（控制理论与控制工程专业论文）织造计划管理系统及浆料配方智能化研究.pdf

摘要 摘要 管理信息系统( m l s ) 是现代管理科学与计算机技术科学结合应用的产物，随着科技的进步， m i s 的应用日益重要。本文在充分考虑申州针织股份有限公司织造计划管理和配浆管理工作需求的 基础上，运用管理信息系统开发的一般理论和软件开发的基本方法，分析设计了基于分布式数据库 的织造计划管理及浆料配方管理系统，该系统是申州集团计划管理系统的一个重要组成部分。 笔者在分析织造计划管理工作流程的基础上，以满足用户可以轻松快速地处理订单的要求为出 发点，将工艺卡表结构设计成主从结构，将计划的下达由两处并为一处，重要数据修改采用用户实 名制，并针对数据无法流通问题引入货号用户自定义设计，从而大大提高了系统的灵活性、实用性。 另外，本文在对织造的传统难题浆料配方问题做了大量研究的基础上，充分利用企业这个巨大的数 据库作为样本，引进神经网络思想进行浆料配方的设计，在系统中实现了浆料配方智能产生及配方 性能预测，并通过建立综合功能评价值及成本分析对各配方性能进行比较，为配方选取提供参考。 本系统选用了w i n d o w s 环境下的d e l p h i7 o 作为前台应用程序开发工具，m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 5 作为后台数据库管理系统，采用模块化设计思路，功能完备，界面友好，操作方便，运行效果 良好。 最终完成的织造计划管理系统为用户进行计划制订及统计分析提供了方便、快捷的平台，工作 效率迅速提升；浆料配方智能产生模块的设计打破了传统生产设计模式，可以有效地缩短浆料配方 的产生周期，避免不必要的企业资源浪费，进一步完善企业信息化管理。 关键词：管理信息系统，织造计划管理，浆料配方智能化，b p 神经网络 a b s t p a c t a b s t r a c t m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ( m i s ) i sap r o d u c to ft h em o d e mm a n a g e m e n ts c i e n c ec o m b i n e d w i t ht h ec o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ym a k e sm i sb e c o m ea l l m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tm a n a g e m e n tw a yi nt h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y b a s i n go ns e r i o u s l yc o n s i d e r a t i o no ft h ew o k i n gd e m a n d so fw e a v i n gp l a n n i n gm a n a g e m e n ta n d s i z i n gm a n a g e m e n t , aw e a v i n gp l a n n i n gm a n a g e m e n ta n ds i z i n ga g e n tf o r m u l am a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mi sd e s i g n e d ，u s i n gt h er e l a t e dt h e o r yo fm i sa n db a s i cm e t h o d so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t o nt h eb a s eo fa n a l y s i so fw e a v i n gp l a n n i n gm a n a g e m e n tp r o c e s s ，a i m i n ga t s a t i s f yt h eu s e r s d e m a n d so fh a n d l i n go r d e r sf a s t e ra n de a s e r , t h ec r a f td a t a b a s ei sd e s i g n e da sh y p o t a c t i cs t r u c t u r ea n dt h e p l a ns e n d i n gi su n i o n e d i na d d i t i o n , u s e ri d e n t i f i c a t i o nm e c h a n i s mi sd e g i n e dt oa v o i dm o d i f y i n g i m p o r t a n td a t ar a n d o m l y t h eu s e r - d e f i n e da r