全局性視角下智能制造信息系統(tǒng)關(guān)鍵性技術(shù)研究

許方恒，張雯

摘要：當(dāng)前我國智能制造信息系統(tǒng)規(guī)模越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對資源動態(tài)調(diào)配和系統(tǒng)良性運(yùn)作的要求也越來越高。研究對系統(tǒng)起關(guān)鍵性的技術(shù)變得尤為重要，它是發(fā)展智能制造的瓶頸問題，也關(guān)系到智能制造系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞： 智能制造信息系統(tǒng)；關(guān)鍵性技術(shù)；轉(zhuǎn)型升級

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）32-0112-03

當(dāng)前，智能制造信息系統(tǒng)（SMIS）習(xí)慣性地被認(rèn)為是技術(shù)系統(tǒng)，主要是因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)開發(fā)過程中用到了系統(tǒng)建模、機(jī)械論、還原論等各種分析方法。但智能制造信息系統(tǒng)是包含人、軟件、硬件、數(shù)據(jù)、過程各方面的復(fù)雜技術(shù)組織系統(tǒng)[1]。如果還是單靠傳統(tǒng)的研究方法，很難全面客觀地表述動態(tài)環(huán)境下信息系統(tǒng)的運(yùn)作過程和行為[2]。因此，在研究智能制造信息系統(tǒng)時(shí)，要摒棄舊的研究理論和方法，引入新的研究理論和方法，采用復(fù)雜系統(tǒng)思想，以期從本質(zhì)上研究智能制造模式下信息系統(tǒng)的動態(tài)特征與魯棒性之間的辯證關(guān)系[3]。魯棒性是SMIS的關(guān)鍵性技術(shù)，直接影響系統(tǒng)是否能良性運(yùn)作，與資源的動態(tài)調(diào)配密切相關(guān)。所以，魯棒性分析是直接關(guān)系SMIS轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵所在[4]。

1魯棒性的研究意義

1.1 理論意義

近年來，SMIS已成為智能制造和信息系統(tǒng)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，因其復(fù)雜性，它是人、數(shù)據(jù)、過程及軟硬件的一個(gè)綜合體[5]。本項(xiàng)目前期已經(jīng)做了一些理論研究工作，取得一點(diǎn)研究成果。但SMIS是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)組織系統(tǒng)，魯棒性是由系統(tǒng)內(nèi)部所有元素一起作用產(chǎn)生的結(jié)果，其難度和復(fù)雜性不言而喻。在研究智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級時(shí)，必須要嘗試從各個(gè)不同角度、運(yùn)用各種創(chuàng)新的方法去研究[6]。當(dāng)下SMIS的研究仍處于初級階段，沒有現(xiàn)成的、照搬的、拿來就能用的方法和手段，所以在研究本項(xiàng)目時(shí)就像摸著石頭過河，要不斷去嘗試，不斷去驗(yàn)證、不斷去改進(jìn)。由于SMIS是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，研究其關(guān)鍵性技術(shù)-魯棒性，涉及多個(gè)交叉學(xué)科，例如計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制科學(xué)、管理學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等，魯棒性是決定SMIS是否良性運(yùn)作的綜合表現(xiàn)，通過它也能全面、客觀、系統(tǒng)把控信息系統(tǒng)。本項(xiàng)目嘗試以一個(gè)管理視角從全局性視角下去研究SMIS，的確是一種創(chuàng)新的嘗試。

1.2 實(shí)踐意義

智能制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，其水平高低取決于信息化建設(shè)的水平高低，而魯棒性的好壞直接決定產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的成敗。對于當(dāng)下的SMIS來講，根本問題還是在于全面、系統(tǒng)地研究良好的魯棒性，關(guān)鍵如何將大量分散的資源進(jìn)行良好的動態(tài)調(diào)配，這正是影響智能制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵問題。從本質(zhì)上研究系統(tǒng)與魯棒性的交互關(guān)系、運(yùn)作機(jī)理、行為特性顯得尤為重要，魯棒性分析、魯棒性設(shè)計(jì)、魯棒性運(yùn)作、魯棒性管控是魯棒性研究的幾個(gè)重要因素。以上這些因素的研究成果都是目前企業(yè)轉(zhuǎn)型升級中亟待解決的關(guān)鍵因素，也為企業(yè)的管理者實(shí)施科學(xué)的、精準(zhǔn)的管理決策提供了有意義的指導(dǎo)價(jià)值。

2項(xiàng)目主要研究目標(biāo)、研究內(nèi)容

全局性視角下智能制造信息系統(tǒng)關(guān)鍵性技術(shù)研究主要從以下幾個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行研究：

2.1 研究目標(biāo)

