1、现代制造系统,第4章 制造系统的建模与分析（5） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第4章 制造系统的建模与分析 4.1 制造数据模型 4.2 制造过程模型 4.3 制造企业模型 4.3.1 企业建模体系结构 4.3.2 企业建模方法 4.3.3 企业建模工具,4.3.1 企业建模体系结构,为了清楚地描述企业的组织、过程和信息等情况，使具有不同背景的人能相互沟通，需要一套全方位、多层次考察和分析问题的方法和模型，这就是企业建模体系结构。 目前的企业模型仅能描述企业运营的主要信息，还不能对企业状况进行详细地模拟，主要用于支持企业管理信息系统的开发。,目前存在多种企业建模体系，并且每种体系的内
2、容又十分庞杂。本节按照以下顺序对该研究领域进行简介： 首先，介绍19种主流的企业建模体系结构； 其次，介绍7种常见的企业建模方法； 最后，对企业建模中主要的4种视图分别介绍3-4种常用的建模工具。,主要的企业建模体系结构,面向系统局部的体系结构： （1）美国制造工程师协会（Society of Manufacturing Engineers，SME）于上世纪80年代提出的计算集成制造（CIMS）轮式结构，并于1993年提出了新版本； （2）美国国家标准局（National Bureau of Standards，NBS），现更名为美国国家标准与技术研究院（National Institute
3、of Standards and Technology, NIST），于1980年提出的递阶控制模型； （3）起源于对象管理组织（Object Management Group，OMG）的多层多级控制结构； 以上方法提出的时间较早，体系相对片面，已不是当前最主流的方法。,主流的企业建模体系结构 之面向系统全局的体系结构： （4）欧共体ESPRIT计划中的CIM-OSA（计算机集成制造开放系统体系结构，open system architecture for computer integrated manufacturing）； （5）PERA（普杜大学企业参考体系结构，Purdue enter
4、prise reference architecture）； （6）IDEF（美国空军提出的集成定义方法，integration definition method）； （7）德国萨尔（Saarland）大学的谢尔（A. W. Scheer）教授提出的ARIS（集成信息系统体系结构，architecture of integrated information systems）； （8）美国系统工程专家霍尔（A. D. Hall）提出的“三维结构方法”；,主流的企业建模体系结构 之面向系统全局的体系结构： （9）IBM员工John A. Zachman提出的企业架构框架（Framework fo
5、r Enterprise Architecture），也有文献直接称为Zachman框架； （10）对象管理组织（OMG）参考Zachman框架提出的开放组体系结构框架（The Open Group Architecture Framework，TOGAF）。 以上7种体系为当前研究的热点，其中的TOGAF更是成为企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）开发领域的主流标准，但目前尚没有完备的体系结构。,除上述体系外，还存在数十种企业建模体系，以及基于这些体系的建模方法论，比较有名的有 （11）美国软件开发商提出的SADT（Structured Analy
6、sis & Design Technique），上世纪80年代并入IDEF体系； （12）法国波尔多（Bordeaux）第一大学GRAI实验室提出的GRAI-GIM，之后其实验室又参与了欧共体ESPRIT计划中的一个子项目IMPACS，提出新的多层多层次体系结构，有的文献将上述两者合并成为GIM/ IMPACS； （13）国际信息处理联合会（IFIP）8.1工作组开发的ISM（信息系统方法论，information system methodology）； （14）国际自动控制联合/国际信息处理联合会（IFAC/IFIP）等组织联合提出的GERAM，综合了CIM-OSA、PERA等先前提出的体
7、系结构；,此外，还有一些依据实际案例产生的企业建模体系结构，比较出名的有 （15）IBM-CIM体系结构（欧洲共同体CIM-OSA的一种实现方案）； （16）IBM银行业解决中心（IBMs banking solution center）开发的IFW（信息框架，information framework）； （17）BaaN提出的利用关键组件Orgware来实现动态企业建模（Dynamic Enterprise Modeling，DEM）策略。 （18）加拿大interfacing公司提出的FirstSTEP方法； （19）美国DENEB公司提出的KEY方法。,（1）美国制造工程师协会（SME