t i c l en om e c h a n i s mi si n t r o d u c e dt or e s o l v e c i r c u l a t i o n p r o b l e m t h e s em e t h o d si m p r o v es y s t e m sa g i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y e f f e c t i v e l y w h a t sm o r e n e u r a l n e t w o r ka l g o r i t h mi si n d u c e df o rt h et r a d i t i o n a lp r o b l e mo fw e a v i n g , f o r m u l ad e s i g n i n gf o rs i z i n ga g e n t a n df o r m u l ap e r f o r m a n c ef o r e c a s t i n g ，u s i n gt h ee n o r m o u se n t e r p r i s ed a t ar e s o u r c e s a tl a s t , p e r f o r m a n c e c o m p a r i s o ni sm a d eb yb u i l d i n gg e n e r a lf u n c t i o na p p r a i s a lv a l u ea n dc o s ta n a l y s i s ，p r o v i d i n gr e f e r e n c e sf o r f o r m u l ao p t i o n t h es y s t e mi sd e v e l o p e db yd e l p h i7 0a sa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tf a c i l i t y , a n dm i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 5a sd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mo nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m u s i n gm o d u l ed e s i g nt h o u g h t , t h e s y s t e mh a si t sc h a r a c t e r i s t i c so fa l lf u n c t i o n s ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dw e l lr u n n i n g e f f e c t f i n a l l yc o m p l e t e dw e a v i n gp l a n n i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mp r o v i d e su s e r sc o n v e n i e n ta n d r a p i dp l a t f o r m ，e n o r m o u s l ye n h a n c e sw o r k i n ge f f i c i e n c y t h ed e s i g no fs i z i n ga g e n tf o r m u l am a n a g e m e n t b l o c k , t r a n s c e n d i n go l dp r o d u c td e s i g np a t t a n , w o u l ds h o r t e ns i z i n gc y c l e ，e c o n o m i z et h ec o r p o r a t e r e s o u r c e sa n dg e t st h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o r ep e r f e c t k e yw o r d s ：m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，w e a v i n gp l a n n i n gm a n a g e m e n t , c o m p u t e r a i d e ds i z i n g a g e n tf o r m u l a , b pn e u r a ln e t w o r k l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 目前我国的纺织服装企业大多数还属于劳动密集型和材料密集型企业，自动化程度还比较低，这给其 信息化的实现带来了很大的难度。