基于工作流的分布式協同計劃控制架構研究

摘要：從協同的角度研究了制造業在分布式協同制造企業環境下所面臨的相關技術問題，提出了基于工作流的分布式協同計劃控制架構。該架構分為兩層，在企業層對所有協同機構的生產任務進行動態的協同優化調度；在車間層對有限資源在需求約束下進行優化調度。應用擴展的工作流概念和功能去正確地管理活動序列，建立了資源管理、活動調度以及任務協同調度的優化模型。最后，提出了基于規則的更新處理組件用于提高系統自動化程度。

關鍵詞：分布式； 協同制造； 計劃調度； 工作流管理

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1060－05

隨著全球經濟一體化的加深，以數字化、全球化、虛擬化、智能化和敏捷化為特征的新型經濟形態下的企業特征已初見端倪。目前，對于全球化制造網絡環境下分布式協同制造企業不能有效地解決協同企業間及協同生產車間制造計劃與排產的動態優化調整，主要由于企業中使用的信息管理系統大多數是面向功能而并非面向流程設計開發的。對生產計劃調度的研究主要集中在對企業內部作業計劃的研究，大多局限于企業內部的信息集成和功能集成上，有的主要涉及企業及車間。雖然也有的涉及相關的業務系統之間協同，但更多的表現在設計層面上，沒有從系統過程和技術的角度全面地考慮全球化網絡制作體系中分布式計劃控制的協同性；沒有從組織管理和生產運作等方面進行全面的分析，缺乏系統性和整體性。因此迫切需要一個將協同管理模式、組織機制和協調方法融合在一起，實現分布式協同計劃控制的整體框架。在此背景下本文提出以強調跨企業、跨地域，以有效的協調方式響應用戶需求、提高企業應變能力、實現制造敏捷性為目標，支持面向任務流而不僅僅是支持面向文檔流的一個融入了工作流的概念和功能的任務計劃、任務協同及任務執行的基于工作流的分布式協同計劃控制架構。

以基于工作流的分布式協同計劃控制（workflow－based distributed collaborative planning and scheduling，WF－DCPS）架構為基礎的WF－DCPS系統，使各協同制造企業能夠有效地跟蹤和監控所有分布式協同計劃項的加工過程的進度；當某協同企業發生未預知事件有可能會產生局部或所有協同制造企業的協同任務調度以及車間資源調度優化方案的更新，實時地保持整個分布式協同制造系統的最優化任務調度與最優化的資源調度。其關鍵技術為智能工作流管理技術、最優化引擎技術和規則引擎技術等。

1工作流管理

1．1工作流活動模板定義研究

基于工作流的分布式協同計劃控制主要集中在運作層，需要分布式協同計劃控制系統中能夠給出一個緊密聯系的活動序列以確保有一個好的客戶滿意度。在基于工作流的分布式協同計劃控制系統中，一個計劃請求是通過一個與之對應的由一些相互依賴的活動組成的專門隊列來完成。WF－DCPS能夠準時地產生和調整完成某計劃項的分布式協同活動序列；也能夠處理未預知事件的發生。

通常，一個協同計劃項至少包含如下信息：產品名稱、計劃數量、計劃開始和計劃完成時間窗。一些不同計劃期的關聯的活動來應答一個計劃項。這些活動的執行需要確定的命令，并且這些活動在給定的時間窗內執行依賴于每個計劃項的計劃信息、資源的可用性以及工藝規程信息。

通過定義一個活動模板集，每一個計劃項均可通過這些活動模板組成的序列完成。一個活動被分配給一個特定的員工后，這個員工在特定的時間內依據活動的特定信息（輸入屬性）負責該活動的執行。表1顯示了活動模板的定義示例。

例如一個計劃項能夠由如下活動模板中的活動組成的活動序列來完成：（1）-（7）-（4）-（6）-（2）-（7）-（4）-（5）-（6）-（3）-（7）-（4）-（5）-（6）-（2）。活動序列的組成取決于零組件的工藝規程、資源的分配狀況及企業的組織結構。組成活動序列的活動必須滿足零組件的工藝規程中零組件加工裝配過程中各種活動的執行先后次序的約束，如上述活動序列中的（1）-（7）-（4）-（6）-（2）。由于在制造系統中經常出現多個零組件在加工制造過程中共用同一種資源的情況，這種情況的存在可能導致在使用資源過程出現資源沖突的現象，這時系統動態資源調度優化引擎通過調用特定的優化模型及優化算法實施資源的分配，分配的結果經常要求在某一活動序列中適當的位置添加一個等待操作，如上所述活動序列中的（5）。由于現在零組件的工藝復雜性，一個零組件經常需要多個車間部門協調生產才能夠完成，這就要求零組件的活動序列能與其他部門與之相關的活動序列保持實時的信息更新，如上述活動序列中的（3）對應熱處理車間的熱處理活動序列，需要實時處理這些分布式的協同工作流信息。

