公共信息模型在制造企業(yè)系統(tǒng)集成中的研究與應(yīng)用

張雪嫣，張光瑞，孫潔香，楊秋影，陳 彬

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司 生產(chǎn)力中心，北京 100120；2.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100）

0 引言

加快推進(jìn)智能制造，是實(shí)施《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略部署、落實(shí)工業(yè)化和信息化深度融合、打造制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略舉措。當(dāng)前全球先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨行業(yè)及高度集成、系統(tǒng)融合的特點(diǎn)。智能制造需要實(shí)現(xiàn)企業(yè)橫向產(chǎn)業(yè)鏈、縱向生產(chǎn)鏈以及全生命價(jià)值鏈的有機(jī)集成與互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外部信息數(shù)據(jù)的有效挖掘與共享。目前我國(guó)大中型企業(yè)生產(chǎn)管控相鄰層級(jí)間的數(shù)據(jù)互通能力已初步形成，制造執(zhí)行層向生產(chǎn)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳的能力薄弱，生產(chǎn)管理層與過(guò)程控制層之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸通道尚未完全打通，嚴(yán)重降低了企業(yè)生產(chǎn)資源管控與優(yōu)化調(diào)度能力，在一定程度上制約了企業(yè)生產(chǎn)資源合理配置。

在互聯(lián)互通方面，電力行業(yè)率先取得了成果。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）提出的IEC61970/IEC61968等一系列標(biāo)準(zhǔn)，其核心內(nèi)容是公共信息模型（CIM）和組件接口規(guī)范（CIS），是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用間“無(wú)縫連接”和“即插即用”的基礎(chǔ)。其中，CIM模型是一個(gè)抽象模型，描述電力企業(yè)的所有主要對(duì)象，特別是與電力運(yùn)行有關(guān)的對(duì)象。通過(guò)提供一種用對(duì)象類和屬性及他們之間關(guān)系來(lái)表示電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法，CIM方便了實(shí)現(xiàn)不同賣方獨(dú)立開(kāi)發(fā)的能量管理系統(tǒng)（EMS）應(yīng)用的集成，以及EMS系統(tǒng)和其他涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行的不同方面系統(tǒng)的集成。本文將借鑒這種思想，提出實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)中ERP、MES和控制系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的解決方案。

1 問(wèn)題分析

CIM中描述的對(duì)象本質(zhì)上是抽象的，因此CIM可以用于各種應(yīng)用，而不僅僅局限于EMS等電力系統(tǒng)應(yīng)用的范圍。應(yīng)用于電網(wǎng)的CIM提供了電力企業(yè)運(yùn)行的各方面所需要的模型中典型包括的所有對(duì)象，這些對(duì)象的公共類和屬性，以及它們之間的關(guān)系。其主要涉及到控制中心能量管理系統(tǒng)（EMS）建模和外部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，包括狀態(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算、拓?fù)浞治觥⒕W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、安全分析和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）等，隨后擴(kuò)展到發(fā)電、輸電、配電以及電網(wǎng)企業(yè)其他相關(guān)領(lǐng)域，包括資產(chǎn)管理、生產(chǎn)管理、基建設(shè)施管理、配網(wǎng)管理、地理信息系統(tǒng)、設(shè)備檢修管理、電網(wǎng)規(guī)劃、電力市場(chǎng)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

制造企業(yè)CIM模型的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于確定產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期不同階段中不同制造模式下產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈間關(guān)系，確定企業(yè)業(yè)務(wù)架構(gòu)中各過(guò)程及過(guò)程依賴關(guān)系，確定不同制造模式下運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)中過(guò)程協(xié)同、協(xié)調(diào)運(yùn)行的規(guī)則。

2 制造企業(yè)公共信息模型

2.1 總體設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析，公共信息模型（CIM）是一個(gè)業(yè)務(wù)實(shí)體的抽象模型，它通過(guò)提供一種用對(duì)象類和屬性及它們之間的關(guān)系來(lái)表示制造資源，以方便實(shí)現(xiàn)不同廠商獨(dú)立開(kāi)發(fā)的信息系統(tǒng)應(yīng)用的集成，以及多個(gè)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的完整信息系統(tǒng)之間的集成。CIM通過(guò)定義一種基于XMLSchema的公共語(yǔ)言（即語(yǔ)義）為集成提供便利，使得這些應(yīng)用或系統(tǒng)能夠不依賴于信息的內(nèi)部表示來(lái)訪問(wèn)公共數(shù)據(jù)和交換信息。

