数字化工厂信息系统结构研究

数字化工厂是以制造产品的企业为核心，由核心企业以及与之相关联的成员构成的动态联盟，通过数字化工厂信息系统有效地管理和利用联盟的数字化信息和数字化信息流，实现成员之间的高度协同工作和资源共享，为客户提供满意的产品。本文基于数字化工厂的基础应用平台采用系统交互与集成方法，通过对数字化工厂信息系统的组成及其已有技术基础的分析，演绎数字化工厂信息系统的实现设想与结构，抽取数字化工厂信息系统公共服务。

1 数字化工厂信息系统及其特征

数字化工厂最重要的原料是关于产品和市场的信息啦)，信息经过各种数字化处理后，成为其决策及行动的知识方案。其运作模式可以概括为产品开发过程数字化、产品制造过程数字化、产品本身数字化、产品销售过程数字化、技术支持与服务过程数字化、经营决策过程数字化、信息与知识数字化及其信息与知识共享。

数字化工厂信息系统是数字化工厂产生、处理、传递、储存和利用数字化信息的系统和工具。通过它控制数字化工厂的信息和信息流，进而达到控制、管理、利用物流和资金流以及协同工作的目的。并且，数字化工厂的每个过程和功能领域都需要其信息系统支持。

(1)从应用角度来看，在产品设计过程和功能领域中，需要CAD、CAPP、CAM、DFX和PDM等分、子系统。在产品制造过程和功能领域中，需要经营计划、主生产计划、车间作业计划、库存控制、制造设备自动化控制等分、子系统，此外还应该有质量控制系统。在销售服务过程和功能领域中，需要客户关系管理。在经营决策过程和功能领域中，需要决策支持系统，以及其他日常事务处理系统和工具。在资源供应过程和功能领域中，需要有供应链管理和人力资源管理等系统。在财务核算与控制过程和功能领域中，需要财务核算与控制系统。其他公共系统和工具，如电子邮件、字处理、电子会议等。

(2)从支持应用的支撑系统角度来看，需要支持这些系统的平台和工具，如操作系统、通讯网络、各种数据库管理系统等等。

2 数字化工厂信息系统的实现设想

为了满足数字化工厂对信息交换／共享和协同工作的要求，数字化工厂的信息系统必定需要信息交互和系统集成。数字化工厂成员信息系统之间的信息交互和集成可以有两种方法：点对点的交互与集成方法和基于基础应用平台(或称为基础集成框架)的交互与集成方法。前者应用广泛，后者则是目前研究和开发的热点。

由于实现信息交互和系统集成方法是在需要进行信息交互和集成的系统内部和系统之间的交互点，使用特定的通讯设施和编程技术开发接口，这就是点对点信息交互和系统集成(如图1所示)。点对点方法提供了一种在部门级解决方案或应用程序家族之间实现信息自动交换的手段。

图1 点对点交互与集成

但对于数字化工厂环境，点对点方法并不适用。因为，在数字化工厂分布式环境中，存在大量的分布式应用程序。每个应用程序都需要开发与其他应用程序之间的接口。由于每个接口都是单向的，为了实现信息的双向交换，应用程序之间的接口必须成对。由此可以想象需要开发的接口数量是极为巨大的，需要投入大量的人力和财力，实际上根本不可能实现。即使建立了这种接口环境，要想在其中发现信息也不容易。而且，这个接口环境没有提供可理解的目录服务，用户无法定位需要的信息，甚至根本不知道有需要信息的存在。在这种环境中，对信息进行控制是另一个巨大的挑战。这种接口环境没有提供跨成员的信息控制和维护方法，当信息需要改变时，无法回答“谁有权改变信息，一旦信息发生变化后，对相关的信息将发生怎样的冲击”这样的问题。

