2.3 复杂制造系统生产计划与调度体系结构的构建
在2.2节我们提出了一个面向生产计划与调度领域应用的PPSAF框架，这是一个由3个视角14个模型组成的体系结构建模工具。基于此框架的生产计划与调度体系结构的构建，就是运用框架提供的模型工具，分别从不同的视角对复杂制造系统生产计划与调度涉及的决策问题、业务过程及相互的协同关系加以建模描述。
2.3.1 业务系统视角模型建立
业务系统视角包括4个模型：任务描述模型、目标活动视图、业务节点模型、系统维护模型。
（1）任务描述模型（BSV-1）
建立业务系统目标下的任务场景，说明完成此任务的业务对象和业务活动，是业务系统成员的执行基础。
例如，某投料优化任务描述。
业务场景：基于产能约束的混合智能粗日投料。
业务活动：通过模糊模拟、人工神经网络、人工免疫算法的混合智能算法得到月投料计划。基于产品的交货期紧急度和加工周期长短构造启发式策略，将月投料计划进一步细化为日投料计划。
业务活动条件：客户满意度，生产线产能限制。
业务活动目标：保持在制品水平均衡，提高准时交货率。
业务对象：指订单中待投料产品类型与数量、生产线WIP及设备列表。当得到待投料产品类型与数量之后，触发产能供求计算的业务活动时序图。
模型参数：输入参数包括计划周期，输出参数包括日投料计划。
任务描述相关元素的定义如表2-3所示。
表2-3 任务描述相关元素定义
（2）目标活动视图（BSV-2）
业务活动为完成某目标而进行的一系列步骤，以图形或文本的形式描述所包含的业务活动行为单元。
例如，基于产能约束的混合智能粗日投料的目标活动视图如图2-13所示。
图2-13 混合智能粗日投料的目标活动视图
目标活动视图的元素有业务活动和活动行为单元（表2-4）。
表2-4 目标活动视图元素
（3）业务节点模型（BSV-3）
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。业务节点是一个连接点，该视图描述了协同节点所选业务系统的关联，对所选业务系统及其成员角色的关联，向业务系统反馈业务系统成员执行效果，向业务系统成员反馈角色执行效果，触发二者的增、删、改以及保存历史记录等管理动作。
假设某次进行瓶颈优化调度研究，其重构结构为“计划-调度优化”，图2-14描述了业务节点对投料计划系统、瓶颈调度优化系统、实时派工系统、设备维护计划系统、订单系统、生产系统或仿真系统的关联。
图2-14 业务节点关联业务系统的描述（BSV-3）
可以使用体系结构建模工具，例如System Architect（SA）的DoDAF ABM（Activity Based Method）模块作为工具建模。相应的模型元素遵从该工具定义。至少要描述信息元素与信息传输。
信息元素相关描述项有：信息交换的名称、信息交换内容及类型、信息交换发起方名称、发起的业务活动名称、接收方名称、接收的业务活动名称。
信息传输相关描述项有：传输类型、触发传输的事件。
（4）系统维护模型（BSV-4）
该视图说明业务系统、业务系统成员、角色之间的关系，并描述业务系统对业务系统成员的管理，业务系统成员对活动行为单元和专用角色的管理，此外还接收业务节点反馈的对系统成员、角色的使用及评价历史记录。可以用树状图，或者UML工具来描述。
例如，投料计划业务系统与其业务系统成员的关系用UML工具建模，如图2-15所示。
图2-15 投料计划业务系统与其业务系统成员的关系
注：图中0..1表示该端可以有0个或1个。
投料计划业务系统对其业务系统成员的使用活动用UML工具建模，如图2-16所示。建模元素用建模工具元素进行定义。
图2-16 投料计划业务系统选择成员完成任务活动图
2.3.2 业务过程视角模型建立
业务过程视角包括4个模型：业务活动模型、活动行为单元时序图、业务过程模型、业务逻辑数据模型。
（1）业务活动模型（BPV-1）
描述业务活动与活动行为单元之间、活动行为单元内部之间的信息流。具体执行情况通过业务过程模型描述。例如，基于产能约束的混合智能粗日投料业务活动模型如图2-17所示。描述该模型的必要元素有业务活动、输入/输出信息流。
图2-17 基于产能约束的混合智能粗日投料业务活动模型
（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，时序图可以用UML活动顺序图描述。例如，基于产能约束的混合智能粗日投料活动，其活动行为单元时序图如图2-18所示，预期交货期投料的活动行为单元时序图如图2-19所示。需要描述活动、活动行为单元、资源链接、信息交换、业务活动提供服务以及接受服务说明。
图2-18 基于产能约束的混合智能粗日投料活动行为单元时序图
图2-19 预期交货期投料的活动行为单元时序图
（3）业务过程模型（BPV-3）
