现代制造系统设计与分析第二章优质PPT.ppt

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社会环境、经济环境、技术环境内部信息主要包括各种能力信息，特别是瓶颈部分的信息制造业的情报阶段如图24所示社会环境包括企业所处的环境的有关政策、生活方式以及竞争环境等经济环境包括企业所处环境的工业结构、收入分布情况及开支分布情况技术环境包括同企业经营有关的技术发展状况等上述信息收集过程可以分成结构化和非结构化信息，要经常定期收集或临时收集这些信息都是为了发现问题及寻找机遇，因此都应该处理成综合信息供决策者用综合信息是由数据或基本信息经过处理而成的，由于它们具有非结构化成分而且环境是不断改变的，因此要求系统具有柔性和自组织的能力情报阶段最后给出一组问题和机遇问题是企业期望目标与现实状况之间的距离，机遇则是为解决存在的问题各种可能的机会，,包括技术上、组织上和经营方式上等各个方面的新进展、新概念和方法等为此，企业必须综合分析市场需求、竞争对手状况和企业当前的经营状况等222设计阶段设计阶段是继情报阶段之后决策过程中的重要的过程它包括创立、开发和分析各种可能的行动路线与方案它是同情报阶段后所得出的问题和机遇不可分隔的，由于行动方案与解决的问题或目标以及可以利用的机会之间存在着因果不确定性，因此设计阶段在考虑各种方案时必须是交互迭代地进行设计阶段一般包括三个主要过程：

问题理解过程、构思方案过程和可行性检验等过程，交互和迭代是上述三个过程的反复

（1）问题理解正确理解需求及存在的问题是设计师首要的任务，这里包括专业语言之间的沟通，融合与合作的过程这是因为问题的复杂性不是一，二个现有专业与学科单独所能解决的为此必须形成一个正确的情景模型，它是对情报阶段分析出的问题，经过简化、抽象后，突出问题本质的一种描述

（2）构思方案这里包括为解决问题所需的各种方案及建议在构思方案时，要充分利用情报阶段中获得的各种机遇，特别是那些新概念、新技术和新方案，这些信息与知识是进行创造性决策的基础构思方案过程要注意充分性，避免漏掉有价值的候选方案,（3）可行性检验可行性检验的目的是检查与分析上述各个方案是否现实与可行主要分析决策过程所处的环境，方案实施后对环境的影响，这些影响是否允许多223抉择阶段本阶段的任务是从一组可行的方案中，选出一个满足决策者需求的方案当然，对于复杂的决策过程，按有限合理性原理只能是满意解，不可保证所选出的方案是惟一的最优解，对于实际决策问题，人们希望选出的方案具有鲁棒性，因此，灵敏度分析是十分重要的一个好的决策，一种满意方案，不仅应满足各种指标，而且当环境变化时，对它的影响应尽可能地小，即风险小,23霍尔模型霍尔（ADHall）于1969年提出了一种处理系统工程问题的一般方法，称为霍尔模型它用时间维、逻辑维和知识维这三维空间，描述复杂系统分析与设计中在不同阶段时所采取的步骤和所涉及到的知识23l时间缩时间维反映了复杂系统在资源有限（特别是人们认知能力有限）的条件下，求解不可能瞬间获得，总是有一个过程即，通常称的工作阶段霍尔模型中时间维分成如下几个阶段：

l）规划阶段；

2）初步设计或制定方案阶段。

3）研制或系统开发阶段；

4）系统生产阶段；

5）安装试验阶段；

6）系统运行阶段；

7）系统更新阶段232逻辑维逻辑维又称思维维它反映了人们分析与改造复杂系统时的思维过程人们在从事实践过程中，总是存在着思维过程，只不过有正确的或错误的、自觉的或盲目的、系统的或杂乱的、深入的或表面的等区分霍尔模型中思维过程包括如下几个方面：

