公共信息模型在制造企業系統集成中的研究與應用

張雪嫣，張光瑞，孫潔香，楊秋影，陳 彬

（1.北京機械工業自動化研究所有限公司 生產力中心，北京 100120；2.中國海洋大學 信息科學與工程學院，青島 266100）

0 引言

加快推進智能制造，是實施《中國制造2025》戰略部署、落實工業化和信息化深度融合、打造制造強國的戰略舉措。當前全球先進制造業發展呈現跨領域、跨行業及高度集成、系統融合的特點。智能制造需要實現企業橫向產業鏈、縱向生產鏈以及全生命價值鏈的有機集成與互聯互通，進而實現企業內外部信息數據的有效挖掘與共享。目前我國大中型企業生產管控相鄰層級間的數據互通能力已初步形成，制造執行層向生產管理層進行數據上傳的能力薄弱，生產管理層與過程控制層之間的數據雙向傳輸通道尚未完全打通，嚴重降低了企業生產資源管控與優化調度能力，在一定程度上制約了企業生產資源合理配置。

在互聯互通方面，電力行業率先取得了成果。國際電工委員會（IEC）提出的IEC61970/IEC61968等一系列標準，其核心內容是公共信息模型（CIM）和組件接口規范（CIS），是實現業務應用間“無縫連接”和“即插即用”的基礎。其中，CIM模型是一個抽象模型，描述電力企業的所有主要對象，特別是與電力運行有關的對象。通過提供一種用對象類和屬性及他們之間關系來表示電力系統資源的標準方法，CIM方便了實現不同賣方獨立開發的能量管理系統（EMS）應用的集成，以及EMS系統和其他涉及電力系統運行的不同方面系統的集成。本文將借鑒這種思想，提出實現制造企業中ERP、MES和控制系統之間互聯互通的解決方案。

1 問題分析

CIM中描述的對象本質上是抽象的，因此CIM可以用于各種應用，而不僅僅局限于EMS等電力系統應用的范圍。應用于電網的CIM提供了電力企業運行的各方面所需要的模型中典型包括的所有對象，這些對象的公共類和屬性，以及它們之間的關系。其主要涉及到控制中心能量管理系統（EMS）建模和外部系統之間的數據交換，包括狀態估計、潮流計算、拓撲分析、網絡規劃、安全分析和數據采集與監控系統（SCADA）等，隨后擴展到發電、輸電、配電以及電網企業其他相關領域，包括資產管理、生產管理、基建設施管理、配網管理、地理信息系統、設備檢修管理、電網規劃、電力市場等業務領域。

制造企業CIM模型的設計，關鍵在于確定產品和生產系統生命周期不同階段中不同制造模式下產品、生產系統和供應鏈間關系，確定企業業務架構中各過程及過程依賴關系，確定不同制造模式下運營管理系統業務中過程協同、協調運行的規則。

2 制造企業公共信息模型

2.1 總體設計

通過上述分析，公共信息模型（CIM）是一個業務實體的抽象模型，它通過提供一種用對象類和屬性及它們之間的關系來表示制造資源，以方便實現不同廠商獨立開發的信息系統應用的集成，以及多個獨立開發的完整信息系統之間的集成。CIM通過定義一種基于XMLSchema的公共語言（即語義）為集成提供便利，使得這些應用或系統能夠不依賴于信息的內部表示來訪問公共數據和交換信息。

CIM定義包括企業內資源、過程和信息的集成模型。CIM中的對象類分成了幾個邏輯包，每個邏輯包代表數據的定義。這些包的基本集合提供了制造活動中各應用共享的資源和功能方面的邏輯視圖。

CIM由以下五部分構成：

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

2）基礎代碼包：信息模型所使用的基礎代碼數據結構及枚舉值，如：國家代碼、語言代碼、計量單位代碼、故障代碼、狀態代碼等；

3）資源包：信息模型所定義的資源，如：人員、物料、設備、過程裝備、操作模型、能力模型及它們特定定義；

4）業務流程包：信息模型所定義的業務流程和工作流定義，如：計劃類流程、績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：計劃、指令、通知、請求、響應、報告、績效的消息類型。

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內部資源的數據表達形式。資源定義包含資源特性、資源特性測量規范、測量結果和資源特性的值，資源定義模型如圖1所示。制造行業生產主要包含四類資源（人員、設備、物料、物理資產），可由資源模型派生為不同的資源定義。