本項(xiàng)目研究嘗試從管理者的全局性視角去探究SMIS與魯棒性之間的最佳關(guān)系，主要包括：SMIS復(fù)雜系統(tǒng)特征如何體現(xiàn)、SMIS與魯棒性如何交互、魯棒性的重要影響因素、魯棒性設(shè)計(jì)、控制的機(jī)理、閾值等等。要擺脫傳統(tǒng)研究方法和理論的束縛，另辟蹊徑，從全局性視角去探索新理論、新方法，以期為智能制造的建設(shè)與管理提供一些有益的決策依據(jù)。

2.2 研究內(nèi)容

本課題主要研究以下5個(gè)方面的內(nèi)容：

①SMIS與復(fù)雜系統(tǒng)研究方法的文獻(xiàn)研究。本課題研究的目的就是弄清SMIS與魯棒性的相關(guān)研究理論和方法，闡述智能制造與魯棒性的內(nèi)涵。②SMIS框架體系與魯棒性影響因素。參照智能制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從不同的維度來闡述SMIS的框架體系，從多個(gè)角度分析魯棒性的影響因素。③SMIS魯棒性控制跟交互關(guān)系之間的影響探究。EIS間交互關(guān)系是SMIS運(yùn)作的前提條件，SMIS魯棒性水平高低也取決于交互關(guān)系的好壞。④SMIS魯棒性跟資源故障之間的關(guān)系探究。智能制造信息系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其資源故障也與日俱增，對魯棒性會帶來更嚴(yán)重的沖擊。如果合理調(diào)度資源，成為影響SMIS魯棒性與資源故障間的核心問題。⑤SMIS魯棒性控制與數(shù)據(jù)質(zhì)量之間的探究。SMIS每天要處理海量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的質(zhì)量也直接關(guān)乎魯棒性的良性運(yùn)作。研究數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞與錯誤率與魯棒性良性運(yùn)作之間的關(guān)系，以便提前預(yù)判錯誤的原因，編寫相應(yīng)的算法助力魯棒性控制。圖1所示為交互關(guān)系對魯棒性的影響因素算法研究，也是本項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容之一。

3 研究成果

項(xiàng)目經(jīng)過2年的科學(xué)研究，取得了一定的研究成果，具體如下：

①已經(jīng)構(gòu)建了SMIS框架橫向和縱向兩個(gè)體系模型。以產(chǎn)品全生命周期內(nèi)所有價(jià)值創(chuàng)造活動描述了橫向框架體系，包含一個(gè)云平臺和多個(gè)EIS兩個(gè)部分，框架模型圖如圖2所示?？v向體系模型以信息價(jià)值鏈為指引，按照數(shù)據(jù)流向?qū)⒛Ｐ蛣澐譃?個(gè)層次，從下往上，依次為數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、信息層、知識層、應(yīng)用層，框架模型如圖3所示。

②交互性關(guān)系影響下的SMIS魯棒性模型及算法研究。良好的智能制造系統(tǒng)的關(guān)鍵在于信息系統(tǒng)的健康運(yùn)作，如何主動地保持系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和水平，如何盡可能地掌握系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制、原理和特征尤為關(guān)鍵。本項(xiàng)目主要研究SMIS的復(fù)雜系統(tǒng)特征與系統(tǒng)內(nèi)部的交互關(guān)系，SMIS的運(yùn)作采用了絕熱近似理論、協(xié)同學(xué)理論等多種復(fù)雜理論，從而構(gòu)建非線性動力學(xué)模型，SMIS魯棒性的交互過程則通過引入穩(wěn)定性理論及相應(yīng)的算法，進(jìn)一步剖析交互作用關(guān)系，進(jìn)而確定智能制造信息系統(tǒng)的魯棒性交互運(yùn)作的閾值。為了能夠驗(yàn)證本項(xiàng)目所提出的研究算法的可行性和可操作性，將相關(guān)方法應(yīng)用到具體的制造企業(yè)中去，從而得到最有力的數(shù)據(jù)和實(shí)踐證明。

圖4是對算法的具體運(yùn)用，其步驟可以描述為以下幾點(diǎn)：

（1）首先是將跨組織信息系統(tǒng)中的每個(gè)EIS一分為二，分成一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)和一個(gè)組織系統(tǒng)。這樣跨組織信息系統(tǒng)就轉(zhuǎn)換為一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)層和一個(gè)組織系統(tǒng)層2個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)，其中前者是技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，后者是組織系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)系統(tǒng)之間與組織系統(tǒng)之間的關(guān)系與EIS之間的關(guān)系一致。接下來分別評估技術(shù)系統(tǒng)和組織系統(tǒng)的交換關(guān)系。技術(shù)系統(tǒng)之間的交互關(guān)系評估可以從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、語義與語法等視角來展開。組織系統(tǒng)間的交互關(guān)系評估可以從系統(tǒng)戰(zhàn)略、組織結(jié)構(gòu)與文化、管理過程等視角展開。評估的結(jié)果就是要找出每個(gè)參數(shù)的真實(shí)值，確定兩者之間的最優(yōu)交互關(guān)系。

