郭 棟，尹作重，秦修功，杜 峻，范 維

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對(duì)象模型及應(yīng)用

郭 棟，尹作重，秦修功，杜 峻，范 維

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

針對(duì)企業(yè)控制系統(tǒng)集成中企業(yè)行為與控制行為之間接口存在的風(fēng)險(xiǎn)、高成本與不可避免的差錯(cuò)，對(duì)系統(tǒng)集成中的人員模型、設(shè)備模型、物料模型、過程段模型、生產(chǎn)能力模型、過程段能力模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)調(diào)度模型、生產(chǎn)績(jī)效模型等9個(gè)模型進(jìn)行了規(guī)范化，進(jìn)而以人員模型為例，詳解其應(yīng)用，從而可降低相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)、成本和差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動(dòng)化。

對(duì)象模型；企業(yè)控制系統(tǒng)集成；對(duì)象模型屬性

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全球市場(chǎng)逐漸形成，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)空前加劇。處在競(jìng)爭(zhēng)中的生產(chǎn)企業(yè)必須降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、完善售后服務(wù)，才能在市場(chǎng)中占有一席之地。這要求各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)來組織整個(gè)生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動(dòng)化[1]。

企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成研究與開發(fā)已經(jīng)有十多年的歷史，期間涌現(xiàn)很多的學(xué)派和描述模型，開發(fā)的系統(tǒng)數(shù)不勝數(shù)[1]。但人們對(duì)企業(yè)信息化和系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)研究不夠，更不用說在應(yīng)用中去遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為了改變這一普遍存在的現(xiàn)象，降低與實(shí)施這些接口有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)、成本和差錯(cuò)，對(duì)企業(yè)控制系統(tǒng)集成對(duì)象模型進(jìn)行規(guī)范化。

本文首先對(duì)企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對(duì)象模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，包括對(duì)象模型的屬性、結(jié)構(gòu)和涉及到的數(shù)據(jù)關(guān)系，其次詳細(xì)闡述了企業(yè)控制系統(tǒng)集成中九種對(duì)象模型，并描述這些對(duì)象模型的資料性關(guān)系，最后舉例說明對(duì)象模型的具體應(yīng)用。

1 企業(yè)控制系統(tǒng)集成對(duì)象模型簡(jiǎn)介

1.1 概述

在企業(yè)和控制的集成系統(tǒng)中，信息穿過企業(yè)與控制系統(tǒng)的接口，在各相關(guān)的功能塊之間流動(dòng)。信息主要分為三類：生產(chǎn)能力信息、生產(chǎn)定義信息、生產(chǎn)信息。標(biāo)準(zhǔn)以對(duì)象模型的形式定義信息，用各個(gè)對(duì)象的屬性描述具體信息。

1.2 對(duì)象模型屬性

獨(dú)立于企業(yè)的信息的最小集被定義為屬性。然而，所有屬性的值可能并不需要依賴于模型的實(shí)際使用。對(duì)于特殊的應(yīng)用，對(duì)象模型中所定義的對(duì)象也需要擴(kuò)展，它可以通過在對(duì)象類的定義上附加屬性來實(shí)現(xiàn)，這使得屬性具有了可擴(kuò)展性。這樣的解決方法通過使用標(biāo)準(zhǔn)的屬性增加了可用性，又通過使用特性令柔性和可擴(kuò)展性成為可能。

1.3 對(duì)象模型結(jié)構(gòu)

對(duì)象模型是用統(tǒng)一建模語言（UML）符號(hào)表示法描述的。

表1定義了對(duì)象圖中所用的UML符號(hào)。

1.4 數(shù)據(jù)關(guān)系

在對(duì)象模型圖表中并沒有充分闡明用于參照其他包中資源的模型。這種模型使用類或?qū)嵗⑼ㄟ^屬性附加可選的規(guī)范。其數(shù)據(jù)關(guān)系并沒有遵守統(tǒng)一建模語言（UML）的建模方法，可是它令建好的圖表更加簡(jiǎn)潔。圖1的左邊說明了關(guān)系模型的一般表現(xiàn)形式，而圖1的右邊說明了在UML中是如何更加準(zhǔn)確的建模的。作為一種可視化方法，UML在本標(biāo)準(zhǔn)中被使用，可是它并不描述執(zhí)行情況。下面的對(duì)象和它們與另一個(gè)包的關(guān)系就采用了簡(jiǎn)化的關(guān)系圖方法來表現(xiàn)，如表2所示。

表1 UML所用的符號(hào)

表2 對(duì)象關(guān)系表

一致性關(guān)聯(lián)由以下四種可能關(guān)聯(lián)中的一種（并且僅僅是一種）決定，即：和資源類定義的關(guān)聯(lián)；和資源類定義以及資源類特性的關(guān)聯(lián)；和資源定義的關(guān)聯(lián)；和資源定義以及資源特性的關(guān)聯(lián)。

