虚拟企业生产资源的多层次模型研究

摘　要：虚拟企业生产资源建模是虚拟企业生产管理的基础。本文在分析了虚拟制造企业生产系统的阶梯结构基础上，提出了基于面向对象、基于代理以及事务处理的虚拟企业生产资源综合建模方法，构建了虚拟企业生产资源多层次模型。该模型具有统一的资源框架、分散的决策以及敏捷的资源计划和调度、规模可调等特征，适应了虚拟企业生产的敏捷性要求。
关键词：虚拟企业；面向对象的建模；基于代理的建模方法；生产资源多层次模型
分类号：TP391.9　文献标识码：A
文章编号：1001-2265(2000)　02-0009-02

A model of production resources in virtual enterprise

Luo Qi　Wang Runxiao

Abstract：based on analyzing the hierarchical structure of production resources in virtual enterprise,a multi-level model of production resources is proposed.The model integrates three kinds of model-based modeling approaches;object-oriented,agentbased and business process methods.The multi-level production resources model has the following attributes,unified framework structure,decentralized decision making and scalability.It meets the agile requirement of VE production system.
Key words：virtual enterprise,object-oriented modeling,agent-based modeling,production resource multi-level model

1　前言

　　市场的多样化以及竞争的日趋激烈迫切要求制造企业具备足够的柔性，从而快速响应市场的变化。在此背景下，网络化企业模式逐步取代了传统制造企业的阶梯式刚性组织结构，在广阔的供应链网络中，将多个企业的行业以及用户干预结合起来形成一种开放的企业组织形式——虚拟企业(Virtual Enterprise)正日益受到重视。本文则是以制造领域的网络化企业(即工业虚拟企业)为研究对象，在对虚拟企业生产系统结构分析与描述的基础上，构建了虚拟企业的生产资源分层模型。该模型适应了虚拟企业生产系统敏捷性的要求，是有效的虚拟企业生产资源模型。

2　生产资源建模是虚拟企业生产管理的基础

　　市场的全球化趋势、技术的快速革新、顾客需求的多样化和多变性，形成了制造企业新的、日趋变化与竞争激烈的市场环境，单个企业的资源有限性，很难适应快速变化的市场竞争环境。因此，越来越多的企业成为网络中的节点，形成暂时性的、动态的网络化企业组织，将分散在不同企业的核心竞争力集成起来，实现企业间技能、技术、成本、市场份额、投资风险等的共享。
　　虚拟企业中各企业成员的生产资源布局、资源拓扑结构、能力和可利用情况等都是虚拟企业组织管理、生产计划和控制的重要依据，即建立生产资源模型是虚拟企业生产管理的基础。首先，生产资源是企业生产能力的体现，在虚拟企业的形成阶段，它作为企业成员选择的重要技术依据。其次，在虚拟生产系统计划和管理过程中，企业节点根据生产资源的属性、可用性、有效性和实用性等信息进行任务分配决策过程，尽可能扩大企业资源的利用率和企业的利润，并通过企业节点之间协作关系实现虚拟生产系统全局的管理，实现网络生产资源的全局优化利用和系统全局生产成本最小化等目标。虚拟企业的生产资源分散存在于跨地域和跨组织的不同企业中，掌握资源的布局和拓扑结构，以便控制和评估企业生产的执行情况；根据资源的生产量、容量，确定资源能否在多行为间共享，以便在任何时刻确定资源对于多任务的可获得性，均衡利用可获得的企业生产资源，避免导致某些企业资源超载和某些企业资源闲置的不平衡现象；在出现企业资源故障或其它原因造成企业资源不可用时，及时找到替换的企业生产资源，实现资源的动态调度。

3　企业生产资源模型

3.1　虚拟化的生产系统
　　虚拟企业生产系统是由分布存在的企业生产资源沿着事务处理过程组成的生产资源虚拟化联盟。与单个企业的运作有所不同，虚拟企业的定单是一个动态的、临时的事务过程集合，事务处理(BP Business Process)是生产任务、定单的抽象，它们联合起来完成虚拟企业的最终产品，这是一种分布式的事务处理过程(DBP Distributed Business Process)。DBP可进一步分解成由一系列子过程(Sub-Business Process)组成的BP树，企业行为(EA Enterprise Activity)节点位于BP树的叶节点。EA分别由虚拟企业的成员企业实施，它表达了企业生产资源基本的、不可分的功能性单元。虚拟企业的运作过程可看作是任务分解(BP树的形成)、任务分配和资源调度等问题的解决过程。
　　采用虚拟聚类生产资源的组织管理形式，为虚拟企业分布式生产系统提供了极大的柔性和适应能力。虚拟聚类的基本思想在于选择具有逻辑组织关系的生产资源集合执行企业生产任务，而不是将任务分配给具有固定组织的生产资源。在传统意义的生产单元中，制造设备诸如数控机床、机器人、自动导引小车等从功能上和物理上相互关联，以一定的拓扑关系存在于车间、生产单元或工厂中，形成了具备一定专业性的制造单元或柔性制造子系统。由于资源拓扑关系相对固定，其柔性取决于制造资源之间确定的功能和物理关系。尽管通过资源成组(制造单元)和柔性制造技术等可以在生产计划和控制层次提供柔性，然而在行程安排和资源替换等方面所提供的柔性则非常有限。而虚拟企业的生产资源虚拟聚类则可以从生产计划、控制、行程安排等方面提供全面的柔性。
3.2　虚拟企业生产资源多层次模型
　　要全面描述虚拟企业生产系统，必须对虚拟企业生产资源的物理存在和虚拟聚类进行建模。因此，利用面向对象、基于代理以及知识表达的混合建模方法构建了虚拟企业生产资源的三层次模型，如下图所示。该模型包括物理层、代理层、虚拟组织层，不同层次采用不同的信息表达方式反映了虚拟企业生产资源不同侧面的信息。物理层利用面向对象的建模方法，采用框架表达方式对生产资源客观存在的属性和方法进行描述；代理层以自治的、智能的代理体，从企业、车间、生产单元、设备等不同的物理层次对生产资源进行抽象；虚拟组织层按DBP树将物理和组织上分布的生产资源组成一个虚拟生产链。