（2）其次是調(diào)整或刪除不良的交互關(guān)系。由于早期EIS的交互關(guān)系建立在業(yè)務(wù)基礎(chǔ)之上，導(dǎo)致不良的交互關(guān)系出現(xiàn)頻率較高。為了改善這種情況，可以對不恰當(dāng)?shù)梢哉{(diào)整的交互關(guān)系進(jìn)行修正，比方使數(shù)據(jù)交換格式一致、增加組織文化間的兼容性；刪掉不恰當(dāng)?shù)那也豢烧{(diào)整的交互關(guān)系，例如刪除無法調(diào)整或者調(diào)整代價(jià)較高的交互關(guān)系；通過對系統(tǒng)的全面評估得到的結(jié)果以及結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生的情況，來對EIS進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使之達(dá)到最佳狀態(tài)，例如進(jìn)一步縮減過剩投入，主要針對技術(shù)系統(tǒng)或組織系統(tǒng)。重新調(diào)整結(jié)對的技術(shù)系統(tǒng)和組織系統(tǒng)之間的關(guān)系，使系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)作更加優(yōu)化，能夠形成良好魯棒運(yùn)作的跨組織信息系統(tǒng)。

（3）再次是跨組織信息系統(tǒng)的動態(tài)演化，其目的是搞清楚跨組織信息系統(tǒng)的自組織演化規(guī)律，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)不明原因的異常情況時(shí)，要能根據(jù)實(shí)際情況來及時(shí)調(diào)整EIS之間的交互關(guān)系。實(shí)時(shí)、動態(tài)地調(diào)整EIS間的交互關(guān)系是在跨組織信息系統(tǒng)的演化過程中特別需要關(guān)注的問題，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)中時(shí)，那么必須建立對應(yīng)的新的交互關(guān)系，如果有節(jié)點(diǎn)脫離系統(tǒng)時(shí)，必須要將舊的交互關(guān)系清除掉，并且刪除相應(yīng)業(yè)務(wù)關(guān)系。新的交互關(guān)系建立時(shí)時(shí)要考慮業(yè)務(wù)之間、EIS之間的匹配性。

（4）最后一步是模型驗(yàn)證與改進(jìn)，其主要目的是項(xiàng)目方案能與跨組織信息系統(tǒng)的動態(tài)性高度吻合，不斷完善、不斷修改、不斷改進(jìn)方案?？傮w上來講，主要統(tǒng)計(jì)在動態(tài)演化過程中產(chǎn)生的實(shí)際的魯棒性問題與理論的魯棒性問題進(jìn)行全面對比，從而找出兩類魯棒性之間存在的差異，并進(jìn)行改進(jìn)和完善，確保方案模型的正確性。當(dāng)改進(jìn)方案仍無法滿足需求，跳轉(zhuǎn)到步驟1，然后依次執(zhí)行步驟2至步驟4。

本項(xiàng)目對EIS對SMIS魯棒性進(jìn)行了算法的設(shè)計(jì)和深入的仿真實(shí)驗(yàn)，得到了大量的翔實(shí)的數(shù)據(jù)和仿真效果圖。由于文章篇幅有限，就不具體展開了。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目從全局性視角下來研究智能制造信息系統(tǒng)魯棒性與交互關(guān)系、魯棒性與資源調(diào)度故障、魯棒性控制與數(shù)據(jù)質(zhì)量三者之間的關(guān)系，突破了傳統(tǒng)的研究視角和研究方法，希望探究出SMIS魯棒性分析、魯棒性設(shè)計(jì)、魯棒性控制的有效途徑，為智能制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級提供一點(diǎn)參考意義，嘗試解決智能制造系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題。目前，本項(xiàng)目研究已經(jīng)取得了一定的研究成果，比方說SMIS系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)、交互關(guān)系對魯棒性影響因素的算法等，但由于SMIS的研究在國內(nèi)尚處于初級階段，新理論和新方法可借鑒的不多，所以本項(xiàng)目的研究尚有局限性，從管理者全局性視角，采用復(fù)雜思維方法的研究還處于探索階段，下一階段還有很多方面需要改善和加強(qiáng)。

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【通聯(lián)編輯：王力】