引言
集成是由部分構成整體、由單元構成系統(tǒng)的主要途徑，集成就是通過接口實現(xiàn)不同功能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和功能互連，集成意味著將分散的異構部件聯(lián)合在一起形成一個協(xié)同的整體，從而實現(xiàn)更強的功能，完成各個部分不能獨自完成的任務。企業(yè)集成是指通過連接所有必須的系統(tǒng)和異構功能實體來方便跨越組織界限的信息流、控制流和物料流的傳遞，改進企業(yè)內的通信、合作與協(xié)調，從而將企業(yè)組成一個協(xié)調的整體，達到提高生產(chǎn)率、柔性和管理水平的目的。
企業(yè)集成系統(tǒng)是在企業(yè)單元技術和系統(tǒng)得到廣泛應用的基礎上，通過集成形成的支持企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的集成化系統(tǒng)。相對于單元技術系統(tǒng)，集成系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、功能多、系統(tǒng)結構復雜等特點。
制造業(yè)的企業(yè)集成是一個系統(tǒng)的將現(xiàn)場以及管理層和企業(yè)層的人力和機器作為一個整體組織成協(xié)同型企業(yè)集成系統(tǒng)的典范。可以利用業(yè)務流程軟件和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)來滿足全自動化的計算機集成要求。目前主要問題依然是在關于企業(yè)層和制造車間層之間的界面，需要根據(jù)產(chǎn)品的生命周期、生產(chǎn)工藝和企業(yè)內外的人力推動閉環(huán)內的管理和經(jīng)營決策，從而調整生產(chǎn)進度。目前網(wǎng)絡化企業(yè)的實現(xiàn)由于缺乏企業(yè)系統(tǒng)之間的互操作性遇到了暫時困難。該領域中研究的目的是為技術突破創(chuàng)造上游條件從而避免企業(yè)投資被信息技術(IT)要約的遞增變化所牽制，而前景取決于可以在公司、人員和團體之間創(chuàng)建的為生成共享知識和財富的協(xié)同網(wǎng)絡。創(chuàng)建成功的協(xié)同網(wǎng)絡需要許多重要的基礎條件，如通用參考模型、有效的協(xié)同機制和方法、基于開放式架構的配套基礎設施、再現(xiàn)成功案例的設計的工程方法學以及規(guī)范化的市場技術和工具。
業(yè)務模型和制造模型的無縫集成需要企業(yè)工程模型和工具來全面描述一個集成制造系統(tǒng)的信息化方面。然而，時至今日，雖然在企業(yè)建模和集成領域已經(jīng)存在一些高級標準，但是它們卻還未被廣泛認可，也未用于行業(yè)中。
1制造業(yè)對企業(yè)集成系統(tǒng)解決方案的需求
1．1 企業(yè)集成和互操作性研究面臨的挑戰(zhàn)
企業(yè)集成是從20世紀90年代起開發(fā)出來的研究領域，是對計算機集成制造(CIM)的拓展。企業(yè)集成研究主要包括兩個不同的研究對象：企業(yè)建模和信息技術。企業(yè)集成是企業(yè)工程的主要組成部分，涉及用于分析、設計和連續(xù)將企業(yè)保持在整合狀態(tài)的成套方法、模型和工具，這一點值得注意。在當前的工業(yè)和經(jīng)濟環(huán)境下，企業(yè)系統(tǒng)需要經(jīng)常重構以便適應變化的市場需求和技術進展。被視為企業(yè)系統(tǒng)工程基礎的企業(yè)架構，已作為幫助股東管理系統(tǒng)工程和變化的一種工具而出現(xiàn)了。它不僅僅是IT問題，更重要的是對戰(zhàn)略決策和組織方面的挑戰(zhàn)。
表1 關于企業(yè)集成和互操作性研究面臨的挑戰(zhàn)
