企业建模

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资源 在2007-2-9 17:12:03发布说

概述
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随着市场竞争的日益激烈，企业正面临着国际国内市场竞争的严峻形势。激烈的市场竞
争要求企业必须全面提高其T、Q、C、S水平。即不断缩短产品开发时间(Time)、提高产
品质量(Quality)、降低成本(Cost)、提高服务(Service)，才能在激烈的市场竞争中立
于不败之地。为了能够在市场中赢得竞争，绝大部分企业进行了不同程度的技术改造，
但是单纯添置计算机平台、应用软件和先进设备并不能给每个企业都带来期望的效益，
关键是需要把企业中的各个部门作为企业的有机组成部分加以集成和优化运行。CIMS(计
算机集成制造系统)是用信息技术、现代管理技术及先进设计制造技术改造传统制造业、
加强新兴制造业、提高企业市场竞争力的系统化技术。它是以企业产品为中心，在产品
的全生命周期设计过程、管理与决策过程、加工制造过程、产品质量和控制过程中采用
各种计算机辅助技术和先进的科学管理方法，将企业运行过程中的人/组织、管理、技术
及信息流、物流、价值流集成优化，以获得更大的效益。
企业建模与分析方法为CIMS应用工程的建立提供理论基础和规范，并为参考模型的建立
和企业建模与分析工具的研制提供方法学依据。
企业建模与分析参考模型为运用企业建模方法学建立CIMS应用工程模型提供参考原型系
统。在建立相同行业的类似CIMS应用工程时，对参考模型进行有针对性的细化与实例化
后即可直接应用，可大大缩短系统建立的时间、减小系统分析和设计的工作量。因为参
考模型是根据成功CIMS应用工程原型建立的，根据参考模型建立的CIMS应用工程可以相
对降低应用CIMS应用工程的风险。
企业建模与分析工具为企业建模与分析方法及参考模型的实际应用，提供高质量与高效
率的有效支持。
但是企业是一个非常复杂的社会、经济、物理系统，在企业实施CIMS更是一个复杂的系
统工程，除了需要实施者有良好的理论、技术和丰富的实施经验，还需要有先进实用的
CIMS实施方法论的指导和工具系统的支持。随着CIMS理论和实践的发展，针对CIMS工程
的实施，国外提出了多种系统建模、设计和分析方法论，如CIMOSA、GRAI-GIM、PERA、
ARIS和DEM等，这些方法论各有特色。
基本概念
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企业建模与分析主要研究企业CIMS应用工程的建模与分析方法、企业参考模型和企业建
模与分析工具。
建模方法是人类对客观世界和抽象事物本身及其间联系的具体描述；企业建模方法是为
了描述企业的所有特征（属性、功能、交互等）而采取的途径、步骤和手段。
分析是一种研究问题的方法，它将复杂的事物、现象、概念分成较简单的组成部分，找
出这些部分的本质属性和彼此之间的关系。如同建模方法一样，针对不同的研究领域需
要采用不同的分析方法。对于复杂系统的分析通常还需要采用分析工具的支持。研究企
业这个十分复杂系统时，除了必须采用辅助工具外，分析还必须建立所建立的模型基础
上来进行。因为企业是个非常复杂的、同时又处于实际运行的、庞大的物理、社会、经
济系统，对于它的分析只能建立在简化的企业模型上。
企业参考模型是有关企业公共特征的描述模板，它是根据一定行业、一定经营方式，并
利用相关的建模方法来构造的；这种模板在对同属一类行业的企业建模时具有相当的参
考、指导以至直接应用的价值。
企业建模与分析工具是一种软件工具，该工具的作用是在企业全面建模与分析活动中，
利用相关的建模与分析方法及参考模型，提供最有效的软件支持，并保障建模过程的一
致性和规范性，达到提高建模与分析质量和效率的目的。
所谓系统是由许多部分（元素）组成的一个整体，这个整体是由相互关连、相互制约的
