网络化制造系统中协同决策体系研究儋州

网络化制造系统中协同决策体系研究

网络化制造系统中协同决策体系研究 2011年12月09日 来源： 网络化制造系统的协调运营是建立在各个节点企业之间高质量的信息传递与共享基础上，有效的网络化制造系统离不开信息系统提供可靠的决策支持。分析了网络化制造系统中的决策问题及其活动特点，给出了网络化制造系统中决策信息的层次概念模型。结合网络化制造系统中决策问题的特点，给出了用于网络化制造过程的决策支持系统结构模型，建立了一种基于多Agent 系统(MAS)与数据仓库技术相结合的网络化制造决策支持系统(NMS - DSS)的体系框架。

1 网络化制造系统中决策活动及其特点

网络化制造系统运营过程中，不同类型、拥有各自核心资源的企业围绕某次机遇组成网络化制造系统，作为一个整体向最终客户提供产品或服务。然而这种组合是不稳定的，当新的机遇来临，构成网络化制造系统的成员在性质、数量等方面都有可能发生改变，动态性是它的主要特点。

完整的网络化制造系统可以从传统企业间供需关系的信息化工具上升成为企业联盟共享资源、优化运行的使能器。Cornell 大学的Muckstadt 认为由于不确定性的存在，以往决策支持系统中应用的战略、战术建模方法在许多运营环境下是不适合的。而通过采用改进信息系统和经营过程，着眼于建立战略合作关系来降低不确定性可以更有效地定位关键资源，更快地响应市场变化，从而使得网络化制造系统的运营过程更加可靠稳定。

从整个网络化制造系统运营过程中的各紧密相连的过程我们可以把网络化制造系统管理中的决策问题分为战略层( Strategic Level ) 决策、战术层( Tactical Level ) 决策和执行层(Operational Level ) 决策等三个层次，如图1 所示。

战略层决策目的是确保整个网络化制造系统组织和运营过程的合理设计与执行。其中包含了网络化制造系统的战略决策、合作关系决策、风险管理决策、利益分配决策以及绩效评价等决策问题，是网络化制造系统中最关键的决策问题。

其中，战略决策中又可以细分为网络化制造系统总体目标、战略计划、机遇评估与分析、核心资源的确定与调整方案、经营过程的重组等决策内容；合作关系决策涉及到合作伙伴选择有关的评价与决策，合作伙伴之间协商谈判等群体决策行为等；利益与风险分配决策包含了网络化制造系统中的利益共享与风险分担机制以及激励策略，而风险控制与决策对于动态、不确定性环境下网络化制造系统运营过程的监控与协调，确保网络化制造系统稳定运营具有重要作用；绩效评价决策包括对网络化制造系统整体的绩效评价和对合作伙伴或某个运营过程绩效的评价与决策，有利于即时掌握网络化制造系统的运营状态，为网络化制造系统经营过程的重构或重组提供决策依据。

战术层的决策问题是在网络化制造系统上游和下游、横向和纵向的信息互动和集成基础上形成的，一方面是根据网络化制造系统战略决策对运作过程进行总体安排，另一方面能够为网络化制造系统战略决策提供综合而全面的观点。战术层的决策问题包括设计过程决策、销售过程决策、制造过程决策和供应过程决策等。而网络化制造系统执行层的决策是战术决策问题的细化和具体化，通过协同执行、实施和动态优化，将战略层决策和战术层决策的目标落实和实现。

网络化制造系统要求从整体的角度强调集成、协作以及信息共享，并实现具有柔性和稳定的供需关系。我们从组织结构、时间范围和内容等方面把网络化制造系统中的决策问题分为战略层、战术层和执行层决策问题。在这些不同层次的决策问题中，网络化制造系统的决策活动呈现出决策形式多样性、决策过程复杂性、决策活动分布性等一些特点。

根据动态联盟概念，一个网络化制造系统(从完整价值链的概念来定义)实质上是一个由分布于某个经济区域中的原材料供应商、加工厂、制造商、装配中心以及分销网点组成的生产网络。

各种原材料通过网络中各组织部门的处理最终转化为产品并被送到用户的手里。网络化制造系统的运作包括系统的组建、运行和重构等几个阶段，在网络化制造系统的生命周期内，网络化制造系统决策可以根据管理的不同侧重和决策时间的不同分层次来考虑。根据网络化制造系统中决策活动特点，相应地我们建立了如图2 所示的网络化制造系统决策信息概念模型。决策信息的概念模型描述了网络化制造系统中决策问题的逻辑层次和控制结构。

网络化制造系统决策信息的概念模型也相应地分为战略层、战术层和执行层三个层次。战略层是网络化制造系统决策信息模型中的最高层，负责管理、控制、协调整个网络化制造系统网络的正常运行。其控制范围包括涉及网络化制造系统全体成员整体利益的事务和对整个系统的协调与约束。战术层定义了网络化制造系统各成员企业的各种基本决策活动信息。而执行层则涉及完成网络化制造系统中具体任务执行的信息，包括物流在各企业间的合理流动以及从原材料到成品的物理加工过程，如原材料的运输、零件加工、部件装配、检测、仓储等过程。

显然，战略层的决策问题在网络化制造系统的运营过程中是最关键的，是确保整个网络化制造系统稳定运营、提高整个网络化制造系统运营绩效最重要的部分。网络化制造系统中战略层的决策活动实际上是决策问题之间相互协同的过程。

2 决策支持系统的体系结构

考虑网络化制造系统中决策活动的特点，我们建立了网络化制造系统中协同决策的结构模型如图3 所示。模型主要由四个部分组成：人机交互模块、决策问题分析与处理模块、通讯模块以及决策信息管理模块。