一個集成系統(tǒng)系列必須且必然可以相互操作，但是互操作性系統(tǒng)不一定為集成形式。集成處理組織問題時可能以一種不太正式的形式(由于涉及到人)，這使集成更難解決一些，而互操作性則更側重于技術問題。兼容性比互操作性更簡單一些。兼容性意味著系統(tǒng)／單元不干涉彼此的運行，但是不具有交換服務的能力。互操作性系統(tǒng)一定是可以兼容的，但是反之則不一定。為了通過魯棒性信息交換實現(xiàn)人際網(wǎng)絡，所有人都必須跳出兼容性范圍。總之，互操作性處于兼容性和完全集成之間。一定要從本質上區(qū)分兼容性、互操作性和集成的概念，否則可能會引起混淆。當兼容性明顯為最低要求時，在一套系統(tǒng)或單元內預期的互操作性和集成的程度將由那些系統(tǒng)的底層功能水平所決定。
根據(jù)制造業(yè)自動化系統(tǒng)對企業(yè)集成和互操作性的需求，筆者分析了與將來的研究工作有關的趨勢和問題。這些嚴峻的挑戰(zhàn)根據(jù)表1的分類可以概括劃分如下：挑戰(zhàn)之1：協(xié)同網(wǎng)絡的組織；挑戰(zhàn)之2：企業(yè)建模和參考模型：挑戰(zhàn)之3：企業(yè)與流程模型的互操作性；挑戰(zhàn)之4：企業(yè)模型的校核、驗證和確認；挑戰(zhàn)之5：模型重用與模型庫。
1．2對制造業(yè)系統(tǒng)環(huán)境中的企業(yè)架構選擇
企業(yè)應用系統(tǒng)互操作性的問題可以根據(jù)不同的觀點和看法來定義。這些方面對應于建模框架和企業(yè)架構，根據(jù)線性尺度的演化觀點來看，如果某個應用系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的互操作程度越高，它與高級抽象模型及其語義之間的關聯(lián)就會越強。因此互操作性發(fā)展過程在文獻資料中常被歸類為所謂的“互操作性等級”(見表2)。
一個廣為認可的信息系統(tǒng)互操作性模型是LISI模型(信息系統(tǒng)互操作性等級模型)。LISI主要根據(jù)系統(tǒng)互操作性的復雜程度進行分類(包括：隔離系統(tǒng)、對等網(wǎng)絡環(huán)境下的連接級互操作性、分布式環(huán)境下的功能互操作性、集成環(huán)境下的領域級互操作性、通用環(huán)境下的企業(yè)級互操作性)。LISI關注系統(tǒng)之間的技術互操作性和互操作的復雜性。該模型不涉及與互操作性系統(tǒng)的建造和維護有關的環(huán)境和組織問題。于是人們承認這一局限性并提出了OIM模型(組織互操作性成熟度模型)，將LISI模型擴展到更為抽象的命令和控制支持層(包括：獨立級、自組織級、協(xié)作級、集成級、統(tǒng)一級)。除組織互操作性外，交換流的內容類型也是一個有待解決的問題。為解決該問題，NATO C3面向互操作性的技術體系結構參考模型(NC3TA)主要論及技術互操作性并確定了互操作性等級與子級(包括：非結構化數(shù)據(jù)交換、結構化數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)無縫共享和信息無縫共享)。這些等級劃分將用于數(shù)據(jù)的交換和解釋通過結構化和自動化來提高操作有效性的方法中。
此外在概念領域，文獻4推出了LCIM模型(概念互操作性等級模型)，可以對技術模型如LISI范圍外的概念互操作性等級進行評估。系統(tǒng)互操作性不僅僅是技術問題(如LISl或LCIM所述)，同時也是組織機構問題(如OIM)。互操作性的這些方面與歐洲互操作性框架“，中所述的定義相符，在歐洲互操作性框架(EIF)中討論了互操作性的3個方面(即組織、語義和技術)。
表2成熟度模型
選擇一個適當?shù)目蚣苁峭七M互操作性工程的必要條件，因為它們代表著互操作系統(tǒng)工程領域的最佳策略。例如，在信息系統(tǒng)設計方法方面，為了解決這一問題，人們提出了一個關鍵問題框架，從而能夠有效的聯(lián)系用戶并改進集成企業(yè)的模型設計。這項開發(fā)是基于企業(yè)建模領域和信息系統(tǒng)設計領域中與企業(yè)集成相關的工作的交叉分析結果。
