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【关键词】 几丁质酶;,抑制化合物;,产生菌
摘要: 从采自全国的200多份土样中分离出1350多株菌,利用平板透明圈法和铁氰化钾方法,以家蚕中肠几丁质酶作为靶标,从这些菌株中筛选出家蚕几丁质酶抑制化合物的产生菌1237#,经初步鉴定该菌株为假单胞菌。本文主要介绍几丁质酶抑制化合物筛选体系的建立、活性物质性质的初步探索及目的菌株的鉴定。
关键词: 几丁质酶; 抑制化合物; 产生菌
Preliminary screening of chitinase inhibitor producing strains
ABSTRACT In the course of screening for new chitinase inhibitor, using the silkworm chitinase as a target, and transparent inhibition zone plate assay and potassium ferricyanide method, a strain belonging to the Pseudomonas, named#1237 was isolated among 1350 strains from 200 soil samples. The screening procedure and the preliminary study of the culture were also reported.
KEY WORDS Chitinase; Inhibitor; Producingstrain
几丁质是甲壳类动物、昆虫外骨骼和真菌细胞壁的重要组成成分,它是N乙酰葡萄糖胺以β1,4键连接起来的直链多聚物。几丁质在自然界中的存在量仅次于纤维素位居第二。几丁质酶是一类能把几丁质降解为N乙酰胺基葡萄糖或寡聚N乙酰胺基葡萄糖的水解酶。真菌需要几丁质酶降解子母细胞之间的隔以完成其生殖过程;昆虫发育过程中也需要几丁质酶部分降解外骨骼以完成其变态发育的过程,因此在真菌生殖阶段和昆虫蜕皮阶段其体内几丁质酶的活性显著增高。由于几丁质酶在真菌出芽生殖和昆虫蜕皮过程中发挥了极为重要的作用,这就使得几丁质酶可能成为生物杀虫剂和抗真菌药物专一性作用的靶目标。同时由于哺乳动物不以几丁质代谢作为生命活动必需系统[1],故以几丁质酶作为靶目标的生物杀虫剂和抗真菌药物具有对人畜无害的优点。至今已报道的几丁质酶抑制剂主要有:Allosamidin[2]、 Argifin[3]、Argadin[3]、Demetyallosamidin[4]等。长期以来日本等国一直在进行几丁质酶抑制化合物的研究,但国内至今未见与几丁质酶抑制化合物相关的研究报告。本研究旨在从我国丰富的微生物资源中获得具有自主知识产权的新型几丁质酶抑制化合物及其生产菌株,为开发具有新型作用点的杀虫抗真菌药物奠定基础。
1 材料与方法
1.1 培养基
1.1.1 平板培养基 PDA培养基。
1.1.2 液体培养基(%) 葡萄糖1,蛋白胨02,牛肉膏01,酵母提取物01,Fe2(SO4)3 0001,pH72。
1.1.3 几丁质酶抑制化合物的筛选平板(%) MgSO4 005,KH2PO4 005,KCl 005,FeSO4・7H2O 001,ZnSO4・7H2O 01,胶体几丁质1,琼脂粉12,pH72。
1.2 几丁质酶粗酶 提取家蚕初蛹中肠液,经硫酸铵盐析、透析后冻干保存备用;几丁质由日本信州大学下板诚教授赠送;胶体几丁质:利用盐酸处理几丁质制备[5]。
1.3 活性菌株的液体培养方法菌体接种于液体培养基,37℃振荡培养6d,培养液8000r/min离心10min,取上清检测活性。
1.4 几丁质酶抑制物的检测方法
1.4.1 平板透明圈法 将几丁质粗酶配成01g/ml的几丁质粗酶液(以后提到的酶液均是按此法配成),把酶液与筛选菌株培养液按1∶2的比例混合,在几丁质酶抑制化合物筛选平板上打孔,取混合液50μl加样于孔中,观察平板透明圈的大小。在检测过程中以蒸馏水、缓冲液和液体培养基作为空白对照。几丁质酶抑制化合物筛选平板含有胶体几丁质和无机盐。在平板上打孔加入酶液,几丁质酶能分解平板中的胶体几丁质而产生透明圈。用相同量的酶液与检测液混合时,透明圈变小表明酶的活性受到抑制,透明圈越小表明受抑制的程度越高。这种方法能够直观、快捷地筛选出几丁质酶抑制化合物。
1.4.2 铁氰化钾方法[7]500μl胶体几丁质加入100μl酶液、不同测试培养液或对照液和pH72磷酸盐缓冲液(测试液体与缓冲液总体积为1000μl),37℃反应30min,加入2ml糖显色液,沸水浴15min终止反应,离心,冷却后测上清的A420(糖显色液用05mol/L的Na2CO3配制成137 μmol/L的铁氰化钾溶液)。测试组1 500μl胶体几丁质加入100μl酶液和1000μl pH72磷酸盐缓冲液,在37℃进行正常酶促反应30min后进行测定。对照1(C1) 500μl胶体几丁质加入100μl酶液和1000μl pH72磷酸盐缓冲液,加样后立即沸水浴15min灭活酶,再置于37℃保温30min和其他组一起测定。测试组2 500μl胶体几丁质加入100μl酶液、100μl培养液和900μl pH72磷酸盐缓冲液,在37℃进行正常酶促反应30min后进行测定。对照2(C2) 500μl胶体几丁质加入100μl酶液、100μl培养液和900μl pH72磷酸盐缓冲液,加样后立即灭活,再置于37℃保温30min和其他组一起测定。测试组1与对照组1的吸光值的差值为ΔAbs1,测试组2与对照组2的差值为ΔAbs2。测定后按以下公式计算几丁质酶活性:酶活性(U/ml)=ΔAbs×1000×1000 215.61×反应时间(min)×反应体系中酶液的体积(μl)
