虛擬企業(yè)集成模型的形式化方法

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之一。對于虛擬企業(yè)的建立與運作，尤其是在作為其基礎與要素的虛擬企業(yè)模型以及相應的信息系統(tǒng)實現問題上，還不存在成熟的理論、方法與規(guī)范。本文應用形式化的工業(yè)軟件工程嚴格方法(RAISE)與集成計算機輔助制造定義方法(IDEF)相結合的手段建立虛擬企業(yè)模型，并探討有關模型驅動的系統(tǒng)集成與系統(tǒng)實現問題。

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)的臨時組織或聯盟，其目的是通過聯合的成本與技術開拓適應快速變化的市場。建立具有指導意義的虛擬企業(yè)模型，以模型為驅動，實現虛擬企業(yè)信息系統(tǒng)，是當前解決虛擬企業(yè)集成問題普遍認可的方法。因此，建立虛擬企業(yè)模型，尤其是建立企業(yè)生產過程與經營過程模型，是分析企業(yè)過程，進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)模型的構建很復雜，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、結構、特性，以便企業(yè)級的過程重組； 2) 企業(yè)模型必須適應動態(tài)虛擬企業(yè)的特點，做到易于重構(即有可重構性)； 3) 可重用性與可伸縮性； 4) 建模方法必須簡單易用，這是因為一般企業(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)實現的自動化程度、減少系統(tǒng)的不一致性，更快、更好、更可靠的實現虛擬企業(yè)系統(tǒng)，嘗試在企業(yè)模型建立與系統(tǒng)實現的過程中引入形式化方法作為傳統(tǒng)建模方法的補充。

2、形式化方法

2.1　形式化方法與疑問

作為一種以數學邏輯為基礎的方法，形式化方法以其嚴密性越來越受到眾多領域的重視，尤其是在安全性和可靠性作為關鍵問題的系統(tǒng)，如核電站、航空航天、鐵路運輸系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應用。但是對于形式化方法在工業(yè)領域的實際應用問題，在學術界和工程界，尤其是在系統(tǒng)開發(fā)人員當中，還存在著相當多的疑問。

1990年， J.A.Hall回答了有關形式化方法的7個疑問［9］。這7個疑問是： 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)的數學知識； 5) 它增加系統(tǒng)開發(fā)的成本； 6) 用戶無法接受它； 7) 無法應用于大型的實際系統(tǒng)。

J.A.Hall對這7個問題的回答是： 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)所需的測試。用戶不能認為它是萬能的(疑問1)。形式化方法不僅僅局限于對程序正確性的證明，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)中的成功應用足以說明這一點(疑問2～3)。許多復雜問題的簡單形式化描述，以及若干項目的成功運作反駁了有關形式化方法需要專業(yè)的數學知識(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該方法的認可(疑問6)。它在幾個大型實際系統(tǒng)中成功應用已經引起了廣泛的關注，也否定了形式化方法無法應用于大型實際系統(tǒng)的說法(疑問7)。

1995年， Jonathan P.Bowen進一步回答了隨著計算科學的發(fā)展，有關形式化方法的新疑問［10］。 8) 該方法延遲開發(fā)進程； 9) 它缺乏支持工具； 10) 它將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工程設計方法； 11) 只適用于軟件設計； 12) 實際上并不需要它； 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對這7個問題的回答是： 盡管一些應用形式化方法的項目由于各種原因被延遲，但是多數都因該方法的成功應用顯著地縮短了開發(fā)時間(疑問8)。隨著形式化方法領域的不斷壯大，對其支持的工具越來越豐富。類似于CASE的集成工具也已經出現(疑問9)。它與結構化的軟件工程方法并不是相互對立，相反，二者的結合將會是有益的相互補充(疑問10)。該方法不僅適用于軟件的開發(fā)，同樣適用于硬件設計。而且它使得軟硬件的聯合設計成為可能(疑問11)。盡管關于該方法的必要性有很多爭論，但不可否認的是在一些領域中，它是必須的，而且這些領域將越來越廣泛(疑問12)。同時，它正在為越來越多的人所接受與支持。在一些國家，該方法正逐漸步入大學的課堂(疑問13)。必須承認的是，該方法并不是萬能的； 在一些特定的領域它并不適宜，用戶界面的設計就是一例(疑問14)。

