CAPP系统的IDEFX集成化建模.pdf

第 37卷 第6期 2004年6月 天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University Vol 37 No 6 Jun 2004 CAPP系统的IDEFX集成化建模 杨天剑1 汪 波1 郭 伟2 赵艳彬3 1 天津大学管理学院 天津300072 2 天津大学机械工程学院 天津300072 3 天津师范大学经济管理学院 天津300074 摘 要 根据集成化的建模思想 利用CIMS2OSA开放系统体系结构构架 并且结合使用IDEFX建模方法 对制造 型企业CAPP computer aided process planning 系统的设计做了深入分析 详细描述了CAPP系统各方面的信息特征 讨论了CAPP系统模型的共性提取问题 得到了一些可以快速建模的通用性模型 本模型的建模方法结合了UML unified markup language 具有强大的实体描述能力 具有广泛的适用性和构件的重用性 关键词 计算机辅助工艺设计 参考体系结构 IDEF 建模方法 中图分类号 N94 TH16 文献标志码 A 文章编号 049322137 2004 0620553206 Integrated Modeloing Method of CAPP System with IDEFXand UML Y ANG Tian2jian1 WANGBo1 G UO Wei2 ZHAO Yan2bin3 1 School of Management Tianjin University Tianjin 300072 China 2 School of Mechanical Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China 3 School of Management Tianjin Normal University Tianjin 300074 China Abstract By combining model CIMS2OSA IDEF method an integrated method which can be used to analyze com2 plex systems like CAPP systems is put forward in this paper Using the method CAPP system is discussed thorough2 ly and some general models that can be reused to set up complex modelsfor different CAPP systems in order to finish a complicated CAPP model quickly are obtained As some UML unified markup language models are employed the method can save significant time in deploying a new CAPP system and can be used in almost all manufacturingfacto2 ries Keywords CAPP CIMS2OSA IDEF UML 制造企业是一个非常复杂的社会 经济和物理系 统 在企业围绕产品开发进行的工作中 涉及到了复杂 的信息活动 所以 有必要发展集成的企业建模方法与 工具 以支持建立企业信息系统的描述 CAPP系统是 连接PDM和ERP的桥梁 由于企业的产品工艺过程和 设备种类复杂 所以对CAPP系统进行分析是复杂系 统分析的典型例子 本文描述了将CIMS2OSA模型和IDEF建模方法 相结合的集成化建模的运用方法 分析了企业中的工 艺设计活动过程 建立了企业CAPP信息系统模型 全 方位地反映了CAPP系统各个方面的信息 构造了企 业信息系统集成模型 并进一步讨论了CAPP系统的 个性与共性 1 CAPP系统及CIMS系统的体系结构 根据 863 CIMS专家组的最新定义 1 CIMS con2 temporary integrated manufacturing system 计算机集成制 造是一种新的思想方法 而不是现成的软件产品 因 此 每个企业必须通过对自己企业的分析 根据自己的 实际情况 设计 开发相应的CIMS系统 CAPP系统是对计算机辅助工艺设计进行研究的 CIMS环节 CAPP系统反映的是产品的工艺设计过程 前端是设计过程 后端是制造过程 为了科学地对工艺 设计过程进行分析 加快建模速度 就应该尽量利用已 有的CIMS建模方法和体系结构 充分利用现有的结 果和设计经验 利用标准模块进行组合 