各个部分组成的，这个整体具有这些独立的部分所不具有的新的性质和功能。企业就是
一个由许多具有不同功能的不同部分组成的一个整体。从组织上看，企业有许多不同的
职能部门组成，从生产经营过程看，企业具有复杂业务处理系统、设计系统和制造系统
。企业的生产经营过程中还有大量的数据作为其运行基础，不同的资源在不同的部门发
挥中不同的作用。因此，就今天我们的技术水平而言，企业是一个非常复杂的系统，对
于复杂系统的研究不仅仅需要研究人员的热情、勇气和智慧，还需要借助数学工具和当
今先进的计算机工具。如果想要能够对企业这样一个复杂的系统进行有成效的研究，首
先需要建立一个能够反映企业外部行为和内在性质模型。
模型是人们为了研究和解决客观世界中存在的种种问题而对客观现实经过思维抽象后用
文字、图表、符号、关系式以及实体模样描述所认识到的客观对象的一种简化的表示形
式。模型的构造以及构造模型的目的都是为了研究问题的需要，它们都是为了满足研究
者在某个研究问题上的需要而建立的，是为了帮助人们对问题进行分析和研究。比如，
为了研究受控制对象的行为以及如何更好的控制它们，人们构造出受控制对象的状态方
程模型，为了研究机床在加工过程中的振动情况，人们构造出机床的动力学模型。
一般来说，模型主要有三种基本表示形式，它们分别是：（1）形象模型；（2）模拟模
型；（3）数学模型。在具体的一个问题分析过程中建立什么样的模型完成由研究者根据
研究的需要和是否方便来决定。
因此，我们不难看出以下两点，即模型不是客观世界的全部，它仅仅是客观世界经过抽
象的简化的表示，另外建立模型的目的是为了解决客观世界中存在的问题，而不仅仅是
为了描述客观世界。
国内外研究动态
国内外在建模与仿真分析方面的研究已经开展多年，取得了丰富的研究成果。在企业建
模方面也取得相当多的研究成果。比较著名的研究成果有GRAI/GIM方法、CIMOSA方法、
IDEF方法、ARIS体系结构、PERA方法与TOVE方法等，另外工作流建模技术、面向对象建
模方法也取得了不少研究成果。这些方法从不同的角度和出发点提出了自己对于企业这
个复杂系统的理解，并给出了描述企业的方法，同时也开发了许多相应的工具系统。
1) CIM-OSA方法
CIM-OSA（Computer Integrated Manufacturing – Openness System Architecture）
是由欧共体的21家公司和大学组成的ESPRIT-AMICE组织经过六年多的努力而开发出的一
个CIM开放体系结构。其目的是提供一个面向CIM系统生命周期的、开放式的CIM参考体系
结构，从多个层次和多个角度反映了CIM企业的建模、设计、实施、运行和维护等各个阶
段，提供了CIM系统描述、实施方法和支持工具，并形成了一整套形式化体系。与其他C
IM体系结构相比，CIM-OSA具有全面性、完整性、开放性、标准化和形式化等优点，因而
受到国际上的好评，并成为国际准化组织的一项预标准。目前许多建模框架是基于CIM-
OSA衍生出来的，或在很大程度上借鉴了CIM-OSA的思想。
CIM-OSA的不足之处是：
没有一种真正意义上的方法论指导用户的建模过程
由于过于强调形式化，使得一般用户较难理解和掌握，限制了其应用
模型框架的部分内容尚不完善
目前尚无一种完全遵循CIM-OSA的商用软件。
2) ARIS方法
ARIS（Architecture of Integrated Information System）是德国Saarbrück大学的A
.W. Scheer教授于1992年提出的一种基于过程的模型结构。它提出了一个集成化的信息
系统模型框架，在这个框架之中发展、集成和优化应用系统，并转化为EDP技术实施。面
向企业，ARIS以面向对象的方法描述了企业的组织视图、数据视图、过程视图和资源视
图，并通过控制视图来描述组织、数据、过程、资源四个视图之间的关系。面向企业信
息系统实施的的生命周期， ARIS定义了需求定义、设计说明和实施描述三个层次。
在ARIS结构中，组织、数据和功能视图的发展过程是相对独立的，它们之间的关系由控
