數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結構

1、數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結構研究作者：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)以及與之相關聯(lián)的成員構成的動態(tài)聯(lián)盟，通過數(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，實現(xiàn)成員之間的高度協(xié)同工作和資源共享，為客戶提供滿意的產(chǎn)品。本文基于數(shù)字化工廠的基礎應用平臺采用系統(tǒng)交互與集成方法，通過對數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的組成及其已有技術基礎的分析，演繹數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的實現(xiàn)設想與結構，抽取數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)公共服務。 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于產(chǎn)品和市場的信息啦)，信息經(jīng)過各種數(shù)字化處理后，成為其決策及行動的知識方案。其運作模式可以概括為產(chǎn)品開發(fā)過

2、程數(shù)字化、產(chǎn)品制造過程數(shù)字化、產(chǎn)品本身數(shù)字化、產(chǎn)品銷售過程數(shù)字化、技術支持與服務過程數(shù)字化、經(jīng)營決策過程數(shù)字化、信息與知識數(shù)字化及其信息與知識共享。 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、儲存和利用數(shù)字化信息的系統(tǒng)和工具。通過它控制數(shù)字化工廠的信息和信息流，進而達到控制、管理、利用物流和資金流以及協(xié)同工作的目的。并且，數(shù)字化工廠的每個過程和功能領域都需要其信息系統(tǒng)支持。 (1)從應用角度來看，在產(chǎn)品設計過程和功能領域中，需要cad、capp、cam、dfx和pdm等分、子系統(tǒng)。在產(chǎn)品制造過程和功能領域中，需要經(jīng)營計劃、主生產(chǎn)計劃、車間作業(yè)計劃、庫存控制、制造設備自動化控制等分、子系統(tǒng)

3、，此外還應該有質(zhì)量控制系統(tǒng)。在銷售服務過程和功能領域中，需要客戶關系管理。在經(jīng)營決策過程和功能領域中，需要決策支持系統(tǒng)，以及其他日常事務處理系統(tǒng)和工具。在資源供應過程和功能領域中，需要有供應鏈管理和人力資源管理等系統(tǒng)。在財務核算與控制過程和功能領域中，需要財務核算與控制系統(tǒng)。其他公共系統(tǒng)和工具，如電子郵件、字處理、電子會議等。 (2)從支持應用的支撐系統(tǒng)角度來看，需要支持這些系統(tǒng)的平臺和工具，如操作系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡、各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等等。 2 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的實現(xiàn)設想 為了滿足數(shù)字化工廠對信息交換共享和協(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：點對點的交互與集成方法和基于基礎應用平臺(或稱為基礎集成框架)的交互與集成方法。前者應用廣泛，后者則是目前研究和開發(fā)的熱點。 由于實現(xiàn)信息交互和系統(tǒng)集成方法是在需要進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，使用特定的通訊設施和編程技術開發(fā)接口，這就是點對點信息交互和系統(tǒng)集成(如圖1所示)。點對點方法提供了一種在部門級解決方案或應用程序家族之間實現(xiàn)信息自動交換的手段。 圖1 點對點交互與集成但對于數(shù)字化工廠環(huán)境，點對點方法并不適用。因為，在數(shù)字化工廠分布式環(huán)境中，存在大量的分布式應用程序。每個應用程序都需要開發(fā)與其他應用程序之間的接口。由于每個接口都是單向

5、的，為了實現(xiàn)信息的雙向交換，應用程序之間的接口必須成對。由此可以想象需要開發(fā)的接口數(shù)量是極為巨大的，需要投入大量的人力和財力，實際上根本不可能實現(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，這個接口環(huán)境沒有提供可理解的目錄服務，用戶無法定位需要的信息，甚至根本不知道有需要信息的存在。在這種環(huán)境中，對信息進行控制是另一個巨大的挑戰(zhàn)。這種接口環(huán)境沒有提供跨成員的信息控制和維護方法，當信息需要改變時，無法回答“誰有權改變信息，一旦信息發(fā)生變化后，對相關的信息將發(fā)生怎樣的沖擊”這樣的問題。 圖2 基于基礎應用平臺的交互與集成基于基礎應用平臺的交互與集成方法(如圖2所示)，即數(shù)字化工廠成

6、員的信息系統(tǒng)與一個稱為基礎應用平臺(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)公共功能和服務的提供者，也是公共信息的管理者，以及對成員的信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫訪問、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)的實現(xiàn)設 想如下： (1)將數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)模型結構和模型映射到數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結構； (2)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)應該構建成層次化

7、系統(tǒng)，每一層實現(xiàn)特定的功能和任務； (3)建立統(tǒng)一的基礎應用平臺，數(shù)字化工廠和成員的應用系統(tǒng)“插接”在基礎應用平臺之上； (4)利用已有技術基礎和標準，根據(jù)需要對其進行擴展和深化； (5)采用工作流管理技術和管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)數(shù)字化工廠的業(yè)務活動。 3 數(shù)字化工廠信患系統(tǒng)的已有技術基礎 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)播要提供4個方面的功能，即分布式計算環(huán)境(系統(tǒng)和應用互操作)、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)有不少標準和協(xié)議，如tcp/ip,http等。對象管理組織(object management gmu