8、）的轮式结构：,上世纪80年代提出的版本主要表现了设计和制造功能，体现以技术为中心的思想，没有考虑到实施自动化之前的简化和企业用户、供应商间的交互作用的重要性。,美国制造工程师协会（SME）的轮式结构：,1993年推出的新版本，以用户为核心，体现了CIMS设计与实践过程中，从技术中心思想过渡到以人为中心的思想，充分表明了CIMS的中心任务是赢得用户、赢得竞争，比以用户为中心，CIMS成功的关键是满足其需求。,（2）美国国家标准局（NBS）提出的递阶控制模型：,规划：企业将生产什么，需要什么资源，如何将产品推销到市场中去，并确定企业长期目标和近期任务。 监督管理：对生产活动进行监督，按照生产计划
9、对实际的生产活动进行评价，并对实际的生产活动发出控制命令。,美国国家标准局（NBS）提出的递阶控制模型： 递阶控制结构的特点是 把复杂系统“纵向”分解为分层控制，减少了全局控制和开发的难度。 每层将上一层的命令分解成在该层执行的指令或分解成子命令发往下面的层。 分层控制结构限定了每层各要素的职责和权限。 复杂的计划是在较高级做出的，命令是逐级从上往下发，速度慢，且最新的信息发生在最底层，从最底层向高层逐渐反馈速度也慢。,美国国家标准局（NBS）提出的递阶控制模型： 递阶控制结构的特点是 在许多分层递阶控制结构中，数据流与控制流是等同的，即执行命令所需数据与命令一道传递，数据只能在上级和下级间交
10、换。 递阶控制结构存在的主要问题 某一层发生故障将引起整个下属系统停机。 这种结构在工厂内导致了单块的、难以分布处理的规划系统，导致出现车间和设备两级处理能力差的问题，它们没有适当的信息或功能对其工作范围内的变化做出响应。,（3）多层多级控制结构：,多层多级控制结构中的每一级都有三个层次： 适应层是多层控制模块中的最高层，它从其上级的调节层接受有时间限制的任务单和其他有关工作，其功能是： 在有限时间内完成新任务的生产计划； 考虑下级未预测到的问题，更新现有计划。 优化层用来完成三项功能： 评价适应层提出的计划； 为下级生成一个符合时间限制的任务单； 解决由调节层所确定的当前调度中的各种矛盾和问
11、题。,多层多级控制结构中的每一级都有三个层次： 调节层是相邻两级间模块的接口，其功能是： 向下级释放任务； 监视下级有关工作的反馈情况； 指导下级修正错误。 多层多级控制结构的特点： 既进行决策又实施控制。 使控制、数据管理和通信管理分离。 为其上级和下级间提供了结构化的协商办法。 每个模块按许多工作同时进行的原则工作。,（4）CIM-OSA体系结构： CIMSOSA是由欧洲CIM体系结构委员会AMICE研究组在ESPRIT项目中开发的，该项目开始于1984年。 CIMSOSA为制造企业提供了一种参考体系结构（包括通用层和部分通用层），根据这些参考体系结构可以推导出满足特定企业需求的专门CIM
12、S结构（即专用层）。 CIMOSA定义了通用层、部分通用层和专用层三个结构通用性层次，每一层包含了三个建模阶段和四个视图。,需求定义层 设计说明层 实施描述层,通用需求部分通用需求专用需求,CIM-OSA体系结构,CIM-OSA体系结构三个层次的逐步抽取： 通用层是CIMOSA基本结构构成成份（通用结构模块）的一种参考目录，包括元件、约束、规则、术语、服务和协议等，该层所描述的结构成份广泛应用于CIMS中。 部分通用层包含一组适用于多类特殊制造企业的部分通用模型。部分通用模型包括按照工业类型、企业规模、国别等不同分类的各类典型结构。 专用层仅适用于一个特定企业，一个企业CIMS只能通过一种专用
13、结构来描述，该结构包含了企业所必需的所有知识，可以直接用来描述企业物理元件和信息技术的集成元件。 逐步抽取过程是只企业建模过程中逐步明确建模对象的特点，从通用层到专用层的过程逐步细化建模所依据的模板的过程。,CIM-OSA体系结构三个阶段的逐步推导： 需求定义建模层是描述一个企业做什么和怎样做的建模层次，这是用户企业需求的定义阶段，是及其重要的一个阶段，用来为设计说明层和实施描述层的系统设计和实施提供选择方案。 设计说明建模层用来构造和优化由用户根据全局经营和系统约束来定义的经营需求，属于系统组织和设计的范畴。 实施描述建模层阐明了有效地实现企业运行的一套必须的组成元件，属于决策和系统实施的范
