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工業技術 機械工業 機械學、設計與製圖
 
 
 
 
智能製造:理念•系統與建模方法
 作  者: 劉敏/嚴雋薇
 出版單位: 清華大學
 出版日期: 2019.04
 進貨日期: 2019/5/8
 ISBN: 9787302506249
 開  本: 16 開    
 定  價: 593
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編輯推薦:

新一輪科技革命,特別是移動互聯網、人工智慧、物聯網、大資料、雲計算等新興資訊技術的普及,帶動了幾乎所有領域發生了以綠色、智慧、服務化、網路化為特徵的群體性技術革命。
產品和製造技術更加複雜,出現了全球化、智慧化、服務化、協同化發展趨勢。生產組織方式(生產模式)轉變為運用全球資源的智慧製造模式,在企業內部以資料為中心實現預測型生產系統,如訂單和成本預測等;產品模式向智慧產品與服務系統演變,以智慧產品為承載,融合全流程的服務管理和全生命週期的資料管理,為客戶提供硬體、網路和軟體服務的整體或個性化解決方案,如租賃服務;商業模式向服務型製造演變,可以由製造企業之間分工合作完成製造過程,相互之間提供製造服務,如外包等,也可以將製造環節的生產性服務獨立出來,建立以生產性服務為經營核心的企業,在產品生命週期內為製造企業和*終消費者提供服務,如運營、維護服務;在產品和服務的全球化開發、生產、運營和維護過程中多主體緊密協作,價值鏈從企業為客戶提供產品向提供個性化產品和服務轉變,在提供服務的過程中以自組織方式整合企業內部、合作夥伴、用戶、領域專家、雲平臺服務商、競爭企業等各類服務資源和智慧要素,協同為客戶創造價值。
在智慧製造模式下,製造企業擁有豐富的設備即時運行狀態、運營環境狀態、業務運營狀態、人員狀態、社交網路資料以及客戶回饋資料等大資料資訊,通過對這些資料的分析和挖掘可以瞭解問題產生的過程、造成的影響和解決的方式,這些資訊被抽象化建模後轉化成知識,再利用知識去認識、解決和避免問題,實現預測性生產與決策。智慧製造模式將改變“傳統以庫存管理為基礎的製造運作管理理論”為“基於能力管理的預測性服務型製造”,知識成為服務型製造企業運作的基礎,資料作為產生知識的主要途徑,將成為企業的核心資產。
因此,本書以智慧製造理念為起點,講述以移動互聯網、人工智慧、物聯網、大資料、雲計算等為代表的新興資訊技術對傳統製造企業的滲透、支援和衝擊,給製造業帶來的挑戰和機遇,以及智慧製造技術及系統的發展與沿革,並且系統地介紹智慧製造的理念、系統及建模方法和技術等內容。

劉敏,同濟大學電子與資訊工程學院控制科學與工程系,博士,教授,博士生導師
近年,在國內外學術期刊和國際會議發表論文200餘篇,SCI/EI摘引100餘篇次,研究了智慧製造、大資料分析預測、基於互聯網的服務優化調度與配置等基礎理論、方法和技術,申報國家發明專利10余項,授權6項、軟體著作權9項。多次擔任國際學術會議的分會主席及程式委員會委員,受到人民郵電報、上海商報和常熟日報等媒體採訪,擔任上海市企業資訊化促進中心理事和專家。先後獲得CAA技術發明一等獎(2015)、費尼克斯電氣獎教金(2013)、同濟大學攀登高層次人才基金(2011)、上海市科技進步二等獎、863計畫CIMS先進工作者、上海市政府津貼、浙江省優秀畢業生等榮譽。


內容簡介:

移動互聯網、大資料、人工智慧等新一代資訊技術與製造業深度融合,孕育了智慧製造的新理念。 本書以智慧製造理念為起點,講述了新一代資訊技術對傳統製造企業的滲透、支援、衝擊和融合,給製造業帶來的挑戰和機遇,以及製造模式的變革、製造系統的發展及建模方法論; 探討了包括智慧產品、智慧製造過程、智慧管理和服務、智慧製造模式、智慧製造基礎關鍵技術等內容的智慧製造技術體系,以及面向網路協同的智慧工廠架構和智慧企業協作框架; 詳細介紹了智慧製造系統的組成、製造系統的建模方法和相關的基礎關鍵技術等內容。 本書可供自動化、機械、電腦、管理工程等領域的管理人員、技術人員參考,也可作為相關專業高年級本科生和研究生的選修課教材。


圖書目錄:

