2
organization  paradigm:  the Virtual  Enterprise, which  originates  from  joining 
different resources, such as workers, machines, and competencies, coming from 
different part of the world. Creating a Distributed Manufacturing System is one 
of the best solutions for surviving in the present economic situation. Managing 
this kind of systems can result very complicate. Discrete Event Simulation can 
help in the analysis of complex problems.  
Simulation  is  the  illustration of  a  system with  its dynamic processes  in  an 
experimentation  capable model  in  order  to  find  solutions which  are portable 
into  reality  (definition  by  VDI  –  guideline  3633).  The  term  “simulation”  is 
normally used  to describe  the process of executing a modelling program with 
user‐selected parameters and input data for simulating the future evolution of a 
system under prescribed conditions. Before a system can be simulated a model 
must  be  defined  by  abstracting  the  description  of  the  structure  and  the 
behaviour from the real system. 
Usually,  the simulation  is performed on  the base of a unique whole model, 
which runs on a computer. This traditional method is not able to represent the 
actual  organization  and  manufacturing  systems,  which  are  geographically 
distributed. The  recent  emphasis  on distributed  simulations  is now  changing 
the traditional approach to simulation programs; different computing platforms 
interact with  each  other  over  a  network.  This  can  offer  a  convenient way  of 
combining existing software to represent more complex operating realities such 
as in the distributed manufacturing. 
The emphasis on distributed simulation  is often put on  the re‐usability and 
interoperability of models. Thus, standards become important to ensure model 
compatibility. The use  of  the High Level Architecture  can be very helpful  in 
designing  the  simulation  models  for  Distributed  Manufacturing.  This 
architecture has been developed in the nineties for military purposes, becoming 
a  IEEE and OMG  standard and applicable  for  civil use. Despite  the potential 
advantages  and  the  existence  of  an  international  standard,  distributed 
simulation  has  not  widely  utilized  yet  in  manufacturing.  The  reasons  are 
typically  related  to  the  necessity  of  hard  programming,  standard  software 
interfaces and lost of data and piracy risks.  
 
 3
1.2 Objective and Structure 
The work presented  in this thesis  intends to design a software  layer for the 
integration of a discrete  event  simulation  software within a HLA  adapter  for 
use  in  a  distributed  simulation  environment  of manufacturing  systems.  The 
motivation of  the work  is  the  followings. Traditional  simulations  are  already 
widely  adopted  in  manufacturing  organizations.  Nevertheless,  those 
organizations  are not  capable  and don’t have  the willingness  to  change  their 
way  to  simulate  in  the  view  of  a  distributed  environment.  The  solution 
proposed allows a  transparent  integration of a  traditional simulation  tool  in a 
distributed environment. Transparency means that for the integration process it 
is  necessary  to  adopt mechanisms  that  expose  the  simulation model  in  the 
distributed environment without redesigning the entire model. In this way, no 
further costs nor training are necessary for the distributed simulation. 
On  the  base  of  a  previous work,  after  defining  the  requirements  for  the 
integration  architecture,  a  first  component  of  the  HLA  adapter  has  been 
developed.  This  layer,  called  General  Adapter  or  Core  Adapter  simplifies  the 
utilization of the HLA standard and the corresponding Runtime Infrastructure 
(RTI).  Furthermore,  it  gives  warranties  against  lost  of  data  e  facilitates  the 
integration process. The second layer allows the connection of the first layer to 
the simulation software and facilitates the design of the simulation models in a 
distributed  environment.  The  common  simulation  objects  included  in  the 
simulators  are  integrated  with  entities  which  permits  interactions  with  the 
entire simulation model. 
The remainder of the thesis is organized as follows: 
• Chapter  2.  presents  a  brief  overview  on Distributed Manufacturing 
Systems. These systems are classified in several categories, remarking 
the characteristics and behaviours of each one: Fractal Factory, Bionic 
Manufacturing  System,  Holonic  Manufacturing  System.  Real  cases 
and relative problems are discussed. 
• The Distributed Simulation  is outlined  in Chapter 3. After describing 
how  classical  simulation  tools work,  some  examples  of Distributed 
Simulation  Systems  are  presented  and  their  advantages  and  issues 
 4
evidenced.  In particular,  the Parallel Distributed Simulation and  the 
Advanced Distributed Simulation are discussed. 
• Chapter  4.  includes  a  description  of  the HLA  standard  conception 
process  and  its  rules,  components  and  the  interface  specification. 
Advantages  and  issues  concerned  with  the  use  of  this  integration 
architecture are evidenced, highlighting the critical points for the final 
users. 
• In Chapter 5. the design and development process of the HLA adapter 
for  the  software  integration  is  described.  The  description  of  each 
object in the adapter architecture is performed. 
• Finally, in Chapter 6. conclusions, problems and possible solutions for 
further researches are drawn. 
 
