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基于工作流技术的并行协调的过程管理解决方案
时间:2011-01-23 浏览次数:1076次 无忧论文网
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    摘要: 分析了传统的生产计划与调度模式的弊端,提出了基于工作流技术的并行协调的过程管理解决方案,并给出了基于工作流技术的生产计划与调度的集成系统框架. 在此基础上,从系统结构、模型定义、工作流管理系统及计划调度解决方法等方面分析了系统内各功能模块的功能及实现机制,提出了采用时间分段的思想来实现计划与调度的协调. 然后重点介绍了工作流系统的决策机制,给出了基于时间和事件双模式驱动的工作流引擎的决策过程,最后对今后的研究发展方向作了进一步的展望.
Abstract :  After an analysis of the shortcomings of traditional production planning and scheduling , a parallel and coordinated scheme is presented , in which planning and scheduling problem are integrated by the process2oriented workflow technology. Then , a model of the workflow management system platform is set up to facilitate the integration of production planning and scheduling. From the perspectives of architecture ,process modeling , production planning and scheduling , the function and mechanismof the platform is introduced and described. Based on this platform , an algorismof time2subsection to coordinate the integration of planning and scheduling is illustrated. In addition , the decision2making mechanism of the workflow engine —the heart of the platform is emphasized and a time2driven and event2driven integrated decisionmaking step is presented. Finally the paper gives a prospective view for further research.

   随着全球一体化竞争的加剧,制造业面临着严峻的挑战,企业的生产系统受到许多不断变化的不确定因素的影响. 本论文由无忧论文网 www.51lunwen.net整理提供其中,既有外部的影响因素:如企业接受订单的随机性和突发性,供应商和市场的变化等;也有内部的影响因素:如设备故障和资源的供给变化,加工时间和工艺水平的限制等. 这就要求企业能够快速制定出新的产品生产计划和制造流程,迅速调整相应的生产计划与调度. 针对这种情况,国内外的一些学者对此进行了深入的研究,如:制造执行系统(manufacturing execution system ,MES) [1 ] ,基于多代理技术的制造系统(multi2agentmanufacturing system ,MAMS) [2 ] ,基于合弄技术的合弄制造系统(holonic manufacturing system ,HMS) [3 ] ,基于快速响应思想的随机制造系统[4 ] (random manufacturing system ,RMS) 和基于知识的智能调度系统[5 ]等等.
    生产计划和控制是一个复杂的过程,牵涉到生产信息管理、生产资源管理、生产组织管理等信息的集成,还要考虑到生产实时性的要求. 因此本文尝试将工作流技术用于生产过程控制,提出了基于工作流技术的生产计划和调度管理系统.

    1  问题模型

    1.1生产计划与调度的问题描述
  传统的生产计划与调度模式是一种串行的工作方式,其存在的主要问题是:生产计划是粗放的,没有考虑到车间生产的实际负荷;生产车间层也不能及时地向生产计划部门反馈详细的生产进度等信息;各个生产部门之间缺乏协调,造成生产计划部门、现场调度部门和其他部门之间的信息不通畅. 这样就造成“计划不能响应变化,变化不能及时反映”的问题.
    因此本文采用生产计划与调度并行的工作方式. 生产计划根据生产任务流,考虑企业的生产能力约束,调整任务分配和生产调度;同样,生产调度也要及时地将车间的各种信息反映给生产计划部门. 这样就可以实现生产计划与调度的协调控制和无缝集成,并且可以满足生产过程的内外部环境变化.
    1.2生产计划与调度的工作流技术解决方案生产计划与调度是企业实现生产运作的核心,是典型的控制优化问题,它包含三大类任务:任务分配;任务和资源的协调;工作调度和控制. 这几个任务都是典型的工作流问题. 工作流技术是为提高工作效率而提出的一种过程自动化技术. 工作流管理联盟[6 ] 把工作活动分解为明确定义的任务(Tasks) ,角色(Roles) ,规则(Rules) 和子过程(Procedures) ,通过它们对整个过程进行控制和调节.
    根据上述特征分析,过程组织的工作流的执行过程和生产计划与调度的执行过程是相通的. 因为生产过程是由一系列的生产任务组成的,生产计划可以表示成生产任务流,任务是可以分解的. 这里可以把生产计划定义为明确的任务集,再分解为一系列的子任务或子过程;由于任务的执行要受到诸多生产环境的约束,如生产资源约束、加工时间约束、加工过程约束等,本论文由无忧论文网 www.51lunwen.net整理提供所有这些信息都可以建立相应的控制规则;生产任务的执行需要一定的生产设施、物料、操作人员和应用程序,可以将其定义为完成该任务的角色集合,这样就可以用工作流的思想对生产计划与调度的问题进行建模.