第1章智能互聯時代的製造業

1.1製造業發展史

1.1.1蒸汽動力時代

1.1.2電動力時代

1.1.3資訊經濟時代

1.1.4智慧互聯時代

1.2資訊技術對製造業的影響

1.2.1資訊技術及其社會作用

1.2.2資訊技術對製造業的挑戰

1.3製造模式的變革

1.3.1製造模式模型

1.3.2製造模式的發展階段

1.3.3各工業強國製造模式的變革過程

1.3.4中國智慧製造的部分內容

1.4製造系統的發展

1.4.1電腦集成製造系統的基本概念

1.4.2現代集成製造系統的基本概念

1.4.3智慧製造系統的基本概念

1.5製造系統的建模方法論

1.5.1企業建模理論與方法

1.5.2工程項目開發的生命週期

1.5.3系統的實施方法

參考文獻

第2章智慧製造的技術體系

2.1“工業4.0”的智慧製造技術

2.1.1智慧工廠的概念

2.1.2“工業4.0”的核心特徵

2.1.3“工業4.0”的基本特徵

2.2工業互聯網的智慧製造技術

2.2.1物聯網

2.2.2智慧設備

2.2.3智慧資料

2.2.4智慧決策

2.3“中國製造2025”的智慧製造技術

2.4智慧製造的技術體系

2.4.1智慧製造技術的構成及體系結構

2.4.2新一代資訊技術支撐的智慧工廠體系結構

2.4.3面向網路協同的智慧企業協作框架

參考文獻

第3章智慧製造系統的組成

3.1製造企業的功能和生產組織方式

3.1.1傳統製造企業的生產組織方式

3.1.2現代製造企業的生產組織方式

3.2智慧研發與設計系統

3.2.1研發與工藝設計系統概述

3.2.2產品創新設計與研發管理模式

3.2.3產品研發與工藝設計系統

3.2.4基於產品定義模型的智慧研發和設計方法

3.3智慧生產系統

3.3.1智慧生產系統的組成

3.3.2面向智慧生產過程的幾個概念

3.4智慧管理與服務系統

3.4.1智慧管理與服務技術體系

3.4.2智慧運營管理與服務系統

3.4.3智慧物流與供應鏈系統

3.4.4產品智慧服務系統

3.5面向流程工業的智慧製造系統

3.5.1連續型製造業的特點

3.5.2流程工業的製造系統

參考文獻

第4章面向製造系統集成的支撐平臺系統

4.1企業整體解決方案的集成平臺

4.2網絡化製造服務平臺

4.3集成化企業建模與診斷系統

參考文獻

第5章製造系統的建模方法體系

5.1資訊系統的建模方法論

5.2製造系統的參考體系結構

5.2.1面向集成製造的參考體系結構

5.2.2面向智慧製造的參考體系結構

5.2.3“中國製造2025”的智慧製造參考架構

5.2.4虛實結合的智慧製造參考架構

5.3製造系統的建模方法及工具

5.3.1IDEF系列方法

5.3.2GRAI建模方法

5.3.3ARIS控制視圖的過程鏈方法

5.3.4物件導向的I2DEF方法

5.3.5採用UML類圖語言的VEMS建模方法

5.4面向企業整體解決方案的建模工具應用

5.4.1引言

5.4.2企業診斷階段

5.4.3需求分析階段

5.4.4系統設計階段

5.4.5實施與運行維護階段

5.4.6面向企業整體解決方案的建模工具

參考文獻

第6章製造系統的總體設計技術

6.1系統的需求分析

6.1.1企業現狀分析

6.1.2企業面臨的問題及對策分析

6.1.3系統的需求與目標

6.2系統總體方案的制定與描述

6.2.1制定總體方案的指導思想

6.2.2系統總體設計的內容

6.3分系統的總體設計

6.4設計標準與規範

6.4.1國際標準

6.4.2ISO/TC184

6.4.3國家標準

參考文獻

第7章製造系統的基礎關鍵技術

7.1製造系統的基礎理論和支援技術

7.1.1離散事件動態系統理論

7.1.2系統集成技術與企業優化技術

7.1.3系統模擬技術

7.1.4傳統的智慧技術與方法

7.1.5機器學習方法

7.1.6新一代人工智慧技術

7.2製造系統中的資訊技術

7.2.1產品資料管理技術

7.2.2製造網路技術

7.2.3產品資料交換技術

7.2.4產品全生命週期管理技術

7.2.5智慧傳感技術

7.2.6資訊物理系統技術

7.3電腦輔助技術

7.3.1電腦輔助設計

7.3.2電腦輔助工藝規劃

7.3.3電腦輔助製造

7.3.4電腦輔助品質管制

7.4製造系統的集成平臺技術

7.4.1軟構件及其標準介面

7.4.2製造系統應用集成平臺

7.5製造程序控制技術

7.5.1數位控制技術

7.5.2柔性製造技術

7.5.3傳統的智慧製造技術

7.6製造技術的新發展

參考文獻


章節試讀:

