公共信息模型在制造企业系统集成中的研究与应用

张雪嫣，张光瑞，孙洁香，杨秋影，陈 彬

（1.北京机械工业自动化研究所有限公司 生产力中心，北京 100120；2.中国海洋大学 信息科学与工程学院，青岛 266100）

0 引言

加快推进智能制造，是实施《中国制造2025》战略部署、落实工业化和信息化深度融合、打造制造强国的战略举措。当前全球先进制造业发展呈现跨领域、跨行业及高度集成、系统融合的特点。智能制造需要实现企业横向产业链、纵向生产链以及全生命价值链的有机集成与互联互通，进而实现企业内外部信息数据的有效挖掘与共享。目前我国大中型企业生产管控相邻层级间的数据互通能力已初步形成，制造执行层向生产管理层进行数据上传的能力薄弱，生产管理层与过程控制层之间的数据双向传输通道尚未完全打通，严重降低了企业生产资源管控与优化调度能力，在一定程度上制约了企业生产资源合理配置。

在互联互通方面，电力行业率先取得了成果。国际电工委员会（IEC）提出的IEC61970/IEC61968等一系列标准，其核心内容是公共信息模型（CIM）和组件接口规范（CIS），是实现业务应用间“无缝连接”和“即插即用”的基础。其中，CIM模型是一个抽象模型，描述电力企业的所有主要对象，特别是与电力运行有关的对象。通过提供一种用对象类和属性及他们之间关系来表示电力系统资源的标准方法，CIM方便了实现不同卖方独立开发的能量管理系统（EMS）应用的集成，以及EMS系统和其他涉及电力系统运行的不同方面系统的集成。本文将借鉴这种思想，提出实现制造企业中ERP、MES和控制系统之间互联互通的解决方案。

1 问题分析

CIM中描述的对象本质上是抽象的，因此CIM可以用于各种应用，而不仅仅局限于EMS等电力系统应用的范围。应用于电网的CIM提供了电力企业运行的各方面所需要的模型中典型包括的所有对象，这些对象的公共类和属性，以及它们之间的关系。其主要涉及到控制中心能量管理系统（EMS）建模和外部系统之间的数据交换，包括状态估计、潮流计算、拓扑分析、网络规划、安全分析和数据采集与监控系统（SCADA）等，随后扩展到发电、输电、配电以及电网企业其他相关领域，包括资产管理、生产管理、基建设施管理、配网管理、地理信息系统、设备检修管理、电网规划、电力市场等业务领域。

制造企业CIM模型的设计，关键在于确定产品和生产系统生命周期不同阶段中不同制造模式下产品、生产系统和供应链间关系，确定企业业务架构中各过程及过程依赖关系，确定不同制造模式下运营管理系统业务中过程协同、协调运行的规则。

2 制造企业公共信息模型

2.1 总体设计

通过上述分析，公共信息模型（CIM）是一个业务实体的抽象模型，它通过提供一种用对象类和属性及它们之间的关系来表示制造资源，以方便实现不同厂商独立开发的信息系统应用的集成，以及多个独立开发的完整信息系统之间的集成。CIM通过定义一种基于XMLSchema的公共语言（即语义）为集成提供便利，使得这些应用或系统能够不依赖于信息的内部表示来访问公共数据和交换信息。

CIM定义包括企业内资源、过程和信息的集成模型。CIM中的对象类分成了几个逻辑包，每个逻辑包代表数据的定义。这些包的基本集合提供了制造活动中各应用共享的资源和功能方面的逻辑视图。

CIM由以下五部分构成：

1）数据类型包：信息模型所使用的数据类型，包括原始数据类型及其衍生数据类型，如：数值型、字符型、货币类型、百分比类型、带计量单位的数值类型、带值约束的计量数据类型等；

2）基础代码包：信息模型所使用的基础代码数据结构及枚举值，如：国家代码、语言代码、计量单位代码、故障代码、状态代码等；

3）资源包：信息模型所定义的资源，如：人员、物料、设备、过程装备、操作模型、能力模型及它们特定定义；

4）业务流程包：信息模型所定义的业务流程和工作流定义，如：计划类流程、绩效类等信息交换流程；

5）消息包：信息模型所定义的消息类型，如：计划、指令、通知、请求、响应、报告、绩效的消息类型。

2.2 资源模型

2.2.1 资源定义模型

资源定义模型定义了描述制造企业内部资源的数据表达形式。资源定义包含资源特性、资源特性测量规范、测量结果和资源特性的值，资源定义模型如图1所示。制造行业生产主要包含四类资源（人员、设备、物料、物理资产），可由资源模型派生为不同的资源定义。