虚拟企业生产资源多层次模型图

　　在虚拟组织层，将虚拟企业表达为一系列企业节点并按照分布式事务处理过程组成能够完成某特定生产任务的组织实体。每个企业节点又是由功能上不可分的企业生产资源代理，按照企业内部的事务处理过程所组成，这些企业生产资源代理与企业内部BP树的叶节点——企业行为相对应，即企业资源代理作为执行企业行为的基本对象。换言之，企业生产资源代理是企业生产资源面向企业行为的抽象。资源代理可以基于企业、车间、生产单元、设备等不同的资源物理层次，通过代理将多个生产资源按照一定功能的、物理的拓扑结构抽象成能够满足任务要求的、具备决策能力的智能实体。使得生产资源和企业任务紧密联系，将生产资源代理按照事务处理过程与过程、事件、资源实体、关系和组织统一在同一框架之下。利用面向对象技术对物理层的生产资源建模，采用框架表达方式对生产资源的属性和方法进行封装，以统一的信息表达方式管理和集成虚拟企业环境中数量庞大的企业资源元素。
3.3　生产资源代理
　　由图1可见，资源代理既是生产资源物理层到虚拟层的功能映射，又是物理层和虚拟层的联系纽带。资源代理通常包括一组生产资源，由管理器、服务器和知识库组成，是柔性的重要提供者。管理器协调和表达这一组生产资源，负责对外提供生产资源的服务。利用代理知识库包含的生产资源的技术能力、容量、拓扑特征和管理信息等知识，管理器能够将涉及其所有生产资源的决策和通信问题集中管理起来。服务器代表生产资源本地控制器，作为管理器的“服务器”端，通过管理器对外提供生产资源的服务。由于虚拟企业生产系统具有典型的分布式特征，降低系统复杂性的有效方法是决策的分布化，以自治的、智能的代理对共同完成某些功能的多个生产资源功能建模，通过多个代理之间的协作实现整个系统资源分配和调度。
　　生产资源的多代理建模提供了解决虚拟企业生产系统分布式管理的有效途径。实现了知识和信息的分布存储，将异构的知识源和信息源相集成；通过分布的生产资源节点间的并行协调实现生产系统的敏捷调度；基于代理的企业生产资源元模型支持生产资源的重用和生产系统规模调整，从企业整体生产资源进行能力和功能建模，超越企业生产资源的传统物理界限，这种柔性化界限正好反映了虚拟企业生产系统特性。

4　模型特征分析

　　虚拟企业生产资源多层次模型从物理系统、软件应用系统和事务处理三种不同层次分别采用了面向对象、基于代理和事务过程重建的建模方法，从不同视角透视虚拟企业生产资源。首先利用面向对象方法以框架形式对制造资源物理实体的类别、属性、关系、操作和继承等进行描述，通过方法调用和消息传递实现资源之间的互操作，提供自动化孤岛之间的信息交换机制。在软件应用层采用多代理基础结构提供异构系统集成机制。代理实现了物理层到功能层的映射，充当生产资源物理层和事务处理层之间的桥梁。在事务处理层，将物理和组织上分布的生产资源沿着产品价值链组成虚拟生产链BPR，生产资源将物理和组织上分布的生产资源组成一个虚拟生产链，利于实现生产资源在进行事务处理时管理、控制和监控等方面的功能集成。事务过程重建、基于代理和面向对象均是基于模型的建模方法，它们在虚拟企业生产资源建模方面的集成实现了虚拟企业生产系统事务分析和生产应用软件开发的集成，这在企业集成方面是一个重大突破。

5　结论

　　本文在分析虚拟企业生产系统结构的基础上，利用面向对象、多代理和事务过程重建等建模方法建立了虚拟企业生产资源的分层模型。层次化的结构有效地降低了虚拟企业生产系统管理和控制决策的复杂性。该模型提供了分布式、异构的生产资源集成框架，使传统企业生产资源的物理和功能界限模糊化，通过资源代理之间的协作，增强了系统处理动态的、无法预料的变化而进行资源重组的能力，有效地满足了虚拟企业制造系统知识密集、敏捷性、规模可调、动态重构等需要。