面向下一代制造企业的信息系统

摘　要：分析了面向下一代制造企业的信息系统，为了适应动态变化和异质环境的要求，信息系统必须具有适应性和响应性。讨论了实现信息系统需要的支持技术，包括基本模型、标准、通信网络和集成框架。指出网络通信、产品建模和软件互操作方面的国际标准(Internet和www、STEP、CORBA)是建立系统的技术基础。
关键词：下一代制造企业；信息系统；Internet;STEP;CORBA
分类号：TP39　文献标识码：A
文章编号：1001-2265(2000)　02-0001-04

Information system for next generation manufacturing enterprise

Zhao Jizheng　Zhu Chuanmin　Zhang Shu

Abstract：Information system for next generation manufacturing enterprise (NGME IS) was analyzed.For adapting dynamic and heterogeneous environment,it must be adaptive and responsive.Supporting technology for implementing NGME IS was discussed,including basic model,standard,communication and network,and integration framework.The international standard for network,product model and software interoperation are the technology infrastrusture of NGME ISs implementation.
Key words：next generation manufacturing enterprise;information system;internet;STEP;CORBA

　　信息技术的快速发展既为制造企业提供大量有力的工具，又给企业提出了新的挑战。信息正在快速地成为保持持续竞争优势的源泉，要求企业的信息系统与商业伙伴、供应商和客户的系统集成在一起，形成分布的、扩展的企业，即下一代制造企业，并且这种信息系统必须有较长的生命期^［1］。
　　实践中，不同企业通常具有完全不同的软件和硬件环境，而且制造信息本质上具有的多样性和复杂性，造成信息交换、共享及应用系统互操作非常困难，成为资源和知识共享的障碍^［2～5］。进一步，企业面临的外部环境和内部业务又是动态变化的，要求信息系统必须能应付这种变化^［6］。

1　适应的和响应的信息系统

　　面向下一代制造企业的信息系统是硬件、软件和网络(包括组织内部的和连接外部环境的)的集合，它们在商业文化、激励机制和组织结构等其它企业要素的约束下，促进和支持业务、工程、生产和后勤等过程。其核心要求是在动态变化和异质的环境中促进企业的集成。满足这种要求的信息系统必须是具有适应性和响应性的，即能快速响应环境的变化，并快速适应变化后的环境。
　　企业通过重新配置其业务、设计、生产系统以及人力资源，才能保证快速地响应客户不断增加的、复杂的要求。支持下一代制造企业的信息系统必须支持和促进这种重新配置过程，支持个体或组织的结构变化和行为过程，促进整个组织的响应行为。通过大的、高自动化的、专门化的制造组织以及小的、高敏捷性的、虚拟制造组织，来突出下一代制造企业的响应能力，同时淡化企业的组织形式。
　　适应的、响应的信息系统(ARIS Adaptive and Responsive Information System)是一种能动态地配置成新系统的信息系统，能添加新元素、替换旧元素，并能改变模块的连接方式，以此重新定义通过整个系统的数据流。ARIS是满足下一代制造企业要求的信息系统，实现这种信息系统要求：
　　^.变被动接受示范系统为主动的设计和实现；
　　^.建立足够的、分布于网络中的软件功能模块，通过标准接口机制能很容易地将它们配置为一个新系统；
　　^.建立统一的接口标准；
　　^.建立能支持标准协议的高速通信网；
　　^.研究数学模型和理论，开发一种框架或基础，允许不同授权的用户能方便地创建、修改、组合和发布各自的模块或配置好的系统。
　　严格地说，上述要求的大部分是信息技术本身的研究内容，这些要求不仅是制造企业对信息系统的要求，还包含着其它应用领域的共同要求。但这种信息系统所处理和表示的数据应当具有特定的应用领域语义，例如面向制造业。

2　ARIS的实现技术

　　ARIS的主要实现技术包括：
　　^.面向集成的基本模型，它能在动态异质世界中匹配选定的组织结构；
　　^.有关数据、信息和知识的标准；
　　^.有关网络和通信的协议、标准和技术；
　　^.支持系统设计和实现的集成框架，它包括分布对象、普遍服务和负责/自治代理技术。
　　这些实现技术相互之间的关系如图1所示^［1］。

