3.1 面向复杂制造系统的计划与调度体系重构概述

3.1.1　可重构系统的结构及组成

可重构系统由可重构算法系统、可复用业务组件以及可重构控制引擎三个关键子系统组成，这些子系统有机结合，构成了可重构的计划与调度体系，如图3-1所示。

可重构算法系统：是完成计划调度的具有可重构性的执行系统，其前台界面、中层算法程序与仿真、后台数据库均具有与其他子系统相关联的接口，即通过控制引擎作用下的生产数据（业务数据）相关联。

可复用业务组件：每类业务组件完成一类计划调度功能，其具体表现形式为软件组件，分为复合组件和简单组件两类。

可重构控制引擎：与生产系统需求以及计划调度系统的执行直接相关，用于建立计划与调度任务之间的联系，在整个系统运行过程中处于判断调整计划调度体系的工作状态，协调计划、调度、优化、派工、重调度等系统组件之间的关系，以保证快速响应变化。基于数据与信息流工作，从而使得控制、协同和监控功能有条不紊地进行。

3.1.2　可重构的类别

按可重构的层次以及可重构的演化，将计划调度体系的可重构分为如下类别（图3-2）。

所谓构形，是指面对生产线状态发生变化，在约束条件下，计划调度体系为应对变化，确定系统之间的协同结构。当约束条件改变时，协同关系表现出另一种协同结构，故而重构也是从一个构形应用向另一个构形应用的转移。构形是系统在确定约束条件下的时空表示，时间方面的关联性体现在计划调度体系功能之间的时序递进约束；空间关联性体现在组件与算法的复用，计划调度在时间和空间下是动态变化的，一个构形就是一个协同模式。

计划与调度体系所起到的作用是将业务逻辑转换为体系结构下的子系统之间的协同，实现空间时间关联性的统一，从而达到根据生产环境的变化调整调度策略和资源分配，使生产管理维持较高水平的目的。

计划调度体系的重构能力，取决于决策者以及问题特点，是应对制造系统处理环节变化或由环境而导致不稳定的能力，这种能力来源于调整计划和调度，能够在一定程度上消除生产过程中的干扰带来的影响，当环境变化的时候通过一定程度的修改（作业顺序），可以得到很好性能［1～3］，这种局部或全局调整必然映射为结构上的变化。可以认为可重构是一种包容、纠错、快速反应等多能力的表现，是处理不确定因素的能力［4，5］。

3.1.3　可重构系统的复用层次

复杂制造系统的计划与调度的重构是由业务体系结构牵引信息系统进行的重构。逻辑可重构能力通过三个技术复用层次实现（图3-3）。第2章体系结构框架将计划和调度模型规范化为计划调度系统、系统成员以及活动行为单元等14个互相联系的模型进行管理，在需要实现业务重构时，通过系统级、组件级以及算法级复用组装应用系统从而实现所需要的重构。三个层次的重构实现基础是“复用”，“复用”已有的成果来产生计划调度方案［6］。

每一次为解决生产线计划和调度应用问题进行一次重构，形成一次特定应用，共享一个基础架构以及一组嵌入在这个架构上的通用组件，复用的是体系结构框架和软件组件资产。

①系统级复用　复用的是解决问题的过程，即“设计复用”。计划与调度的本质区别在于规划不同时间跨度下的资源利用。根据具体约束和需求，有“计划-调度优化”“计划-派工”“计划-调度优化-重调度”“计划-派工-重调度”四种基本结构。系统级重构的共性通过体系结构框架描述进行表达。应用系统层是具体问题的求解。例如，以某生产线的设备等基本数据为基础，动态生成该产线的仿真模型；以ERP系统订单及产品信息为基础，以输入时间窗口和工艺路线等为约束条件，可以进行“计划-调度优化”，产生时间窗口期内订单产品的投料计划、工件调度和设备调度方案。面对不同的生产线模型，对于混合智能投料算法，只需要重新计算产能供需，就可以产生投料计划（“应用”），实现智能投料优化的复用。

②组件级复用　复用的是计划与调度功能。在同样的假设前提下，计划调度方案的生成有多种优化方法，在软件实现上，每一种优化方法嵌入功能复用架构中，成为一个业务成员，例如投料计划中的业务成员有混合智能投料成员，还有细日投料成员，可以完成同样的投料功能，通过数据接口进行替换成员，形成功能级的复用，快速寻找合适的方案。对于基于产能约束的混合智能投料成员，其功能的实现同样有多种方式，例如目前该成员嵌入了神经网络算法和免疫算法，而这两种算法的核心实现过程可以利用现存标准算法，也可以自行通过代码实现，并且神经网络算法和免疫算法不仅可以用于投料计划，也可以用于调度优化。故而，在软件实现过程中，神经网络算法和免疫算法是智能投料成员的活动行为单元，在智能投料的时候，预留了活动行为单元管理的接口，可以调用这两种算法，如图3-4所示。

③算法级复用　复用的是算法与数据。对于活动行为单元的程序级实现过程，同样存在多种实现方式，有些通用组件可以服务于多个行为单元，例如，在许多调度优化中，需要判别瓶颈，瓶颈判别过程则作为一个可复用的通用角色来实现。这里，角色指实现部分通用或专用的功能，服务于计划与调度，区分于一般软件组件，分为通用和专用两类，是第2章体系结构模型中协同节点模型（CV-2）和通用角色维护模型（CV-3）中的概念。每个业务系统成员通过“活动行为单元管理”维护与自己相关的角色，通过检索符合约束条件的组件，并将其功能、性能、应用领域、约束条件等信息转化为符合系统当下要求的组件信息，这样为业务系统成员屏蔽了软件组件的语义、结构差异问题。此外，活动行为单元管理还应当存储系统实例运行的反馈信息。

④软件基础设施是复用实现的基础　可以包含第三方软件组件，如JavaBean/EJB、COM/DCOM、CORBA是主要的软件组件模型，广泛地应用于软件实现中。

所有层次关系紧密，将计划与调度可重构体系结构模型通过软件复用技术实现为有机的执行体，从而为逻辑重构提供支持平台，如图3-5所示。