企業(yè)集成系統(tǒng)的最終目標是實現(xiàn)業(yè)務集成以便支持企業(yè)內部和／或企業(yè)間的經(jīng)營。但是為便于通信和信息交換，業(yè)務集成需要物理集成和應用集成的支持。目前許多企業(yè)已實現(xiàn)了物理集成，許多公司也己著手實施應用集成。對于業(yè)務集成來說，雖然自20世紀80年代起已進行了開發(fā)，但至今仍未達到一個令人滿意的水平。
1．3制造業(yè)系統(tǒng)環(huán)境中的集成和互操作性
信息系統(tǒng)和制造系統(tǒng)的集成是企業(yè)建模方面的巨大成就之一。然而，一些新的因素(例如信息和通信技術的快速演變，還有為了受益于市場機會需要在不同類型的企業(yè)之間快速設立聯(lián)盟等)正在企業(yè)建模環(huán)境中引發(fā)出新的問題，如互操作性。于是人們對面向GI認I擴展活動圖和UML活動圖之間的模型轉換的UML Profile(UML概要文件)提出了一個詳細定義，以便解決協(xié)作型企業(yè)內出現(xiàn)在企業(yè)建模方面的互操作性問題。執(zhí)行這一概要文件的最終目的是為了取得模型導向的互操作性解決方案，該解決方案源自企業(yè)模型并指引企業(yè)獲得企業(yè)軟件應用。基于UML概要文件的方法的主要優(yōu)點之一是它向企業(yè)提供了一種普通的業(yè)務建模解決方案，該方案考慮到了互操作性問題。
MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))解決方案為管理人員(決策層)和直接操作工人(操作層)提供車間狀況的實時信息。同時它也是戰(zhàn)略生產(chǎn)管理(如ERP_企業(yè)資源規(guī)劃)和制造車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)方面采用的規(guī)劃系統(tǒng)之間的信息橋梁。它通過對企業(yè)基本資源(如人員、存貨和設備)的最新信息實施適當?shù)脑诰�管理和控制，從而將制造信息系統(tǒng)的各個層面(如戰(zhàn)略規(guī)劃和直接執(zhí)行)鏈接在一起。MES的重要性在于其功能性(指人員、存貨和設備)及它們與工廠環(huán)境的復合元素之間的交互作用。MES的核心功能包括規(guī)劃系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)采集、異常管理、工作單、工作站、存貨／原料和物料轉移。MES支持的功能包括維護、時間控制、統(tǒng)計過程控制、質量保證、處理數(shù)據(jù)和文獻管理。而且，如今為制造業(yè)軟件和業(yè)務應用程序(如ERP系統(tǒng))之間的互操作性關系提供定義和執(zhí)行方面的支持已經(jīng)成為日益增長的需求。
為了支持所要求的B2M(業(yè)務至制造)的互操作，IEC62264標準定義了模型并且制定了用于說明企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)和制造控制系統(tǒng)之間的界面的術語(符合語義學)m。它以一種相當詳細的方式描述了與企業(yè)、控制領域及這些領域內正常交換的對象有關的功能。它將成為公認的B2M集成和互操作性模型。在這種環(huán)境下，主要的建模理念是使產(chǎn)品能交互作為制造業(yè)企業(yè)資源的“控制器”，以便實現(xiàn)現(xiàn)有的產(chǎn)品系統(tǒng)之間的“快速”互操作性關系，并確保整個產(chǎn)品生命周期內物流和信息流之間的一致性。