2.2　RAISE

形式化方法的研究領域是豐富的，用以進行系統(tǒng)設計開發(fā)的形式化系統(tǒng)與方法也是多樣的。不同特點的系統(tǒng)適用于不同的領域。對虛擬企業(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的目標是使建立的軟件系統(tǒng)更加可靠、錯誤更少、文檔化更好、更易維護，它的語言、開發(fā)方法和工具如下：

1) 描述語言(RSL)

RSL綜合了其它多種形式化方法描述語言的特點，是一種廣譜的描述語言。廣譜的涵義是指它既能夠描述高層抽象，也能夠刻劃底層設計。這帶來的一個優(yōu)點是除了程序語言之外，用戶可以只了解RSL。同時RSL的結構化方法支持分解和重用。 RSL描述的實際是軟件系統(tǒng)的數學模型。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包含了對各種相關軟件與系統(tǒng)開發(fā)的指導，如對需求分析和項目管理。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提供驗證機制與工具以證明這種求精工作是正確的。對于上述的RAISE開發(fā)模式實際上十分靈活。RAISE提供軟件開發(fā)過程的框架和指導，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言。它支持編輯和管理開發(fā)過程中涉及的多種實體： 模塊、關系、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)生命周期內的維護和改進。RAISE工具當前包括： 編輯工具、證明工具、程序語言轉化工具、文檔支持工具。

3、IDEF與RSL的結合

3.1　現狀與問題

我國的CIMS實施過程中，IDEF是為學術界和工程界普遍接受的企業(yè)建模方法論。IDEF豐富強大的表達能力與直觀性使其得到廣泛的應用。自從20世紀70年代提出以來，它已經成為工業(yè)界和商業(yè)界企業(yè)建模的實際標準。它的通用性在諸多領域的模型體系中都得到體現。尤其是作為一個家族，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的實施與應用過程中， IDEF也顯示出自身的缺點與不足。首先，對于如何融合原有系統(tǒng)，以便保護原有投資，進而提高效率，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的實施與應用項目中，由于受時間、資金、技術等方面的限制，在企業(yè)建模階段，沒有投入足夠的力量。后期的實施沒有遵從模型指導，或者遵從錯誤導向的模型，對實際系統(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)運作與集成模式，模型驅動系統(tǒng)的建立是其得以實現的手段。因此，實現模型與現實世界的集成，即實現可執(zhí)行的模型系統(tǒng)是決定企業(yè)能否應用模型及模型功能發(fā)揮程度的關鍵。在模型建立與表達手段日臻完善的同時，模型實現手段，即從模型向實際系統(tǒng)進行轉化的服務，也越來越受到人們的重視。而IDEF(以及多數的其它企業(yè)建模方法)，在企業(yè)模型與實際系統(tǒng)之間，存在著相當大的距離。無論是過程模型、功能模型還是信息模型，在實現階段都只能具有參考意義。

3.2　解決方法

針對上述問題，在虛擬企業(yè)建模、系統(tǒng)集成與實現中引入形式化方法，實現IDEF與RSL的結合： 即采用IDEF描述系統(tǒng)模型，由RSL建立形式語言描述，進而實現向程序語言的轉化，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)設計階段，發(fā)揮IDEF直觀、形象、易于理解的優(yōu)點，使得系統(tǒng)設計人員能夠在較高層次把握系統(tǒng)本質，同時可以使得系統(tǒng)用戶，也就是非專業(yè)的系統(tǒng)分析與設計人員，能夠直接參與到系統(tǒng)的設計中來。