在上面的模型中，“資源類”這個(gè)術(shù)語包含：人員類、設(shè)備類、物料類和物料定義。術(shù)語“資源”包括：人、設(shè)備、物料批量和物料分批量。術(shù)語“資源能力”指資源在能力模型、過程段能力模型、過程段模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)調(diào)度模型和生產(chǎn)績(jī)效模型中的使用。

2 企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對(duì)象模型

在選定的時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)的所有資源統(tǒng)稱為生產(chǎn)能力信息。它是關(guān)于設(shè)備、材料、人事和過程分段的信息，有人員模型、設(shè)備模型、物料模型、過程段模型、生產(chǎn)能力模型、過程段能力模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)調(diào)度模型和生產(chǎn)績(jī)效模型九個(gè)模型。

2.1 人員模型

人員模型包括具體人員、人員類、人員特性、人員類特性、資格測(cè)試規(guī)范和資格測(cè)試結(jié)果六個(gè)方面的信息，如圖2所示。

2.2 設(shè)備模型

設(shè)備模型包括特定設(shè)備的信息、設(shè)備特性、設(shè)備的類、設(shè)備類特性、設(shè)備能力測(cè)試規(guī)范、設(shè)備能力測(cè)試結(jié)果、關(guān)于設(shè)備的維護(hù)信息、維護(hù)工作通知單和維護(hù)響應(yīng)九個(gè)方面信息，如圖3所示。

圖1 詳細(xì)的關(guān)系模型

圖2 人員模型

2.3 物料模型

物料模型包括物料類、物料類特性、物料定義、物料定義特性、物料批量、物料批量特性、物料分批量、質(zhì)量保證試驗(yàn)規(guī)范和質(zhì)量保證試驗(yàn)結(jié)果9個(gè)方面的信息，如圖4所示。物料信息包括原材料，制成物料和中間物料的庫存量。當(dāng)前的物料信息包含在物料批量和物料分批量信息內(nèi)。物料類用來組織物料。

2.4 過程段模型

一個(gè)過程段是人力資源、設(shè)備資源和完成一個(gè)生產(chǎn)步驟所需的物料的邏輯分組。過程段定義了所需的人員、設(shè)備和物料的類，和/或也許給出諸如所需要的特定設(shè)備那樣的特定資源。同時(shí)，過程段也可列出所需資源的數(shù)量。過程段模型對(duì)象包括過程段、人員段規(guī)范、人員段規(guī)范特性、設(shè)備段規(guī)范、設(shè)備段規(guī)范特性、物料段規(guī)范、物料段規(guī)范特性、過程段從屬性和過程段參數(shù)九個(gè)方面的信息，如圖5所示，它闡明了人員、設(shè)備和物料模型之間的關(guān)系，又附加了一個(gè)對(duì)象以包含過程段從屬性。

圖3 設(shè)備模型

圖4 物料模型

2.5 生產(chǎn)能力模型

生產(chǎn)能力信息是為生產(chǎn)的所有資源對(duì)所選用次數(shù)的信息的匯集。這是由有關(guān)設(shè)備、物料、人員和過程段的信息組成的。生產(chǎn)能力描述了制造控制系統(tǒng)已知道的名字、術(shù)語、狀態(tài)和數(shù)量。生產(chǎn)能力信息包含用于產(chǎn)能調(diào)度和維護(hù)信息的詞匯表。一種生產(chǎn)能力是對(duì)于一個(gè)給定的時(shí)間段（目前或今后）的人員能力、設(shè)備能力、物料能力和過程段能力的匯集，并作為承擔(dān)的、可利用的和難以達(dá)到的等類別列出。生產(chǎn)能力模型包括生產(chǎn)能力、人員能力、人員能力特性、設(shè)備能力、設(shè)備能力特性、物料能力和物料能力特性7個(gè)方面的信息，如圖6所示，它闡明了人員、設(shè)備和物料模型之間的關(guān)系。

2.6 過程段能力模型

圖5 過程段模型

圖6 生產(chǎn)能力模型

對(duì)一個(gè)特定時(shí)間、對(duì)一個(gè)給定的過程段承擔(dān)的、可利用的、或難以達(dá)到的人員資源、設(shè)備資源和物料的邏輯分組的表示法被稱為一種過程段能力。過程段能力模型包括過程段能力、人員段能力、人員段能力特性、設(shè)備段能力、設(shè)備段能力特性、物料段能力和物料段能力特性7個(gè)方面的信息，如圖7所示，它闡明了過程段、人員、設(shè)備和物料模型之間的關(guān)系。