14、畴。 逐步推导过程是从企业需求到企业实施的逐步进行过程。推导过程用设计说明层的视图来重构用户的各种需求视图，进而得到与实施系统更加相关的说明视图。,CIM-OSA体系结构的四种视图： 功能视图描述了满足企业目标的功能结构和相关的控制结构。控制结构定义了控制顺序的规则或企业内部的活动流以及基本经营过程的规则。 信息视图描述了每个功能所需的信息。 资源视图描述了资源、资源与功能和控制结构的关系以及资源和组织的关系。 组织视图描述了企业的组织结构，即功能和控制结构的职责，信息与资源的职责。 每类视图都有若干种工具进行描述，本节将在后面进行介绍。,CIMOSA体系结构的特点： 面向系统全生命周期。 规
15、划设计与当前运行分离。 标准化、规范化和开放性。 结构化的规划设计方法。 具有计算机可执行性。 其应用范围是进行生产监控和管理的工厂。 已被国际标准化组织ISO认定为预标准。,（5）PERA体系结构： 由美国工业界和普杜大学联合于1989年至1992年期间开发。其主要特点为 面向系统全生命周期。 采用非形式化描述，易被未受计算机科学教育的用户理解。 考虑了人的因素。 规划设计与当前运行分离。 具有结构化设计方法特点，有一定的规范性。 具有很强的可扩展性。,（6）IDEF体系结构： IDEF是于1981年由美国空军ICAM （integrated computer aided manufactu
16、ring）工程中提出的，用于描述企业内部运作的一套建模方法。 IDEF体系从IDEF0到IDEF14（包括IDEF1X在内）共有16套方法，每套方法都是通过建模程序来获取某个特定类型的信息。本课程将提及IDEF0（功能模型）、IDEF3（过程模型）和IDEF1X（信息模型）。 由于上述方法中的符号定义得规范并且齐全，其提供的方法为目前最常用的系统分析和描述方法。,（7）ARIS体系结构： 由德国萨尔（Saarland）大学的谢尔（A. W. Scheer）教授于1992年提出的一种基于过程的模型结构。 其目的是为了寻求一种能够用来缩小企业与信息技术之间差距的应用框架，提供一种能够对业务流程概念
17、进行准确描述和详细分析的方法。 这种方法为企业信息系统的发展提供了一个起点。目前已成为世界上极具影响力的企业建模框架之一。,ARIS主要是由五个视图构成， 称为ARIS房型架构，包括 组织视图（Organization View） 建立实体单元层次结构，将执行同一工作目标的单元和设备归成一组。 数据视图（Data View） 包括数据处理的环境和被消息触发的功能以及引起触发的功能。 功能视图（Function View）将输入转变到输出的流程。 输出视图（Output View）包括所有物理和非物理的输入和输出，也包括资金流。 控制视图（Control View） 记录上述四个视图间相互关系以
18、及整个业务流程。,ARIS的基本框架,（8）三维结构方法 霍尔三维结构又称霍尔的系统工程，是美国系统工程专家霍尔（A. D. Hall）于1969年提出的一种系统工程方法论。 霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的“规划、拟定方案、研制、生产、安装、运行、更新”七个阶段与“明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施”七个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能。 这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维空间结构。,硬系统方法,三维结构方法,（9）Zachman框架 1987年，还是IBM员工的John A. Zachman于发表了
19、“企业及信息系统架构的框架”（the Framework for Enterprise Architecture and Information Systems Architecture）。 1997年，已经从IBM退休专职进行企业框架研究的Zachman总结了十年间的研究和实践，提出了扩充的、更完整的框架，并改称为“企业架构框架”（Framework for Enterprise Architecture）。 Zachman框架模型分两个维度：横向维度采用6W（what、how、where、who、when、why）进行组织，纵向维度反映了IT架构层次，从上到下（Top-Down），分别为范
20、围模型、企业模型、系统模型、技术模型、详细模型、功能模型（不同文献对上述名词的翻译可能不同）。,Zachman框架：,（10）TOGAF体系结构框架 对象管理组织（OMG）参考Zachman的企业框架于1995年提出了开放组体系结构框架（The Open Group Architecture Framework，TOGAF）成为一种业界普遍认可的行业标准。 目前，业界一些主要企业资源计划（ERP）厂商，例如德国的SAP、美国的Oracle、IBM、HP、中国的金碟等都在推广TOGAF，其支持下的企业管理软件的市场占有率据说已超过了50%。,企业建模体系结构的特点,（1）普遍存在多个视图， 用以