制视图来描述。控制视图是ARIS区别于其它结构的重要特征，它用来记录和维护组织视
图、数据视图和功能视图之间的关系。资源视图仅用于描述信息技术设备，因此，根据
组织、数据和功能视图与信息技术的结合程度，生命周期模型取代了作为独立描述对象
的资源视图。
ARIS是基于过程的二维模型结构，它有一套标准的可以互相集成的软件工具集来支持AR
IS建模及仿真。如：应用系统ARIS Easy Design, ARIS Toolset, ARIS for R/3等。这
些软件工具大大增强了ARIS结构的可实施性。
但是，ARIS也存在一些不足。由于功能、组织和数据视图是相对独立发展的，其内容的
一致性和完整性难以维护。
3)IDE方法
IDEF方法是由美国KBSI提出一系列建模、分析、仿真方法的统称。它主要由3种模型组成
：功能模型（IDEF0），信息模型（IDEF1X），和动态模型（IDEF2）。IDEF0是一种基于
功能分解的单元建模技术。在IDEF0中，一个盒子表示一个整体功能，该功能是相关功能
的一个集合，而不只是一个单独的活动。IDEF1用于生成一个信息模型，描述在该环境（
或系统）中的信息的结构和语义。IDEF1模型的构件是实体、联系和属性。IDEF2用于产
生制造系统随时间变化的各种行为的一个描述，分析IDEF2描述可以获得制造系统用计算
机仿真的系统执行情况。
IDEF方法的每一种模型在系统分析的某一方面都是强有力的分析工具。但是，IDEF各种
方法之间缺乏统一的接口，使得其功能建模结果在信息建模过程中得不到充分的利用，
甚至功能建模和信息建模背道而驰。而我国在系统分析阶段通常使用功能建模（IDEF0）
方法，在系统设计阶段大都使用信息建模（IDEF1X，IDEF1的一个扩充版本）方法，两种
方法的兼容性差导致系统分析阶段工作结果在向设计阶段工作过渡时被抛弃，导致前期
系统分析工作的浪费和后期设计工作与系统需求脱节；另外，由于目前使用的大多是面
向对象的编程语言，而IDEF方法是一种结构化的建模方法，因此存在设计结果和面向对
象编程之间的矛盾。
4) GRAI/GIM方法
GRAI （Graph with Results and Activities Interrelated）方法是由法国Bordeaux第
一大学提出的，是专门为在生产系统制定决策而开发的。GRAI由一个生产系统由一个物
理系统和一个生产控制系统组成，物理系统是一组制造单元，其功能是将原材料或部件
转变为完成的部件或一个完成的产品。生产控制系统制定决策，它由一个信息系统和一
个决策系统组成。它基于诸如定货、资源和能源等方面的信息制定决策，以便物理系统
执行其功能。GRAI的概念模型描述在信息系统、决策系统和物理系统间的联系。信息系
统是其它系统间连接的链条。GRAI模型有一个层次化结构，因此在每一层，决策和信息
都取决于执行的任务和制定决策过程所处的时间段。因此，必须构造信息以满足每一层
决策的制定。
GRAI模型由两个部分组成：GRAI珊格与GRAI网。GRAI珊格从全局的角度描述了企业生产
管理中的两大主要问题：功能与时间之间的关系。企业生产系统管理中的功能维主要有
物料管理、资源管理以及计划。通过计划，使资源管理与物料管理协调、同步和一致。
生产管理中的时间维是指生产管理过程中所需考虑的时间长度（Horizon）及其周期性进
行调整的时间间隔（Period）。由时间为和功能维相交形成的每个格子为决策中心。GR
AI珊格中用粗箭头表示决策控制关系，被指向的决策中心应严格执行或完成发出箭头的
决策中心提出的指标要求，而其中的细箭头指一般的信息联系。GRAI网用于描述每一个
决策中心活动及其之间的关系。
GIM（GRAI Integrated Methodology）方法论是以GRAI模型为基础的CIM集成方法论，是
分析设计生产管理系统的方法论。
GRAI方法适合于生产系统分析和对生产系统决策制定过程的描述。然而由于GRAI方法的