1）摆明问题或问题阐述；

2）目标选择或系统目标函数设计；

3）系统综合或形成可能的方案；

4）系统分析或建立模型；

5）系统优化或系统选择；

6）决策或系统决择；

7）实际研制或实施计划2.33知识维知识维反映不同系统所需的专业知识例如，社会科学、工程技术、法律、医学等霍尔模型是一种科学地分工与合作的方法它帮助人们在处理复杂系统时，能够统观全局、理清头绪、避免混乱与减少反复23.4CIMS信息系统的霍尔模型CIMS环境下信息系统的霍尔模型如图25所示1时间维l）可行性论证；

2）需求分析与概念设计；

3）系统逻辑模型设计；

4）系统物理模型设计；

5）系统关键问题仿真；

6）实施与运行（或测试及试运转）2思维逻辑维1）调查研究明确问题；

2）目标与约束条件；

3）系统分析与可行方案选择；

4）优化与决策3知识维1）工程设计；

2）制造；

3）经营管理整个系统研制过程就是在图25所示的三维空间中进行的，总设计师可用矩阵管理方法来统筹与指挥这一复杂的进程三维空间中的每一小立方体表示特定的专业对象（如经营管理）、特定的时间阶段（如概念设计）、特定的思维过程（如系统分析与可行方案选择）这样，就可以将复杂系统分解成目前现实条件下可以操作的程度该立方体就是分析、研究与解决经营管理中的需求和概念设计中可行方案的选择例如，需求可能是解决车间管理中出现的瓶颈，可行方案的集合可能为：

适时制模式（JIT），制造资源计划（MRPll）及先进制造模式等如果发现某一立方体目前尚无可行技术去解决，则应提早制定专门的研究计划,对于某一专业问题，霍尔模型变成了时间与思维二个维度的矩阵，称为霍尔系统工程活动矩阵，如表21所示矩阵中每一元素代表特定的时间阶段、特定的逻辑过程的具体工作，与表示重要程度这些矩阵根据实际问题的需要，可粗可细24生命周期法CIMS是70年代末提出的工厂自动化系统，先进制造系统是近几年新提出的适应突变环境的制造系统应该说人们迄今尚未把握它们的生命运动规律但是它们又是从目前有关的单元系统、单项技术和有关的方法的基础上孕育而诞生的因此，目前有关复杂系统的生命周期运动的发展规律可以借鉴CIMS及先进制造系统是人造系统，它反映了人们对现代制造业自动化的新认识与新需求研究生命周期的目的是：

从系统需求分析开始就有一个好的孕育期，通过综合各种学科、技术和方法中的精华，沿着正确的生命周期过程，依靠不同专业、不同层次人员，在各个阶段的努力，优生出有生命力的制造系统否则，孕育开始就是“怪胎”，出来的也只能是病态的系统“生命周期”一语是系统科学工作者从生物学中移植过来的今天，有机生命科学已出现了“生物工程”作为人机交互的制造系统物理系统的生命周期，我们应该也能自觉地提高到上述的高度来认识,生命周期的每一阶段都应该有特定的任务与功能，需要相应的概念、方法与工具的支持每个阶段的结束，必须有明确的具体的结果我们重点研究的是系统分析与设计因此，它的生命周期如图26所示为了表达问题准确、方便和精练，下面将用到各种流程图，包括IDEFO图，它除了能表达输入、输出信息及处理外，还能表示控制信息（约束、目标等，位于方块上部）及运行机制的支撑信息（处理方法、人工或计算机以及相应知识，位于方块下部）OSA（Open-SystemArchitecture）,现将各个部分的内容简要说明如下：

（1）可行性论证它回答实施新系统的必要性与可能性，属于战略性这一层次对于CIMS这类新事物尤为重要该阶段开始对企业经营中存在问题的分析，如竞争力下降成本提高等通过可行性论证的分析，寻找解决上述问题应用工厂自动化方面的可能性（即机遇），如有可能及价值，给出组面向经理的有关FA的问题及需求可行性论证要给出欲实现的经营目标及外部条件（有关技术、经济和社会）的约束本阶段主要理论根据及支持是西蒙模型对于重大项目的可行性论证要防止形式主义或不科学的倾向