為確保定制的產(chǎn)品、貨物和物流服務的可追溯性，可以根據(jù)Holonic制造系統(tǒng)(HMs)范例將信息嵌入到實際對象中。這種holonic方法迫切要求集成單獨的對象視圖并參照IEC62264標準，以便對相關的holons領域中缺乏既定標準(有時發(fā)生在事后)以及缺少基礎技術的(由于缺少共同支持的全球性戰(zhàn)略)快速但不穩(wěn)定的增長進行詳細的分析研究。
企業(yè)集成可能涉及不同的層面，也可以按不同的方法實現(xiàn)集成。在企業(yè)子層，集成應用與系統(tǒng)的功能性限于一個同類區(qū)域，通常為單一業(yè)主權限下的單一地方站點。例如，柔性制造系統(tǒng)位于集成的企業(yè)子層面。單一站點企業(yè)層面的完整功能性集成確保可以采用一個通用架構將業(yè)務流程、制造過程和產(chǎn)品實現(xiàn)結合在一起，以便實現(xiàn)共同的目標。這通常適用于單一業(yè)主權限下的分廠(如一個自動化工廠)。
企業(yè)集成系統(tǒng)的最終目標是在各個層面整合不同類型的電子化技術(如電信、因特網(wǎng)，企業(yè)內網(wǎng)／企業(yè)外網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、Web應用程序)、電子化應用(如企業(yè)資源規(guī)劃、制造執(zhí)行系統(tǒng)、SCI--供應鏈集成、EPS--電子采購系統(tǒng)、CRM--客戶關系管理、SRM--供應商關系管理)和電子化服務(如電子化供應、電子化工程、電子化營銷、電子化中介、電子化生產(chǎn)力、電子化工廠)，從而產(chǎn)生了電子化企業(yè)的概念。
2關于制造業(yè)企業(yè)集成系統(tǒng)互操作性方面的語義問題
由于工業(yè)系統(tǒng)目前的集成和互操作性趨勢，使得它們的規(guī)格和復雜性不斷增加，由此導致其組織內發(fā)生的問題更加難以分析、理解和解決。可持續(xù)改善的方法是將用于理解和解決問題、控制變化的影響并最終將與變化和改善有關的知識作為轉化為資本的強大工具。這些工具恰當?shù)亟槿肱c關聯(lián)系統(tǒng)相關的重要知識，所以對組織而言，知識管理(KM)已經(jīng)成為日益重要的競爭優(yōu)勢的來源。尤其是經(jīng)驗反饋(EF)所得知識的資本化和共享是在工業(yè)活動的持續(xù)改善方面起關鍵作用的元素。這里論及的語義互操作性以及將經(jīng)驗信息轉化成顯性知識的經(jīng)驗反饋過程的結構化和形式化，這類知識的重用已證明對完成公司的使命具有重大影響，但是描述經(jīng)驗知識對象的方式通常還不正規(guī)。可以基于經(jīng)驗反饋過程的模型和概念圖，采用領域本體作為闡述顯性知識和專有技術的框架，其目的是為了得到重要、正確并可適用的經(jīng)驗描述。
在制造業(yè)企業(yè)集成方面，存在兩種架構類型。第一種類型指集成系統(tǒng)(如計算機系統(tǒng)或通信系統(tǒng))的某一部分的架構或物理結構。第二種類型指物理集成開發(fā)項目的架構或結構，即詳細說明集成化企業(yè)開發(fā)項目的生命周期的那類架構。目前架構概念還未被充分利用，其中一個原因是在企業(yè)系統(tǒng)的重大特點描述方面缺乏合適的架構表示形式。通過對過去和新近企業(yè)架構方法的回顧，可以清楚的發(fā)現(xiàn)第一類架構的開發(fā)還很不充分，尤其需要更為抽象的參考架構，這將有助于重用成熟架構解決方案，以便在執(zhí)行企業(yè)集成工程項目時能節(jié)省時間和費用。同時還需要協(xié)調和映射現(xiàn)有的架構類型，包括企業(yè)集成和互操作性框架。
筆者認為以下研究問題將是未來幾年內要面臨的挑戰(zhàn)：
(1)企業(yè)架構需要更多的關注經(jīng)營策略與執(zhí)行技術的協(xié)調，不應僅僅關注于業(yè)務或信息技術及其單獨的研發(fā)。
(2)必須開發(fā)一種更為抽象的企業(yè)架構語言以便描述設計初期的企業(yè)架構及其特性和特征。
