2.2 面向生产计划与调度的体系结构框架
2.2.1 制造系统生产计划与调度的研究路线
长期以来，关于制造系统生产计划与调度的研究路线大致都是围绕以下几方面展开。
①针对计划调度业务问题设计模型，开发新方法。
②探索新型计划和调度策略与方法在业务问题中的新应用。
③以性能指标为驱动力的优化算法设计与改进。
这样的研究路线的局限性在于“重解构轻综合，刚性有余柔性不足”［13］。仅针对问题求解，受问题特殊性的局限，存在方法单一性的缺点。虽然可以通过采用混合优化方式兼顾多种性能指标的优化，但将模型、算法或规则按某种方式加以组合，仍然是一种紧耦合的方式，分析问题的视角仍较为局部和孤立，不能对生产线上的工件之间、设备之间、流程之间的联系及其变化作整体把握。另外，复杂制造系统固有的不确定性和动态性生产环境，对生产计划与调度系统的灵活应变能力提出了更高的要求。为此，有的学者从优化方法的角度，研究采用动态选择启发式规则和重调度的方法，但又难以真正兼顾全局整体优化；有的学者从优化模型的角度，尝试建立智能体模型，如基于Agent的动态调度模型，但是由于建模较为复杂及计算量和通信量大，尚不能很好地用于生产实际。
因此，如何提升生产计划与调度系统的系统化和灵活性，成为十分值得关注的研究方向。为了填补生产计划与调度管理领域理论研究与实际应用之间的鸿沟，不仅需要有对具体调度问题的建模与优化研究，而且还需要对生产计划与调度领域各个模块间的协同交互加以研究，特别是需要这种协同关系能够具有应对动态环境的灵活调整和建模优化方法的复用与重构能力。这些都将是本书所关注的生产计划与调度体系结构所涉及的研究方向。
复杂制造系统生产管理的主要目标是整体优化生产线的性能和效率，计划和调度协同是其整体优化的途径，这个途径的完成是通过各个生产计划与调度领域涉及的子系统、子问题之间的协同工作进行的。为了能够全面、准确地认识和描述制造计划和调度领域的各项业务、功能、信息、数据、角色主体等，需要搭建一个整体平台，并以规范的形式整合各系统的功能，开展业务功能、信息和过程的整体规划，即建立面向生产计划与调度体系结构描述和体系结构框架。然而，目前与此相关的研究成果并不多，本节将借鉴2.1.2小节介绍的体系结构框架，提出面向生产计划与调度系统构建的通用体系结构框架，从框架元素及其相互关系和视角及相应的视角模型两个方面分别加以描述。
2.2.2 面向生产计划与调度的体系结构框架的元素及关系
（1）体系结构框架的基本元素描述
体系结构框架的基本构成单元是完成各业务功能系统的共性基本元素，分为17个类别，如图2-5所示。各基本元素的含义及关系分别描述如下。
图2-5 计划与调度体系结构模型元素及关系
协同目标：指对生产线的整体期望效果，分解为明确的目标。
业务系统目标：从协同目标转化而来的明确目标和行动，由计划/调度业务活动序列完成。
业务节点：选择业务系统成员，组织其完成业务系统目标。
业务系统：是业务系统成员的逻辑组织，负责成员的新增、删除、修改等维护活动。业务系统管理维护多个业务系统成员，每个业务系统成员完成相应功能的业务活动。
业务对象：生产线具体资源对象和资源的行为特性，业务对象主要有生产线、加工区、工件、设备。当某事件发生时，触发业务活动执行，例如，设备加工完一个工件后，触发工件调度。
业务场景：生产线资源（工件、设备）的行为特点、状态及事件，当到达一定状态阈值或者特定事件发生时，触发业务活动执行。业务场景中的业务对象可以用于帮助确定业务活动完成方法。例如，如果以投料研究为主要场景，那么瓶颈调度、批量调度等业务活动完全可以采用派工方法来配合研究。如果以批量调度为主要场景，那么投料业务活动就可以采用简单的固定数量投料方法完成。如果需要综合研究，那么可以反复调整配置相关系统的相关成员，进行不断尝试。
业务活动：完成系统目标的动作，如投料、瓶颈调度、批量调度、工件调度、设备调度、派工、在线优化等。业务活动的步骤分解为更为详细的活动行为单元，可以用过程模型描述，用以说明具体执行过程。业务活动的组织管理由相应的业务系统完成。