（2）系统需求分析及定义本阶段开始于对一组面向用户的需求分析，最终结果是企业需求模型面向用户的需求一般是分散的，而且多数只是企业欲解决的问题的现象描述，用的是经营管理者的语言企业需求模型则是一种规范化的企业问题及自动化需求的描述，并分解成四个视图：

功能视图、信息视图、资源视图和组织视图本阶段目标是分析及确定具体业务过程的目标，主要约束条件是企业内部条件，如：

资金、技术环境等主要技术支撑是CIMSOSA中企业参考模型,（3）系统设计本阶段输入信息是经过规范化后的各种企业需求模型的集合输出是新的制造系统主要约束是技术上的限制目标亦是技术上的一些要求与品质指标可以支撑的条件，除了一些系统设计概念方法外，主要是CIMSOSA中的企业需求模型和企业逻辑模型这阶段，如若在约束条件下无解，则应反馈到系统需求分析及定义阶段，修改具体业务过程目标有时将本阶段进一步细化成系统逻辑模型设计、系统物理模型设计、系统关键问题仿真等三个子阶段（4）测试及试运转本阶段对新系统进行性能品质指标的测试及试运转，若有不符合标准的部分，反馈到系统设计阶段调整系统技术指标CIMSOSA中实施模型可作参考241可行性论证可行性论证主要是对企业战略目标的可行性进行论证，战略目标，指的是企业中宏观及中、长期的问题如，市场分析及企业目标；

产品结构及需求数量；

利润目标等战略目标可行性论证的目的是为具体的系统需求分析明确了问题性质及分析的范围，从而减小了系统分析与设计的风险具体内容与步骤如图27所示首先要进行实施条件分析，即企业有无条件实施新的CIMS等系统，如果没有条件就停止如果有条件，下一步是局部改进或要全新的系统最后还要进行新系统可行性分析与投资预算分析等,首先要进行实施条件分析，即企业有无条件实施新的CIMS等系统，如果没有条件就停止如果有条件，下一步是局部改进或要全新的系统最后还要进行新系统可行性分析与投资预算分析等,242系统需求分析及定义本阶段完成新系统经营目标的需求到企业功能模块，亦即企业需求模型间的变换，是复杂系统分析与设计生命周期关键性的一步它是经营管理语言到系统技术语言的转换，需要管理科学与系统技术的综合系统需求分析过程如图28所示,本阶段一定要把用户需求无遗漏地描述出来，即保证其充分条件这一点以往是难以实现，因为进行需求分析的人员往往受其专业局限性而遗漏掉重要的东西图28给出一套较为严格和系统化的办法，使企业需求从宏观原则的面向经营人员的需求，逐步展开和变换成微观具体的面向系统人员的需求它反映了企业需求空间的全貌（该空间是四维的）为了便于下一周期的系统设计，把它映射、分解到该空间的每一坐标上，形成四个分块或视图，即1）功能需求视图该视图是企业各种活动的总集合，是进行各种应用设计的依据2）信息需求视图它是支持企业进行各种活动所需信息的集合，是进行数据库设计的原始依据3）资源需求视图它是支持企业进行各种活动的物质需求集合，包括设备、数据和人员它是进行资源归纳分配的基础以及组织管理条件设计的依据4）组织需求视图它是支持企业正常活动所需的人员及组织2.43系统设计设计过程是一种问题求解的过程，包括：

