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虛擬企業(yè)集成模型的形式化方法
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文章來源:泛普軟件CIMS的研究與開發(fā)正處于企業(yè)集成階段,虛擬企業(yè)研究正是這一階段的重要研究課題和使能技術(shù)之一。對(duì)于虛擬企業(yè)的建立與運(yùn)作,尤其是在作為其基礎(chǔ)與要素的虛擬企業(yè)模型以及相應(yīng)的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題上,還不存在成熟的理論、方法與規(guī)范。本文應(yīng)用形式化的工業(yè)軟件工程嚴(yán)格方法(RAISE)與集成計(jì)算機(jī)輔助制造定義方法(IDEF)相結(jié)合的手段建立虛擬企業(yè)模型,并探討有關(guān)模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)集成與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題。
1、虛擬企業(yè)建模
1.1 虛擬企業(yè)模型
虛擬企業(yè)是一組企業(yè)的臨時(shí)組織或聯(lián)盟,其目的是通過聯(lián)合的成本與技術(shù)開拓適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)。建立具有指導(dǎo)意義的虛擬企業(yè)模型,以模型為驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)虛擬企業(yè)信息系統(tǒng),是當(dāng)前解決虛擬企業(yè)集成問題普遍認(rèn)可的方法。因此,建立虛擬企業(yè)模型,尤其是建立企業(yè)生產(chǎn)過程與經(jīng)營(yíng)過程模型,是分析企業(yè)過程,進(jìn)而有效的組建虛擬企業(yè)系統(tǒng)的必需。
1.2 虛擬企業(yè)建模面臨的問題
虛擬企業(yè)的集成和企業(yè)模型的構(gòu)建很復(fù)雜,建模需要著重解決以下問題: 1) 企業(yè)模型必須能從高層抽象企業(yè)功能、結(jié)構(gòu)、特性,以便企業(yè)級(jí)的過程重組; 2) 企業(yè)模型必須適應(yīng)動(dòng)態(tài)虛擬企業(yè)的特點(diǎn),做到易于重構(gòu)(即有可重構(gòu)性); 3) 可重用性與可伸縮性; 4) 建模方法必須簡(jiǎn)單易用,這是因?yàn)橐话闫髽I(yè),尤其是中小型企業(yè),不具備專業(yè)的建模人員; 5) 企業(yè)建模過程應(yīng)該融合企業(yè)的不同層次,使虛擬企業(yè)涉及的各層次人員能夠廣泛參與。
虛擬企業(yè)的復(fù)雜性使得一些單一信息系統(tǒng)中低層次的問題也必須提高到模型(抽象)層次才能解決。這使虛擬企業(yè)建模問題更加復(fù)雜化。以IDEF為代表的傳統(tǒng)企業(yè)建模方法在處理虛擬企業(yè)建模問題上逐漸暴露出自身的某些局限性。為了解決上述問題,增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化程度、減少系統(tǒng)的不一致性,更快、更好、更可靠的實(shí)現(xiàn)虛擬企業(yè)系統(tǒng),嘗試在企業(yè)模型建立與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中引入形式化方法作為傳統(tǒng)建模方法的補(bǔ)充。
2、形式化方法
2.1 形式化方法與疑問
作為一種以數(shù)學(xué)邏輯為基礎(chǔ)的方法,形式化方法以其嚴(yán)密性越來越受到眾多領(lǐng)域的重視,尤其是在安全性和可靠性作為關(guān)鍵問題的系統(tǒng),如核電站、航空航天、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是對(duì)于形式化方法在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用問題,在學(xué)術(shù)界和工程界,尤其是在系統(tǒng)開發(fā)人員當(dāng)中,還存在著相當(dāng)多的疑問。
1990年, J.A.Hall回答了有關(guān)形式化方法的7個(gè)疑問[9]。這7個(gè)疑問是: 1) 該方法可否保證軟件系統(tǒng)的完美無缺; 2) 它處理的只是程序正確性的證明; 3) 它只適用于安全第一的系統(tǒng); 4) 它需要專業(yè)的數(shù)學(xué)知識(shí); 5) 它增加系統(tǒng)開發(fā)的成本; 6) 用戶無法接受它; 7) 無法應(yīng)用于大型的實(shí)際系統(tǒng)。
J.A.Hall對(duì)這7個(gè)問題的回答是: 形式化方法不能保證系統(tǒng)的完美無缺,也并不能減少系統(tǒng)所需的測(cè)試。用戶不能認(rèn)為它是萬(wàn)能的(疑問1)。形式化方法不僅僅局限于對(duì)程序正確性的證明,也不是只適用于安全第一的系統(tǒng)。它在眾多非安全第一的系統(tǒng)中的成功應(yīng)用足以說明這一點(diǎn)(疑問2~3)。許多復(fù)雜問題的簡(jiǎn)單形式化描述,以及若干項(xiàng)目的成功運(yùn)作反駁了有關(guān)形式化方法需要專業(yè)的數(shù)學(xué)知識(shí)(疑問4),而且必將增加系統(tǒng)成本的說法(疑問5)。最終用戶以及非專業(yè)人員在系統(tǒng)開發(fā)中的廣泛參與說明了用戶對(duì)該方法的認(rèn)可(疑問6)。它在幾個(gè)大型實(shí)際系統(tǒng)中成功應(yīng)用已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注,也否定了形式化方法無法應(yīng)用于大型實(shí)際系統(tǒng)的說法(疑問7)。