1.5 1237#菌株产生的几丁质酶抑制化合物理化性质初步探索
1.5.1 活性培养液的耐热性检测 耐热性实验中设计了100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃等7个温度梯度,均处理30min以后用平板透明圈法检测其对几丁质酶的抑制活性。
1.5.2 几丁质酶抑制化合物的浸取或萃取 用甲醇、乙醇和水浸提等量1237#发酵液冻干粉中的几丁质酶抑制活性成分;用氯仿、乙酸乙酯萃取等体积的1237#发酵液中的几丁质酶抑制活性成分。
1.5.3 有机溶剂沉淀几丁质酶抑制化合物 用丙酮、无水乙醇进行活性发酵液的有机溶剂沉淀。
1.5.4 1237#具几丁质酶抑制活性的发酵液对α淀粉酶活性的影响 使用平板透明圈法,用以淀粉和无机盐作为基质的检测平板,检测具几丁质酶抑制活性的1237#菌株发酵液对α淀粉酶活性的影响。
1.6 几丁质酶抑制物产生菌的菌种鉴定[7]参照《伯杰氏细菌鉴定手册(第八版)》进行菌种鉴定。
2 结果
2.1 利用平板透明圈法初步筛选出几丁质酶抑制物产生菌由于平板透明圈法筛选几丁质酶抑制物快捷、直观,所以在粗筛的过程中采用此法。本研究从土壤中分离出的1000多株菌中筛选出菌株1237#,其代谢产物对家蚕几丁质酶具有很强的抑制活性(图略)。
2.2 化学方法进一步验证1237#对家蚕几丁质酶的抑制作用在利用平板透明圈法初步确定了假单胞菌1237#代谢产物对家蚕几丁质酶活性的抑制作用的基础上,我们利用化学方法进一步确定了该菌次级代谢产物对家蚕几丁质酶的抑制活性。进行三次重复,其ΔAbs如图1所示。从几丁质酶活力的计算公式中,我们可以看出,在其它条件都不变的情况下,酶活性的强弱取决于ΔAbs的大小。分析几组数据,得出在加入1237#菌株的培养液后,家蚕几丁质酶的活性被抑制了513%。化学方法进一步确定了该菌株次级代谢产物中含有对几丁质酶活性具有抑制作用的物质。 1:正常情况下的ΔAbs; 2:加入具几丁质酶抑制活性的发酵液后的ΔAbs 图1 假单胞菌123#次级代谢产物对家蚕 几丁质酶的抑制作用
2.3 几丁质酶抑制化合物理化性质的初步探索
2.3.1 几丁质酶抑制化合物的耐热性 研究表明菌株1237#产生的几丁质酶抑制物耐热性较差,在60℃处理30min将完全丧失几丁质酶抑制活性;50℃处理30min也使几丁质酶抑制活性部分丧失;但在40℃以下保温数天对几丁质酶抑制活性无影响。
2.3.2 几丁质酶抑制化合物的浸提或萃取 用甲醇、乙醇和水来浸提等量的活性发酵液冻干样品中的几丁质酶抑制活性组分时,仅仅只有水能将冻干样品中的几丁质酶抑制活性组分溶解提出,甲醇和乙醇不能将其浸提出;若将甲醇和乙醇浸提后的不溶物用水溶解后检测其具有几丁质酶抑制活性。用氯仿进行液液萃取时,萃取结束后水相和氯仿中均检测不出几丁质酶抑制活性,提示活性物质被破坏;用乙酸乙酯进行萃取,活性物质仍留在水相中。
2.3.3 有机溶剂沉淀 丙酮和无水乙醇均能将1237#菌株次级代谢产物中的几丁质酶抑制活性成分沉淀出,但使用相同体积的有机溶剂时,丙酮沉淀得到的活性物质的量更多。
2.3.4 1237#具几丁质酶抑制活性的发酵液对α淀粉酶活性的影响 该实验结果显示,1237#菌株代谢产物对α淀粉酶的活性不会产生任何影响,这在一定程度上说明1237#菌株代谢产物中含有几丁质酶的特异性抑制化合物。
2.4 几丁质酶抑制物产生菌的分离、纯化、鉴定从全国采集的300多份土样中分离出1000多株菌,这些菌主要是细菌和真菌。从这批菌种中我们筛选到几丁质酶抑制物的产生菌1237#,根据其菌落形态和菌体形态,参照伯杰氏细菌鉴定守则鉴定该菌株为假单胞菌,部分性质见表1。表1 1237#菌株部分性质检测项目 结果 检测项目 结 果 革兰染色 阴性 直径/长 0.5μm/2μm氧化酶反应 阳性 明胶水解反应 阳性接触酶反应 阳性 生长温度影响 最适温度:37℃;4℃不 生长,41℃能生长
3 小结
本研究在建立简便、快速几丁质酶抑制化合物的检测方法(平板透明圈法)的基础上,从土壤中筛选到假单孢菌1237#。该菌株的次级代谢产物中含有几丁质酶抑制化合物。在对该几丁质酶抑制化合物性质初步探索的过程中发现该物质不能耐受较高温度,60℃处理30min丧失几丁质酶抑制活性;活性物质是极性很强的水溶性化合物,乙醇、甲醇、氯仿、乙酸乙酯均不能将其萃取出来,同时氯仿对几丁质酶抑制化合物的活性具有极大的破坏作用,用氯仿萃取活性将完全丧失。从以上的研究结果可以初步推断假单胞菌1237#次级代谢产物中的几丁质酶抑制化合物可能是蛋白质或者肽类物质。此外,该几丁质酶抑制活性物质不会对α淀粉酶的活性产生任何影响。关于该物质的纯化和其相关基因的克隆工作尚在进行中。
