題進(jìn)行求解。當(dāng)問題規(guī)模很大的時候，求解是困難的。要實現(xiàn)APS，需將問題進(jìn)行分解，為此，我們提出了協(xié)同制造網(wǎng)格（CMG：Collaborative Manufacturing Grid）的概念。本文討論了CMG的內(nèi)涵與功能，分析了基于協(xié)同制造網(wǎng)格的高級計劃系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，并指出CMG是解決目前ERP生產(chǎn)計劃存在的問題、實現(xiàn)APS的重要方法。
   
    2、高級計劃系統(tǒng)APS
   
    APS是一種基于供應(yīng)鏈管理和約束理論的先進(jìn)計劃與排程系統(tǒng)，包含大量數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化及模擬技術(shù) [5-6]。對制造業(yè)而言，APS能及時響應(yīng)客戶要求，快速同步計劃，提供精確的交貨日期，減少在制品與成品庫存，并發(fā)考慮供應(yīng)鏈的所有約束，自動識別潛在瓶頸，提高資源利用率，從而改善企業(yè)的管理水平。美國AMR（Advanced Manufacturing Research）研究中心經(jīng)調(diào)查認(rèn)為，那些已經(jīng)采用APS模式的企業(yè)產(chǎn)生的投資收益率約為300%，并稱APS是日益復(fù)雜的商務(wù)環(huán)境下具有革命性進(jìn)步的企業(yè)計劃工具[7]。APS在決策過程中考慮到包括客戶以及供應(yīng)商在內(nèi)的整個供應(yīng)鏈，其計劃范圍擴(kuò)展到了單個企業(yè)之外；并且APS系統(tǒng)采用智能優(yōu)化算法等決策技術(shù)幫助企業(yè)對整個供應(yīng)鏈的約束進(jìn)行模擬分析，并找出最佳計劃或解決方案，因而，APS成為支持企業(yè)協(xié)同計劃最主要的手段。
   
    從20世紀(jì)50年代以來，許多學(xué)者一直在尋求數(shù)學(xué)方法進(jìn)行精確計算來安排計劃和生產(chǎn)進(jìn)度。但由于當(dāng)時受到建模困難、運算量大等客觀條件的限制，發(fā)展比較緩慢。隨著MRP方法的誕生，生產(chǎn)計劃管理領(lǐng)域就存在著并行的兩種編制生產(chǎn)計劃哲理：MRP法和數(shù)學(xué)解析方法[8]。在80年代中期，從縮短計劃運行時間開始的改進(jìn)MRP的工作取得成效，有人開發(fā)了快速MRP的模擬技術(shù)。Eli Goldratt提出的優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)OPT根據(jù)能力瓶頸安排計劃，后來又繼續(xù)發(fā)展成為約束理論TOC[9]，并開始在離散制造業(yè)優(yōu)化排序中應(yīng)用，出現(xiàn)了第一批APS公司和基于常駐內(nèi)存運行的交互式APS產(chǎn)品。1984年AT&T推出的 Karmarkar’s 算法[10]，成為線性規(guī)劃(LP)的突破性進(jìn)展，以后幾乎被所有現(xiàn)代LP解決方案所采用。90年代一些主要的化工企業(yè)開始選用APS供應(yīng)商的產(chǎn)品。其后，新的計劃與排程系統(tǒng)開發(fā)商，將線性規(guī)劃等優(yōu)化方法通用化，在新一代計算機的支持下，創(chuàng)造出幾乎能在瞬間生成優(yōu)化計劃的軟件包，使理論的數(shù)學(xué)解析的計劃方法達(dá)到了實用程度[11,12]。這些新的軟件包被稱為APS引擎，它使得基于數(shù)學(xué)優(yōu)化方法的生產(chǎn)計劃重新得到關(guān)注。
   
