1.5 制造系统的建模方法论

制造系统的构建不仅涉及如何通过学习提高对制造哲理的理解，如何在体制与组织机构改革的实践中逐步实现相应的制造系统，而且还需要企业建模理论、工程开发周期和实施过程等工程项目建模方法论的指导。

1.5.1 企业建模理论与方法

1．企业建模的基本概念

企业建模是对企业中的事务功能、事务数据和事务循环以及其他有益于描述企业状况的模型进行抽象化表达的过程。企业模型为企业建模人员与执行事务功能的人员之间达成共识提供基础，以便对企业的事务动作过程和资源进行确认。通过企业模型，一方面能够分析与评价现行企业动作的效能；另一方面，可以在分析与评价的基础上，按照新的管理理论对企业模型进行优化，以获得符合精益生产、并行工程、敏捷制造和智能制造等新型管理方式的新企业模型。在对这个新模型进行分析与评价后，可以采用业务流程再造(Business Process Re-engineering，BPR)等手段根据新模型对企业进行改造，然后再进行集成，就能够实现提高产品质量、降低成本、缩短产品设计与开发周期以及快速响应市场变化等目标。因此，经确认的企业模型将是企业实施制造系统的后续步骤的基础和极其宝贵的信息源、知识源。模型是实际事物、实际系统的抽象。它是针对需要了解和解决的问题，抽取其主要因素和主要矛盾，忽略一些不影响基本性质的次要因素，形成对实际系统的表示方法。模型的表示形式可以多种多样，可以是数学表达式、物理模型或图形文字描述等。总之，只要能回答所需研究问题的实际事物或系统的抽象表达式，都可以称为模型。在企业模型研究中，由于企业实际问题的复杂性、不确定性和人的因素、主观因素的存在，应用更多的是图形模型和文字描述模型。

企业建模是企业诊断和优化的基础，是企业集成的基础，为分析现有企业问题，找出差距，提供描述和分析手段，并支持进行具体实现。企业建模分析已经渗透制造系统的各个方面，为提高企业的竞争力，就必须优化企业的人力、设备配置以及各种过程，而优化的基础是建模。供应链模型则有助于优化企业和供应商以及用户之间的关系和过程，因此可以说，包括信息集成在内的整个系统集成和优化的基础就是企业建模。

2．参考体系结构

对企业进行集成所需的集成信息流与组织系统的开发面临3个主要问题。第一，如果没有任何经验就进行开发，开发的费用（风险）会很高。第二，用户组织中通常不具备进行集成项目所需的全部技能。第三，如果不采用市场上针对企业的通用技术，那么开发出来的新的组织和信息结构将是不可行的，而且很脆弱。开发企业参考体系结构的出发点是：因为对各种类型的企业来说，集成项目的大部分实际上是相同的或是相似的。因此，可以获取这些共同点，进行标准化并投入应用，以避免从头做起进行开发。一旦标准化后，将会有各种工具、方法和大量的兼容产品支持被广泛接受的体系结构，从而在时间上和费用上获益。下面是一些基本概念。

1）企业参考体系结构

企业参考体系结构有狭义的和广义的两种定义。狭义的企业参考体系结构在一个通用的层次上描述集成企业，是从各个视角描述将要投入运行的企业的模型系统。广义的企业参考体系结构描述企业开发的各个阶段，而且每个阶段都从各个视角描述。先前的系统是后来生成系统的一部分。

如图1-11所示，参考体系结构中的功能实体细化为可以实现的功能部件，同时细化功能部件之间的交互方式，就可以构成体系结构。而将体系结构中的功能部件及其交互方式实现、组装、测试之后，就可以构成实际系统。反之，从实际系统、体系结构到参考体系结构的构建过程，属于逆向工程的过程，主要用于系统的故障检测、维护，以及功能扩展。