21、从多个角度描述企业。 例如： CIM-OSA体系存在4个视图 ARIS体系存在5个视图； Zachman体系存在6个方面。 还有有更多种类的视图 被相继提出。,找出企业存在的问题,需求定义,系统设计,实施描述,信息技术,企业建模体系结构的特点： （2）支持信息系统开发的各个环节。,参考CIM-OSA体系中的三个阶段。,企业建模体系结构的特点： （3）支持企业模型到程序代码的转换。,参考CIM-OSA体系中的三个层次。,UML为面向对象开发系统的产品进行说明、可视化、和编制文档的一种标准语言，其定义包含了语义和图示。,企业建模相关工具： UML（unified modeling language
22、），即统一建模语言,是用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言。,概念辨析 企业建模体系结构与企业建模方法论： 简单来说，企业建模体系结构指用什么样的方法来描述企业，一般会提出体系框架图（例如CIM-OSA的立方体结构、ARIS的房式结构等）、若干视图以及相关的视图定义。 而企业建模方法论指用什么方法来获得上市描述，一般会提出若干步骤以及相应视图的描述工具。 一般完善的企业建模体系结构都会附带相应的方法论，故本节将它们一起介绍。 而后面介绍的方法是脱离具体企业建模体系结构的一般性系统建模方法。,第4章 制造系统的建模与分析 4.1 制造数据模型 4.2 制造过程模型 4.3 制造企业模型 4
23、.3.1 企业建模体系结构 4.3.2 企业建模方法 4.3.3 企业建模工具,4.3.2 企业建模方法,（1）层次考察法， （2）分系统考察法， （3）黑箱考察法， （4）组件集成技术， （5）中间件技术， （6）模型驱动开发， （7）动态企业建模。,装置,设备层,（,第1层,）,控制站层,（,第2层,）,单元层,（,第3层,）,工程层,（,第4层,）,工厂层,（,第5层,）,企业层,（,第6层,）,经营计划管理,财务管理,采购管理,销售管理,PPC,CAD,CAP,CAQ,发运,检验,装箱,装配管理,加工管理,加工,装配,装配设备控制,机器控制,制造控制,仓库管理,仓库,运输管理,调度,运
24、输设备控制,进货管理,CAM,设备控制,其它管理部门,（1）层次考察法示例ISO六层次企业模型。,（2）分系统考察法不同的视图。,企 业 层,工 厂 层,单 元 层,控制站层,工 程 层,装置设备层,功 能,信 息,过 程,物 流,组 织,资 源,层次考察法,分系统考察法,参考此图， 理解层次考察法与分系统考察法 的区别。,（3）黑箱考察法： 在进行制造系统总体设计和制造系统子系统详细设计时，为了简化问题，常常有意不考虑某些子系统的内部细节而只研究其输入输出关系。 此时所关心的是该子系统将会产生或应该产生怎样的结果而不是产生这些结果的原因或系统内部的机制。这种考察问题的方法在控制论中被称为黑箱
25、考察法。 很多模型都应用了黑箱考察法， 例如回归分析、人工神经网络等。,（4）组件集成技术, 提取已有企业模型中的公用部分形成组件，建立新的企业模型时拼接已有组件支持开发。,找不到合适的组件,战略,企业需求分析,参考模型设计,组件设计,软件设计,任务,企业需求分析,企业模型设计,组件选择,软件应用,软件调试,组件组装,慢过程,快过程,（5）中间件技术， 建立起通用建模语言与专用开发工具之间的桥梁。,转换,生成,企业信息系统,（6）模型驱动开发， 软件开发的一种样式，其中主要的软件工件是模型，可以从这些模型生成代码和其它工件。,（7）动态企业建模（Dynamic Enterprise Model
26、ing，DEM）， BaaN公司（世界十大ERP厂商之一）在实施ERP过程中提出的一种方法，主要体现了两个思想： 开发前，利用参考模型库提供实例和经验； 开发后，让信息系统适应企业的业务流程。,第4章 制造系统的建模与分析 4.1 制造数据模型 4.2 制造过程模型 4.3 制造企业模型 4.3.1 企业建模体系结构 4.3.2 企业建模方法 4.3.3 企业建模工具,4.3.3 企业建模工具,我们需要通过企业模型描述什么？ 目前，多达数十种企业建模体系结构累计提出了十余种企业建模视图，而目前最常用的仍是CIM-OSA提出的功能视图、组织视图和信息视图，资源视图被功能更为强大的过程视图由于其重
