全局性视角下智能制造信息系统关键性技术研究
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作者:许方恒，张雯
摘要：当前我国智能制造信息系统规模越来越大、结构越来越复杂，对资源动态调配和系统良性运作的要求也越来越高。研究对系统起关键性的技术变得尤为重要，它是发展智能制造的瓶颈问题，也关系到智能制造系统的转型升级。
关键词： 智能制造信息系统；关键性技术；转型升级
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）32-0112-03
当前，智能制造信息系统（SMIS）习惯性地被认为是技术系统，主要是因为信息系统开发过程中用到了系统建模、机械论、还原论等各种分析方法。但智能制造信息系统是包含人、软件、硬件、数据、过程各方面的复杂技术组织系统[1]。如果还是单靠传统的研究方法，很难全面客观地表述动态环境下信息系统的运作过程和行为[2]。因此，在研究智能制造信息系统时，要摒弃旧的研究理论和方法，引入新的研究理论和方法，采用复杂系统思想，以期从本质上研究智能制造模式下信息系统的动态特征与鲁棒性之间的辩证关系[3]。鲁棒性是SMIS的关键性技术，直接影响系统是否能良性运作，与资源的动态调配密切相关。所以，鲁棒性分析是直接关系SMIS转型升级的关键所在[4]。
1鲁棒性的研究意义
1.1 理论意义
近年来，SMIS已成为智能制造和信息系统领域研究的重点，因其复杂性，它是人、数据、过程及软硬件的一个综合体[5]。本项目前期已经做了一些理论研究工作，取得一点研究成果。但SMIS是一个复杂的技术组织系统，鲁棒性是由系统内部所有元素一起作用产生的结果，其难度和复杂性不言而喻。在研究智能制造产业转型升级时，必须要尝试从各个不同角度、运用各种创新的方法去研究[6]。当下SMIS的研究仍处于初级阶段，没有现成的、照搬的、拿来就能用的方法和手段，所以在研究本项目时就像摸着石头过河，要不断去尝试，不断去验证、不断去改进。由于SMIS是一个复杂系统，研究其关键性技术-鲁棒性，涉及多个交叉学科，例如计算机科学、控制科学、管理学、信息科学、系统科学等，鲁棒性是决定SMIS是否良性运作的综合表现，通过它也能全面、客观、系统把控信息系统。本项目尝试以一个管理视角从全局性视角下去研究SMIS，的确是一种创新的尝试。
1.2 实践意义
智能制造产业的转型升级，其水平高低取决于信息化建设的水平高低，而鲁棒性的好坏直接决定产业转型升级的成败。对于当下的SMIS来讲，根本问题还是在于全面、系统地研究良好的鲁棒性，关键如何将大量分散的资源进行良好的动态调配，这正是影响智能制造系统转型升级的关键问题。从本质上研究系统与鲁棒性的交互关系、运作机理、行为特性显得尤为重要，鲁棒性分析、鲁棒性设计、鲁棒性运作、鲁棒性管控是鲁棒性研究的几个重要因素。以上这些因素的研究成果都是目前企业转型升级中亟待解决的关键因素，也为企业的管理者实施科学的、精准的管理决策提供了有意义的指导价值。
2项目主要研究目标、研究内容
全局性视角下智能制造信息系统关键性技术研究主要从以下几个方面内容进行研究：
2.1 研究目标
本项目研究尝试从管理者的全局性视角去探究SMIS与鲁棒性之间的最佳关系，主要包括：SMIS复杂系统特征如何体现、SMIS与鲁棒性如何交互、鲁棒性的重要影响因素、鲁棒性设计、控制的机理、阈值等等。要摆脱传统研究方法和理论的束缚，另辟蹊径，从全局性视角去探索新理论、新方法，以期为智能制造的建设与管理提供一些有益的决策依据。
2.2 研究内容
本课题主要研究以下5个方面的内容：
①SMIS与复杂系统研究方法的文献研究。本课题研究的目的就是弄清SMIS与鲁棒性的相关研究理论和方法，阐述智能制造与鲁棒性的内涵。②SMIS框架体系与鲁棒性影响因素。参照智能制造产业标准，从不同的维度来阐述SMIS的框架体系，从多个角度分析鲁棒性的影响因素。③SMIS棒性控制跟交互关系之间的影响探究。EIS间交互关系是SMIS运作的前提条件，SMIS鲁棒性水平高低也取决于交互关系的好坏。④SMIS鲁棒性跟资源故障之间的关系探究。智能制造信息系统的规模不断扩大，其资源故障也与日俱增，对鲁棒性会带来更严重的冲击。如果合理调度资源，成为影响SMIS鲁棒性与资源故障间的核心问题。⑤SMIS鲁棒性控制与数据质量之间的探究。SMIS每天要处理海量的数据，数据的质量也直接关乎鲁棒性的良性运作。研究数据质量的好坏与错误率与鲁棒性良性运作之间的关系，以便提前预判错误的原因，编写相应的算法助力鲁棒性控制。图1所示为交互关系对鲁棒性的影响因素算法研究，也是本项目的主要研究内容之一。
3 研究成果
项目经过2年的科学研究，取得了一定的研究成果，具体如下：
①已经构建了SMIS框架横向和纵向两个体系模型。以产品全生命周期内所有价值创造活动描述了横向框架体系，包含一个云平台和多个EIS两个部分，框架模型图如图2所示。纵向体系模型以信息价值链为指引，按照数据流向将模型划分为6个层次，从下往上，依次为数据获取层、数据传输层、数据存储层、信息层、知识层、应用层，框架模型如图3所示。