主要目的是设计一个决策支持系统，而不是设计一个信息系统，所以它不适合于做数据
库的设计工具。
5）BAAN/DAM动态企业建模方法
BAAN是一个为项目型、流程型以及离散型产业提供企业资源计划（ERP）应用系统和咨询
服务的公司。它利用关键组件Orgware来实现动态企业建模DEM（Dynamic Enterprise M
odeling）策略，进而实现较为灵活而有效的经营管理运作。
动态企业建模是一种新的模式，它为企业提供一个企业管理与运行的框架结构，以保证
企业的应用系统紧密匹配企业经常改进的业务流程和业务模型，即它使企业的业务处理
过程同BAAN的功能范围很宽、且已经实践检验的应用软件相匹配，进而减少整个CIMS应
用工程的复杂性，增加应用柔性。企业模型是对企业抽象的描述，可用于分析和仿真企
业行为，是指导动态企业建模的核心。动态企业建模除提供了一套层次化的、可相互关
联的（通过一定的规则）企业建模工具以外（可建立如企业结构模型、业务控制模型、
功能模型、工作流程、组织模型等的企业模型），还提供了一套企业参考模型。它们是
客户业务过程模型建模的起点。这些模型是和BAAN应用紧密连接，当客户的业务过程变
化了后，这些模型也会随之快速而变，相应的应用也会重新配置。新的应用和软件元素
也可以添加进来以使建模工具始终和客户最新的业务操作匹配。另外还提供一套企业效
能管理工具和企业实施工具，提供了对建模过程、实例化过程、优化运行过程及实施过
程的管理。
动态企业建模实现的手段主要是通过预先配置的模块来降低系统的复杂性。其中的关键
是尽量在业务周期的早期使用DEM参考模型中已有的元素配置用户业务。它使用建模器、
合适的模型、合适的功能和过程资源库及一些有用的专家来动态地配置业务操作，同时
规划企业未来需求。在实施时，它把企业本身的业务处理流程作为输入，在标准的企业
参考模型的基础上，快速地把企业的业务流程映射到BAAN系统。在完成企业的业务流程
的映射后，BAAN系统中的模型就被自动配置得能按企业的要求来运行。这样，企业应用
系统的模型就会快速地被确定下来。
但是DEM还没有涉及到企业产品设计过程的建模及管理。它也只是一些建模方法的抽象，
没有系统化的理论作为支撑。
6) 工作流建模方法
来源于计算机支持协同工作领域的工作流技术，可以为企业过程建模、仿真和分析提供
一条有效的途径，为企业CIMS的成功实施提供有力的支持。从广义上讲，工作流是指由
计算机软件系统（工作流管理系统）控制执行的过程，它包括一组活动及它们之间的连
接关系，还包括过程的启动和终止条件，以及对每个活动的详细描述，如活动的执行者
、相关的应用程序，需要和产生的数据等。工作流管理系统则是用于定义工作流模型，
建立工作流实例和管理工作流执行的系统。它通过运行一个或多个叫做工作流机的软件
来解释模型定义，与工作流的参与者（人或应用）交互，推进工作流实例的执行，并监
控工作流的运行状态。
从九十年代初开始，工作流技术逐渐引起了研究者的极大兴趣，从而获得了长足的发展
。目前，国际市场上的工作流产品种类繁多，它们采用了不同的开发方式，有着不同的
运行环境、不同的风格和不同的功能特点。1993年，工作流管理联盟（Workflow Manag
ement Coalition）的成立，标志着工作流技术开始进入相对成熟的阶段。为了实现不同
工作流产品之间的互操作，WfMC在工作流管理系统的相关术语、体系结构及应用编程接
口（WAPI）等方面制定了规范的标准。
从生产经营的角度来看，企业可以被视为由多个相互关联的不同层次的过程所组成的网
络，这些过程相互之间存在着顺序／并发、资源共享／冲突、以及目标相关等关联。在
CIMS信息环境下，这些过程可以被视为多个相关的工作流。同时，工作流是企业中各种
流的载体，它带动了信息流、物料流、资金流的流动，并决定了它们的流速和流量。通
过工作流，考察信息、物料、资金等随过程的变化情况，从而可以方便的对某些关键指
标进行跟踪和计算。
工作流的描述方法不仅清晰、自然，容易被理解和接受，而且，具有很强的描述能力。
