（计算机应用技术专业论文）可重构装配制造执行系统及其组件管理技术研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 y1 0 0 7 8 6 4 摘要 制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 是一种面向车间级的管 理信息系统，在企业生产管理中发挥着承上启下的作用，为车间管理提供生产计划的 执行、跟踪以及各种资源运行状态等信息，是制造业信息化新的发展趋势。 本文运用基于组件的开发技术对面向多品种、小批量生产环境下的可重构装配制 造执行系统进行研究，并就相关的问题提出了一些新模型。主要研究内容包括： 一论述了装配制造执行系统的体系结构、功能结构及各个功能模块的主要内 容。 _ 研究并提出了可重构制造执行系统的组件结构。并采用v c l 组件技术对设 计的组件予以实现。 提出了一套基于x m l - s c h c m a 机制的组件描述方法，来定义i v i e s 组件的自 然属性、继承属性、接口属性的具体结构。 提出了基于无序标签树匹配和结构图搜索的组件检索与匹配策略，并实现了 一个组件库管理系统模型。 关键字：制造执行系统、可重构、组件技术、x m l 、组件检索、树匹配 上海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) i sak i n do fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m sf a c e do nw o r k s h o p ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo fc o n n e c t i n gl i n kb e t w e e nt h e p r e c e d i n ga n dt h ef o l l o w i n gi nm a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n t ，a n dp r o v i d e sr e a l - t i m e i n f o r m a t i o na b o u tp r o d u c tp l a n n i n g t r a c i n ga n da l lr e s o u r c e sf o rw o r k s h o p m a n a g e r s i t h a sb e e nb e c o m ean e wt r e n di nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i n f o r r n a t i z a t i o n w i t h t a k i n ga d v a n t a g e o f c o m p o n e n t - b a s e d t e c h n i q u e s ， r m e s ( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) f o rt h ed i v e r s i f i e dv a r i e t i e sa n d l i t t l eb a t c hp r o d u c t i o n - m a n u f a c t u r i n gw o r k s h o pi ss t u d i e d ，a n ds o m en e wm o d e lf o r r e l a t e dq u e s t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h em a i ni s s u e si n c l u d e ： 一d i s c u s st h es y s t e ma r c h i t e c t u r e f u n c t i o n a la r c h i t e c t u r ea n dm a i nc o n t e n to f t h em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e mf o ra s s e m b l ei n d u s t r y ； _ s t u d ya n dp r o p o s e t h e c o m p o n e n t s a r c h i t e c t u r eo f r e c o n f i g u r a b l e m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m 1 1 1 ed e s i g n e dc o m p o n e n ti sr e a l i z e db y u s i n gv c lc o m p o n e n tt e c h n i q u e s ； as t a n d a r dc o m p o n e n td e s c r i l o t i o nm e