制造业信息化建模方法

1、第二章 制造业信息化的建模方法2.1 节将首先讨论制造业信息化建模方法的需求体系结构，以及制造业信息化的L3型体系结构。22 -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.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

2、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.,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 .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 , 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,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

3、。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在这种情况下也需要一套描述系统和过程的建模方法。2。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,Open System Architecture for Computer Integrated CIM-

4、OSA ESPRIT 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 支持CIMS 的规划、设计和实施.CIM-OSA 的体系结构参见图 21.在 CIMOSA 中，立方体的三个轴分别表示三个不同的描述方面。 垂直方向（推导过程）:描述层。(）具体化过程，概念被逐步具体化。首先，定义基本需求（通用的需求根据专用的需求（部分通用的需求）专用的需求。（3）第三个方向是“生成过程;“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，Architecture of Integrated Information S

5、ystems）ARIS 是由德国Saarland 大学A.WScheer 1992 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ARIS Toolset ARIS 由五个视图、三个阶段构成（参见图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）: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）服务）(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.体现了功能模块之间的动态联系。图21 CI

6、MOSA 体系结构图22 ARIS房式模型。3 L3型体系结构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 ;帮助企业利用 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。,，故称之为L3 ,2-3 所示。图 23 L3 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：第一层（L1）是企业模型的视图层（图形化表示方法),间维主要采用过程和信息视图；(2）第二层(L2)是

7、企业模型的建模方法层，空间维主要提供行业参考模型库,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L124 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 24 L3 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

8、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 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 .图2-5 L3型结构的第二层次L2企业模型的建立方法层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 :. 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

9、实践检验和专家 如今较流行的企业参考体系结构（如CIMOSAARIS等）都很重视企业参考模型。图 2-6 ,应首先选择自己 直到找到参 ,对参考模型进行修改，得到企业的专用模型。图26 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.图 25 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.于活动的成本）分析等，帮助人们进行决策。,: (1）按照详细设计的企业模型，编制专业软件，进行系统实施；;.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

10、第三层次L3图 2-7 表示了L3 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2-7 L3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 :等.第五章将介绍与知识集成模型

11、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。时间维的建模过程企业模型与企业过程管理:产品数据管理系统中利用过程 ;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。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

12、过程，其构思如图 28 .图,化。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 ,系统。图28 系统建模、仿真和优化的集成技术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法祁国196（1)基于企业最高领导立场的设计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 .（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

13、后，根据企业发展战略目标，选择客户需求强表 21 业需求的相关表。2-115度弱,3,5CRM 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（,用于修正 CRM ). 系统时，突出重点、分阶段实施。客户需求采集客户需求分析客户资源管理客户服务信息客户基本信息表 客户需求采集客户需求分析客户资源管理客户服务信息客户基本信息管理管理及时了解客户需求54223提高企业服务水平44352帮助企业争取新客户34521帮助企业留住老客户33253帮助提高市场反应能力54322（合计得分)（3）层次考察法2017151611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

14、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.黑箱考察法黑箱考察法。动态设计法.,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

15、法1。 制造业信息化的社会-技术系统模型-: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 ,并且总是在不断发生变化。,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

16、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:值.:员工使员工之间的交流在心理上畅通无阻。.,勇于冒险，不怕失败，容忍失败。（2)制度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。密结合。造性.（3）组织管理并从中获得相应的报酬。:权力下放，以充分发挥员工的主动性和创造性。有效的组织激励：将工作成果与员工激励结合起来。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

17、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？企业文化是否有助于企业员工间的合作与交流？?企业当前的员工素质能否支持企业开展信息化？企业当前的管理模式是否有助于推进制造业信息化？?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：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,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。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

18、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 ,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.IDEFUML .1。 IDEF(集成定义方法,Integration Definition Method）IDEF 方法是美国空军在 ICAM （ 集成计算机辅助制造,Integrated Computer Aided Manufacturing）工程中以结构化分析方法为基础发展形成的一套