图1　ARIS实现技术之间的关系

　　高速通信网是响应信息系统所依赖的基础。基本模型是支持其它实现技术的框架。标准、负责代理技术和服务环境能使系统拥有可以使用的各种组件。集成框架为这些组件提供继续搭建和运行的环境。
2.1　基本模型
　　基本模型是建立信息系统所依赖原理的抽象。为了在下一代制造的动态异质世界中，促进面向集成的通信，并为这种系统的开发者提供指导理论，要求基本模型能指出未来信息系统的方向，能描述现有的信息系统，同时必须简单和易于实现。表1是目前采用的一些建模方法。

表1　建模方法分析

基本模型特点缺陷共享
数据库静态、以数据为中心没有表达数据的时间依赖性；面向数据的使用，而不是建立，难以支持动态或面向过程的应用面向对象封装了数据和功能，用消息进行对象间的交互随着对象的增多，对象间的交互会非常复杂；没有一个完整的结构，难以进行复杂系统的修改和重新配置；不适合数据在操作序列中流动的应用自治或响
应的代理扩展了面向对象模型，对象中嵌入了规则和方法，以此控制它们的行为和协作与面向对象模型有同样的问题
　　事实上，就大多数工程应用领域来说，所有信息过程都是将数据从一种类型或形式“转化”为另一种类型或形式，所以转化模型是最自然和最常见的一种模型。图2说明了这个概念。转化模块作为转化数据集合的实体；数据集合可以是任何事物，可以是一个字节的数据，也可以是封装着知识的规则集合，甚至是一个完整MRP系统的数据库。

图2　转化模型

　　转化模块有输入和输出，其中包括：一个管理指令(应用程序编程接口，API)和一个或多个数据集合。转化模块提供了能进行工程或业务数据转化的服务。模块通过输入和输出数据集合及指令连接成过程，过程包括诸如分解、组合、重复和循环等子过程。这些过程实际上是更复杂的转化模块，所以这个模型支持软件重用的概念。
　　输入和输出数据集合具有属性，以此提供有关数据集合的信息，这些数据接口的属性描述了数据的模式，不同的应用实例可以需要其他的属性。当一个转化模块的输出数据集合匹配于另一个模块的输入数据集合时，就产生一个过程。
　　根据这个基本模型进行集成就是要定义带有可匹配数据集合的转化模块的行为，并提供一种机制以支持：1)将它们组合成更高级的转化模块或过程，2)对它们的制定、监视和控制。
2.2　标准
　　标准的目的是为了能方便地建立比转化模块复杂得多的信息系统。数据集合接口的所有属性都需要标准。标准实际上是ARIS的推进剂，并且对集成框架也非常关键。
　　缺乏特定应用领域的指令和数据接口标准，就会严重阻碍集成框架的开发，需要花费大量耗时的精力去翻译各种协议，否则很难建立信息系统。目前，面临着两种困难：1)在许多关键领域还缺乏标准，2)在相同领域又存在着相互冲突的几个标准。表2列出了一些领域标准的情况。

表2　冲突的和没有标准的领域

领域子领域状态举例知识　实际在使用KQML文本格式没有SGML，
WORD，RTF标记/链接两个新兴的SGML，HTML规则　没有几何　缓慢的STEP，
快速的DXF参数化/特征　没有ProEngineer格式
　　例如，尽管在产品数据、分布对象方面有许多标准，然而，没有一个标准获得广泛的接受。
　　事实上，所有类型标准的关键是数据模型：被交换或接口的数据或信息的意义。在一个数据集合中使用统一的语义模型是非常重要的，而现实中常常遇到这种情况：两个组织用同一个词描述两个不同的概念，或用两个不同的词描述同一个概念。
　　尽管各种标准纷繁复杂，并且发展缓慢。但可以预计，STEP最终会成为产品交换和共享的标准。它将不仅包括几何，而且包含参数化数据、特征，诸如容差和表面处理的非几何数据以及过程计划。STEP也将会被扩展以包含设计规则和过程知识。用于产品实现过程中其他组件(诸如需求)的标准将变得更流行。用于格式化文本和多媒体信息的标准将会成熟起来，并应用于制造工程中。标准建立的过程会大大加快，将有可能实时地建立工程与应用所需的标准。
2.3　通信和网络技术
　　通信包含从所有的物理连接，到用于不同计算机上应用程序和对象通信的协议。如表3所示。