圖7 過程段能力

2.7 產(chǎn)品定義模型

產(chǎn)品定義信息是生產(chǎn)規(guī)則，物料清單，以及資源清單之間共享的信息。這三個(gè)外部模型用圖8中的包表示，該模型包括產(chǎn)品定義、制造清單、產(chǎn)品段、產(chǎn)品參數(shù)、人員規(guī)范、人員規(guī)范特性、設(shè)備規(guī)范、設(shè)備規(guī)范特性、物料規(guī)范、物料規(guī)范特性和產(chǎn)品段從屬性11個(gè)方面的信息。

2.8 生產(chǎn)調(diào)度模型

生產(chǎn)調(diào)度是一種生產(chǎn)請(qǐng)求。一個(gè)生產(chǎn)調(diào)度是由一個(gè)或者多個(gè)生產(chǎn)請(qǐng)求組成的。生產(chǎn)請(qǐng)求是為一個(gè)由生產(chǎn)規(guī)則標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品要求生產(chǎn)的請(qǐng)求。生產(chǎn)請(qǐng)求包含為了完成調(diào)度生產(chǎn)制造所需的信息。生產(chǎn)請(qǐng)求至少包含一個(gè)段要求，即使它跨越了產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)階段。生產(chǎn)調(diào)度模型包括生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)請(qǐng)求、段要求、生產(chǎn)參數(shù)、人員要求、人員要求特性、設(shè)備需求、設(shè)備需求特性、已生產(chǎn)物料要求、已生產(chǎn)物料要求特性、已消耗物料要求、已消耗物料要求特性、預(yù)期消耗品、預(yù)期消耗品特性和請(qǐng)求段響應(yīng)十五個(gè)方面的信息，如圖9所示，清楚地說明了產(chǎn)品段、過程段、人員、設(shè)備以及物料模型之間的關(guān)系。

2.9 生產(chǎn)績(jī)效模型

生產(chǎn)績(jī)效是一個(gè)關(guān)于所請(qǐng)求生產(chǎn)的報(bào)告，也是生產(chǎn)響應(yīng)的集合。生產(chǎn)響應(yīng)是指與生產(chǎn)請(qǐng)求相關(guān)聯(lián)的制造響應(yīng)。如果生產(chǎn)設(shè)備需要將生產(chǎn)請(qǐng)求劃分成更小的工作單元，那么一個(gè)生產(chǎn)請(qǐng)求就會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)生產(chǎn)響應(yīng)。生產(chǎn)績(jī)效模型包括生產(chǎn)績(jī)效、生產(chǎn)響應(yīng)、段響應(yīng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、實(shí)際人員、實(shí)際人員特性、實(shí)際設(shè)備、實(shí)際設(shè)備特性、實(shí)際已生產(chǎn)物料、實(shí)際已生產(chǎn)物料特性、實(shí)際消耗的物料、實(shí)際消耗的物料特性、實(shí)際消耗品和實(shí)際消耗品特性十四個(gè)方面的信息，如圖10所示，并且加入了產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)則，以及闡明了人員、設(shè)備、物料模型之間的關(guān)系。

圖8 產(chǎn)品定義模型

圖9 生產(chǎn)調(diào)度模型

圖10 生產(chǎn)績(jī)效模型

3 對(duì)象模型的關(guān)系

圖11給出了對(duì)象模型之間相互關(guān)聯(lián)的參考資料性說明[2]。生產(chǎn)信息給出了在制造什么和在使用什么的信息。它的元素相當(dāng)于生產(chǎn)調(diào)度中列出的制造什么和使用什么的信息。生產(chǎn)調(diào)度的要素對(duì)應(yīng)于表示制造一種產(chǎn)品所規(guī)定的產(chǎn)品定義中的信息。產(chǎn)品定義要素對(duì)應(yīng)于過程段描述中的信息，它給出靠這些生產(chǎn)資源能做些什么。

圖11中的斜矩形表示任何資源（人員、設(shè)備或者物料），或者資源特性。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 人員的UML模型

UML模型是商務(wù)系統(tǒng)、制造操作以及控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的軟件獨(dú)立描述。UML依賴于面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)。簡(jiǎn)單地講，面向?qū)ο蟀?、子類以及?shí)例(對(duì)象)。類可以是“車”，而實(shí)例可以是“Mine夫人的車”或者“我的車”。一個(gè)類具有屬性，實(shí)例具有屬性的值，例如類“車”有一個(gè)屬性“牌照”，而實(shí)例“Mine夫人的車”具有屬性“牌照為ABC 123”。

