1、第37卷第6期2004年6月天津大學學報Journal of Tianjin U niversity V ol.37N o.6Jun.2004CAPP 系統的IDEFX 集成化建模楊天劍1,汪波1,郭偉2,趙艷彬3(1.天津大學管理學院,天津300072;2.天津大學機械工程學院,天津300072;3.天津師范大學經濟管理學院,天津300074摘要:根據集成化的建模思想,利用CI MS 2OS A 開放系統體系結構構架,并且結合使用I DEFX 建模方法,對制造型企業C APP (com puter aided process planning 系統的設計做了深入分析,詳細描述了C APP 系

2、統各方面的信息特征,討論了C APP 系統模型的共性提取問題,得到了一些可以快速建模的通用性模型.本模型的建模方法結合了UM L(unified markup language ,具有強大的實體描述能力,具有廣泛的適用性和構件的重用性.關鍵詞:計算機輔助工藝設計;參考體系結構;I DEF ;建模方法中圖分類號:N94;TH16文獻標志碼:A 文章編號:049322137(20040620553206I ntegrated Modeloing Method of CAPP System with IDEFX and UMLY ANG T ian 2jian 1,W ANG Bo 1,G UO W

3、ei 2,ZH AO Y an 2bin 3(1.School of Management ,T ianjin University ,T ianjin 300072,China ;2.School of Mechanical Engineering ,T ianjin University ,T ianjin 300072,China ;3.School of Management ,T ianjin N ormal University ,T ianjin 300074,China Abstract :By combining m odel CIMS 2OS A ,IDEF method

4、,an integrated method which can be used to analyze com 2plex systems like C APP systems is put forward in this paper.Using the method ,C APP system is discussed thorough 2ly ,and some general m odels that can be reused to set up com plex m odels for different C APP systems in order to finish a com p

5、licated C APP m odel quickly are obtained.As some UM L (unified markup language m odels are em ployed ,the method can save significant time in deploying a new C APP system and can be used in alm ost all manu facturing facto 2ries.K eyw ords :C APP ;CIMS 2OS A ;IDEF ;UM L制造企業是一個非常復雜的社會、經濟和物理系統,在企業圍繞產

6、品開發進行的工作中,涉及到了復雜的信息活動.所以,有必要發展集成的企業建模方法與工具,以支持建立企業信息系統的描述.C APP 系統是連接PDM 和ERP 的橋梁.由于企業的產品工藝過程和設備種類復雜,所以對C APP 系統進行分析是復雜系統分析的典型例子.本文描述了將CI MS 2OS A 模型和I DEF 建模方法相結合的集成化建模的運用方法,分析了企業中的工藝設計活動過程,建立了企業C APP 信息系統模型,全方位地反映了C APP 系統各個方面的信息,構造了企業信息系統集成模型,并進一步討論了C APP 系統的個性與共性.1CAPP 系統及CIMS 系統的體系結構根據“863”CI M

7、S 專家組的最新定義1,CI MS (con 2tem porary integrated manufacturing system 計算機集成制造是一種新的思想方法,而不是現成的軟件產品,因此,每個企業必須通過對自己企業的分析,根據自己的實際情況,設計、開發相應的CI MS 系統.C APP 系統是對計算機輔助工藝設計進行研究的CI MS 環節.C APP 系統反映的是產品的工藝設計過程,前端是設計過程,后端是制造過程.為了科學地對工藝設計過程進行分析,加快建模速度,就應該盡量利用已有的CI MS 建模方法和體系結構,充分利用現有的結果和設計經驗,利用標準模塊進行組合.所以筆者對收稿日期:2

8、003201220;修回日期:2003206225.作者簡介:楊天劍(1976,男,博士研究生.C APP 系統建模的技術路線就是采用CI MS 2OS A 、I DEFX與面向對象的UM L 相結合的集成化建模思想,形成與工藝設計過程相對應的模型,最后再形成實際的物理模型,如圖1所示.近年來,C APP 系統出現了一些新發展.由于供應鏈和企業動態聯盟的出現,它已經由單個企業的內部發展到企業間的協同制造模式,C APP 系統設計的建模方法需要有相應的強化,才可以分析日益復雜化的C APP 系統.因此,本文轉向集成化的建模方法,對C APP 進行分析.簡單地講,CI MS 系統的結構體系就是一組