(3)現(xiàn)有的架構設計原則及其形式還未發(fā)展到令人滿意的水平，無法給企業(yè)架構帶來顯著的改善。這個領域還需要進行更多的研究以便推動良好的規(guī)范與理論的重用。
(4)開發(fā)出一個能準確說明企業(yè)架構領域的概念及其特征的本體也是一項極富有挑戰(zhàn)性的任務。采用這個本體可以清楚的理解該領域內的論域，避免對架構提案的多重甚至是冗余的開發(fā)。企業(yè)架構本體也涉及不同企業(yè)架構提案間的語義互操作性問題。
很顯然，目的就是為了提高特定模型的準確性、完整性、相關性和質量水平。實際上，按照公認的模型驅動工程原則，無論工程項目的目標是什么(如：企業(yè)網(wǎng)絡內的軟件開發(fā)、集成、風險分析、業(yè)務及組織互操作性分析和改善)，都將用到不同性質并涵蓋不同目的的模型。系統(tǒng)工程將在系統(tǒng)的整個生命周期內提供集成、校核、驗證和確認的流程。同樣，信息軟件工程和集成領域的大量工作也都將為執(zhí)行這些活動提供形式化的技術和工具。
3結束語
語義集成如今已成為大型企業(yè)和動態(tài)企業(yè)內部處理異構性的重要方法。集成問題的現(xiàn)有解決方案主要是基于某些標準件和中間件。這類解決方案通常不太適用，因為它們不能涵蓋大量的應用程序或者說缺乏靈活性。基于語義Web服務的解決方案極有發(fā)展前途，目前正被積極的研究。這些技術可以為一些關鍵性挑戰(zhàn)(如語義媒介及其互操作)提供解決方案。信息和通信技術的發(fā)展以及市場的動蕩情況已促使中小型企業(yè)將業(yè)務經(jīng)營方式從傳統(tǒng)型轉為電子商務型。在這種環(huán)境下，涌現(xiàn)了新的協(xié)作方式，如協(xié)同網(wǎng)絡或虛擬企業(yè)。在協(xié)同網(wǎng)絡環(huán)境中，集成與互操作性增強了協(xié)同網(wǎng)絡及其成員組織的競爭優(yōu)勢，于是這項技術就成了以省時、優(yōu)質和低成本的方式實現(xiàn)經(jīng)營目標的關鍵。
未來場景將信息和通信技術視為可持續(xù)發(fā)展的核心。下列技術領域已被確定為與信息和通信技術有關的下一代制造業(yè)成功的關鍵：
①適應性更強的集成設備、工藝及可以重裝配置的系統(tǒng)；
②適用于整個制造過程的系統(tǒng)綜合、建模及模擬；
③能夠將信息轉換成利于有效決策的知識和技術；
④性能更強的人機界面；
⑤使知識能被快速同化的教育和培訓方法；
⑥協(xié)作型的智能系統(tǒng)軟件；
⑦涵蓋許多產(chǎn)品要求的產(chǎn)品與工藝設計方法；
⑧設計制造新材料和新部件的創(chuàng)新工藝；
⑨能將廢物產(chǎn)生和能源消耗降低到最小程度的制造工藝。
上述所有領域都與企業(yè)集成和互操作性的概念密切相關，因而是支持新的技術解決方案的產(chǎn)生的關鍵。
正是由于企業(yè)集成這一思想方法和技術上的發(fā)展與廣泛應用，在一定程度上促使企業(yè)內部各部門和業(yè)務流程集成度的提高，以及企業(yè)之間橫向與縱向聯(lián)系的強化和深化，從而為網(wǎng)絡化企業(yè)的產(chǎn)生及發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。從企業(yè)集成的角度研究可以認為，網(wǎng)絡化企業(yè)或許將成為組織創(chuàng)新的一個必然趨勢；而企業(yè)集成系統(tǒng)的提出則為網(wǎng)絡化企業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展提供了必要的思想方法和工具。
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本文標題：制造業(yè)自動化的企業(yè)集成系統(tǒng)研究展望
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