數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究作者：莊亞明數(shù)字化工廠是以制造產(chǎn)品的企業(yè)為核心，由核心企業(yè)以及與之相關(guān)聯(lián)的成員構(gòu)成的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，通過(guò)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)有效地管理和利用聯(lián)盟的數(shù)字化信息和數(shù)字化信息流，實(shí)現(xiàn)成員之間的高度協(xié)同工作和資源共享，為客戶(hù)提供滿(mǎn)意的產(chǎn)品。本文基于數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)采用系統(tǒng)交互與集成方法，通過(guò)對(duì)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的組成及其已有技術(shù)基礎(chǔ)的分析，演繹數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)想與結(jié)構(gòu)，抽取數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)公共服務(wù)。 1 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)及其特征 數(shù)字化工廠最重要的原料是關(guān)于產(chǎn)品和市場(chǎng)的信息啦)，信息經(jīng)過(guò)各種數(shù)字化處理后，成為其決策及行動(dòng)的知識(shí)方案。其運(yùn)作模式可以概括為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)

2、程數(shù)字化、產(chǎn)品制造過(guò)程數(shù)字化、產(chǎn)品本身數(shù)字化、產(chǎn)品銷(xiāo)售過(guò)程數(shù)字化、技術(shù)支持與服務(wù)過(guò)程數(shù)字化、經(jīng)營(yíng)決策過(guò)程數(shù)字化、信息與知識(shí)數(shù)字化及其信息與知識(shí)共享。 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)是數(shù)字化工廠產(chǎn)生、處理、傳遞、儲(chǔ)存和利用數(shù)字化信息的系統(tǒng)和工具。通過(guò)它控制數(shù)字化工廠的信息和信息流，進(jìn)而達(dá)到控制、管理、利用物流和資金流以及協(xié)同工作的目的。并且，數(shù)字化工廠的每個(gè)過(guò)程和功能領(lǐng)域都需要其信息系統(tǒng)支持。 (1)從應(yīng)用角度來(lái)看，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程和功能領(lǐng)域中，需要cad、capp、cam、dfx和pdm等分、子系統(tǒng)。在產(chǎn)品制造過(guò)程和功能領(lǐng)域中，需要經(jīng)營(yíng)計(jì)劃、主生產(chǎn)計(jì)劃、車(chē)間作業(yè)計(jì)劃、庫(kù)存控制、制造設(shè)備自動(dòng)化控制等分、子系統(tǒng)

3、，此外還應(yīng)該有質(zhì)量控制系統(tǒng)。在銷(xiāo)售服務(wù)過(guò)程和功能領(lǐng)域中，需要客戶(hù)關(guān)系管理。在經(jīng)營(yíng)決策過(guò)程和功能領(lǐng)域中，需要決策支持系統(tǒng)，以及其他日常事務(wù)處理系統(tǒng)和工具。在資源供應(yīng)過(guò)程和功能領(lǐng)域中，需要有供應(yīng)鏈管理和人力資源管理等系統(tǒng)。在財(cái)務(wù)核算與控制過(guò)程和功能領(lǐng)域中，需要財(cái)務(wù)核算與控制系統(tǒng)。其他公共系統(tǒng)和工具，如電子郵件、字處理、電子會(huì)議等。 (2)從支持應(yīng)用的支撐系統(tǒng)角度來(lái)看，需要支持這些系統(tǒng)的平臺(tái)和工具，如操作系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)、各種數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等等。 2 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)想 為了滿(mǎn)足數(shù)字化工廠對(duì)信息交換共享和協(xié)同工作的要求，數(shù)字化工廠的信息系統(tǒng)必定需要信息交互和系統(tǒng)集成。數(shù)字化工廠成員信息系統(tǒng)之

