摘 要：根据“扁平式”结构的系统配置建模特征及其在实施网络化制造系统中的作用，提出了基于Web的网络化制造系统配置环境的基本框架及其关键技术，以及实现远程制造模式的制造资源建模、虚拟现实技术和网络技术等的系统应用方法，并着重分析了网络化制造系统配置环境的关键环节，提出了有效的实现逻辑和解决途径。同时，通过平台实例分析和展现远程制造资源建模技术及系统配置与评价等来选择和组建网络化制造系统配置环境。
关键词：网络化制造；配置；建模；仿真；虚拟现实
引言
全球化、网络化、柔性化是制造业发展的必然趋势［1］，由于客户个性化需求的增多，面向小批量、多品种的先进制造模式正成为研究焦点。网络化制造［2-7］（又称全球化制造）正是在这一背景下提出的，它是一种由多种、异构分布式的制造资源以一定互联方式，利用计算机网络组成的开放式、多平台、相互协作、能及时灵活地响应客户需求变化的制造系统［8］。网络化制造系统，可以化解诸如制造资源的利用率不高、制造资源的信息利用率不高、制造系统结构刚性化与产品个性化之间的矛盾、局部制造场所的高效率与整个制造管理的低效率的矛盾等问题。
本文所论述的网络化制造系统配置环境是指在Internet上组建基于Web的网络化制造系统所需的从概念层、抽象层上提供支持的原理、方法和技术。相应的网络化制造系统配置平台就是组建网络化制造系统的系统配置平台，它是配置环境的实例化过程和具体实现，依赖于对相关的先进制造技术的扩展与集成。
针对制造资源地理上的分散性、组织过程的动态性和制造过程的集成性等特点，笔者进行了较为深入的研究和探讨［9-11］。构建了“扁平式”网络化制造系统配置环境及平台MCMS-online，以迅速利用与优化配置社会制造资源来代替企业内部的资源配置，快速响应市场和占领全球市场，以及满足客户的个性化需求。
1 系统配置环境层次模型
1.1 系统的体系结构
本文提出的网络化制造系统配置环境的分层模型如图1所示。该环境分为底层和上层2层。底层包括2部分：①物质资源和信息，包括制造设备、人力资源、服务、制造成本和质量等基本信息；②在此之上的计算机集成和自动化技术，包括计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)/计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning,CAPP)/计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)、办公自动化以及静态流程的企业资源计划(Enterprise Resource Planning,ERP)、供应链管理(Supply Chain Management,SCM)等。通过产品开发技术、产品数据管理、生产技术准备以及相应的生产计划与调度等技术实现产品制造的计算机化和自动化。同时，通过成本核算、质量管理、设备工作监控和运行数据采集等方式进行生产管理。上层也分为2个部分：①用户驱动层，包括了用户管理、制造任务管理、供应商管理等；②网络化层，即网络数据库、网络通信、网络安全、电子白板以及虚拟现实等技术，实现动态制造任务管理与网络化制造。
其中，需要完成基于动态制造任务的项目流程管理、任务分解和监控、制造商选择、招投标及评价机制、合作机制定义与实施等，实现动态制造联盟的组建、制造资源的建模与虚拟仿真、虚拟现实、过程仿真、合作与协同、实时监控等相应的各个方面，这是整个网络化制造系统配置平台的核心部分。
底层网络化集成只是企业内部管理的计算机网络化和自动化或静态企业信息资源及流程网络管理的内容，主要是ERP方面的内容。另外，将网络化制造研究都归为业务的网络化“集成”，过于简单和笼统，无法体现出其业务的不确定和动态组织等网络化制造的本质特点。而上层的用户驱动的异地制造资源集成和合作才是关键所在，它体现了网络化制造的过程性、动态性等特点。
1.2 配置环境的主要功能
