制造业信息化建模方法.doc
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第二章制造业信息化的建模方法
制造业信息化中很重要的工作是对信息化对象进行建模，包括功能模型、组织模型、过程模型、信息模型和知识模型的建模，其作用是帮助信息化咨询人员、开发人员和用户进行沟通和知识转移，帮助确定信息化的需求，帮助进行信息化系统的总体设计和详细设计等。
制造业信息化建模需要一套体系结构的支持。
2.1节将首先讨论制造业信息化建模方法的需求，然后介绍国际上两个著名的制造业信息化建模体系结构，以及制造业信息化的L3型体系结构。
2.2节将介绍若干制造业信息化模型设计方法，包括制造业信息化系统功能模型设计方法、社会-技术系统模型设计方法、面向软件开发的建模方法等。
2.3节将分别介绍一些常用的功能、组织、过程、信息和知识模型。
2.1制造业信息化建模需求和体系结构
2.1.1制造业信息化建模方法的需求
制造业信息化建模方法的需求主要是：
不同专业技术和知识交流的需要、软件工程的需要、制造企业间信息交流的需要。
1.不同专业技术和知识交流的需要
制造业信息化需要信息技术、管理技术、产品设计技术和制造技术的深度融合。
例如，企业管理信息系统需要熟悉信息技术和管理技术的人员协同开发；产品数据管理系统需要熟悉信息技术和产品设计技术的人员协同开发；计算机辅助工艺设计系统需要熟悉信息技术和产品工艺技术的人员协同开发。
如果对整个企业进行信息集成，则需要熟悉信息技术、管理技术、产品设计技术和制造技术。
事实上不可能每个人都熟悉各种技术。
因此需要建立包括有关方面人员的项目组，在项目开发和实施中，进行各种业务知识的交流。
为此，需要有一套能够完整描述业务过程、信息系统等的模型。
2.软件工程的需要
软件工程就是采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护计算机软件系统。
软件工程是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科。
软件工程主要包括三个要素，即：
方法、工具和过程。
在早期计算机系统的发展过程中，计算机软件纯属一种开发人员个体单干的智力产品。
没有标准，没有规范，以致形成了各种各样的软件系统。
到了60年代中期和70年代，随着计算机应用的飞速发展，以往靠人工作坊式开发出来的软件产品，所暴露的问题越来越多，耗资几十亿美元，花费几千人力才开发出来的软件系统，由于其所呈现的个体化特性，使得它们很难不断根据用户新的需求，进行修改与维护。
并且这种维护工作所需费用，大大超过开发时所消耗的费用，因此，迫使一些软件系统不得不提前报废，造成了大量的人力、物力和资源浪费。
这就是所谓的软件危机。
为了解决软件危机，出现了软件工程，其目的是：
（1）控制软件开发进度及其质量；
（2）提高软件的可维护性。
随着计算机技术的发展，人们逐渐认识到软件开发不是一种技巧性个体劳动，而是一个复杂的系统工程，是管理科学和工程技术的结合，需要一套描述软件系统和业务过程的建模方法。
3.制造企业间信息交流的需要
制造企业之间的协同设计和协同制造已经越来越广泛，因此制造企业间的信息交流越来越频繁。
在这种情况下也需要一套描述系统和过程的建模方法。
2.1.2制造业信息化建模的体系结构研究现状
本节主要介绍制造业信息化方面最著名的两个体系结构。
1.CIM-OSA（计算机集成制造开放系统体系结构，OpenSystemArchitectureforComputerIntegratedManufacturing）
CIM-OSA是欧共体ESPRIT计划CIM领域五个重点研究项目中最重要的一个，其目标是为制造业的CIMS开发和实施提供一套适用的参考结构，同时还开发出集成的企业环境和基础结构，以支持CIMS的规划、设计和实施。
CIM-OSA的体系结构参见图2-1。
