張開升 劉貴杰 張慶力 孫延明

(1.中國海洋大學工程學院,山東青島 266100;2.華南理工大學工商管理學院,廣東廣州 510640)

網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)是獨立于軟件系統(tǒng)而現(xiàn)實存在的,它包括人們的決策和管理、物質(zhì)、能量等一切與制造活動相關(guān)的信息.它可以根據(jù)設計需要實現(xiàn)一定的功能,并且在宏觀上是相對穩(wěn)定的.這是因為網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)通過單元的自作用以及單元之間的互作用能完成系統(tǒng)的整體功能,同時實現(xiàn)系統(tǒng)的自組織演化過程,使系統(tǒng)朝著適應環(huán)境變化的方向發(fā)展.但是這種宏觀的相對穩(wěn)定性只有當不可測的、變化的單元的自作用和互作用伺服于宏觀序參量的作用時才能實現(xiàn).目前,國內(nèi)外學者對復雜系統(tǒng)的研究方法均做了一些有意義的工作.其中,20世紀80年代美國Santa Fe成立的桑塔費研究所做了大量的研究;以錢學森為代表的國內(nèi)學者也對復雜系統(tǒng)做了一定的研究[1].但目前有關(guān)網(wǎng)絡化制造信息、系統(tǒng)自組織的深入研究還較少.

文中簡單介紹了自組織理論和方法,研究了網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)實現(xiàn)自組織的條件以及自組織實現(xiàn)的過程.在此基礎(chǔ)上,主要對網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)微觀單元的不可測性與系統(tǒng)的宏觀相對穩(wěn)定性之間的關(guān)系進行了研究,并揭示其自組織的本質(zhì).同時通過建立伺服約束函數(shù)模型,研究了宏觀序參量對單元自作用和互作用的伺服作用.

1 自組織條件

1.1 自組織理論和研究方法

自組織理論包括一系列關(guān)于研究自組織的基本原理,如開放性原理、非線性原理、支配原理、漲落原理、環(huán)境適應性原理等[2],以及系統(tǒng)自組織發(fā)生的條件和過程的研究方法.自組織理論重點研究系統(tǒng)演化的過程、演化的方向和結(jié)果、系統(tǒng)的環(huán)境以及自組織的條件、單元之間的非線性相互作用.

1.2 復雜系統(tǒng)的自組織條件

自組織理論從系統(tǒng)論的觀點對自組織進行定義:自組織是指一個系統(tǒng)在內(nèi)在機制的驅(qū)動下,自行從簡單向復雜、從粗糙向細致方向發(fā)展,不斷地提高自身的復雜度和精細度的過程[3].系統(tǒng)內(nèi)因是決定事物發(fā)展的主要因素,復雜系統(tǒng)要發(fā)生自組織同樣也要具備一定的自身條件.協(xié)同學認為自組織現(xiàn)象的形成要滿足一定的條件[2,4-5]:(1)系統(tǒng)開放; (2)系統(tǒng)遠離平衡態(tài);(3)系統(tǒng)中的非線性相互作用;(4)系統(tǒng)中的漲落現(xiàn)象.這些條件是相互緊密聯(lián)系的.

1.3 網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的自組織條件

本研究認為,網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)是由滿足制造系統(tǒng)功能需要的、與制造活動有關(guān)的所有信息構(gòu)成的系統(tǒng),它是現(xiàn)實存在的;而其軟件系統(tǒng)僅是它的計算機實現(xiàn).制造系統(tǒng)中的物資、能量等都是信息的物化,這與Rao和Chuu等[6-7]的觀點相似.網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)屬于復雜系統(tǒng),自組織過程的實現(xiàn)同樣必須滿足一定的條件.

(1)系統(tǒng)開放 因為參與網(wǎng)絡化制造的企業(yè)或者單元之間,以及他們與外界環(huán)境之間必須進行能量、信息與物質(zhì)的交換,網(wǎng)絡化制造才能得以實現(xiàn).若系統(tǒng)與外界沒有上述交換時,系統(tǒng)則是一孤立系統(tǒng),將造成企業(yè)的物力、人力和財力調(diào)配困難,最終系統(tǒng)將被瓦解,企業(yè)將面臨破產(chǎn),即達到熵最大的平衡態(tài).