所以笔者对 收稿日期 2003201220 修回日期 2003206225 作者简介 杨天剑 1976 男 博士研究生 CAPP系统建模的技术路线就是采用CIMS2OSA IDEFX 与面向对象的UML相结合的集成化建模思想 形成与 工艺设计过程相对应的模型 最后再形成实际的物理 模型 如图1所示 近年来 CAPP系统出现了一些新发 展 由于供应链和企业动态联盟的出现 它已经由单个 企业的内部发展到企业间的协同制造模式 CAPP系统 设计的建模方法需要有相应的强化 才可以分析日益 复杂化的CAPP系统 因此 本文转向集成化的建模方 法 对CAPP进行分析 简单地讲 CIMS系统的结构体系就是一组代表整 个CIMS系统各个方面的多视图 多层次的模型集合 是用于企业信息集成的决策支持工具和方法的集合 它描述企业内部与产品开发过程相关的信息活动和信 息流 以及参与信息活动的各种组织 资源和设备的相 互关系 为提高企业环境中信息系统的运行效率提供 帮助 目前 企业集成建模的理论和实践研究已取得了 很大的进展 比较成熟的有欧共体ESPRIT的CIMS开 放系统体系结构CIMS2OSA CIMS2open system architec2 ture 它具有全面性 完整性 开放性 标准化和形式化 等优点 已成为欧洲MS体系结构的标准 此外 还提 出了以IDEF方法 GRAI GIM方法 ARIS方法和PERA 方法等为代表的企业集成建模方法 由于CIMS2OSA 并没有提出实际可行的建模方法 但是提供了强大的 建模结构 所以本文将IDEF UML方法与之结合 提出 集成化的建模体系结构 本集成化的建模体系结构可 以适用于任何复杂系统的分析与设计 图1 CAPP建模过程 Fig 1 CAPP modeling process 2 CIMS2OSA体系结构和IDEF建模方法 为了克服建模体系的不足 全面地提供对企业建 模的支持 在对CIMS2OSA进行深入研究和引入了 IDEF0 IDEF1X和IDEF3方法后 笔者把两种建模方法 相结合使用 产生了能反映系统各方面信息的比较完 整的集成化建模体系结构 本建模体系结构保留了 CIMS2OSA的生命周期维 多模型维 通用性层次维组 成的三维立方体结构 着重讨论了多模型维各视图与 IDEF方法相结合的方法 本文所论及的集成化企业建模方法 是采用以时 序综合视图模型为核心 其它视图模型为辅助视图 反 映了各方面信息的集成化建模方法 集成化建模方法 有两个主要研究内容 即各个视图模型的建立过程和 生命周期各阶段中视图模型之间的集成问题 不同视 图模型的创建采用逐步建立与完善的方式进行 在它 们之间存在着互相关联和互相引用的关系 2 1 组织模型和资源模型 根据企业的情况 首先建立组织模型和资源模型 组织视图是人员的组织结构图 是一种树型结构 资源 视图类似于资源的列表 也可以根据不同的组织单元 例如工序工步或者设备本身的型号 分类 资源模型 也可以使用类似ERP中的BOR bill of resource 资源需 求规划的方法 来显示制造一单位产品族所需的关键 资源 例如设备和人力 如表1所示 5 本表表示把资 源按照工序工步进行组织 表中的Reference字段引用 了资源总表中的资源纪录 表1 产品X的ERP管理用资源表实例 Tab 1 Sample of the ERP resource table in ERP 产品工艺过程资源多方案 ParentsComponentsReferenceNumber per unitAlternative X102 3N X202 6N X302 1N 10111N 1011A1Y 1012N 1013N 20215N 2021A5Y 30317N 3031A7Y 3032N 2 2 功能模型 在参考组织结构的基础上 用IDEF0方法或DFD 工具建立功能结构模型 对最底层的功能单元增加定 义标志 由于在过程模型没有完成定义前 企业的活 动 数据 控制流信息还没有建立 因此 所建立的组织 模型中的角色还不能进行定义 同样 由于功能结构模 型也主要反映企业的功能分解结构 所以也不能建立 455 天 津 大 学 学 报 第37卷 第6期 连接不同功能之间的控制流和信息流的关系 在上述 3个视图模型建成后 开始建立过程模型 这里所说的 功能模型是指IDEF0中类似的功能模型 2 3 综合模型 综合视图是对组织 资源 信息 功能4个视图内 容的综合 加上对工作时序先后关系的描述 从而建立 贴近企业实际运行方式的模型 综合视图可以有两种 形式 以过程为核心的模型 叫做过程模型 以对象为 核心的模型 叫面向对象的模型 过程建模是一个领域专家对其熟悉的过程或系统 的运行知识确切地清楚描述 它可以是以过程为中心 的视图 着眼于过程的出现及其次序 有时 为了便于 组织场景的描述 还采用以对象为中心的视图 