a n sb a s e do nx m l - s c h e m ai s p r o p o s e d ，w h i c hd e s c d b em e sc o m p o n e n t s i nt h r e ea s p e c t s ：n a t u r e i n f o r m a 廿o n i n h e d tj n f o r m a t i o na n di n t e r f a c ei n f o r m a t i o n ； ak i n do fc o m p o n e n tm a t c h i n gm o d e l b a s e do nt h eu n o r d e r e dl a b e l t r e e i n c l u s i o nm a t c h i n ga n ds i r u c tg r a p h ( s - g r a p h ) s e a r c h i n gm o d e li s p r o p o s e d ac o m p o n e n t sm a n a g e m e n ts y s t e mm o d e li sa l s or e a l i z e d ， q i ny i n ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f g a om a o t i n g k e y w o r d s ：m a n u f a c t u d n g e x e c u t i o n s y s t e m ，r e c o n f i g u r a b l e ，c o m p o n e n t t e c h n o l o g y , x m l ，c o m p o n e n tq u e r y , t r e em a t c h i n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：盘勤 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部或部分内容，也可以采用影印、缩印或者其他复印手段保留 论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：缸 导师签名： 圣堑丝日期：竺! ：! ：! ! 上海海事大学硕士学位论文 本文中所经常使用的符号及其表示意义 缩写全称中文名 a m a g i l em a n u f a c t u r i n g敏捷制造 a m ra d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h美国先进制造研究机构 b o mb i l l0 fm a t e r i a i物料清单 c b d c o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n t基于组件开发 c 口m s c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m计算机集成制造系统 c o m c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 组件对象模型 d c sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m分布式控制系统 d l l d y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y动态链接库 e r p e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g 企业资源计划 j r rj u s ti n t i m e准时制生产方式 l g vl a s e rg u i d e dv e h i c l e激光导向车 【d m cl o a d - o r i e n t e dm a n u f a c t u r i n gc o n t r o l面向负荷的生产控制 m e s m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m制造执行系统 m e s a m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n 枷邑s 国际联合会 m r pm a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g物料需求计划 m r p i im a n u f a c t u r er e s o u r c ep l a n n i n g制造需求计划 o p t o p t i m i z e dp r o d u c t i o nt e c h n i q u e最优生产技术 p c sp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m生产过程控制系统 p d mp r o d u c