1．2分布式協同計劃控制應用中工作流的概念與功能擴展

本文研究的分布式協同計劃控制是以工作流為導向，并且支持分布式協同制造企業的生產計劃控制過程。它能夠智能地通知員工在正確的時間處于正確的崗位，同時為他們提供完成工作所需的合適的信息。在零組件的生產制造過程中，很難在工作流實例產生的同時就確定所有活動的屬性，同時也不可能預計出制造系統中所有會引起需要修正工作流的結構或更新活動的屬性的事件集。基于工作流的分布式協同計劃控制系統采用智能工作流的概念和功能支持來解決上述的問題。更深一步的研究是對工作流的概念和功能進行擴展使之更加適用于處理分布式協同計劃控制問題。以下列出工作流應用在分布式協同計劃控制中需要進行的概念與功能的擴展：

a)活動模板概念。為了能夠對活動的定義進行標準化處理，定義一個與分布式協同制造相關的活動模板集。分布式協同計劃控制系統通過活動標準模板在工作流模型/實例中調度不同的活動。活動模板由一個具有三類屬性的元任務組成。其中：輸入屬性完成任務所需的指定資源及技術要求；派工屬性負責分派執行任務的操作人員，系統通過該屬性可使任務出現在其應出現的工作列表中；時間屬性指定任務的最長最短周期，最早最晚開工時間及相對應的準備時間。表1給出了與分布式協同計劃控制相關的活動模板的示例。

b)準備時間的概念（the warm－up time，WUT）。在生產計劃調度領域，時間扮演了一個關鍵角色，因此時間屬性應為每一個活動定義。時間方面的問題如周期和開始時間在眾多的文獻中被討論，文獻[2]中以ADEPT項目作為實例對周期和開始時間進行詳細的研究。這里需要區分幾個時間的概念：活動的計劃開始時間、活動的完工時間、活動的派工時間。在工作流管理系統中，工作流活動執行任務應在合適的時間分配到工作列表中。被派工的人員不應對分配的任務活動感到意外，因為他們能夠從工作列表中預先了解后續要執行的活動。因此，一個活動被分配到工作列表的派工時間取決于活動的計劃開始時間和活動必需的準備時間。Eder等通過一個基于概率時間管理方法處理了類似的一個問題用于安排個人時間，其前提是需要得到未來工作任務的早期信息[3]。

c)工作流實例層動態設定更新屬性值。在分布式協同計劃控制系統中，屬性值來源于動態資源優化調度引擎的工序活動優化調度解決方案，通過基于規則的工作流更新模塊自動地對工作流實例更新維護實現活動屬性值的動態設定與更新。它是工作流管理系統的一個功能上的擴展。工作流中的各個活動間不需要存在信息流，所有活動的輸入屬性都能夠與前一活動的輸出屬性在邏輯上連接。然而，工作流中活動的輸入屬性值并不是確定不變的，應該能夠在除活動處于運行狀態的任意時間設定和更新活動的輸入屬性值；同時也應能夠動態地對工作流中的執行人員派工和重派工，以及在時間約束條件下能夠動態地設定/更新活動的時間屬性。

d)工作流實例層動態添加/刪除活動。它也是動態資源優化調度引擎的工序活動優化調度的結果，通過基于規則的工作流更新模塊實現工作流活動的動態添加與刪除。新添加的活動是基于先前定義的活動模板集。同理，動態地在工作流實例中添加活動可以被擴展成動態地添加子工作流（添加一個活動是一個特殊的子工作流）。例如上述例子中的活動序列：熱處理操作，可以將熱處理車間的熱處理工作流作為子工作流直接插入到該工作流實例的活動序列中。工作流活動的刪除與添加處理功能相似，只不過在刪除工作流中的活動時，需考慮該活動的運行狀態。

e)動態管理工作列表。活動被重新調度分配或已被派工到指定工作列表的活動被刪除，需要通過合理的工作列表管理來維護更新工作列表。活動的重新分配后，與重分配的活動對應的工作項應從原來的工作列表中刪除而應出現在相應的新的工作列表中（只要其分配屬性不為空）；同理，與被刪除的活動對應的工作項應從工作列表中刪除。當活動的輸入屬性和時間屬性被設定與更新時也能動態地調整工作列表。