它更集 中注意于参与活动的对象 过程建模是结构化建模的 主要技术 通过过程模型的建立 明确回答系统要 怎 么做 过程模型与功能模型存在着很多区别 功能模型是与时序无关的模型 它表达了系统的 功能单元和它们之间的关系 它主要有3个优点 首 先 它不考虑系统具体的实施方式 可以最大程度地发 挥系统分析员的创造性 其次 通过将系统做什么和如 何做分离开来 减少了遗漏用户功能需求的风险 第 三 可以使系统开发人员以非技术语言或尽可能少的 技术语言与最终用户进行交流 所以 功能分析模型对 形成产品的需求规格说明书具有很大的指导意义 过 程模型与功能模型的侧重点不同 它要完成两项工作 对功能模型 组织模型 资源模型的综合 对企业系统 的活动 活动的顺序进行明确的分析 功能模型与过程 模型在视图的集成中存在着相互映射关系 从正向转化上来说 可以在活动的属性定义中有 3个为实现集成而定义的数据项 分别是与组织视图 关联的角色 与资源视图关联的所需资源以及与功能 视图员底层功能单元关联的活动配置项 每个活动中 定义的角色 通过浏览的方式定义它所处的组织单元 并在活动的属性中记录相应组织单元的ID 同样 可 以完成过程视图中活动所需要的资源与资源视图中资 源单元的连接 并在活动的属性中记录相应资源单元 通过将功能结构模型中的每个活动分配到过程模型的 底层功能单元中 实现功能单元到过程模型的配置 并 在活动属性中记录相应功能单元的ID 相对而言 组 织模型 资源模型到过程模型的映射需要比较全面地 了解各个视图的内容 即在组织模型中 把过程模型中 定义的角色增加到相应的组织单元中 在相应的资源 单元中标明需要使用该资源的活动名称和类型等基本 信息 从而为设计阶段的建模提供进一步的信息 在反向转化上 过程模型到功能模型的映射 是将 过程视图中所有活动之间的行为单元和相应的人员 资源 包括活动中定义的组织信息和资源信息 与功 能模型中功能单元大体对应的过程 这一过程实际上 是正向过程的校验 需要认真检查 以避免出现建模错 误及在软件编制时造成返工的巨大损失 过程模型的建模方法通常有两种 面向对象的建 模和面向过程的建模 面向过程的建模建议采用 IDEF3方法 它通过PFN process flow network 过程流网 络和OSTN obiect state transition network diagram 对象状 态转移网 对过程前后的顺序关系和对象状态的变迁 进行准确描述 把各个视图中的内容联系起来 最终起 到所有视图的灵魂作用 面向对象建模采用UML uni2 fied markup language 方法 类图 class diagram 和顺序图 sequence diagram 反映了信息和功能等多方面的综合 信息 因为面向过程的建模比较复杂 所以本文实例采 用后者进行建模 这种模型更加贴近人们的思维方式 而且易于扩充和建立庞大的程序 2 4 信息模型 信息模型又称数据库建模 是对数据库的结构和 语义的一种描述 数据模型可以分为两个层次 一个是 概念数据模型 另一个是结构数据模型 概念数据模型 描述了数据的属性和语义 而不强调数据在计算机中 是如何表示的 常用IDEFlX或E2R实体关系模型表 示 结构数据模型则直接描述了数据的逻辑结构 例如 层次模型 关系模型 面向对象的模型等 2 5 对各种类型制造企业的适用性 本模型能否适用于所有制造类型企业的分析 取 决于具体建模方法局限性的大小 笔者在建模过程中 采用了IDEF和UML相结合的建模方法 在功能分析 和信息模型建立方面 IDEF早已被ClMS工程界的实 践证明是行之有效的通用方法 加上UML更是面向对 象建模方法三大流派合并统一而成的最新标准方法 因而被广泛应用于各种软件的开发过程 它们的联合 运用 保证了笔者建模过程的有效性和先进性 3 CAPP系统信息的通用性评价 根据CIMS2OSA的指导思想 进行高效快速企业 建模的一个重要而有效的方法 是构建不同建模阶段 不同建模视图的基本构件 建立基本构件模型库 并以 不同行业为背景建立企业参考模型 从而形成特定的 企业模型 CAPP系统的共性 就是在对工艺编制过程 进行建模之后 对不同企业 制造环境 的CAPP模型 555 2004年6月 杨天剑等 CAPP系统的IDEFX集成化建模 寻找共性的结果 所以 以集成化企业建模方法为手 段 以软件工程的模块化思想为指导 在分析CAPP系 统的共性下 就可以进一步研究CAPP的工具系统 一般采用矩阵统计方法对功能模型进行共性分 析 例如以ERP接口的功能模型分析为例 由于企业 制造环境的多样性 对于信息模型的共性分析 往往需 要通过信息的标准化工作和不断丰富的信息模型来完 成 形式如图5所示 而对于综合模型的共性分析 需 要流程重组规范化的支持 对于不同行业形成不同的 流程样板 这些样板或者是典型示范企业的 