(2)遠離平衡態(tài) 網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)的平衡態(tài)意味著企業(yè)產(chǎn)品、工藝、人員隊伍、管理模式等一成不變,反映在信息系統(tǒng)中則是系統(tǒng)中的信息和信息處理方式永無變化,保持在所謂的“平衡態(tài)”.在市場競爭日趨激烈的今天,網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)保持“平衡態(tài)”的企業(yè)必將遭到市場的淘汰.

(3)非線性相互作用 非線性相互作用具有無限放大效應,即使初始狀態(tài)發(fā)生極其微小的變化,后續(xù)狀態(tài)經(jīng)過疊加放大以后也會出現(xiàn)極大的變化[8].制造系統(tǒng)處于宏觀相對穩(wěn)定狀態(tài)下的微觀動態(tài)運行過程促使自身不斷發(fā)展,從一個有序結(jié)構(gòu)進入新的有序結(jié)構(gòu).

(4)漲落現(xiàn)象 在市場競爭環(huán)境中以及在政府的監(jiān)管下,制造企業(yè)要取得發(fā)展,就必須不斷地進行管理、技術(shù)和工藝等因素的更新,從而打破系統(tǒng)原有的平衡,通過系統(tǒng)的非線性相互作用形成“巨漲落”,使系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化.

因此,參與網(wǎng)絡化制造的企業(yè)或者單元要在激烈的市場競爭環(huán)境中發(fā)展,就必然與環(huán)境存在信息、物質(zhì)、能量的交換,并且要根據(jù)市場需要改進自身的制造技術(shù)、工藝、管理等;同時各個參與企業(yè)或單元之間必然存在競爭與共同發(fā)展的非線性協(xié)同作用.反映在網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)中,則是系統(tǒng)通過與開放的外界環(huán)境進行信息交換,從而不斷遠離“平衡態(tài)”,使宏觀序參量不斷變化,該變化伺服系統(tǒng)的單元之間發(fā)生非線性的相互作用、漲落,這樣,系統(tǒng)便能實現(xiàn)自組織地發(fā)展.因此,網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)滿足自組織的條件時,通過適當?shù)耐緩胶头绞綄⒛茏越M織地發(fā)展.

2 網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的自組織

2.1 網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的自組織過程

網(wǎng)絡化制造企業(yè)聯(lián)盟在市場競爭中能否發(fā)展壯大與自組織發(fā)生的過程等因素有很大關(guān)系.其信息系統(tǒng)的自組織過程是通過與環(huán)境進行信息交互,從而使各個單元之間發(fā)生相互作用與漲落現(xiàn)象的過程,并且該過程伺服于系統(tǒng)的宏觀序參量.協(xié)同學的創(chuàng)始人哈肯認為,序參量本質(zhì)上是描述系統(tǒng)整體行為的宏觀參量.從信息的觀點來看,序參量有雙重作用:一是它控制著各個子系統(tǒng)的運動;二是它又體現(xiàn)著系統(tǒng)的宏觀有序程度.因而網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的序參量也伺服系統(tǒng)的動態(tài)運行,這便是系統(tǒng)的自組織過程.網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的自組織過程示意圖如圖1所示.

圖1 網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的自組織過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-organization of networked manufacturing information system(NMIS)

2.2 網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的序參量

序參量在系統(tǒng)自組織過程中起著指導作用,直接影響系統(tǒng)自組織演化的方向和結(jié)果.序參量是在系統(tǒng)與環(huán)境的交互過程中產(chǎn)生的,它們又反過來影響系統(tǒng)的運行.因此,網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)在與環(huán)境交互的演化過程中所確定的發(fā)展目標便是系統(tǒng)的宏觀序參量,而這些目標的確定與企業(yè)的自身狀況、環(huán)境因素有很大關(guān)系.本研究認為,制造系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量等元素都是制造信息的物化,因而制造系統(tǒng)對生產(chǎn)過程和產(chǎn)品的追求目標也會成為網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的宏觀序參量.經(jīng)過分析,文中給出了較通用的宏觀序參量的層次結(jié)構(gòu),如圖 2所示.其中,第三層左側(cè)的6個序參量便是對生產(chǎn)過程的追求目標.