业务系统成员：每一种特定目标下的具体方法称为业务系统成员，是完成计划调度活动的具体执行者。例如，投料活动的完成，其执行者可以有固定日期投料方法成员、预期交货期投料方法成员、智能投料方法成员等。再如，瓶颈调度的完成方法有鼓-缓冲-绳子方法、蚁群优化方法、启发式派工等方法。选择业务系统成员后，其业务角色也就确定了。
活动行为单元：指业务活动中的具体行为实现起来有一定的步骤，每一个步骤称为活动行为单元，有明确的功能和技能要求，有完成该单元执行的角色。详细描述该行为在怎样的条件下，如何完成，采用哪些技术，产生和消耗哪些信息资源，需要哪些软件技术支持。
角色：执行活动行为单元的实体是角色。具体为算法、模型或软件组件，负责实施具体工作。例如，投料系统成员“基于产能约束的混合智能粗日投料”。该方法有如下步骤：产能需求量统计、产能资源量统计、产能约束判断、订单调整、通过神经网络建立计划模型、用免疫遗传算法得到月投料计划、用启发式策略生成日投料计划。这些步骤中有通用的，例如产能需求量统计、神经网络算法等；有专用的，例如用启发式策略生成日投料计划。通用步骤形成通用角色，专用步骤形成专用角色。每一个活动行为单元通过角色执行，角色为算法、模型、软件实体。
协同节点：选择业务系统，组织其完成协同目标，负责规划、协调业务系统流程，产生计划调度基本结构形式，业务系统节点与协同节点通过数据交换产生联系。
条件：作用的范围、要求和约束。
性能：对行为单元能力所受约束的明确表示，个体某些属性的量级。
能力：指为了实现目标，在特定条件下，活动行为单元的行为期望效果。通过一定的软件技术实现，受到一定的条件约束，有些用量化性能指标进行评价，有些用简单的完成与否进行评价。
数据交换节点：活动行为单元之间需要进行数据传递和交换，其形式和要求由数据交换节点进行组织管理。
技术：指所采用的方法、模型的具体实现载体。
标准：活动行为单元采用的技术以及单元之间的数据交换均有一定的标准规范。可以是书面文档，是技术实现、能力实现、数据交换相关的过程、程序、系统、人员等产品或行为的规范准则。
（2）体系结构框架元素之间的关系描述
17个体系结构框架元素之间存在四种核心关系：①协同关系。协同关系体现在共同完成优化目标的过程中，业务系统和数据之间的组织关系，平衡关系的节点载体为协同节点。②业务系统内部关系。业务系统内部关系体现在完成某一类计划或调度任务时，根据当前任务及其生产线状态，对其完成目标和方法的协同。③执行关系。执行关系体现在实现计划或调度功能的方法的流程管理上，很多方法的流程存在共性环节，共性环节和个性环节的不同之处体现在通用角色和专用角色两个方面，角色的载体为软件组件，通用角色组件可为多种方法共用。④作业关系。作业关系体现在流程环节的具体实现步骤上，研究的是每一个步骤的性能、能力、技术、标准之间的关系。四种关系在系统中实现，采用UML工具建模，用伪代码描述为图2-6～图2-9。
①协同关系 指协同节点、协同目标、业务系统、数据交换之间的关系。
协同节点关联被选择的业务系统，并选择时序结构组织业务系统完成协同目标（图2-6）。
图2-6 可重构体系结构的协同节点、协同目标、业务系统、数据交换及其关系
②业务系统内部关系 指业务系统成员、业务系统、业务节点、业务系统目标、业务对象、业务场景、业务活动之间的关系。
业务场景是环境条件，与协同目标以及协同节点选择的系统基本结构有关。例如协同目标是以投料问题为主，那么各调度业务活动可以选择派工方法这一业务系统成员完成，即计划-派工两层结构。业务对象为业务活动所要计划调度的资源集合（例如，工件集合、设备集合）。业务系统成员、业务系统、业务节点、业务系统目标、业务对象、业务场景、业务活动及其关系如图2-7所示。
图2-7 业务系统成员、业务系统、业务节点、业务系统目标、业务对象、业务场景、业务活动及其关系
③执行关系 业务活动、活动行为单元、角色、业务系统成员之间的关系。