2) 以IDEF設計的系統(tǒng)模型，在傳統(tǒng)的方法中即通過系統(tǒng)實現人員向實際系統(tǒng)進行轉化。但是，在前面提到過，由于這種轉化的某些隨意性和不規(guī)范性，容易造成實際系統(tǒng)與模型之間的差異。因此，進一步細化模型，使得系統(tǒng)模型盡可能靠近實際系統(tǒng)，是引入形式化描述的目的。由于RAISE有著嚴格邏輯的、從抽象高層模型向低層實際系統(tǒng)描述精化的方法與步驟，這種轉化可以被保證以正確的方式進行。模型設計人員與系統(tǒng)實現人員可以通過形式化的描述進行嚴格定義與規(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)轉化工具可以使得由系統(tǒng)模型向實際系統(tǒng)轉化的工作自動化。這在最大的程度上減少系統(tǒng)實現人員的工作量，同時減少了不確定性。

4) 系統(tǒng)從抽象到具體的描述，實際上是系統(tǒng)設計無可替代的維護文檔。模塊的嚴格描述為系統(tǒng)的更新、重用、通訊提供了堅實的基礎。

采取上述的步驟進行虛擬企業(yè)建模與系統(tǒng)實現，在系統(tǒng)各個階段均有著緊密的承接關系，從高層到低層有著嚴格的邏輯控制，這對于類似于虛擬企業(yè)這樣的復雜系統(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、也不應該替代傳統(tǒng)的企業(yè)建模集成方法，而應該是其有益的補充。

3.3　優(yōu)點

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) 增強虛擬企業(yè)模型與系統(tǒng)的聯系
RAISE本身作為一種形式化系統(tǒng)可以有效地抽象系統(tǒng)，逐步求精進行細化，并能自動進行形式化描述向程序語言轉化，因此可以保證系統(tǒng)實現與模型的一致性，進而保證系統(tǒng)求解的正確性。因此，作為聯系模型與實際系統(tǒng)的手段，通過RSL在抽象層次表達IDEF模型，經過逐步求精，向實際系統(tǒng)無縫轉化是理想的解決方案。

2) 實現企業(yè)模塊的重用性
虛擬企業(yè)的集成中，很重要的一點就是要實現重用性。作為臨時性的聯盟組織，虛擬企業(yè)的組建與分解都是其生命周期內的必然階段。為了響應市場需求，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，以便迅速響應其它核心企業(yè)請求，實施虛擬企業(yè)組建。企業(yè)模塊本身的"標準性"是可重用的根本決定因素之一。應用RSL描述語言構建企業(yè)模塊，可以在系統(tǒng)間建立規(guī)范的、標準的模塊描述，并以此來規(guī)范系統(tǒng)實現，是實現企業(yè)模塊可重用性的途徑。

3) 保證異種企業(yè)間的互操作性
緊密聯邦性質的企業(yè)之間存在的不僅僅是簡單的產品供應信息，還需要有效的聯合決策和控制。非標準的二意性的系統(tǒng)集成與實現必將為這種合作帶來損害。盡管許多標準(如STEP，CORBA)的出現為系統(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。因為這種控制與決策的交互是可以在各個層次上發(fā)生的。以標準的模型模塊與規(guī)范來劃分系統(tǒng)，在RSL的廣譜范圍內保證異種企業(yè)間的互操作性是根本的解決之道。

4) 支持軟件進化過程
對于虛擬企業(yè)這樣的復雜巨系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的實現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化問題提出了挑戰(zhàn)。通過形式化的方法對虛擬企業(yè)建模進而完成系統(tǒng)實現，可以嚴格地控制模塊間的進化關系，維護組件間的關聯，保存完善的開發(fā)文檔。這對于軟件的修改與進化提供了有力的支持。

4、結　論

世界市場已經從相對穩(wěn)定演變?yōu)閯討B(tài)多變，局部競爭擴展為全球競爭，跨行業(yè)、跨地區(qū)的競爭、滲透與協(xié)作日趨激烈。先進制造業(yè)的敏捷性需求使得虛擬企業(yè)成為最有希望的經營管理模式與技術手段。本文分析了基于企業(yè)模型的虛擬企業(yè)構建問題，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)建模技術相結合的觀點，并討論了相關的方法與應用問題。

來源：CAD/CAM