企業信息化：ERP中基于協同制造網格的高級計劃系統

　　我國作為世界最大的潛在市場，已經成為眾多跨國公司群雄逐鹿的重要場所。據統計，世界500強企業中有400多家落戶中國，宣告了一個制造業新時代的到來，但是毫無疑問，我國制造業面臨著巨大的沖擊和挑戰[1]。為使我國企業在競爭中立于不敗之地，使我國真正成為制造強國，亟需采用先進的制造理念和管理模式來提升企業競爭力。

　　生產計劃是制造企業運作的核心內容之一 [2]。一直以來，企業廣泛采用企業資源計劃(ERP)系統對企業運作進行管理，并于90年代中后期創造了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)系統要求固定的工藝路線;(3)僅僅根據交付周期或日期來安排生產的優先次序;(4)所有工作都是在假定無限能力的前提下進行。這就限制了企業制訂準確而又切合實際的生產計劃，這也正是很多ERP系統實施失敗的重要原因之一。

　　近年來，許多企業開始把注意力放在自己的核心競爭力上，對一些非強項業務則盡可能外包給別的公司。結果，銷售給顧客的產品或服務，其特征和質量在很大程度上取決于供應鏈上的所有相關企業。這便帶來了新的挑戰：如何實現供應鏈的集成?如何更有效地協調和控制企業間的物流、信息流和資金流?這就需要在供應鏈上的企業之間進行有效地協同。而ERP系統無論在計劃技術或功能方面都不具備協調多個企業資源的能力，ERP仍舊是面向企業內部的事務處理系統[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(APS：Advanced Planning and Scheduling，又稱為:高級計劃與排程系統)。

　　APS技術的出現，為企業生產計劃與調度技術這一古老的研究課題帶來了新的生機，突出的特征是APS實現了生產計劃與作業調度的融合。而實現APS，需要針對企業的生產計劃提出通用的數學模型(如LP，MIP，CP)，并對這些優化問題進行求解。當問題規模很大的時候，求解是困難的。要實現APS，需將問題進行分解，為此，我們提出了協同制造網格(CMG：Collaborative Manufacturing Grid)的概念。本文討論了CMG的內涵與功能，分析了基于協同制造網格的高級計劃系統的主要研究內容和關鍵技術，并指出CMG是解決目前ERP生產計劃存在的問題、實現APS的重要方法。

　　2、高級計劃系統APS

　　APS是一種基于供應鏈管理和約束理論的先進計劃與排程系統，包含大量數學模型、優化及模擬技術 [5-6]。對制造業而言，APS能及時響應客戶要求，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，并發考慮供應鏈的所有約束，自動識別潛在瓶頸，提高資源利用率，從而改善企業的管理水平。美國AMR(Advanced Manufacturing Research)研究中心經調查認為，那些已經采用APS模式的企業產生的投資收益率約為300%，并稱APS是日益復雜的商務環境下具有革命性進步的企業計劃工具[7]。APS在決策過程中考慮到包括客戶以及供應商在內的整個供應鏈，其計劃范圍擴展到了單個企業之外;并且APS系統采用智能優化算法等決策技術幫助企業對整個供應鏈的約束進行模擬分析，并找出最佳計劃或解決方案，因而，APS成為支持企業協同計劃最主要的手段。

　　從20世紀50年代以來，許多學者一直在尋求數學方法進行精確計算來安排計劃和生產進度。但由于當時受到建模困難、運算量大等客觀條件的限制，發展比較緩慢。隨著MRP方法的誕生，生產計劃管理領域就存在著并行的兩種編制生產計劃哲理：MRP法和數學解析方法[8]。在80年代中期，從縮短計劃運行時間開始的改進MRP的工作取得成效，有人開發了快速MRP的模擬技術。Eli Goldratt提出的優化生產技術OPT根據能力瓶頸安排計劃，后來又繼續發展成為約束理論TOC[9]，并開始在離散制造業優化排序中應用，出現了第一批APS公司和基于常駐內存運行的交互式APS產品。1984年AT&T推出的 Karmarkar’s 算法[10]，成為線性規劃(LP)的突破性進展，以后幾乎被所有現代LP解決方案所采用。90年代一些主要的化工企業開始選用APS供應商的產品。其后，新的計劃與排程系統開發商，將線性規劃等優化方法通用化，在新一代計算機的支持下，創造出幾乎能在瞬間生成優化計劃的軟件包，使理論的數學解析的計劃方法達到了實用程度[11,12]。這些新的軟件包被稱為APS引擎，它使得基于數學優化方法的生產計劃重新得到關注。