企业需求模型的优化、求解和实现等过程，这些过程也是按四个视图进行的，如图29所示。

优化与求解的主要目标都是为了去掉企业需求模型中冗余的部分，求得逻辑上的最小实现,优化阶段主要针对结构上的优化；

求解阶段则是对结构中的每一部分进行优化，直至技术参数的确定，完成物理系统的具体设计不分解成上述二级，对于复杂系统来说是无法进行的例如：

我们不可能在企业信息需求视图基础上，一步进行数据库各种范式的优化，求得优化了的数据概念模型只能是先进行信息类分析与设计，求得逻辑合理的信息结构，确定所要建立的数据库，然后对每一数据库再进行优化取得概念模型和物理实现，其它企业需求视图的设计也有这种类似的层次过程（l）优化本阶段对企业需求模型的各种视图进行简化和逻辑上的重构，以便求解过程能够有效地进行主要方法是：

1）简化企业需求，即降维企业需求模型是面向用户的，所以存在逻辑上的重复和矛盾，因此要将重复的消除，发现并解决存在的矛盾2）企业需求模型的逻辑重构将降维后的需求模型，按便于使用、便于求解和便于扩充更改（柔性）等因素进行分类如CIMS可以分解成：

工程类、制造类和管理类，每一部分可以再往下分，直到便于求解为止在分类时亦需把三种运动模式结构（结构化、半结构化、非结构化）分清楚，同时把多目标、多约束问题变换成顺序处理的形式重构后的企业需求模型称为企业需求逻辑模型，或简称逻辑模型

（2）求解本阶段对重构后的逻辑模型进行技术设计。

结果是物理模型因此，是分专业,进行的由于已经有了上述完整的生命周期，这些技术专业设计结果是能有效地综合起来的，具体过程如图210所示1）确定自动化程度及人与计算机的分工这时必须综合社会、技术与经济这三个因素，正确决定自动化程度及人与计算机的科学合理的分工值得指出的是，实施CIMS等先进制造系统是为了获得附加的经济效益，因此，必须选择正确的技术，不能盲目追求先进，绝不可能实现无人工厂2）确定人机接口参数及交互方法人机交互方法是问题一求解工程方法中重要的方法，是将企业逻辑模型中三种不同结构模式集成起来的技术手段屏幕、窗口技术及交互算法等均是可行的技术工具3）确定模型算法及技术要求系统模型的深度及其算法的有效性是新系统价值的关键，本书有关部分将做具体的介绍4）设计数据库这部分的内容已有很多书籍及文献可供参考5）归纳人机交互结构，设计知识库非结构化的部分是靠人机交互的方式来解决，并靠相应的知识库支持,6）综合及协调程序和软件结构设计在确定了具体的人机交互的方案及接口参数后，本阶段主要是软件工程的范畴与内容，这里不做介绍（3）实现本段任务是将物理模型，依据现有厂商条件实施成具体物理系统这里不详细讨论,25原型法原型法（PrototyPingaPProach）与生命周期法不同，它考虑到用户对其所要开发的系统的需求，往往在初始阶段是不准确与不充分的原型法是基于这样的客观现实：

人们对呈现于眼前的一个具体的应用系统，要比一个想象的、未来设计开发出来的系统，更容易、更准确地表达出他们所喜欢或不喜欢的东西因此，在大规模的详细设计开始前，设计者根据他对用户原始需求的理解，构思与建造出一个简单的突出主要需求的应用系统，称为原型系统在此基础上，用户与设计者面对该原型系统进行交互式的讨论、补充与修改直至双方满意为止一般原型法如图211所示图中共分四个阶段与步骤，各阶段的任务是：

第一阶段：

确定用户需求本阶段主要目标是弄清用户对系统的基本需求为此，使用者从系统功能角度阐明他的期望，设计者任务是设计出符合用户基本需求的实际的原型系统，并估算出它的成本代价这种原型应该力求简单并抓住主要的问题,第二阶段：

开发初始原型系统本阶段的目标是开发出一个用于同用户进行交互的系统，从而更深入全面地了解用户的需求因此，开发速度是其价值所在，抓住基本需求和主要功能，运用高级语言和先进有效的开发工具，力争早日同用户交互修改第三阶段：

