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自动化集成系统在制造业中的市场分析_4

未知 2019-11-18 15:05

  集成是由部分构成整体、由单元构成系统的主要途径,集成就是通过接口实现不同功能系统之间的数据交换和功能互连,集成意味着将分散的异构部件联合在一起形成一个协同的整体,从而实现更强的功能,完成各个部分不能独自完成的任务。企业集成是指通过连接所有必须的系统和异构功能实体来方便跨越组织界限的信息流、控制流和物料流的传递,改进企业内的通信、合作与协调,从而将企业组成一个协调的整体,达到提高生产率、柔性和管理水平的目的。

  企业集成系统是在企业单元技术和系统得到广泛应用的基础上,通过集成形成的支持企业生产经营的集成化系统。相对于单元技术系统,集成系统具有覆盖范围广、功能多、系统结构复杂等特点。

  制造业的企业集成是一个系统的将现场以及管理层和企业层的人力和机器作为一个整体组织成协同型企业集成系统的典范。可以利用业务流程软件和制造执行系统(MES)来满足全自动化的计算机集成要求。目前主要问题依然是在关于企业层和制造车间层之间的界面,需要根据产品的生命周期、生产工艺和企业内外的人力推动闭环内的管理和经营决策,从而调整生产进度。目前网络化企业的实现由于缺乏企业系统之间的互操作性遇到了暂时困难。该领域中研究的目的是为技术突破创造上游条件从而避免企业投资被信息技术(IT)要约的递增变化所牵制,而前景取决于可以在公司、人员和团体之间创建的为生成共享知识和财富的协同网络。创建成功的协同网络需要许多重要的基础条件,如通用参考模型、有效的协同机制和方法、基于开放式架构的配套基础设施、再现成功案例的设计的工程方法学以及规范化的市场技术和工具。

  业务模型和制造模型的无缝集成需要企业工程模型和工具来全面描述一个集成制造系统的信息化方面。然而,时至今日,虽然在企业建模和集成领域已经存在一些高级标准,但是它们却还未被广泛认可,也未用于行业中。

  1、制造业对企业集成系统解决方案的需求

  1.1企业集成和互操作性研究面临的挑战

  企业集成是从20世纪90年代起开发出来的研究领域,是对计算机集成制造(CIM)的拓展。企业集成研究主要包括两个不同的研究对象:企业建模和信息技术。企业集成是企业工程的主要组成部分,涉及用于分析、设计和连续将企业保持在整合状态的成套方法、模型和工具,这一点值得注意。在当前的工业和经济环境下,企业系统需要经常重构以便适应变化的市场需求和技术进展。被视为企业系统工程基础的企业架构,已作为帮助股东管理系统工程和变化的一种工具而出现了。它不仅仅是IT问题,更重要的是对战略决策和组织方面的挑战。

  

表1关于企业集成和互操作性研究面临的挑战

  一个集成系统系列必须且必然可以相互操作,但是互操作性系统不一定为集成形式。集成处理组织问题时可能以一种不太正式的形式(由于涉及到人),这使集成更难解决一些,而互操作性则更侧重于技术问题。兼容性比互操作性更简单一些。兼容性意味着系统/单元不干涉彼此的运行,但是不具有交换服务的能力。互操作性系统一定是可以兼容的,但是反之则不一定。为了通过鲁棒性信息交换实现人际网络,所有人都必须跳出兼容性范围。总之,互操作性处于兼容性和完全集成之间。一定要从本质上区分兼容性、互操作性和集成的概念,否则可能会引起混淆。当兼容性明显为最低要求时,在一套系统或单元内预期的互操作性和集成的程度将由那些系统的底层功能水平所决定。

  根据制造业自动化系统对企业集成和互操作性的需求,笔者分析了与将来的研究工作有关的趋势和问题。这些严峻的挑战根据表1的分类可以概括划分如下:挑战之1:协同网络的组织;挑战之2:企业建模和参考模型:挑战之3:企业与流程模型的互操作性;挑战之4:企业模型的校核、验证和确认;挑战之5:模型重用与模型库。