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关键词:SAP;生产计划与控制模块;生产订单;配置
中图分类号:TP315 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2011) 13-0000-01
SAP Production Order Function System Implementation Cases
Hou Yue
(China National Offshore Oil Corporatio,Information Technology Center,Beijing100010,China)
Abstract:SAP production planning and control module is based on production order to actualize the function of production control.In order to accommodate with diverse business characters and demands of manufacturing enterprises,SAP system allows setting parameters of the production order via background configuration.With the purpose of utilizing the function of SAP production order flexibly and effectively,this paper gives a brief introduction on the relevant configurations,and discusses how to set the value of these configurations to meet the business demands.
Keywords:SAP;Production Planning and Control Module;Production Order;Configuration
ERP(Enterprise Resource Planning)的核心思想是通过事先计划与事中控制来实现对整个供应链的有效管理,以求最大限度的利用企业现有资源,实现企业经济效益的最大化。SAP系统就是一个基于ERP管理思想的软件,也是目前市场上较为领先的管理软件。生产计划与控制模块(Production Planning and Control,以下简称“PP模块”)是SAP系统的一个重要模块,处于企业内部供应链的核心地位。
不同行业的生产型企业有着不同的生产模式,对于生产过程控制和生产经营管理有着千差万别的需求。如何灵活的运用SAP系统来满足企业需求,适应不同生产型企业的业务特色,是系统实施的一大难题。SAP提供了系统后台参数配置这样一种灵活的解决方式。本文将介绍常用的生产订单相关配置项及其含义,并结合实际生产业务探讨如何对这些配置项进行赋值。
一、定义生产订单类型
一个生产型企业可能生产多种产品并采用不同的生产成本结算方式,因此需要通过生产订单类型来加以区分。在生产订单类型中,将配置成本结算参数文件和功能范围两个参数。在结算参数文件中,定义订单的分配结构,定义订单发生的费用是按百分比、权数还是金额的方式结算出去,定义订单的有效结算接收方,设置订单是否允许、禁止还是必须结算到这些接收方,定义结算的凭证类型;在功能范围中定义订单归集的费用进入到哪个成本类别。
二、定义订单类型相关参数
生产订单类型可以用于区分不同产品的生产及结算模式,但在生产过程中具体生产方案的选择、原材料的采购方式等仍然需要通过进一步的系统配置来实现。其主要配置对象包括:是否由系统自动选择相应主数据,是否允许在创建订单时手动选择数据,在生产订单创建或是生产订单下达这两个不同的时间点产生系统预留或是采购申请,以及配置相应的计划成本核算变式和实际成本核算变式。
三、生产订单编号范围
一般来说,生产订单编号范围与生产订单类型一一对应,针对每个生产订单类型,在SAP系统内定义一个唯一的号码段,以此通过生产订单编号更加直观的对不同生产订单类型加以区分。在配置号码段时,需要注意号码段之间不能存在重叠,并且设置此号码段是由系统自动给号还是允许手动给号。
四、为生产订单定义计划参数
生产排程是生产订单的重要功能,根据在生产订单中维护的计划生产开始时间或是计划生产结束时间,结合装置产能和生产加工时间,备料时间等信息,SAP系统将给出最终的排产结果。计划参数一般与所配置的生产订单类型一一对应。其主要配置对象包括:在调整日期中配置是否根据生产日期调整基础日期,以及相关需求的日期是如何确定的;计划类型决定排程将以何种方向(倒推排程或向前排程)进行;通过订单缩减配置项决定是缩减订单中所有操作的提前期或是只缩减关键工序的提前期。