CIM定義包括企業(yè)內(nèi)資源、過(guò)程和信息的集成模型。CIM中的對(duì)象類分成了幾個(gè)邏輯包，每個(gè)邏輯包代表數(shù)據(jù)的定義。這些包的基本集合提供了制造活動(dòng)中各應(yīng)用共享的資源和功能方面的邏輯視圖。

CIM由以下五部分構(gòu)成：

1）數(shù)據(jù)類型包：信息模型所使用的數(shù)據(jù)類型，包括原始數(shù)據(jù)類型及其衍生數(shù)據(jù)類型，如：數(shù)值型、字符型、貨幣類型、百分比類型、帶計(jì)量單位的數(shù)值類型、帶值約束的計(jì)量數(shù)據(jù)類型等；

2）基礎(chǔ)代碼包：信息模型所使用的基礎(chǔ)代碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及枚舉值，如：國(guó)家代碼、語(yǔ)言代碼、計(jì)量單位代碼、故障代碼、狀態(tài)代碼等；

3）資源包：信息模型所定義的資源，如：人員、物料、設(shè)備、過(guò)程裝備、操作模型、能力模型及它們特定定義；

4）業(yè)務(wù)流程包：信息模型所定義的業(yè)務(wù)流程和工作流定義，如：計(jì)劃類流程、績(jī)效類等信息交換流程；

5）消息包：信息模型所定義的消息類型，如：計(jì)劃、指令、通知、請(qǐng)求、響應(yīng)、報(bào)告、績(jī)效的消息類型。

2.2 資源模型

2.2.1 資源定義模型

資源定義模型定義了描述制造企業(yè)內(nèi)部資源的數(shù)據(jù)表達(dá)形式。資源定義包含資源特性、資源特性測(cè)量規(guī)范、測(cè)量結(jié)果和資源特性的值，資源定義模型如圖1所示。制造行業(yè)生產(chǎn)主要包含四類資源（人員、設(shè)備、物料、物理資產(chǎn)），可由資源模型派生為不同的資源定義。

2.2.2 過(guò)程段定義模型

圖1 資源定義模型

過(guò)程段定義模型定義了描述制造企業(yè)產(chǎn)品制造過(guò)程和操作過(guò)程定義的數(shù)據(jù)表達(dá)形式。過(guò)程段定義表示一類特定活動(dòng)的資源組合（人員、設(shè)備、物料及物理資產(chǎn)）以及活動(dòng)間的依賴關(guān)系，將一類活動(dòng)或過(guò)程抽象為過(guò)程段定義，將具體活動(dòng)的要求定義為操作定義，操作定義對(duì)應(yīng)于過(guò)程段定義。過(guò)程段可以表示一個(gè)簡(jiǎn)單活動(dòng)，也可以一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，如生產(chǎn)裝置或某一個(gè)過(guò)程狀態(tài)。過(guò)程段定義模型如圖2所示。

2.2.3 操作定義模型

操作定義是過(guò)程段的具體應(yīng)用，與實(shí)際操作目標(biāo)相關(guān)，可以表示特定產(chǎn)品或服務(wù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。操作定義與過(guò)程段定義相關(guān)，使用并調(diào)整過(guò)程段定義使操作定義滿足操作控制的需要。操作定義模型如圖3所示。

圖2 過(guò)程段定義模型

圖3 操作定義模型

2.2.4 資源能力模型

資源能力模型定義了描述制造企業(yè)資源集成表現(xiàn)的能力的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，資源集成能力具體表現(xiàn)在過(guò)程段能力、人員能力、設(shè)備能力、物料能力和物理資產(chǎn)能力。資源能力模型如圖4所示。

圖4 資源能力模型

2.3 業(yè)務(wù)流程模型

2.3.1 操作調(diào)度模型

操作調(diào)度是一種操作請(qǐng)求，一個(gè)操作調(diào)度由一個(gè)或多個(gè)操作請(qǐng)求組成。操作請(qǐng)求是為生產(chǎn)某特定產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)某服務(wù)而提出的請(qǐng)求，它包含了完成該生產(chǎn)或服務(wù)所需的信息，包括人員需求、設(shè)備需求、物料需求、物理資產(chǎn)需求和段參數(shù)等信息。操作調(diào)度模型如圖5所示。