业务活动的完成需要一系列步骤，每个步骤称为活动行为单元。业务活动的执行者为业务系统成员，活动行为单元的执行者为角色，业务系统成员由多个角色组成（图2-8）。这样，就可以分离出来相同功能的角色。例如，查询设备故障率功能在制定投料计划计算产能时会用到，在并行设备调度时会用到，在设备维护计划时也会用到，就可以通过软件组件的形式作为复用资产进行设计。角色实质上是业务系统成员与活动行为单元之间的接口。
图2-8 业务活动、活动行为单元、角色、业务系统成员及其关系
④作业关系 活动行为单元、条件、性能、能力、技术、数据交换节点、标准之间的关系。
活动行为单元，在一定条件约束下，完成业务活动的一个步骤，该步骤通过一定的技术实现，技术满足一定的标准规范，步骤完成即能力，完成效果用性能评价，其结果以数据文档形式存储，文档格式也满足一定的标准规范，可为下一个步骤所用，或者作为业务活动最终结果，为其他业务系统使用。活动行为单元、条件、性能、能力、技术、数据交换节点、标准的描述及关系如图2-9所示。
图2-9 活动行为单元、条件、性能、能力、技术、数据交换节点、标准及其关系
体系结构模型元素及其组成关系描述是体系结构可重构的必要部分，元素之间彼此联系，相互约束，是一个统一体。
2.2.3 面向生产计划与调度的体系结构框架的视角及模型
体系结构框架面向特定领域为体系结构的概念建模与分析提供通用平台和工具，是非结构化甚至是非标准化的。基于体系结构框架构建体系结构时，重点在于建立各视角模型，并确立模型之间的关系以及保持模型的一致性，从而为业务需求的实现和信息系统资源之间的匹配搭建系统化、集成化结构。其中的两个关键要素就是视角和模型，不仅需要在体系结构的框架设计中对二者有全面、准确的定义，在体系结构视角中，剖析模型元素之间的逻辑关系；而且在基于框架的体系结构的构建时，也需要根据对象业务的特点和需求，有针对性地权衡取舍合理视角，并完成相应视角模型的设计。
体系结构框架的视角：分类体系信息，按照一定形式组织体系信息，对计划调度系统进行建模、集成和互操作，需要详细说明体系信息的组织、分类和关系，从而得到不同分类的体系结构模型。
体系结构框架的模型：也称为体系结构产品［14］，用于从不同的方面具体细化描述某一视角下的行为和组织关系，通常使用视图、模型、图表、文本等表达形式。
参考体系结构框架的一般概念模型和2.1.2节介绍的代表性体系结构框架系统，我们从制造系统生产计划与调度研究的特点和需求出发，给出生产计划与调度体系结构框架的三个基本视角（Viewpoint），并以此作线索为体系结构框架的17个基本元素（见2.2.2节）进行分类。三个视角分别为：业务系统视角（Business System Viewpoint）、业务过程视角（Business Process Viewpoint）、协同视角（Cooperating Viewpoint）。每个视角下，又通过配备相应的模型，提供对不同方面的不同关注点的描述能力。
（1）业务系统视角（Business System Viewpoint）
该视角描述完成任务目标所需要的业务对象、业务场景、业务活动及行为，用以说明生产计划与调度系统的组织层次和行为关系。包括如下四类模型：任务描述模型（BSV-1）、目标活动视图（BSV-2）、业务节点模型（BSV-3）和系统维护模型（BSV-4）。这些体系结构模型与可重构体系结构模型元素之间的关系如图2-10所示。
图2-10 业务系统视角结构模型与可重构体系结构模型元素间关系
①任务描述模型（BSV-1）
描述在业务系统目标下，业务活动的行为特性以及业务对象和业务场景。
例如，投料这一业务活动，其业务对象为“来自客户订单中的待投料工件”，业务场景为“为待投料工件制定粗日投料计划”，一旦获得待投料工件信息，即触发投料业务活动。
例如，瓶颈调度这一业务活动，其业务对象为“调度期内预期到达瓶颈区和已经在瓶颈区的工件集合，以及瓶颈区的并行设备集合”，业务目标为“均衡并行设备负载”，业务场景为“为工件安排设备”。当获得工件集合与设备集合后，即触发瓶颈设备调度业务活动。
