第二章 制造业信息化的建模方法
制造业信息化中很重要的工作是对信息化对象进行建模，包括功能模型、组织模型、过程模型、信息模型和知识模型的建模，其作用是帮助信息化咨询人员、开发人员和用户进行沟通和知识转移，帮助确定信息化的需求，帮助进行信息化系统的总体设计和详细设计等。制造业信息化建模需要一套体系结构的支持。
2.1节将首先讨论制造业信息化建模方法的需求，然后介绍国际上两个著名的制造业信息化建模
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体系结构，以及制造业信息化的L型体系结构。
2.2节将介绍若干制造业信息化模型设计方法，包括制造业信息化系统功能模型设计方法、社会-技术系统模型设计方法、面向软件开发的建模方法等。
2.3节将分别介绍一些常用的功能、组织、过程、信息和知识模型。
2.1 制造业信息化建模需求和体系结构
2.1.1 制造业信息化建模方法的需求
制造业信息化建模方法的需求主要是：不同专业技术和知识交流的需要、软件工程的需要、制造企业间信息交流的需要。
1. 不同专业技术和知识交流的需要
制造业信息化需要信息技术、管理技术、产品设计技术和制造技术的深度融合。例如，企业管理信息系统需要熟悉信息技术和管理技术的人员协同开发；产品数据管理系统需要熟悉信息技术和产品设计技术的人员协同开发；计算机辅助工艺设计系统需要熟悉信息技术和产品工艺技术的人员协同开发。如果对整个企业进行信息集成，则需要熟悉信息技术、管理技术、产品设计技术和制造技术。事实上不可能每个人都熟悉各种技术。因此需要建立包括有关方面人员的项目组，在项目开发和实施中，进行各种业务知识的交流。为此，需要有一套能够完整描述业务过程、信息系统等的模型。
2. 软件工程的需要
软件工程就是采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护计算机软件系统。软件工程是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科。软件工程主要包括三个要素，即：方法、工具和过程。
在早期计算机系统的发展过程中，计算机软件纯属一种开发人员个体单干的智力产品。没有标准，没有规范，以致形成了各种各样的软件系统。到了60年代中期和70年代，随着计算机应用的飞速发展，以往靠人工作坊式开发出来的软件产品，所暴露的问题越来越多，耗资几十亿美元，花费几千人力才开发出来的软件系统，由于其所呈现的个体化特性，使得它们很难不断根据用户新的需求，进行修改与维护。并且这种维护工作所需费用，大大超过开发时所消耗的费用，因此，迫使一些软件系统不得不提前报废，造成了大量的人力、物力和资源浪费。这就是所谓的软件危机。
为了解决软件危机，出现了软件工程，其目的是： （1）控制软件开发进度及其质量； （2）提高软件的可维护性。
随着计算机技术的发展，人们逐渐认识到软件开发不是一种技巧性个体劳动，而是一个复杂的系统工程，是管理科学和工程技术的结合，需要一套描述软件系统和业务过程的建模方法。
3. 制造企业间信息交流的需要
制造企业之间的协同设计和协同制造已经越来越广泛，因此制造企业间的信息交流越来越频繁。在这种情况下也需要一套描述系统和过程的建模方法。
2.1.2 制造业信息化建模的体系结构研究现状
本节主要介绍制造业信息化方面最著名的两个体系结构。
1. CIM-OSA（计算机集成制造开放系统体系结构，Open System Architecture for Computer Integrated Manufacturing）
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CIM-OSA是欧共体ESPRIT计划CIM领域五个重点研究项目中最重要的一个，其目标是为制造业的CIMS开发和实施提供一套适用的参考结构，同时还开发出集成的企业环境和基础结构，以支持CIMS的规划、设计和实施。CIM-OSA的体系结构参见图2-1。
在CIM-OSA中，立方体的三个轴分别表示三个不同的描述方面。
（1）垂直方向（推导过程）描述了按阶段划分的三个描述层次：需求定义层、设计说明层和实施描述层。
（2）在水平方向（具体化过程），概念被逐步具体化。首先，定义基本需求（通用的需求），然后根据专用的需求（部分通用的需求）对其进行进一步的细化。在第三步中，部分通用的需求被具体化为特定企业的需求（专用的需求）。
（3）第三个方向是“生成过程”，分别从“功能视图”、“信息视图”、“资源视图”和“组织视图”来考察一个企业。“功能视图”主要是关于功能模块的描述；“信息视图”涉及的是信息模型或对象的定义；“资源视图”描述了信息系统和生产资源；“组织视图”则描述了分层的组织结构。
企业建模是通过这三个过程的共同作用实现的。
2. ARIS（集成信息系统体系结构，Architecture of Integrated Information Systems） ARIS是由德国Saarland大学A.W.Scheer教授于1992年提出的。经过多年的实践和发展，目前已成为国际上最具影响力的企业建模体系结构。基于ARIS思想开发的支持工具ARIS Toolset已被广泛使用。ARIS由五个视图、三个阶段构成（参见图2-2），称为ARIS房式模型。