9、代表整個CI MS 系統各個方面的多視圖、多層次的模型集合,是用于企業信息集成的決策支持工具和方法的集合,它描述企業內部與產品開發過程相關的信息活動和信息流,以及參與信息活動的各種組織、資源和設備的相互關系,為提高企業環境中信息系統的運行效率提供幫助.目前,企業集成建模的理論和實踐研究已取得了很大的進展,比較成熟的有歐共體ESPRIT 的CI MS 開放系統體系結構CI MS 2OS A (CI MS 2open system architec 2ture ,它具有全面性、完整性、開放性、標準化和形式化等優點,已成為歐洲MS 體系結構的標準.此外,還提出了以I DEF 方法、G RAI/GI

10、M 方法、ARIS 方法和PERA 方法等為代表的企業集成建模方法.由于CI MS 2OS A 并沒有提出實際可行的建模方法,但是提供了強大的建模結構,所以本文將I DEF 、UM L 方法與之結合,提出集成化的建模體系結構.本集成化的建模體系結構可以適用于任何復雜系統的分析與設計 .圖1CAPP 建模過程Fig.1CAPP modeling process2CIMS 2OSA 體系結構和I DEF 建模方法為了克服建模體系的不足,全面地提供對企業建模的支持,在對CI MS 2OS A 進行深入研究和引入了I DEF0、I DEF1X 和I DEF3方法后,筆者把兩種建模方法相結合使用,產生了

11、能反映系統各方面信息的比較完整的集成化建模體系結構.本建模體系結構保留了CI MS 2OS A 的生命周期維、多模型維、通用性層次維組成的三維立方體結構,著重討論了多模型維各視圖與I DEF 方法相結合的方法.表1產品X 的ERP 管理用資源表實例T ab.1S ample of the ERP resource table in ERP 產品工藝過程資源多方案Parents C om ponentsReferenceNumber per unitAlternativeX 10 2.3N X 20 2.6N X 30 2.1N 10111N 1011A 1Y 1012N 1013N 20215

12、N 2021A 5Y 30317N 3031A 7Y 3032N2.2功能模型在參考組織結構的基礎上,用I DEF0方法或DFD工具建立功能結構模型,對最底層的功能單元增加定義標志.由于在過程模型沒有完成定義前,企業的活動、數據、控制流信息還沒有建立,因此,所建立的組織模型中的角色還不能進行定義.同樣,由于功能結構模型也主要反映企業的功能分解結構,所以也不能建立455天津大學學報第37卷第6期連接不同功能之間的控制流和信息流的關系.在上述3個視圖模型建成后,開始建立過程模型.這里所說的功能模型是指I DEF0中類似的功能模型.2.3綜合模型綜合視圖是對組織、資源、信息、功能4個視圖內容的綜合,

13、加上對工作時序先后關系的描述,從而建立貼近企業實際運行方式的模型.綜合視圖可以有兩種形式:以過程為核心的模型,叫做過程模型;以對象為核心的模型,叫面向對象的模型.功能模型是與時序無關的模型,它表達了系統的功能單元和它們之間的關系.它主要有3個優點:首先,它不考慮系統具體的實施方式,可以最大程度地發揮系統分析員的創造性;其次,通過將系統做什么和如何做分離開來,減少了遺漏用戶功能需求的風險;第三,可以使系統開發人員以非技術語言或盡可能少的技術語言與最終用戶進行交流.所以,功能分析模型對形成產品的需求規格說明書具有很大的指導意義.過程模型與功能模型的側重點不同,它要完成兩項工作:對功能模型、組織模型

14、、資源模型的綜合;對企業系統的活動、活動的順序進行明確的分析.功能模型與過程模型在視圖的集成中存在著相互映射關系.從正向轉化上來說,可以在活動的屬性定義中有3個為實現集成而定義的數據項,分別是與組織視圖關聯的角色、與資源視圖關聯的所需資源以及與功能視圖員底層功能單元關聯的活動配置項.每個活動中定義的角色,通過瀏覽的方式定義它所處的組織單元,并在活動的屬性中記錄相應組織單元的I D;同樣,可以完成過程視圖中活動所需要的資源與資源視圖中資源單元的連接,并在活動的屬性中記錄相應資源單元;通過將功能結構模型中的每個活動分配到過程模型的底層功能單元中,實現功能單元到過程模型的配置,并在活動屬性中記錄相應

