全局性視角下智能制造信息系統關鍵性技術研究
來源:用戶上傳
作者:許方恒，張雯
摘要：當前我國智能制造信息系統規模越來越大、結構越來越復雜，對資源動態調配和系統良性運作的要求也越來越高。研究對系統起關鍵性的技術變得尤為重要，它是發展智能制造的瓶頸問題，也關系到智能制造系統的轉型升級。
關鍵詞： 智能制造信息系統；關鍵性技術；轉型升級
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A
文章編號：1009-3044（2022）32-0112-03
當前，智能制造信息系統（SMIS）習慣性地被認為是技術系統，主要是因為信息系統開發過程中用到了系統建模、機械論、還原論等各種分析方法。但智能制造信息系統是包含人、軟件、硬件、數據、過程各方面的復雜技術組織系統[1]。如果還是單靠傳統的研究方法，很難全面客觀地表述動態環境下信息系統的運作過程和行為[2]。因此，在研究智能制造信息系統時，要摒棄舊的研究理論和方法，引入新的研究理論和方法，采用復雜系統思想，以期從本質上研究智能制造模式下信息系統的動態特征與魯棒性之間的辯證關系[3]。魯棒性是SMIS的關鍵性技術，直接影響系統是否能良性運作，與資源的動態調配密切相關。所以，魯棒性分析是直接關系SMIS轉型升級的關鍵所在[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領域研究的重點，因其復雜性，它是人、數據、過程及軟硬件的一個綜合體[5]。本項目前期已經做了一些理論研究工作，取得一點研究成果。但SMIS是一個復雜的技術組織系統，魯棒性是由系統內部所有元素一起作用產生的結果，其難度和復雜性不言而喻。在研究智能制造產業轉型升級時，必須要嘗試從各個不同角度、運用各種創新的方法去研究[6]。當下SMIS的研究仍處于初級階段，沒有現成的、照搬的、拿來就能用的方法和手段，所以在研究本項目時就像摸著石頭過河，要不斷去嘗試，不斷去驗證、不斷去改進。由于SMIS是一個復雜系統，研究其關鍵性技術-魯棒性，涉及多個交叉學科，例如計算機科學、控制科學、管理學、信息科學、系統科學等，魯棒性是決定SMIS是否良性運作的綜合表現，通過它也能全面、客觀、系統把控信息系統。本項目嘗試以一個管理視角從全局性視角下去研究SMIS，的確是一種創新的嘗試。
1.2 實踐意義
智能制造產業的轉型升級，其水平高低取決于信息化建設的水平高低，而魯棒性的好壞直接決定產業轉型升級的成敗。對于當下的SMIS來講，根本問題還是在于全面、系統地研究良好的魯棒性，關鍵如何將大量分散的資源進行良好的動態調配，這正是影響智能制造系統轉型升級的關鍵問題。從本質上研究系統與魯棒性的交互關系、運作機理、行為特性顯得尤為重要，魯棒性分析、魯棒性設計、魯棒性運作、魯棒性管控是魯棒性研究的幾個重要因素。以上這些因素的研究成果都是目前企業轉型升級中亟待解決的關鍵因素，也為企業的管理者實施科學的、精準的管理決策提供了有意義的指導價值。
2項目主要研究目標、研究內容
全局性視角下智能制造信息系統關鍵性技術研究主要從以下幾個方面內容進行研究：
2.1 研究目標
本項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系，主要包括：SMIS復雜系統特征如何體現、SMIS與魯棒性如何交互、魯棒性的重要影響因素、魯棒性設計、控制的機理、閾值等等。要擺脫傳統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與管理提供一些有益的決策依據。
2.2 研究內容
本課題主要研究以下5個方面的內容：
①SMIS與復雜系統研究方法的文獻研究。本課題研究的目的就是弄清SMIS與魯棒性的相關研究理論和方法，闡述智能制造與魯棒性的內涵。②SMIS框架體系與魯棒性影響因素。參照智能制造產業標準，從不同的維度來闡述SMIS的框架體系，從多個角度分析魯棒性的影響因素。③SMIS棒性控制跟交互關系之間的影響探究。EIS間交互關系是SMIS運作的前提條件，SMIS魯棒性水平高低也取決于交互關系的好壞。④SMIS魯棒性跟資源故障之間的關系探究。智能制造信息系統的規模不斷擴大，其資源故障也與日俱增，對魯棒性會帶來更嚴重的沖擊。如果合理調度資源，成為影響SMIS魯棒性與資源故障間的核心問題。⑤SMIS魯棒性控制與數據質量之間的探究。SMIS每天要處理海量的數據，數據的質量也直接關乎魯棒性的良性運作。研究數據質量的好壞與錯誤率與魯棒性良性運作之間的關系，以便提前預判錯誤的原因，編寫相應的算法助力魯棒性控制。圖1所示為交互關系對魯棒性的影響因素算法研究，也是本項目的主要研究內容之一。
3 研究成果
項目經過2年的科學研究，取得了一定的研究成果，具體如下：
?、僖呀洏嫿薙MIS框架橫向和縱向兩個體系模型。以產品全生命周期內所有價值創造活動描述了橫向框架體系，包含一個云平臺和多個EIS兩個部分，框架模型圖如圖2所示?？v向體系模型以信息價值鏈為指引，按照數據流向將模型劃分為6個層次，從下往上，依次為數據獲取層、數據傳輸層、數據存儲層、信息層、知識層、應用層，框架模型如圖3所示。