 
 5
2.  Distributed Manufacturing 
Recently,  the worldwide social and economic conditions evolved more and 
more rapidly, with the fashion of the fast technological changes. This evolution 
happened  without  any  appropriate  infrastructure,  capable  to  support  the 
resulting development. The  recent market  conditions  are  the  evidence of  this 
situation.  Operating  in  these  conditions  is  very  difficult  for  the  enterprises, 
which need  to drastically  reorganize  themselves and  sometimes are  forced  to 
give up. The response to this situation is given by new organization paradigms, 
which  give  the  agility needed  for  rapidly  changing  to market pressures. The 
most representative paradigm is the Distributed Manufacturing System. 
This chapter gives a brief overview on Distributed Manufacturing Systems. 
The  Fractal  Factory,  Bionic  Manufacturing  System,  Holonic  Manufacturing 
System  are described,  remarking  the  characteristics  and  features of  each one. 
Real cases and relative problems are discussed. 
 
2.1 Introduction 
In modern manufacturing organizations it is a common intention the practice 
of  directly  control  all  the  business  processes;  this  leads  to  the  necessity  of 
maintaining  a great  amount of knowledge  and  competencies. This  influences 
the development of Information Systems inside the organization, leading to the 
creation  of  monolithic  architectures  with  rigid  control  structures.  A  typical 
example  of  this  approach  is  represented  by  the  Computer  Integrated 
Manufacturing  (CIM);  this  is  characterized by a  centralized  coordination,  low 
flexibility  and  adaptability,  but  also  efficiency  in  intensive  and  repetitive 
processes. 
Recent  researches  in manufacturing  and  business  in  general,  try  to  solve 
problems deriving  from  the creation of  this kind of systems,  introducing new 
approaches  for  the  organization  and  the  IT  architecture,  mainly  based  on 
distributed systems. On the base of different opinions, four common trends are 
observed in today’s manufacturing context: 
 6
• Increasing product variety over time; 
• Mass production to Mass customization transition; 
• Increasing technological complexity; 
• Market globalization. 
The distributed systems allow the introduction in the manufacturing systems 
of  new  different  approaches,  such  as  knowledge  supply  chains,  rapid 
realization  of  products  and  processes,  pervasive  modelling  and  simulation, 
adaptative  and  reactive  information  systems,  flexible  workforce,  extended 
enterprise collaboration, enterprise integration. 
For  an  effective  transition  from monolithic  systems  to  the new distributed 
systems,  innovative  organization  paradigms  arise  in  order  to  respond  to  the 
global  changes  of  the  markets  adopting  the  aforementioned  approaches. 
Among all, the Distributed Manufacturing proved his effective potentials in the 
reaction to new market requirements. 
 