15、功能單元的I D.相對而言,組織模型、資源模型到過程模型的映射需要比較全面地了解各個視圖的內容,即在組織模型中,把過程模型中定義的角色增加到相應的組織單元中,在相應的資源單元中標明需要使用該資源的活動名稱和類型等基本信息,從而為設計階段的建模提供進一步的信息.在反向轉化上,過程模型到功能模型的映射,是將過程視圖中所有活動之間的行為單元和相應的人員、資源(包括活動中定義的組織信息和資源信息,與功能模型中功能單元大體對應的過程.這一過程實際上是正向過程的校驗,需要認真檢查,以避免出現建模錯誤及在軟件編制時造成返工的巨大損失.過程模型的建模方法通常有兩種:面向對象的建模和面向過程的建模.面向過程的建

16、模建議采用I DEF3方法.它通過PFN(process flow netw ork過程流網絡和OST N(obiect state transition netw ork diagram對象狀態轉移網,對過程前后的順序關系和對象狀態的變遷進行準確描述,把各個視圖中的內容聯系起來,最終起到所有視圖的靈魂作用.面向對象建模采用UM L(uni2 fied markup language方法,類圖(class diagram和順序圖(sequence diagram反映了信息和功能等多方面的綜合信息.因為面向過程的建模比較復雜,所以本文實例采用后者進行建模.這種模型更加貼近人們的思維方式,而且易于

17、擴充和建立龐大的程序.2.4信息模型信息模型又稱數據庫建模,是對數據庫的結構和語義的一種描述.數據模型可以分為兩個層次:一個是概念數據模型,另一個是結構數據模型.概念數據模型描述了數據的屬性和語義,而不強調數據在計算機中是如何表示的,常用I DEFlX或E2R實體關系模型表示.結構數據模型則直接描述了數據的邏輯結構,例如層次模型、關系模型、面向對象的模型等.2.5對各種類型制造企業的適用性本模型能否適用于所有制造類型企業的分析,取決于具體建模方法局限性的大小.筆者在建模過程中,采用了I DEF和UM L相結合的建模方法.在功能分析和信息模型建立方面,I DEF早已被ClMS工程界的實踐證明是行

18、之有效的通用方法,加上UM L更是面向對象建模方法三大流派合并統一而成的最新標準方法,因而被廣泛應用于各種軟件的開發過程.它們的聯合運用,保證了筆者建模過程的有效性和先進性.3CAPP系統信息的通用性評價根據CI MS2OS A的指導思想,進行高效快速企業建模的一個重要而有效的方法,是構建不同建模階段、不同建模視圖的基本構件,建立基本構件模型庫,并以不同行業為背景建立企業參考模型,從而形成特定的企業模型.C APP系統的共性,就是在對工藝編制過程進行建模之后,對不同企業(制造環境的C APP模型5552004年6月楊天劍等:C APP系統的I DEFX集成化建模尋找共性的結果.所以,以集成化企

19、業建模方法為手段,以軟件工程的模塊化思想為指導,在分析C APP 系統的共性下,就可以進一步研究C APP 的工具系統.一般采用矩陣統計方法對功能模型進行共性分析.例如以ERP 接口的功能模型分析為例,由于企業制造環境的多樣性,對于信息模型的共性分析,往往需要通過信息的標準化工作和不斷豐富的信息模型來完成(形式如圖5所示.而對于綜合模型的共性分析,需要流程重組規范化的支持,對于不同行業形成不同的流程樣板.這些樣板或者是典型示范企業的,或者是某個行業的通行業務流程.對功能模型的共性分析見表2.建模的過程如圖2所示.本過程是根據集成化建模的企業分析工具,循環地對企業工藝過程進行設計,對某個行業各個

20、企業的模型進行綜合,從而提取各個行業的通用模型構件形成模型庫和程序構件庫.當進行C APP 開發時,可以用構件組合,從而將實例簡化為相應的系統,最終解決C APP 軟件的通用性問題.表2制造業CAPP 功能單元的共性分析T ab.2Common function analysis of CAPPin m achining industry功能單元樹型結構企業 A 企業B 共性ERP接口生成制造BOM部件檢索規劃子物料信息輸出輸出E BOM 信息輸出工藝信息信息讀回物料字典信息××成本信息××圖2CAPP 系統共性提取以及類庫空間Fig.2CAPP com