2）建模方法和工具

建模方法和工具用来对上述建模进行创建、开发和分析。它们不一定要与特定的参考体系结构或方法论关联。

3）方法论

方法论是用户为了实现企业集成战略并在该战略下完成集成项目时可以遵循的一组“已得到验证的”指导方针、技术、步骤，实际上就是一系列实施指南。方法论通常与参考体系结构一起开发。

4）集成基础设施

集成基础设施是一个企业集成所必需的、以通信功能为基础的系统。

企业参考体系架构是一种由多种具有关联关系的模型工具共同构成的模型库。作为一个集成化有机整体，企业参考体系架构不仅能够从不同角度、不同层次对企业系统加以描述，形成若干独立模型，而且这些独立模型之间也因存在着呼应关系而不孤立。企业参考体系架构为企业解决集成中的what&how问题。一般企业参考体系架构具有3个基本特点：系统性、包容性和实用性。

（1）系统性——提供设计功能、组织、数据、资源等多方面因素及概念、逻辑、物理多种抽象的方法体系结构，为进一步实现企业系统开发和改造过程的标准画、统一化，甚至自动化创造条件。

（2）包容性——能够将众多的系统开发方法和工具集在企业参考体系框架下加以统一，使它们彼此联系、相互沟通，既可促进各方法在实用中的有效结合，也有利于使用不同方法的开发人员的协调合作。

（3）实用性——能够在企业模型体系理论的指导下，辅助以实用化软件支持环境，为实际企业系统的建模、分析和评价提供计算机支持。有的甚至提供典型行业的企业参考模型，作为建立客户化企业应用结构的基础。

3．体系结构

制造系统是一个复杂的大系统，企业实施制造系统是一个复杂的系统工程。为了保证系统的实施能够得到良好的效果，除了需要实施者有良好的理论、技术和丰富的实施经验外，还需要有先进实施方法论的指导和工具系统的支持。

如图1-11所示，制造系统的体系结构是制造企业参考体系结构的功能实体细化，是研究制造系统各部分组成及相关关系的技术科学，反映描述系统的各个组成部分及其相互关系的一组模型，是系统实施方法和工具系统的基础。研究制造系统的体系结构也就是为企业研究一种从系统设计到实施的具有较高规范程度和参考价值的参考结构，以及利用此参考结构较快又较优地规划、设计和实施制造系统的方法、工具及集成基础结构。制造系统体系结构的特点除了有一般企业模型体系具有的系统性、包容性和实用性外，还要求企业模型具有整体性、一致性和开放性。

（1）整体性——能够完整、全面地反映企业各个组成部分在全生命周期的各个阶段中的静态特征和运作流程，为企业的整体集成优化提供参考。

（2）一致性——能够保证模型体系的各个维及各层次的视图在数据、事件、功能以及相关属性等方面一致。这种一致性是保证信息流通、转换及共享的基本条件。

（3）开放性——包括空间上的开放性、时间上的开放性和时空上的开放性。

空间上的开放性使系统的各组成部分在空间上能够有效地集成起来；时间上的开放性能保持制造系统有尽可能长的生命周期；时空上的开放性则可保证系统在进行技术改造时，能尽可能多地利用原有系统中的组成部分，而对那些需要改造的部分，又能简易地、有效地被替代，需要增添的部分也能简易地被集成入原有系统，在时间上和空间上使这些新旧组成部分具有良好的相容性。

4．企业建模方法

企业建模方法，是指基于一定研究目的，提出对研究对象的知识的表示法，以便在研究过程中有一种共同语言，能毫不含糊地进行分析研究和交流。先有明确的目标，并针对这一目标和研究对象的某一“方面”选取合适的建模方法（表示方法），然后对这些表示方法进行明确的格式化，就能根据研究的“方面”的概念，建立起这“方面”的模型。