2.3.2 操作績(jī)效模型

操作績(jī)效是面向操作調(diào)度實(shí)際操作過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，由完成相應(yīng)操作調(diào)度的所有過(guò)程活動(dòng)的操作響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)成。操作績(jī)效模型如圖6所示。

圖5 操作調(diào)度模型

圖6 操作績(jī)效模型

3 定義規(guī)則及示例

3.1 定義規(guī)則

本文使用XML Schema定義語(yǔ)言描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型名使用英文單詞小寫(xiě)駝峰命名方式命名。如日期類型以date命名，十進(jìn)制數(shù)字類型以decimal命名，規(guī)范化字符串型以normalizedString命名。

衍生數(shù)據(jù)類型是在基礎(chǔ)類型定義的基礎(chǔ)上定義了附加限制條件以表達(dá)特定應(yīng)用需求的自定義類型。衍生數(shù)據(jù)類型名以英文單詞大寫(xiě)駝峰命名方式加“DataType”后綴命名。衍生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的方法是使用XML Schema的簡(jiǎn)單類型定義衍生數(shù)據(jù)類型，添加限制條件完成約束。

枚舉類數(shù)據(jù)類型是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型和衍生數(shù)據(jù)類型構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型，常用于表示狀態(tài)類型或穩(wěn)定的約定取值范圍的枚舉類型。枚舉類數(shù)據(jù)類型名以英文單詞大寫(xiě)駝峰命名方式加“EnumType”后綴命名。其定義方法是使用XML Schema的簡(jiǎn)單類型定義枚舉類數(shù)據(jù)類型，添加枚舉型約束條件實(shí)現(xiàn)枚舉類型。

對(duì)象類數(shù)據(jù)類型表示具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)象類型。對(duì)象的自有屬性使用attribute標(biāo)記定義，對(duì)象包含的其他對(duì)象類型數(shù)據(jù)元素使用element標(biāo)記定義。對(duì)象類數(shù)據(jù)類型名以英文單詞大寫(xiě)駝峰命名方式加“Type”后綴命名，屬性名以小寫(xiě)英文單詞加“-”間隔符命名，對(duì)象里的數(shù)據(jù)元素名以英文單詞大寫(xiě)駝峰命名。

3.2 過(guò)程段定義示例

過(guò)程段定義是對(duì)一類特定活動(dòng)的資源組合以及活動(dòng)間依賴關(guān)系的定義，過(guò)程段的定義內(nèi)容包括過(guò)程段標(biāo)識(shí)、過(guò)程段名稱、過(guò)程段說(shuō)明、操作類型、時(shí)間段、過(guò)程段類型、人員段規(guī)范、設(shè)備段規(guī)范、物料段規(guī)范、物理資產(chǎn)段規(guī)范、參數(shù)和段依賴。表1給出了過(guò)程段定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

資源段規(guī)范定義了一類特定活動(dòng)所需的資源組合。以人員段規(guī)范為例，人員段規(guī)范應(yīng)定義它的標(biāo)識(shí)、名稱、說(shuō)明，以及這各過(guò)程段所涉及的人員類的標(biāo)識(shí)、人員的標(biāo)識(shí)、人員使用類型、所需人員的數(shù)量和特性規(guī)范。表2為人員段規(guī)范的定義內(nèi)容。

表1 過(guò)程段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 人員段規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 段依賴數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

段依賴定義一類特定活動(dòng)之間的依賴關(guān)系，段依賴的定義內(nèi)容包括依賴類型、過(guò)程段標(biāo)識(shí)、時(shí)間段、事件。表3為段依賴的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析制造企業(yè)互聯(lián)互通的需求，給出制造企業(yè)公共信息模型的總體設(shè)計(jì)、資源模型和業(yè)務(wù)流程模型，以及公共信息模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義規(guī)則及示例。本文旨在通過(guò)對(duì)公共信息模型在制造企業(yè)應(yīng)用的探討，為打通各系統(tǒng)間互聯(lián)互通壁壘，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成的信息系統(tǒng)提供一種思路，為智能制造的推進(jìn)提供有力支撐。