  1.2对制造业系统环境中的企业架构选择

  企业应用系统互操作性的问题可以根据不同的观点和看法来定义。这些方面对应于建模框架和企业架构,根据线性尺度的演化观点来看,如果某个应用系统与其它系统之间的互操作程度越高,它与高级抽象模型及其语义之间的关联就会越强。因此互操作性发展过程在文献资料中常被归类为所谓的互操作性等级(见表2)。

  一个广为认可的信息系统互操作性模型是LISI模型(信息系统互操作性等级模型)。LISI主要根据系统互操作性的复杂程度进行分类(包括:隔离系统、对等网络环境下的连接级互操作性、分布式环境下的功能互操作性、集成环境下的领域级互操作性、通用环境下的企业级互操作性)。LISI关注系统之间的技术互操作性和互操作的复杂性。该模型不涉及与互操作性系统的建造和维护有关的环境和组织问题。于是人们承认这一局限性并提出了OIM模型(组织互操作性成熟度模型),将LISI模型扩展到更为抽象的命令和控制支持层(包括:独立级、自组织级、协作级、集成级、统一级)。除组织互操作性外,交换流的内容类型也是一个有待解决的问题。为解决该问题,NATOC3面向互操作性的技术体系结构参考模型(NC3TA)主要论及技术互操作性并确定了互操作性等级与子级(包括:非结构化数据交换、结构化数据交换、数据无缝共享和信息无缝共享)。这些等级划分将用于数据的交换和解释通过结构化和自动化来提高操作有效性的方法中。

  此外在概念领域,文献4推出了LCIM模型(概念互操作性等级模型),可以对技术模型如LISI范围外的概念互操作性等级进行评估。系统互操作性不仅仅是技术问题(如LISl或LCIM所述),同时也是组织机构问题(如OIM)。互操作性的这些方面与欧洲互操作性框架,中所述的定义相符,在欧洲互操作性框架(EIF)中讨论了互操作性的3个方面(即组织、语义和技术)。

 

 表2成熟度模型

  选择一个适当的框架是推进互操作性工程的必要条件,因为它们代表着互操作系统工程领域的最佳策略。例如,在信息系统设计方法方面,为了解决这一问题,人们提出了一个关键问题框架,从而能够有效的联系用户并改进集成企业的模型设计。这项开发是基于企业建模领域和信息系统设计领域中与企业集成相关的工作的交叉分析结果。

  企业集成系统的最终目标是实现业务集成以便支持企业内部和/或企业间的经营。但是为便于通信和信息交换,业务集成需要物理集成和应用集成的支持。目前许多企业已实现了物理集成,许多公司也己着手实施应用集成。对于业务集成来说,虽然自20世纪80年代起已进行了开发,但至今仍未达到一个令人满意的水平。

  1.3制造业系统环境中的集成和互操作性

  信息系统和制造系统的集成是企业建模方面的巨大成就之一。然而,一些新的因素(例如信息和通信技术的快速演变,还有为了受益于市场机会需要在不同类型的企业之间快速设立联盟等)正在企业建模环境中引发出新的问题,如互操作性。于是人们对面向GI认I扩展活动图和UML活动图之间的模型转换的UMLProfile(UML概要文件)提出了一个详细定义,以便解决协作型企业内出现在企业建模方面的互操作性问题。执行这一概要文件的最终目的是为了取得模型导向的互操作性解决方案,该解决方案源自企业模型并指引企业获得企业软件应用。基于UML概要文件的方法的主要优点之一是它向企业提供了一种普通的业务建模解决方案,该方案考虑到了互操作性问题。