2.2 The evolution of organization paradigms 
Organization  paradigm  is  a  set  of  definitions  and  rules  for  modelling  a 
system  in  order  to  reach  a  specific  set  of  goals. Generally,  new  organization 
paradigms arise from new research ideas which identify success characteristics 
of an organization or enterprise, such as  in  the case of  the Taylor’s  theory.  In 
other cases,  they simply describe  the  features of a successful organization;  for 
instance, the Lean Production. 
During  time,  the  replacement  of  new  organization  paradigms  has  become 
faster  and  faster;  on  the  one  hand,  for  effectively  reacting  to  new  market 
requirements; on the other hand, by simply following the fashion without any 
real reason. New paradigms inherit, modify and extend the heritage of theories 
and  concepts  of  predecessors.  Recently,  the  most  successful  paradigms  are 
Computer  Integrated Manufacturing,  Lean  Production, Agile Manufacturing, 
Distributed Manufacturing and the Virtual Enterprise. 
The Computer  Integrated Manufacturing  (CIM)  is a manufacturing  system 
based on the computer integration concept. In this type of system the computer 
 7
integration can be seen as  the  link among different workstation which crosses 
cells,  departments  and  even  enterprises.  In  this way,  it  is  possible  to  obtain 
rapid  communications  and  the  possibility  of  exchanging  and  reusing 
information  and  data  in  the  organization.  This  paradigm  arises  from  the 
necessity  to  improve  enterprise  efficiency  in  large  organization with  a  great 
amount  of  computerized  systems  (e.g.  machine  tools,  handling  systems, 
computers) which normally work stand‐alone. 
The Lean Production arises in response to the success of Japanese industries, 
where  techniques  such  as  the  Just  In  Time  (JIT)  dramatically  improved  the 
efficiency  and  competitiveness.  The  Lean  Production  proved  soon  to  be 
winning  in  the  automotive  industry,  quickly  extending  the  benefits  to  other 
manufacturing  areas.  The  basic  concept  of  this  paradigm  is  that  the 
organization  must  be  “lean”,  which  means  “doing  everything  with  fewer 
resources”.  Idle  times,  huge  buffers,  long  lead  times, must  be  eliminated  by 
means of JIT, concurrent engineering, total quality management, cost reduction, 
improvement of the relations with suppliers and customers. 
The  Agile  Manufacturing  is  a  business  concept  which  leads  to  the 
development of agility characteristics, that  is rapidity, readiness and proactive 
approach,  in  order  to  quickly  respond  to  market  changes  maximizing  the 
utilization  of  knowledge  resources.  Knowledge  and  competence  must  be 
exploited  and  transformed  in  new  processes,  products,  and  services,  also 
improving the state of the art. It turns out the importance of creating enterprises 
from  the  synthesis  of  core  competencies  coming  from  different  enterprises 
connect by joint ventures. 
The Distributed Manufacturing  is a new paradigm which arises from being 
aware  that  every  organization  is  naturally  provided  with  a  distributed 
decentralized architecture, done that each component, resource, tool, process is 
temporally  and  geographically  distributed.  The  Distributed  Manufacturing 
represent an extension and evolution of  the CIM concept, keeping  its distance 
from  it  in  the  development  and  evolution  of  the  basic  concepts.  This 
organization  paradigm  has  multiple  faces,  done  that  it  comprises  different 
paradigms. 
One of  the most  recent organization paradigms  is  the Virtual Enterprise.  It 
inherits  the supply chain management concept  from other paradigms, such as 
 8
the  Distributed  Manufacturing,  originating  the  Integrated  and  Extended 
Enterprise  concepts. The Virtual Enterprise  represents  the  extreme  concept of 
crossing  the  physical  enterprises  boundaries. Actually,  in  this  paradigm  the 
organization  is  virtual,  temporary  and  strictly  related  to  the  integration  of 
advanced information systems. 
In order to facilitate the understanding, the Figure 2.1 shows the evolution of 
the organization paradigms,  remarking  the mutual  influences.  It  is  interesting 
to  notice  that  the  temporal  evolution  takes  place  along  the  diagonal  of  the 
graphic  represented  in  the  figure,  thought  that  another  evolution  process 
originates  from  the CIM and proceeds  throughout  the  information  technology 
systems. 
 
Figure 2.1 ‐ Organization paradigm evolution 
 
2.3 Distributed Manufacturing Systems 
Today’s market  is characterized by globalization and high competitiveness. 
Enterprises  must  be  aware  of  momentary  opportunities  and  quickly  and 
 9
properly react to customers’ demands. Starting from this situation, Distributed 
Manufacturing  Systems  (DMS)  try  to  offer  suitable  solutions.  The  following 
considerations can be stated: 
• Increasing  product  diversity  over  time  expands  risks  and  costs 
associated with the development and implementation of new product 
and  processes,  to  levels  that  are  sometimes  prohibitive.  However, 
distributing  responsibilities  by  multiple  entities,  risks  and  costs 
became acceptable and market opportunity can be achieved; 
• Escalating  technological  complexity  enforces  enterprise  to  acquire 
knowledge  in  non‐fundamental  domains,  which  implies  increased 
time‐to‐market  periods.  However,  distributing  competencies  by 
different  enterprises,  each  one maintains  its  core  competency while 
achieving competitiveness in the market; 
• Market globalization virtually increases both enterprise opportunities 
and  risks.  Each  enterprise  has  to  operate  in  the  global market with 
globally  based  enterprises  supplying  global  products.  However, 
developing  relations  and  partnerships  with  such  enterprises, 
decreases challenges and risks while benefiting from a wider market. 
Different management approaches have been adopted, in relation to different 
levels of partnership, trust and dependency between enterprises, such as: 
• Supply  Chain  Management,  characterised  by  rudimentary 
relationship between  supplied  and  supplier,  tasks  and  technological 
competencies distribution, but centralising strategies and risks; 
• Extended  Enterprise, where  entities  develop more  durable,  coupled 
and mutual  intervening  relation,  sharing  technological  and  strategic 
efforts.  Yet,  supplied  entity  maintains  a  dominant  position  over 
suppliers; 
• Virtual Enterprise,  is a very dynamic and restructuring organisation, 
where  supplier  and  supplied  are  undifferentiated  and  no  dominant 
position exists. 
Even  if  the previous description  relates  to  inter‐organizational  context,  the 
same  characteristics  and  behaviours  (distribution, decentralisation,  autonomy 
and  dependency)  are  also  suggested  in  an  intra‐organizational  context.  A 
 10
simple  example  is  represented  by  workgroups  that  emphasise  self‐
competencies  while  combining  efforts  for  a  global  response  to  external 
requirements. 
The DMS is an abstract concept (i.e., a class of systems) characterised by a set 
of common features and behaviours, with several specific characterisations (i.e., 
instantiations), named organisational paradigms. 
 