在CIM-OSA中，立方体的三个轴分别表示三个不同的描述方面。
（1）垂直方向（推导过程）描述了按阶段划分的三个描述层次：
需求定义层、设计说明层和实施描述层。
（2）在水平方向（具体化过程），概念被逐步具体化。
首先，定义基本需求（通用的需求），然后根据专用的需求（部分通用的需求）对其进行进一步的细化。
在第三步中，部分通用的需求被具体化为特定企业的需求（专用的需求）。
（3）第三个方向是“生成过程”，分别从“功能视图”、“信息视图”、“资源视图”和“组织视图”来考察一个企业。
“功能视图”主要是关于功能模块的描述；“信息视图”涉及的是信息模型或对象的定义；“资源视图”描述了信息系统和生产资源；“组织视图”则描述了分层的组织结构。
企业建模是通过这三个过程的共同作用实现的。
2.ARIS（集成信息系统体系结构，ArchitectureofIntegratedInformationSystems）
ARIS是由德国Saarland大学A.W.Scheer教授于1992年提出的。
经过多年的实践和发展，目前已成为国际上最具影响力的企业建模体系结构。
基于ARIS思想开发的支持工具ARISToolset已被广泛使用。
ARIS由五个视图、三个阶段构成（参见图2-2），称为ARIS房式模型。
ARIS的五个视图分别是：
（1）功能视图：
描述系统各功能模块之间静态的联系（如构成关系）；
（2）组织视图：
描述系统各组织单元之间的联系；
（3）数据视图：
描述系统环境信息，以及触发功能或被功能触发的消息；
（4）产品与服务视图：
包括所有物质（产品）的和非物质（服务）的输入及输出；
（5）控制视图：
也称为过程视图，着重体现各视图之间的联系，并对过程进行完整的描述。
其中还体现了功能模块之间的动态联系。
图2-1CIM-OSA体系结构图2-2ARIS房式模型
2.1.3制造业信息化的L3型体系结构
1.L3型体系结构的框架
随着网络技术的发展、经济全球化、企业管理新理念的出现以及企业信息化的全面推广，需要新的企业建模参考体系结构的指导。
在这种背景下，需要对企业建模参考体系结构进一步发展和完善，以帮助多层次、多角度、多方法地建立企业模型，对系统进行描述、模拟和分析；帮助企业利用参考模型，提高企业信息化的效率和质量；将企业信息化建模的范围从面向企业内的集成扩展到面向企业间的集成，从面向信息的集成扩展到面向知识的集成，从面向功能的集成扩展到面向过程的集成。
根据现代企业的发展环境，根据人们对企业建模参考体系结构的新需求，提出了一种新的企业建模参考体系结构，因为其图形类似于字母“LLL”，故称之为L3型体系结构，如图2-3所示。
图2-3L3型体系结构框架的三层结构
L3型体系结构是一个三层结构，并在每一层分为空间维和时间维：
（1）第一层（L1）是企业模型的视图层（图形化表示方法），空间维主要采用功能和组织视图，时间维主要采用过程和信息视图；
（2）第二层（L2）是企业模型的建模方法层，空间维主要提供行业参考模型库，时间维描述了建模分阶段实施流程；
（3）第三层（L3）是模型的应用层，涉及信息集成、知识集成、企业间集成和过程集成等。
2.L3型体系结构的第一层次L1
图2-4表示的是L3型体系结构的第一个层次，即企业模型的视图（图形化表示方法）层。
图2-4L3型体系结构的第一层次L1——企业模型的视图层
（1）面向空间维的视图
面向空间维的视图有功能视图、组织视图等。
这是一些静态视图，主要描述企业内各项功能、业务、人员和资源等之间的逻辑关系。
（2）面向时间维的视图
面向时间维的视图有过程视图、信息视图等。
这是一些动态视图，主要描述企业内各项业务随时间变化的关系。
知识视图中包括了面向空间维的模型和面向时间维的模型。
在系统建模设计中，一般首先建立面向空间维的视图，然后建立面向时间维的视图，并由粗到细进行建模。
3.L3型体系结构的第二层次L2
图2-5表示了L3型体系结构的第二层次——企业模型的建立方法层。