  MES(制造执行系统)解决方案为管理人员(决策层)和直接操作工人(操作层)提供车间状况的实时信息。同时它也是战略生产管理(如ERP_企业资源规划)和制造车间数据采集与监视控制(SCADA)方面采用的规划系统之间的信息桥梁。它通过对企业基本资源(如人员、存货和设备)的最新信息实施适当的在线管理和控制,从而将制造信息系统的各个层面(如战略规划和直接执行)链接在一起。MES的重要性在于其功能性(指人员、存货和设备)及它们与工厂环境的复合元素之间的交互作用。MES的核心功能包括规划系统界面、数据采集、异常管理、工作单、工作站、存货/原料和物料转移。MES支持的功能包括维护、时间控制、统计过程控制、质量保证、处理数据和文献管理。而且,如今为制造业软件和业务应用程序(如ERP系统)之间的互操作性关系提供定义和执行方面的支持已经成为日益增长的需求。

  为了支持所要求的B2M(业务至制造)的互操作,IEC62264标准定义了模型并且制定了用于说明企业业务系统和制造控制系统之间的界面的术语(符合语义学)。它以一种相当详细的方式描述了与企业、控制领域及这些领域内正常交换的对象有关的功能。它将成为公认的B2M集成和互操作性模型。在这种环境下,主要的建模理念是使产品能交互作为制造业企业资源的控制器,以便实现现有的产品系统之间的快速互操作性关系,并确保整个产品生命周期内物流和信息流之间的一致性。

  为确保定制的产品、货物和物流服务的可追溯性,可以根据Holonic制造系统(HMs)范例将信息嵌入到实际对象中。这种holonic方法迫切要求集成单独的对象视图并参照IEC62264标准,以便对相关的holons领域中缺乏既定标准(有时发生在事后)以及缺少基础技术的(由于缺少共同支持的全球性战略)快速但不稳定的增长进行详细的分析研究。

  企业集成可能涉及不同的层面,也可以按不同的方法实现集成。在企业子层,集成应用与系统的功能性限于一个同类区域,通常为单一业主权限下的单一地方站点。例如,柔性制造系统位于集成的企业子层面。单一站点企业层面的完整功能性集成确保可以采用一个通用架构将业务流程、制造过程和产品实现结合在一起,以便实现共同的目标。这通常适用于单一业主权限下的分厂(如一个自动化工厂)。

  企业集成系统的最终目标是在各个层面整合不同类型的电子化技术(如电信、因特网,企业内网/企业外网、数据库、Web应用程序)、电子化应用(如企业资源规划、制造执行系统、SCI--供应链集成、EPS--电子采购系统、CRM--客户关系管理、SRM--供应商关系管理)和电子化服务(如电子化供应、电子化工程、电子化营销、电子化中介、电子化生产力、电子化工厂),从而产生了电子化企业的概念。

  2、关于制造业企业集成系统互操作性方面的语义问题

  由于工业系统目前的集成和互操作性趋势,使得它们的规格和复杂性不断增加,由此导致其组织内发生的问题更加难以分析、理解和解决。可持续改善的方法是将用于理解和解决问题、控制变化的影响并最终将与变化和改善有关的知识作为转化为资本的强大工具。这些工具恰当地介入与关联系统相关的重要知识,所以对组织而言,知识管理(KM)已经成为日益重要的竞争优势的来源。尤其是经验反馈(EF)所得知识的资本化和共享是在工业活动的持续改善方面起关键作用的元素。这里论及的语义互操作性以及将经验信息转化成显性知识的经验反馈过程的结构化和形式化,这类知识的重用已证明对完成公司的使命具有重大影响,但是描述经验知识对象的方式通常还不正规。可以基于经验反馈过程的模型和概念图,采用领域本体作为阐述显性知识和专有技术的框架,其目的是为了得到重要、正确并可适用的经验描述。

