0 引言

    需求是指對(duì)用戶(hù)需要解決的問(wèn)題的整體描述，是軟件實(shí)現(xiàn)之源。根據(jù)1995年美國(guó)斯坦迪申咨詢(xún)公司對(duì)美國(guó)365位信息技術(shù)高層經(jīng)理人員管理的8380個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查研究結(jié)果表明：項(xiàng)目失敗的原因與需求過(guò)程相關(guān)的原因占了45％；Sheldno所研究的美國(guó)空軍項(xiàng)目顯示，根據(jù)錯(cuò)誤的來(lái)源劃分，需求錯(cuò)誤是所發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤中41％的來(lái)源，因此，有效的需求能減少軟件開(kāi)發(fā)中的錯(cuò)誤，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而降低軟件開(kāi)發(fā)成本，提高軟件質(zhì)量，促進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施成功。

    在軟件需求分析階段經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：用戶(hù)不清楚自己的需求、開(kāi)發(fā)人員與用戶(hù)交流不充分誤解需求、需求經(jīng)常變動(dòng)等問(wèn)題影響需求的正確性，為了解決這些問(wèn)題，進(jìn)行有效的需求分析，軟件行業(yè)提出了需求分析方法。

    但UML等建模工具只是解決了調(diào)研過(guò)程中調(diào)研人員與用戶(hù)之間溝通的問(wèn)題，并沒(méi)有解決獲取需求過(guò)程中的問(wèn)題，例如在調(diào)研過(guò)程中，用戶(hù)往往會(huì)比較忙，不能抽出時(shí)間與需求調(diào)研人員討論需求的詳細(xì)問(wèn)題；在需求調(diào)研階段過(guò)于依賴(lài)調(diào)研人員的經(jīng)驗(yàn)與領(lǐng)域知識(shí)，調(diào)研人員經(jīng)驗(yàn)不足也會(huì)造成需求分析不充分的情況；我國(guó)航天企業(yè)信息化起步比較晚，企業(yè)對(duì)于信息化的需求并不明確，在調(diào)研過(guò)程中用戶(hù)不清楚自己需求與需求變動(dòng)的情況更是經(jīng)常出現(xiàn)，增加了需求分析的難度。

    為了解決以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)在航天企業(yè)的快速實(shí)施，本文結(jié)合ERP等軟件的企業(yè)參考模型與在航天企業(yè)MES項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，提出一種面向航天企業(yè)的參考模型，并提出了基于參考模型的需求建模方法。

1 參考模型與需求建模

1.1 MES參考模型體系結(jié)構(gòu)

    為了描述企業(yè)的組織、過(guò)程和信息等情況，提高企業(yè)建模的標(biāo)準(zhǔn)化程度，ERP、MRP II、SCM等軟件建立了一套全方位、多層次考察和分析問(wèn)題的方法和模型，其中比較著名的有歐共體ESPRIT計(jì)劃中的計(jì)算機(jī)集成制造開(kāi)放系統(tǒng)體系CIM—OSA，德國(guó)Saarland大學(xué)A．W．Scheer教授提出的集成信息系統(tǒng)體系A(chǔ)RIS，普渡大學(xué)企業(yè)參考體系PERA等。CIM-OSA參考模型體系采用三圍矩陣對(duì)模型進(jìn)行逐步細(xì)化，首先定義需求，再根據(jù)特定行業(yè)需求進(jìn)行細(xì)化，最后具體化為特定企業(yè)的需求。ARIS參考模型以組為單位進(jìn)行細(xì)化，共分為5組，每一組都能夠按照具有標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)結(jié)構(gòu)的參考模型推導(dǎo)得到。BAAN參考模型根據(jù)不同行業(yè)建立特定行業(yè)模型字庫(kù)，并根據(jù)生產(chǎn)模式做進(jìn)一步分類(lèi)。

    這些參考模型體系在軟件系統(tǒng)分析、業(yè)務(wù)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等階段得到了應(yīng)用并取得了良好的效果，縮短了ERP等軟件的實(shí)施周期，同時(shí)還可以為企業(yè)尋找自身不足，明確改進(jìn)方向提供參考。