    2  基于工作流管理系统的集成化生产计划与调度系统模型

  工作流管理系统采用面向过程的建模方法,其过程是由一系列的活动按照一定的执行顺序组成的,活动是工作流过程模型的基本工作单位. 在生产计划与调度的工作流过程建模中,每个活动节点都对应着制造任务集合中的一个最小的子任务,工作流管理系统通过描述各过程之间的信息、资源和组织之间的关系,引导过程中的活动自动进行,对活动所需的资源进行调度分配,从而将各活动组织成一个顺畅进行的工作流程. 因此,可以采用工作流管理系统统一协调管理生产计划信息、调度信息以及两者之间的协调,为各计划和调度的执行提供决策支持平台.
    具体来讲,外部定单进入生产系统后,工作流管理系统首先将和生产计划与调度有关的信息:如生产任务信息,工艺信息,资源信息等自动地集成到工作流引擎内部的数据库中,然后在工作流引擎的引导下,实现生产任务在产品信息、资源约束等约束下,进行任务的动态分配. 随着工作流活动的不断推进,最终实现任务和资源间的动态计划和调度.
本文所建立的基于工作流管理系统的生产计划与调度模型逻辑框图如图1 所示. 各个模块的功能如下:
    2.1 工作流过程定义模块过程是指为完成某一目标和任务而进行的一系列逻辑相关的活动的有序集合,过程可用集合的形式表示为P = [ C | L ] ,其中, P 为一个过程; C为过程中所有活动的集合; L 为活动与活动之间的各种关系. 可以用工作流过程定义的过程模型来表达,在工作流模型中, 可以用工作流的基本组成元素———任务(或称为活动) 来统一地进行描述. 可以把生产任务活动对应为工作流活动,活动可以是一个定单,可以是一个零件的加工过程, 也可以是一个工序加工. 同样,反映不同任务之间的关系,都可以用工作流的基本组成元素———连接弧来统一进行描述. 连接弧反映了对活动过程的一种控制逻辑, 它可以定义活动之间的连接关系和执行顺序[7 ] .
    2.2 工作流管理系统模块
    工作流的运行是由工作流管理系统来完成的.本论文由无忧论文网 www.51lunwen.net整理提供由于在工作流建立阶段,工作流模型中的若干参数并没有明确的定义. 所以工作流实施阶段需要对活动、角色和资源的匹配关系进行规划和管理. 促使工作流实例能够按照预先定义的路由和规则执行. 另一方面,由于资源的有限性, 外界环境的不断变化,工作流实施过程所面临的环境也是动态的、变化的,这一切都需要工作流管理系统来协调和处理. 
 
    2. 3  生产计划与调度的集成模块
    由于生产环境处在不断变化的外部环境中,因此计划的调整往往跟不上变化的速度, 参照文献[8 ] 中采用按时间分段的思想, 即将原来周期较长的计划周期时间缩短, 分成n 个离散的、相对比较短的时间段进行预调度, 产生预调度计划, 并将第 
    1 个预调度计划下达, 等下一个周期到来, 系统根据实际生产进度情况快速地调整下一个预调度计划,从而可以实现生产计划与调度的集成. 具体步骤为:
    ①开始时刻t = 0 ,工作流读入定单信息和其他辅助的工厂生产信息,生成第1 个预调度计划;
    ②生产调度控制器执行具体的生产调度计划,并向生产计划返回生产进度情况;
    ③工作流引擎检查有无外部事件, 若有外部事件,更新活动的时间执行序列;
    ④若无,输出下一个周期的生产调度计划, t= t + 1 ;
    ⑤转步骤①,循环执行.