而纺织服装企业，尤其是其中的织造印染环节，业务流程非常复杂、繁 琐，需要管理的数据也尤其琐碎。在这种复杂性极高的经营管理中，若还继续依赖于传统的手工处理、表 单传递、人工流转等方法，仅是数据的准确性就不能满足企业需求，更不用说信息传递的速度，而且这也 为数据的综合分析和生产预测造成极大的困难。这时，利用信息化技术帮助管理就显得尤其重要，成为企 业轻松管理，并赢得最终市场的重要法宝。 申州针织有限公司附属于申洲国际集团控股有限公司，为中国具规模的纵向一体化针织制造商， 集织造、染整、印绣花、裁剪与缝制四个完整的工序于一身。该企业一向注重先进科技的运用，公 司较早期就开始了信息化建设，但由于2 0 0 7 年中国大陆业务全面扩大、北京奥运会的到来等诸多原因， 订单数量剧增，原有系统越来越不能满足业务发展、内部管理的需要，公司信息中心的工作人员的 补丁更是加剧了系统的腐化【lj 。2 0 0 7 年7 月，公司决定与东南大学合作，开发一套完整的有申州特色的 计划管理系统和制衣生产管理系统，以进行更有效的管理和控制，规范信息的传递流程和格式，提升企 业信息化管理的水平，进一步增强企业市场竞争力。 计划管理系统以企业工作流程为主线，包括织造计划管理、染整计划管理、制衣计划管理、辅料计 划管理等各个部分，依据按订单与产能相结合安排计划的原则，有效地安排生产计划，实现计划制定 与调度。织造计划管理部分一直是针织企业管理的难题之一，与其他计划相比，更加多变更加复杂。它 不能简单的由订单就直接计算产生计划，而要涉及到浆料配制、工艺换算、预估采购等各个专业性相当强 的领域，需要管理无数的配方、纱支、布种、客户标识甚至更多的数据。加之近几年来，纺织业客户大 批量生产的订单很少，一般情况下都是订单数目比较多，单个订单的订货数量小，织造计划管理愈 发困难，工作人员疲惫至极，实现一套功能齐备的织造计划管理系统迫在眉睫，这就是本文的第一项工 作。 浆纱工序是织造生产的一道重要1 二宁，包括配浆( 又称调浆) 和上浆两部分。配浆是指按照生产 任务和浆料配方将适量浆料粘着剂和助剂调配成合适的浆液。配好浆后再按上浆工艺在浆纱机进行 上浆。浆纱质量的好坏直接影响织物的生产和质量。目前，大多数企业配浆还采用着传统的方式， 得到一个布样后，依靠工艺员的经验米判断应该由浆料来组合生成，然后测试，若不行再调整，再 测试。在这一过程中人为因素和经验非常重要，可能需要来回多次才得到满意的配方。传统的 方法严重依赖于工艺员的经验，造成产品质量不稳定，且没有科学依据，并无法确保配方能在规定 时间内完成。针对特定纤维及织物确定浆料配方实际上是多目标组合优化问题，它要考虑的因素很 多，这些因素既有轻重之分，又有可能出现相互排斥的情况，一般来说，在实际中要用统一的单一 数学模型来概括实际浆料配方中应考虑的复杂多变的难以确定的非线性关系是不可取的，往往结果 与实际情况相差其远；如果一味地选择各项性能都很优质的配方来进行生产，那么为之付出成本也 是不值得的。因此，考虑运用神经网络在处理非线性方面的各种优越的性能，来设计产生浆料配方 的软件系统，就是本论文所要完成的另一任务。 1 2 课题研究目的及意义 现有的织造计划管理系统使申州针织企业不能从容地面对变幻莫测的市场需求，不能保证决定 数据在企业各部门流动过程中的安全性、准确性，计划的查询、修改、保存极为不便，且与其他模 块隔离开来，使得公共数据管理混乱：此外，用户端的界面设计由于长期的补丁修改，显得粗糙混 乱。通过本论文的研究，完成织造计划管理与其他计划管理系统的整合，方便计划数据及进度的查 东南大学硕士学位论文 询、修改以及保存，实现同一订单可用不同标识在各部门内顺利流转，规范数据流通格式，减少数 据修改的随意性，提高数据的准确性，从而企业数据安全也得以保障；通过对历史浆料配方工艺数 据的分析，实现浆料配方智能产生和配方性能预测，提高浆料配方设计速度的功能，从而进一步缩 短整个订单完成时间，弥补了企业现有管理信息系统的不足。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外管理信息系统现状 随着信息系统在社会中的角色越来越重要，对信息系统领域的技术、管理及应用等众多问题的研 究也越来越受到人们的重视【2 1 。目前，有人已经把信息系统的研究作为其他学科的参考学科，也就是 说，在研究其他学科之前，首先要看看信息系统能够为这门学科做些什么。由此可见，信息系统的研 究也越来越受到社会各界的普遍重视。信息化的浪潮对信息系统的研究提出了新的挑战，整个社会对 信息管理方面的专业人才需求是非常巨大的。 我国企业m i s 的应用可以追溯到7 0 年代中期，主要是以单机操作为主进行单项业务的数据处 理辅助管理为主。7 0 年代末到8 0 年代中期许多企业都建立了诸如人事、工资、库存、生产调度、 计划等管理子系统。8 0 年代中后期尤其是进入9 0 年代以后，随着系统集成和网络技术的发展，国 内一些大中型企业纷纷把过去独立存在的子系统集成起来，形成统一的管理信息系统，较好地解决 了信息“孤岛”问题。目前，我国m i s 在制造业、商业、金融保险业、交通运输业、贸易、服务业 己经有了相当的普及率。