通过该配置环境实现的主要功能有：
(1）采用网络化技术与远程信息技术的结合，实施浏览器/服务器(Browser/Server,B/S)结构的客户/制造商关系驱动的网络化制造系统配置平台构建方案，为网络化制造系统的配置和运作提供统一的网络化环境，并采用制造资源能力评价和合作能力评价机制对网络化制造系统配置提供支撑。
(2）以任务驱动的网络化制造活动为核心，以制造任务树描述和任务书发布为基础，制造商通过竞标或指派等任务分派方式获取任务，并以此为目标，组织制造资源信息，以及资源感知信息（包括2维资源信息和3维资源信息），形成具有完成相应任务能力的制造资源集合，并形成制造资源能力信息。同时，通过围绕任务的制造资源形成过程，使整个制造过程的人员、信息、资源等得以集成、共享和管理，并最终形成具有完成相应任务能力的网络化制造系统，参与竞标。nextpage
(3）通过形成网络化制造系统，网络化制造系统配置平台MCMS-online收集其制造资源能力信息和合作能力信息等，通过制造能力评价策略和合作合作能力分析，对配置出的网络化制造系统进行筛选，从而获得客户需要和优化虚拟网络化制造系统。
(4）通过3－tiers结构、对象序列化方法等，实现可跨平台的客户/制造商快速交互，使制造资源信息、资源感知信息和虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language,VRML)/企业应用集成(Enterprise Application Integration,EAI)模型等网络化信息被迅速处理和交互，快速实现网络化制造系统的动态配置、运行和调度、合作与评价，以达到快速适应市场和用户需求的变化，快速向市场和用户推出优质、低价的产品的目的。
2 网络化制造系统配置环境的关键环节
根据提出的网络化制造系统配置环境，笔者构建了原型系统MCMS－online作为其配置平台，包括以下关键功能环节。
2.1 用户驱动
制造任务来源于市场和客户的需要，用户的制造任务提交是网络化制造系统组建的起始点和根本目标。其系统驱动模式如图2所示，制造过程包括许多方面，如产品开发、原材料获取、原始设备生产商(Original Equipment Manufacturer,OEM)、零部件制造、产品装备和技术服务等，形成一个组合体。根据用户的任务需求，制造过程的各个环节进行重新组合和筛选，以保证适合各种用户的不同需要，并以此为目标，从供应商集合中搜寻相应任务的执行者，整个过程围绕用户的各项制造要求展开。
2.2 网络化制造资源集成与管理
网络化制造资源集成是信息集成、过程集成、技术集成等多集成的体现。网络化制造资源信息包括异地制造场所的软硬件资源及与产品制造相关的大量信息，如设备信息、工艺信息、人员信息、成本和质量信息等以及相应的可制造产品信息及其范围等(如图3)。为了完成相应的制造任务，制造资源必须提供的底层制造信息包括制造资源预实现的制造环节、提供的设备、可制造的产品及其范围、工艺能力信息以及人力资源能力等。
2.3 异地可视化建模
对于分散的制造资源，要能够象对自己本地的制造资源一样进行有效利用，就要充分开发异地资源可视化技术，包括资源建模、仿真、虚拟现实和网络化监控等。异地场所的制造资源提供商将自己的制造资源信息通过信息模型、远程再现和网络视频3种方式组织起来，按照要求提供给网络化制造门户网站(如图4)。这样，用户就能够根据自己的需要对制造资源进行选择、评价和管理。
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2.4 网络化合作与协同