或者是某 个行业的通行业务流程 对功能模型的共性分析见表 2 建模的过程如图2所示 本过程是根据集成化建 模的企业分析工具 循环地对企业工艺过程进行设计 对某个行业各个企业的模型进行综合 从而提取各个 行业的通用模型构件形成模型库和程序构件库 当进 行CAPP开发时 可以用构件组合 从而将实例简化为 相应的系统 最终解决CAPP软件的通用性问题 表2 制造业CAPP功能单元的共性分析 Tab 2 Common function analysis of CAPP in machining industry 功能单元树型结构企业A企业B共性 ERP 接口 生成制造 BOM 部件检索 规划子物料 信息 输出 输出EBOM信息 输出工艺信息 信息 读回 物料字典信息 成本信息 图2 CAPP系统共性提取以及类库空间 Fig 2 CAPP common function refining and class library 4 基于集成建模的CAPP工具系统实例 基于以上的讨论 笔者遵循Boehm提出的螺旋型 建模过程 周而复始地对资源 组织 功能 信息 综合 5个视图进行渐进设计 在天津市多个CIMS示范工程 中分析并且完成了对CAPP系统的建模 并结合面向 对象方法构建了完整的软件 如图3所示 下面以CAPP系统的ERP接口模块的分析为例进 行简单分析 设计步骤如下 步骤1 风险分析 即对接口的功能进行主次归 类 先对生成制造BOM 规划BOM子物料和生成接口 文件等主要功能进行建模 以降低软件设计风险 步骤2 功能模型分析 鉴于CIMS2OSA没有图形 化方法 采用自顶向下的图形化分析方法IDEF0 从功 能的角度上描述了CAPP系统与ERP系统进行电子数 据交换 EDl 的过程 如图4所示 步骤3 建立工艺过程信息模型 如图5所示 图3 TDSY2CAPP系统机加工编制模块 Fig 3 TDSY2CAPP system 655 天 津 大 学 学 报 第37卷 第6期 图4 CAPP系统ERP接口子系统功能模型 Fig 4 Function model of the interface between CAPP and ERP 图5 使用IDEF1X分析的CAPP生产系统 Fig 5 IDEF1X model of CAPP system 755 2004年6月 杨天剑等 CAPP系统的IDEFX集成化建模 步骤4 利用名词辨识法 noun identification 辨别 构成系统的类 完成CRC Cards class responsibilities col2 laborations 并且完成类模块视图分析 步骤5 建立工艺过程的时序模型 虽然IDEF0 模型的输入输出确定了每个活动所产生的信息 但并 未定义活动的先后顺序 从而利用UML面向对象统一 建模语言画出系统的顺序图 sequence diagram 完成 系统类的消息调用分析 见图6 图中的4个方框分别 是CAPP操作员对象类 BOM树操作对象类 BOM树 对象类和文件打印对象类 步骤6 进行系统评价 检查是否还有次要功能 没有进行建模 如果有则转步骤2 如果无 验证已有 模型 并转步骤7 步骤7 使用任何一种面向对象的编程语言编写 代码 并且进行测试 步骤8 转步骤1 对另外同一行业的3 4家新 企业采样 进行建模 步骤9 进行模块的共性个性评价 详见表2 本 实例对共性单元利用VB Net组建命名空间 name space 进行DLL类库的开发 逻辑模型见图2 步骤10 完成CAPP工具系统构件库的开发 此 后 对任何CAPP系统的开发可以采用搭积木的方式 进行CAPP灵活配置与快速开发 原型系统见图3 图6 接口系统顺序图 Fig 6 Sequence diagram of the interface subsystem 5 结 语 本文对按照CIMS2OSA的建模构架 结合IDEF和 UML面向对象的建模方法对CAPP的设计进行了分 析 提出CAPP工具系统的方法 多项CAPP工程的实 际应用证明 此建模方法对于分析企业模型十分有效 全面反映了企业的关键问题 指导了CAPP工具系统 的组建工作 在实践中取得了良好效果 参考文献 1 Stevens Pooley Using UML Software Engineering with Ob jects and Components Updated Edition M Addison2Wesley An Im2 print of Pearson Education 2000 2 Freeze W S Visual Basic Developer s Guild to COM and COM M SY BEX Inc 2000 3 Wu Ruirong Zhang Yuyun CAPPframework and its methodolo2