由上述分析可知,網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)運行的總體目標是使企業(yè)獲得最大利潤、取得長足發(fā)展,而這一總體目標是通過提高制造企業(yè)自身的市場競爭力和信息系統(tǒng)的效率這兩個分目標來實現(xiàn)的.這兩個分目標可以進一步細化為圖 2中的第三層目標,即網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)在作業(yè)層上的宏觀序參量(下文簡稱序參量).圖 2中的 3個層次分別是系統(tǒng)在不同粒度上的運行目標,體現(xiàn)了制造企業(yè)的管理意愿.這些序參量是網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)在發(fā)展過程中,為了適應環(huán)境變化而在自組織發(fā)展過程中產(chǎn)生的,同時也體現(xiàn)了不同企業(yè)在一定時期的發(fā)展方向和目標,因而它們會直接影響系統(tǒng)單元的作用.對具有復雜系統(tǒng)特征的網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)進行分析,需采用定性和定量相結(jié)合的分析方法研究系統(tǒng)在宏觀序參量伺服下的運行過程,為此,文中建立了伺服約束函數(shù).

圖2 網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的宏觀序參量層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure ofmacroscopic order parameters of networkedmanufacturing information system

2.3 伺服約束函數(shù)模型

由系統(tǒng)的自組織過程可知,具有復雜性特征的網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)一般應具有多個宏觀序參量,系統(tǒng)自組織過程中的單元作用根據(jù)這些序參量的協(xié)同作用進行.因而伺服約束函數(shù)相當于多目標決策問題,即求解多目標最優(yōu)化問題.文獻[9]中指出,對于實際的決策問題,多個目標反映了系統(tǒng)在不同方面的追求,且有時不同的目標之間又是相互矛盾的.即使是比較簡單的決策問題,目標也可能不止一個,因此,單目標決策僅僅是多目標決策的簡化和特例.如系統(tǒng)共有N個子目標,則能使N個目標同時達最優(yōu)的解是系統(tǒng)的最優(yōu)解;對于至少能使一個目標為優(yōu)的稱為非劣解或有效解;其它的解稱為劣解.在實際決策問題中,最優(yōu)解是很難求取的,且很可能是不存在的,而非劣解更具有實際意義.

文中若要建立如圖 1所示的自組織機制的序參量伺服約束函數(shù)[10],則需要選取企業(yè)發(fā)展的目標,如利潤最大化和長足發(fā)展,即圖 2中第一層表示的總體目標.圖 2中第二層、第三層的目標則可作為實現(xiàn)總體目標的成本.系統(tǒng)的序參量集用P表示:

式中:pi(i=1,2,…,m)為系統(tǒng)的宏觀序參量.設目標函數(shù)A為

其中,

式中:n為伺服函數(shù)的伺服序列;V為在宏觀序參量的伺服作用下系統(tǒng)達到的多目標價值;B和E分別為反饋信息和環(huán)境信息中有關(guān)序參量的信息;W為上述伺服過程中各個序參量對應的權(quán)重,

因而,為了實現(xiàn)系統(tǒng)的目標,就需達到目標函數(shù) A的最優(yōu)值.在給定各個初始權(quán)重后,通過權(quán)重優(yōu)化得到A的最優(yōu)值.在該過程中系統(tǒng)根據(jù)W來調(diào)節(jié)系統(tǒng)單元之間或與環(huán)境間的交互內(nèi)容、交互對象等,完成系統(tǒng)在給定目標下的自組織過程.

對于不同的系統(tǒng),式(2)、(3)和(5)中的函數(shù)f、g和 φ的具體表現(xiàn)形式可以是不同的,權(quán)重的優(yōu)化算法則可以類似.因此,網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的權(quán)重優(yōu)化實際上是根據(jù)系統(tǒng)的自組織結(jié)果對權(quán)重系數(shù)的調(diào)整.反映在現(xiàn)實網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)中,則是在多變的市場環(huán)境中不時調(diào)整各個子目標的側(cè)重,從而保證總目標的實現(xiàn).