(1 ) 人机交互模块。是系统与用户之间交互的窗口，友好的可视化的界面是系统的重要组成都分。利用Web 技术及多媒体技术，提供友好易用的人机交互界面。人机交互模块由人机交互界面和知识获取工具组成，实现网络化制造系统中协同决策支持的知识获取以及与相关人员的信息交互，从而把管理中最关键的因素———人结合到系统之中。

(2 ) 决策问题分析与处理模块。首先对决策问题进行分析和分解，然后求解由原决策问题分解产生的一系列具体决策任务。其中知识系统是用于解决决策问题的智能决策系统。决策模型与算法描述网络化制造系统运营过程中的决策问题，是对决策功能对象的框架结构进行抽象描述。

决策模型的建立应与网络化制造系统中某一决策问题域相结合，形成相应的决策功能对象的具体结构描述。面向网络化制造系统中决策问题的决策模型、决策方法、决策知识等封装为一体，形成针对具体决策问题的决策功能对象，适应对实时性要求较高的决策问题。

(3 ) 通讯模块。用于决策成员之间的通信以及与网络化制造系统协同决策体系外部进行信息交互。通讯模块为决策群体提供交互协商的环境，需要考虑通讯语言和通讯协议两方面的内容。

(4 ) 决策信息管理模块。该模块由可被多个分布决策对象共享的库构成，包括数据库、知识库、模型库、方法库、对象库、参考模型库和企业模型等。该模块为网络化制造中协同决策的信息源，负责对决策信息进行搜集、处理和维护。系统的决策功能模块从该部分获得决策所需的，包括主导企业、各伙伴企业业务系统中的信息。

决策问题分析与处理模块是网络化制造系统中协同决策支持功能的核心，决策信息管理模块对解决网络化制造系统中分布的、实时性要求高的决策问题起到至关重要的作用。网络化制造系统中的协同决策支持功能应该是一个基于Internet / Extranet/ Intranet 的开放式结构， 系统的实现需采用CORBA(Common Object Request Broker Architecture ) 技术规范。

进一步地，我们采用了高层多Agent 系统(Multi - AgentSystem, MAS ) 和决策使能数据仓库作为网络化制造系统中协同决策支持系统的两个主要支持手段。网络化制造系统协同决策体系中的MAS 是通过对网络化制造系统中战略层决策问题的分解，对决策任务、决策目标以及决策状态空间进行抽象和表示，构造面向网络化制造系统战略层决策问题领域的多 Agent系统，从应用软件的角度来实现网络化制造系统中战略层的决策问题求解。网络化制造系统决策使能数据仓库主要是实现对网络化制造系统中决策信息进行获取、分析与处理，支持网络化制造系统中战略层决策问题的求解。

协同决策支持功能作为整个网络化制造信息系统的一部分，应支持分布的、基于任务驱动的工作流 。从系统设计和实施的角度，需采用组件技术以保证尽可能的可重用，提供快速、可靠、高效的决策支持功能。整个决策支持系统可以视为基于Agent 的各个组件及其协同机制的设计。

依据决策支持系统的一般构成和网络化制造系统运营过程的具体特点，我们建立了一种基于MAS 和数据仓库技术的网络化制造系统中的决策支持系统(NMS - DSS ) 的体系结构，如图4所示。

NMS - DSS 提供了几个面向决策问题类型的Agent 联邦的集成环境，这些Agent 联邦以及Agent 之间可以实现互操作。NMS - DSS 关键的组件之一数据仓库系统通过OLAP 提供给系统动态共享的决策数据，同时具有存放系统执行和推理过程中的中间数据或结论的功能，与协调Agent 一起构成了系统的黑板机制。其中，OLAP Server 包含多维数据模型的高级计算引擎和高速的数据缓存，通过数据挖掘和数据仓库技术来进行查询、存储和管理NMS - DSS 所需的多维数据。

OLAP 工具可以用来对数据分析、查询及预测等功能进行建模。

系统中的界面Agent 实现与NMS - DSS 用户之间进行交互的功能，接受用户给定的决策任务并将决策结果返回给用户。界面Agent 将决策任务传递给协调Agent，并从协调Agent 处获得相关的决策结果。

协调Agent 拥有其它各Agent 关于决策任务能力、功能和模型方面的知识，负责决策任务的分解和计划。协调Agent 维护NMS - DSS 中所有Agent 能力和知识( 信念) ，能够将一个给定的决策任务分解为一组子任务，并将子任务分配给具有相关能力的Agent 来执行以实现决策目标。同时，协调Agent 持有NMS -DSS 当前决策任务的全部信息和解决的状态，相当于传统黑板机制中控制器的作用，在其它Agent 联邦之间进行协调。

协商谈判Agent 联邦允许NMS - DSS 与其它应用系统或MAS ( 包括合作伙伴) 进行交互和通讯，从而实现系统的协同决策功能。

3 结束语

根据以上建立的网络化制造中决策支持系统的结构模型以及基于MAS 和数据仓库技术的网络化制造决策支持系统(NMS - DSS ) 的体系结构框架，我们设计并开发了支持网络化制造系统中协同关系管理的决策支持原型系统。原型系统中我们构造了各Agent 联邦，Agent 与数据库的通讯采用SQL 语句，而各Agent 之间的通讯则采用KQML 和XML 来共同完成。XML 定义的消息内容根据输入信息以及Agent 的内部状态实时生成，通过Agent 解析器的配置最后输出KQML 和XML 的消息包。Agent 之间传递的信息采用XML 标准格式来表达时将使得MAS 具有更加广泛的意义：能够适应更多的应用环境，能够从消息中截获更多的信息，从而使得Agent 的能力进一步增强。该原型系统的开发和研究结果表明，采用MAS 和数据仓库技术可以有效支持在网络化制造环境下的决策支持活动。

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