2WF－DCPS系統架構

WF-DCPS系統架構如圖1所示。它描述了系統的一個綜合基礎結構，在概念上可分為兩層：a)資源優化調度層，負責為確定數量的任務活動動態地分配資源。本質上是一組運行在工作流實例上的、協同的、并發的事件活動的集合，這些事件都與一個特定的企業分布式協同計劃項相關聯。一個工作流實例是由一個活動序列和這些活動在任意時間可知的狀態組成。當一個新的請求被收到，資源優化調度層去實例化新的計劃項，并且在發生未預知的事件時通過基于規則的更新組件對工作流實例的輸入屬性和結構進行更新，通過工作列表確保使被派工的人員在適當的時間扮演適當的角色。b)企業任務協同優化調度層，負責接收客戶需求信息，并將其進行任務分解與協調各協同制造企業、企業內各車間的分布式的協同計劃，能夠實現協同制造企業間的信息交互以及與各生產車間的信息交互。總的說來，這兩層都有一組用于動態資源優化調度和動態的任務協同分配優化算法和優化模型的集合。

2．1WF－DCPS的構造研究

在系統構造方面，通過工作流定義工具定義一個活動模板集，然后利用活動模板集設計基本的工作流模型即處理生產計劃項的必需的活動序列。工作流模型和活動模板存儲在工作流知識庫中。系統的另一個組成部分是資源管理工具集，通過它可以獲得完成活動所需的各種資源的狀態信息。它是整個生產系統中所涉及的所有資源信息的匯總，其包括工裝信息管理系統、設備信息管理系統、人事信息管理系統等資源信息管理系統。系統的另一大構件部分是優化調度處理組件，它包括一個模型集、優化算法集和優化引擎。企業層是一個任務的動態優化引擎，在車間層是一個資源的動態優化引擎。基于規則的工作流更新組件也是WF－DCPS架構的關鍵組件，它包含一個修正規則數據庫表和一個修正引擎。系統的支撐信息是零組件的工藝規程信息以及BOM信息，它們被存儲在單獨的數據庫中，定義了零組件的加工路線、加工參數要求以及零組件的裝配關系。

從圖1可看出，WF－DCPS系統中的工作流是分層的，即車間層工作流都是企業層工作流的子工作流，在企業層工作流的一個活動對應車間層一個工作流。如圖2所示，協同制造企業E1產品A的工作流模型為主工作流，是由零件H、I、G、M的機械加工活動，零件C的采購活動，裝配組件F、D、B及總裝產品Ａ的活動組成。其中對零件C的采購活動展開：零件C是由協同企業E2供應，零件C的工作流模型為產品A的工作流模型的子工作流。在E2企業中，零件C是由零件O、N、E的機械加工活動，零件P采購活動，裝配組件L、J、K及總裝零件C活動組成。其中對零件E的加工活動展開：零件E是由企業E2中的車間W5加工完成，零件E的工作流模型為零件C的工作流模型的子工作流。圖2中的1、2、3等分別表示加工零件E的活動，可參見表1的活動模板。

在系統的運作方面，WF－DCPS系統是事件智能驅動的系統，此處的事件是大事件驅動的概念，即廣義的事件驅動，包含時間事件驅動、計算機處理消息驅動、人工觸發事件驅動等。當一個新的事件發生，根據事件定義工具定義的事件及與事件相關聯的數據信息，由事件管理器觸發優化處理引擎，然后依據選擇的優化模型和特定的優化算法，以系統提供的相應信息作為數據支撐尋找最優解決方案。如果尋找解決方案失敗，將產生一個新的事件至事件管理器，由事件管理器根據定義的事件集判別將采用其他優化模型尋求解決方案或將此事件向上層傳達，上層的事件監聽器監聽到事件信息同樣將進行上述的優化處理過程。在優化引擎解決某一優化模型時需要專門的優化算法。優化模型的初始化需要三個數據源信息：a）事件定義工具提供的事件信息；b）資源綜合管理從各資源管理系統提取的相關的當前資源的預留/不可用信息（與工作流實例的狀態有關）；c）制造系統的工藝流程信息或產品的BOM信息。

2．2更新規則和規則引擎

當一個新的事件解決方案產生，將其翻譯轉換成一個能夠自動對工作流實例池更新的命令集。對工作流實例池的更新修改是指當產生一個新的工作流實例或存在的工作流實例的結構或屬性發生改變。將優化方案翻譯成對工作流實例池的更新是規則引擎和更新規則數據庫的任務，相應的系統授權用戶也可以作手動的修改。手動更新命令通過工作流的監測控制工具產生及下達。工作流引擎負責提交對工作流實例池的修改更新操作，它通過執行活動序列和在合適的時間給合適的人員分配工作來實施工作流實例。工作列表用于顯示需要被執行的活動，每個員工都有個人的工作列表去快速地確認他被分派更新的活動。