五、定义确认参数
【关键词】 活动工期; 生产单元; 成本控制; 遗传算法
【中图分类号】 F272.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 1004-5937(2017)04-0030-05
一、引言
据《中国船舶报》显示,船舶行业重点监测的94家企业2016年1―5月同比主营业务收入下降3.8%,同比利润下降22.3%。劳动力成本上升,船东频繁修改合同订单导致生产计划调整,生产节奏打乱,按计划交船困难重重,致使造船企业成本增加,我国造船企业财务管控压力[1]、盈利难问题仍然突出。针对船舶建造过程中“边设计、边生产”特点,动态监控成本,保证目标成本的控制,进一步提升造船企业成本管控潜力已迫在眉睫。以生产单元或作业区为生产组织形式是现代造船业的明显特征[2],生产单元中作业工序对稀缺性资源争夺加剧,生产计划调整导致工期的不确定性,如何在活动工期、作业工序的前后顺序及制造过程消耗资源的约束条件下,有序合理组织安排生产单元中作业工序,保证生产单元任务计划的有效实施,使分解的目标成本得以控制,成为亟待解决的问题。
近年来,许多学者致力于生产单元成本控制问题研究,钟宏才等[2]运用成组技术实现生产单元满足一定节奏的批量化生产;刘玉君等[3]实现了船舶管系生产计划系统的开发;苏翔等[4]通过增量接收技术构建动态成本控制系统,实现成本管理重心前移至事中控制;吴君民等[5]通过和声搜索算法,寻找船舶分段建造的成本与工期双优化;戴祥斌和徐心渊[6]实现了多项目并行的海工船项目进度安排及纠偏;赵东方等[7]研究了动态环境下生产单元组织行为建模,减少环境不确定性的影响;陈占夺[8]研究了船舶设计成本管理方法与内容,对船舶成本管控进行了补充。上述研究文献虽然运用成组技术,实现生产单元批量化生产,有效降低生产制造成本,但仍有大量单件、小批型生产单元无法通过成组技术改变生产组织方式,达到降低其制造成本的目的;另一方面,一些学者局限于船舶分段或生产单元的成本与工期的研究,忽略了多资源限制及活动工期对资源调配、作业工序安排的影响。实际的生产作业中,造船企业单件小批生产单元既受多种制造资源限制,又受到“边设计、边生产”造船特点影响,更改生产计划,打乱生产节奏。
针对上述问题,如何在满足活动工期、资源及成本三者条件下柔性组织生产形式、优化作业顺序与及时反馈制造成本,是控制该类型生产单元成本的重要问题。因此,本文将在现有成果的基础上,结合造船企业特点,充分考虑遗传算法具有极强的计算能力和搜索能力的特性,对活动工期下造船企业单件小批生产单元成本控制进行研究。
二、基于活动工期造船单件小批生产单元成本控制模型
(一)活动工期下造船单件小批生产单元成本控制思想
根据船舶建造计划的进度安排,可以明确知晓生产单元建造工期;根据生产工艺明确生产单元中任务包的生产过程正常需要消耗制造资源,例如作业人员工时数、机器工时数、生产场地面积等。从短期来看,在实际的生产单元制造过程中作业人员工时数、机器工时数及生产场地面积等资源是有限的或是扩充有高额成本代价的。活动工期下造船单件小批生产单元的成本控制目标是在目标分解成本、工期拖期惩罚与制造资源限制或资源可扩充但有代价的约束情形下,有序合理组织安排生产单元中作业工序,保证生产单元任务计划的有效实施,实现生产单元满足既定工艺路线下的制造成本最低,使分解的目标成本得以控制。
三、模型求解
从模型7可以看出,函数目标是分段函数的整数规划问题。常规分支定界、整数规划法与枚举法计算量比较大,容易导致局部最优。本文选择遗传算法求解,其优越的全局搜索性,并行计算及快速的收敛性[9],大大减轻工作量。就上述模型,下面给出遗传算法下求解模型的逻辑或者流程。
若可以在资源限制内按期完成生产单元任务,那么决策者一定选择既不扩充资源也不拖期的生产计划。因为只要在资源约束内,资源使用在时间上的分配不影响任务消耗资源所产生的成本,即资源总成本一定。而拖期罚金只在拖期时存在,按时完成时并不存在。于是,在资源限制内按期完工成本最低。在必须拖期或必须扩充资源情况下,决策者将权衡两者所增加的成本,做出拖期、扩充资源或两者分摊增加成本,以获得最小成本。为了解决该问题,下面给出压缩量、可压缩工序、可压缩时点、可压缩量及压缩比例的定义。
定义1:压缩量是指资源受限,工期刚性方法给出的计划的实际工期大于工期限制的部分。
定义2:可压缩工序是指在资源受限,工期刚性方法给出的计划中,实际开始时间早于其只考虑工艺流程而不考虑时间的最早开工时间的工序。
定义3:可压缩时点是指可压缩工序的实际开始时间点。
定义4:可压缩量是指可压缩工序的实际开始时间和最早开始时间的差值。
定义5:压缩比例是指一道工序的开始时间的提前量与该工序的可压缩量的比值。该处理逻辑如图1所示。
图1中的处理逻辑将资源可扩充但有代价、工期柔性问题简化成为资源有限、工期柔性问题求解,再通过压缩比例对已有计划安排进行修正。这样的修正将改善原有计划的拖期情况,将原计划中因拖期造成的成本部分转移到资源扩充中,以达到成本最小。