其中包括国有企业、三资企业、乡镇企业和民营企业，以及各级政府管理 部门等，企业规模有大有小。这些企业中许多企业在财务、人事、库存等单项管理中取得成效，正 在向全企业的m i s 发展。一些企业己经初具规模并在完善中，其中先进企业在向计算机集成制造 c i 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 i n gs y s t e m ) 迈进。 我国企业m i s 建设虽然取得了很大的成就，但也存在一些问题i 圳： 1 m i s 开发中模仿人工流程，致使m i s 系统仅仅完成过去人工繁琐劳动的一部分，没有体现 出现代化的管理方法，对企业改革难以起到推动作用。 2 领导层对m i s 的作用和意义缺乏共识，同时m i s 开发周期长，企业内的技术力量不足， 导致系统难以完善和维护。 3 m i s 的开发应用仅限于业务层工作，很少涉及预测、决策和优化方面的工作，导致m i s 的效益发挥的不够。 国外先进企业的管理信息系统绝大部分都采用了现代信息技术的最新成就，已经普遍采用的有 图形用户界面技术( g u i ) ，s q l 结构化查询语言、关系数据库管理系统( r d b m s ) 、面向对象( o o ) 技术、计算机辅助软件工程、c s 、b s 和分布式数据库管理系统( d d b m s ) 等技术，还实现了更 为开放的不同平台相互操作，并采用适应于网络技术的编程软件，加强用户自定义的灵活性和配置 性功能。这样，使信息有了一个生成、发布、搜索、利用、再创造的循环机制【4 l 。同时，融合w e b ， h t m l 超文本信息链、图文图像结合的多媒体开放文档体系结构、交互式对象和全文检索等各项新 技术，为大规模内部及外部信息的组织、发布、处理提供了更有力的手段，进一步为企业管理决策 提供有效可靠的信息依据，让企业的信息资源充分实现其价值，使企业能够在竞争中立于不败之地。 纵观m i s 的发展和现状可以看到，不仅大中型企业普遍建立自己的m i s ，一些中小型企业也不例外。 尤其是近几年来i n t e m e t 的飞速发展，企业内部网( i n t e r n e t ) 技术得到应用，为企业m i s 提供了良 好的支撑环境。我国企业的m i s 在企业信息化的浪潮中，必将在现有的基础上迅速普及和提高。 1 3 2 配方问题及其智能化的发展 配方技术是配方产品生产企业的核心技术。产品配方的目的，是根据配方设计的目标，把各种 类型、等级和质量的原料进行合理搭配，配以相关的辅料与添加剂，以达到最佳或满意的质量效果。 早在人类生产的手工业时期就存在配方工艺。配方的性能在不同程度上依赖于领域专家的经验。 2 第一章绪论 这些经验，主要是关于配料与配方之间的关系；理解各种配料和工艺参数之间的相互作用；知道如 何反复试探，以寻求最佳配方，达到所需要的最佳产品性能。可以说，配方，是在一系列标准下反 复试探，以求得最佳方案的过程。它要求对不同的原料作适当比例的挑选，确保配方产品的性能， 还包括成本因素、原料的可供性和连续性。配方问题的复杂性主要来自原料成分的复杂性、各种原 料之间的物理化学反应的复杂性、环境冈素影响的复杂性等等。 目前，配方行业大多采用传统的统计分析进行指标问的相关分析。常用软件有s p s s 、s a s 、n o s a 、 e x c e l 和中国人自主知识产权的统计软件d p s 。国外著名的e r p 厂商的产品均包括配方管理功能，并 与其他系统有机集成。国内的金蝶、用友、中科久辉、海大新星等公司的e r p 产品也包含此项功能， 其水平与国外产品相卦 。 由于配方问题内在的复杂性、模糊性、不确定性，使得传统统计方法的进一步应用困难重重。 如多元数据统计分析，冈其在感知、学习、联想方面的局限性，限制了其实际应用。 1 9 8 5 年开始，美国c a 公司的a i 制品部成功地开发了应用计算智能( 包括神经网络、模糊逻辑、 遗传算法等) 的软件包，至今已有效应用到闻名于世的g o o d y e a r 、b a s f 、g i l l e t t e 、n a s a 等一千多 家企业。智能软件包的成功应用于依赖领域专家经验并需要反复试探的配方产品( 颜料、涂料和各 种食品等) 设计【6 j ，缩短了产品开发时间，改进了产品性能，降低了产品成本。饮料行业的可口可 乐公司、德国慕尼黑啤酒公司、卷烟行业万宝路公司等也都开发了计算机辅助配方维护和产品开发 系统。 自2 0 世纪9 0 年代以来，国内不少的行业领域专家及统计分析、信息技术、智能技术等学科的 学者，开始进行神经网络的研究应用，并取得大量成果。1 9 9 8 年，沈阳农业大学的赵风芹利用模糊 数学方法对“玉米营养方便粥”配方的感觉之类进行检验。自1 9 9 9 年开始，中国海洋大学与颐中烟 草集团( “现山东中烟工业公司”) 密切合作，研究和开发了卷烟的智能配方人机系统。2 0 0 7 年青岛 卷烟厂引入智能配方系统，此前需要十五天完成配方设计任务耗费时间缩短到了两秒钟【。 1 3 3 神经网络在纺织领域的应用现状 神经网络技术的理论出现于2 0 世纪4 0 年代，但由于自身的不完善，其应用有很大的局限性， 2 0 世纪8 0 年代以后出现了应用高潮，但在纺织领域中的应用主要在2 0 世纪9 0 年代以后，至今仅 仅有1 5 年左右的时间。 