运行与使用初始原型系统，并修改与补充用户需求本阶段可使用户有亲临其境的感受与亲身的体验因此，就不像第一阶段那样抽象、困难地表达自己的愿望与要求，进而能较准确地修改与增加原先的需求，这正是原型实物的价值与作用第四阶段：

修改与增强初始原型系统本阶段同第二阶段相同设计者可以用同第二阶段相同的原则与方法来对初始原型系统进行修改与补充上述四个阶段中，第三、四步骤是一种交互式的反复迭代的过程，直至使用者都满意为止迭代次数取决于使用者对其专业熟悉的程度及设计者对系统理论与实践的水平迭代到最后可能有三种结果：

l）该原型系统双方都不满意，则需重新构造新的原型系统2）双方都满意且可将原型系统作为真正的应用系统3）双方都满意，将原型系统作为真正应用系统开发时的一种系统需求的模型,26复杂系统分析与设计的工具这里工具指的是支持上述问题-求解的广义工具，它应具有如下特点：

1）描述设计过程它是一种“语言”，便于多人、多工种、多阶段协调一致地工作2）便于系统分析与简化有效的工具，不仅要描述系统，还要能提供有效的信息，支持人们分析系统和改造系统3）便于形式化与量化4）便于沟通人同计算机的联系工具作为设计者的一种“语言”，应充分尊重已有的习惯“语言”，勿需完全另搞一套事实上，目前其它大型软件开发中所用的工具，可以移植过来我们的任务是：

将这些工具综合集成起来，支持复杂系统分析与设计，做必要的“词类”补充，并设置相应的“联接词”借以沟通不同方法，从形式语言的观点，集成后的综合工具，应具有下述三种成分：

1）语义（semantic）包括设计过程中碰到的所有问题及其相应的词汇2）句法（syntactic）包括设计过程中所遇到的问题结构3）示范（Pragmatic）包括问题一求解的所有方法、概念261GRAINets法GRAI的全称为：

GraphswithResultsandActivitiesInterrelated它是法国Bordeaux大学中的一个自动化实验室从1977年开始研究和发展起来的复杂系统设计方法该法充分吸取系统科学与控制论的成就，比较适用于决策功能,层GRAI表示活动过程，如图212所示数学方程式为：

（q。

x）qj，其中：

表示一种映射，即活动；

q。

表示初始状态；

qj表示终止状态；

X表示完成上述活动所需的支撑一般形式为：

c（X，Q，i，L），即GRAI方法对活动的描述可以用四重集合来定义其中X表示支撑集合Xk，k=1，k，Xk可以是约束信息、目标以及设备等；

Q表示状态集合qi；

，I=1，m，它表示系统所处情况，QQiUQr，Qi为初始状态子集，Qr为活动结果状态子集；

c表示活动集合，c=（XQ）Q；

L表示逻辑符合集合（，一逻辑表达式等）GRAl工具较全面细致地描述了活动的内在规律，因此在决策层、功能层比较合适对系统全局模型显得过于微观有关该方法和工具的细节请看专门书籍与文献，这里不再详述262MERISE方法MERISE是于1978年至1979年间，在法国工业部领导下，由几家公司和研究中心联合设计和定义的复杂信息系统设计和开发方法MERISE一词在法文中指欧洲甜樱桃树的肉质酸果，作者们想以这名字来说明问题的复杂性犹如艺术本工具是在系统论与信息论有关概念指导下设计出的工具，适用于CIMS中的信息系统MERISE描述信息处理的过程如图213所示,数学方程：

O；

（e1e2s）e3ce，其中e1，e2表示事件；

e3表示结果事件；

S表示同步；

Ce表示执行条件；

O表示操作，即处理一般形式为：

M（E，O，S，Ce）即MERISE方法对信息处理可用四重组来表示，其中E表示事件集合，ej，j=1，p；

S表示同步操作集合，Si，c=1，m，Si表示逻辑符号，及逻辑表达式等；

C