8、p,omg)的對象管理技術可以用于解決系統(tǒng)和應用互操作問題。corba標準和支持corba標準的產(chǎn)品為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)提供了解決在分布異構環(huán)境下所偏的可重用性、可移植性和互操作性的關鍵技術基礎。 標準化組織iso的產(chǎn)品信息交換標準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、交換和共享提供了基礎。工作流管理聯(lián)盟為工作流概念、術語、工作流管理系統(tǒng)一般結構、主要功能組件、接口、信息交換等制定了相應的標準，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、過程和任務控制、協(xié)作的技術基礎，解決數(shù)字化工廠協(xié)同工作過程管理問題。 圖3 數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的水平與垂直技術這些已有技術成為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的關鍵技術基礎，可將其分為水平技術和垂直技術兩類(如圖3所示)，通訊技術(internet/intranet/extranet)和omg對象管理技術屬于水平技術，水平技術為絕大多數(shù)系統(tǒng)所共享;step和工作流管理技術則屬于垂直技術，垂直技術應用特定的計算環(huán)境。 4數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)結構 為了滿足數(shù)字化工廠對信息系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的目標，提出將數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)模型結構映射成數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)邏輯體系結構(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，是從用來構成數(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)邏輯結構數(shù)字化工廠集成化信息系統(tǒng)體系結構由7個層次構成，即異構硬件和異構操作系統(tǒng)環(huán)境、通訊網(wǎng)絡和協(xié)議(internet/intranet extranet)、對象管理系統(tǒng)(corba標準與實現(xiàn))、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、公共應用服務、數(shù)字化工廠成員的具體應用系統(tǒng)和工具。建模方法和建模工具用來建立數(shù)字化工廠模型,express建模語言和建模工具用建立產(chǎn)品數(shù)字化模型。圖4中最上面兩層為應用層，下面五層為基礎和支持層。從邏輯上說，每一層完成特定的任務，下層為上層提供基礎和服務，相

11、互之間緊密配合共同協(xié)作。其相互關系為: (1)異構計算機和異構操作系統(tǒng)提供硬件和操作系統(tǒng)基礎平臺; (2)通訊網(wǎng)絡和協(xié)議(internet/intranet/extranet)提供信息交換所需的具體物理、邏輯連接.提供通訊的具體實現(xiàn); (3)omg的公共對象請求代理結構(corba)標準與實現(xiàn)中的對象請求代理(object request broker,orb)，作為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的“軟件總線”，實現(xiàn)在數(shù)字化工廠分布式計算環(huán)境中異構應用軟件和工具的互操作; (4)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(包括關系數(shù)據(jù)庫、對象數(shù)據(jù)庫和知識庫)作為信息、數(shù)據(jù)、規(guī)則等存儲、管理、處理的媒介與工具; (5)公共應用服務是數(shù)

12、字化工廠應用中抽取的公共應用，提供數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)所需的公共功能和服務，同時為上下層次之間提供標準的接口，是公共信息的管理者，以及作為對成員信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫訪問、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用系統(tǒng)和工具，是對公共應用服務的擴展和實現(xiàn)，用來處理具體業(yè)務。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)務活動;基于step標準的產(chǎn)品信息交換與共享服務提供數(shù)字化工廠產(chǎn)品信息表達、交換和共享，數(shù)字化工廠成員可以在生命周期內(nèi)訪問有關產(chǎn)品的信息和產(chǎn)品模型，實現(xiàn)有關產(chǎn)品信息交換與共享的需求; (7)應用擴展用來擴展數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的應用功能范圍;建模方法和

13、建模工具映射到數(shù)字化工廠的公共應用系統(tǒng); (8)express建模語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。 5抽取數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)公共服務 對于任何一個基于客戶機/服務器(client/server,c/s)結構的軟件，其中必定存在一個協(xié)商關系和過程，即客戶提出請求、服務器接受或拒絕請求、需要將這種協(xié)商過程和關系設定為一個公用服務。數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)要與不同的對象系統(tǒng)和/或非對象系統(tǒng)交互，因此，需要一個對象訪問服務，解決對象訪問問題?？蓪⑵淇偨Y為: (1)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)要用step標準解決產(chǎn)品生命周期內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)利用和處理問題，從中可以抽象出一個基本的step服務; (2)

14、數(shù)字化工廠是由多個成員組成的動態(tài)聯(lián)盟，同名異義、同義異名的情況普遍存在，需要建立一種語義仲裁機制，該機制是公共需要的，也是一種公共服務。這種公共服務需要進行必要的擴展，解決資源對象、任務和活動、執(zhí)行任務的對象發(fā)生沖突時，進行仲裁; (3)數(shù)字化工廠和成員的數(shù)據(jù)對象需要管理，需要數(shù)據(jù)管理服務作為公共的基本服務; (4)現(xiàn)有的應用系統(tǒng)需要利用，保護已有資源，需要一種現(xiàn)有公共的應用集成和封裝服務; (5)internet是數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的通訊基礎平臺和構建技術基礎，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; (6)工作流控制和協(xié)調(diào)數(shù)字化工廠成員業(yè)務活動，工作流產(chǎn)品多種多樣.需要提供基本服務作為不同工作流產(chǎn)品集成和互操作平臺。在協(xié)作過程中必定發(fā)生會話，會話也是一種基本公共服務; (7)為了增強數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的智能，用智能體agent表示資源對象、數(shù)據(jù)對象、通訊對象等，需要智能代理服務; (8)數(shù)字化工廠存在大量的知識和業(yè)務規(guī)則，信息系統(tǒng)需要存儲、處理和利用這些知識和規(guī)則，知識庫管理系統(tǒng)就成為一種基本公共服務; (9)數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的用戶藉要一個工作環(huán)境桌面(desktop，盡管不同的用戶工作環(huán)境中的內(nèi)容可能有很大的區(qū)別，但是對