目前，神经网络技术在纺织工业中的应用在国外己较为普遍并逐步趋于成熟，可概括为以下方 面： 客观评价：染色疵点的分类；针织物手感的客观评价；织物质量、疵点自动检测系统；假捻变 形纱卷装的等级评定；服装接缝等级评定；棉花颜色分等；棉花色泽分级；棉花杂质分类；棉网疵 点( 棉结、杂质) 分类；回收或混合纤维非破坏性的在线的鉴别分析；褶皱恢复的客观评定；棉网密 度的控制和确定：织物在线分类；织物手感评定；针织花边的在线检测等【g 】。 预测：玻璃纤维增强复合材料的疲劳寿命预测；多层机织物弹性模量等的预测；服装成本预测； 棉平针针织物顶破强力的预测；针织物手感预测：碳纤维增强复合材料累积疲劳损伤预测；纵向张 力脉冲下纺织产品的截面运动学；阴离子水溶性染料对生物量亲和性的预测；针刺非织造布伸长性 预测模型：荧光染料计算机匹配预测；喷气纺、转杯纺等各种纱线质量、性质预测；预测纱线均匀 度、强伸性；黑白纤维混合的颜色匹配预测( 灰色) ；洗衣机喷水的预测；碳纤维增强复合材料管在 轴向和扭转力作用下失效预测；纱线性质与织物性质的关系预测；毛织物质量预测；环锭纱、转杯 纱的毛羽预测；织物手感预测：混合染料浓度预测；纱线松弛模型；给定纤维性质的纤维可纺性预 测；纺织质量预测；热塑性共聚物杨氏模量的预测；服装市场分析预测纠引。 优化设计与控制：染料的分子设计；化纤生产的自动控制：纺织生产管理的优化；毛织物夹层 的优化选择；摩擦盘的设计；服装生产与销售的智能化；从质量与价格的角度优选混纺比；纺纱转 杯的参数优化；聚碳酸醋的合理性分子设计；复杂机件的设计；假捻变形机械优化；匹染的实时分 析和控制；缝纫过程中的工艺优化与调整；纺纱工艺优化：优化纱线加工的利润；织机控制使织造 3 东南大学硕：l 学位论文 条件优化；颜色匹配优化等【8 】。 在国内神经网络技术在纺织领域主要有以下用途，用于客观评价( 准确性、容错性、适应性较传 统方法好) ，如手感评定。用于预测；亚麻纤维品质与成纱质量的分析方法；纺纱技术预报；织物的 服装加工性能预测；织物拉伸性能预测；竺麻织物透气性能预测；生丝抱合与其结构关系研究；纤 维增强复合材料力学性能研究等。用于优化设计与控制；人工神经网络控制粗梳毛纺质量的研究( 称 重自动控制) ；熔喷非织造布在线检测智能系统( 预测控制优化) ；动态分光测色仪中的反射率误差修 正( 仪器研究) ；印染布轧光整理金属探测装置( 自动控制) ；纺织厂空调自控系统；定形机温度智能 控制系统的设计等悼j 。 本课题利用神经网络预测针对指定的织物的浆料配方及其浆液上浆性能，目前国内外研究报道 的较少，在报道中，较多的是提到了神经网络用于纺纱工艺中纱线质量的预测模型，如文献e 9 、 1 0 3 。 通过仔细的分析和对比，我们发现本课题预测模型与纱线质量预测的神经网络模型，在一定程度上， 有其相似之处。因此，我们参考纺纱工艺中纱线质量预测的神经网络模型，进行了浆料配方及其浆 液上浆性能预测的研究。 1 4 课题研究内容 论文研究以织造计划管理过程中各项工艺制定、计划制定为重点，附加浆料配方智能产生、配方性能 预测模块，开发出套颇具特色的织造计划管理系统，主要内容包括以下几个方面： 第一章绪论：简要概述了课题研究背景、课题研究的目的及意义、课题的国内外现状、课题 研究内容。 第二章系统相关技术与理论：详细介绍了进行系统开发时用到的一些技术及相关理论，包括 管理信息系统、数据库技术、神经网络算法等。 第三章浆料配方智能化实现：在以浆料配方智能产生及配方性能预测为主题建立的数据库的 基础上，详细阐述其b p 神经网络模型的建立，并做出仿真数据分析。 第四章系统需求分析与总体设计：根据企业的需求并结合现有系统的特点，探讨系统的目标 及任务，构建系统的总体框架，进一步进行系统数据库设计。 第五章子系统的详细设计与实现：详细介绍系统功能模块的划分及各模块的实现，就系统应 用效果探讨改进方向。 第六章总结与展望：对所完成的工作内容进行总结，并挖掘继续探究的方向，对后续工作提 出期望。 4 第二章系统相关技术与理论 第二章系统相关技术与理论 2 1 管理信息系统概述 管理信息系统( m i s ) 的设想是于2 0 世纪6 0 年代，由美国经营管理协会及其事业部提出的， 但是由于当时硬件、软件开发水平的限制，很多尝试都失败了或者带来的成效并不明显。到了2 0 世纪7 0 年代，随着数据库技术、网络技术的发展及科学的软件开发方法、现代企业管理方法的提出， 兴建管理信息系统所要求具备的条件逐渐成熟起来。在这些新技术条件下，管理信息系统可以这样 定义：它是对一个组织( 单位、企业和部门) 进行全面管理的人和计算机的系统，综合运用了计算 机技术、信息技术、管理技术和决策技术，与现代化的管理思想、方法和手段结合起来，辅助管理 人员进行管理和决荆l l 】。管理信息系统能实测企业的各种运行情况；利用过去的数据预测未来；从 企业全局出发辅助企业进行决策；利用信息控制企业的行为；帮助企业实现其规划目标。其概念如 图2 1 所示。 图2 1 管理信息系统概念图 从上述定义不难得出，管理信息系统具有以下功能【i2 j ： 1 、数据处理功能。