表3　通信和网络标准

应用领域标准举例物理连接Modem,T1,T3,专用微波、卫星，光纤电缆，
ISDN，帧中继，有线电视网基本通信协议TCP/IP(PPP、POP和SLIP)高级通信协议CORBA，DCOM，DCE，http
　　目前的问题是，网络的速度或带宽远远不能满足制造工程的需要。各种高级定义(如图象、视频和声音片段)都会产生很大的文件，使下载花费大量的时间。而且目前高带宽的费用相当大，不能得到广泛的应用。同时，纷繁复杂和相互竞争的标准使工程应用变得更困难。
　　所以，必须促使政府和企业为基础信息设施投入更多的资金，提高其应用能力。另外，制定合理的信息服务政策，推动应用面的扩大，如根据按时付费的原则，使用户可以选择最便宜的服务供应商从事自己的商业。
　　可以肯定www的能力将会得到极大地提高，将来除了web，没有其他方式能用于计算机或个人的交互。下一代制造企业将利用高速、高带宽的通信网络，沿着供应链双向传递信息和知识。www协议和用户接口标准将极大地改变商业上访问数据和信息的方式，不但在公司内部，而且可以跨越世界。
2.4　集成框架
　　集成框架(IF)或称为基础，是能提供如下服务的一个软件模块集：
　　^.从物理链接到对象消息传递的所有级别上的连接性和通信；
　　^.数据、信息、对象和知识管理；
　　^.访问、建立、编辑、合成、定制、监视和控制存在于系统(该系统包括Internet的全部)中的所有实体，包括传输数据的模块，以及这些不考虑位置的模块的接口。
　　IF运作在一个动态、异质环境中，允许不同类型的用户将动态异质环境中的功能、应用程序和数据等集成在一起。它很大程度上依赖于在所有层上使用的标准。
　　目前已经有许多面向集成的解决方案，如表4所示。

表4　传统的集成方案

解决方案缺陷单一的逻辑数据库仅允许其他事务在非常受限制的条件下结合，而这种条件通常是很难满足的一些特定的标准标准是集成的推进技术，它们本身并不提供集成开放系统尽管许多厂商声称其应用程序、软件和系统等是开放的，目前不存在真正的和可用的开放系统用应用程序自动化商业过程应用程序是各种软件模块的即席串联、这些模块很难与其他应用程序一起工作，是应用程序内的集成，不是面向企业级协作的集成应用程序购买Internet使远距离启动非拥有的应用程序或功能模块成为可能
　　另外，有许多组织、企业以及政府，合作起来从事集成框架的研究，真正的开放系统提供一种将各种模块互连的框架，而且，模块与框架的接口，以及模块之间的接口能被自由地、开放地发布和使用。IF提供硬件和软件，以一种动态的方式支持异质的功能、数据和通信的集成。表5是一些集成框架的研究项目。