td a t am a n a g e m e n t产品数据管理 r g v r a i l w a yg u i d e dv e h i c l e轨道导向车 r m e s r e e o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m 可重构制造执行系统 s c a d a s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n监视和数据采集系统 s g r a p h s t r u c t u r eg r a p h结构图模型 t o c t h e o r yo fc o n s t r a i n t s约束理论 v c lv i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y可视化组件库 上海海事大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先对装配制造行业生产管理现状进行分析，然后，重点论述制造执行系 统的产生，发展现状与趋势，以及基于组件技术的软件开发方法，最后介绍论文的 选题背景及主要研究内容。 1 1 装配制造行业生产管理现状分析 随着现代科学技术的飞速发展，装配制造行业所面临的形势却日益严峻。由于 其不同程度上存在着能源消耗高、装配成本高、劳动生产率低的特点，所以，一度 被认为前途渺茫l 3 4 j 。 实际上，作为人类发展的基础产业，装配制造业的生命力是永恒的。制造业是 国民经济的基础，是社会可持续发展的基石，是创造柱会财富的直接源泉。众所周 知，制造业在国家经济总量中占很高比例，但制造业与新兴产业相比仍有很大差距， 表现在：附加值不高、能源与资源消耗大、产业基础薄弱、标志制造业水平的高性 能制造装备等发展滞后，这些特别体现在装配帝4 造业上。制造业中，无论是离散型、 连续性还是混合型的生产企业，都是“大制造小装配”或者“小制造大装配”类型 的。因此，装配制造行业的发展直接影响制造行业的发展方向和发展速度。 从现阶段装配制造行业面临的问题，不难发现，装配制造行业的市场状况主要 包括两个特征：一方面，消费市场对多样化产品的需求量在不断地增加，产品更新 换代速度也在逐渐加快，装配制造业必须面向多品种、小批量的生产方式发展；另 一方面，所有的制造商都必须以高质量、低价格的产品来争夺客户，市场竞争的日 益加尉使企业生产趋于专业化和全球化。因此，新型制造企业要想在日益激烈的国 际竞争中赢得先机，关键是如何随着新时代的要求而不断变革，形成新的生产管理 模式。这种新的生产管理模式必须解决产品生产的客户化与生产的批量化的矛盾， 满足产品的多品神、快速交货等方面的需求1 1 ”。 1 2 制造执行系统的现状与发展 随着科学技术的进步、生产力水平的提高和市场需求的多样化，大批量生产己 经不能适应市场的需求，加上计算机的广泛应用，生产管理从观念到生产方式都发 2 上海海事大学硕士学位论文 生了重大的变革，这一切导致了现代生产管理理论的出现。它是以计算机技术在生 产管理领域的大规模应用为起点，具有代表性的现代生产管理理论p 4 】，如：m r p 、 m r p i i 、e r p 、l i t 、o p t 、t o c 、l o m c 、c i m s 、a m 等相继出现。 但是，在实际使用过程中，这些现代生产管理理论往往处于上层的管理，在车 间事务管理方面没有起到相应的作用。企业的办公室里面已经应用了各种先进的企 业业务规划软件，在车间工位上也已经拥有了各种先进的数控设备，二者之间缺乏 必要的衔接。此外，在车间层管理上还是处于原始的纸张传递信息的时代，这些情 况严重制约了装配制造企业的快速发展。 1 2 1 制造执行系统的产生与发展过程 制造企业中，经常面临一些这样的问题：生产所需的原材料不能准时供应或供 应数量不足、零部件生产不配套、半成品( 在制品) 和外购件库存积压严重、产品生 产周期过长、市场和客户多变等，这使企业的经营、计划系统难于适应等。针对这 些问题，人们首先提出了“订货点法”，“订货点法”主要根据历史的记录或经验来 推测未来生产需求。显然，这难以适应物料需求随时间变化的情况，因为它没有按 照各种物料实际需要的准确时间来确定订货与生产日期，所以应用面窄。 为了解决“订货点法”的不足，在二十世纪六十年代，美国m m 公司首先提出 了m r p 理论，m r p 的基本思想是；围绕物料转化来组织制造资源，实现按照需求 的准时生产，通过产品出产的时间和数量计划，根据工序顺序反推出所有零部件的 投入产出时间和数量，进而确定对制造资源( 机器设备、场地、工具、工装、人力、 资金等1 所需要的时间和数量，由此围绕物料的转化组织制造资源，实现准时生产。 八十年代初期，一个结构完整的生产资源规划及执行控制系统，即所谓的闭环m r p 诞生了。它以整体生产的观点，利用计划、执行、评估与反馈的管理逻辑，有效地 对各项生产资源进行规划与控制。在闭环m r p 的基础上，把企业的各种活动加以 统一考虑，就发展成为整体的制造资源计划( m r p i i ) 。在m r p i i 中，一切制造资源， 包括人工、物料、设备、能源、市场、资金、技术、空间、时间等都被考虑进来。 