    在我國，許多學(xué)者都在嘗試建立企業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)計劃優(yōu)化模型[13-16]。藍(lán)伯雄等針對MRP存在的問題，提出了一個統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品組合、物流關(guān)系、生產(chǎn)能力和庫存能力約束，尋求最優(yōu)生產(chǎn)計劃的制造企業(yè)整體經(jīng)營優(yōu)化模型[14]；馬士華對大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下的計劃平準(zhǔn)化模型的最優(yōu)算法進(jìn)行了研究[15]。這些模型處理的往往是單個企業(yè)內(nèi)部的計劃問題，針對供應(yīng)鏈上企業(yè)的地域分布性及自治性，汪定偉建立了模糊交貨期分布式多工廠單件制造業(yè)生產(chǎn)計劃模型[16], 周水銀、陳榮秋等人分析了Internet環(huán)境下的虛擬企業(yè)制造資源計劃[2]。但這些研究尚未系統(tǒng)化，難以直接應(yīng)用于企業(yè)運作。
   
    為了實現(xiàn)供應(yīng)鏈上企業(yè)“共贏”的目的，發(fā)揮各企業(yè)的協(xié)同效應(yīng)，需要考慮各企業(yè)計劃的協(xié)同。對此，筆者作了一些探索：在虛擬企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)管理研究的基礎(chǔ)上[17]，對基于資源和能力約束的虛擬企業(yè)協(xié)同計劃與調(diào)度進(jìn)行了分析[18-19]，采用多Agent技術(shù)開發(fā)出一套虛擬企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)管理系統(tǒng)（CPMPS）[20]，并將其應(yīng)用于美菱集團(tuán)的冰箱生產(chǎn)管理，通過提供一種分布式協(xié)同工作環(huán)境，使得企業(yè)能夠針對客戶的個性化需求，以一種規(guī)范的方式對生產(chǎn)任務(wù)的性能參數(shù)、約束條件進(jìn)行描述，動態(tài)構(gòu)建產(chǎn)品制造鏈，并根據(jù)生產(chǎn)能力適當(dāng)?shù)匕才派a(chǎn)計劃。同時，筆者深感有必要對協(xié)同工作環(huán)境下的企業(yè)計劃功能作進(jìn)一步重點研究，建立高級計劃系統(tǒng)模塊，使企業(yè)能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)計劃。然而，對于APS引擎的開發(fā)，國內(nèi)還處于空白。但是在國外，近2年來，幾乎每套ERP軟件，無論是購買還是自己開發(fā)，80%有了與之集成的APS引擎。如SAP 有SAP APO (Advanced Planning and Optimization)，Baan有Baan SCS (Supply Chain Solutions), Oracle買了ILOG的產(chǎn)品，PeopleSoft購買了Red Pepper，而JD Edwards則買了Numetrix。因此開展對APS的研究，無論對我國制造企業(yè)還是ERP軟件提供商，都具有重要意義。
       
    3、協(xié)同制造網(wǎng)格
   
    為了實現(xiàn)APS，需要針對企業(yè)的生產(chǎn)計劃提出通用的數(shù)學(xué)模型(如LP，MIP，CP)，并對這些優(yōu)化問題進(jìn)行求解。當(dāng)問題規(guī)模很大的時候，求解是困難的，往往需要有高性能計算機的支持；另外，在供應(yīng)鏈上的企業(yè)APS還須與其協(xié)作伙伴協(xié)同需求、庫存、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等信息才能制訂出可行的生產(chǎn)計劃，因此APS應(yīng)該是互聯(lián)、互操作的。而在信息技術(shù)領(lǐng)域，網(wǎng)格（Grid）技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，網(wǎng)格以其能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享、協(xié)同工作、基于國際開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等一系列特點，與供應(yīng)鏈上企業(yè)APS的需求存在極強的吻合性，網(wǎng)格技術(shù)已成為支持企業(yè)APS系統(tǒng)的最佳選擇[21]。為此，我們以敏捷制造為應(yīng)用背景，提出了協(xié)同制造網(wǎng)格（CMG：Collaborative Manufacturing Grid）的概念。我們認(rèn)為，CMG是解決目前ERP生產(chǎn)計劃存在的問題、實現(xiàn)APS的重要方法。
   