第5章

製造系統的建模方法體系

製造系統的設計、分析和實施所需的一組方法的集合,稱為“製造系統的方法體系”。更具體地說,方法體系包含三個組成部分: 參考模型、建模方法和實施指南。三者相結合,才能形成一組完整的工作指導檔。這些指導性檔體現出系統科學的特徵。隨著製造系統理念、方法與技術的發展以及應用的不斷廣泛和深入,製造系統的系統性、整體性與一致性進一步凸顯。於是,如何完善製造系統的方法體系,並為企業的信息化和整體集成優化提供有效、實用的分析、設計製造系統的一整套理論、方法和使能工具已經備受關注。本章將對製造系統的方法體系進行詳細闡述,主要內容有製造系統的參考體系結構及其建模方法和工具。
5.1資訊系統的建模方法論
在資訊化專案管理過程中,對資訊系統的認識和構建是階梯上升的,在概念定義階段需要明確企業的戰略目標,並據此形成集成系統的目標,然後圍繞系統目標,參考行業內通用的參考體系結構模型,從組織、資源、資訊、產品、功能和經營過程等角度描述企業的現狀,形成對企業基本框架和運行機制的完整描述(體系結構)。在這些描述的約束下,採用合適的模型分析手段進行分析,找出現有系統中的問題進行改進,然後構建目標系統,形成多視圖的目標系統的描述。在形成目標系統描述時,除了使用各個視圖的描述方法外,還可以應用其他建模方法,以便提供對系統更完整的描述(系統建模)。完成基於模型的設計後,就是在構建工具集的幫助下,將設計轉化為實際系統構建的技術說明,並構建實際系統。系統描述對系統的運行仍然能夠發揮作用,可以作為實際系統運行的參考,並據此進行系統的優化與調整。
一方面,由於資訊化專案的多專業性,為了解決溝通和分析設計的問題,需要借助建模的手段實現對被處理物件系統的描述; 另一方面,由於資訊化處理物件的複雜性,依據“化繁為簡、分而治之”的原則,使用多層次、多視圖的模型來描述目標系統。視圖的劃分包括反映結構資訊的資訊視圖、資源視圖、組織視圖、產品視圖,反映系統時間和邏輯特徵的過程視圖,結合反映系統功能結構和功能關係的功能視圖,以及反映企業經濟性和目的性的經濟視圖。靜態結構反映了系統的存在,行為結構給出了系統的屬性和運行方式,而評價結構則將系統和它的目的性關聯在一起。通過多視圖,為集成的定義方法(integrated computer aided manufacturing DEFinition method,IDEF)、ARIS等建模方法和工具的集成,以及製造企業原模型和企業本體的開發提供了技術框架。
5.2製造系統的參考體系結構
參考體系結構模型為資訊技術專案的管理提供了體系參考和方法論,經過各國專家的努力,已經形成了一批相當有代表性和廣泛影響力的參考體系結構及建模方法,並進行了大量的工業實踐,如面向智慧製造的“工業4.0”參考架構模型(Reference Architecture Model for Industrie 4.0,RAMI 4.0)、工業互聯網參考架構(Industrial Internet Reference Architecture,IIRA),以及面向現代集成製造的CIM開放系統體系結構(Open System Architecture for ComputerQIntegrated Manufacturing,CIMQOSA)、GRAI集成方法論(GRAI Integrated Methodology,GIM)、歐共體集成製造計畫和控制系統(Integrated Manufacturing Plan and Control System,IMPACS)、普渡企業參考體系結構(Purdue Enterprise Reference Architecture,PERA)、集成的資訊系統體系結構(Architecture of Integrated Information Systems,ARIS)、通用企業參考體系結構與方法論(Generalized Enterprise Reference Architecture and Methodology,GERAM)、階梯形CIM系統體系結構(StairQLike CIM System Architecture,SLA)等。
5.2.1面向集成製造的參考體系結構
CIM的另一種定義是: “CIM是一種組織、管理與運行企業生產的哲理。它借助電腦硬體、軟體,綜合運用現代管理技術、製造技術、資訊技術、自動化技術、系統工程技術,將企業生產經營全部過程中有關人、技術、經營管理三要素及其信息流、物料流和資金流有機地集成並優化運行,以實現產品品質高、生產製造消耗低、上市快,從而使企業贏得競爭。”在CIM中非常強調系統的觀點和資訊的觀點。系統的觀點是指整個企業的各個部分是有機結合的總體; 資訊的觀點是指整個製造生產過程實質上是資訊的採集、傳遞和加工處理的過程。CIMS在企業應用的最終目標是實現企業的優化運行,而集成是為最終企業的優化運行服務的,是企業優化的基礎。