②交互性關系影響下的SMIS魯棒性模型及算法研究。良好的智能制造系統的關鍵在于信息系統的健康運作，如何主動地保持系統的運行狀態和水平，如何盡可能地掌握系統的內在運行機制、原理和特征尤為關鍵。本項目主要研究SMIS的復雜系統特征與系統內部的交互關系，SMIS的運作采用了絕熱近似理論、協同學理論等多種復雜理論，從而構建非線性動力學模型，SMIS魯棒性的交互過程則通過引入穩定性理論及相應的算法，進一步剖析交互作用關系，進而確定智能制造信息系統的魯棒性交互運作的閾值。為了能夠驗證本項目所提出的研究算法的可行性和可操作性，將相關方法應用到具體的制造企業中去，從而得到最有力的數據和實踐證明。
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圖4是對算法的具體運用，其步驟可以描述為以下幾點：
（1）首先是將跨組織信息系統中的每個EIS一分為二，分成一個技術系統和一個組織系統。這樣跨組織信息系統就轉換為一個技術系統層和一個組織系統層2個不同網絡，其中前者是技術系統構成的網絡，后者是組織系統構成的網絡，技術系統之間與組織系統之間的關系與EIS之間的關系一致。接下來分別評估技術系統和組織系統的交換關系。技術系統之間的交互關系評估可以從技術標準、數據格式、語義與語法等視角來展開。組織系統間的交互關系評估可以從系統戰略、組織結構與文化、管理過程等視角展開。評估的結果就是要找出每個參數的真實值，確定兩者之間的最優交互關系。
?。?）其次是調整或刪除不良的交互關系。由于早期EIS的交互關系建立在業務基礎之上，導致不良的交互關系出現頻率較高。為了改善這種情況，可以對不恰當但可以調整的交互關系進行修正，比方使數據交換格式一致、增加組織文化間的兼容性；刪掉不恰當的且不可調整的交互關系，例如刪除無法調整或者調整代價較高的交互關系；通過對系統的全面評估得到的結果以及結合系統實際運行產生的情況，來對EIS進行進一步優化，使之達到最佳狀態，例如進一步縮減過剩投入，主要針對技術系統或組織系統。重新調整結對的技術系統和組織系統之間的關系，使系統內部運作更加優化，能夠形成良好魯棒運作的跨組織信息系統。
?。?）再次是跨組織信息系統的動態演化，其目的是搞清楚跨組織信息系統的自組織演化規律，當系統出現不明原因的異常情況時，要能根據實際情況來及時調整EIS之間的交互關系。實時、動態地調整EIS間的交互關系是在跨組織信息系統的演化過程中特別需要關注的問題，如果有新的節點加入系統中時，那么必須建立對應的新的交互關系，如果有節點脫離系統時，必須要將舊的交互關系清除掉，并且刪除相應業務關系。新的交互關系建立時時要考慮業務之間、EIS之間的匹配性。
（4）最后一步是模型驗證與改進，其主要目的是項目方案能與跨組織信息系統的動態性高度吻合，不斷完善、不斷修改、不斷改進方案。總體上來講，主要統計在動態演化過程中產生的實際的魯棒性問題與理論的魯棒性問題進行全面對比，從而找出兩類魯棒性之間存在的差異，并進行改進和完善，確保方案模型的正確性。當改進方案仍無法滿足需求，跳轉到步驟1，然后依次執行步驟2至步驟4。
本項目對EIS對SMIS魯棒性進行了算法的設計和深入的仿真實驗，得到了大量的翔實的數據和仿真效果圖。由于文章篇幅有限，就不具體展開了。
4 結束語
本項目從全局性視角下來研究智能制造信息系統魯棒性與交互關系、魯棒性與資源調度故障、魯棒性控制與數據質量三者之間的關系，突破了傳統的研究視角和研究方法，希望探究出SMIS魯棒性分析、魯棒性設計、魯棒性控制的有效途徑，為智能制造系統轉型升級提供一點參考意義，嘗試解決智能制造系統發展的瓶頸問題。目前，本項目研究已經取得了一定的研究成果，比方說SMIS系統框架體系結構、交互關系對魯棒性影響因素的算法等，但由于SMIS的研究在國內尚處于初級階段，新理論和新方法可借鑒的不多，所以本項目的研究尚有局限性，從管理者全局性視角，采用復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。
參考文獻：
[1] S方恒，張雯.全局性視角下SMIS魯棒性分析及控制策略研究[J].電腦知識與技術，2021，17（5）：240-241.
[2] 李清，唐鴦磷，陳耀棠，等.智能制造體系架構、參考模型與標準化框架研究[J].計算機集成制造系統，2017，23（11）： 1-17.
[3] 侯瑞春，丁香乾，陶冶，等.制造物聯及相關技術架構研究[J].計算機集成制造系統，2014，20（1）：11-20.
[4] 梁培培.服務型制造信息系統的演化機理與動態特性分析[D].廣州：華南理工大學，2016.
[5] Tao F，Qi Q L.New IT driven service-oriented smart manufacturing：framework and characteristics[J].IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics：Systems，2019，49（1）：81-91.
[6] González-Rojas O，Ochoa-Venegas L.A decision model and system for planning and adapting the configuration of enterprise information systems[J].Computers in Industry，2017，92/93：161-177.
【通聯編輯：王力】
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