制造资源计划是一种以物料需求计划为核心的企业生产管理计划系统。 二十世纪九十年代以来，面对国际化的销售与采购市场及逐步形成的全球供应 链环境，m r p i i 管理系统经过扩充与完善发展成e r p 。与m r p i i 相比，e r p 更加适 应全球化市场的竞争，功能更为强大，所管理的企业资源更多，覆盖面更广。它是 从企业全局角度对经营与生产进行计划，是制造企业的综合的集成经营系统。 3 上海海事大学硕士学位论文 从理论体系上看，m r p 、m r p i i 和e r p 一脉相承，核心的闭环m r p 思想保持 不变。但是，在制造业信息化的早期阶段，受到当时的环境限制，工厂管理的信息 化与生产设备的自动化通常被作为两个独立的领域而分别进行。因此，在未实施整 体解决方案或信息系统以前，各企业引入的只是单功能的 层和d c s 层的工作也是分别进行的。于是，由不同部门， 系列单一功能的信息系统，产生了以下两个长期存在的信息阻断问题【2 2 1 。 1 、横向系统之间的信息孤岛 制造企业的装配工厂车间内的生产调度、工艺管理、质量管理、设备维护、物 料管理、过程控制等系统之间相互独立、缺乏数据共享，从而导致功能重叠、数据 矛盾等一系列问题。信息孤岛造成了工厂中信息水平方向的阻断，严重制约着工厂 内各种系统间的协调，阻碍了系统的发展，降低了制造信息化的整体作用。 2 、e r p 和d c s 两层之间形成缺损环 公司级的业务管理系统无法得到及时、准确的生产实绩信息，无法把握生产现 场的真实情况。而生产现场人员与设备也得不到切实可行的生产计划与生产指示。 信息断层造成了企业生产经营信息在垂直方向的阻断，成为阻碍公司级的业务管理 系统与工厂级的生产管理系统集成的根本原因。 按照m r p i i e r p 方式组织生产，存在四个明显的问题【埔】：1 、不确定的产品结 构的引入；2 、陈旧的工时定额数据；3 、不合实际的提前期定义；4 、缺乏来自生产 现场的反馈而导致计划的不准确。因为，m r p 肥r p 软件属于企业的上层管理系统， 软件适应性比较差，难以解决“信息孤岛”和“信息断层”问题。例如：在计划过 程中无法准确、及时地把握生产的实际状况，在生产过程中得不到切实可行的作业 计划，管理人员和操作人员难以跟踪产品的生产过程，不能有效地控制在制品库存， 用户无法了解订单的执行状况。 针对上述这些状况，1 9 9 0 年1 1 月，美国先进制造研究机构a m r 首次提出制造 执行系统的概念，为解决企业信息集成问题提供了一个被广为接受的思想，将m e s 定义为“位于企业上层的计划管理系统和底层工业控制之间的面向车间层的管理信 息系统， 1 1 ，它使得计划管理层系统和底层控制系统之间形成了双向、通畅和准确 的信息流。m e s 采集了生产过程数据、仓库物料实时数据和车间相关设备状态数据 等基础信息，并将这些信息进行合并、汇总、规范、比较、分析等综合处理。一方 面为m r p i i e r p 等软件提供了及时、可靠、准确的生产经营决策参考信息，另一方 面也将生产计划的指令传达到现场，对现场生产设备参数等进行调整。 1 9 9 2 年，一些有识之士成立了国际性组织m e s 国际联合会( m e s a ) ，它是以宣 4 上海海事大学硕士学位论文 传m e s 思想和产品为宗旨的贸易联合会，并帮助其成员组织在企业界推广m e s 并 制定一系列研发计划。m e s a 相继发布了七份m e s 白皮书，与此同时，国际上一 些著名软件商和企业界纷纷加入这一组织。m e s 从此正式步入快速发展的过程。 卜1 三层企业集成模型 随后几年内，a m r 又提出了三层企业集成模型【1 9 1 ，如图1 - 1 所示，明确地揭示 了过程控制与现存的m r p i f e r p 系统间存在的断层，并将各种厂家提供的位于中间 执行层的系统称为制造执行系统。1 9 9 3 年，a m r 推出了m e s 的集成系统模型，强 调在制造执行领域信息共享和系统集成的重要性。1 9 9 7 年，m e s a 在公布的m e s 自皮书中提出了m e s 的功能模型和一系列相关模型，为实施可集成的m e s 提供了 信息结构、功能结构和技术框架。 1 2 2 装配制造执行系统的发展现状 m e s 经过十几年的发展已经取得一定的成果，传统的m e s ( t r a d i t i o n a lm e s ， t - m e s ) 基本从零星的车间级应用发展起来，并逐渐向具有一定集成能力的复杂系统 发展1 2 3 】。t - m e s 分为两大类：专用的m e s 系统( p o i n tm r ：s ) 和集成的m e s 系统 ( i n t e g r a t e dm e s ) 。专用的m e s 是指为解决某个特定领域问题，如：车间维护、生 产调度或s c a d a 等开发的自成一体的应用系统。集成的m e s 则是针对特定行业， 如：航空、装配、半导体、食品等行业而设计，在功能上已经实现了与上层事务处 理和底层实时控制系统的集成，但此类系统是针对特定的行业，缺少通用性和广泛 的集成能力。由于企业从不同的软件供应商购买适合自己的m e s 模块，或将现有 系统集成为m e s 功能的一部分，结果导致许多m e s 系统实际上是一个大杂烩。