该逻辑是在一个已有计划上进行改善,所以很难通过改善一个成本很大的原计划得到一个令人满意的修正计划。因此,原计划的选取仍应为一个较优解。原计划是在不扩充资源条件下进行的,不存在扩充资源造成成本增加,所有高出基本成本的这部分成本都来自于拖期时间。因此拖期时间越小成本越小,即工期越短成本越小。然而对一个以工期最短为目标安排的计划通过设定压缩比例调整,并不能保证得到的是一个最优或者令人满意的计划。因此,在使用这一逻辑处理时,原计划的选取和压缩比例的确定成为两个核心问题。
将这两个问题中的任何一个孤立地加以解决,都难以得到较优的计划。必须将原计划安排和压缩比例设定封装,再通过对其成本比较寻找出的结果才可能是令人满意的。也就是说,在搜索原计划的同时,就应设定合适的压缩比例对其修正得到修正计划。再直接考察修正计划的表现,搜索最优计划。为了将这两个问题封装,本文设计双链遗传算法流程,如图2所示。
四、算例验证
CX船厂是国内一家中大型修造船企业,以该船厂某一单件小批生产单元为例,该生产单元中LFD1008任务包含6个作业工序,受3种资源的限制,其网络计划图如图3所示。原工期为25小时,由于船东修改订单,分解新的生产计划,该任务设定计划工期为19小时,拖期惩罚为每小时0.2万元,目标分解制造成本25万元(不含物料及间接分担成本),各工序加工与资源耗费情况如表1所示,资源价格如表2所示。
本文采用Matlab2010a编程对模型求解,设置采用的具体遗传参数有:种群规模为20,最大迭代次数为500,交叉概率0.8,变异概率0.2,运算结果形成选取的最优优先级和压缩比例组合如表3所示,计划安排如图4所示,各类资源消耗如图5所示。
由上述运算结果可知,在资源不可扩充,工期刚性条件下,LFD1008任务最小工期是21小时,如果船东没有修改订单,正常可以完成任务。船东修改订单后生产单元在新的计划工期、资源条件下,通过对作业工序优化,也不可能完成该任务。通过对资源的扩充,考虑拖期惩罚成本,实现在活动工期下,制造成本最低,即对非正常资源消耗最低,按照模型优化具体作业安排如表4所示。由表4可知,实际加工工时为20个工时,超出计划1个工时,惩罚成本为0.2万元;同时第7个加工工时,资源2超出资源限制1个单位资源,资源3超出了资源限制2个单位资源,根据资源价格及实际工期计算出总成本为24.13万元,其中惩罚成本0.2万元,正常资源价格生产成本为22.89万元,资源扩充增加额外成本1.04万元,使总成本提高了5.42%,仍在目标分解制造成本25万元控制范围之内。
五、结论
生产单元是造船企业的重要生产组织方式,新的船舶经济形势下船东频繁修改合同订单导致生产计划调整,生产节奏打乱,工期不确定性。活动工期下单件小批型生产单元的制造环节的成本控制对执行目标成本管控、反馈设计、实现降本增效至关重要。本文构建活动工期下的满足目标分解成本与制造资源可扩充情形下的造船单件小批生产单元制造环节的成本控制模型,给出遗传算法下求解模型的逻辑或者流程,并结合某船厂加以验证。结果表明,通过该模型优化可以实现活动工期、拖期惩罚与制造资源可扩充但有代价的约束情形下,有序合理组织安排生产单元中作业工序,保证生产单元任务计划的有效实施,实现生产单元满足既定工艺路线下的制造成本最低,使分解的目标成本得以控制,提高企业的经济效益,避免不合理占用车间工人作业时间,减少生产过程中不合理赶工现象,在实践中具有较强的应用价值,可为其他制造型企业作业计划安排及成本控制提供参考,同时也为造船企业实现准时化生产提供有效的管理手段,帮助企业提高核心竞争力。
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关键词:Agent模板语言;多Agent系统;产生式编程;Grammarware;黑板;JADE
中图分类号:TP311.52文献标识码:A
文章编号:1001-9081(2007)04-0868-04
0引言
基于Agent的计算被认为是一种新的软件开发的范式,在软件工程、分布式系统开发和智能系统开发上都能够发挥重要的作用。为了构建可靠、有效的基于Agent和多Agent系统的应用,研究人员提出了很多方法学与建模方法。例如在方法学方面的AAII方法学和Gaia方法学等;在结构方面包括慎思、反应以及混合等一系列结构。
尽管研究人员提出了很多Agent的结构和一些方法学来构造面向Agent的系统,但是这些方法多基于传统的面相对象分析/设计(OOA/D),有些采用静态、非分布软件结构的建模,不符合Agent所处的动态分布环境;有些结构较为复杂,且一般集中于对单个系统的设计,缺乏针对不同应用的灵活性,使得在Agent开发中针对不同应用进行了大量重复工作,降低了开发效率。
借鉴Grammarware的工程化[1]与产生式编程[2]思想,基于以黑板系统为基础的单Agent结构,提出了一种称为AgentPatternLanguage(APL)的模板语言[3],用来在较高的层次上抽象描述Agent中针对具体应用的数据类型、知识源组件等,并由Agent解析、转换为执行代码,通过这种方式,实现对于Agent与MAS自顶向下的构建,从而提高系统开发效率,增强系统灵活性与可复用性。
1基于黑板系统的Agent结构