CIMS是一個複雜的大系統,企業實施CIMS是一個複雜的系統工程。為了保證CIMS的實施能夠得到良好的效果,除了需要實施者有良好的理論、技術和豐富的實施經驗外,還需要有先進實用的CIMS實施方法論的指導和工具系統的支援。CIM體系結構是CIMS方法和工具系統的基礎。所謂體系結構,就是反映描述系統的各組成部分及其相互關係的一組模型。
為了能完成希望的任務,計畫實行電腦集成製造(更廣義的企業集成)的任何組織都會有一些非常特殊的要求。因此,對於CIMS體系結構,會遇到以下問題:
(1) 不可能完整地買到一個集成製造系統; 每個公司都要對自己的系統進行設計,這就說明了為什麼需要方法論來?明建立集成企業。
(2) 設計一個集成企業面臨很多困難,主要表現為: 系統極其複雜,因此,必須靠一些特殊的技術來瞭解這種複雜性,從而能夠使集成有效地進行下去; 不能只從技術的角度考慮系統,還應該用集成的方式從經濟、社會和人的角度來考慮; 設計系統所需的知識不是一個人所能具有的,設計時需要協同工作; 系統的初始狀況是很重要的。為了更好地瞭解系統運行的詳細約束條件,以及避免對系統中符合要求的部分進行再設計,必須考慮系統的初始狀況。
(3) 體系結構必須包括以下幾部分: 廣義的參考模型,全域顯示集成企業專案的結構; 至少一種建模形式化方法,用於建立研究和評價所需的模型; 用於總體方案的一種結構化方法,根據企業目標和約束條件逐漸將現有的系統引向未來系統結構化法是解決問題時所需遵循的一組步驟。在集成製造系統設計方法論的框架中,結構化方法必須覆蓋集成專案的全部生命週期(分析、設計、開發、實現、運行); 性能評價標準,從各方面(如經濟性、可靠性等)對系統進行評價。
綜上所述,在評價製造集成體系結構時不能只考慮集成的what問題,還需要考慮集成的how問題。也就是說,應該從包括企業提供的服務、人際關係以及資訊技術在內的完整企業系統的開發方面來考慮如何實現。雖然各種文獻中提出了許多企業參考體系結構,都對集成製造企業的任務進行了說明、解釋和指導,但是,只有很少文獻既考慮了企業集成中的what問題,又考慮了how問題。大部分文獻只是把注意力放在對電腦控制系統及其各種功能的互聯結構描述上,即只考慮了what問題。由此可以將體系結構分成兩類: 第一類描述了諸如電腦系統、通信系統等組成集成企業系統的某些元件或部分體系結構,或物理結構; 第二類給出了所要開發的集成專案自身的體系結構,即表明了開發集成專案的生命週期。
由於集成專案開發的主要步驟是設計和構造一個包括電腦系統、通信系統等子系統的完整系統,所以第一類系統結構應該作為重要工具包含在第二類體系結構中。在眾多體系結構中,第二類體系結構模型有CIMQOSA、PERA、GIM、ARIS等。
1. CIM體系結構的分類
前面已經把CIM體系結構定義為一組不同層次的各種視圖模型的集合。又因為CIM系統在內容、範圍、時間進程上都不是封閉的,故對所述體系結構還特別強調其開放性,也稱為開放系統體系結構。
正如對CIM的認識隨著研究和實施的深入而不斷深入一樣,對CIM體系結構的認識也有一個發展過程。經世界各國研究人員多年的研究,已經提出了多種CIM體系結構和相應的CIMS實施方法論。比較著名的體系結構有最早提出的ARMF的五層遞階結構、SME輪式模型、CIMOSA、ARIS、PERA、GRAI等。總體來說,這些體系結構共分為三類,即面向CIM系統生命週期的體系結構、面向CIM系統功能和控制結構的體系結構、面向CIM系統集成平臺的體系結構。下面簡要介紹一下這三類CIM的體系結構的特點和典型代表。
1) 面向CIM系統生命週期的體系結構
面向CIM系統生命週期的體系結構具有如下特點:
(1) 系統生命週期包括需求分析與定義、系統設計、系統實施和系統運行四個階段。
(2) 面向CIM系統生命週期的體系結構使新系統的規劃設計與當前系統分離,它具有一整套結構化方法和平臺來幫助和支援需求分析與定義、系統設計、系統實施,直至系統運行的全生命週期。
(3) 體系結構能盡可能多地利用原有系統中的組成部分,因而具有時空開放性。
(4) 這類結構的典型代表主要有歐共體ESPRIT計畫中的CIMQOSA體系結構和美國普渡大學的普渡體系結構。後文會有關於這兩個體系結構的介紹。
2) 面向CIM系統功能和控制結構的體系結構
為了控制CIMS控制系統的複雜性和簡化實施,採用橫向或縱向的分解與集成,形成多層遞階控制結構或由“核”和若干層週邊組成的輪式結構,這就是面向系統功能構成和控制結構的體系結構。它的好處是把製造系統分解成幾個分系統,減少全域控制和降低開發的難度。這類體系結構是最早提出的一類CIM體系結構,結構比較成熟,在國際上已經得到廣泛應用。美國國家標準局(National Bureau of Standards,NBS; 現為美國國家標準技術研究所(NIST))的五層遞階控制結構(圖5.1)和國際標準組織(ISO)的六層遞階控制結構(圖5.2)以及美國製造工程師學會(Society of Manufacturing Engineers, SME)提出的輪式結構(圖5.3)是這類體系結構的典型代表。