制造业信息化是一项复杂的系统工程，无论是在时间上还是在空间上的跨度都比较大，所以建立模型需要分成不同的层次和阶段来进行。
图2-5L3型结构的第二层次L2——企业模型的建立方法层
1）空间维的建模过程
空间维建模过程的思路是：
产品或业务相似的企业组成了行业，相似程度不同的行业可进一步分为行业大类、中类和小类。
例如：
动力机械为行业大类，汽轮机为行业中类，工业汽轮机为行业小类。
对于不同类型的行业，分别建立通用程度不同的行业参考模型。
这样，企业建模就不必什么都从头开始。
企业在实施信息化时，利用行业参考模型可以快速建立起企业的专用模型。
这样不仅可以降低建模成本，缩短建模时间，而且提高了模型的质量，因为行业参考模型往往是经过实践检验和专家反复论证的。
如今较流行的企业参考体系结构（如CIM-OSA、ARIS等）都很重视企业参考模型。
图2-6描述了参考模型通用度与行业分类粒度的关系。
行业分类粒度越大，参考模型的通用范围就越广，即空间越大，但对特定企业模型的适用度就越小。
所以在建立企业模型时，应首先选择自己企业所属的行业小类的参考模型，如果找不到的话，再寻找上一层行业中类的参考模型，直到找到参考模型为止。
最后，根据企业实际情况，对参考模型进行修改，得到企业的专用模型。
图2-6参考模型通用度和行业分类粒度的关系
2）时间维的建模过程
对一个特定的企业进行建模并不是一步完成的，需要分阶段实施。
在每一阶段结束后，都要对所建模型进行评审，尽可能在建模的开始阶段就发现和解决错误。
图2-5中所示的主要阶段包括需求分析、总体设计、详细设计、企业重组、系统实施和系统评价等阶段。
企业建模主要集中在前三个阶段。
在从详细设计到企业重组的过程中，主要依赖人的决策。
但企业模型可以用于仿真分析、ABC（基于活动的成本）分析等，帮助人们进行决策。
例如，在实施企业信息化中，有以下几种实现途径：
（1）按照详细设计的企业模型，选择商品化的应用软件，对应用软件进行二次开发；
（2）按照详细设计的企业模型，编制专业软件，进行系统实施；
（3）由详细设计的企业模型自动生成可执行的软件代码，在对企业模型进行修改后，要求能自动重新组合或修改相应的软件系统，满足企业的需求；
（4）由详细设计的企业模型自动对软件模块进行重组，以适应企业的需要。
在系统评价阶段，通过系统的实际运行，根据企业需求，按照详细设计的企业模型，对系统进行各种性能评价。
4.L3型体系结构的第三层次L3
图2-7表示了L3的第三层次——模型的应用层。
模型的应用层主要是将企业模型的应用范围进行扩展：
从功能集成扩展到过程集成；从企业内的集成扩展到企业之间、企业与客户之间的集成；从信息集成扩展到知识集成。
图2-7L3型体系结构的第三层次L3——模型的应用层
1）空间维的建模过程
（1）信息系统集成模型
在企业信息化实施中，人们将40%的时间用在信息系统集成中。
因为这些信息系统是由不同软件公司在不同时期开发的，往往采用不同的编程语言。
因此，信息系统的集成成为信息化中的重要内容，第六章中将介绍与信息系统集成模型有关的内容。
（2）知识集成模型
知识集成模型的用途是描述知识与知识、知识与人、知识与过程的关系。
知识集成模型处于发展之中。
目前人们提出或使用的知识集成模型有：
知识黄页、知识地图、知识结构图、知识需求模型等。
第五章将介绍与知识集成模型有关的内容。
（3）供应链管理模型
目前企业间的集成管理一般采用供应链管理系统。
采用供应链管理参考模型有助于提高供应链管理的效率。
第四章将介绍与供应链管理模型有关的内容。
（4）客户关系管理模型
目前企业与客户之间的集成管理一般采用客户关系管理系统。
采用基于因特网的可视化图形模型有助于企业与客户之间的沟通。
第四章将介绍与客户关系管理模型有关的内容。
2）时间维的建模过程
（1）企业模型与企业过程管理
现代制造系统设计阶段所建模型可用于企业过程集成的管理，如：