每 个系统都有各自的处理逻辑、数据库、数据模型和通信机制。又因为m e s 系统的 应用常常是要满足关键任务的要求，系统就很难随技术的更新而升级。目前，为了 实现与外部系统的集成，往往采用a p i 技术、o l a p 技术和相应的通信机制，这些 技术在某种意义上说，是m e s 的核心。其中，外部应用系统的调用和插入使用a p i 5 上海海事大学硕士学位论文 的方式，应用电子数据交换( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ，e d i1 技术实现i v i e s 和外部 环境进行数据交换。当前m e s 广泛采用的技术模型如图1 - 2 1 2 所示。 由于t m e s 的特点决定了t - i v i e s 具有下列缺点【3 j ： 通用性差。目前市场上的刊旺强，无论功能多么复杂，均是针对特定行业、特 定领域的。由于没有一定的技术规范来指导，针对不同行业的i v i e s 在功能上基本 无法借鉴和使用，使得系统的开发周期长、投资大，限制了i v i e s 的快速发展。 可集成性弱。从技术发展角度和用户需求来看，软件结构本身应能与其它应用 系统集成，做到相辅相成，相得益彰。这样不仅提高企业的遗产系统的生命周期， 降低对信息系统的投入，同时，也为用户选择较为合适的各种软件提供了更大的空 间。目前，某些具有集成功能的枷巳s 虽能实现与上层事务处理和下层控制系统的 集成，但也仅仅局限于某个特定的系统或功能范围内，使得用户在选择m e s 产品 时受到很大的制约，限制了胜s 软件产品的推广。 缺乏互操作性。互操作性是衡量系统敏捷性的一个重要标志。企业采用的数据 库、操作系统是异构的，在分布式环境下，需要从不同的m e s 中裁剪不同的功能， 以满足某个特定任务的需要，实现互操作。目前t m e s 基本上没有此类功能。 重构能力差。重构能力是指系统具有随业务过程的变化进行功能配置和动态改 变的能力。不同的行业、不同的企业其生产组织模式不尽相同，信息系统必须具有 可重构能力，即根据不同的需求搭建相应的系统。 6 上海海事大学硕士学位论文 敏捷性差。敏捷性是所有先进制造模式的核心。在生产中表现为对市场的快速 响应和对实际生产环境的应变能力，在信息系统中表现为系统的可重构、可重用和 可扩展的特性。对于t m e s ，由于系统结构本身特点和采用的开发技术，一个微小 的过程改变，系统就会无所适从，甚至不能正常运转。 1 2 3 制造执行系统的技术发展趋势 针对t - m e s 的缺点，a m r 研究小组在分析信息技术的发展和m e s 应用前景的 基础上提出了面向敏捷制造的可集成的m e s ( i n t e g r a t a b l em e s ，i - m e s ) ，它将组件 技术应用到m e s 的系统开发中，是两类t m e s 系统的结合。从表现形式上看，具 有专用的m e s 系统的特点，即i - m e s 中的部分功能作为可重用组件单独销售，同 时，又具有集成的m e s 的特点，即能实现上下两层之间的集成。此外，i - m e s 还 能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之问的集 成和遗产系统的保护，以及即插即用等功能。 可集成m e s 通过将面向对象技术，消息机制和组件技术应用到系统开发中， 充分结合两类t - m e s 的优点而发展起来的。通过采用高效的组件既大大增强了系统 的集成性和适应性，又能满足关键事物的处理。n 】，s m a 盯( n a t i o n a li n d u s t r i a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ep r o t o c o l s s o l u t i o n sf o rm a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) 协 会为整个i v i e s 应用领域提出的一个分布式对象和信息交换模型，代表了未来姗巳s 软件技术的发展趋势。如图1 3 所示。 图1 - 3 未来m e s 的技术模型 7 上海海事大学硕士学位论文 从模型1 2 可看出，在面向对象的应用中，每个对象都使用自身具有的功能和 方法来操作数据，分别完成系统的各种功能。而其它功能如：工作流管理、产品数 据管理、知识管理等都从功能逻辑中分离出来。通过对象请求代理可使不同软件商 的对象相互交换信息和进行互操作。n i s m a r t 所描述的m e s 技术模型非常适 合未来m e s 的商业应用特征，一个分布式对象框架可以让各种数据和功能逻辑在 使用时变得更加紧密。而且，通过使用小巧简练的对象，可使系统模型在不破坏相 互关系的情况下方便地进行客户化定义。这些特征使实施的m e s 费用较低同时又 具有良好的适应性和柔性。随着计算机技术的发展，越来越多的i v i e s 、e r p 、控制 系统、产品数据管理、供应链管理和客户关系管理都是以对象的方式来编写代码的。 只要它们遵守统一的o r b ，不管它们哪个开发商提供，都可以进行无缝集成。