2.2.2 过程段定义模型

图1 资源定义模型

过程段定义模型定义了描述制造企业产品制造过程和操作过程定义的数据表达形式。过程段定义表示一类特定活动的资源组合（人员、设备、物料及物理资产）以及活动间的依赖关系，将一类活动或过程抽象为过程段定义，将具体活动的要求定义为操作定义，操作定义对应于过程段定义。过程段可以表示一个简单活动，也可以一个复杂过程，如生产装置或某一个过程状态。过程段定义模型如图2所示。

2.2.3 操作定义模型

操作定义是过程段的具体应用，与实际操作目标相关，可以表示特定产品或服务的实现过程。操作定义与过程段定义相关，使用并调整过程段定义使操作定义满足操作控制的需要。操作定义模型如图3所示。

图2 过程段定义模型

图3 操作定义模型

2.2.4 资源能力模型

资源能力模型定义了描述制造企业资源集成表现的能力的数据表达形式，资源集成能力具体表现在过程段能力、人员能力、设备能力、物料能力和物理资产能力。资源能力模型如图4所示。

图4 资源能力模型

2.3 业务流程模型

2.3.1 操作调度模型

操作调度是一种操作请求，一个操作调度由一个或多个操作请求组成。操作请求是为生产某特定产品或实现某服务而提出的请求，它包含了完成该生产或服务所需的信息，包括人员需求、设备需求、物料需求、物理资产需求和段参数等信息。操作调度模型如图5所示。

2.3.2 操作绩效模型

操作绩效是面向操作调度实际操作过程的综合评价结果，由完成相应操作调度的所有过程活动的操作响应数据构成。操作绩效模型如图6所示。

图5 操作调度模型

图6 操作绩效模型

3 定义规则及示例

3.1 定义规则

本文使用XML Schema定义语言描述数据结构定义。

基础数据类型名使用英文单词小写驼峰命名方式命名。如日期类型以date命名，十进制数字类型以decimal命名，规范化字符串型以normalizedString命名。

衍生数据类型是在基础类型定义的基础上定义了附加限制条件以表达特定应用需求的自定义类型。衍生数据类型名以英文单词大写驼峰命名方式加“DataType”后缀命名。衍生数据结构定义的方法是使用XML Schema的简单类型定义衍生数据类型，添加限制条件完成约束。

枚举类数据类型是基础数据类型和衍生数据类型构成的数据结构的类型，常用于表示状态类型或稳定的约定取值范围的枚举类型。枚举类数据类型名以英文单词大写驼峰命名方式加“EnumType”后缀命名。其定义方法是使用XML Schema的简单类型定义枚举类数据类型，添加枚举型约束条件实现枚举类型。

对象类数据类型表示具有复杂的数据结构的对象类型。对象的自有属性使用attribute标记定义，对象包含的其他对象类型数据元素使用element标记定义。对象类数据类型名以英文单词大写驼峰命名方式加“Type”后缀命名，属性名以小写英文单词加“-”间隔符命名，对象里的数据元素名以英文单词大写驼峰命名。

3.2 过程段定义示例

过程段定义是对一类特定活动的资源组合以及活动间依赖关系的定义，过程段的定义内容包括过程段标识、过程段名称、过程段说明、操作类型、时间段、过程段类型、人员段规范、设备段规范、物料段规范、物理资产段规范、参数和段依赖。表1给出了过程段定义的数据结构。

资源段规范定义了一类特定活动所需的资源组合。以人员段规范为例，人员段规范应定义它的标识、名称、说明，以及这各过程段所涉及的人员类的标识、人员的标识、人员使用类型、所需人员的数量和特性规范。表2为人员段规范的定义内容。

表1 过程段数据结构

表2 人员段规范数据结构

表3 段依赖数据结构

段依赖定义一类特定活动之间的依赖关系，段依赖的定义内容包括依赖类型、过程段标识、时间段、事件。表3为段依赖的数据结构。

4 结束语

本文分析制造企业互联互通的需求，给出制造企业公共信息模型的总体设计、资源模型和业务流程模型，以及公共信息模型中数据结构的定义规则及示例。本文旨在通过对公共信息模型在制造企业应用的探讨，为打通各系统间互联互通壁垒，真正实现无缝集成的信息系统提供一种思路，为智能制造的推进提供有力支撑。