引言

    集成是由部分構(gòu)成整體、由單元構(gòu)成系統(tǒng)的主要途徑，集成就是通過接口實現(xiàn)不同功能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和功能互連，集成意味著將分散的異構(gòu)部件聯(lián)合在一起形成一個協(xié)同的整體，從而實現(xiàn)更強的功能，完成各個部分不能獨自完成的任務(wù)。企業(yè)集成是指通過連接所有必須的系統(tǒng)和異構(gòu)功能實體來方便跨越組織界限的信息流、控制流和物料流的傳遞，改進企業(yè)內(nèi)的通信、合作與協(xié)調(diào)，從而將企業(yè)組成一個協(xié)調(diào)的整體，達(dá)到提高生產(chǎn)率、柔性和管理水平的目的。

    企業(yè)集成系統(tǒng)是在企業(yè)單元技術(shù)和系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過集成形成的支持企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的集成化系統(tǒng)。相對于單元技術(shù)系統(tǒng)，集成系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、功能多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。

    制造業(yè)的企業(yè)集成是一個系統(tǒng)的將現(xiàn)場以及管理層和企業(yè)層的人力和機器作為一個整體組織成協(xié)同型企業(yè)集成系統(tǒng)的典范�？梢岳�用業(yè)務(wù)流程軟件和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)來滿足全自動化的計算機集成要求。目前主要問題依然是在關(guān)于企業(yè)層和制造車間層之間的界面，需要根據(jù)產(chǎn)品的生命周期、生產(chǎn)工藝和企業(yè)內(nèi)外的人力推動閉環(huán)內(nèi)的管理和經(jīng)營決策，從而調(diào)整生產(chǎn)進度。目前網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)的實現(xiàn)由于缺乏企業(yè)系統(tǒng)之間的互操作性遇到了暫時困難。該領(lǐng)域中研究的目的是為技術(shù)突破創(chuàng)造上游條件從而避免企業(yè)投資被信息技術(shù)(IT)要約的遞增變化所牽制，而前景取決于可以在公司、人員和團體之間創(chuàng)建的為生成共享知識和財富的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。創(chuàng)建成功的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)需要許多重要的基礎(chǔ)條件，如通用參考模型、有效的協(xié)同機制和方法、基于開放式架構(gòu)的配套基礎(chǔ)設(shè)施、再現(xiàn)成功案例的設(shè)計的工程方法學(xué)以及規(guī)范化的市場技術(shù)和工具。

    業(yè)務(wù)模型和制造模型的無縫集成需要企業(yè)工程模型和工具來全面描述一個集成制造系統(tǒng)的信息化方面。然而，時至今日，雖然在企業(yè)建模和集成領(lǐng)域已經(jīng)存在一些高級標(biāo)準(zhǔn)，但是它們卻還未被廣泛認(rèn)可，也未用于行業(yè)中。

1制造業(yè)對企業(yè)集成系統(tǒng)解決方案的需求

    1．1 企業(yè)集成和互操作性研究面臨的挑戰(zhàn)

    企業(yè)集成是從20世紀(jì)90年代起開發(fā)出來的研究領(lǐng)域，是對計算機集成制造(CIM)的拓展。企業(yè)集成研究主要包括兩個不同的研究對象：企業(yè)建模和信息技術(shù)。企業(yè)集成是企業(yè)工程的主要組成部分，涉及用于分析、設(shè)計和連續(xù)將企業(yè)保持在整合狀態(tài)的成套方法、模型和工具，這一點值得注意。在當(dāng)前的工業(yè)和經(jīng)濟環(huán)境下，企業(yè)系統(tǒng)需要經(jīng)常重構(gòu)以便適應(yīng)變化的市場需求和技術(shù)進展。被視為企業(yè)系統(tǒng)工程基礎(chǔ)的企業(yè)架構(gòu)，已作為幫助股東管理系統(tǒng)工程和變化的一種工具而出現(xiàn)了。它不僅僅是IT問題，更重要的是對戰(zhàn)略決策和組織方面的挑戰(zhàn)。

    表1 關(guān)于企業(yè)集成和互操作性研究面臨的挑戰(zhàn)