现有 的应用系统只要按正确的方法进行封装也同样能实现系统的即插即用。通过引入智 能代理a g e n t 可以有效地实现分布式m e s 的协同工作，满足虚拟企业中m e s 应用 的要求。从而实现敏捷制造模式对信息系统的要求，即系统的可重构，可重用和可 扩展的3 r 特性。 信息技术的发展和制造企业的竞争需求将带动m e s 应用技术的不断进步。从 以上分析可以得出，m e s 的发展趋势呈现出：可集成性、可配置性、可适应性、可 扩展性和可靠性旧等几个特点。 1 3 基于组件的开发概述 基于组件的开发是控制迅速增长的复杂性和业务信息系统成本的有效手段，还 是确定体系结构、设计、实现和部署可伸缩系统的最佳途径。将基于组件的开发技 术应用于d f b s m e s 的设计研发，可以较好地满足生产管理的业务需求。 1 3 1 组件技术的相关概念及特点 提到组件技术，首先要明确两个基本概念：组件和控件 3 0 1 、组件 组件目前还没有统一的定义。例如，这个词用于实现为a c t i v e x 或者j a v ab e a n s 的用户界面组件，用于能够被重用的任何软件工件。 有一个比较公认的定义是组件是可用来构成软件系统的即插即用的软件成分， 是可以独立地制造、分发、销售、装配的二进制软件单元1 3 5 1 。组件起源于对象又不 同于对象。对象是对状态和行为的封装，具有多态性和继承性，不包含独立性和构 上海海事大学硕士学位论文 造性的概念，它主要偏重于技术方面。而组件的概念除了技术方面的因素外，还有 工程方面的成分，组件有一定的功能，能够独立工作和能同其他组件装配起来协同 工作的程序体，组件的使用和它的开发无关。 2 、控件 控件是提供( 或实现) 用户界面功能的组件。就以n e t 为例，n e t 框架为控件 提供两个基本类：一个用于客户端w i n d o w s 窗体控件，另一个用于a s p n e t 服务器 控件。它们都是s y s t e m w i n d o w s f o r m s c o n t r o l 和s y s t e m w e b u i c o n t r o l 。n e t 框架类库中的所有控件都是直接或间接从这两个类中导出的。 s y s t e m w i n d o w s f o r m s c o n t r o l 从c o m p o n e n t 导出，它本身提供u i 功能。 s y s t e m w e b u i c o n t r o l 实现i c o m p o n e n t ，它还提供结构，在这个结构上可以很方 便地添加u i 功能。 所以，总的来说：控件都是组件，但组件并不都是控件3 。 组件在应甩开发方面具有以下特点o ”： ( 1 ) 与开发工具语言无关：开发人员可以根据特定情况选择特定语言工具( 如 、v c ) 实现组件的开发，编译之后的组件以二进制的形式发布，有效地 保证了组件开发者的版权。 ( 2 ) 即插即用：组件可以方便地集中在框架中，代码也不用重新编译。 ( 3 ) 以接口为核心：组件的接口和组件的实现是分离的。组件通过接口实现与 其他组件和框架的连接，组件的具体实现被封装在内部。组装者只关心接 口，不必知道其实现细节。 ( 4 ) 通过接口有效保证了组件的重用性：一个组件具有若干个接口，每个接口 中的元素代表了组件的某个属性或方法，其他组件或应用程序可以通过设 置，获取这些属性或调用这些方法来进行特定的逻辑处理。组件和应用程 序的连接是通过其接口实现的。负责集成的开发人员无需了解组件功能是 如何实现的，只需简单地创建组件对象并与其接口建立连接。在保证接口 一致性的前提之下，可以调换组件、更新版本，也可以把组件安插在不同 的应用系统中。 ( 5 ) 标准化：组件接口必须严格地标准化。 ， ( 6 ) 组件可通过市场销售和分发：大量成熟的组件可以通过市场购得，市场得 竞争机制也可以促进组件质量得提高和组件种类得丰富。 面向对象技术是软件技术的一次革命，在软件开发史上具有里程碑的意义。虽 然面向对象程序设计在一定程度上促进了程序的再使用，从而提高了软件开发的效 9 上海海事大学硕士学位论文 率，但是它并没有从根本上改变程序开发的模式。 在传统的面向对象编程语言中，对象的继承机制提供了类一级的重用，但这只 是源代码级的重用。由于现在的系统应用越来越复杂，程序也越来越大，开发难度 也相应增大。当形成一个新的版本并推到市场后，如果在系统中对某个部分进行了 修改或加强，就要对整个系统代码进行全部编译和测试，最后再全部提供给用户。 显然这使得对庞大软件的开发越来越困难、开发周期越来越长、维护费用也越来越 高，并且使功能的扩展变的危险而难行。在面向对象的编程技术中，不存在一种标 准的框架可以使得不同的厂商创建的软件对象在同一个地址空间( 甚至不同地址空 间) 中进行交互操作。正是在这种背景下，组件化程序设计( 基于组件的开发) 思想 得以诞生并取得了很大的发展。 基于组件的软件开发c b d 可以定义啪1 为：c b d 是一种软件开发方法，采用这种 方法开发生命周期中的所有问题和阶段，包括需求分析、体系结构、设计、构建、 测试、部署、支持技术基础设旌和项目管理，都是基于组件进行的。