1995年, Jonathan P.Bowen進(jìn)一步回答了隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展,有關(guān)形式化方法的新疑問[10]。 8) 該方法延遲開發(fā)進(jìn)程; 9) 它缺乏支持工具; 10) 它將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法; 11) 只適用于軟件設(shè)計(jì); 12) 實(shí)際上并不需要它; 13) 它缺乏支持; 14) 該方法的熱衷人員只使用形式化方法。
Jonathan P.Bowen對(duì)這7個(gè)問題的回答是: 盡管一些應(yīng)用形式化方法的項(xiàng)目由于各種原因被延遲,但是多數(shù)都因該方法的成功應(yīng)用顯著地縮短了開發(fā)時(shí)間(疑問8)。隨著形式化方法領(lǐng)域的不斷壯大,對(duì)其支持的工具越來越豐富。類似于CASE的集成工具也已經(jīng)出現(xiàn)(疑問9)。它與結(jié)構(gòu)化的軟件工程方法并不是相互對(duì)立,相反,二者的結(jié)合將會(huì)是有益的相互補(bǔ)充(疑問10)。該方法不僅適用于軟件的開發(fā),同樣適用于硬件設(shè)計(jì)。而且它使得軟硬件的聯(lián)合設(shè)計(jì)成為可能(疑問11)。盡管關(guān)于該方法的必要性有很多爭(zhēng)論,但不可否認(rèn)的是在一些領(lǐng)域中,它是必須的,而且這些領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛(疑問12)。同時(shí),它正在為越來越多的人所接受與支持。在一些國(guó)家,該方法正逐漸步入大學(xué)的課堂(疑問13)。必須承認(rèn)的是,該方法并不是萬(wàn)能的; 在一些特定的領(lǐng)域它并不適宜,用戶界面的設(shè)計(jì)就是一例(疑問14)。
2.2 RAISE
形式化方法的研究領(lǐng)域是豐富的,用以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的形式化系統(tǒng)與方法也是多樣的。不同特點(diǎn)的系統(tǒng)適用于不同的領(lǐng)域。對(duì)虛擬企業(yè)集成來講,RAISE是一種適宜的形式化方法[11,12]。RAISE是歐洲ESPRIT項(xiàng)目研發(fā)的一種適用于工業(yè)界的形式化方法。它為工業(yè)界應(yīng)用形式化方法開發(fā)軟件系統(tǒng),提供了有力的工具和途徑。 RAISE的目標(biāo)是使建立的軟件系統(tǒng)更加可靠、錯(cuò)誤更少、文檔化更好、更易維護(hù),它的語(yǔ)言、開發(fā)方法和工具如下:
1) 描述語(yǔ)言(RSL)
RSL綜合了其它多種形式化方法描述語(yǔ)言的特點(diǎn),是一種廣譜的描述語(yǔ)言。廣譜的涵義是指它既能夠描述高層抽象,也能夠刻劃底層設(shè)計(jì)。這帶來的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是除了程序語(yǔ)言之外,用戶可以只了解RSL。同時(shí)RSL的結(jié)構(gòu)化方法支持分解和重用。 RSL描述的實(shí)際是軟件系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。區(qū)分不同開發(fā)階段的描述特征是它們不同的抽象層次。
2) 開發(fā)方法
RAISE包含了對(duì)各種相關(guān)軟件與系統(tǒng)開發(fā)的指導(dǎo),如對(duì)需求分析和項(xiàng)目管理。該方法基于逐步求精模式。按照這一模式,軟件是通過一系列步驟完成的,其中每一步均是前一步的求精。RAISE提供驗(yàn)證機(jī)制與工具以證明這種求精工作是正確的。對(duì)于上述的RAISE開發(fā)模式實(shí)際上十分靈活。RAISE提供軟件開發(fā)過程的框架和指導(dǎo),用戶可以選擇適合于自身工程的抽象程度。
3) 輔助工具
RAISE提供一整套工具來支持上述方法和語(yǔ)言。它支持編輯和管理開發(fā)過程中涉及的多種實(shí)體: 模塊、關(guān)系、原理、證明等。這些工具提供的環(huán)境可以方便地跟蹤文檔化軟件系統(tǒng)開發(fā)的全過程,支持軟件系統(tǒng)生命周期內(nèi)的維護(hù)和改進(jìn)。RAISE工具當(dāng)前包括: 編輯工具、證明工具、程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)化工具、文檔支持工具。
3、IDEF與RSL的結(jié)合
3.1 現(xiàn)狀與問題
我國(guó)的CIMS實(shí)施過程中,IDEF是為學(xué)術(shù)界和工程界普遍接受的企業(yè)建模方法論。IDEF豐富強(qiáng)大的表達(dá)能力與直觀性使其得到廣泛的應(yīng)用。自從20世紀(jì)70年代提出以來,它已經(jīng)成為工業(yè)界和商業(yè)界企業(yè)建模的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。它的通用性在諸多領(lǐng)域的模型體系中都得到體現(xiàn)。尤其是作為一個(gè)家族,它提供了不同角度的模型方法,一些更深層次的IDEF也正在研究中。