产品数据管理系统中利用过程模型进行产品设计过程的管理；工艺设计系统中用工艺过程图对工艺进行描述，并在作业计划管理中结合网络图对制造过程进行管理；办公自动化系统和工作流管理系统中利用过程模型进行办公和其他业务过程的管理。
（2）系统建模、仿真和优化的集成
时间维的建模过程实际上是一种系统建模、仿真和优化的集成过程，其构思如图2-8所示。
图中的小循环是仿真过程，小循环外的大循环是系统的实际运行和验证过程。
系统建模起了连接小循环和大循环的作用，即所建的系统模型由小循环进行仿真和优化，然后由大循环实际验证模型的可行性，最后再将修改后的模型通过小循环进行仿真和优化。
通过两个循环的交替，使模型不断得到优化。
（3）企业模型到企业计算机应用系统的转换
企业模型到计算机应用系统的转换能够帮助企业快速地将模型转换为计算机应用系统，减少编程工作量，减轻系统维护难度，并可用企业模型直接对企业应用系统进行运行控制，使得企业的管理和决策得以迅速实现，缩短企业软件项目的开发周期。
例如，GeneXus系统。
图2-8系统建模、仿真和优化的集成技术
2.2制造业信息化模型设计方法
制造业信息化的模型设计需要系统方法论的指导，如功能模型设计方法、社会－技术系统设计方法、制造业信息化中的合理化方法等，后者在第七章中作介绍。
2.2.1制造业信息化系统功能模型设计方法
制造业信息化模型设计方法主要是：
基于企业最高领导立场的设计；需求驱动的设计；层次考察法；黑箱考察法；动态设计法；功能模块化设计法等。
[祁国宁,1996]
（1）基于企业最高领导立场的设计
制造业信息化设计要站在企业最高领导的立场，即要着眼于企业的全局目标和长远目标。
例如，在信息化初始阶段虽然只开发一个局部的信息系统，但也必须从企业的全局目标和长远目标进行功能设计，充分考虑到未来系统的集成问题。
（2）需求驱动的设计
建立制造业信息化功能和客户需求的相关表。
然后，根据企业发展战略目标，选择客户需求强的信息化功能，优先进行设计和实施。
表2-1表示了客户关系管理（CRM）系统功能与某纺织机械企业需求的相关表。
表2-1中的1~5分值代表客户需求和系统功能的相关度，1分表示相关度很弱，2分表示相关度弱，3分表示相关度一般，4分表示相关度强，5分表示相关度很强。
可以按列相加依次计算出CRM系统所有功能的得分，得分最高的功能，就是对企业最有价值的功能（还可以对企业需求的重要性进行排序，并赋予一定的系数，用于修正CRM系统功能的价值分值）。
经过这一分析过程，可以在实施CRM系统时，突出重点、分阶段实施。
表2-1CRM和某纺织机械企业需求的相关表
客户需求采集
客户需求分析
客户资源管理
客户服务信息管理
客户基本信息管理
及时了解客户需求
5
4
2
2
3
提高企业服务水平
4
4
3
5
2
帮助企业争取新客户
3
4
5
2
1
帮助企业留住老客户
3
3
2
5
3
帮助提高市场反应能力
5
4
3
2
2
（合计得分）
20
17
15
16
11
（3）层次考察法
制造业信息化系统是一种复杂系统，层次性是制造业信息化系统的一个重要特性。
在认为合理和必要时，可以从不同角度、按不同标准来考察、划分制造业信息化功能的层次结构。
利用层次考察法可以帮助人们更清楚、更有条理地了解制造业信息化系统的构成情况。
由于制造业信息化系统的层次结构是按照一定条件划分的，所以层次结构只具有相对的意义。
例如，企业供应链管理流程的构成可分为不同的层次，每个层次都可以用系统和有序的方法进行分析和评估。
（4）黑箱考察法
在进行制造业信息化系统功能总体设计和子系统详细设计时，为了简化问题，常常有意不考虑某些子系统的内部细节而只研究其输入输出关系。
此时所关心的是该子系统将会产生或应该产生怎样的结果，而不是产生这些结果的原因或系统内部的机制。
这种考察问题的方法在控制论中被称为黑箱考察法。
（5）动态设计法
与环境不断进行物质、能量、信息、人员交流的系统称为开放系统。