图2 基于基础应用平台的交互与集成

基于基础应用平台的交互与集成方法(如图2所示)，即数字化工厂成员的信息系统与一个称为基础应用平台(Basic Application Platform for Informatione Xchange and Integration，BAPIxI)连接与交互，数字化工厂成员信息系统的部分成分是BAPIxI的组成部分。BAPIxI扮演信息交换和系统集成中心的角色，它是数字化工厂成员信息系统公共功能和服务的提供者，也是公共信息的管理者，以及对成员的信息系统和数据库访问、交互和互操作所需接口的提供者。

因此，提出数字化工厂信息系统的实现设 想如下：

(1)将数字化工厂信息系统模型结构和模型映射到数字化工厂信息系统结构；
(2)数字化工厂信息系统应该构建成层次化系统，每一层实现特定的功能和任务；
(3)建立统一的基础应用平台，数字化工厂和成员的应用系统“插接”在基础应用平台之上；
(4)利用已有技术基础和标准，根据需要对其进行扩展和深化；
(5)采用工作流管理技术和管理系统协调数字化工厂的业务活动。

3 数字化工厂信患系统的已有技术基础

数字化工厂信息系统播要提供4个方面的功能，即分布式计算环境(系统和应用互操作)、广域通讯(公共通讯协议)、公共信息模型规范和信息交换、数字化工厂协同工作过程管理。Internet用于解决广城通讯(公共通讯协议)。已经有不少标准和协议，如TCP/IP,HTTP等。对象管理组织(Object Management Gmup,OMG)的对象管理技术可以用于解决系统和应用互操作问题。CORBA标准和支持CORBA标准的产品为数字化工厂信息系统提供了解决在分布异构环境下所偏的可重用性、可移植性和互操作性的关键技术基础。

标准化组织ISO的产品信息交换标准STEP(STandard for the Exchange of Product)作为公共信息模型规范和信息交换，为数字化工厂各成员内部和成员之间的产品信息表达、交换和共享提供了基础。工作流管理联盟为工作流概念、术语、工作流管理系统一般结构、主要功能组件、接口、信息交换等制定了相应的标准，从而为不同工作流管理系统互操作提供了可能性。故可以作为数字化工厂信息系统支持过程和任务控制、协作的技术基础，解决数字化工厂协同工作过程管理问题。

图3 数字化工厂信息系统的水平与垂直技术

这些已有技术成为数字化工厂信息系统的关键技术基础，可将其分为水平技术和垂直技术两类(如图3所示)，通讯技术(Internet/Intranet/Extranet)和OMG对象管理技术属于水平技术，水平技术为绝大多数系统所共享;STEP和工作流管理技术则属于垂直技术，垂直技术应用特定的计算环境。

4数字化工厂信息系统结构

为了满足数字化工厂对信息系统的要求，实现数字化工厂信息系统的目标，提出将数字化工厂信息系统模型结构映射成数字化工厂信息系统逻辑体系结构(如图4所示)，它反映了数字化工厂信息系统组成的逻辑层次，是从用来构成数字化工厂信息系统的主要系统或组件(软件产品)组成层次的角度观察的。

图4 数字化工厂信息系统逻辑结构

数字化工厂集成化信息系统体系结构由7个层次构成，即异构硬件和异构操作系统环境、通讯网络和协议(Internet/Intranet Extranet)、对象管理系统(CORBA标准与实现)、数据库管理系统、公共应用服务、数字化工厂成员的具体应用系统和工具。建模方法和建模工具用来建立数字化工厂模型,EXPRESS建模语言和建模工具用建立产品数字化模型。图4中最上面两层为应用层，下面五层为基础和支持层。从逻辑上说，每一层完成特定的任务，下层为上层提供基础和服务，相互之间紧密配合共同协作。其相互关系为:

(1)异构计算机和异构操作系统提供硬件和操作系统基础平台;

(2)通讯网络和协议(Internet/Intranet/Extranet)提供信息交换所需的具体物理、逻辑连接.提供通讯的具体实现;