APL语言主要针对基于黑板的Agent结构[3],由黑板存放Agent的运行信息,与知识源相互协作完成特定的功能,整个Agent负责由APL文件生成可执行代码,完成APL说明的目标。根据文献[1]中作者对于Grammarware进行工程化开发的原则,以APL定义的语法作为base―linegrammar,进而通过定制APL文档,描述Agent知识源等组件;同时基于黑板的Agent结构借鉴产生式编程的思想,解析APL文档,最终实现为针对具体应用的系统。同时可根据不同的知识源运行策略来实现反应型或慎思型Agent的特点,从而增强Agent的灵活性和复用性,提高针对不同应用的Agent的开发效率。图1是基于黑板的Agent结构。
1.1Agent结构
1.1.1黑板与知识源
黑板是Agent的全局数据库,主要包括数据对象结构与子句对象结构两部分。
数据对象结构是由一组有限数据对象类型的实例构成的集合。数据对象类型用来描述一类数据对象,包括一个类型名和属性集合,其中属性用来描述数据对象的特征,一个属性定义包括属性名与属性类型。
3)前提条件PreCondition是一个布尔表达式,由条件语句以及关系实例构成;
4)后置条件PostCondition是一个集合,包含在知识源运行完毕后需要更新黑板上的数据对象及子句对象实例。
1.1.2消息相关知识源和规划库
知识源MessageInput负责Agent与其他Agent之间的消息收发,而知识源MessageHandle负责处理接收到的消息。此外还有一些其他的模块支持Agent的运行。
当MessageInput接收到一个外界到达的消息后,将其放在缓冲队列中,并通过事件通知MessageHandle。MessageHandle收到消息后,就等待ControlContext选择。被选中执行后,MessageHandle根据运行中的目标结构与规划从缓冲队列中选择消息,根据消息内容更新黑板变量。各目标结构在运行中所需要发送的消息也放在缓冲队列中。MessageInput监测到缓冲队列中有消息要发送,就等待ControlContext选择,选中后将队列中消息发送出去。
为了在实际应用场景中支持MAS的开发与运行,基于黑板的Agent是在JADE[4]平台上实现的。Agent之间利用ACL(AgentCommunicationLanguage)进行通信,MessageInput、MessageHandle知识源负责消息的处理。这里采用集中的消息处理是为了避免GoalStructure知识源各自进行消息收发可能带来的错误,并且可以根据需要用恰当的消息更新黑板。
此外,知识库Knowledge存放Agent运行所需的一些全局知识,而规划库PlanLibrary中存放用于不同目标结构的规划。规划由名称、objective(规划针对的目标结构名)、PreCondition(规划执行所要满足的条件)、优先级以及规划体组成,规划体采用确定有穷状态自动机DFA表示,其中状态之间的转换由一组Transaction(一组完成一定功能的动作)和GoalStructure组成。根据Agent运行的上下文,Plan选择不同的状态转移,最终达到终结状态,完成规划执行。
1.1.3控制机制
根据上面的介绍,ControlContext协调不同的知识源协同工作完成特定的目标,其中由议程表Agenda变量控制知识源的执行。每个目标结构知识源有一个初始的优先级,而MessageHandle和MessageInput的优先级最高。当Agenda打开时,ControlContext选择处于Active的知识源准备运行,选定后关闭Agenda。如果MessageHandle或MessageInput被选中则执行相应的功能。若某个GoalStructure被选中,如果该目标结构是首次执行,那么根据Agent当前的环境上下文,从PlanLibrary选择一个合适的Plan;如果目标结构已经选定了Plan并已经开始执行,那么就根据Plan当前的状态与环境上下文选择状态转换(可能是Transaction或GoalStructure)执行一步(如果选中子目标GoalStructure,则保存当前目标,先执行子目标)。当MessageInput、MessageHandle完成处理,或GoalStructure执行完一步,打开Agenda,开始下一轮选择。控制过程参见图2。
当ControlContext连续选中同一个目标执行的时候,其优先级相应增加。而有时候因为环境的动态变化,一个高优先级的GoalStructure会打断当前正在执行的GoalStructure。可以通过指定不同的策略决定GoalStructure之间的竞争策略,使Agent在对于环境的反应性和对目标的坚持性上做出平衡。
2APL与场景示例
2.1Agent模板语言APL
前面介绍的Agent结构,在针对不同的应用时,需要不同的配置信息,如针对于特定应用的数据类型、规划、不同目标结构的调度策略等,这些信息可以通过APL语言来描述。目前APL主要描述应用场景中的三方面内容:1)表达数据对象类型,子句对象类型以及它们的实例;2)描述目标结构知识源,包括目标名,输入变量集,前提条件,优先级等内容;3)描述针对不同目标结构的规划的相关信息,包括规划名,Objective,规划体,前提条件等。这里采用XML进行表达,因为XML具有较强的适应性,并且可以简化编译/解释器的构造。