基于規則的工作流更新技術是由更新規則管理和規則引擎組成。更新規則如：if新的計劃請求到達，and if動態資源調度優化成功（產生一優化解決方案），and if特定的工作流基本模型已經被定義，and if存在一個工作流管理器，then與新到達計劃請求相對應的工作流實例依照工作流基本模型被實例化。規則都能夠被很好地轉換成結構化的程序代碼。將規則翻譯成程序代碼可以作為獨立的原子單元與其他獨立的應用邏輯分開，這樣使更新規則與規則引擎更容易開發和維護。規則引擎能夠動態地更新工作流實例的結構及活動屬性值。這項技術是一種基于規則的自動處理分布式協同計劃控制系統工作流實例的更新維護的方法。該方法的執行過程為：a)檢測語義異常;b)導出要更新的工作流實例和工作流實例控制要素;c)自動調整受到影響的工作流部分。關于對該組件的詳細研究超出了本文對系統架構研究的范圍，在此不作詳細討論。

3WF－DCPS最優化調度研究

分布式協同制造企業的計劃控制面臨著分布式約束滿足問題（distributed constraint satisfaction problem，DCSP），為了維持一個滿意的效率水平，企業不得不去應付各種環境約束[1]。可以用過程定義表述實施一個特定類型的案例需要執行哪些任務，同時也能表明各個任務的執行所必須遵循的次序。然而，通過過程定義卻無法說明每個任務到底應該由誰來執行，這就需要給每個工作項分配資源（人和/或機器和/或應用程序），它對于工作流的效率和效力非常重要。

WF－DCPS系統中的最優化是指在企業層對計劃分解任務進行動態協同優化與在車間層對制造資源進行動態資源調度優化管理。本文利用定義專門的最優化模型來實現工作流中生產計劃的優化協同方案及制造活動的資源的動態優化配置。最優化模型是從最優化問題中抽象出來的獨立數據，目的是通過它找出所有最好的解決方案，目標是在可行的域中找到方案，使目標函數具有最小值/最大值。利用最優化模型計劃調度或在需要時重新計劃調度工作流活動過程。最優化模型定義管理提供的最優化模型能夠在滿足計劃項約束、零組件的工藝約束以及資源時間約束等約束條件下得出最優的任務協同方案和資源分配方案。WF－DCPS系統中的最優化調度問題是分布式的約束滿意問題（圖3）。

3．1動態資源最優化調度

WF－DCPS系統架構中動態資源調度優化處理模塊的工作過程為：從最優化模型定義管理模塊中選定一個已定義的最優化模型，從資源狀態匯總模塊獲取資源的預留及可用性信息（該部分信息通過集成面向功能的各類制造資源管理系統獲取），從工藝規程數據庫獲取零組件的工藝約束信息，從工作流生命周期管理模塊獲取工作流活動的生命周期信息，最終由動態資源調度優化引擎利用最優化算法定義模塊提供的最優化算法計算最優化的資源調度優化方案。上述活動的執行是由車間事件定義管理器觸發。本文在此方面的研究還引入了資源調度更新成本的概念。在進行資源調度更新處理過程中考慮一系列的懲罰規則使資源的調度結果適應實際復雜的生產環境，如在調度結果若影響到需修改其他已調度的活動時就要引入相應的懲罰規則。因為對于已調度的活動若要變更輸入屬性就必然存在違約成本、生產準備成本等損失，而且由于零組件裝配生產的復雜性，某一活動重新調度后引起的成本損失有可能在整個制造網絡中擴散。

資源調度優化引擎根據輸入的信息一旦產生模型的優化方案，將負責觸發WF－DCPS系統的更新規則處理部分對工作流實例產生優化。但是并不是資源調度優化引擎就一定能夠輸出優化方案，有可能資源調度優化失敗。如果出現該情況則需將相應的調度失敗信息向上反饋給企業層進行協商處理。