以达到为人们共享的目的，对信息进行的采集、处理、存储、管理、检索、 传输和输出等。 2 、计划功能。根据现存条件和约束条件，提供各职能部门的计划，如生产计划、财务计划、采 购计划等，并按照不同的管理层次提供相应的计划报告。 3 、控制功能。根据各职能部门提供的数据，对计划执行情况进行监督、检查，比较执行与计划 的差异，分析差异及产生差异的原因，辅助管理人员及时加以控制。 4 、预测功能。运用现代数学方法、统计方法或模拟方法，根据现有数据预测未来。 5 、辅助决策功能。采用相应的数学模型，从大量数据中推导出有关问题的最优解和满意解，辅 助管理人员进行决策。以期合理利用资源，获得最大的经济效益。 以上功能中，数据处理功能是管理信息系统最基本的功能。由此，数据库技术便成为管理信息 系统实现中不可或缺的部分。具有集中统一规划的数据库是现代管理信息系统的重要特点，它标志 着管理信息系统真正实现了数据的集中统一，使数据成为各种用户共享的资源。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 软件设计概念及原则 无论采用哪一种软件设计方法，都需要用到下面的基本概念i j 叫： 一、模块化模块或组件是指具有一定功能的可以用名字调用的程序语句集合。 例如：过程、函数、子程序和宏等都可作为模块。面向对象模型中的对象是模块，对象内的方 法也是模块。 模块化是指把一个待开发的软件划分成若干小的简单部件，每个部件称为一个模块，每个模块 完成一个相对独立的子功能，所有这些模块集成起来就可以完成软件系统的指定功能。模块化的目 的是使程序的结构清晰，容易阅读、理解、测试和修改。对于一个复杂问题求解，采用模块化方法， 可以控制求解规模，降低问题复杂度和减少求解成本。 二、抽象 抽象就是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节。一个复杂的问题首先可以用一些高级 的概念构造利理解，这些高级的概念又可以用一些低级概念构造和理解，如此进行下去，直至最低 层次的具体元素。这就是所谓的层次思维，即用层次的方式考虑和处理一个复杂的问题。 软件工程的每一步都是对软件的较高一级抽象层的解的一次具体化的描述。在软件计划阶段， 软件系统被描述为整个计算机系统中的一部分。在软件需求分析阶段，软件用问题域约定的大家所 熟悉的习惯用语描述。从概要设计向详细设计过渡时，抽象级别再次被降低。编码完成后就达到最 低的抽象层次。在这种从高级抽象n t l 王级抽象的转换过程中，始终伴随着一系列的过程抽象和数据 抽象。过程抽象把完成一个特定功能的动作序列抽象为一个过程名和参数表，并通过指定过程名和 实际参数调用此过程。数据抽象把一个数据对象的描述抽象为一个数据类型名，用此类型名可以定 义多个具有相同性质的数据对象。 三、信息隐藏 信息隐藏原理指出：应该这样设计和确定模块，使得一个模块内包含的信息( 过程和数据) 对 于不需要这些信息的模块来说，是不能访问的。每个模块只完成一个相对独立的特定功能，模块之 间只交换那些为完成软件功能必须交换的信息。模块对数据和过程处理细节的隐藏可以减少错误向 外传播。当软件系统扩充功能时，只需要插入新模块，原有的大多数模块不必改动。因此，采用信 息隐藏原理指导设计不仅支持模块的并行开发，还可以减少测试和后期维护的工作量。 四、模块独立性 模块独立性是指软件系统中的每个模块只涉及软件要求的具体子功能，而与软件系统中其他的 模块的接口是简单的。注重模块独立性至少在两个方面获益：第一，具有独立性模块的软件比较容 易开发；第二，独立的模块容易测试和维护。模块独立性的概念是模块化、抽象和信息隐藏等概念 的直接结果，也是完成有效的模块设计的基本标准。 模块的独立程度可以由两个定性标准来度量，这两个标准分别称为内聚和耦合。耦合衡量不同 模块彼此间互相依赖( 连接) 的紧密程度；内聚衡量一个模块内部各个元素彼此结合的紧密程度。 1 耦合 耦合是对一个软件结构内不同模块之间互连程度的度量。耦合强弱取决于模块间接口的复杂程 度，进入或访问一个模块的点，以及通过接口的数据。一般模块之间可能的连接方式有七种，构成 耦合的七种类型，不同类型耦合强弱关系如图2 2 所示。 低一耦合性高 强+ 一模块独立性叶弱 图2 - 2 各种耦合类型之间关系 1 ) 非直接耦合是指两个模块中的每一个都能独立的工作而不依赖另一个模块的存在，它们之间 的联系完全是通过主模块的控制和调用实现。 6 第二章系统相关技术与理论 2 ) 数据耦合是指一个模块访问另模块时，彼此之间通过参数表米交换输入、输出信息，而且 交换的信息仅限于数据。 3 ) 标记耦合是指一组模块通过参数表传递记录信息。 4 ) 控制耦合是指一个模块通过传送开关、标志、名字等控制信息，明显地控制选择另一模块的 功能，如图2 3 所示。 图2 3 控制耦合 5 ) 外部耦合是指一组模块都访问同一全局简单变量而不是同一全局数据结构，而且不是通过参 数表传递该全局变量的信息。 6 ) 公共耦合是指多个模块都访问同一个公共数据环境，如图2 - 4 所示。 