2.2.2 過程段定義模型

圖1 資源定義模型

過程段定義模型定義了描述制造企業產品制造過程和操作過程定義的數據表達形式。過程段定義表示一類特定活動的資源組合（人員、設備、物料及物理資產）以及活動間的依賴關系，將一類活動或過程抽象為過程段定義，將具體活動的要求定義為操作定義，操作定義對應于過程段定義。過程段可以表示一個簡單活動，也可以一個復雜過程，如生產裝置或某一個過程狀態。過程段定義模型如圖2所示。

2.2.3 操作定義模型

操作定義是過程段的具體應用，與實際操作目標相關，可以表示特定產品或服務的實現過程。操作定義與過程段定義相關，使用并調整過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資源集成表現的能力的數據表達形式，資源集成能力具體表現在過程段能力、人員能力、設備能力、物料能力和物理資產能力。資源能力模型如圖4所示。

圖4 資源能力模型

2.3 業務流程模型

2.3.1 操作調度模型

操作調度是一種操作請求，一個操作調度由一個或多個操作請求組成。操作請求是為生產某特定產品或實現某服務而提出的請求，它包含了完成該生產或服務所需的信息，包括人員需求、設備需求、物料需求、物理資產需求和段參數等信息。操作調度模型如圖5所示。

2.3.2 操作績效模型

操作績效是面向操作調度實際操作過程的綜合評價結果，由完成相應操作調度的所有過程活動的操作響應數據構成。操作績效模型如圖6所示。

圖5 操作調度模型

圖6 操作績效模型

3 定義規則及示例

3.1 定義規則

本文使用XML Schema定義語言描述數據結構定義。

基礎數據類型名使用英文單詞小寫駝峰命名方式命名。如日期類型以date命名，十進制數字類型以decimal命名，規范化字符串型以normalizedString命名。

衍生數據類型是在基礎類型定義的基礎上定義了附加限制條件以表達特定應用需求的自定義類型。衍生數據類型名以英文單詞大寫駝峰命名方式加“DataType”后綴命名。衍生數據結構定義的方法是使用XML Schema的簡單類型定義衍生數據類型，添加限制條件完成約束。

枚舉類數據類型是基礎數據類型和衍生數據類型構成的數據結構的類型，常用于表示狀態類型或穩定的約定取值范圍的枚舉類型。枚舉類數據類型名以英文單詞大寫駝峰命名方式加“EnumType”后綴命名。其定義方法是使用XML Schema的簡單類型定義枚舉類數據類型，添加枚舉型約束條件實現枚舉類型。

對象類數據類型表示具有復雜的數據結構的對象類型。對象的自有屬性使用attribute標記定義，對象包含的其他對象類型數據元素使用element標記定義。對象類數據類型名以英文單詞大寫駝峰命名方式加“Type”后綴命名，屬性名以小寫英文單詞加“-”間隔符命名，對象里的數據元素名以英文單詞大寫駝峰命名。

3.2 過程段定義示例

過程段定義是對一類特定活動的資源組合以及活動間依賴關系的定義，過程段的定義內容包括過程段標識、過程段名稱、過程段說明、操作類型、時間段、過程段類型、人員段規范、設備段規范、物料段規范、物理資產段規范、參數和段依賴。表1給出了過程段定義的數據結構。

資源段規范定義了一類特定活動所需的資源組合。以人員段規范為例，人員段規范應定義它的標識、名稱、說明，以及這各過程段所涉及的人員類的標識、人員的標識、人員使用類型、所需人員的數量和特性規范。表2為人員段規范的定義內容。

表1 過程段數據結構

表2 人員段規范數據結構

表3 段依賴數據結構

段依賴定義一類特定活動之間的依賴關系，段依賴的定義內容包括依賴類型、過程段標識、時間段、事件。表3為段依賴的數據結構。

4 結束語

本文分析制造企業互聯互通的需求，給出制造企業公共信息模型的總體設計、資源模型和業務流程模型，以及公共信息模型中數據結構的定義規則及示例。本文旨在通過對公共信息模型在制造企業應用的探討，為打通各系統間互聯互通壁壘，真正實現無縫集成的信息系統提供一種思路，為智能制造的推進提供有力支撐。