网络化合作与协同是多层次和多角色的合作与协同。对招投标、专家介入，以及工作协同等合作过程都需要从合作的角色、状态和形式等要素加以定义和确定，并通过有效的合作机制，使能合作过程。合作角色的性质（长期或短期）、合作角色的功能（是组织者、制造者，还是协调者、评审者、监督者）在一个动态的网络化合作中是不确定和变动的，具有相当复杂的模型结构。合作是基于制造任务的，每个任务都有对应的合作功能，因此合作功能是隶属于任务的。可以将合作功能集合为一个节点，使每个任务都下辖一个合作节点，以此与其他合作节点联系和通讯(如图5)。任务是树状结构的，但对应的合作节点关系却并非树状的，节点间的关系包括了顺序关系、并列关系以及跨子任务关系和跨任务级间关系等，因此合作联系是一个复杂的网状结构。
3 网络化制造系统配置环境的逻辑流及其内核
网络化制造系统配置平台MCMS－online的执行逻辑如图6所示，其集成的核心问题见图中各部分。系统所集成的内核分析如下：
(1）用户任务管理，包括任务分派、响应与执行策略。客户提交制造任务到网络化制造系统配置平台MCMS-online，对任务进行需求描述和任务书描述，并建立任务需求树形列表，形成较为详细的任务明细表，提供给制造商参考。通过任务分派、响应与执行机制，使制造商准确快速地获得客户的需求信息。
(2）网络化制造系统组织与配置过程。分为以下过程链：①制造商根据客户任务明细表，确定目标任务，根据自身情况和目的，确定制造任务的响应方式，并明确在配置网络化制造系统中的身份，包括身份定义、确立、描述和指定等，大致分为：独立承接方、盟主和盟员等。②制造商对任务进行分解、描述、排序和分派等，形成具有一定加工顺序和工艺要求的子任务集，产生可执行的制造链。③根据制造任务链，组织网络化制造系统。它包括制造任务映射的网络化制造资源2层信息模型的建立，这依赖于系统平台的框架设计和数据库支持等；信息模型对应的网络化制造资源感知信息的组织和配置，包括2维布局管理和物流分析信息以及3维制造资源虚拟现实信息等，通过对象序列化方法以及VRML/EAI方法等来体现和实施。④通过配置网络化制造资源信息及其感知信息，产生网络化制造系统合作行为、过程和信息，并最终形成网络化合作能力的概念和内容，以及相关的合作行为、合作策略、合作机制、合作竞争等的研究。
(3)网络化制造系统的评价策略和评价过程。制造商配置的网络化制造系统需要通过评定策略和方法来确定最优，它是通过递阶加权分析法和两阶段评价体系实现的。通过对异地制造资源的评价特点分析进行阶段评价，以及对合作行为、合作过程与合作能力等的分析和评价，获得满足客户要求的优化网络化制造系统。
4 网络化制造系统配置平台分析
笔者构建实例化配置平台MCMS-online的界面如图7所示，采用JSP架构。制造系统的信息通过配置平台提供的工具进行有效的配置和模拟。配置工具包括模型工具区、关联配置区、约束设置区、物流频率设置区和建模区等，对制造系统提供数据信息、几何信息、条件约束和工艺路线等。通过该平台，可以将异地制造系统的制造能力表达出来，还可对制造能力评测信息进行编辑和管理。
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以传动轴加工为例，某个制造商通过网络化制造系统提交的制造单元的布局模拟图如图8所示。
布局管理模块对布局调度优化提供仿真支持，使系统充分分析不同制造商所提供的不同布局的调度优化结果，筛选出合理、优化的布局结果。
若干个这样的制造商根据客户任务要求，通过系统平台将自己的制造资源信息配置出来，参与任务的招投标过程(如图9)。客户或项目的盟主就可以通过浏览制造商组织的制造资源信息模型，对招投标参与者进行分析、仿真和评价，以便选择合适的制造商作为制造项目的盟员，形成具有完成任务能力的有效网络化制造系统。
5 结束语
基于Web的网络化制造系统配置环境是探讨和实现网络化制造系统的基础环境，本文在分析“扁平式”结构的系统配置建模特征及其在实施网络化制造系统中的关键作用等的基础上，提出了网络化制造系统配置环境及其平台MCMS－online，通过研究和实施网络化制造资源建模、虚拟现实、网络化制造联盟合作过程和制造能力评价等关键环节，配置出优化的虚拟网络化制造系统。