作为一种典型的开放系统，企业与环境有着十分密切的联系：
一方面企业的环境不断发生变化，从而对企业造成各种影响；另一方面，随着时间的推进，企业的内部状态也不断发生变化，从而反过来对环境产生影响。
因此，需要用一种动态的观点对企业进行考察。
（6）功能模块化设计法
在功能分解中，要充分考虑以下原则：
功能间的关联度要尽可能小，功能内的关联度要尽可能大。
目的是使功能间的协调和置换变得更加容易。
2.2.2社会-技术系统模型设计方法
1.制造业信息化的社会-技术系统模型
制造业信息系统是一种社会-技术系统，可以采用社会-技术系统模型进行描述。
社会系统包括：
企业的体制、文化、组织、管理、员工的素质和激励机制等。
技术系统包括：
计算机、网络、各种信息系统等。
社会-技术系统模型需要充分考虑制造业信息化中社会系统和技术系统的匹配问题。
例如，当企业还不具备促使知识共享和交流的社会系统时，支持知识共享和交流的工具显然无法发挥应有的作用。
社会系统和技术系统的匹配只有满意解，而不存在最优解，因为社会系统难以精确描述，并且总是在不断发生变化。
对于不同的制造业信息化系统，社会系统和技术系统所起的作用是不同的。
例如，在知识管理中，社会系统往往起主要的和决定性的作用，技术系统起次要的和支持性的作用。
在产品设计信息系统中，则技术系统往往起主要的和决定性的作用。
制造业信息化的社会-技术系统模型如图2-9所示。
制造业信息系统中每个环节都需要员工的参与，只是在不同的环节中，员工间的参与程度不同而已。
2.制造业信息化的社会-技术系统模型的设计
社会-技术系统中的技术系统将在后面章节介绍。
这里主要介绍社会系统的设计。
（1）文化
l尊重知识和人才的文化和机制：
建立一种民主、透明、公开的决策机制，充分尊重员工的价值。
l相互信任的文化：
信任是实现信息和知识交流、使用与共享的前提。
信任文化表现为：
员工的合作精神；每个员工主动贡献信息和知识；构建一种有利于交流的组织结构和文化氛围，使员工之间的交流在心理上畅通无阻。
l自律的文化：
对工作高度负责，有很强的自律性，不需要严厉的管理。
l创新的文化：
工作主动，富有创新激情，勇于冒险，不怕失败，容忍失败。
（2）制度
l完善的知识产权制度：
既能保护知识发现者的利益，又能促进知识的交流和应用。
l完善的知识市场机制：
以一定形式存在的知识可以作为商品进行交易。
l必要的管理制度：
有相应的业务流程和管理制度规范，将知识管理系统与员工的日常工作紧密结合。
l合理的奖励制度：
“论功行赏”，对积极合作，并产生效益的员工一定要给予合理的奖励。
l合乎人情的管理：
建立以人为中心的管理制度，从而更好地发挥人的主动性、自觉性和创造性。
（3）组织管理
l责权利统一：
让员工在工作中承担起应有的责任，并从中获得相应的报酬。
l自主管理：
权力下放，以充分发挥员工的主动性和创造性。
l有效的组织激励：
将工作成果与员工激励结合起来。
l面向过程集成的团队：
消除员工之间交流与合作的障碍。
图2-9制造业信息化的社会-技术系统模型
在制造业信息化的社会系统的设计中，主要涉及以下问题：
（1）企业领导和员工是怎样理解和认识信息化的，制造业信息化的目标是什么？
（2）企业领导和员工对信息化是否充满热情？
（3）企业文化是否有助于企业员工间的合作与交流？
（4）企业当前的组织和激励机制能否支持制造业信息化？
（5）企业当前的员工素质能否支持企业开展信息化？
（6）企业当前的管理模式是否有助于推进制造业信息化？
（7）在信息化的社会系统方面，企业的优势和劣势、机会和威胁是什么？
3.社会系统部分的设计原则
在信息化过程中，人是最重要的，因此需要采用以“人”为中心的设计方法，主要设计原则如下：
（1）人性特点是信息化设计的根据、前提和出发点。
以人为本，做到人适其所、人尽其才，使信息化的建设配合个人能力的发展，使信息化的目标与个人的目标有机地统一起来。