业务过程模型描述了业务活动的执行细节和具体的执行业务流程，可以用程序流程图说明。例如，混合智能算法流程图如图2-20所示［15］。
图2-20 基于产能约束的混合智能粗日投料业务过程模型
（4）业务逻辑数据模型（BPV-4）
该模型用于描述业务过程中的实体和实体之间关系的数据类型属性及关系，可以采用UML类图来描述，业务逻辑数据模型是物理数据模型的实现基础。图2-21给出的是与投料相关的业务逻辑数据模型。
图2-21 与投料相关的业务逻辑数据模型
注：图中1..*指1对多；0..1指0～1。
2.3.3 协同视角模型建立
协同视角包括6个模型：系统接口视图、协同节点模型、通用角色维护模型、协同性能视图、协同时序图以及物理数据模型。
（1）系统接口视图（CV-1）
描述业务节点与业务系统之间的关联，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。
接口视图需要描述的必要元素有：服务接口名称、服务接口ID、需求接口名称、需求接口ID、交换的数据元素名称、交换的数据元素类型。
系统接口按照连接的元素不同有如下类型。
①业务系统之间的接口 例如，生产系统模型与数据库之间的接口。半导体生产系统物理资源结构模型是相同的，只要定义一种模板作为接口，将生产线系统物理资源数据存储在数据库中，生成仿真模型的时候，不同的生产线模型数据通过模板接口加载进入仿真平台。再如，投料系统与生产仿真平台之间的接口为投料计划单，包含产品、数量、入线时间信息。这类模板型接口大多以数据表的形式存在。
②业务系统与业务系统成员之间的接口 主要包括管理接口、调用接口，需要说明业务系统的业务系统成员列表，对业务系统成员的增、删、改、维护操作接口，调用业务系统成员的输入参数和输出结果形式。这类接口多以用户界面及事件触发调用的形式存在。
③业务系统成员执行活动行为单元功能的角色之间的接口 角色调用参数描述，需要说明输入输出的参数名称和参数类型，在软件代码中实现。
此外还存在数据库访问接口、软件组件接口等技术接口，此时需要按照技术标准进行接口说明。例如，Plant Simulation平台加载运行模型，调用软件COM组件方法，其接口说明如表2-5所示。
表2-5 仿真系统加载运行模型的接口
（2）协同节点模型（CV-2）
协同节点模型维护基本计划调度结构与业务系统之间的关系，通过业务节点关联所选择的业务系统。协同节点的作用如图2-22所示，采用IDEF0建模工具建立，其主要功能模型如图2-23所示。
图2-22 协同节点作用
图2-23 协同节点主要功能模型
（3）通用角色维护模型（CV-3）
通用角色功能是能够服务于多个活动行为单元的角色，本质是一些比较通用的业务功能，简单的如查询WIP信息这样的查询功能，复杂的如遗传算法这样具有通用框架的功能。描述这类通用角色要确保满足角色所需要的输入条件，确保角色功能的粒度在合理程度。通用角色维护模型需要说明通用角色的功能，维护通用角色功能与活动行为单元之间的关系。通用角色功能分为以下几种。
①数据收集功能。常见的数据收集有工件属性信息、设备属性信息、生产线性能指标数据、工艺流程数据、设备加工相关数据的查询功能，为多个活动行为单元所需要。例如WIP相关数据收集，可查询调度期内WIP分布，返回分别在缓冲区、设备、投料计划的WIP数目，以及每个WIP的等待时间、加工时间、投料时间、交货期等属性信息。
②业务处理功能。常见的业务处理功能主要指简单派工规则的实现，有许多业务活动的行为单元，需要将一般设备（如非瓶颈设备、非批加工设备）的调度规则设置为FIFO等简单派工规则。
③性能统计与可视化功能。常见的有性能生产线统计的图表展示功能。
④其他具有全局服务性质的功能单元。
描述通用角色功能需要说明如下数据元素：功能说明、数据源说明、数据存储说明、输入输出参数说明、触发事件说明。描述工具可用IDEF0工具描述。例如，调度期Ts内的WIP分布情况查询功能描述如图2-24所示。
图2-24 调度期Ts内的WIP分布情况查询功能描述
通用角色功能与活动行为单元之间的关系是多对多的关系，通过二维表表示，其部分内容如表2-6所示，表中“n”表示不存在对应关系。
表2-6 通用角色功能与活动行为单元的对应关系的部分内容
（4）协同性能视图（CV-4）
协同性能视图是在各系统协同完成一次重构过程之后，对重构协同本身的性能评价。以图表文本等形式对业务系统、业务系统成员、通用角色的可获得性、可维护性、协同初始化时间、响应时间进行评价。这些对分析和细化应用系统设计有重要参考作用。
（5）协同时序图（CV-5）
各业务系统在协同时的时序位置形成计划调度结构，也是各业务系统的协同时序图（图2-25）。
图2-25 各业务系统协同时序图
（6）物理数据模型（CV-6）