计划和调度的共性是确定业务对象和场景后，即触发业务活动。
②目标活动视图（BSV-2）
活动行为单元支持业务活动完成业务系统目标。
例如，当投料系统的目标为“按照交货期紧急程度”投料时，其投料业务活动为“计算生产线能力因子，以工件的平均加工周期等值作为投料优先级的依据，根据优先级投料”；当投料系统的目标为“固定在制品水平”时，其业务活动为“完成一个工件、投入一个工件”。这两种投料业务活动分别由不同的活动行为单元序列支持完成。
例如，当瓶颈调度系统的目标为“均衡瓶颈区并行设备负载”时，业务活动为“计算调度期内将要在瓶颈加工的工件集合，根据相关属性值，通过优化算法为工件集合中的工件分配设备”；当瓶颈调度系统的业务目标为“均衡生产线能力”，业务对象为“瓶颈区缓冲队列的工件”集合，业务场景为“减少瓶颈漂移”时，其业务活动为“根据工件的上一次瓶颈操作的结束时间等属性，通过启发规则计算，计算工件集合中的工件的优先级”。这两种瓶颈调度业务活动分别由不同的活动行为单元序列支持完成。
③业务节点模型（BSV-3）
该视图包括业务系统、业务节点、业务系统成员、角色。描述组织间的层次结构及职责，需要明确说明各组织必要的能力，角色负责具体行为的实施，对其实施效果有相应的性能评价。
业务节点的作用是针对可重构需求，对被选择的业务系统成员及其角色进行动态关联管理，在执行重构要求后，对业务系统成员和角色进行评价，触发业务系统以及业务系统成员的增、删、改、保存、评价等管理动作。业务节点体现的是重构动态执行过程。
④系统维护模型（BSV-4）
业务系统完成相应的计划调度任务，负责维护其成员，每个成员具体为完成业务任务的方法，随着时间推进，可以删除不再使用的成员，更新一些成员，加入一些成员。这正是业务知识经验得以保存演进的关键之处。
业务系统成员方法的具体执行者为角色，每个成员方法包含有动作序列，每个序列称为活动行为单元，由相应的角色完成。业务系统成员负责对完成动作序列的角色进行管理维护，随着时间推进，对角色功能进行增、删、改维护操作。
除上述增、删、改维护动作之外，还维护业务节点反馈的对系统成员、角色的使用及评价历史记录。
（2）业务过程视角（Business Process Viewpoint）
业务过程视角主要描述业务活动转化为活动行为单元并执行的过程，以及过程中的信息交换，详细说明业务过程是如何推进系统目标完成的，并对协同视角提出服务需求。包括如下视图和模型：业务活动模型（BPV-1）、活动行为单元时序图（BPV-2）、业务过程模型（BPV-3）、业务逻辑数据模型（BPV-4）。这些体系结构模型与体系结构模型元素之间的关系如图2-11所示。
图2-11 业务过程视角体系结构模型与体系结构模型元素间关系
①业务活动模型（BPV-1）
业务活动模型描述业务活动与活动行为单元、活动行为单元内部之间的信息流以及具体执行情况。
②活动行为单元时序图（BPV-2）
活动行为单元时序图用于描述活动行为单元的执行序列以及数据交换。活动行为单元时序图与业务场景中的业务对象及其事件对应，当事件发生时，触发活动行为单元时序图的执行。
③业务过程模型（BPV-3）
业务过程模型具有执行逻辑，描述了业务活动的实现逻辑，明确活动行为单元由角色执行的具体过程。
④业务逻辑数据模型（BPV-4）
业务逻辑数据模型与同视角的其他模型相关，描述业务过程中的实体和实体之间的关系的数据类型属性及关系。
（3）协同视角（Cooperating Viewpoint）
协同视角描述实现方案的执行，是可重构体系的核心部分，各种业务活动及业务流程依赖于各自的业务系统，业务系统具有的能力以及相互之间的协作构成计划调度的集成，每次协同的结构可以相同也可以不同。协同视角描述了方案由哪些业务系统组成，各系统实现的功能，系统之间进行的数据交换，协同功能对业务系统及活动行为单元的支持。协同视角体系结构模型有：系统接口视图（CV-1）、协同节点模型（CV-2）、通用角色维护模型（CV-3）、协同性能视图（CV-4）、协同时序图（CV-5）、物理数据模型（CV-6）。这些体系结构模型与可重构模型元素之间的关系如图2-12所示。