    制造業(yè)不同行業(yè)之問(wèn)例如流程行業(yè)與離散行業(yè)，同行業(yè)的不同企業(yè)之間，甚至一個(gè)企業(yè)的不同車(chē)間的生產(chǎn)流程都不一致，都有各自的特點(diǎn)，對(duì)MES系統(tǒng)都有自己特殊需求，無(wú)法建立通用的MES參考模型，只能針對(duì)某一特定行業(yè)建立參考模型。

    由于MES軟件的行業(yè)差異性，在進(jìn)行企業(yè)參考模型建模時(shí)需要考慮不同企業(yè)之間MES系統(tǒng)的共性與差異性，因此參考BAAN的ERP系統(tǒng)參考模型體系，按照生產(chǎn)模式對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行建模，形成領(lǐng)域一生產(chǎn)模式的二維體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 MES系統(tǒng)參考模型體系結(jié)構(gòu)

    航天企業(yè)生產(chǎn)模式為多品種小批量生產(chǎn)，可以進(jìn)一步劃分為批次生產(chǎn)、局部小流水生產(chǎn)、半流水生產(chǎn)、流水生產(chǎn)四種生產(chǎn)模式，因此按照這四種生產(chǎn)模式對(duì)MES常見(jiàn)的功能如計(jì)劃、調(diào)度、在制品管理等進(jìn)行建模，生成參考模型庫(kù)。

    企業(yè)參考模型分為功能參考模型、組織參考模型、過(guò)程參考模型、信息參考模型等幾個(gè)方面，本文主要介紹與需求關(guān)系較為密切的功能與過(guò)程參考模型。

1.2 基于參考模型需求建模過(guò)程

    基于參考模型需求建模過(guò)程如圖2所示。

圖2 需求建模過(guò)程

    MES參考模型建立后，在調(diào)研過(guò)程中將需求分為領(lǐng)域、功能、特征、關(guān)鍵詞等幾個(gè)層次，分別依據(jù)這幾個(gè)層次檢索參考模型庫(kù)，最終得到需求模型，具體過(guò)程在后面幾個(gè)小節(jié)詳細(xì)進(jìn)行描述。

2 MES參考模型庫(kù)

2.1 參考模型庫(kù)結(jié)構(gòu)

    依據(jù)ISA95標(biāo)準(zhǔn)及航天企業(yè)的實(shí)際情況，將MES劃分為計(jì)劃、調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、在制品管理、監(jiān)控五個(gè)領(lǐng)域，領(lǐng)域與功能之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 領(lǐng)域與功能輪圖

    按照領(lǐng)域?qū)��?yīng)的功能將MES系統(tǒng)分為任務(wù)管理、月計(jì)劃、批次計(jì)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備、詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃、實(shí)時(shí)排程、調(diào)度、領(lǐng)活、完工、工序檢驗(yàn)、總檢、在制品管理、監(jiān)控等13個(gè)模塊，計(jì)劃制定、派工、領(lǐng)活與完工、生產(chǎn)準(zhǔn)備、不合格品處理、動(dòng)態(tài)調(diào)度等6個(gè)流程，按照不同生產(chǎn)模式分別進(jìn)行模型成功能參考模型與流程參考模型。

    模型業(yè)務(wù)特征代表了在參考模型庫(kù)中具體模型的業(yè)務(wù)屬性信息，將模型賦予業(yè)務(wù)特征后可以將模型發(fā)布到參考模型庫(kù)進(jìn)行管理與檢索；參考模型具有兩類(lèi)業(yè)務(wù)特征，第一類(lèi)是領(lǐng)域特征，這類(lèi)特征值可以縮小模型檢索范圍，例如參考模型所屬領(lǐng)域，所屬功能模塊等，第二類(lèi)是功能特征，在檢索時(shí)起定位作用，依據(jù)功能特征可以找到需要的參考模型，例如功能模型的業(yè)務(wù)名稱(chēng)、范圍、輸入輸出等，流程模型的流程名稱(chēng)、范圍、規(guī)則、輸入輸出等。