这主要是因为， 它是通过把现有组件组装、适配和“挂接”成为一种不同配置，构建所有工序的一 种方法，包括可执行代码、接口规格说明、体系结构、业务模型，规模从完整的应 用程序和系统，一直到单个组件。 按照c b d 的思想，把复杂的系统被设计成一些小的、功能单一、彼此相对独 立的子系统，各个子系统之间通过接口进行通信。而具体的实现在子系统之间是相 互透明的，也就是说对子系统而言，并不需要知道别的子系统是如何实现的。这种 子系统就被称之为组件。这些组件可以单独开发、单独编译、单独调试和测试，甚 至根据客户需要，出售客户所需的组件。当所有的组件开发完成后，把它们组合在 一起就得到了完整的应用系统。当系统的外界软、硬件环境发生变化或用户的需求 有所改变时，并不需要对所有的组件进行修改，而只需要对受影响的组件进行修改， 然后重新组合得至u 新的升级软件。这些组件模块可以运行在同一台机器上，也可以 运行在不同的机器上。通常，每台机器的运行环境可以不同，甚至可以是不同的操 作系统。为了实现这样的应用软件，组件程序和组件程序之间需要一些极为细致的 规范，只有组件程序遵循了统一的规范，软件系统才能正常运行。 1 3 2 c o m 组件技术开发原理 c o m ( c o m p o n c n to b j e c tm o d c o 是由m i c r o s o f t 提出的软件组件的标准，它构造 了二进制兼容软件组件的规范。c o m 起源于o l e 技术，是一种以组件为发布单元 l o 上海海事大学硕士学位论文 的对象模型，这种模型使各软件组件可以用一种统一的方式进行交互。c o m 不仅 提供了组件之间交互的规范，而且提供了实现交互的环境。c o m 在当前的软件行 业当中通常被翻译为“组件对象模型”，建立这种模型的目的是可以以组件的方式 进行软件的开发和应用，并且各个组件之间通过统一的方式进行调用。 在c o m 技术中，融合了当前流行的面向对象的思想【3 9 1 。在c o m 标准中，也 有对象存在，c o m 中的对象通常叫c o m 对象。对象是c o m 标准中一个要素，c o m 对象的活动空间就是组件模块，c o m 对象提供服务则必须要通过接口的方式。组 件软件最关键的部分就是组件之间的接口，接口是组件之间进行通信的基础。从通 信原理的角度来说，软件的模块之间如果要进行通信，必须有统一的标准来约束， 即使是单个软件的组件之间要进行互相通信，也必须使用相同的通信标准。通信标 准的选择，可以根据软件开发时的具体情况而定。例如，如果仅在软件内部的组件 模块中进行通信，那么可以采用自己定制的接口标准，但是，如果要考虑和其他软 件接口通信，就要先了解其他软件采用何种接口标准，或者是利用其他软件提供的 公用接口标准。在w i n d o w s 平台上，使用最为广泛，开发者一致推荐的标准是c o m 组件标准。图1 4 说明了c o m 组件、c o m 对象和c o m 接口三者之间的关系。c o m 组件的接口为c o m 对象提供了服务，被称为c o m 接口。 吕；一 图1 4c o m 组件、c o m 对象和接口的关系 在w i n d o w s 操作系统中，c o m 组件的形式可以是动态链接( d y n a m i cl i n k i n g l i b r a r y ，d l l ) ，也可以是后缀名为c x e 的可执行文件，但不论其具体形式是什么， 一个c o m 组件可以包含多个c o m 对象，每一个c o m 对象又可以又可以实现多个 c o m 接口。当其他的组件或者是应用程序( 组件的客户程序) 调用该c o m 组件时， 首先必须创建一个c o m 对象或者通过其他方法获得c o m 对象，然后才能通过该 对象所提供的c o m 接口调用它的服务。所有的服务结束以后，如果后续工作中不 再需要这个对象，必须释放该对象所占用的资源，同时还必须释放对象自身。 ， c o m 是一些小的二进制可执行模块，能为应用程序、操作系统和其他组件提 供服务【加】。可以将它们连接起来形成应用程序，并能在运行时，不需要重新编译和 链接的情况下被卸下或替换掉。它具有面向对象、语言无关、位置透明、动态链接 等特性，因而在解决软件互操作、分布式计算：提高系统的可扩展性、定制的灵活 上海海事大学硕士学位论文 性；减少系统维护成本等方面表现出强大的能力。封装性、继承性和多态性是面向 对象技术具有基本特征，而组件在这几方面要求更强。组件通过接口表现其服务， 与面向对象的程序设计语言中的类相比，其封装性更好，组件的多态性方面不仅表 现在接口的成员函数上，而且也能表现在其接口上，使用更加灵活：在继承性方面， 面恕对象语言中类的继承是一种实现继承，派生类继承基类的源代码并进行扩充， 这也意味着当基类发生变化时，整个程序需要重新编译和链接。而在组件的架构下， 组件经常发生变化，源代码一般不容易获得，重新编译是很难的，所以组件采用了 基于接口的继承来解决。现在，c o m 成为微软现代软件技术的基础，从数据库到 网络，甚至是操作系统都利用了c o m 技术，例如数据库访问的a d o o l e d b ，网 络中的a s p a c t i v e x ，w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的服务。 