    3.1 協(xié)同制造網(wǎng)格的內(nèi)涵
    網(wǎng)格是一組一體化的共享資源。協(xié)同制造網(wǎng)格CMG以網(wǎng)格技術(shù)為基礎(chǔ)，以各種制造資源為結(jié)點，以網(wǎng)格平臺中間件為橋梁，實現(xiàn)資源共享、協(xié)同生產(chǎn)計劃，達(dá)到降低制造成本、提高資源利用率、加快產(chǎn)品上市的目的。CMG集成了產(chǎn)品全生命周期內(nèi)各個相關(guān)設(shè)計制造資源、各種流程和知識等信息，是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)發(fā)展的平臺和支撐環(huán)境，為最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的資源共享和協(xié)同工作，實現(xiàn)面向產(chǎn)品全壽命周期集成提供了有效的解決思路。
   
    3.2 網(wǎng)格與網(wǎng)格技術(shù)
    網(wǎng)格把整個因特網(wǎng)整合成一臺巨大的虛擬超級計算機，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下的高性能資源共享和協(xié)同工作 [22]。2001年，F(xiàn)oster等人進(jìn)一步將網(wǎng)格定義為支持動態(tài)、分布式虛擬企業(yè)資源共享的協(xié)作系統(tǒng)，并分析了網(wǎng)格的基本屬性，介紹了網(wǎng)格協(xié)議和服務(wù)的關(guān)鍵要求[23]。以美國阿爾貢國家實驗室為主、56 所大學(xué)和研究機構(gòu)參與的Globus研發(fā)項目對網(wǎng)格的資源管理、網(wǎng)格安全、信息服務(wù)及數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵理論進(jìn)行了研究，開發(fā)了能在各種平臺上運行的網(wǎng)格計算工具軟件Globus toolkit[24]。目前，Globus技術(shù)已在美國NASA網(wǎng)格、美國TeraGrid、歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格(Data Grid)、美國國家技術(shù)網(wǎng)格(NTG)等幾十個項目中得到應(yīng)用。包括IBM、Microsoft、SGI、Sun、NEC在內(nèi)的計算機和軟件廠商已宣布采用Globus Toolkit作為一種開放架構(gòu)和開放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施。我國也正在加強網(wǎng)格方面的投入，1999-2001年，中科院計算所聯(lián)合十幾家科研單位，承擔(dān)了863重點項目“國家高性能計算環(huán)境（NHPCE）”[25]。之后，計算所又推出了“服務(wù)網(wǎng)格（Service Grid）”，其目標(biāo)是使同一個平臺同時具備以下幾種能力：大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力、高性能計算能力、資源共享和提高資源利用率的能力。
   
    3.3 協(xié)同制造網(wǎng)格的功能
    網(wǎng)格技術(shù)一開始主要應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)高性能計算方面，但隨著這一技術(shù)的成長和現(xiàn)實需要的發(fā)展，網(wǎng)格漸漸顯示出廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景[26]。在高性能計算網(wǎng)格中強調(diào)物理資源的共享，而在最新的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)OSGA(Open Grid Services Architecture)中則將一切都看成網(wǎng)格服務(wù)。網(wǎng)格服務(wù)是指具有特定功能的網(wǎng)絡(luò)化實體（比如提供APS功能的網(wǎng)格服務(wù)）。網(wǎng)格服務(wù)是一種Web Service[27]，它通過提供一組定義明確的接口來解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動態(tài)服務(wù)創(chuàng)建、生命周期管理等問題。它采用SOAP協(xié)議實現(xiàn)應(yīng)用與服務(wù)之間的通信，采用WSDL文件對服務(wù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的描述。SOAP和WSDL都基于XML規(guī)范，這就保證了異構(gòu)系統(tǒng)之間的跨平臺操作，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)上各種資源的動態(tài)共享。因此，將網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于制造企業(yè)，將網(wǎng)格服務(wù)以不同的方式聚集起來構(gòu)建協(xié)同制造網(wǎng)格，將能夠最大限度地實現(xiàn)設(shè)計、制造、信息、技術(shù)資源的共享，克服空間上的距離給不同企業(yè)間的協(xié)同帶來的障礙，使整個制造網(wǎng)格中的企業(yè)群體以較低的成本、較短的開發(fā)周期，提供符合市場需求的高質(zhì)量產(chǎn)品?；趨f(xié)同制造網(wǎng)格的企業(yè)高級計劃系統(tǒng)，必定能促進(jìn)制造資源跨地區(qū)跨國家地協(xié)同、共享和優(yōu)化利用，推動全球制造業(yè)實現(xiàn)更深層次的發(fā)展。
   