    功能參考模型庫(kù)結(jié)構(gòu)如表1所示。其中△、○、口、☆分別代表針對(duì)不同生產(chǎn)模式所集成的參考模型。

表1 功能參考模型庫(kù)結(jié)構(gòu)

    流程參考模型庫(kù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 流程參考模型庫(kù)結(jié)構(gòu)

2.2 功能參考模型

    2.2.1 功能參考模型元模型

    如圖4所示，功能元模型描述了功能建模最基本的建模元素，定義如下：①Domin(領(lǐng)域)：功能的基本屬性，代表功能所處于的業(yè)務(wù)領(lǐng)域；②Name(名稱(chēng))：功能的基本特性，代表功能能夠完成的操作；③Activity(活動(dòng))：功能所包含的活動(dòng)，功能通過(guò)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)其操作；④Rules(規(guī)則)：功能實(shí)現(xiàn)中需要遵循的規(guī)則及限制；⑤Actor(操作者)：操作者代表功能的使用者，由誰(shuí)來(lái)操作功能的實(shí)現(xiàn)；⑥I／O(輸入輸出)：輸入輸出指在功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中對(duì)所操作對(duì)象的改變，輸入為操作對(duì)象，輸出為改變后的對(duì)象。

圖4 功能參考模型元模型

    2.2.2 功能參考模型表示方法

    為了方便與用戶(hù)交流，避免對(duì)需求的錯(cuò)誤理解，采用UML用例圖進(jìn)行功能建模，圖5為毛坯生產(chǎn)準(zhǔn)備用例圖。

圖5 毛坯生產(chǎn)準(zhǔn)備用例圖

2.3 流程參考模型

    2.3.1 流程參考模型元模型

    如圖6所示，流程元模型描述流程建模最基本的建模元素，定義如下：①Domin(領(lǐng)域)：流程所屬領(lǐng)域，一個(gè)流程只能屬于一個(gè)領(lǐng)域；②Activity(活動(dòng))：流程所包含的功能及活動(dòng)，一個(gè)流程對(duì)應(yīng)多個(gè)功能或活動(dòng)；③I/O(輸入輸出)：輸入輸出指流程對(duì)操作對(duì)象的改變，一個(gè)流程對(duì)應(yīng)多個(gè)輸入與輸出；④Rules(規(guī)則)：流程執(zhí)行過(guò)程中需要遵循的規(guī)則及活動(dòng)執(zhí)行的先后順序等，一個(gè)流程對(duì)應(yīng)多個(gè)規(guī)則。

圖6 流程模型特征

    2.3.2 流程參考模型表示方法

    采用UML中的活動(dòng)圖進(jìn)行流程建模，圖7為針對(duì)月計(jì)劃的毛坯生產(chǎn)準(zhǔn)備流程。

圖7 月計(jì)劃毛坯準(zhǔn)備流程

2.4 參考模型分類(lèi)方法與特征值

    參考模型分類(lèi)方法有樹(shù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)法、關(guān)鍵詞分類(lèi)法、分類(lèi)編碼方法等，這幾種方法都具有自己的特點(diǎn)與不足，樹(shù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)法具有很好的可擴(kuò)展性，但在參考模型數(shù)量很多的情況下使用不便；關(guān)鍵詞分類(lèi)法可以建立跨行業(yè)的參考模型庫(kù)并進(jìn)行檢索，但整體結(jié)構(gòu)不清晰，不利于添加參考模型入庫(kù)；分類(lèi)編碼方法通過(guò)用戶(hù)填寫(xiě)的關(guān)鍵詞表單就可以檢索符合用戶(hù)要求的參考模型，但檢索結(jié)果不理想，檢索出的參考模型并不都是用戶(hù)所需要的；由于本文提出的MES參考模型是針對(duì)航天企業(yè)的，模型數(shù)量并不是很多，并要求具有良好的可擴(kuò)展性，在使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)參考模型的積累，因此采用樹(shù)結(jié)構(gòu)分類(lèi)法進(jìn)行分類(lèi)，樹(shù)結(jié)構(gòu)按照功能一業(yè)務(wù)特征的順序進(jìn)行展開(kāi)，分類(lèi)方式圖8所示。