②交互性关系影响下的SMIS鲁棒性模型及算法研究。良好的智能制造系统的关键在于信息系统的健康运作，如何主动地保持系统的运行状态和水平，如何尽可能地掌握系统的内在运行机制、原理和特征尤为关键。本项目主要研究SMIS的复杂系统特征与系统内部的交互关系，SMIS的运作采用了绝热近似理论、协同学理论等多种复杂理论，从而构建非线性动力学模型，SMIS鲁棒性的交互过程则通过引入稳定性理论及相应的算法，进一步剖析交互作用关系，进而确定智能制造信息系统的鲁棒性交互运作的阈值。为了能够验证本项目所提出的研究算法的可行性和可操作性，将相关方法应用到具体的制造企业中去，从而得到最有力的数据和实践证明。
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图4是对算法的具体运用，其步骤可以描述为以下几点：
（1）首先是将跨组织信息系统中的每个EIS一分为二，分成一个技术系统和一个组织系统。这样跨组织信息系统就转换为一个技术系统层和一个组织系统层2个不同网络，其中前者是技术系统构成的网络，后者是组织系统构成的网络，技术系统之间与组织系统之间的关系与EIS之间的关系一致。接下来分别评估技术系统和组织系统的交换关系。技术系统之间的交互关系评估可以从技术标准、数据格式、语义与语法等视角来展开。组织系统间的交互关系评估可以从系统战略、组织结构与文化、管理过程等视角展开。评估的结果就是要找出每个参数的真实值，确定两者之间的最优交互关系。
（2）其次是调整或删除不良的交互关系。由于早期EIS的交互关系建立在业务基础之上，导致不良的交互关系出现频率较高。为了改善这种情况，可以对不恰当但可以调整的交互关系进行修正，比方使数据交换格式一致、增加组织文化间的兼容性；删掉不恰当的且不可调整的交互关系，例如删除无法调整或者调整代价较高的交互关系；通过对系统的全面评估得到的结果以及结合系统实际运行产生的情况，来对EIS进行进一步优化，使之达到最佳状态，例如进一步缩减过剩投入，主要针对技术系统或组织系统。重新调整结对的技术系统和组织系统之间的关系，使系统内部运作更加优化，能够形成良好鲁棒运作的跨组织信息系统。
（3）再次是跨组织信息系统的动态演化，其目的是搞清楚跨组织信息系统的自组织演化规律，当系统出现不明原因的异常情况时，要能根据实际情况来及时调整EIS之间的交互关系。实时、动态地调整EIS间的交互关系是在跨组织信息系统的演化过程中特别需要关注的问题，如果有新的节点加入系统中时，那么必须建立对应的新的交互关系，如果有节点脱离系统时，必须要将旧的交互关系清除掉，并且删除相应业务关系。新的交互关系建立时时要考虑业务之间、EIS之间的匹配性。
（4）最后一步是模型验证与改进，其主要目的是项目方案能与跨组织信息系统的动态性高度吻合，不断完善、不断修改、不断改进方案。总体上来讲，主要统计在动态演化过程中产生的实际的鲁棒性问题与理论的鲁棒性问题进行全面对比，从而找出两类鲁棒性之间存在的差异，并进行改进和完善，确保方案模型的正确性。当改进方案仍无法满足需求，跳转到步骤1，然后依次执行步骤2至步骤4。
本项目对EIS对SMIS鲁棒性进行了算法的设计和深入的仿真实验，得到了大量的翔实的数据和仿真效果图。由于文章篇幅有限，就不具体展开了。
4 结束语
本项目从全局性视角下来研究智能制造信息系统鲁棒性与交互关系、鲁棒性与资源调度故障、鲁棒性控制与数据质量三者之间的关系，突破了传统的研究视角和研究方法，希望探究出SMIS鲁棒性分析、鲁棒性设计、鲁棒性控制的有效途径，为智能制造系统转型升级提供一点参考意义，尝试解决智能制造系统发展的瓶颈问题。目前，本项目研究已经取得了一定的研究成果，比方说SMIS系统框架体系结构、交互关系对鲁棒性影响因素的算法等，但由于SMIS的研究在国内尚处于初级阶段，新理论和新方法可借鉴的不多，所以本项目的研究尚有局限性，从管理者全局性视角，采用复杂思维方法的研究还处于探索阶段，下一阶段还有很多方面需要改善和加强。
参考文献：
[1] S方恒，张雯.全局性视角下SMIS鲁棒性分析及控制策略研究[J].电脑知识与技术，2021，17（5）：240-241.
[2] 李清，唐鸯磷，陈耀棠，等.智能制造体系架构、参考模型与标准化框架研究[J].计算机集成制造系统，2017，23（11）： 1-17.
[3] 侯瑞春，丁香乾，陶冶，等.制造物联及相关技术架构研究[J].计算机集成制造系统，2014，20（1）：11-20.
[4] 梁培培.服务型制造信息系统的演化机理与动态特性分析[D].广州：华南理工大学，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.
【通联编辑：王力】
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