（2）应该全面认识员工的特点及其表现，并在信息化设计中予以体现。
（3）信息化环境应有助于企业员工自由表现自己、不断创新、张扬个性，应满足企业员工希望积极、民主地共同参与企业各种活动的需求。
（4）在信息化设计中，注意满足员工的高层次需求，如自我价值的实现，工作多样化，有较多的学习机会等。
（5）在信息化设计中，特别要注意责权利相统一的原则。
责权利相统一可以广泛地调动广大员工的积极性，因为只有当人们看到自己会对结果产生某种程度的影响时，才会更主动地工作，也更愿意接受可能的变化，并和大家一起克服困难，为实现共同的目标而奋斗。
2.2.3面向软件开发的建模方法
面向软件开发的建模方法在一般的软件工程或软件开发基础教程中都有介绍，如数据流程图、数据字典、信息系统流程图、处理流程图等。
本书仅介绍IDEF、UML建模方法。
1.IDEF（集成定义方法，IntegrationDefinitionMethod）
IDEF方法是美国空军在ICAM（集成计算机辅助制造，IntegratedComputerAidedManufacturing）工程中以结构化分析方法为基础发展形成的一套系统分析和设计方法，IDEF是ICAMDEFinitionmethod的缩写。
根据用途，可以把IDEF方法分成两类：
第一类IDEF方法的作用是沟通系统集成人员之间的信息交流。
主要有：
IDEF0、IDEF1、IDEF3、IDEF5。
IDEF0通过对功能的分解、功能之间关系的分类（如按照输入、输出、控制和机制分类）来描述系统功能；IDEF1用来描述企业运作过程中的重要信息；IDEF3支持系统用户视图的结构化描述；IDEF5用来采集事实和获取知识。
第二类IDEF方法的重点是系统开发过程中的设计部分。
目前有两种IDEF设计方法：
IDEF1X可以辅助语义数据模型的设计；IDEF4可以产生面向对象实现方法所需的高质量的设计产品。
2.UML（UnifiedModelingLanguage）建模方法
面向对象系统的统一建模语言UML建模方法也是一种面向软件开发的建模方法。
UML是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。
在UML中融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。
其不仅支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发全过程。
UML是软件重用的基础，已经被对象管理组织（OMG）采纳并成为业界标准。
利用UML和其推荐的统一建模过程（RUP，RationalUnifiedProcess），软件开发人员可以把复杂的软件系统模型化，并以此为基础完成各个组件的开发。
利用ROSE建模工具，可以建立用UML建模的软件系统的模型，并自动生成和维护C++、JAVA、VB、PB、ORACLE等语言和系统的代码。
UML的定义包括UML语义和UML表示法两个部分。
（1）UML语义。
描述基于UML的精确元模型定义。
元模型为UML的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者能在语义上取得一致，消除了因人而异的表达方法所造成的影响。
（2）UML表示法。
定义UML符号的表示法，为开发者或开发工具使用这些图形符号和文本语法提供了标准。
标准建模语言UML的重要内容可以由下列5类图来定义：
l用例图（UseCaseDiagram）；
l静态图（StaticDiagram），包括类图、对象图和包图；
l行为图（BehaviorDiagram），包括状态图和活动图；
l交互图（InteractiveDiagram），包括顺序图和合作图；
l实现图（ImplementationDiagram），包括
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