圖8 MES參考模型庫(kù)樹(shù)結(jié)構(gòu)

    樹(shù)結(jié)構(gòu)中每一個(gè)最末端的節(jié)點(diǎn)都代表了一套具有自己特征值的參考模型，為了方便對(duì)特征值進(jìn)行描述與對(duì)參考模型庫(kù)進(jìn)行檢索，本文通過(guò)關(guān)鍵詞來(lái)描述參考模型的特征值，關(guān)鍵詞矩陣如表3所示。

    下面以生產(chǎn)準(zhǔn)備為例說(shuō)明參考模型的特征關(guān)鍵詞取值，如表4所示。

表3 關(guān)鍵詞矩陣

表4 特征關(guān)鍵詞取值

3 需求建模

3.1 基于需求的參考模型檢索

    在需求建模過(guò)程中，如何在參考模型庫(kù)中檢索出需要的模型是基于參考模型需求建模的關(guān)鍵技術(shù)，由于在參考模型庫(kù)建立過(guò)程中已經(jīng)將參考模型賦予了領(lǐng)域、功能、關(guān)鍵詞等特征，因此本文將領(lǐng)域特征用于參考模型的檢索，提出了基于領(lǐng)域特參考模型檢索方法，按照生產(chǎn)模式、領(lǐng)域、領(lǐng)域三個(gè)層次進(jìn)行檢索，方法如圖9所示。

圖9 參考模型檢索過(guò)程

    具體步驟為：①選擇生產(chǎn)模式；②根據(jù)選定產(chǎn)模式檢索出其對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域功能；③選擇需要需求建模的功能；④選擇選中功能的業(yè)務(wù)特征；上面四步的選擇結(jié)果為條件檢索參考模型庫(kù)；示檢索到的參考模型。

    例如在調(diào)研過(guò)程中獲取如下需求：對(duì)月計(jì)劃下毛坯生產(chǎn)準(zhǔn)備單，要考慮毛坯生產(chǎn)或購(gòu)買(mǎi)時(shí)間，可以按照如下條件與順序檢索參考模型庫(kù)：①領(lǐng)域：計(jì)劃；②功能：生產(chǎn)準(zhǔn)備；③目標(biāo)：月計(jì)劃；④準(zhǔn)備內(nèi)容：毛坯生產(chǎn)準(zhǔn)備；⑤準(zhǔn)備形式：有生產(chǎn)準(zhǔn)備單；⑥有無(wú)提前期：有。

3.2 實(shí)現(xiàn)

    在應(yīng)用了參考模型進(jìn)行需求分析后，我公司信息化室MES系統(tǒng)實(shí)施周期大大縮短，在公司數(shù)控車(chē)間僅用了一個(gè)月時(shí)間完成了調(diào)研、設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)工作并開(kāi)始上線實(shí)施。經(jīng)過(guò)實(shí)施過(guò)程驗(yàn)證，軟件與車(chē)間需求符合度為90％，剩下的10％中大部分是關(guān)于操作習(xí)慣等軟件使用方面的需求，軟件功能與流程完全符合車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

    本文提出了一種基于參考模型的MES需求建模方法，為不同生產(chǎn)模式的航天企業(yè)建立了參考模型庫(kù)并通過(guò)領(lǐng)域特征進(jìn)行分類(lèi)，在獲取了企業(yè)需求后，基于需求領(lǐng)域特征對(duì)參考模型庫(kù)的檢索，得到符合需求的需求模型，有效利用了在MES實(shí)施過(guò)程中積累的知識(shí)，能夠更加準(zhǔn)確、有效地建立MES需求模型。參考模型庫(kù)也在實(shí)施過(guò)程中不斷得到完善，為以后的開(kāi)發(fā)與實(shí)施提供更加全面的支持。最后，該方法在我公司數(shù)控車(chē)間的MES系統(tǒng)實(shí)施中得到了驗(yàn)證，取得了良好的效果。

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本文標(biāo)題：基于參考模型的制造業(yè)MES/ERP需求建模

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