3 模型的有效性驗證

文中對網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)建模是為了揭示其自組織本質(zhì),從而為系統(tǒng)性能的研究奠定基礎(chǔ).為此,文中擬對模型進行計算機仿真,將仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)的運行情況相對比來驗證模型的有效性.由于文中提出的是一種適于網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的建模方法,因此需要驗證以下內(nèi)容.

(1)檢驗模型的理論依據(jù)及假設條件、推理過程的正確性.文中在建立網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的模型時,認為它屬于復雜系統(tǒng),并且其發(fā)展過程是自組織演化的,同時在建模的基礎(chǔ)上對其微觀作用進行了適當推理.這些假設條件、選用的理論方法和推理過程的正確性需要通過模型的驗證來加以說明.

(2)子模型的劃分及其與總模型的關(guān)系是否合理.文中根據(jù)系統(tǒng)單元的功能把系統(tǒng)化分成多個單元,并認為系統(tǒng)的宏觀相對穩(wěn)定性是不穩(wěn)定微觀單元的自作用和互作用的結(jié)果.子模型的劃分及其與總模型的關(guān)系的合理性需要通過模型有效性的驗證來證明.

(3)仿真結(jié)果是否與實際系統(tǒng)的運行情況相符.文中建立模型時,認為系統(tǒng)是在宏觀序參量的伺服作用下自組織發(fā)展的,發(fā)展過程也同時反過來影響序參量的選擇.系統(tǒng)的仿真結(jié)果能否與現(xiàn)實系統(tǒng)的運行情況相一致,同樣需要進行模型有效性的驗證.

文中以某企業(yè)的模具生產(chǎn)線信息系統(tǒng)為對象,建立其模型系統(tǒng),并研究其自組織過程.該模具生產(chǎn)的一般流程為:訂單→確認訂單→產(chǎn)品設計→快速原型→模具設計→原料查詢→模具生產(chǎn)→試模→產(chǎn)品生產(chǎn)→產(chǎn)品出廠.該生產(chǎn)線中有兩臺加工設備,其中一臺備用.應用Delphi語言開發(fā)出驗證系統(tǒng),通過運行結(jié)果與實際情況的比較來對模型的有效性進行驗證.由于該生產(chǎn)線規(guī)模較小,并且它僅作為一驗證系統(tǒng),故此驗證系統(tǒng)中的序參量簡化為具有代表性的質(zhì)量、敏捷度、效率和成本.此時,式(1)中的P為圖2中第三層的序參量,即m=4,p1=“提高產(chǎn)品質(zhì)量”,…,p4=“降低生產(chǎn)成本”.式(4)中的W為該企業(yè)考慮上述 4個宏觀序參量的初始權(quán)重系數(shù), w1=w4=0.3,w2=w3=0.2.式(2)、(3)、(5)是企業(yè)按照目標函數(shù) A的值在自組織過程中不斷變化.該驗證系統(tǒng)正是運用上述伺服約束函數(shù)來驗證文中所提出模型的有效性.

系統(tǒng)的自組織是系統(tǒng)單元在宏觀序參量伺服作用下的自作用和互作用過程.伺服約束函數(shù)根據(jù)企業(yè)管理規(guī)則的變化而改變,比如管理規(guī)則規(guī)定,當用戶選擇敏捷度權(quán)重超過 90時,系統(tǒng)要盡可能地提高生產(chǎn)速度,而不計成本和其它因素.在這種情況下,系統(tǒng)在自組織過程中,接口將根據(jù)伺服約束函數(shù)自動選擇兩臺設備同時運行.圖 3中,右側(cè)為敏捷度權(quán)重為 95時的自組織結(jié)果,此時產(chǎn)品生產(chǎn)單元啟用了兩臺設備.由圖 3中的計算利潤率結(jié)果可知,此時是虧損運行的.現(xiàn)實中,只有環(huán)境信息發(fā)生改變、需要不計成本、必須盡早完成某一訂單時才會發(fā)生這種情況.其它序參量的權(quán)重發(fā)生改變時,根據(jù)管理規(guī)則,伺服約束函數(shù)也會做出相應的調(diào)整,這里不再對其它情況進行詳述.