21、mon function refining and class library4基于集成建模的CAPP 工具系統實例基于以上的討論,筆者遵循Boehm 提出的螺旋型建模過程,周而復始地對資源、組織、功能、信息 、綜合5個視圖進行漸進設計.在天津市多個CI MS 示范工程中分析并且完成了對C APP 系統的建模,并結合面向對象方法構建了完整的軟件,如圖3所示.下面以C APP 系統的ERP 接口模塊的分析為例進行簡單分析.設計步驟如下:步驟1風險分析,即對接口的功能進行主次歸類,先對生成制造BOM 、規劃BOM 子物料和生成接口文件等主要功能進行建模,以降低軟件設計風險;步驟2功能模型分析,鑒于

22、CI MS 2OS A 沒有圖形化方法,采用自頂向下的圖形化分析方法I DEF0,從功能的角度上描述了C APP 系統與ERP 系統進行電子數據交換(E Dl 的過程,如圖4所示;步驟3建立工藝過程信息模型,如圖5所示;圖3T DSY 2CAPP 系統機加工編制模塊Fig.3T DSY 2CAPP system655天津大學學報第37卷第6期 圖4CAPP 系統ERP 接口子系統功能模型Fig.4Function model of the interface betw een CAPP and ERP圖5使用I DEF1X 分析的CAPP 生產系統Fig.5I DEF1X model of C

23、APP system7552004年6月楊天劍等:C APP 系統的I DEFX 集成化建模5 5 8 天 37 卷 6 期 津 大 學 學 報 第 第 步驟 4 利用名詞辨識法 ( noun identification 辨別 構成系統的類 ,完成 CRC Cards ( class responsibilities col2 laborations ,并且完成類模塊視圖分析 ; 步驟 5 建立工藝過程的時序模型 , 雖然 IDEF0 模型的輸入輸出確定了每個活動所產生的信息 , 但并 未定義活動的先后順序 . 從而利用 UML 面向對象統一 建模語言畫出系統的順序圖 ( sequence

24、diagram , 完成 系統類的消息調用分析 ,見圖 6. 圖中的 4 個方框分別 是 CAPP 操作員對象類 、 BOM 樹操作對象類 、 BOM 樹 對象類和文件打印對象類 ; 步驟 6 進行系統評價 , 檢查是否還有次要功能 沒有進行建模 , 如果有則轉步驟 2 , 如果無 , 驗證已有 模型 ,并轉步驟 7 ; 步驟 7 使用任何一種面向對象的編程語言編寫 代碼 ,并且進行測試 ; 步驟 8 轉步驟 1 , 對另外同一行業的 3 4 家新 企業采樣 ,進行建模 ; 步驟 9 進行模塊的共性個性評價 , 詳見表 2 , 本 實例 對 共 性 單 元 利 用 VB. Net 組 建 命

25、名 空 間 ( name space ,進行 DLL 類庫的開發 ,邏輯模型見圖 2 ; 步驟 10 完成 CAPP 工具系統構件庫的開發 . 此 后 ,對任何 CAPP 系統的開發可以采用搭積木的方式 , 進行 CAPP 靈活配置與快速開發 . 原型系統見圖 3. 圖6 接口系統順序圖 Fig. 6 Sequence diagram of the interface subsystem ogy , 1994 ,3 (4 :1 4. 5 結 語 4 Faruk G,Constantin C. An IT view on perspectives of computer aided proces

26、s planning researchJ . Computer in Industry , 1997 , 129 :1 6. 5 Jiang T ongqiang. Solution of Computer Information System the2 ory , method and practice M . Beijing : Science Press , 1999 ( in UML 面向對象的建模方法對 CAPP 的設計進行了分 析 ,提出 CAPP 工具系統的方法 . 多項 CAPP 工程的實 際應用證明 ,此建模方法對于分析企業模型十分有效 , 全面反映了企業的關鍵問題 , 指導了 CAPP 工具系統 的組建工作 ,在實踐中取得了良好效果 . 參考文獻 : 1 Stevens , Pooley. Using UML Software Engineering with Ob jects print of Pearson Education ,2000. M . SY BEX Inc ,2000. 2