4、間的信息交互和集成可以有兩種方法：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互與集成方法和基于基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)(或稱(chēng)為基礎(chǔ)集成框架)的交互與集成方法。前者應(yīng)用廣泛，后者則是目前研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。 由于實(shí)現(xiàn)信息交互和系統(tǒng)集成方法是在需要進(jìn)行信息交互和集成的系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的交互點(diǎn)，使用特定的通訊設(shè)施和編程技術(shù)開(kāi)發(fā)接口，這就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息交互和系統(tǒng)集成(如圖1所示)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方法提供了一種在部門(mén)級(jí)解決方案或應(yīng)用程序家族之間實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)交換的手段。 圖1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交互與集成但對(duì)于數(shù)字化工廠環(huán)境，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方法并不適用。因?yàn)椋跀?shù)字化工廠分布式環(huán)境中，存在大量的分布式應(yīng)用程序。每個(gè)應(yīng)用程序都需要開(kāi)發(fā)與其他應(yīng)用程序之間的接口。由于每個(gè)接口都是單向

5、的，為了實(shí)現(xiàn)信息的雙向交換，應(yīng)用程序之間的接口必須成對(duì)。由此可以想象需要開(kāi)發(fā)的接口數(shù)量是極為巨大的，需要投入大量的人力和財(cái)力，實(shí)際上根本不可能實(shí)現(xiàn)。即使建立了這種接口環(huán)境，要想在其中發(fā)現(xiàn)信息也不容易。而且，這個(gè)接口環(huán)境沒(méi)有提供可理解的目錄服務(wù)，用戶(hù)無(wú)法定位需要的信息，甚至根本不知道有需要信息的存在。在這種環(huán)境中，對(duì)信息進(jìn)行控制是另一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這種接口環(huán)境沒(méi)有提供跨成員的信息控制和維護(hù)方法，當(dāng)信息需要改變時(shí)，無(wú)法回答“誰(shuí)有權(quán)改變信息，一旦信息發(fā)生變化后，對(duì)相關(guān)的信息將發(fā)生怎樣的沖擊”這樣的問(wèn)題。 圖2 基于基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)的交互與集成基于基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)的交互與集成方法(如圖2所示)，即數(shù)字化工廠成

6、員的信息系統(tǒng)與一個(gè)稱(chēng)為基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)(basic application platform for informatione xchange and integration，bapixi)連接與交互，數(shù)字化工廠成員信息系統(tǒng)的部分成分是bapixi的組成部分。bapixi扮演信息交換和系統(tǒng)集成中心的角色，它是數(shù)字化工廠成員信息系統(tǒng)公共功能和服務(wù)的提供者，也是公共信息的管理者，以及對(duì)成員的信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)、交互和互操作所需接口的提供者。 因此，提出數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè) 想如下： (1)將數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)和模型映射到數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； (2)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)應(yīng)該構(gòu)建成層次化

7、系統(tǒng)，每一層實(shí)現(xiàn)特定的功能和任務(wù)； (3)建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)，數(shù)字化工廠和成員的應(yīng)用系統(tǒng)“插接”在基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)之上； (4)利用已有技術(shù)基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展和深化； (5)采用工作流管理技術(shù)和管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)數(shù)字化工廠的業(yè)務(wù)活動(dòng)。 3 數(shù)字化工廠信患系統(tǒng)的已有技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)播要提供4個(gè)方面的功能，即分布式計(jì)算環(huán)境(系統(tǒng)和應(yīng)用互操作)、廣域通訊(公共通訊協(xié)議)、公共信息模型規(guī)范和信息交換、數(shù)字化工廠協(xié)同工作過(guò)程管理。internet用于解決廣城通訊(公共通訊協(xié)議)。已經(jīng)有不少標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，如tcp/ip,http等。對(duì)象管理組織(object management gmu