(3)OMG的公共对象请求代理结构(CORBA)标准与实现中的对象请求代理(Object Request Broker,ORB)，作为数字化工厂信息系统的“软件总线”，实现在数字化工厂分布式计算环境中异构应用软件和工具的互操作;

(4)数据库管理系统(包括关系数据库、对象数据库和知识库)作为信息、数据、规则等存储、管理、处理的媒介与工具;

(5)公共应用服务是数字化工厂应用中抽取的公共应用，提供数字化工厂信息系统所需的公共功能和服务，同时为上下层次之间提供标准的接口，是公共信息的管理者，以及作为对成员信息系统和数据库访问、交互和互操作所需接口的提供者;

(6)数字化工厂成员的具体应用系统和工具，是对公共应用服务的扩展和实现，用来处理具体业务。其中，工作流管理系统管理数字化工厂的工作流，协调数字化土厂各种业务活动;基于STEP标准的产品信息交换与共享服务提供数字化工厂产品信息表达、交换和共享，数字化工厂成员可以在生命周期内访问有关产品的信息和产品模型，实现有关产品信息交换与共享的需求;

(7)应用扩展用来扩展数字化工厂信息系统的应用功能范围;建模方法和建模工具映射到数字化工厂的公共应用系统;

(8)EXPRESS建模语言和建模工具用于建立产品的数字化产品模型和中性表达。

5抽取数字化工厂信息系统公共服务

对于任何一个基于客户机/服务器(Client/Server,C/S)结构的软件，其中必定存在一个协商关系和过程，即客户提出请求、服务器接受或拒绝请求、需要将这种协商过程和关系设定为一个公用服务。数字化工厂信息系统要与不同的对象系统和/或非对象系统交互，因此，需要一个对象访问服务，解决对象访问问题。可将其总结为:

(1)数字化工厂信息系统要用STEP标准解决产品生命周期内的产品数据利用和处理问题，从中可以抽象出一个基本的STEP服务;

(2)数字化工厂是由多个成员组成的动态联盟，同名异义、同义异名的情况普遍存在，需要建立一种语义仲裁机制，该机制是公共需要的，也是一种公共服务。这种公共服务需要进行必要的扩展，解决资源对象、任务和活动、执行任务的对象发生冲突时，进行仲裁;

(3)数字化工厂和成员的数据对象需要管理，需要数据管理服务作为公共的基本服务;

(4)现有的应用系统需要利用，保护已有资源，需要一种现有公共的应用集成和封装服务;

(5)Internet是数字化工厂信息系统的通讯基础平台和构建技术基础，已经存在很多Internet工具，豁要利用这些工具,需要Internet工具封装和利用服务;

(6)工作流控制和协调数字化工厂成员业务活动，工作流产品多种多样.需要提供基本服务作为不同工作流产品集成和互操作平台。在协作过程中必定发生会话，会话也是一种基本公共服务;

(7)为了增强数字化工厂信息系统的智能，用智能体Agent表示资源对象、数据对象、通讯对象等，需要智能代理服务;

(8)数字化工厂存在大量的知识和业务规则，信息系统需要存储、处理和利用这些知识和规则，知识库管理系统就成为一种基本公共服务;

(9)数字化工厂信息系统的用户藉要一个工作环境—桌面(Desktop，尽管不同的用户工作环境中的内容可能有很大的区别，但是对桌面本身的需求是一致的，桌面也是一个公共服务。

6 结论

由于数字化工厂的信息需要数字化，数字化信息需要由数字化工厂信息系统来处理。而数字化工厂信息系统作为产生、处理、传递、储存和利用数字化信息的系统与工具，通过它控制数字化工厂的信息和信息流，达到控制数字化工厂的物流和资金流以及实现数字化工厂及其成员协同运作的目标。分析数字化工厂信息系统的组成及其已有技术基础，提出数字化工厂信息系统的实现设想，抽取数字化工厂信息系统的九大公共服务，表述数字化工厂信息系统的结构特征。