ARIS的五个视图分别是：
（1）功能视图：描述系统各功能模块之间静态的联系（如构成关系）； （2）组织视图：描述系统各组织单元之间的联系；
（3）数据视图：描述系统环境信息，以及触发功能或被功能触发的消息；
（4）产品与服务视图：包括所有物质（产品）的和非物质（服务）的输入及输出；
（5）控制视图：也称为过程视图，着重体现各视图之间的联系，并对过程进行完整的描述。其中还体现了功能模块之间的动态联系。
具体化过程生成过程组织视图组织视图组织视图资源视图资源视图资源视图信息视图信息视图信息视图功能视图功能视图功能视图通用需求部分通用专用需求定义构筑需求定义定义构筑模块构筑模块模块通用设计部分通用专用设计说明构筑设计说明说明构筑模块构筑模块模块通用实施部分通用专用实施描述构筑实施描述描述构筑模块构筑模块模块参考结构专用结构需求定义推推导导过过程程设计说明实施描述需求定义设计说明实施描述数据需求定义设计说明实施描述控制需求定义设计说明实施描述组织需求定义设计说明实施描述功能图2-1 CIM-OSA体系结构 图2-2 ARIS房式模型
产品与服务
2.1.3 制造业信息化的L3型体系结构
1. L3型体系结构的框架
随着网络技术的发展、经济全球化、企业管理新理念的出现以及企业信息化的全面推广，需要新的企业建模参考体系结构的指导。在这种背景下，需要对企业建模参考体系结构进一步发展和完善，以帮助多层次、多角度、多方法地建立企业模型，对系统进行描述、模拟和分析；帮助企业利用参考模型，提高企业信息化的效率和质量；将企业信息化建模的范围从面向企业内的集成扩展到面向企业间的集成，从面向信息的集成扩展到面向知识的集成，从面向功能的集成扩展到面向过程的集成。
根据现代企业的发展环境，根据人们对企业建模参考体系结构的新需求，提出了一种新的企业建模参考体系结构，因为其图形类似于字母“LLL”，故称之为L3型体系结构，如图2-3所示。
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第三层(L3)企业间集成第二层(L2)考行模业型参第一层(L1)组织功能视和图空间维建模方法模型视图过程和信息视图分阶段实施信息/知识集成过程集成时间维图2-3 L型体系结构框架的三层结构 3
L3型体系结构是一个三层结构，并在每一层分为空间维和时间维： （1）第一层（L1）是企业模型的视图层（图形化表示方法），空间维主要采用功能和组织视图，时间维主要采用过程和信息视图；
（2）第二层（L2）是企业模型的建模方法层，空间维主要提供行业参考模型库，时间维描述了建模分阶段实施流程；
（3）第三层（L3）是模型的应用层，涉及信息集成、知识集成、企业间集成和过程集成等。
2. L3型体系结构的第一层次L1
图2-4表示的是L3型体系结构的第一个层次，即企业模型的视图（图形化表示方法）层。
销售客户查询客户报价处理空间维处理订单验证订单跟踪进入查询客户银行存款检查订单数据检查订单发送输入客户数据报价登记有效性检查订单控制查看结果报价检查货物预留不一致性检查功能视图总部运输部门生产部门销售部门仓库李某某生产经理生产计划员销售经理高某某销售助理SAP项目工作组王某某李某某张某某组织视图客户代码日期客户代码计划定单合同管理用户合同计划管理安排产品设计工程图纸工艺设计工艺文件工装设计工装图纸工装制造名称客户订单头事件日期知识视图销售部门知识模型制造部门材料清单工艺文件客户代码工装货物代码订单条款货物描述货物货物代码收到订单接受订单订单已接受制造制造完成采购加工装配产品包装发运产品用户日期数量外购件、原材料会计知识营销知识制造知识执行某功能后学会或提升的知识执行功能时必需的知识过程视图信息视图时间维 图2-4 L型体系结构的第一层次L1——企业模型的视图层 3
（1）面向空间维的视图
面向空间维的视图有功能视图、组织视图等。这是一些静态视图，主要描述企业内各项功能、业务、人员和资源等之间的逻辑关系。
（2）面向时间维的视图
面向时间维的视图有过程视图、信息视图等。这是一些动态视图，主要描述企业内各项业务随时间变化的关系。
知识视图中包括了面向空间维的模型和面向时间维的模型。
在系统建模设计中，一般首先建立面向空间维的视图，然后建立面向时间维的视图，并由粗到细进行建模。
3. L3型体系结构的第二层次L2
图2-5表示了L3型体系结构的第二层次——企业模型的建立方法层。制造业信息化是一项复杂的系统工程，无论是在时间上还是在空间上的跨度都比较大，所以建立模型需要分成不同的层次和
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阶段来进行。 空间维通用参考模型部分通用参考模型企业专用模型利用行业参考模型参考模型所适用的企业范围增大建模方法需求分析总体设计详细设计企业重组系统实施系统评价时间维分阶段实施3图2-5 L型结构的第二层次L2——企业模型的建立方法层
