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《华南理工大学》 2018年
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智能制造信息系统鲁棒性分析与控制

宋志婷  
【摘要】:智能制造是全世界范围内制造业创新的大趋势,也是我国现在及未来很长一段时间内制造业转型升级的主攻方向和关键突破口。智能制造信息系统(Smart Manufacturing Information System,SMIS)作为支撑智能制造模式运作的重要信息化手段,其在内外环境干扰下的鲁棒性是智能制造稳步推进的重要前提和保障,是制造业智能化过程中亟待攻破的关键科学问题之一。产业界惯用采纳新技术、升级或开发功能模块、强化基础设施等工程举措来增加信息系统抵抗或适应环境变化的能力,然而由于“重技术,轻管理”的发展理念,限制了系统表现出期望的性能。既有文献往往将信息系统视为技术系统,多主张采用技术性方案来改善软件、操作系统、计算机系统等信息系统局部的鲁棒性,忽略了信息系统是组织系统与技术系统的综合体以及其鲁棒性是系统内部所有元素共同作用的结果这一本质。因此,对SMIS鲁棒性的探索需要从“技术+局部”的视角切换到“管理+全局”的视角。信息系统开发过程中使用的面向对象法、结构化方法、原形法等建模方法对于构建运维管理阶段适用的系统模型显得过于薄弱,还原论、机械论等传统系统分析方法很难解析信息系统在运作过程中表现出来的复杂行为特性,因此研究信息系统尚需新的理论方法。近年来复杂系统研究方法在管理领域的兴起为本论文提供了可遵循的、有很高参考价值的研究思路。基于复杂系统思想,综合运用协同学理论、复杂网络理论、Petri网理论等理论精髓,从管理视角整体性地展开对SMIS鲁棒性的相关研究,这既拓宽了复杂系统研究方法在管理领域的应用范围,也扩展了信息系统领域的研究视角,还丰富了信息系统研究的相关理论体系,尤其是鲁棒性理论体系。本论文分别以不同的鲁棒性影响因素作为切入点,深入探讨了 SMIS鲁棒性分析与控制问题,主要的工作和创新点如下:(1)SMIS框架体系及系统鲁棒性影响因素研究。既有文献侧重系统生命周期前端的系统开发与系统实施等问题,围绕系统生命周期后端的运作管理研究略显不足;对此,首先需要构建关于SMIS的基础理论体系。根据智能制造模式及其要求,深入挖掘了SMIS新的或更高的功能需求与性能需求,解析了作为SMIS复杂性因素的关键新兴技术;从纵横两个角度剖析了 SMIS的构成及主要环节,并构建了直观的、具有一定普适性的系统框架。最后从多个维度对影响SMIS鲁棒性的因素进行了讨论。框架体系的探讨是后续SMIS抽象模型构建的基础,鲁棒性影响因素的分析则为初步认知鲁棒性、选择研究切入点提供了契机。(2)交互关系影响下的SMIS鲁棒性分析。相异于以往单纯采用工程性方案改善信息系统间的交互关系,以及受限于信息系统的复杂性验证,更加关注于交互关系的定量化判别与选择。交互关系对SMIS鲁棒性的作用机制研究,可为企业的管理实践提供量化参考。详细阐述了 SMIS的子系统构成以及他们之间的交互关系,基于逻辑斯蒂方程与绝热近似理论构建了以技术水平和管理水平为状态变量的二维非线性动力学模型,采用稳定性分析及相应的算法揭示了 SMIS的运作过程以及交互关系对SMIS鲁棒性的影响,进而确定了系统实现鲁棒运作的交互关系的阈值范围。(3)资源故障影响下的SMIS鲁棒性分析。相异于既有文献对信息系统资源探讨的空泛性,以及侧重于微观角度的资源故障诊断研究,分析了将SMIS资源划分到网络层与物理层的合理性,通过对同一层内资源间以及不同层资源间协作关系的梳理,基于复杂网络理论构建了 SMIS的双层网络模型,并选择了符合SMIS本质特性的鲁棒性度量指标。研究结果证实了资源故障对SMIS鲁棒性具有显著的负面影响,并发现SMIS及其网络层是“鲁棒而脆弱”的异质系统,同配连接模式最有利于SMIS抵抗非随机性资源故障。(4)数据质量影响下的SMIS鲁棒性控制。相异于以往对数据质量认知的静态性以及多使用技术性策略来改进数据质量,聚焦于提出有效的控制策略来保障数据质量干扰下SMIS鲁棒性。结合SMIS中数据从产生到应用的特征需求解析了数据质量的具体含义,基于Petri网理论构建了 SMIS以过程为导向的本体模型,定量探讨了数据节点与任务节点被管控的难易程度以及对系统的作用强度,设计了系统鲁棒性的正向控制Petri网模型、反向控制Petri网模型以及相应的算法,生成了主动预防性控制和反馈控制方案。最后通过实例仿真验证了控制模型的有效性,并详细阐述了两阶段控制的实现过程。上述研究是复杂系统研究方法在管理信息系统领域的创新性尝试,使SMIS研究理论体系更加丰富、完善;同时能为企业管理者改进信息系统架构、诊断信息系统运作的健康状态、准确定位对内及对外的互动关系、制定有效的鲁棒性控制策略等管理实践提供科学切实的指导意见。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:F424

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