19、系统分析和设计方法， IDEF ICAM DEFinition method 的缩写根据用途，可以把IDEF 方法分成两类：第一类IDEF IDEF IDEF 、013IDEF 。IDEF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50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。

20、UML（Unified Modeling Language）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采纳并成为业界标准。利用UML 和其推荐的统一建模过程 Unified Process) 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 UML 并自动生成和维护C+VB、ORACLE 等语言和系统的代码。U

21、ML 的定义包括UML 语义和UML 表示法两个部分。（1)UML UML UML 的所有元素在语法和语义上,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：用例图（Use Case Diagram）；静态图（StaticDiagram)，包括类图、对象图和包图； Diagram），包括状态图和活动图；交互图（Interactive Diagram），包括顺序图和合作图；实现图（Implementation .2。3 制造业信息化中的常用模型制造业信息化模型的形式有

22、图形化、文档化和多媒体等多种形式,目前主要是前面两种形式，其中图形化描述最为常用。多媒体描述方法是未来的发展方向。/控制、信息（数据/.度描述了制造业信息化系统的不同特征。不同视图模型的关系如图210 所示。图 211 描述了过程/控制视图与其他模型视图的集成关系。图210 不同视图模型的关系（1）功能模型图2-11以过程模型为核心的模型间的集成关系.,.;在功能模型 的基础上，可以进一步进行组织、过程和信息模型的设计；根据功能模型进行企业重组。(2）组织模型;根据组织模型进行企业组织重组和优化。在本书中，组织模型主要是对系统的静态联系进行描述。（3）过程模型过程模型的主要作用是：描述系统的动

23、态性，描述系统内部事件之间的因果关系；描述过程中,.(4）信息模型信息模型的主要作用是:从软件设计的角度描述系统的信息流,支持数据库和软件模块的设计;根据信息模型设计信息系统;由信息模型转化为信息系统。（5）知识模型知识模型的主要作用是:从知识重用的角度描述企业中知识的分布、程度以及知识流等情况；根据知识模型设计知识库及知识管理系统；基于知识模型进行知识重用。2。3.1 功能模型建立功能模型的目的是为了清晰地反映企业中各项业务之间的逻辑关系 .典型的功能建模方法UML (Data Flow 后面两种方法可参考有关文献。上述功能模型的主要差别在于它们或多或少地描述了功能之间,人们喜欢用形象、简洁

24、的方式描述较多的信息。1。 功能树图H 图,（24 )。对功能树有如下要求:功能树的所有节点全部用动词性质的短语表示，在整个模型体系中名称要简练、唯一；功能树中，同层功能之间是并列关系，上层功能对下层功能是包容关系；(3）功能树图中的节点是可以不断展开的。功能轮图功能轮图实际上是以极坐标形式描述的功能树图，在结构上比较紧凑.例如,美国制造工程师协会(SME）提出的CIMS 总体结构，就是采用功能轮图描述的（见图615 和图 616）.图IDEF图0功能树图描述了系统的功能，并没有表示出各功能之间的信息联系，目前国内外常采用 IDEF0图，以克服功能树图所描述的信息量太少的问题。IDEF0 方法

25、是一套结构化的图形建模方法.用 IDEF0 方法建立的模型是一套严格编码的模型集, 每一个模型表示一个较大功能块所分解的若干个子功能及其相互联系。每个子功能又可以进一步分解为下一级子功能,这样形成了一组按递阶层次分解的图形。IDEF0 的基本图形是带有多种箭头的长方形盒子，它可以代表任何一种功能活动,如图 212。图2-12 IDEF0功能块的表示这些用名词表示的事务（如人、财、物、制度等，也可以是抽象的数据或信息等箭头表示盒子所将“输入”变换为“输出”的过程。为了清晰地描述功能的内部情况，对复杂的功能需要进行进一步分解。功能的分解是通过盒子 机制和输出也相应的展开。功能树图与IDEF0 图之