　　在我國，許多學者都在嘗試建立企業范圍內的生產計劃優化模型[13-16]。藍伯雄等針對MRP存在的問題，提出了一個統籌考慮產品組合、物流關系、生產能力和庫存能力約束，尋求最優生產計劃的制造企業整體經營優化模型[14];馬士華對大規模定制生產模式下的計劃平準化模型的最優算法進行了研究[15]。這些模型處理的往往是單個企業內部的計劃問題，針對供應鏈上企業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生產計劃模型[16], 周水銀、陳榮秋等人分析了Internet環境下的虛擬企業制造資源計劃[2]。但這些研究尚未系統化，難以直接應用于企業運作。

　　為了實現供應鏈上企業“共贏”的目的，發揮各企業的協同效應，需要考慮各企業計劃的協同。對此，筆者作了一些探索：在虛擬企業協同生產管理研究的基礎上[17]，對基于資源和能力約束的虛擬企業協同計劃與調度進行了分析[18-19]，采用多Agent技術開發出一套虛擬企業協同生產管理系統(CPMPS)[20]，并將其應用于美菱集團的冰箱生產管理，通過提供一種分布式協同工作環境，使得企業能夠針對客戶的個性化需求，以一種規范的方式對生產任務的性能參數、約束條件進行描述，動態構建產品制造鏈，并根據生產能力適當地安排生產計劃。同時，筆者深感有必要對協同工作環境下的企業計劃功能作進一步重點研究，建立高級計劃系統模塊，使企業能快速準確地進行生產計劃。然而，對于APS引擎的開發，國內還處于空白。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，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還是ERP軟件提供商，都具有重要意義。

　　3、協同制造網格

　　為了實現APS，需要針對企業的生產計劃提出通用的數學模型(如LP，MIP，CP)，并對這些優化問題進行求解。當問題規模很大的時候，求解是困難的，往往需要有高性能計算機的支持;另外，在供應鏈上的企業APS還須與其協作伙伴協同需求、庫存、產品數據等信息才能制訂出可行的生產計劃，因此APS應該是互聯、互操作的。而在信息技術領域，網格(Grid)技術正在蓬勃發展，網格以其能夠實現資源共享、協同工作、基于國際開放的技術標準等一系列特點，與供應鏈上企業APS的需求存在極強的吻合性，網格技術已成為支持企業APS系統的最佳選擇[21]。為此，我們以敏捷制造為應用背景，提出了協同制造網格(CMG：Collaborative Manufacturing Grid)的概念。我們認為，CMG是解決目前ERP生產計劃存在的問題、實現APS的重要方法。

　　3.1 協同制造網格的內涵

　　網格是一組一體化的共享資源。協同制造網格CMG以網格技術為基礎，以各種制造資源為結點，以網格平臺中間件為橋梁，實現資源共享、協同生產計劃，達到降低制造成本、提高資源利用率、加快產品上市的目的。CMG集成了產品全生命周期內各個相關設計制造資源、各種流程和知識等信息，是現代集成制造系統發展的平臺和支撐環境，為最終實現網絡環境下的資源共享和協同工作，實現面向產品全壽命周期集成提供了有效的解決思路。

　　3.2 網格與網格技術

　　網格把整個因特網整合成一臺巨大的虛擬超級計算機，以實現網絡虛擬環境下的高性能資源共享和協同工作 [22]。2001年，Foster等人進一步將網格定義為支持動態、分布式虛擬企業資源共享的協作系統，并分析了網格的基本屬性，介紹了網格協議和服務的關鍵要求[23]。以美國阿爾貢國家實驗室為主、56 所大學和研究機構參與的Globus研發項目對網格的資源管理、網格安全、信息服務及數據管理等關鍵理論進行了研究，開發了能在各種平臺上運行的網格計算工具軟件Globus toolkit[24]。目前，Globus技術已在美國NASA網格、美國TeraGrid、歐洲數據網格(Data Grid)、美國國家技術網格(NTG)等幾十個項目中得到應用。包括IBM、Microsoft、SGI、Sun、NEC在內的計算機和軟件廠商已宣布采用Globus Toolkit作為一種開放架構和開放標準基礎設施。我國也正在加強網格方面的投入，1999-2001年，中科院計算所聯合十幾家科研單位，承擔了863重點項目“國家高性能計算環境(NHPCE)”[25]。之后，計算所又推出了“服務網格(Service Grid)”，其目標是使同一個平臺同時具備以下幾種能力：大規模的數據處理能力、高性能計算能力、資源共享和提高資源利用率的能力。