圖5.1NBS的五層遞階控制結構



圖5.2ISO的六層遞階控制結構




圖5.3SME的輪式結構


NBS的五層遞階控制結構是最早提出的CIM體系結構,這個結構後來又進一步發展成為ISO的六層遞階控制結構。這兩個結構與企業的遞階組織結構非常接近,而且結構中將資訊交換嚴格限制在相鄰的上下層之間,從而大大減少了系統中資訊交換的數量和範圍,比較符合當時電腦的發展水準。從現代電腦水準來看,這種結構存在結構比較簡單、僵化、資訊回饋速度慢、系統柔性較差等缺點。

20世紀80年代,SME定義的CIM輪式結構中,整個體系分為三層。最外層表示企業的發展戰略管理、市場管理、企業財務管理、人力資源管理等一般的業務管理功能。中間層分別定義了製造規劃和管理、產品/工藝過程、製造自動化三個部分,每個部分又分成不同的組成元素,如製造規劃和管理部分包括車間、物料、作業計畫、品質過程計畫和管理等組成元素。最裡層是在集成技術結構支援下的企業的資訊資源管理和公用資料管理。

SME的輪式結構以共用資料庫和通信網路為中心把各項單元技術連接成一個整體,可以清楚地看出系統的組成部分以及它們相互之間的關係。但是,SME輪式結構只強調CIM的技術方面,而忽視人的因素。基於這一缺陷,20世紀90年代SME又提出了新的輪式結構,該結構強調以使用者為核心,重視人、技術、組織的集成和知識的共用,並且覆蓋了產品的全生命週期,明確了企業與社會環境(雇員、社區、環境、供應商、投資者)之間的關係。
我國技術人員在“國家高技術研究發展計畫(863計畫)”十多年的實踐基礎上,提出了現代集成製造系統(Contemporary Integrated Manufacturing System,CIMS)的概念。現代集成製造系統概念是對電腦集成製造系統(computer integrated manufacturing system)概念和方法的發展。如果說電腦集成製造系統的特徵是集成,其使能技術主要是電腦技術,那麼現代集成製造系統的特徵就是集成和優化,其使能技術是電腦技術和系統技術。
國內由863/CIMS主題進行了面向控制結構的體系結構的研究,得出六層遞階結構的CIM全域層次模型(圖5.4),同時提出了面向功能構成的“橫”分解結構(圖5.5)。這種模型也是面向CIM系統功能和控制結構的體系結構。


圖5.4CIM全域層次模型



圖5.5CIM體系功能結構


3) 面向CIM系統集成平臺的體系結構
面向CIM系統集成平臺的體系結構是一些電腦公司為了解決CIM系統中眾多軟體的支援和聯接問題所推出的標準化平臺,如Digital公司的CIMS體系結構(圖5.6)和IBM公司的CIMS體系結構(圖5.7)。這類結構相當於CIMQOSA中的集成基礎結構。需要指出的是,由於CIMQOSA的研究尚未完全實用化,因此這類由電腦廠商為對付市場迫切需要而開發的工具平臺必然會存在著支援面不寬的可能性和危險性。



圖5.6Digital公司的CIMS體系結構



圖5.7IBM公司的CIMS體系結構


2. CIMQOSA
電腦集成製造系統開放式體系結構(Computer Integrated ManufacturingQOpen System Architecture,CIMQOSA)是由歐洲共同體(European Strategic Program on Research in Information Technology,ESPRIT)計畫688、2422和5288專案下的歐洲CIM體系結構委員會(AMICE)開發的一個開放體系結構。其目的是提供一個面向CIM系統生命週期的、開放式的CIM參考體系結構,該體系結構從多個層次和多個角度反映了CIM企業的建模、設計、實施、運行和維護等各個階段,提供了CIM系統描述、實施方法和支援工具,並形成了一整套形式化體系。
CIMQOSA體系結構開發工作開始於1984年。它是一種面向企業CIMS生命週期的體系結構。在結構上,CIMQOSA由兩部分構成: 一是模型框架; 二是集成基礎結構。前者從不同企業的角度、建模的不同層次和實施的不同階段出發給出CIM企業參考模型的結構以及實施CIMS的方法體系,從而對CIM企業的優化設計、建立和最佳運行企業提供指導與支援; 後者旨在為CIM系統提供一組公共服務集合,實現企業資訊集成、功能集成所需的基本處理和通信功能,支援企業模型的建立、CIM企業的設計、實施、運行與擴充,為CIM體系結構的實現提供基礎支援環境。
此外,CIMQOSA還定義了兩個應用環境: 集成的企業工程環境(Integrated Enterprise Engineering Environment,IEE)和集成的企業運行環境(Integrated Enterprise Operation Environment,IEO)。前者支持企業的建模、分析過程,後者支援企業模型的模擬、運行過程。下面從建模框架、建模方法、集成基礎設施、建模過程和概念等方面對CIMQOSA作簡要介紹。CIMQOSA的主要特徵有兩個: 一個是它有一個稱為CIMQOSA“魔方”的體系結構框架,用於把所需的模型分類; 另一個是通過它的CIMQOSA集成基礎設施可協調企業工程環境和企業運行環境的概念。
1) CIMQOSA建模框架
CIMQOSA建模框架是一個由通用性維、系統生命週期建模維和視圖維組成的三維框架,又稱為CIMQOSA“魔方”,如圖5.8所示。這種完美的企業模型框架結構為企業描述和集成提供了結構化語言,它貫穿企業建模生命週期中的各個階段(需求分析、詳細設計和實施階段),以四個視圖(功能視圖、資訊視圖、資源視圖和組織視圖)表述企業的各個方面,並根據其通用性將模型分為三個層次(通用層、部分通用層和專用層)。通過這個框架,能對企業的不同方面進行建模。下面分別對組成體系結構的各個維進行描述。


圖5.8CIMQOSA建模框架結構


(1) 通用性維。
通用性維描述模型的特殊化程度。可以通過產生實體過程,將通用的構件產生實體到一個特殊的企業模型中。這一維分為通用層、部分通用層和專用層三個層次。
通用層由一些可重用的基本構件組成,是CIMQOSA模型的基礎。它包括通用構件以及針對功能、目標、約束條件、設施和協議等的各類構件。這些構件可以廣泛應用于各類企業集成中。
部分通用層提供企業參考模型。這些參考模型是企業的不完整骨架,而且可以應用於工業部門、公司以及製造戰略等廣泛領域。CIMQOSA主要通過部分通用層模型來封裝工業需求,並為企業提供一個現實的、可用的工具。部分通用層提供的企業參考模型是一組適應於某一行業的部分通用模型,包括不同工業類型,如汽車、機床、電子、航宇等的典型結構。針對工業類型的部分通用層模型還可以按照企業的規模和類別繼續劃分。圖5.9描述了汽車、機床、電子、宇航等各種製造行業的部分通用模型。從圖5.9中還可以看出,行業內部還可以不斷細化。