物理数据模型是面向使用的数据模型，定义了系统数据的存储结构及关系。例如生产仿真系统、实时派工系统、投料计划系统及在线优化系统的物理数据模型，包括产品、加工区-设备、在线工件、投料、维护任务、派工单、性能统计、派工规则表。各数据库表字段说明以及表之间的依赖关系如图2-26所示。
2.3.4 体系结构模型之间的集成和重构关系
（1）集成关系
基于PPSAF构建的复杂制造系统生产计划与调度体系结构，是由一系列从不同视角出发建立起来的模型集合。根据侧重的作用不同，可以分为两大类：一类模型起到建立维护支持作用；另一类模型实现动态重构。前者是后者的依托和支持，后者是前者的动态演化。这两类模型全面合理地组成了体系结构的有机整体，也动态形成了整体一致的重构执行体。各个模型之间的集成和重构关系如图2-27所示。
图2-27 14个体系结构模型之间的集成和重构关系
建立维护类模型：任务描述模型（BSV-1）为每个业务系统的不同目标下的任务场景搭建框架，任务场景的业务活动对应目标活动视图（BSV-2）的业务活动，目标活动视图中活动行为单元之间的信息数据交换内容对应业务活动模型（BPV-1）资源流，活动行为单元之间的执行顺序对应活动行为单元时序图（BPV-2）。在通用角色维护模型（CV-3）里建立活动行为单元和角色之间的多对多对应关系，支持活动行为单元任务的执行。通过系统维护模型（BSV-4），将所搭建的各场景任务及其业务活动综合起来，其接口描述通过系统接口视图（CV-1）完成。业务系统有其共用的业务逻辑数据模型（BPV-4），在数据库中的存储结构与依赖关系由物理数据模型（CV-6）建立，每个业务活动成员均使用该数据模型完成任务，这样保持了互操作的一致性与整体性。
动态重构类模型：首先协同节点模型（CV-2）根据交互分析结果确定当前重构的结构，确定参与重构的业务系统及业务系统成员，并通过业务节点模型（BSV-3）将选择的系统及成员关联起来，根据协同时序图（CV-5），通过业务过程模型（BPV-3），完成各系统协同任务，最后由协同性能视图（CV-4）对此次重构协同进行评价。
系统接口视图（CV-1）中的业务系统之间的接口数据元素对应于业务节点模型（BSV-3）描述项信息交换内容和类型，业务系统与业务系统成员之间的接口对应于系统维护模型（BSV-4）系统成员管理接口。
（2）重构关系
体系结构的3个视角14个体系结构模型，分别从不同角度描述可重构体系结构的特定内容。14个模型之间重构关系的形成路径（图2-27）是可重构应用系统建立过程的元模型。
步骤①：建立系统维护模型（BSV-4）。
开发各业务系统成员，并向所属业务系统注册。建立业务系统成员的使用和评价数据格式。建立角色向业务系统成员注册表，并建立存储角色的使用记录和评价的数据格式。维护业务节点对系统成员、角色的使用及评价历史记录。
步骤②：开发目标活动视图（BSV-2）。
开发业务系统成员的活动行为单元，并建立执行活动行为单元的可用角色集合，登记在上一步骤中的注册表中。
步骤③：构建任务描述模型（BSV-1）。
建立任务场景包含的业务对象，建立触发业务活动的约束和事件。
步骤④：建立业务节点模型（BSV-3）。
建立所选择的业务系统之间的连接关系，建立业务系统与业务系统成员的连接关系，建立业务系统成员与角色的连接关系，并能够对这些关系进行管理。建立对业务系统成员和角色评价的机制，建立触发业务系统以及业务系统成员的增、删、改、保存、评价等管理动作的触发机制。
步骤⑤：建立业务活动模型（BPV-1）。
明确说明业务活动模型，描述业务活动与活动行为单元、活动行为单元之间的信息流，以及业务活动的输入输出要求。
步骤⑥：建立活动行为单元时序图（BPV-2）。
对步骤③步骤④中的触发事件建立业务活动时序图，若事件发生则会触发该时序图的执行。
步骤⑦：建立业务过程模型（BPV-3）。
详细构建活动行为单元、角色、数据之间的逻辑以及执行过程。
步骤⑧：建立业务逻辑数据模型（BPV-4）。
建立业务实体及其关系的数据描述，是物理数据模型的基础。
步骤⑨：建立协同节点模型（CV-2）。
建立协同节点的人机交互界面，建立分析生产线数据和判断生产线态势的模型。建立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。
步骤⑩：设计通用角色维护模型（CV-3）。
建立并维护通用角色与活动行为单元之间的关系。
步骤
：设计系统接口视图（CV-1）。
实现业务系统驻留业务节点的功能，建立业务系统与生产系统或生产仿真系统之间的数据交换。说明业务系统、业务系统成员、角色互相之间的，以及各自内部的输入输出数据内容及要求。
步骤
：建立协同时序图（CV-5）。
建立相关业务系统在协同中的时序逻辑。
步骤
：建立协同性能视图（CV-4）。
建立性能指标来衡量每次协同的效果，反映对生产线管理的效果。
步骤
：开发物理数据模型（CV-6）。
建立各实体在数据库中的存储结构和依赖关系。