　　3.3 協同制造網格的功能

　　網格技術一開始主要應用于科學研究領域的海量數據高性能計算方面，但隨著這一技術的成長和現實需要的發展，網格漸漸顯示出廣闊的商業應用前景[26]。在高性能計算網格中強調物理資源的共享，而在最新的網格體系結構OSGA(Open Grid Services Architecture)中則將一切都看成網格服務。網格服務是指具有特定功能的網絡化實體(比如提供APS功能的網格服務)。網格服務是一種Web Service[27]，它通過提供一組定義明確的接口來解決服務發現、動態服務創建、生命周期管理等問題。它采用SOAP協議實現應用與服務之間的通信，采用WSDL文件對服務進行標準的描述。SOAP和WSDL都基于XML規范，這就保證了異構系統之間的跨平臺操作，實現了互聯網上各種資源的動態共享。因此，將網格技術應用于制造企業，將網格服務以不同的方式聚集起來構建協同制造網格，將能夠最大限度地實現設計、制造、信息、技術資源的共享，克服空間上的距離給不同企業間的協同帶來的障礙，使整個制造網格中的企業群體以較低的成本、較短的開發周期，提供符合市場需求的高質量產品�；�于協同制造網格的企業高級計劃系統，必定能促進制造資源跨地區跨國家地協同、共享和優化利用，推動全球制造業實現更深層次的發展。

　　4、基于協同制造網格的高級計劃系統的主要研究內容及關鍵技術

　　4.1 基于協同制造網格的高級計劃系統的主要研究內容

　　(1) 對企業高級計劃系統的功能、約束、輸入輸出的信息進行分析，建立企業高級計劃系統的體系結構。

　　(2) APS的核心是一系列優化算法，但APS所采用的并不是單一的技術，具體應用的算法(諸如線性規劃、混合整數規劃、人工智能、啟發式算法、遺傳算法和其它的優化技術等等)，視需要解決問題的類型而定。因此不僅要構造各種優化模型，還須對各類APS計劃引擎進行研究。

　　(3) 將網格技術引入制造企業，研究企業的網格模式，構造面向供應鏈的企業協同制造網格體系結構;

　　(4) 研究供應鏈中基于APS技術的各企業間計劃系統的協同關聯，以及網格計算環境下APS系統的資源約束與協同關聯。

　　(5) 采用Multi-agent技術對APS功能進行封裝，并將其實現為網格服務(Grid Service)，分析APS Agent之間的通信協議和語義本體，研究基于協同制造網格的企業高級計劃系統的實現技術。

　　4.2 基于協同制造網格的高級計劃系統的關鍵技術

　　(1) 對協同制造網格來說，能否將制造資源表達和封裝成服務，為其定義合適的屬性、接口、操作和服務數據，實現一定的功能，是制約網格向制造業推廣的關鍵。因此需要研究面向制造網格的中間件技術以及制造網格資源管理與配置技術，解決制造網格資源的整合與優化、實現基于制造網格的應用服務支持。

　　(2) 運用Multi-agent技術，以FIPA-ACL為通信語言，以PSLX作為高級計劃系統基于XML的規范語言，以Grid Service作為APS Agent的實現方式，建立不同APS Agent間進行協同計劃的XML Schema。

　　(3) 參考OGSA(Open Grid Services Architecture)建立面向供應鏈的協同制造網格的體系結構，在Globus Toolkit軟件系統的基礎上，應用J2EE開發基于協同制造網格的企業高級計劃原型系統。

　　5、小 結

　　本文分析了基于協同制造網格的高級計劃系統的內涵、研究內容和關鍵技術，為ERP的生產計劃提供了一種新思路。實現基于CMG的APS系統，不僅有利于提高企業生產計劃的快捷性與準確性，甚至對ERP服務商擴充ERP系統功能都有一定的現實指導意義。另外將網格技術用于制造企業，并與Multi-agent技術結合起來，是網格技術從高性能計算領域向商業應用方向擴展的一次有意義的嘗試，不僅有利于釋放網格技術的更大潛能，還將為制造業信息化提供一種新的解決方案。

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