27、要性而被补充进主流视图的队伍。 与上述视图对应，目前常用的视图描述工具为 功能模型、组织模型、信息模型和过程模型。,概念辨析 企业建模领域的过程模型与前面介绍的制造过程模型的区别： 一是两者的建模范围不同，企业建模领域的过程模型除了对制造过程建模外，也对销售、采购、财务、人事等一切辅助制造工作建模，范围更广。 二是两者的建模用途不同，企业建模领域的过程模型通常仅能提供过程的描述，支持开发企业的管理信息系统，而前面介绍的制造过程模型能够进一步模拟制造过程，为新的设计方案提供评测。,（1）功能模型， （1.1）功能树图， （1.2）功能轮图， （1.3）价值链模型， （1.4）IDEF0。 （2）
28、组织模型， （2.1）组织结构图， （2.2）组织网络图， （2.3）组织运作图。,（3）信息模型， （3.1）实体关系模型， （3.2）IDEF1X模型， （3.3）数据流图， （3.4）技术术语图。 （4）过程模型， （4.1）IDEF3， （4.2）eEPC图， （4.3）流程图， （4.4）鱼形图。,如何描述？常用的视图建模工具如下：,（1.1）功能模型之功能树图。,功能模型经常采用结构图（又称树状图）描述。 图为某企业的人事劳资处的功能模型。,（1.2）功能模型之功能轮图。,（1.3）功能模型之价值链模型。,（1.4）功能模型之IDEF0 注意： 四个箭头， 四类信息， 位置固定。,
29、（2.1）组织模型之组织结构图。,人事劳资处,退休管理组,调配组,工资奖金,组,综合组,职评组,数据录入员,统计员,组长,组织模型采用组织结构图描述。 图中为某企业的人事劳资处的组织模型。,（2.2）组织模型之组织网络图。,三种关键的网络节点是：“枢纽”（如钱清）；“把脉者”（pulse taker）（如王五和孙二）；“看门人”（gate keeper）（如赵六）。,（2.3）组织模型之组织运作图。,A,AB,B,A,AB,B,实体A,（a）,联系AB,（b）,实体A,B构成联系AB,（c）,IS-A联系 实体B,C是,实体A的子集,（generalization） （e）,A,ABC,B,C
30、,N,M,实体A,B,C,构,成联系ABC,（d）,P,M,N,（3.1）信息模型之实体关系模型，也称为E-R图。,（3.2）信息模型之IDEF1X模型。,MS SQL数据库中的数据关系图借鉴了IDEF1X模型的形式。,（3.3）信息模型之数据流图， 软件结构化分析方法中最常用的系统分解工具之一。,图书馆借书数据流图,（3.4）信息模型之技术术语图 某汽车制造企业的技术术语图,（4.1）过程模型之IDEF3， IDEF3为IDEF体系中的过程描述获取（process description capture），即过程模型，其基本样式如下,（4.2）过程模型之eEPC图， e指电子化，EPC全称e
31、vent-driven process chain，可意译为电子事件驱动过程链。 eEPC是集成信息系统体系结构（architecture of integrated information system，ARIS）建模体系中的一部分，有专门的ARIS Toolset软件，并应用于SAP、IBM等公司开发的ERP中。,eEPC图的基本元素： 事件 功能 组织,数据 过程 逻辑关系,eEPC图示例： 货物接收处理流程。,（4.3）过程模型之流程图， 基本图形元素： 开始/结束 进程 判断 数据,（4.4）过程模型之鱼形图， 某产品的设计流程示例：,总结 制造企业模型,企业模型的主要目的在于支持管
32、理信息系统的开发，因此所包含的信息非常多，经常分为若干个视图从不同角度进行描述。 企业模型属于较新的研究领域，因此当前并存的方法和体系很多。 本节仅介绍了该领域比较出名的19种企业建模体系结构、7种建模方法以及4种视图的建模工具（各3或4种）。,总结 制造系统建模,4.1 制造数据模型 4.2 制造过程模型 4.2.1 过程模型概述 4.2.2 分析时间的过程模型 4.2.3 分析成本的过程模型 4.3.4 分析质量的过程模型 4.3 制造企业模型,4.2.2.1 马尔可夫链 4.2.2.2 排队网络 4.2.2.3 极大代数 4.2.2.4 活动网络图 4.2.2.5 Petri网 4.2.2.6 其它仿真模型,课程要求（4.3.1-3）,知道主要的企业建模体系（第4-7种）； 知道CIM-OSA中的3个层次、3个阶段和4种视图； 知道IDEF0、IDEF3和IDEF1X分别是哪种模型； 知道IDEF0方法中4种信息的输入位置。 简单了解主要的企业建模方法（7种）； 知道层次考查与分系统考查方法的区别。 知道用于支持管理信息系统开发的功能模型建模工具（4种）、组织模型建模工具（3种）、组织模型建模工具（4种）和信息模型建模工具（4种）。,