    一個集成系統(tǒng)系列必須且必然可以相互操作，但是互操作性系統(tǒng)不一定為集成形式。集成處理組織問題時可能以一種不太正式的形式(由于涉及到人)，這使集成更難解決一些，而互操作性則更側(cè)重于技術(shù)問題。兼容性比互操作性更簡單一些。兼容性意味著系統(tǒng)／單元不干涉彼此的運行，但是不具有交換服務(wù)的能力�；ゲ僮餍韵到y(tǒng)一定是可以兼容的，但是反之則不一定。為了通過魯棒性信息交換實現(xiàn)人際網(wǎng)絡(luò)，所有人都必須跳出兼容性范圍�？傊�，互操作性處于兼容性和完全集成之間。一定要從本質(zhì)上區(qū)分兼容性、互操作性和集成的概念，否則可能會引起混淆。當(dāng)兼容性明顯為最低要求時，在一套系統(tǒng)或單元內(nèi)預(yù)期的互操作性和集成的程度將由那些系統(tǒng)的底層功能水平所決定。

    根據(jù)制造業(yè)自動化系統(tǒng)對企業(yè)集成和互操作性的需求，筆者分析了與將來的研究工作有關(guān)的趨勢和問題。這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)根據(jù)表1的分類可以概括劃分如下：挑戰(zhàn)之1：協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的組織；挑戰(zhàn)之2：企業(yè)建模和參考模型：挑戰(zhàn)之3：企業(yè)與流程模型的互操作性；挑戰(zhàn)之4：企業(yè)模型的校核、驗證和確認(rèn)；挑戰(zhàn)之5：模型重用與模型庫。

    1．2對制造業(yè)系統(tǒng)環(huán)境中的企業(yè)架構(gòu)選擇

    企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)互操作性的問題可以根據(jù)不同的觀點和看法來定義。這些方面對應(yīng)于建模框架和企業(yè)架構(gòu)，根據(jù)線性尺度的演化觀點來看，如果某個應(yīng)用系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的互操作程度越高，它與高級抽象模型及其語義之間的關(guān)聯(lián)就會越強。因此互操作性發(fā)展過程在文獻資料中常被歸類為所謂的“互操作性等級”(見表2)。

    一個廣為認(rèn)可的信息系統(tǒng)互操作性模型是LISI模型(信息系統(tǒng)互操作性等級模型)。LISI主要根據(jù)系統(tǒng)互操作性的復(fù)雜程度進行分類(包括：隔離系統(tǒng)、對等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的連接級互操作性、分布式環(huán)境下的功能互操作性、集成環(huán)境下的領(lǐng)域級互操作性、通用環(huán)境下的企業(yè)級互操作性)。LISI關(guān)注系統(tǒng)之間的技術(shù)互操作性和互操作的復(fù)雜性。該模型不涉及與互操作性系統(tǒng)的建造和維護有關(guān)的環(huán)境和組織問題。于是人們承認(rèn)這一局限性并提出了OIM模型(組織互操作性成熟度模型)，將LISI模型擴展到更為抽象的命令和控制支持層(包括：獨立級、自組織級、協(xié)作級、集成級、統(tǒng)一級)。除組織互操作性外，交換流的內(nèi)容類型也是一個有待解決的問題。為解決該問題，NATO C3面向互操作性的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)參考模型(NC3TA)主要論及技術(shù)互操作性并確定了互操作性等級與子級(包括：非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交換、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)無縫共享和信息無縫共享)。這些等級劃分將用于數(shù)據(jù)的交換和解釋通過結(jié)構(gòu)化和自動化來提高操作有效性的方法中。

    此外在概念領(lǐng)域，文獻4推出了LCIM模型(概念互操作性等級模型)，可以對技術(shù)模型如LISI范圍外的概念互操作性等級進行評估。系統(tǒng)互操作性不僅僅是技術(shù)問題(如LISl或LCIM所述)，同時也是組織機構(gòu)問題(如OIM)�；ゲ僮餍缘倪@些方面與歐洲互操作性框架“，中所述的定義相符，在歐洲互操作性框架(EIF)中討論了互操作性的3個方面(即組織、語義和技術(shù))。

    表2成熟度模型

    選擇一個適當(dāng)?shù)目蚣苁峭七M互操作性工程的必要條件，因為它們代表著互操作系統(tǒng)工程領(lǐng)域的最佳策略。例如，在信息系統(tǒng)設(shè)計方法方面，為了解決這一問題，人們提出了一個關(guān)鍵問題框架，從而能夠有效的聯(lián)系用戶并改進集成企業(yè)的模型設(shè)計。這項開發(fā)是基于企業(yè)建模領(lǐng)域和信息系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中與企業(yè)集成相關(guān)的工作的交叉分析結(jié)果。