①系统接口视图（CV-1）
业务节点负责根据协同目标关联重构所需要的业务系统。由于业务系统是根据生产线数据进行业务活动，业务系统之间并不发生直接数据交换。因此该视图除了描述业务节点与业务系统之间的关联，还需要描述业务系统与生产系统或者生产线仿真系统之间的数据交换，说明各系统、各成员、各角色需要的参数及输出的结果。
②协同节点模型（CV-2）
进行人机交互，分析生产线数据，判断生产线态势，确定基本计划调度结构，选择参与重构的业务系统和业务系统成员驻留业务节点上。业务系统与业务节点之间的数据交换通过系统接口视图描述。接受业务节点反馈，维护基本计划调度结构与业务系统之间的关系，维护通用角色库。
③通用角色维护模型（CV-3）
角色完成活动行为单元功能，分为通用角色与专用角色。有的角色可以在多个活动行为单元之间通用。在本视图中，对通用角色进行描述，说明角色能够完成哪些行为单元的功能及其所需要的参数。专用角色的维护在BSV-4模型中描述。
图2-12 协同视角体系结构模型与可重构模型元素间的关系
④协同性能视图（CV-4）
描述生产线管理调整的效果，通过相关的性能指标来衡量每次协同的效果。
⑤协同时序图（CV-5）
描述相关业务系统在协同中的时序逻辑关系。
⑥物理数据模型（CV-6）
描述数据交换节点的功能，完成协同节点、业务节点、业务系统、业务系统成员、角色的通信需求。需要清楚地描述各实体在数据库中的存储结构和依赖关系。
2.2.4 面向生产计划与调度的体系结构框架的特点分析
面向生产计划与调度的可重构体系结构框架（Production Planning and Scheduling-oriented Architecture Framework，PPSAF）借鉴了Zachman框架和DoDAF2.0框架的思想。框架在描述了通用的框架基本元素及其关系的基础上，分别从三个视角对框架元素加以分类并设计组织结构，旨在保障该体系结构框架能够满足生产计划与调度体系构建的同时，为体系结构开发过程中保持各个体系结构模型的内在一致性奠定基础。
本节提出的PPSAF框架除了具备支持应用体系结构构建和面向对象（制造系统生产计划与调度）领域应用的体系结构框架的基本特点外，还在集约性和动态描述能力方面也表现出优势。
Zachman框架侧重于系统开发生命周期过程中的6种不同参与者对系统6个方面的关注点，形成36个模型产品。DoDAF2.0主要用于国防作战体系研究，侧重于体系结构的建模与表现，有8个视角52个模型。PPSAF以生产计划与调度系统为侧重对象，通过3个视角14个模型（表2-2）建立描述集成化计划与调度体系结构的描述框架，能够满足制造系统生产计划与调度应用的业务需求，很好地将信息技术领域与业务技术领域融合为一体。对于表2-2所列出的PPSAF各框架模型的内容和建模过程，将结合面向多重入复杂制造系统生产计划与调度实例化体系结构搭建。
表2-2 可重构体系结构框架的体系结构模型
PPSAF框架为搭建具有可重构能力的生产计划与调度体系结构提供支持（见2.2.1节的分析），特别增强了对动态行为和过程的整合能力。
①以计划调度业务流程为中心，将核心系统与协同系统明确分工并描述：核心系统主要有计划调度业务功能实现的业务系统、业务活动、活动行为单元体系；辅助系统主要有协同目标、协同节点、技术、标准等内容。
②体系具有适应性特点，功能的实现有较大灵活性。具体体现为：首先，计划调度方法的具体实现过程由于一些通用的活动行为单元存在，可以加速开发过程；其次，计划或调度功能的实现过程，可以通过多种方法实现，便于比较和优化方案；最后，计划调度整体的体系结构可以表现为计划-优化-派工、计划-优化、计划-派工、计划-优化-重调度等多重形式，为计划调度决策提供了有力支撑。