圖5.9CIMQOSA部分通用層模型

專用層涉及一個具體企業的全部或者一部分。專用模型是所有關於企業的必需知識的具體化,能夠用來直接描述集成的製造單元與資訊單元(如機床、應用程式和人力資源等)。
(2) 系統生命週期建模維。
系統生命週期建模維提供對系統生命週期的建模支援,由與企業模型開發生命週期中的主要階段對應的三個建模層次組成。這三個建模層次是需求定義(requirement definition)層、設計說明(design specification)層和實現描述(implementation description)層。
需求定義層使用簡單的語言,根據企業的目標來確定企業的事務需求。企業的事務需求是在不考慮技術問題的情況下,確定為實現企業的目標應該做什麼,即進行過程確認。
設計說明層用一種電腦可處理的語言來確定完成經需求定義層確認的過程所需的技術。該層根據企業的所有約束條件以及所選擇的技術來對過程進行構造和優化,得出的模型能夠通過模擬技術進行評價。
實現描述層確定電腦可執行的過程運行方式,即選擇實際的提供資訊技術和製造技術單元的供應商的產品。該層將設計說明層的內容轉變成CIM系統實施的製造元件和資訊元件,以滿足在需求分析層中描述的系統功能需求。


(3) 視圖維。
視圖維由功能、資訊、資源、組織四個從不同視角描述企業的視圖組成,是觀察和控制企業的不同方面的“視窗”。
功能視圖(function view): 描述企業的行為和功能。
資訊視圖(information view): 採集企業中的所有資訊,描述企業運作過程中使用的事務資訊的結構。
資源視圖(resources view): 對執行企業構成所需的企業資產(如物理系統和人員方面等)進行描述。
組織視圖(organization view): 考慮企業組織方面的問題,如企業中對於功能物件、資訊物件、資源等的職責的分配,以及對於特殊情況和決策的管理職責的分配等。
在這一維上,建模過程是一個從功能收集開始的,以相互反覆運算的方式逐步生成各個視圖(功能、資訊、組織、資源)的過程。
2) CIMQOSA建模方法
CIMQOSA建模方法是一種基於過程的企業建模方法,它按照CIMQOSA建模框架來構造特殊的企業域。CIMQOSA認為,一個企業是一些互相關聯但又互不重疊的域(domain,DM)的集合。這些域可以分為CIMQOSA域和非CIMQOSA域兩種。CIMQOSA域的集合組成了企業中需要進行研究(建模和集成)的部分。一個CIMQOSA域包括一個或多個域過程(Domain Process,DP),每個域過程提供滿足某些企業經營目標所需的功能。非CIMQOSA域是企業中暫時不需要進行研究的部分,用來描述CIMQOSA域與企業其他部分的關係。
CIMQOSA建模方法是對企業的功能和行為進行遞階分解,如圖5.10所示。分解樹的根是域,中間節點是表示較低層行為的域過程和事務過程(Business Process,BP),葉節點是表示基本功能的企業活動(Enterprise Activity,EA)。域過程的父節點是域,事務過程的父節點是域過程,而企業活動的父節點則可以是域過程或事務過程。一個CIMQOSA域的功能和動態行為可以表示成一個由企業活動組成的網路。


圖5.10CIMQOSA遞階分解結構

以上建模方法適用于需求定義層。如果進入了系統設計層,則企業活動要進一步分解為功能操作(functional operation),還要確定執行每個功能操作的資源,即功能實體(functional entity)。CIMQOSA中的功能實體是能夠接收、發送、處理和存儲資訊的資源。每個功能操作必須由一個功能實體完成,但一個功能實體可以執行多種功能操作。
3) CIMQOSA集成基礎設施
CIMQOSA集成基礎設施(integrating infrastructure)提供一組在異構環境中用於模型工程和模型驅動的企業運作監控的通用資訊技術設施實體。它給CIMQOSA模型提供了運行環境,允許像模型中描述的那樣對企業的運作進行控制和監督,並且還提供了一致的軟體平臺來實現異構的軟硬體集成。
CIMQOSA的集成環境如圖5.11所示。事務實體(business entity)用來根據實現描述模型對企業運作進行控制,包括程序控制(process control)、資源控制(resource management)和活動控制(activity control)等部分。上述事務實體的各部分分別負責分析模型內容、分配資源、確認所需資訊,並通過普通實體(common entity)、資訊實體(information entity)和存在實體(presentation entity)與必要的IT資源和製造資源相連接。其中,普通實體通過網路控制通信,資訊實體提供對資料的操作、集成和管理,存在實體是與人、機床以及應用程式等進行通信的標準介面。管理實體(management entity)則提供配置和管理集成基礎設施自身所需的系統設施。


圖5.11CIMQOSA的集成環境


4) CIMQOSA建模過程
CIM系統生命週期內各模型與真實系統的關係如圖5.12所示。首先根據相關的企業目標和約束條件,並且採用CIMQOSA參考體系結構提供的建模構件來確定要建模的系統的需求,產生專用的需求定義模型,模型中包含至少一個CIMQOSA域及其與相關非CIMQOSA域之間的關係。
然後以專用需求定義模型為基礎進行系統設計說明,確認系統運作所需的資源(功能實體)。在設計說明階段,要對需求定義模型中的資訊進行修正。這一修正過程可以使用需求定義建模階段已經採用的建模構件的附加屬性,也可以採用CIMQOSA參考體系結構中的新構件。設計說明階段產生的設計說明模型以及具體的功能實體是系統實現階段(系統建造與釋放)的指導。