    企業(yè)集成系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)業(yè)務(wù)集成以便支持企業(yè)內(nèi)部和／或企業(yè)間的經(jīng)營。但是為便于通信和信息交換，業(yè)務(wù)集成需要物理集成和應(yīng)用集成的支持。目前許多企業(yè)已實現(xiàn)了物理集成，許多公司也己著手實施應(yīng)用集成。對于業(yè)務(wù)集成來說，雖然自20世紀(jì)80年代起已進行了開發(fā)，但至今仍未達(dá)到一個令人滿意的水平。

    1．3制造業(yè)系統(tǒng)環(huán)境中的集成和互操作性

    信息系統(tǒng)和制造系統(tǒng)的集成是企業(yè)建模方面的巨大成就之一。然而，一些新的因素(例如信息和通信技術(shù)的快速演變，還有為了受益于市場機會需要在不同類型的企業(yè)之間快速設(shè)立聯(lián)盟等)正在企業(yè)建模環(huán)境中引發(fā)出新的問題，如互操作性。于是人們對面向GI認(rèn)I擴展活動圖和UML活動圖之間的模型轉(zhuǎn)換的UML Profile(UML概要文件)提出了一個詳細(xì)定義，以便解決協(xié)作型企業(yè)內(nèi)出現(xiàn)在企業(yè)建模方面的互操作性問題。執(zhí)行這一概要文件的最終目的是為了取得模型導(dǎo)向的互操作性解決方案，該解決方案源自企業(yè)模型并指引企業(yè)獲得企業(yè)軟件應(yīng)用�；�于UML概要文件的方法的主要優(yōu)點之一是它向企業(yè)提供了一種普通的業(yè)務(wù)建模解決方案，該方案考慮到了互操作性問題。

    MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))解決方案為管理人員(決策層)和直接操作工人(操作層)提供車間狀況的實時信息。同時它也是戰(zhàn)略生產(chǎn)管理(如ERP_企業(yè)資源規(guī)劃)和制造車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)方面采用的規(guī)劃系統(tǒng)之間的信息橋梁。它通過對企業(yè)基本資源(如人員、存貨和設(shè)備)的最新信息實施適當(dāng)?shù)脑诰�管理和控制，從而將制造信息系統(tǒng)的各個層面(如戰(zhàn)略規(guī)劃和直接執(zhí)行)鏈接在一起。MES的重要性在于其功能性(指人員、存貨和設(shè)備)及它們與工廠環(huán)境的復(fù)合元素之間的交互作用。MES的核心功能包括規(guī)劃系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)采集、異常管理、工作單、工作站、存貨／原料和物料轉(zhuǎn)移。MES支持的功能包括維護、時間控制、統(tǒng)計過程控制、質(zhì)量保證、處理數(shù)據(jù)和文獻管理。而且，如今為制造業(yè)軟件和業(yè)務(wù)應(yīng)用程序(如ERP系統(tǒng))之間的互操作性關(guān)系提供定義和執(zhí)行方面的支持已經(jīng)成為日益增長的需求。

    為了支持所要求的B2M(業(yè)務(wù)至制造)的互操作，IEC62264標(biāo)準(zhǔn)定義了模型并且制定了用于說明企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和制造控制系統(tǒng)之間的界面的術(shù)語(符合語義學(xué))m。它以一種相當(dāng)詳細(xì)的方式描述了與企業(yè)、控制領(lǐng)域及這些領(lǐng)域內(nèi)正常交換的對象有關(guān)的功能。它將成為公認(rèn)的B2M集成和互操作性模型。在這種環(huán)境下，主要的建模理念是使產(chǎn)品能交互作為制造業(yè)企業(yè)資源的“控制器”，以便實現(xiàn)現(xiàn)有的產(chǎn)品系統(tǒng)之間的“快速”互操作性關(guān)系，并確保整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)物流和信息流之間的一致性。

    為確保定制的產(chǎn)品、貨物和物流服務(wù)的可追溯性，可以根據(jù)Holonic制造系統(tǒng)(HMs)范例將信息嵌入到實際對象中。這種holonic方法迫切要求集成單獨的對象視圖并參照IEC62264標(biāo)準(zhǔn)，以便對相關(guān)的holons領(lǐng)域中缺乏既定標(biāo)準(zhǔn)(有時發(fā)生在事后)以及缺少基礎(chǔ)技術(shù)的(由于缺少共同支持的全球性戰(zhàn)略)快速但不穩(wěn)定的增長進行詳細(xì)的分析研究。