它综合了企业的多个视图，不仅描述了“做什么”、“怎样做”，而且，还定义了“由
谁做”、“用什么做”，从而比较全面的反映了企业的生产经营过程。
7) 普度企业参考体系结构
PERA是Purdue 大学应用工业控制普度实验室T.J.Williams 1992提出的企业参考结构。
它将任务视为企业功能分解的最低层，是基于任务建模的参考模型。它包括对信息系统
任务、制造任务和人的任务，以及这三者之间相互关系的建模。
PERA通过两个视图：功能视图和实施视图来描述企业。功能视图描述企业的任务和功能
，它定义了两个流：信息流和制造流（顾客服务流）。其中，信息流包括企业中所有与
功能相关的决策、控制和数据处理，而制造流则取决于企业的具体生产需求。实施视图
中，两个功能流被重组成三个实施集：人的活动（与信息或控制相关，或者与制造及顾
客服务相关），信息流活动（人不参与执行），和制造或顾客服务活动（人不参与执行
）。
与其它参考模型相比，PERA覆盖了CIM系统实施的最完整的生命周期。最重要的是，PER
A考虑了对人的行为活动的建模，这也是PERA区别与其它参考模型的重要特征。
但是到目前为止，还没有满意的方法能够对人的活动，尤其是对人的创造力建模。而且
，PERA描述复杂系统的能力也有待进一步的研究。另外，还没有标准软件能够支持PERA
结构的建模和分析。
8) 面向对象建模方法
面向对象的系统开发方法促使软件开发按应用域的观点来工作和思考，因为应用域中的
问题贯穿软件系统开发的大部分周期，只有清楚地识别、构造和理解了应用域，才能有
效地设计系统的数据结构和功能。面向对象的开发是一种在分析和设计阶段独立于程序
设计语言的概念化过程。与其说它是一种程序设计方法，不如说它是一种思维方式，其
最大的优点是帮助分析者、设计者及用户清楚地表述抽象概念、互相交流和通讯。
面向对象用对象为所有的概念实体建模。对象的状态是在其实例的变化中捕捉的。一个
对象的行为用方法进行封装。对象可以用消息通过公开接口与其它对象通讯。面向对象
模型的特征是：封装、继承和多态。
封装（或信息隐藏）是一个对象的内部细节和其可被其它对象访问的外在表现的分离。
通用性是一个单独的对象的一个类作为一个单独名字的对象的抽象。
继承允许我们在定义一个新类时重用一个已有类的行为和代码。一个子类继承其超类的
操作，还可以拥有新的操作和新的实例变量。
多态是采用多种形式的能力。在面向对象程序中，它指通用类中的同一属性在不同层次
位置的不同表现。多态性增强了软件的可重用性。
面向对象方法以对象为基础，利用对象的继承、信息隐藏和模块化的优点，进行系统分
析与设计，因此进行这项工作的第一步就是要定义对象，准确地定义对象是应用面向对
象方法进行系统分析和设计取得成功的关键，然后在根据对象的特征属性定义对象之间
的关系，进而完成整个系统的分析与设计工作，而目前的大多数面向对象分析与设计方
法都没有提供一个定义对象的有力手段，往往是在工作一开始就定义了一大堆对象，然
后随着工作的进一步深入，再对这些对象进行增删改，使得工作在一开始就陷入了一个
十分复杂的境地。由于事先定义了过多的对象的影响，使得在进一步确定对象时仍具有
很大的随机性和盲目性。
现有面向对象方法的对象定义过程中存在的缺陷，导致：
增加了系统分析与设计的难度 对于CIMS这类复杂大系统来说，存在成千上万的候选对象
，随机地选取对象带有太多的盲目性，从如此多的侯选对象中选取合适的对象是一项难
度很大的工作。
导致人力物力资源的不必要的浪费 对象选取的难度势必需要投入过多的人力、物力，而
对象选取过程的随机性必然导致系统的反复修改次数，延长了系统的开发时间。
系统的稳定性差 对象确定过程的盲目性和随即性，使得可能存在使系统崩溃的隐患。
所得到的分析设计结果不是最优结果 对象确定过程的随机性，使得所得到的分析设计结
果很难达到最优。
面向对象方法的优势得不到充分发挥 上述问题，限制了面向对象方法优势的发挥。
只有建立一套能够准确的捕捉和定义对象的方法才能从根本上解决上述问题。