圖5.12CIM系統生命週期內各模型與真實系統的關係


系統的實現可以通過兩種途徑來實現: 一種是重用現有的資源; 另一種是購買或建造新的資源。系統實現階段的主要部分是根據設計說明對資源進行安裝和檢驗。專用實現描述模型記錄了對設計說明的所有修改,是模型的進一步深入,並且將設計模型轉換成可以由集成基礎設施運行的形式。
經過檢驗後,要進行模型釋放,釋放的實現描述模型可以投入系統運作。在系統維護過程中,也要對經過修改的模型重新進行釋放。
5) CIMQOSA體系結構的特點
綜上所述,CIMQOSA是一個面向CIM系統生命週期的、開放式的CIM參考體系結構。目前許多建模方法都是基於CIMQOSA衍生出來的,或在很大程度上借鑒了CIMQOSA的思想。CIMQOSA的主要特點概括如下,其中包含了體系結構本身仍存在的一些局限性,限制了體系結構的應用和推廣。
(1) CIMQOSA的開發者從一開始就決定使對體系結構各方面的定義和描述盡可能地形式化,以獲得與體系結構相關的結構、模型、工具、技術等完全的電腦可執行性,其結果是CIMQOSA是各體系結構中描述最形式化的,但同時也影響了它對於沒有電腦基礎的潛在使用者的可讀性和可理解性。
(2) CIMQOSA的應用範圍限制在離散製造系統領域,而且進一步又局限於那些每個車間生產單元都有本地控制系統的工廠。也就是說,CIMQOSA只研究被其他研究小組稱為監督控制和生產管理的部分。車間生產單元的動態直接控制由生產單元內建立的本地控制器來處理,而CIMQOSA系統則負責這些控制器的總體運行。
(3) 雖然CIMQOSA描述了CIM系統的“生命歷程”,但是它沒有將此描述發展成為用於指導使用者利用該體系結構實現工廠集成的真正的方法論。
(4) 雖然CIMQOSA的可執行性比較好,也有一些進行建模和模型運行的工具,但目前這些工具還處於試驗階段,還沒有投入市場的產品。
3. PERA
普渡企業參考體系結構(PERA)是普渡大學應用工業控制普渡實驗室自1990年11月開始為一個CIM工廠進行企業建模而開發的。PERA面向系統的整個生命週期,劃分了概念、需求定義、設計、構造與安裝、運行共五個階段。它將任務視為企業功能分解的最底層,是基於任務建模的參考模型。它是對包括資訊系統任務、製造任務和人的任務,以及這三者之間的關係的建模。
1) PERA
PERA包含了集成企業系統的完整生命週期,即概念、需求定義、設計(初步設計和詳細設計)、建造與安裝、運行與維護五個階段。PERA將模型按照系統生命週期分為兩個視圖: 需求定義階段為功能視圖(functional view),從設計階段到運行階段組成實現視圖(implementation view)。圖5.13是PERA的框圖,它是按照系統生命週期的各個階段來劃分的,該圖清楚地顯示了PERA的CIM專案的開發過程。


圖5.13PERA的框圖

PERA的第一個階段是概念階段。在概念階段,首先要辨識CIM事務實體物件(CIM Business Entity,CBE)。CBE是包括集成系統在內的完整的企業物件。這個辨識工作包括對實體的任務、管理範圍、一些相關數值以及運作(如過程的選擇、供應商的挑選等)哲理進行描述。然後根據上述任務產生所有要考慮的領域(如製造、人員和資訊等)的運作策略,以及確定包括產品和運作要求在內的概念化的生產實體。
在需求定義階段分為三步。首先要建立企業的運作需求。從管理的角度看,只存在兩種需求: 一種是定義了資訊類任務(如計畫、調度、控制、資料管理等需求); 另一種是定義了物理的製造任務(物理的生產需求)。這些需求可以根據在概念階段獲得的運作策略和生產實體來確定。然後對需求進行分析,把它們合成功能模組(如任務與功能模組、製造模組等)。接著再把它們分別與資訊網路和物流、能源流網路連接起來,形成資訊功能網路和製造功能網路,即資訊和製造兩個功能體系結構。
到目前為止,PERA還沒有涉及人在系統中的地位。但是,一旦進入實現視圖,PERA首先要確定人在系統中的地位,即在資訊和製造兩個功能體系結構中的哪些任務是由人來完成的。這些由人來完成的部分形成了人與組織體系結構。而資訊體系結構的其餘部分(由電腦、軟體、資料庫等完成的任務)稱為資訊系統體系結構,製造體系結構中的其餘部分(由自動化製造裝置完成的任務)稱為製造設備體系結構。這樣,功能視圖中的資訊和製造兩個功能體系結構就轉變成實現視圖中的資訊系統、人與組織、製造設備三個實現體系結構。這些體系結構都是PERA的子體系結構。在確定了人的地位之後,就可以繼續進行系統生命週期中的其他步驟(如設計、建立與安裝、運行與維護等)了。
2) 人與組織體系結構的確定
PERA中通過人與組織體系結構明確表示了人在企業中的地位。人與組織體系結構和資訊系統體系結構以及製造設備體系結構之間的界線如圖5.13所示。確定人與組織體系結構時涉及三條線: 可自動化度(automatability)線、可人工化度(humanizability)線和自動化範圍(extent of automation)線。