    3  工作流管理系统工作原理

    工作流管理系统是整个系统的核心部分,包括决策知识库、公告板和工作流引擎三部分.
    3. 1  决策知识库
    工作流引擎根据决策知识库进行调度. 调度系统中运用的各种知识库如下:
    1) 生产计划和调度的基础数据库 ① 生产任务数据:包括任务的类型、批量、交货期、任务优先级、库存情况; ②资源数据:包括各种资源的种类、数量、类型、加工能力、可加工工时、缓冲区的状态、库存状态等等.
    2) 动态信息知识库 ① 生产过程的动态描述:包括资源使用状况、缓冲区状态,可调度任务集合等; ②加工工件的状态描述:包括工件的加工状态、已完成工序、工序的可选加工路径、剩余加工量等信息.
    3) 调度知识库 选择有代表性的、常用的调度规则[9 ] ,加以设计实现,称之为“元规则”,形成调度知识库,同时还可以支持多层的组合规则.
    4) 冲突决策规则 如加工任务冲突,可以按任务优先级和交货期综合解决冲突;资源冲突可以按工件优先级和占用资源时间综合解决冲突等.
    3. 2  公告板
公告板是联系工作流管理系统和生产过程控制的桥梁,也是沟通生产计划和生产调度部门的纽带. 不管是由外部生产环境所引起的变化:如定单更改、产品变更等因素;还是由于企业内部的生产环境所引起的变化:如设备故障、工艺不能满足生产要求、库存变更等因素;本论文由无忧论文网 www.51lunwen.net整理提供都可以在公告板上反应出来. 这样无论是上层的生产计划和管理人员还是底层的操作人员都有权在公告板上读取信息和反映情况. 而且,工作流管理系统可以根据公告板上的消息及时引导工作流引擎运用其内部的决策机制,调整工作流程,快速地适应生产中的动态变化.
3. 3  工作流引擎
工作流引擎运行、控制和监督工作流实例,所有这一切都是由工作流内部的触发机制来完成的.整个过程是一种基于时间触发和事件响应的动态任务调度模式.
3. 3. 1  基于时间触发和事件响应的动态任务调度模式
  在工作流管理系统中,存在两类触发器:
1) 时间触发器 由时间触发器控制活动的开始、结束和异常情况的时间处理. 工作流定义了每个活动的起始时间和截止时间,当截止时间到达时,将终止该活动,并释放该活动占用的资源,从而保证一个活动不可能无限制的占用资源.
    2) 消息触发器 消息触发器采取对外部事件响应的策略. 系统不断检测外部事件,根据事件的类型:如添加新任务,释放新资源,资源故障,定单取消或改变等事件,调用活动的分配规则,刷新资源任务分配表和资源状态表,并建立新的任务时间触发条件. 在工作流引擎的驱动下,工作流活动沿时间轴线不断地变化,同时能对外部变化做出快速的反应.
    3. 3. 2  工作流引擎的决策过程
    工作流引擎的决策过程如图2 所示: 
 
    ①根据工作流过程定义,设定工作流实例的计划优先级,对工作流实例初始化,生成初步的工作流执行序列;
    ②将工作流序列转化成按时间段的资源任务分配,建立资源状况表,对于每个工作流的参与者,建立资源的从工作流开始时间到截止时间的区间段内的可用工作时间段;
    ③调用工作流调度策略,确定工作流作业的执行序列;
    ④检测公告板上的消息,如无外部事件,则按原调度策略执行,转步骤⑥,如有外部事件,则转步骤⑤;
    ⑤读入资源状况表,参考调度知识库,修正资源任务分配关系,并参考已有的计划和调度知识库,形成新的工作流执行序列;
    ⑥检测公告板上的消息,如无内部事件,则按原调度策略执行,转步骤⑦;
    ⑦输出计划和调度结果;如有内部事件,则转步骤③;
    ⑧当一次状态完成后,系统再检测下一个系统状态变化时间,转步骤①.
    在工作流引擎的驱动下,活动实例沿时间轴线不断推进,最终完成从初始状态到终止状态变化的全过程.

    4  结 论

    本文提出的基于工作流技术的集成化生产计划与调度模型,通过工作流管理系统可以实现作业任务、资源的动态管理和匹配,从而可以实现动态的生产计划与调度.

    参考文献( References)
    [1 ] Amber Computer System Inc. Manufacturing execution systems: their place in the enterprise system [ EB/ OL ] .
    [2 ] Shen W, Norrie D H. Agent2based systems for intelligentmanufacturing : a state2of2the2art survey[J ] . Knowledge and nformation Systems ,1999 ,1 (2) :129 156.
    [3 ] Bongaerts Luc , Brussel H V. Integration of scheduling andcontrol in holonic manufacturing system[A] . In : The 32 thCIRP International Seminar on Manufacturing System [ C] .Leuven , Belgium , 1999. 24 36.
    [4 ] Iwoto K, Koike M. Random manufacturing system: a new oncept of manufacturing system for production to order [J ] .Annals of CIRP , 1994 , 43 (1) : 379 383.
    [5 ] Collinot A , Le Pape C , Pinoteau G. SONIA: a knowledgebased scheduling system[J ] . Artificial Intelligence on Engineering , 1988 , 3 (2) : 86 94.
    [6 ] WfMC. Workflow management coalition terminology & glossary [R] . WFMC2TC21011 , 1999156 62
    [ 7 ] 范玉顺,罗海滨,林慧萍,等. 工作流管理技术基础[M] . 北京: 清华大学出版社,2001. 36 42.
    [8 ] 朱云龙,于海斌. 面向客户的随机动态制造信息系统研究[J ] . CIMS , 2001 ,7 (3) :14 18.
    Zhu Yunlong , Yu Haibin. Customer2oriented random and dy2namic manufacturing management system[J ] . CIMS ,2001 ,7(3) :14 18. (in Chinese)
    [9 ] 张晓坤,徐跃飞. 车间智能调度的多规则混合控制方法[A] . 见:CIMS2China 94 论文集[ C] . 武汉,1994. 102108.
    Zhang Xioakun , Xu Yaofei. Integrated multi2rules control for he workshop intelligent scheduling [A ] . In : Conference of MS2China[C] . Wuhan , 1994. 102 108. (in Chinese)
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