    企業(yè)集成可能涉及不同的層面，也可以按不同的方法實現(xiàn)集成。在企業(yè)子層，集成應(yīng)用與系統(tǒng)的功能性限于一個同類區(qū)域，通常為單一業(yè)主權(quán)限下的單一地方站點。例如，柔性制造系統(tǒng)位于集成的企業(yè)子層面。單一站點企業(yè)層面的完整功能性集成確�？梢圆捎靡粋�通用架構(gòu)將業(yè)務(wù)流程、制造過程和產(chǎn)品實現(xiàn)結(jié)合在一起，以便實現(xiàn)共同的目標(biāo)。這通常適用于單一業(yè)主權(quán)限下的分廠(如一個自動化工廠)。

    企業(yè)集成系統(tǒng)的最終目標(biāo)是在各個層面整合不同類型的電子化技術(shù)(如電信、因特網(wǎng)，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)／企業(yè)外網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、Web應(yīng)用程序)、電子化應(yīng)用(如企業(yè)資源規(guī)劃、制造執(zhí)行系統(tǒng)、SCI--供應(yīng)鏈集成、EPS--電子采購系統(tǒng)、CRM--客戶關(guān)系管理、SRM--供應(yīng)商關(guān)系管理)和電子化服務(wù)(如電子化供應(yīng)、電子化工程、電子化營銷、電子化中介、電子化生產(chǎn)力、電子化工廠)，從而產(chǎn)生了電子化企業(yè)的概念。

2關(guān)于制造業(yè)企業(yè)集成系統(tǒng)互操作性方面的語義問題

    由于工業(yè)系統(tǒng)目前的集成和互操作性趨勢，使得它們的規(guī)格和復(fù)雜性不斷增加，由此導(dǎo)致其組織內(nèi)發(fā)生的問題更加難以分析、理解和解決�？沙掷m(xù)改善的方法是將用于理解和解決問題、控制變化的影響并最終將與變化和改善有關(guān)的知識作為轉(zhuǎn)化為資本的強大工具。這些工具恰當(dāng)?shù)亟槿肱c關(guān)聯(lián)系統(tǒng)相關(guān)的重要知識，所以對組織而言，知識管理(KM)已經(jīng)成為日益重要的競爭優(yōu)勢的來源。尤其是經(jīng)驗反饋(EF)所得知識的資本化和共享是在工業(yè)活動的持續(xù)改善方面起關(guān)鍵作用的元素。這里論及的語義互操作性以及將經(jīng)驗信息轉(zhuǎn)化成顯性知識的經(jīng)驗反饋過程的結(jié)構(gòu)化和形式化，這類知識的重用已證明對完成公司的使命具有重大影響，但是描述經(jīng)驗知識對象的方式通常還不正規(guī)。可以基于經(jīng)驗反饋過程的模型和概念圖，采用領(lǐng)域本體作為闡述顯性知識和專有技術(shù)的框架，其目的是為了得到重要、正確并可適用的經(jīng)驗描述。

    在制造業(yè)企業(yè)集成方面，存在兩種架構(gòu)類型。第一種類型指集成系統(tǒng)(如計算機系統(tǒng)或通信系統(tǒng))的某一部分的架構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)。第二種類型指物理集成開發(fā)項目的架構(gòu)或結(jié)構(gòu)，即詳細(xì)說明集成化企業(yè)開發(fā)項目的生命周期的那類架構(gòu)。目前架構(gòu)概念還未被充分利用，其中一個原因是在企業(yè)系統(tǒng)的重大特點描述方面缺乏合適的架構(gòu)表示形式。通過對過去和新近企業(yè)架構(gòu)方法的回顧，可以清楚的發(fā)現(xiàn)第一類架構(gòu)的開發(fā)還很不充分，尤其需要更為抽象的參考架構(gòu)，這將有助于重用成熟架構(gòu)解決方案，以便在執(zhí)行企業(yè)集成工程項目時能節(jié)省時間和費用。同時還需要協(xié)調(diào)和映射現(xiàn)有的架構(gòu)類型，包括企業(yè)集成和互操作性框架。

    筆者認(rèn)為以下研究問題將是未來幾年內(nèi)要面臨的挑戰(zhàn)：

    (1)企業(yè)架構(gòu)需要更多的關(guān)注經(jīng)營策略與執(zhí)行技術(shù)的協(xié)調(diào)，不應(yīng)僅僅關(guān)注于業(yè)務(wù)或信息技術(shù)及其單獨的研發(fā)。