可自動化度線表示在技術上能夠實現自動化的企業任務和功能的範圍。根據受當前技術所限不能進行自動化的任務以及必須靠人工執行的任務,可以確定這條線的位置。
可人工化度線表示系統中能夠由人來完成的任務和功能的範圍。這條線的位置可以根據人的能力確定。
自動化範圍線是人與組織體系結構和資訊系統體系結構以及製造設備體系結構之間的實際界線。它顯示了系統實際的或計畫達到的自動化程度,可以根據經濟的、社會的和技術的因素來確定。
可自動化度線一般總是在自動化範圍的外面。也就是說,由於種種原因,並不是所有能夠實現自動化的技術能力在現實中都被採用。對於一個完全自動化的工廠來說,這兩條線將合二為一,人與組織體系結構將不復存在。
3) PERA的特點
與其他參考模型相比,PERA覆蓋了CIM系統實施的最完整的生命週期。在系統分解方面突出闡明了人和組織因素的作用,劃分的自動化範圍線分清了人和機器、人和電腦之間的分工及其職責。下面概括了PERA的主要特點,其中包含了體系結構的不足之處。


PERA及其相關方法論是一種引導用戶經歷企業集成的所有階段(從最初的概念設計到最終的投入運行)的非形式化描述方法。
作為一種非形式化描述方法,PERA最容易被沒有電腦知識的使用者理解。尤其是對其完整結構易於掌握的圖形表達,以及對程式開發階段的分層。其相關方法論,特別是它對集成專案計畫階段的討論是完備的。此外,PERA方法論較為文檔化。
由於描述的非形式化,PERA的可執行性非常差。
PERA的實現視圖分為資訊系統、人員與組織以及製造設備(或顧客服務)三部分,這就使PERA方法論及以後的企業集成項目能對企業集成中人在各方面的影響進行討論。
目前,PERA缺乏對體系結構進行電腦建模所需的數學建模技術。
4. GIM
GRAI集成方法論(GRAI Integrating Methodology,GIM)由法國波爾多大學的GRAI實驗室開發。該項工作起源於GRAI實驗室法籍華人潘旅家教授在20世紀70年代提出的一種控制過程的分析方法GRAI,經過擴展、演變並與歐洲共同體“歐洲資訊技術研究戰略計畫”(ESPRIT計畫)的另一個課題IMPACS相結合,形成一種對CIM系統的全面描述,自1984年起被稱為GIM。
GIM有兩個主要特點: 一是用GRAI模型來定義四個相互協調的系統(決策、資訊、操作和物理系統)的使用; 二是強調CIM專案生命週期的GIM結構化方法。
GIM主要由概念模型、建模框架與參考體系結構、結構化方法、建模形式化方法和CASE工具幾部分組成。
1) GIM概念模型
GIM概念模型如圖5.14所示,是用來表示對製造系統進行建模和設計的一些通用的概念。它將一個製造系統分解成四個子系統。


圖5.14GIM概念模型


物理子系統: 用於物料流的轉變。採用人、機床和技術等資源將原料轉變成產品。它由工作站和工作單元組成(包括機器、工人、零件)。在系統的輸入和輸出之間,形成物料流。物料流在時間上有多種狀態,如存儲、加工、運輸和檢測等。
決策子系統: 用於整個企業的決策。在考慮約束條件的情況下對物理子系統進行控制,以實現經濟和社會的目標。它具有一個遞階的系統結構。
資訊子系統: 向決策系統提供所需資訊,負責物理子系統、決策子系統和整個企業環境之間的連接,傳遞並存儲資訊。
操作子系統: 連接決策和物理兩個子系統,用於物理系統的即時控制。

2) GIM建模框架與參考體系結構
GIM建模框架的特色是通用性和開放性。它提供了在同一框架內定義多種參考體系結構的可能性。它不是GIM或其他體系結構專用的,GIM參考體系結構只是這個框架的一部分。GIM建模框架及其體系結構如圖5.15所示,框架由視圖、生命週期和抽象層次三維組成。其中,抽象層次維包括概念、結構和實現三個層次,生命週期維分為分析、面向用戶的設計和面向技術的設計三個階段。這兩個維是相互獨立的,根據要求進行集成的企業類型可以在生命週期的任一階段建立任一抽象層次上的模型。
視圖維則比較特別,隨著抽象層次的不同而變化。在概念層,此維由功能、資訊、決策和物理四個視圖組成,到了實現層則變成資訊技術、製造技術和組織三個域。視圖和域之間的轉換在結構層進行。這樣做是因為視圖是面向用戶的和概念化的,而系統組成(域)則是面向技術的,並且與具體實現相關。
GIM體系結構(圖5.15中的陰影部分)是GIM建模框架的一部分。它允許從抽象層次和視圖/域兩方面來詳細描述企業生命週期中要建立的各種模型。在概念層進行分析和面向使用者的設計,在結構層把四個視圖模型轉換成三個域模型。


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