1.5.2 工程项目开发的生命周期

本节仅简要地从系统科学和软件工程的角度讲述制造系统应用工程开发生命周期的主要步骤以及各阶段的主要任务和工作内容。

根据国内外开发制造系统的实践，参照方法论中关于规模大、周期长、任务繁重、结构复杂，又往往投入巨资大系统的开发过程，工程项目开发的生命周期要经历若干个结构化进程。例如，CIMS应用工程开发的生命周期就划分为以下5个阶段。

1）可行性论证阶段

可行性论证阶段的主要任务是：了解企业的战略目标及内外现实环境；确定CIMS的总体目标和主要功能；拟订集成的总体方案和实施的技术路线，并从技术、经济和社会条件等方面论证技术方案的可行性；制订投资规划和开发计划；完成可行性论证。该阶段的工作内容有：了解市场环境、经营目标和采取的策略；调查和分析企业当前的状况；明确需求，确定CIMS的目标及主要功能；拟订CIMS的集成方案和采取的技术路线；拟订系统开发计划；投资概算初步成本效益分析以及编写可行性论证报告等。

2）初步设计阶段

初步设计阶段的主要任务是：确定制造系统需求；建立目标系统的功能模型；确定信息模型的实体和联系；提出制造系统实施的主要技术方案。该阶段的工作内容有：需求分析；总体结构设计；性能指标设计；确定信息模型；接口要求；方法和技术路线；关键技术；系统配置；实施进度计划；规划CIMS环境下的组织机构；经费预算；效益分析以及编写设计报告等。

3）详细设计阶段

详细设计阶段的主要任务是：对初步设计产生的系统方案进一步完善和细化；数据库系统的概念、逻辑和物理结构设计；应用系统的软件结构、算法、代码编写说明；硬件施工安装设计；确定组织机构、人员配置和培训计划。该阶段的工作内容有：确定系统的详细需求；应用软件系统设计；数据库系统设计；系统资源设计；系统组织机构的调整与确定；确定技术标准；拟订系统实施计划；投资预算及资金规划以及编写详细设计报告等。

4）工程实施阶段

工程实施阶段将详细设计的内容进行物理实现，产生一个可运行的系统。它的主要任务是：数据库、网络及生产设备的安装调试；应用软件编码、安装、调试；组织机构落实、人员定岗。该阶段的工作内容有：数据库系统实施；应用系统实施；生产设备及计算机资源实施和组织机构实施等。

5）系统运行与维护阶段

系统运行与维护阶段的主要任务是：对投入运行的CIMS进行调整和修改；改正在开发阶段产生而在调试阶段又未发现的错误，并使系统适应外界环境的变化；实现功能的扩充和性能的改善；对系统的运行效果进行评价。该阶段的工作内容有：操作规程；维护手册；人员培训；运行状况记录；软件维护；数据库和数据文件维护；硬件资源维护；机构和人员的调整以及系统评价等。

1.5.3 系统的实施方法

制造系统的实施是一个复杂的特大型系统工程。制造系统的开发要以系统工程和软件工程的方法论为指导，既要保证系统的实用有效，又要保证系统的集成。因此，必须采取总体规划、分步实施的开发路线。分步实施将分解对资金和技术力量的需求，减轻企业的压力，更重要的是，可以分阶段见效、鼓舞士气、坚定信心，使企业增强经济实力，为下一阶段的开发积蓄力量。分步实施应贯彻效益驱动的思想，根据企业的总目标和生产经营瓶颈解决企业急需，实现重点突出。

实施过程中强调人的作用。计算机及各种先进的自动化设备固然有其优点，但只能代替人的部分体力劳动和脑力劳动。即使将来技术再发展，也不可能全部代替人。因此，制造系统实际上是一个复杂的人机系统，即部分工作由计算机等完成，部分工作由人完成。人将永远是制造系统中一个重要的组成部分。

实施后，综合评价制造系统工程的全部价值。应该把全部项目效益（货币效益、战略效益、特征效益）和影响项目成功的全部因素（技术、经济、组织、环境方面的风险因素）集成起来，综合评价制造系统的工程价值。