表5　集成框架研究项目举例

项目名称主要参与者应用领域目　　的技术特点CAD框架计划CAD最终用户与软硬件供应商微电子设备制造方便和促进采纳能提高设计者生产效率的开放电子数据访问(EDA)技术半导体工具的互操作SEMATECH CIM应用框架规范半导体制造技术协会半导体制造领域使用面向对象的方法，将各种制造执行系统(MES)软件中发现的公共特征进行分类，以此统一这些软件采用公共对象模型解决互操作问题国家工业信息基础协议NIIIPNIIIP协会工业企业通过一种新的协作计算形式，支持虚拟企业的形成，从而使美国工业公司更具全球竞争性和效率利用对象信息技术(CORBA)、产品数据定义(STEP)和通信网络(Internet)建立虚拟企业仿真评估验证环境SAVLochheed Martin航空系统武器制造提供一个集成的虚拟制造工具集，在武器系统开发中，帮助用户满足可负担性的目标在分布异质环境中使用CORBA用作标准化对象消息传递协议系统集成体系结构Texas大学，自动化和机器人研究所，敏捷航空制造研究中心一般工业应用开发一个能提供基本服务的基础，服务包括：转化模块的标识、创建和修改，转化模块的接口数据集合、形式；它们的组合、制定、监视和控制面向对象方案，面向用户的集成国家先进制造实验基础框架NIST的制造工程实验室(MEL)广泛的制造业开发制造系统的互操作性标准。示范一个支持分布工程和生产操作的制造信息基础。建立进一步开发和评估的实验性基础采用STEP和CORBA
　　从项目的研究可以看出：
　　(1)国家支持，尤其是国防需求在推动研究和应用方面起了很大作用；
　　(2)从面向特定应用(有关国防和信息的微电子制造业)转向支持所有的工业和制造业；
　　(3)研究致力于解决一个重点问题的两个方面：动态变化和异质环境中的集成；
　　(4)目标是促进企业间的协作和联盟，从资源共享到运营与决策；
　　(5)极力采用信息技术的新成果，主要有三个基本支持技术；
　　^.产品数据建模技术 使用STEP作为建立信息数学模型的工具；
　　^.分布对象技术 使用CORBA实现信息系统的互操作；
　　^.通信技术 面向Internet的应用环境。
　　(6)研究的方向是促使信息系统的建立和使用达到理论化、标准化、模块化和网络化。组件软件和软件重用是非常重要的课题。
　　当然，有关技术的许多问题，不仅需要制造工程技术人员的研究努力，还必须获得信息技术专业研究人员的积极参与和支持。其中相当的关键问题，只有在信息技术研究取得了突破性进展之后，才能有效地应用到制造工程，如软件互操作、组件软件和软件重用等。

3　一个信息系统的设计

　　针对企业信息系统的现实运行环境(一方面积累了纷繁复杂的软、硬件系统，另一方面又面临基于Internet的电子商务的广泛应用)，要求面向下一代制造企业的信息系统应当支持网络环境下信息、知识和资源的共享，全球化的并行工程，保证制造过程完整实现。
　　建立满足要求的信息系统的关键问题是：如何将信息技术成果协同应用于制造工程领域。产品数据建模、面向对象的组件软件技术和Internet将在信息系统的建立中起重要作用：
　　^.制造信息表示和建模必须使用STEP标准；
　　^.制造信息的存储和管理必须采用数据库技术；
　　^.制造信息的共享和交换媒介必须采用Internet；
　　^.制造信息的处理必须使用具有互操作能力的软件系统。
　　在我们的研究项目中试图通过一个典型制造企业的Intranet实施，体现信息系统的建立与应用过程，将信息表示和交换作为首要解决的问题。因为当前制造企业的一个现实问题是在动态和异质环境中制造信息的表示与交换。为此：
　　^.采用数据库用于信息的存储和访问管理；
　　^.采用STEP作为信息的建模方法；
　　^.采用Java用于信息处理的平台和工具；
　　^.采用XML/VRML作为在Internet上一致和有效表示信息的工具。
　　目前研究工作正在进行，已经实现了STEP EXPRESS语言的处理工具，用于数据库模式的自动映射和XML/VRML表示的预处理。

4　结论

　　建立面向下一代制造企业信息系统的目的是实现企业信息的集成与共享，提供资源与知识共享的技术基础。这就要求信息系统的实现遵从一定的理论模型、使用相应的应用领域标准、采用框架和组件的技术方法，使分布和异质的模块快速地互连，最后形成集成的、健壮的信息系统。建立适应Internet环境的信息系统涉及到与此相关的许多技术领域，其中的关键问题是如何将信息技术成果应用于制造工程和企业业务中。