    4、基于協(xié)同制造網(wǎng)格的高級計劃系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)
   
    4.1 基于協(xié)同制造網(wǎng)格的高級計劃系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容
    (1) 對企業(yè)高級計劃系統(tǒng)的功能、約束、輸入輸出的信息進(jìn)行分析，建立企業(yè)高級計劃系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。
    (2) APS的核心是一系列優(yōu)化算法，但APS所采用的并不是單一的技術(shù)，具體應(yīng)用的算法（諸如線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、人工智能、啟發(fā)式算法、遺傳算法和其它的優(yōu)化技術(shù)等等），視需要解決問題的類型而定。因此不僅要構(gòu)造各種優(yōu)化模型，還須對各類APS計劃引擎進(jìn)行研究。
    (3) 將網(wǎng)格技術(shù)引入制造企業(yè)，研究企業(yè)的網(wǎng)格模式，構(gòu)造面向供應(yīng)鏈的企業(yè)協(xié)同制造網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)；
    (4) 研究供應(yīng)鏈中基于APS技術(shù)的各企業(yè)間計劃系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)聯(lián)，以及網(wǎng)格計算環(huán)境下APS系統(tǒng)的資源約束與協(xié)同關(guān)聯(lián)。
    (5) 采用Multi-agent技術(shù)對APS功能進(jìn)行封裝，并將其實現(xiàn)為網(wǎng)格服務(wù)（Grid Service），分析APS Agent之間的通信協(xié)議和語義本體，研究基于協(xié)同制造網(wǎng)格的企業(yè)高級計劃系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)。
   
    4.2 基于協(xié)同制造網(wǎng)格的高級計劃系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
    (1) 對協(xié)同制造網(wǎng)格來說，能否將制造資源表達(dá)和封裝成服務(wù)，為其定義合適的屬性、接口、操作和服務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一定的功能，是制約網(wǎng)格向制造業(yè)推廣的關(guān)鍵。因此需要研究面向制造網(wǎng)格的中間件技術(shù)以及制造網(wǎng)格資源管理與配置技術(shù)，解決制造網(wǎng)格資源的整合與優(yōu)化、實現(xiàn)基于制造網(wǎng)格的應(yīng)用服務(wù)支持。
    (2) 運用Multi-agent技術(shù)，以FIPA-ACL為通信語言，以PSLX作為高級計劃系統(tǒng)基于XML的規(guī)范語言，以Grid Service作為APS Agent的實現(xiàn)方式，建立不同APS Agent間進(jìn)行協(xié)同計劃的XML Schema。
    (3) 參考OGSA（Open Grid Services Architecture）建立面向供應(yīng)鏈的協(xié)同制造網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)，在Globus Toolkit軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用J2EE開發(fā)基于協(xié)同制造網(wǎng)格的企業(yè)高級計劃原型系統(tǒng)。
   
    5、小 結(jié)
   
    本文分析了基于協(xié)同制造網(wǎng)格的高級計劃系統(tǒng)的內(nèi)涵、研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，為ERP的生產(chǎn)計劃提供了一種新思路。實現(xiàn)基于CMG的APS系統(tǒng)，不僅有利于提高企業(yè)生產(chǎn)計劃的快捷性與準(zhǔn)確性，甚至對ERP服務(wù)商擴(kuò)充ERP系統(tǒng)功能都有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。另外將網(wǎng)格技術(shù)用于制造企業(yè)，并與Multi-agent技術(shù)結(jié)合起來，是網(wǎng)格技術(shù)從高性能計算領(lǐng)域向商業(yè)應(yīng)用方向擴(kuò)展的一次有意義的嘗試，不僅有利于釋放網(wǎng)格技術(shù)的更大潛能，還將為制造業(yè)信息化提供一種新的解決方案。
   
    來源：E-WORKS