26、间的比较：,;(2）功能树图是面向纯功能的；IDEF0 图是面向过程的功能模型，可以描述简单的过程,另外，IDEF0 图还反映了企业中的部分组织、资源、数据等信息。2 组织模型.这就 .图 2-13 和图 214 采用ARIS-Toolset 的组织模型及工具描述。图213 组织模型中的组织单元和职位图214组织模型中的职员示例和项目组示例组织结构图中的基本元素有：组织单元、职位、职员和项目组。1（a.公关部管形象。这样便于与外界交往。（2)职位。职位是公司中最小的组织元素，对其工作职责和管理权限是有具体描述的。如图 213（b）,销售经理和销售助理是职位，连接类型表示了它们与销售部门的关系。

27、职员.2-14（a）所示，高某某、李某某均是职员。(4)项目组.项目组是一群为某一特定任务而组织起来的职员集合，具有一定的时效性。如图2-14(b）中的SAP 项目工作组。过程模型过程是人们为实现某一既定目标所执行的一系列步骤。国际标准ISO 9000 将“过程”定义为“一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动”，而“程序”则是“为进行某项活动所规定的途径。从而将“过程”与“程序加以区别。ISO 对“”体。的过程是不存在的。,.视为产品。将输入转化为输出的过程，也是对输入资源的消耗过程或转换过程,转换的目的是要使之动。过程模型的建立是为了清晰地反映企业中各项业务之间的逻辑关系。过程建模是

28、最为复杂的， 典型的过程建模图形化方法有扩展的事件驱动过程链图(eEPC、过程图、Petri 网等.本节仅介绍 eEPC。（eEPC,extended Event-driven Process :Scheer1998(1）事件eEPC ,(如订单到达或是一个功能操作的结果（如订单被修改eEPC模型中，事件是以一个六边形来表示的，如图215所示。图215eEPC模型中的基本元素定义功能eEPC 模型中事件所驱动的是功能，所谓功能是指一项具体的业务(如产品销售）或一个具体的执行动作（如客户订单查询).功能中必须包含一个信息对象，并且同时包含一个对该对象的操作.在eEPC 模型中，功能是以一个带圆角

29、的矩形来表示的,如图 2-15 所示。先后逻辑关系来表示，从而构成了一个基本的链图模型。与或逻辑关系模型提供了三种逻辑符号，来描述过程中的这种逻辑关系，它们是“与ANO（XOR)在 eEPC 中,;同时功能是由相应的组织 216所示的eEPC模型中得到体现。信息模型在企业信息化中常用的信息建模方法有实体关系模型、IDEF1X 等，其中 描述的是,IDEF1XIDEFIDEF1ER模型基础上，增加了一些严格的建模规则，改善了图形表述能力，丰富了语义。E-R 模型中的一些基本概念如下：实体、关系、数量关系在 模型中，有相同特征的信息对象被集合成为一个类，称为实体（)用菱形表示如图2-17 .图2-

30、16 eEPC模型示例图217E-R模型中的实体、关系、数量关系概念在R 模型中实体是信息的载体，每个实体都包含一定的属性（用椭圆表示，它反映了实体.而实体的属性中存在唯一标识该实体的属性或属性组称为实体主键，如图217将以上模型元素正确地组织起来就构成了完整的E-R2-18。图218ER模型示例在实际工程中,除了用ER 模型外，常用信息字典对信息模型作进一步的说明，以准确地指导企业信息化实施阶段中的数据库建立。2。3。5 知识模型1。 企业知识模型的特点企业知识模型具有以下特点：（1）可识别性.利用知识模型识别出各种不同的知识。,.(3）断变化适应知识的动态更新。（4）易使用性。易于使知识所有者对知识进行建模.准确的，由他们对其获取或拥有的知识进行建模是最合适的。（5)时变性。知识模型与应用环境等密切