公共数据区公共数据区 a ) 松散公共耦合b ) 紧密公共耦合 图2 - 4 公共耦合 7 ) 内容耦合是指下列情形之一： 一个模块直接访问另一模块的内部数据； 一个模块不通过正常入口转到另一模块内部： 两个模块有一部分程序代码重叠； 一个模块有多个入口。如图2 5 所示。 电尹陆 a ) 进入另一模块内部 b ) 模块代码重叠c ) 多入口模块 图2 5 内容耦合 非直接耦合的耦合程度最低，它表明模块之间无任何连接。但是，一个软件系统不可能所有模 块之间没有任何联系。数据耦合是低耦合，软件系统必须存在这种耦合，因为只有当某些模块的输 出数据作为另一些模块的输入数据时，系统才能完成有价值的功能。标记耦合表明一组模块共享了 7 东南大学硕士学位论文 一个记录信息，这个记录是某一数据结构的子结构，而不是简单变量。控制耦合是中等程度的耦合， 它实质上是在单一接口上选择多功能模块中的某项功能；控制耦合增加了系统的复杂程度，通常在 适当模块分解之后，用数据耦合代替它。公共耦合的公共数据环境可以是全程变量、共享通信区、 内存的公共覆盖区、任何存储介质上的文件以及物理设备等；公共耦合的复杂程度随耦合的模块个 数而变化，当模块个数增加时复杂程度也增加。内容耦合的耦合度最高，许多高级程序设计语言已 经设计成不允许在程序中出现任何形式的内容耦合。 总之，耦合是影响软件复杂程度的一个重要冈素。在软件设计中应该采取下述设计原则：尽量 使用数据耦合，少用控制耦合，限制外部耦合和公共耦合的范围，完全不用内容耦合。 在软件设计中应该追求尽可能松散耦合的系统。在一个松散耦合的系统中研究、测试或维护任 何一个模块时，不需要对系统的其他模块有很多了解。此外，由于模块间联系简单，发生在一处的 错误传播到整个系统的可能性就很小。因此，模块间的耦合程度强烈影响系统的可理解性、可测试 性、可靠性和可维护性。 2 内聚 内聚是对一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度的度量，内聚好的模块只做一件事情。共有 七种类型的内聚，不同类型内聚的强弱关系见图2 - 6 。 高+ 一内聚性+ 低 f 功能内聚 顺序内聚l 通讯内聚 过程内聚时间内聚逻辑内聚 l 偶然内聚 功篚釜! _ 一謦块独立性_ 奇篚募散 图2 - 6 各种内聚之间关系 1 ) 功能内聚是指一个模块内所有处理元素属于一个整体，完成一个单一的功能。 2 ) 顺序内聚是指一个模块内的处理元素与同一个功能密切相关，且这些处理必须顺序执行。 3 ) 通信内聚是指一个模块内各功能部分都使用了相同的输入数据或产生了相同的输出数据，如 图2 7 所示。 r 。： 图2 7 通讯内聚 4 ) 过程内聚是指一个模块内的处理元素是相关的，而且必须以特定的秩序执行。 5 ) 时间内聚是指一个模块包含的任务必须在同一时间内执行。 6 ) 逻辑内聚是指一个模块完成逻辑上相同或相似的一组任务，如图2 8 所示。 8 新 文 件 第二章系统相关技术与理论 7 ) 偶然内聚是指一个模块完成一组任务，这组任务彼此间即使有关系，其关系也是很松散的， 如图2 - 9 所示。设计时应该力求做到高内聚，通常中等程度的内聚也是可以采用的，而且效果和高 内聚相差不多；但是，低内聚效果很坏，不要使用。 图2 8 逻辑内聚 被 调 用 模 块 图2 9 偶然内聚 内聚和耦合是密切相关的，模块内的高内聚往往意味着模块间的松耦合。内聚和耦合都是进行 模块化设计的有力工具，但是实践表明内聚更重要，应该把更多注意力集中到提高模块的内聚程度 上。事实上，没有必要精确确定内聚的级别。 重要的是设计时力争做到高内聚，并且能够辨认出低内聚的模块，有能力通过修改设计提高模 块的内聚程度降低模块间的耦合程度，从而获得较高的模块独立性。它是信息隐蔽概念的自然扩展。 五、模块设计原则 人们在开发计算机软件的长期实践中积累了丰富的经验，总结这些经验得出了一些启发式规则。 这些规则往往能帮助人们找到改进软件设计、提高软件质量的途径，从而实现有效的模块化。下面 介绍几条常用的启发规则。 1 提高模块独立性设计出软件初步结构之后，为了降低模块间的耦合度、提高模块内聚度，应 该进一步分解或合并模块。例如，多个模块共有的一个子功能就可以单独做成一个模块，由这些模 块调用。 2 模块规模应该适中通常一个模块以3 0 6 0 个语句行为宜。一个模块包含的语句行数过多， 模块的可理解程度将迅速下降。 3 深度、宽度、扇出和扇入都应适当 1 ) 深度是指软件结构中控制的层数。 2 ) 宽度是指软件结构中同一个层次上的模块总数的最大值。 3 ) 模块的扇山是指这个模块直接调用的下级模块数目。 4 ) 模块的扇入是指直接调用这个模块的上级模块数目。 深度往往能粗略估算一个软件系统的大小和复杂程度，层数过多则可能是模块过分简单了，需 要进行适当的合并。宽度越大系统越复杂，对宽度影响最大的因素是模块的扇出。扇入越大则共享 一个模块的上级模块的数目越多，它表明模块的复用程度高。扇出过大表明模块的复杂度高，如果 是缺乏中间层次，一般可以适当增加中间层次的控制模块来解决扇出过大的问题；扇出过小时可以 把下级模块进一步分解成若干个子功能模块或合并到它的上级模块中去，但是，不能违背模块的独 立性。图2 1 0 给出了应避免和应追求的两种典型软件结构。 