c o m 作为一种新型的编程技术，一方面有其特殊的优势，同时，它也有不可 避免的存在一些缺陷。在实际项目的开发中，应该尽量采用对项目本身有利的方法， 而不能一味追求技术的新颖。c o m 组件技术具有以下优点1 3 9 】： 1 、c o m 组件具有可替换性 软件具有自身的生命周期，软件的生命周期同硬件不同，当用户的需求或者是 硬件环境发生了变化，旧版本的软件不能适应这些变化时，就需要有新的软件的出 现来适应新的情况。这也是软件的生命力的所在。 在c o m 没有出现之前，软件的更新需要重新编写整个程序代码，并且这将影 响到所有的用户计算机，因为每一台计算机都安装了整套的软件。在代码被重新编 写之后，还需要将代码编译，然后才能安装到具体的计算机上使用。 在c o m 出现之后，利用c o m 的思想和技术，更新程序的过程成为更新程序 中某个部分的操作，用户只要将开发者提供的升级组件替换到原来的应用程序系统 之中，就可以升级原来的软件系统，从而避免了重复编译、安装等过程。 2 、c o m 组件适合于软件更改的需要 软件编写的过程通常是一个不确定的过程。在软件的开发、配置和调试期间， 一方面，用户新的要求或者对需求的更改；另外一个方面，软件可能出现某些漏洞。 应用程序在这时往往要不断地调整，以适应新的需求和不断变化的运行环境。 c o m 组件具有优良的可替代性，在规划整个软件系统时，可以将变化比较繁 琐的部分集中放入少数几个组件之中，这样，如果有某些部分出现了新的情况导致 软件代码需要改写时，只要改变组件，重新构建新的组件，并将其更新到原来的应 用程序系统之中即可。 3 、c o m 组件使得程序的复用性成为可能 上海海事大学硕士学位论文 c o m 组件建立的是为了实现程序代码的多次重复使用。如开发者建立了一个 处理所有字符串函数的组件，以后任何应用程序都可以使用这个字符串处理组件， 而且，发布后组件进行的改进和升级都可以不影响使用这个组件的应用程序。 4 、c o m 组件有助于并行开发 一般情况下，c o m 组件的开发是先开发组件的接口，这样才能保证以后使用 的过程中调用和响应可以顺利配合，实现接口的要求。一但接口设计好之后就可以 将其分布到几个应用程序当中，组件可以实现编程工作的并列进行。只要接口设计 正确合理，建立组件之后，它们之问就可以顺利配合。 1 3 3 基于组件技术的系统设计方法 在早期的计算机软件中，每个应用系统都是一个单独的应用程序。应用系统越 复杂，程序就越庞大，系统开发的难度就越大。某个特定的系统一旦开发完成，应 用程序将不再改变，直到该系统的后续版本出现。如果程序很庞大，系统开发周期 就很长，应用系统在这两个版本之间既要满足操作系统软件的更新，又要满足计算 机硬件环境的变化，在代码的编写上将出现很多困难。很显然，这种单独的应用程 序很难赶上日新月异变化的计算机软硬件环境。 从系统工程和软件模型的角度来考虑，解决这个矛盾的一种方法是将应用系统 分解成多个比较小的模块，每一个模块都完成一定的功能，各个模块之间保持相互 独立。程序运行时，如果各个模块之间需要协同工作，则通过相互之间的接口完成 消息的传递和工作的协调等任务。每一个这样的单独的模块就是一个组件。从系统 工程的观点出发，在设计一个应用系统时，就要拆分多个组件，每个组件都能够单 独开发、编译，设计运行要求比较高的应用系统，甚至要求每个组件可以单独进行 调试和模拟运行环境进行测试。在完成了所有组件的编写之后，将它们组合即可以 得到完整的应用系统。按照组件模型开发完成的应用系统，可扩展性良好p q 。 模块a 1模块a 2 模块a 3模块a 4 操作系统1 硬件系统1 模块a 5模块a 2 模块a 6模块a 4 操作系统2 硬件系统2 图1 5 组件化应用程序升级示意图 图1 5 中，如果按照从左图到右图的应用程序的运行环境发生了变化可能 日曷 上海海事大学硕士学位论文 是硬件环境或软件环境，或者二者兼而有之。应用程序的软件模块a 1 和软件模块 a 3 受到运行环境变化的影响。升级软件后，应用程序中受到影响的组件软件模块 a 1 和a 3 分别由新的软件模块a 5 和a 6 所替代。由新软件模块和和其他未受影响 的组件组合得到新的应用程序版本之二，在新的运行环境之下可以正常工作。这样， 在没有完全修改整个系统编码的情况下，得到了一个新的应用程序系统。 在设计组件化的应用系统中，设计和实现软件的组件化模型是比较困难的，如 果一个应用系统过于庞大和复杂，要切分成一系列单独的组件并不容易。通常情况 下，除了要满足系统运行的业务要求外，还要符合应用逻辑上的要求。这就要求程 序设计者从系统论的观点出发，着眼于应用系统的全局，综合用户的需求和应用程 序组件化设计的规则来进行程序设计。传统的结构化程序的设计思想和现在广泛应 用的面向对象程序设计思想对组件模型的设计都有很好的辅助作用。 系统设计的目的就是确定系统的功能需求，并根据对系统的功能需求确定系统 结构和功能【3 6 1 。对于基于组件的可复用系统而言，系统设计的重要任务是确定系统 的模块、功能以及构建系统的组件。建立系统模型是分析、设计复杂系统过程中的 常用手段。系统模型抽取了系统的本质特征，忽略了次要因素。系统模型为分析和 设计人员准确掌握系统的核心需求和正确设计