3．2分布式的生產任務協同計劃優化

企業是作為訂單接收和產品制造服務的承包商，因此在WF－DCPS系統架構的企業層，負責將接收的客戶訂單進行任務分解并協調分解后的子任務在企業內的各承制車間與承包商之間的分配和計劃調度，同時還能夠根據與企業內各生產車間及企業外其他承包企業的協同交互動態地更新子任務的計劃調度方案。分布式的生產任務協同計劃優化是WF－DCPS系統企業層組件的核心。該組件主要由以下幾個模塊組成：a)企業事件監聽器。它負責監聽企業內部車間的交互事件信息與企業外部其他協同承包企業的交互事件信息，并觸發動態協同計劃優化引擎的執行，如新的客戶訂單到達、客戶訂單更改、車間動態資源調度優化失敗反饋以及協同承包企業動態協同設計計劃優化調度失敗反饋等。b)分布式協同制造生命周期管理。接收匯總車間統計的工作流實例的生命周期信息、管理企業層工作流實例的生命周期信息，為動態協同計劃優化引擎提供數據支撐。c)供應商規劃。從供應商列表中優化選擇子任務的承制車間和協同承包企業。d)任務調度更新成本管理。子任務下達后，企業與承制車間及企業與協同承包企業之間形成一契約，在對任務進行重調度或調度更新有可能打破原來的契約從而產生違約成本等。充分考慮任務調度更新成本有助于提高協同計劃方案的適用性。e)本地目錄服務。對現代企業來說，經常用到的已不再是離線的目錄，而是由分布式協同制造系統組成的在線目錄。利用本地目錄服務，企業可以實現在企業內部快速查找、用戶管理、安全管理、數據庫注冊管理以及對多種應用和服務的集成。

在運行階段，動態協同計劃優化引擎由企業事件監聽器觸發，以產品BOM信息、零組件生產/加工信息、優化算法與優化模型為支撐進行任務的動態協同計劃調度優化更新，并觸發事件發報器與外部事件管理器和本地事件管理器進行交互協調。本地事件管理器將通過本地目錄服務觸發相對應的車間分布式協同制造系統中的動態資源調度優化引擎，實現企業內部的協同交互；外部事件管理器將通過網絡目錄服務使目標協同供應企業的企業事件監聽器接收相應事件信息，實現協同制造企業間的信息協同交互。

4數據交互方式

分布式協同制造領域中所有機構都意識到了與事務處理相關的高成本，企業必須為工作人員支付費用來處理基于電話和傳真的訂單（包括需求更改等）。在處理訂單時牽涉到很高程度的人工交互，所以處理發生的錯誤常常是一個主要的問題。員工花費了他們的大部分時間來輸入訂單、重新輸入訂單和處理不滿意的客戶，而不是專注于能夠有益于企業盈利的活動。例如某協作業務活動通過人工前臺處理成本為100 S；通過電話處理成本為60 S；通過互聯網處理成本為10 S[10]。

WF－DCPS系統數據源存放在不同的數據庫或在同一數據庫的不同用戶中，需要將這些分布的異構的數據集成起來共同為協同制造服務。在WF－DCPS系統信息的集成分為不同數據庫間的集成和同一數據庫不同用戶間的集成。

從WF－DCPS系統架構圖中可以看出，在企業內部可以將各車間協同制造系統及企業層計劃協同優化系統設計為同一數據庫多用戶模式，通過關系數據庫提供的視圖技術來實現各子系統之間及與企業層任務協同系統的信息交互。這種方式同步性好，但需對各用戶授予對每個接口視圖的可讀權限，常用于實現企業內部的信息交互。而像各面向功能的、異構的資源管理系統以及異地分布的企業調度子系統就處于不同數據庫情況下，采用關系數據庫提供的database link技術或中間件技術進行集成，如XML文件。

總之，在WF－DCPS系統中的各種數據交互方式都旨在降低事務處理成本，提高協同制造系統效率。通過上述的數據交互技術可使WF－DCPS業務過程自動化，降低事務處理的成本和消除人工交互造成的錯誤，實現協同制造企業間的信息共享。

5結束語

本文研究了基于工作流的分布式協同計劃控制的應用，提出了一個包括所有用于處理客戶請求的基礎組件的

分布式協同制造領域的系統架構。它基于工作流管理、最優化引擎技術和規則引擎技術等。客戶請求的任務協同優化調度和加工制造與生產資源可用性管理能夠通過工作流充分有效的處理。因為工作流實例是由活動與活動所對應的在任意時間可知的狀態組成，所以能夠推算出資源的預留方案。提出使用最優化模型解決資源的優化調度管理和協同計劃優化調度，并隨著未預知事件的發生而不斷動態調整。經系統優化調度引擎部分得到的解決方案能夠被轉換成應用在工作流實例上的一系列的更新。基于規則工作流更新技術的應用顯著地提高了與WF－DCPS系統的交互的自動化程度。 

WF－DCPS系統提供了一個高效實用的平臺，既能夠幫助分布式協同制造企業有效地管理協同生產任務，又使生產資源能夠得到優化的分配利用，員工能夠在正確的時間獲得派工的工作信息。另外，通過該架構整

合現有的面向功能的信息系統具有很強的指導意義。

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