从图1可以看出,Agent中有一个APLParser解析器部件。Agent在运行中与具体应用相关的知识,包括各种数据对象实例、子句对象实例、GoalStructure的实例、规划Plan的实例等,都编制在APL文件中,在Agent初始化时由APLParser解析APL文件,并生成各种实例的对象,而后Agent按照上面介绍的Agent各个部件的运行机制,完成指定的目标。
2.2场景描述
这里采用一个企业业务过程管理的场景来说明基于黑板的Agent结构与APL结合如何实现特定的目标。利用MAS进行业务过程管理,将业务过程委托于不同的Agent。Agent通过对环境的观测和与环境的交互,根据环境和业务策略,可以对业务过程管理中动态的变化做出实时、甚至预动的反应,展现出目标导向的特点[5]。
考虑如下场景。某汽车制造商由若干部门组成:几个生产车间(用AD表示);几个市场部门(MD),其中每个市场部门负责处理一个地区的订单;一个调度部门(SD),调度部门主要负责为生产车间制定生产计划。当有新订单到达时,SD要根据到达的订单以及当前已经制定的生产计划生成新的生产计划,并发送给各AD。此外,AD可能因为故障等原因,不能按期完成计划,将这个情况发送给SD后,SD要修改当前生产计划,并将修改后的计划发送回各AD。场景描述以及消息往来示例参见图3。
2.3场景实现
这里从调度部门的角度进行分析。假定每个部门或生产车间都有一个Agent。生产部门的Agent负责接收生产计划与异常情况的发送,市场部门的Agent负责向SD发送订单,并接收对订单的确认。这些Agent构成一个MAS,Agent之间相互通信,通过交换数据与控制信息来协同生产过程。
首先,要用APL表达与生产过程控制相关的关键信息。对于SD,应该在黑板上记录如下信息:MD发送过来的订单信息;为每个AD制定的生产计划信息;AD发送过来的异常信息。根据前面的形式化定义,APL要表达出这些信息涉及的数据对象类型,每个类型的实例,所用到的关系以及关系的实例等。下面的代码展示了订单类型的定义。程序前
注意这个目标结构的输入变量集分为三组,每组的成员分别针对不同地区的订单,当有一个订单到达,按照1.1.1中介绍的方式触发该知识源。在ControlContext允许该目标结构知识源的对象开始执行时,该对象在PlanLibrary中查找可以满足该目标结构的规划。下面的代码是用APL表达的规划Plan的示例:程序前
这个规划有三个状态,通过两个状态转换(< tr >标签)顺序连接起来。第一个状态转换是TransactionprocessOrder,判断到达的订单是否可以接受。第二个状态转换是一个子目标,根据前面的Transaction计算得到的结果,如果接受订单就计算新的生产计划,并放入发送队列;如果是拒绝订单,就生成拒绝订单的消息,并放入发送队列中。
图片图4SD、AD、MD间消息的交换与SDAgent运行控制信息
此外,场景中还需要一个目标结构以及对应规划来实现向AD发送生产计划的目标,和用于处理AD发送过来的异常信息的目标结构及对应规划。根据上面的设计,图4显示了场景的一个实现结果,由JADESnifferAgent显示了SD、AD和MDAgent之间的消息往来,以及SDAgent中GoalStructure与Plan等的执行情况。
2.4与相关研究的比较
上面的场景是一个较典型的模型,显示了在生产过程中存在的协作与竞争关系。整个过程需要各个部门(SD、MD、AD)互相交流,互相协调才能完成。而协作中也存在竞争关系,如不同目标由于优先级的不同而带来的竞争等等。要处理好这些竞争,需要设计比较完善的规划、调度算法,融入到Agent的运行中。
在文献[6]中提出采用基于黑板的Agent结构处理企业中过程计划与生产调度的生成。这里知识源处理生产调度/规划中出现的问题利用,以此提供灵活、用户导向的处理方式。但在面对不同企业不同的业务需求时,其知识源的编制需要根据具体的业务场景来编制,可能带来大量的重复工作,缺乏APL与黑板Agent结构结合带来的灵活性。
在由汉堡大学开发的JADEX中[7],采用了Agent定义语言(AgentDefinitionLanguage,ADL)描述Agent运行时需要的内容,包括所需的对象和变量等。通过这种方式能够给针对不同应用场景的Agent的开发带来一定灵活性。但是其描述文件的抽象层次比较低,文件定制不够方便,而APL可以借助一些工具,使系统设计人员能够方便的生成APL文件,提升开发效率。
3结语
在基于Agent与MAS的系统中,利用模板语言APL从应用场景中抽象出数据类型和组件等的描述,自顶向下完成MAS的开发。一方面,增强了Agent针对不同应用场景的适应性,以及Agent的可维护性与健壮性,另一方面也提高了Agent开发人员的开发效率。在给出的场景中,它使得部门更加适应内部组织以及来自市场的变化,为业务过程管理提供更大的灵活性。在进一步的工作中,可以借鉴WebService研究中的成果,扩充APL的定义,包含更加复杂有效的业务流程描述;在Agent中引入较为复杂的控制机制,提升Agent的性能;也可以采用本体等方式来丰富黑板上所记录信息的语意内涵。