但是,在CIMS的實(shí)施與應(yīng)用過程中, IDEF也顯示出自身的缺點(diǎn)與不足。首先,對(duì)于如何融合原有系統(tǒng),以便保護(hù)原有投資,進(jìn)而提高效率,降低成本的問題,IDEF模型沒有給出明確的解決方案。其次,在一些CIMS的實(shí)施與應(yīng)用項(xiàng)目中,由于受時(shí)間、資金、技術(shù)等方面的限制,在企業(yè)建模階段,沒有投入足夠的力量。后期的實(shí)施沒有遵從模型指導(dǎo),或者遵從錯(cuò)誤導(dǎo)向的模型,對(duì)實(shí)際系統(tǒng)造成一定的影響。
尤其值得指出的是,模型本身是理想化的系統(tǒng)運(yùn)作與集成模式,模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建立是其得以實(shí)現(xiàn)的手段。因此,實(shí)現(xiàn)模型與現(xiàn)實(shí)世界的集成,即實(shí)現(xiàn)可執(zhí)行的模型系統(tǒng)是決定企業(yè)能否應(yīng)用模型及模型功能發(fā)揮程度的關(guān)鍵。在模型建立與表達(dá)手段日臻完善的同時(shí),模型實(shí)現(xiàn)手段,即從模型向?qū)嶋H系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的服務(wù),也越來越受到人們的重視。而IDEF(以及多數(shù)的其它企業(yè)建模方法),在企業(yè)模型與實(shí)際系統(tǒng)之間,存在著相當(dāng)大的距離。無論是過程模型、功能模型還是信息模型,在實(shí)現(xiàn)階段都只能具有參考意義。
3.2 解決方法
針對(duì)上述問題,在虛擬企業(yè)建模、系統(tǒng)集成與實(shí)現(xiàn)中引入形式化方法,實(shí)現(xiàn)IDEF與RSL的結(jié)合: 即采用IDEF描述系統(tǒng)模型,由RSL建立形式語(yǔ)言描述,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)向程序語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化,是一種理想的企業(yè)建模方法。具體而言:
1) 在高層的系統(tǒng)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,發(fā)揮IDEF直觀、形象、易于理解的優(yōu)點(diǎn),使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在較高層次把握系統(tǒng)本質(zhì),同時(shí)可以使得系統(tǒng)用戶,也就是非專業(yè)的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)人員,能夠直接參與到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來。
2) 以IDEF設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型,在傳統(tǒng)的方法中即通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員向?qū)嶋H系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。但是,在前面提到過,由于這種轉(zhuǎn)化的某些隨意性和不規(guī)范性,容易造成實(shí)際系統(tǒng)與模型之間的差異。因此,進(jìn)一步細(xì)化模型,使得系統(tǒng)模型盡可能靠近實(shí)際系統(tǒng),是引入形式化描述的目的。由于RAISE有著嚴(yán)格邏輯的、從抽象高層模型向低層實(shí)際系統(tǒng)描述精化的方法與步驟,這種轉(zhuǎn)化可以被保證以正確的方式進(jìn)行。模型設(shè)計(jì)人員與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員可以通過形式化的描述進(jìn)行嚴(yán)格定義與規(guī)范的溝通。
3) 有了低層的、具體的系統(tǒng)描述,RAISE提供系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工具可以使得由系統(tǒng)模型向?qū)嶋H系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的工作自動(dòng)化。這在最大的程度上減少系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員的工作量,同時(shí)減少了不確定性。
4) 系統(tǒng)從抽象到具體的描述,實(shí)際上是系統(tǒng)設(shè)計(jì)無可替代的維護(hù)文檔。模塊的嚴(yán)格描述為系統(tǒng)的更新、重用、通訊提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