    (2)必須開發(fā)一種更為抽象的企業(yè)架構(gòu)語言以便描述設(shè)計初期的企業(yè)架構(gòu)及其特性和特征。

    (3)現(xiàn)有的架構(gòu)設(shè)計原則及其形式還未發(fā)展到令人滿意的水平，無法給企業(yè)架構(gòu)帶來顯著的改善。這個領(lǐng)域還需要進行更多的研究以便推動良好的規(guī)范與理論的重用。

    (4)開發(fā)出一個能準(zhǔn)確說明企業(yè)架構(gòu)領(lǐng)域的概念及其特征的本體也是一項極富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。采用這個本體可以清楚的理解該領(lǐng)域內(nèi)的論域，避免對架構(gòu)提案的多重甚至是冗余的開發(fā)。企業(yè)架構(gòu)本體也涉及不同企業(yè)架構(gòu)提案間的語義互操作性問題。

    很顯然，目的就是為了提高特定模型的準(zhǔn)確性、完整性、相關(guān)性和質(zhì)量水平。實際上，按照公認(rèn)的模型驅(qū)動工程原則，無論工程項目的目標(biāo)是什么(如：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的軟件開發(fā)、集成、風(fēng)險分析、業(yè)務(wù)及組織互操作性分析和改善)，都將用到不同性質(zhì)并涵蓋不同目的的模型。系統(tǒng)工程將在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)提供集成、校核、驗證和確認(rèn)的流程。同樣，信息軟件工程和集成領(lǐng)域的大量工作也都將為執(zhí)行這些活動提供形式化的技術(shù)和工具。

3結(jié)束語

    語義集成如今已成為大型企業(yè)和動態(tài)企業(yè)內(nèi)部處理異構(gòu)性的重要方法。集成問題的現(xiàn)有解決方案主要是基于某些標(biāo)準(zhǔn)件和中間件。這類解決方案通常不太適用，因為它們不能涵蓋大量的應(yīng)用程序或者說缺乏靈活性�；�于語義Web服務(wù)的解決方案極有發(fā)展前途，目前正被積極的研究。這些技術(shù)可以為一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)(如語義媒介及其互操作)提供解決方案。信息和通信技術(shù)的發(fā)展以及市場的動蕩情況已促使中小型企業(yè)將業(yè)務(wù)經(jīng)營方式從傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)為電子商務(wù)型。在這種環(huán)境下，涌現(xiàn)了新的協(xié)作方式，如協(xié)同網(wǎng)絡(luò)或虛擬企業(yè)。在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，集成與互操作性增強了協(xié)同網(wǎng)絡(luò)及其成員組織的競爭優(yōu)勢，于是這項技術(shù)就成了以省時、優(yōu)質(zhì)和低成本的方式實現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的關(guān)鍵。

    未來場景將信息和通信技術(shù)視為可持續(xù)發(fā)展的核心。下列技術(shù)領(lǐng)域已被確定為與信息和通信技術(shù)有關(guān)的下一代制造業(yè)成功的關(guān)鍵：

    ①適應(yīng)性更強的集成設(shè)備、工藝及可以重裝配置的系統(tǒng)；

    ②適用于整個制造過程的系統(tǒng)綜合、建模及模擬；

    ③能夠?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成利于有效決策的知識和技術(shù)；

    ④性能更強的人機界面；

    ⑤使知識能被快速同化的教育和培訓(xùn)方法；

    ⑥協(xié)作型的智能系統(tǒng)軟件；

    ⑦涵蓋許多產(chǎn)品要求的產(chǎn)品與工藝設(shè)計方法；

    ⑧設(shè)計制造新材料和新部件的創(chuàng)新工藝；

    ⑨能將廢物產(chǎn)生和能源消耗降低到最小程度的制造工藝。

    上述所有領(lǐng)域都與企業(yè)集成和互操作性的概念密切相關(guān)，因而是支持新的技術(shù)解決方案的產(chǎn)生的關(guān)鍵。

    正是由于企業(yè)集成這一思想方法和技術(shù)上的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，在一定程度上促使企業(yè)內(nèi)部各部門和業(yè)務(wù)流程集成度的提高，以及企業(yè)之間橫向與縱向聯(lián)系的強化和深化，從而為網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)的產(chǎn)生及發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。從企業(yè)集成的角度研究可以認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)或許將成為組織創(chuàng)新的一個必然趨勢；而企業(yè)集成系統(tǒng)的提出則為網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展提供了必要的思想方法和工具。

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本文標(biāo)題：制造業(yè)自動化的企業(yè)集成系統(tǒng)研究展望

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