圖11所示人員模型即為人員UML模型。

4.2 帶有屬性的人員類實(shí)例

圖11 對(duì)象模型內(nèi)部關(guān)系

圖11 人員UML模型

如圖11所示的模型是圖2的一份復(fù)制，一共定義了6個(gè)類，即：人員、人員類、人員特性、人員類特性、資格測(cè)試規(guī)范、資格測(cè)試結(jié)果。本部分為這6個(gè)類中的每一個(gè)定義屬性。

表3為人的屬性。

表3 人的屬性

這意味著，人員類應(yīng)該有ID、Description以及Name屬性。

圖12顯示了帶有屬性的人員類，并且有兩個(gè)實(shí)例，即John Smith以及Lou Brown。

圖12 人員類的實(shí)例

相同的有另外一個(gè)類“人員類”（人員類應(yīng)該被看作人員的分組或者分類）。所使用的實(shí)例依賴于應(yīng)用程序，但是可以是下面的例子：工程師、夜班工人、磨床操作工人等。

4.3 XML描述實(shí)例

這是一個(gè)人員模型簡(jiǎn)化的示例，可以應(yīng)用在石油化學(xué)制品行業(yè)。示例列出了人員類和人員的共享信息，包括資格測(cè)試信息。

人員類

ID – 操作人員水平A

描述(Description) – 石油化工制品廠認(rèn)證最高水平操作人員。

ID – 操作人員水平B

描述(Description) – 石油化工制品廠認(rèn)證基本水平操作人員。

ID – 操作人員

描述(Description) – 石油化工制品廠操作人員

特性(Properties)

ID – MTBE平均錯(cuò)誤間隔時(shí)間過程認(rèn)證

描述(Description) – 每一個(gè)完整的認(rèn)證測(cè)試水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

資格測(cè)試規(guī)范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC-MTBE-992828

描述(Description) – 決定MTBE 認(rèn)證水平的測(cè)試

版本(Version) – 1997-04-02

ID – PO精練水平認(rèn)證的測(cè)試（PO Refning Process Certifcation）

描述(Description) – 每一個(gè)完整的認(rèn)證測(cè)試水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

資格測(cè)試規(guī)范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC- PO-Refning -992828

描述(Description) – 決定PO精練水平認(rèn)證的測(cè)試。

版本(Version) – 1997-04-02

ID – Push-Up Certifcation上推認(rèn)證

描述(Description) – 操作人員暫時(shí)能夠進(jìn)行高層作業(yè)

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

人員

ID – 999-63-8161

描述(Description) -

姓名(Name) – John Doe

特性(Properties)

ID – MTBE 過程認(rèn)證

描述(Description) – 每一個(gè)完整的認(rèn)證測(cè)試水平

值(Value) – 真

度量單位(Units of Measure) -

資格測(cè)試結(jié)果(Qualifcation Test results)

ID – PC-MTBE-992828-2000-10-12

描述(Description) – 決定MTBE 認(rèn)證水平的測(cè)試。

結(jié)果(Result)– 通過

到期(Expiration) – 2000-12-15

ID – PO精練水平過程認(rèn)證（PO Refining Process Certifcation）

描述(Description) – 每一個(gè)完整的認(rèn)證測(cè)試水平

值(Value) – 假

度量單位(Units of Measure) -

ID – 上推認(rèn)證

描述(Description) – 操作人員暫時(shí)能夠進(jìn)行高層作業(yè)

值(Value) – 假

度量單位(Units of Measure) –

ID – 合格的消防團(tuán)隊(duì)

描述(Description) – 操作人員被訓(xùn)練來輔助消防

值(Value) – 真

度量單位(Units of Measure) -

人員類(Personnel Classes)

ID – 操作人員

ID – B級(jí)操作人員

ID – 合格的消防團(tuán)隊(duì)

5 結(jié)束語

通過對(duì)企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對(duì)象模型進(jìn)行規(guī)范化，并對(duì)這些對(duì)象模型存在的資料性關(guān)系進(jìn)行描述，并對(duì)對(duì)象模型的應(yīng)用XML進(jìn)行闡述，從而可以降低與實(shí)施這些接口有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)、成本和差錯(cuò)，提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度，進(jìn)而提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 冷杉,黃榕華.企業(yè)與控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)研究[A].中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在管控一體化中的作用研討會(huì)[C].2007.

[2] 國際電工委員會(huì). Enterprise control system integration – Part2: Object model attributes[S].IEC 62264-2:2013.

Objects and applications for enterprise-control system integration

GUO Dong, YIN Zuo-zhong, QIN Xiu-gong, DU Jun, FAN Wei

TP29

：A

1009-0134(2017)01-0138-11

2016-12-22

國家支撐計(jì)劃項(xiàng)（2015BAF17B01）

郭棟（1989 -），男，山西襄汾人，碩士，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化。