8、p,omg)的對(duì)象管理技術(shù)可以用于解決系統(tǒng)和應(yīng)用互操作問(wèn)題。corba標(biāo)準(zhǔn)和支持corba標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)提供了解決在分布異構(gòu)環(huán)境下所偏的可重用性、可移植性和互操作性的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。 標(biāo)準(zhǔn)化組織iso的產(chǎn)品信息交換標(biāo)準(zhǔn)step(standard for the exchange of product)作為公共信息模型規(guī)范和信息交換，為數(shù)字化工廠各成員內(nèi)部和成員之間的產(chǎn)品信息表達(dá)、交換和共享提供了基礎(chǔ)。工作流管理聯(lián)盟為工作流概念、術(shù)語(yǔ)、工作流管理系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)、主要功能組件、接口、信息交換等制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，從而為不同工作流管理系統(tǒng)互操作提供了可能性。故可以作為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)支持

9、過(guò)程和任務(wù)控制、協(xié)作的技術(shù)基礎(chǔ)，解決數(shù)字化工廠協(xié)同工作過(guò)程管理問(wèn)題。 圖3 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的水平與垂直技術(shù)這些已有技術(shù)成為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，可將其分為水平技術(shù)和垂直技術(shù)兩類(lèi)(如圖3所示)，通訊技術(shù)(internet/intranet/extranet)和omg對(duì)象管理技術(shù)屬于水平技術(shù)，水平技術(shù)為絕大多數(shù)系統(tǒng)所共享;step和工作流管理技術(shù)則屬于垂直技術(shù)，垂直技術(shù)應(yīng)用特定的計(jì)算環(huán)境。 4數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為了滿(mǎn)足數(shù)字化工廠對(duì)信息系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的目標(biāo)，提出將數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)映射成數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)邏輯體系結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，它反映了數(shù)字化工廠

10、信息系統(tǒng)組成的邏輯層次，是從用來(lái)構(gòu)成數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的主要系統(tǒng)或組件(軟件產(chǎn)品)組成層次的角度觀察的。 圖4 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)字化工廠集成化信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由7個(gè)層次構(gòu)成，即異構(gòu)硬件和異構(gòu)操作系統(tǒng)環(huán)境、通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議(internet/intranet extranet)、對(duì)象管理系統(tǒng)(corba標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn))、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、公共應(yīng)用服務(wù)、數(shù)字化工廠成員的具體應(yīng)用系統(tǒng)和工具。建模方法和建模工具用來(lái)建立數(shù)字化工廠模型,express建模語(yǔ)言和建模工具用建立產(chǎn)品數(shù)字化模型。圖4中最上面兩層為應(yīng)用層，下面五層為基礎(chǔ)和支持層。從邏輯上說(shuō)，每一層完成特定的任務(wù)，下層為上層提供基礎(chǔ)和服務(wù)，相

11、互之間緊密配合共同協(xié)作。其相互關(guān)系為: (1)異構(gòu)計(jì)算機(jī)和異構(gòu)操作系統(tǒng)提供硬件和操作系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái); (2)通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議(internet/intranet/extranet)提供信息交換所需的具體物理、邏輯連接.提供通訊的具體實(shí)現(xiàn); (3)omg的公共對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)(corba)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn)中的對(duì)象請(qǐng)求代理(object request broker,orb)，作為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的“軟件總線(xiàn)”，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化工廠分布式計(jì)算環(huán)境中異構(gòu)應(yīng)用軟件和工具的互操作; (4)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù))作為信息、數(shù)據(jù)、規(guī)則等存儲(chǔ)、管理、處理的媒介與工具; (5)公共應(yīng)用服務(wù)是數(shù)