圖3 敏捷度權(quán)重為 95時的自組織結(jié)果Fig.3 Results of self-organization with the weight factor about agility of 95

系統(tǒng)啟動后將根據(jù)用戶選擇的宏觀序參量的權(quán)重系數(shù)進行自組織過程.同時,系統(tǒng)通過自組織找出目標值的非劣解,從而對權(quán)重系統(tǒng)做出調(diào)整,為管理規(guī)則的優(yōu)化提供依據(jù).該驗證系統(tǒng)選取系統(tǒng)的利潤率作為目標值,因而可以分別計算系統(tǒng)的利潤率隨單一序參量系數(shù)的變化趨勢,然后通過綜合計算得到系統(tǒng)利潤率的優(yōu)化結(jié)果.圖 4所示為系統(tǒng)在用戶選擇的初始條件下,系統(tǒng)整體利潤率隨單一序參量系數(shù)變化的曲線.圖 4中,當權(quán)重系數(shù)為 0時,從上至下依次為利潤率隨質(zhì)量、敏捷度、效率和成本的權(quán)重系數(shù)變化的曲線;系統(tǒng)通過算法優(yōu)化的序參量權(quán)重系數(shù)和利潤率結(jié)果見圖中“序參量的優(yōu)化權(quán)重及結(jié)果”部分.

圖4 單一因素下的利潤率Fig.4 Profit rate under single factor

圖3和 4中的結(jié)果驗證了系統(tǒng)中的子系統(tǒng)劃分是正確的,它能充分體現(xiàn)系統(tǒng)中各個單元之間的關(guān)系.圖 3所示的運行結(jié)果表明,系統(tǒng)的序參量伺服約束函數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)自身條件、環(huán)境信息與序參量的權(quán)重系數(shù)等因素伺服系統(tǒng)的自組織過程.系統(tǒng)運行的結(jié)果為管理規(guī)則的優(yōu)化提供了理論依據(jù).這與網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀是相符的,同時說明了文中提出的建模方法以及應用的復雜性理論是正確的,其中的推理過程也能正確反映系統(tǒng)的本質(zhì).因而,該方法適用于網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的建模.

由圖 3和圖 4中的運行結(jié)果還可以看出,當系統(tǒng)過高要求敏捷度時,利潤率下降,甚至虧損運行.這種情況現(xiàn)實中很少發(fā)生,但有時為了某一訂單或產(chǎn)品的進度,需要不計成本地生產(chǎn),這樣就會出現(xiàn)虧損的情況;而當系統(tǒng)對質(zhì)量和成本要求合理時,可以獲得較大的利潤率,并可以獲得長遠利益.這些結(jié)果均與該企業(yè)的實際運作相符,因而系統(tǒng)的仿真結(jié)果足以說明文中所建模型體系是有效的.

4 結(jié)語

文中建立了伺服約束函數(shù)模型,研究了微觀單元作用與系統(tǒng)宏觀相對穩(wěn)定性之間的關(guān)系以及網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)的自組織條件、自組織的實現(xiàn)過程;指出了在宏觀序參量伺服約束函數(shù)的作用下,子系統(tǒng)的非線性相互作用是網(wǎng)絡化制造信息系統(tǒng)實現(xiàn)自組織的內(nèi)在動力.在此基礎(chǔ)上可以研究系統(tǒng)的控制需求和功能需求,也為后續(xù)的系統(tǒng)分析、優(yōu)化、設計開發(fā)奠定了基礎(chǔ).此外,驗證系統(tǒng)的運行結(jié)果與實際系統(tǒng)運行情況的比較說明了文中所建立的模型是有效的.此研究也豐富了復雜性理論在工程領(lǐng)域中的應用.

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