9 东南大学硕士学位论文 a ) 应避免的结构 图2 1 0 应避免和应追求的结构 4 模块的作用域应该在控制域之内 模块的作用域是指受该模块内一个判定影响的所有模块的集合。模块的控制域是指模块本身以 及直接或间接从属于该模块的所有模块的集合。如果一个模块调用另一模块，则称前者为主控模块， 后者为从属模块。如图2 1 1 中模块m 是主控模块，模块a 、g 是从属模块，模块m 主控模块a 、 g 。模块b 从属模块a ，冈此也从属模块m 。模块a 的控制域是a 、b 、c 、d 、e 、f 等模块的集 合。在一个设计得很好的系统中，所有受判定影响的模块应该都从属于作出判定的那个模块，最好 是局限于做出判定的那个模块本身及它的直属下级模块。如图4 1 1 中模块a 作出的判定只影响模 块b 。如果模块a 作出的判定同时还影响模块g 中的处理过程，那么，这种结构的软件是难于理解 的。为了使模块a 中的判定能影响模块g 中的处理过程，通常需要在a 中给一个标记设置状态指 示判定的结果，并且把这个标记传递给a 和g 的公共上级模块m ，再由m 把它传给g 。由于这个 标记是控制信息而不是数据，因此模块间将出现控制耦合。使作用域是控制域的子集的方法是把判 断点上移或把那些在作用域内但不在控制域内的模块移到控制域内。例如，把判定从模块a 中移到 模块m 中或把模块g 移到模块a 的下面。 图2 1 1 模块的作用域和控制 5 尽可能降低模块接口的复杂程度模块接口复杂或不一致是高耦合或低内聚的征兆，也是软件 发生错误的主要原因之一，应该仔细分析模块的独立性和设计模块接口，使得信息传递简单并且与 模块的功能一致。例如，求一元二次方程的根的模块q u a d r o o t ( c t a l ，x ) ，其中用数组c t a l 传送方程的系数，用x 数组回送求得的根。这样的传输信息的方式不利于对这个模块的理解，下面 这种接口就可能简单些 q u a d r o o t ( a ，b ，c ，d ，r l ，r 2 ) ， 其中a 、b 、c 是方程的系数，r l 和r 2 是解方程求出的两个根。 6 设计单入口单出口的模块在软件设计中，不要使模块间出现内容耦合。当信息是从项部进入 1 0 第二章系统相关技术与理论 模块并且是从底部推出来的时，软件就比较容易理解，也比较容易维护。 7 模块功能应该可以预测。模块功能可以预测是指对相同的输入数据能产生相同的输出。此外 如果设计时对模块中局部数据的体积控制流程的选择及外部接口方式等诸多因素限制过多，则将来 可能会为去掉这些限制而增加维护开销。 2 3 数据库技术 具有集中统一规划的数据库是现代管理信息系统的重要特点，下面就数据库方面的知识作简单 介绍。 2 3 1 数据库基本概念 下面介绍一些数据库最常用的术语和基本概念【旧】。 数据 数据是数据库中存储的基本对象，数据的种类很多，可以是数字、文字、图形、图像、声音、 学生档案记录等。 数据库( d a t a b a s e ，d b ) 数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。数据库技术使数据能按一定格 式组织、描述和存储，具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，并可为一定范围内的多 个用户共享。 数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ：d b m s ) 数据库管理系统是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件。它可以科学、有效地组织和 存储数据，高效地获取和维护数据。 由于d b m s 实现的硬件资源、软件环境不同，所以d b m s 的功能和性能便有差异。但不管有 多少差异，它们通常都具有如下几个方面的基本功能： l 、数据库定义。d b m s 提供数据定义语言( d a t ad e f i n i t i o nl a n g u a g e ，d d l ) ，通过它可以方便地 对数据库的模式结构、数据库的完整性、数据库的安全性等进行定义。这些定义存储在数据字典中， 是d b m s 运行的基本依据。 2 、数据存取。d b m s 提供数据操纵语言( d a t am a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ，d m l ) ，用户可以使用d m l 操纵数据，实现对数据库的基本操作，如查询、插入、删除和修改。 3 、数据库运行管理。数据库在建立、运行和维护时由d b m s 统一管理、控制，以保证数据的 安全性、完整性、多用户对数据的并发使用和发生故障后的系统恢复。 4 、数据组织、存储和管理 d b m s 要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等。要确定以何 种文件结构和存取方式在存储介质上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的 基本目标是提高存储空间利用率和方便存取，提供多种存取方法，提高