12、字化工廠應(yīng)用中抽取的公共應(yīng)用，提供數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)所需的公共功能和服務(wù)，同時(shí)為上下層次之間提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，是公共信息的管理者，以及作為對(duì)成員信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)、交互和互操作所需接口的提供者; (6)數(shù)字化工廠成員的具體應(yīng)用系統(tǒng)和工具，是對(duì)公共應(yīng)用服務(wù)的擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)，用來(lái)處理具體業(yè)務(wù)。其中，工作流管理系統(tǒng)管理數(shù)字化工廠的工作流，協(xié)調(diào)數(shù)字化土廠各種業(yè)務(wù)活動(dòng);基于step標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品信息交換與共享服務(wù)提供數(shù)字化工廠產(chǎn)品信息表達(dá)、交換和共享，數(shù)字化工廠成員可以在生命周期內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)有關(guān)產(chǎn)品的信息和產(chǎn)品模型，實(shí)現(xiàn)有關(guān)產(chǎn)品信息交換與共享的需求; (7)應(yīng)用擴(kuò)展用來(lái)擴(kuò)展數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的應(yīng)用功能范圍;建模方法和

13、建模工具映射到數(shù)字化工廠的公共應(yīng)用系統(tǒng); (8)express建模語(yǔ)言和建模工具用于建立產(chǎn)品的數(shù)字化產(chǎn)品模型和中性表達(dá)。 5抽取數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)公共服務(wù) 對(duì)于任何一個(gè)基于客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器(client/server,c/s)結(jié)構(gòu)的軟件，其中必定存在一個(gè)協(xié)商關(guān)系和過(guò)程，即客戶(hù)提出請(qǐng)求、服務(wù)器接受或拒絕請(qǐng)求、需要將這種協(xié)商過(guò)程和關(guān)系設(shè)定為一個(gè)公用服務(wù)。數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)要與不同的對(duì)象系統(tǒng)和/或非對(duì)象系統(tǒng)交互，因此，需要一個(gè)對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)，解決對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題。可將其總結(jié)為: (1)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)要用step標(biāo)準(zhǔn)解決產(chǎn)品生命周期內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)利用和處理問(wèn)題，從中可以抽象出一個(gè)基本的step服務(wù); (2)

14、數(shù)字化工廠是由多個(gè)成員組成的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，同名異義、同義異名的情況普遍存在，需要建立一種語(yǔ)義仲裁機(jī)制，該機(jī)制是公共需要的，也是一種公共服務(wù)。這種公共服務(wù)需要進(jìn)行必要的擴(kuò)展，解決資源對(duì)象、任務(wù)和活動(dòng)、執(zhí)行任務(wù)的對(duì)象發(fā)生沖突時(shí)，進(jìn)行仲裁; (3)數(shù)字化工廠和成員的數(shù)據(jù)對(duì)象需要管理，需要數(shù)據(jù)管理服務(wù)作為公共的基本服務(wù); (4)現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)需要利用，保護(hù)已有資源，需要一種現(xiàn)有公共的應(yīng)用集成和封裝服務(wù); (5)internet是數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的通訊基礎(chǔ)平臺(tái)和構(gòu)建技術(shù)基礎(chǔ)，已經(jīng)存在很多internet工具，豁要利用這些工具,需要internet工具封裝和利用服務(wù); (6)工作流控制和協(xié)調(diào)數(shù)字化工廠成員業(yè)務(wù)活動(dòng)，工作流產(chǎn)品多種多樣.需要提供基本服務(wù)作為不同工作流產(chǎn)品集成和互操作平臺(tái)。在協(xié)作過(guò)程中必定發(fā)生會(huì)話(huà)，會(huì)話(huà)也是一種基本公共服務(wù); (7)為了增強(qiáng)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的智能，用智能體agent表示資源對(duì)象、數(shù)據(jù)對(duì)象、通訊對(duì)象等，需要智能代理服務(wù); (8)數(shù)字化工廠存在大量的知識(shí)和業(yè)務(wù)規(guī)則，信息系統(tǒng)需要存儲(chǔ)、處理和利用這些知識(shí)和規(guī)則，知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)就成為一種基本公共服務(wù); (9)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的用戶(hù)藉要一個(gè)工作環(huán)境桌面(desktop，盡管不同的用戶(hù)工作環(huán)境中的內(nèi)容可能有很大的區(qū)別，但是對(duì)