采取上述的步驟進(jìn)行虛擬企業(yè)建模與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),在系統(tǒng)各個(gè)階段均有著緊密的承接關(guān)系,從高層到低層有著嚴(yán)格的邏輯控制,這對(duì)于類似于虛擬企業(yè)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)是必需的。但是,在虛擬企業(yè)的模型建立、系統(tǒng)集成與開發(fā)過程中引入形式化方法,不可能、也不應(yīng)該替代傳統(tǒng)的企業(yè)建模集成方法,而應(yīng)該是其有益的補(bǔ)充。
3.3 優(yōu)點(diǎn)
采用上述的方法可以著重解決虛擬企業(yè)中的以下問題:
1) 增強(qiáng)虛擬企業(yè)模型與系統(tǒng)的聯(lián)系
RAISE本身作為一種形式化系統(tǒng)可以有效地抽象系統(tǒng),逐步求精進(jìn)行細(xì)化,并能自動(dòng)進(jìn)行形式化描述向程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)化,因此可以保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與模型的一致性,進(jìn)而保證系統(tǒng)求解的正確性。因此,作為聯(lián)系模型與實(shí)際系統(tǒng)的手段,通過RSL在抽象層次表達(dá)IDEF模型,經(jīng)過逐步求精,向?qū)嶋H系統(tǒng)無縫轉(zhuǎn)化是理想的解決方案。
2) 實(shí)現(xiàn)企業(yè)模塊的重用性
虛擬企業(yè)的集成中,很重要的一點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)重用性。作為臨時(shí)性的聯(lián)盟組織,虛擬企業(yè)的組建與分解都是其生命周期內(nèi)的必然階段。為了響應(yīng)市場(chǎng)需求,這一過程必須是迅速的。作為參與成員的單一企業(yè)其系統(tǒng)自身模塊必須可重用,以便迅速響應(yīng)其它核心企業(yè)請(qǐng)求,實(shí)施虛擬企業(yè)組建。企業(yè)模塊本身的"標(biāo)準(zhǔn)性"是可重用的根本決定因素之一。應(yīng)用RSL描述語(yǔ)言構(gòu)建企業(yè)模塊,可以在系統(tǒng)間建立規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的模塊描述,并以此來規(guī)范系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),是實(shí)現(xiàn)企業(yè)模塊可重用性的途徑。
3) 保證異種企業(yè)間的互操作性
緊密聯(lián)邦性質(zhì)的企業(yè)之間存在的不僅僅是簡(jiǎn)單的產(chǎn)品供應(yīng)信息,還需要有效的聯(lián)合決策和控制。非標(biāo)準(zhǔn)的二意性的系統(tǒng)集成與實(shí)現(xiàn)必將為這種合作帶來?yè)p害。盡管許多標(biāo)準(zhǔn)(如STEP,CORBA)的出現(xiàn)為系統(tǒng)的集成與互操作提供了一定程度的解決方案,但是,低層次的解決方案是無法從根本上滿足虛擬企業(yè)所需的上層合作要求的。因?yàn)檫@種控制與決策的交互是可以在各個(gè)層次上發(fā)生的。以標(biāo)準(zhǔn)的模型模塊與規(guī)范來劃分系統(tǒng),在RSL的廣譜范圍內(nèi)保證異種企業(yè)間的互操作性是根本的解決之道。
4) 支持軟件進(jìn)化過程
對(duì)于虛擬企業(yè)這樣的復(fù)雜巨系統(tǒng)而言,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不可能是一蹴而就的。甚至系統(tǒng)的要求,以至系統(tǒng)模型,都可能隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。軟件系統(tǒng)開發(fā)中的快速原型系統(tǒng)也向解決這種軟件進(jìn)化問題提出了挑戰(zhàn)。通過形式化的方法對(duì)虛擬企業(yè)建模進(jìn)而完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),可以嚴(yán)格地控制模塊間的進(jìn)化關(guān)系,維護(hù)組件間的關(guān)聯(lián),保存完善的開發(fā)文檔。這對(duì)于軟件的修改與進(jìn)化提供了有力的支持。
4、結(jié) 論
世界市場(chǎng)已經(jīng)從相對(duì)穩(wěn)定演變?yōu)閯?dòng)態(tài)多變,局部競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)展為全球競(jìng)爭(zhēng),跨行業(yè)、跨地區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)、滲透與協(xié)作日趨激烈。先進(jìn)制造業(yè)的敏捷性需求使得虛擬企業(yè)成為最有希望的經(jīng)營(yíng)管理模式與技術(shù)手段。本文分析了基于企業(yè)模型的虛擬企業(yè)構(gòu)建問題,指出了虛擬企業(yè)新形式下傳統(tǒng)方法的不足,提出了將形式化方法與傳統(tǒng)的企業(yè)建模技術(shù)相結(jié)合的觀點(diǎn),并討論了相關(guān)的方法與應(yīng)用問題。
來源:CAD/CAM
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