  在制造业企业集成方面,存在两种架构类型。第一种类型指集成系统(如计算机系统或通信系统)的某一部分的架构或物理结构。第二种类型指物理集成开发项目的架构或结构,即详细说明集成化企业开发项目的生命周期的那类架构。目前架构概念还未被充分利用,其中一个原因是在企业系统的重大特点描述方面缺乏合适的架构表示形式。通过对过去和新近企业架构方法的回顾,可以清楚的发现第一类架构的开发还很不充分,尤其需要更为抽象的参考架构,这将有助于重用成熟架构解决方案,以便在执行企业集成工程项目时能节省时间和费用。同时还需要协调和映射现有的架构类型,包括企业集成和互操作性框架。

  笔者认为以下研究问题将是未来几年内要面临的挑战:

  (1)企业架构需要更多的关注经营策略与执行技术的协调,不应仅仅关注于业务或信息技术及其单独的研发。

  (2)必须开发一种更为抽象的企业架构语言以便描述设计初期的企业架构及其特性和特征。

  (3)现有的架构设计原则及其形式还未发展到令人满意的水平,无法给企业架构带来显著的改善。这个领域还需要进行更多的研究以便推动良好的规范与理论的重用。

  (4)开发出一个能准确说明企业架构领域的概念及其特征的本体也是一项极富有挑战性的任务。采用这个本体可以清楚的理解该领域内的论域,避免对架构提案的多重甚至是冗余的开发。企业架构本体也涉及不同企业架构提案间的语义互操作性问题。

  很显然,目的就是为了提高特定模型的准确性、完整性、相关性和质量水平。实际上,按照公认的模型驱动工程原则,无论工程项目的目标是什么(如:企业网络内的软件开发、集成、风险分析、业务及组织互操作性分析和改善),都将用到不同性质并涵盖不同目的的模型。系统工程将在系统的整个生命周期内提供集成、校核、验证和确认的流程。同样,信息软件工程和集成领域的大量工作也都将为执行这些活动提供形式化的技术和工具。

  3、结束语

  语义集成如今已成为大型企业和动态企业内部处理异构性的重要方法。集成问题的现有解决方案主要是基于某些标准件和中间件。这类解决方案通常不太适用,因为它们不能涵盖大量的应用程序或者说缺乏灵活性。基于语义Web服务的解决方案极有发展前途,目前正被积极的研究。这些技术可以为一些关键性挑战(如语义媒介及其互操作)提供解决方案。信息和通信技术的发展以及市场的动荡情况已促使中小型企业将业务经营方式从传统型转为电子商务型。在这种环境下,涌现了新的协作方式,如协同网络或虚拟企业。在协同网络环境中,集成与互操作性增强了协同网络及其成员组织的竞争优势,于是这项技术就成了以省时、优质和低成本的方式实现经营目标的关键。

  未来场景将信息和通信技术视为可持续发展的核心。下列技术领域已被确定为与信息和通信技术有关的下一代制造业成功的关键:

  ①适应性更强的集成设备、工艺及可以重装配置的系统;

  ②适用于整个制造过程的系统综合、建模及模拟;

  ③能够将信息转换成利于有效决策的知识和技术;

  ④性能更强的人机界面;

  ⑤使知识能被快速同化的教育和培训方法;

  ⑥协作型的智能系统软件;

  ⑦涵盖许多产品要求的产品与工艺设计方法;

  ⑧设计制造新材料和新部件的创新工艺;

  ⑨能将废物产生和能源消耗降低到最小程度的制造工艺。

  上述所有领域都与企业集成和互操作性的概念密切相关,因而是支持新的技术解决方案的产生的关键。

  正是由于企业集成这一思想方法和技术上的发展与广泛应用,在一定程度上促使企业内部各部门和业务流程集成度的提高,以及企业之间横向与纵向联系的强化和深化,从而为网络化企业的产生及发展创造了必要的条件。从企业集成的角度研究可以认为,网络化企业或许将成为组织创新的一个必然趋势;而企业集成系统的提出则为网络化企业的产生与发展提供了必要的思想方法和工具。

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