2.3.1 DMS’ Properties 
DMS are characterised by  several properties and behaviours. Such  features 
relate both  to  the overall  system and  each  composing  entity. Basic properties 
include: 
• Autonomy: an entity  is said  to be autonomous  if  it has  the ability  to 
operate independently of the rest of the system and it possesses some 
kind of control over its actions and internal state. I.e. autonomy is the 
ability of an entity to create and control the execution of its own plans 
and/or strategies, instead of being commanded by other entity (e.g., a 
master/slave relationship); 
• Distribution:  a  system  is  said  to  be  distributed  if  different  entities 
operate in the system; 
• Decentralization:  it  means  that  an  operation/competency  can  be 
carried  out  by  multiple  entities.  One  single  system  can  be 
simultaneously  centralised  and  decentralised.  I.e.  (de)  centralisation 
refers to operations not to the system itself; 
• Dynamism: refers to changes in manufacturing systemʹs structure and 
behaviour  during  operation.  This  express  different  competencies, 
responsibilities and relations between entities; 
• Reaction: an entity is said to be reactive if it adjust its plans according 
to its perceptions. 
Other properties deserve a deeper description and as such will be presented 
in the following subsections. 
Flexibility 
 11
Flexibility is the ability the system exhibits during operation that allows it to 
change processes easily and rapidly in a predefined set of possibilities each one 
specified  as  a  routine procedure, defined  ahead  of  time  so  that  the  needs  to 
manage it are in place. 
The  flexibility  of  manufacturing  systems  is  related  to  physical  flexible 
machinery. Flexible is intended in the sense that the machines (or cells) are able 
to  execute  several  operations.  In  addition,  they  can  quickly  change  among 
different  production  plans  according  to  the  partʹs  type  to manufacture  at  a 
given  point  in  time.  The  concept  of  Flexible Manufacturing  System  (FMS)  is 
very popular  for  companies who produce  small  lots of  each product, mixing 
different  lots  in  the production  flow. One of  the main problems  in  achieving 
flexibility is related to transportation. Since a product will need to pass through 
several workstations  in order  to be manufactured and different products will 
have  different  routes,  the  transport  links  between workstations  should  be  as 
ʺfreeʺ as possible.  
Adaptability 
Adaptability is the manufacturing system ability to be maintained easily and 
rapidly,  in  order  to  respond  to  manufacturing  requirements,  based  on  its 
shopfloor  constraints.  Adaptability  refers  to  production  facilities 
reconfiguration and scalability, workforce that has the  incentive and flexibility 
to respond creatively to customer needs and thus requires flexibility. 
A system  is said  to be adaptable  if  it can continue  to operate  in  the  face of 
disturbances  changing  its  structure, properties and behaviours accordingly  to 
new  situations  it encounters during  its  lʺife‐timeʺ. A disturbance  is any event 
not previously and formerly specified (e.g. machine breakdown or a new type 
of  product  to  manufacture).  However,  it  is  very  hard  to  predict  every 
disturbance that may happen. 
 12
 
Figure 2.2 –Cost/Time plot for adaptable & non‐adaptable systems 
 
Figure 2.2 shows the expected cost for developing, installing and running an 
adaptable and a  nʺon‐adaptableʺ system. It  is evident  that  in  the development 
phase  the  cost  of  an  adaptable  system  is  higher  than  a  rigid  one.  The main 
reason  for  this  is  that  the  programming  effort  for  fault–tolerance, 
reconfiguration, etc.  is greater  than  the one  that  is necessary  if  the problem  is 
simplified by not adding  this  functionality. On  the second sector  (installation) 
the cost of the adaptable system is still higher than the non‐adaptable system. 
The effort for configuring all the components and extra‐coding necessary for 
additional information feedback from the hardware is the main reason for this 
higher cost. On  the  third stage  (exploitation),  it  is expected  that  the adaptable 
system will give  rise  to  lower  costs by handling disturbances with minimum 
human  intervention, without stopping  the production or causing great delays 
and long waiting queues. Since this is the longest phase (the system is supposed 
to be ʺup‐and‐runningʺ for several years), the higher costs of the initial phases 
are attenuated.