关键词:生产管理系统;物料管理;系统设计
随着经济的飞速发展,利用生产管理系统进行企业的信息化建设,来推动生产企业管理的科学化、规范化,已经成为企业管理中的重要组成部分。开发出一款适合现代制造企业要求、符合企业实际情况的生产管理系统是非常必要的I由于利用目前已有的ERP系统进行改造的难度较大,实施起来难度也高。而市场现有的MES软件产品还不完善,多少都存在一些不足之处,没有完全实现制造执行系统的集成化,在软件的实用性、重构性和扩展性等方面存在一些弱点。所以本文提出一种的基于物料的企业生产管理系统,可面向于离散生产企业。本系统将根据物料约束、生产资源能力等约束条件,形成系统的生产作业计划,根据生产订单要求和交货日期自动拆解生产计划并进行排产,可实现生产计划的跟踪调度和可视化,提高资源利用率和企业的管理效率。
1.生产管理系统的业务流程
现代制造型企业的生产管理主要是以客户需求为核心的,根据销售产品的供应链对生产管理开展相关的业务,主要包括如下几项:
1)生产计划管理:为了保证生产过程中所需物料的数量及物料的供给时间,要对生产计划进行相应的管理,制定出公司的主生产计划。
2)车间管理:为了保证车间生产的正常进行,要对车间进行管理,确定与车间生产所需的原材料、及其他相关的产品资源信息。
3)物料采购管理:对原材料及其他相关物料的采购流程进行管理,对采购订单等信息维护,以保证产品生产过程中物料的正常供给。
4)产品销售管理:对产品销售的流程进行管理,包括对销售订单等信息的各项维护操作,目的是为了保证产品库存数量在正常合理。
5)库存信息管理:对库存信息进行相应的管理,可实现原材料入库、出库,产品的入库、出库、损耗等业务管理。
6)质量管理:为保证产品的质量,生产管理业务中的质量管理是重中之重,是保证公司信誉的一个重要方面,包括对原材料的质量检测、对成品、半成品的质量检测等,质量管理是提高公司质量水平的一个重要环节。
7)总帐管理:对公司的生产管理过程中涉及的财务账目进行管理。企业生产管理流程如图1所示。
2.系统总体设计
根据对生产管理系统所做的需求分析,可以明确该系统主要由基本数据管理、生产计划管理、车间管理、采购管理、销售管理、库存管理、质量管理、总账管理和系统管理等九个功能模块组成。如图2生产管理系统总体功能结构图所示。
其中每个功能模块又由若干个子功能模块组成,一起实现了公司的生产管理中各项业务的管理功能。
1)基本数据管理模块。主要对生产管理系统中的基本数据进行设置。
2)生产计划管理模块。主要是ι产计划的信息进行管理。包括:生产计划的定义、产品需求与预测、主生产计划管理、物料计算、资源定量管理和资源使用情况统计等子功能模块。主要完成对生产计划相关信息的管理与维护、对产品需求量的预测、制定主生产计划(包括管理计划的起始时间、结束时间、产品需求量、预计库存量等信息)、计算生产所需物料的需求数量与使用时间、定时对资源的使用情况进行查询,并将所需数据形成报表进行输出。
3)车间管理模块。对生产车间作业所需要的数据、产品的相关数据及流程等进行管理。包括对生产过程所需物料的管理,对产品入库、出库等的管理,对生产的流程的跟踪,对生产过程进行实时管理,可计算出计划成本与实际成本间相差的数据,还可对车间工人的工作量、车间生产的费用等进行统计查询,并生成报表输出。
4)采购管理模块。可对生产所需的原材的订单进行管理,录入、查询等操作。
5)销售管理模块。对要销售的产品订单信息进行管理,包括对销售产品的信息录入操作、对已销售产品退货信息的管理、对历史销售信息进行查询操作。还可根据原材料价格的浮动、产品生产成本的改变,自主地对产品定价进行调整。
6)库存管理模块。对产品及物料的库存进行管理。包括查询、调拨、盘点等操作。对产品或物料库存设置上限值与下限值,当数据不在正常范围内,系统可自动报警。
7)质量管理模块。根据企业的产品质量控制体系,对成品、半成品及原材料等的质量把关。
8)系统管理模块。对用户基本信息、权限等进行管理、对数据库进行备份等操作,以保证系统数据的安全性。
3.生产计划管理模块的设计
本文通过物料约束、生产资源能力约束等条件,形成系统的生产作业计划,调度人员根据生产作业计划,结合实际情况制定可行性方案,大大地减少了计划排程的工作量,也可有效地提高了资源的利用率,实现了生产计划的可视化和提高了透明度。
该模块利用了遗传算法,能充分考虑车间的产能和设备资源的可用状态,可进行多目标优化操作,根据排产结果可提供几个可供选择的方案,并可利用仿真技术验证这几种方案的可行性,并提供友好的可视化界面。大大减少了计划员的工作量,方便他们进行最佳方案的选择。其中,工序时间利用仿真手段来确定。财用仿真技术可以利用已有的排产计划,计算出每个工位在每个时刻的生产状态、库存容量的变化以及机器负载率的变化。利用遗传算法还可根据工序的优先级和生产条件满足即可进行生产的原则,计算出生产计划的总耗时长、所需库容量数据,关键设备负载率等。结果可通过图表给出,并可实现交互式排产,同时也支持通过拖拽等方式进行人工调整的排产结果。