1）空间维的建模过程
空间维建模过程的思路是：产品或业务相似的企业组成了行业，相似程度不同的行业可进一步分为行业大类、中类和小类。例如：动力机械为行业大类，汽轮机为行业中类，工业汽轮机为行业小类。对于不同类型的行业，分别建立通用程度不同的行业参考模型。这样，企业建模就不必什么都从头开始。企业在实施信息化时，利用行业参考模型可以快速建立起企业的专用模型。这样不仅可以降低建模成本，缩短建模时间，而且提高了模型的质量，因为行业参考模型往往是经过实践检验和专家反复论证的。如今较流行的企业参考体系结构（如CIM-OSA、ARIS等）都很重视企业参考模型。
图2-6描述了参考模型通用度与行业分类粒度的关系。行业分类粒度越大，参考模型的通用范围就越广，即空间越大，但对特定企业模型的适用度就越小。所以在建立企业模型时，应首先选择自己企业所属的行业小类的参考模型，如果找不到的话，再寻找上一层行业中类的参考模型，直到找到参考模型为止。最后，根据企业实际情况，对参考模型进行修改，得到企业的专用模型。
参考模型通用度制造业行业大类行业中类行业小类企业图2-6 参考模型通用度和行业分类粒度的关系 2）时间维的建模过程
对一个特定的企业进行建模并不是一步完成的，需要分阶段实施。在每一阶段结束后，都要对所建模型进行评审，尽可能在建模的开始阶段就发现和解决错误。图2-5中所示的主要阶段包括需求分析、总体设计、详细设计、企业重组、系统实施和系统评价等阶段。企业建模主要集中在前三个阶段。
在从详细设计到企业重组的过程中，主要依赖人的决策。但企业模型可以用于仿真分析、ABC（基于活动的成本）分析等，帮助人们进行决策。
例如，在实施企业信息化中，有以下几种实现途径：
（1）按照详细设计的企业模型，选择商品化的应用软件，对应用软件进行二次开发； （2）按照详细设计的企业模型，编制专业软件，进行系统实施；
（3）由详细设计的企业模型自动生成可执行的软件代码，在对企业模型进行修改后，要求能自动重新组合或修改相应的软件系统，满足企业的需求；
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（4）由详细设计的企业模型自动对软件模块进行重组，以适应企业的需要。
在系统评价阶段，通过系统的实际运行，根据企业需求，按照详细设计的企业模型，对系统进行各种性能评价。
4. L3型体系结构的第三层次L3
图2-7表示了L3的第三层次——模型的应用层。模型的应用层主要是将企业模型的应用范围进行扩展：从功能集成扩展到过程集成；从企业内的集成扩展到企业之间、企业与客户之间的集成；从信息集成扩展到知识集成。 空间维企业间、与客户间的集成客户关系管理供应链管理知识集成信息系统集成信息/知办公工作流产品工艺生产设计过设计过识集成自动化管理程管理程管理管理过程集成3集成范围的拓宽制造服务时间维图2-7 L型体系结构的第三层次L3——模型的应用层 1）空间维的建模过程 （1）信息系统集成模型
在企业信息化实施中，人们将40%的时间用在信息系统集成中。因为这些信息系统是由不同软件公司在不同时期开发的，往往采用不同的编程语言。因此，信息系统的集成成为信息化中的重要内容，第六章中将介绍与信息系统集成模型有关的内容。
（2）知识集成模型
知识集成模型的用途是描述知识与知识、知识与人、知识与过程的关系。知识集成模型处于发展之中。目前人们提出或使用的知识集成模型有：知识黄页、知识地图、知识结构图、知识需求模型等。第五章将介绍与知识集成模型有关的内容。
（3）供应链管理模型
目前企业间的集成管理一般采用供应链管理系统。采用供应链管理参考模型有助于提高供应链管理的效率。第四章将介绍与供应链管理模型有关的内容。
（4）客户关系管理模型
目前企业与客户之间的集成管理一般采用客户关系管理系统。采用基于因特网的可视化图形模型有助于企业与客户之间的沟通。第四章将介绍与客户关系管理模型有关的内容。
2）时间维的建模过程
（1）企业模型与企业过程管理
现代制造系统设计阶段所建模型可用于企业过程集成的管理，如：产品数据管理系统中利用过程模型进行产品设计过程的管理；工艺设计系统中用工艺过程图对工艺进行描述，并在作业计划管理中结合网络图对制造过程进行管理；办公自动化系统和工作流管理系统中利用过程模型进行办公和其他业务过程的管理。
（2）系统建模、仿真和优化的集成
时间维的建模过程实际上是一种系统建模、仿真和优化的集成过程，其构思如图2-8所示。图中的小循环是仿真过程，小循环外的大循环是系统的实际运行和验证过程。系统建模起了连接小循环和大循环的作用，即所建的系统模型由小循环进行仿真和优化，然后由大循环实际验证模型的可行性，最后再将修改后的模型通过小循环进行仿真和优化。通过两个循环的交替，使模型不断得到优化。
（3）企业模型到企业计算机应用系统的转换
企业模型到计算机应用系统的转换能够帮助企业快速地将模型转换为计算机应用系统，减少编程工作量，减轻系统维护难度，并可用企业模型直接对企业应用系统进行运行控制，使得企业的管
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