虚拟企业集成模型的形式化方法

CIMS的研究与开发正处于企业集成阶段，虚拟企业研究正是这一阶段的重要研究课题和使能技术之一。对于虚拟企业的建立与运作，尤其是在作为其基础与要素的虚拟企业模型以及相应的信息系统实现问题上，还不存在成熟的理论、方法与规范。本文应用形式化的工业软件工程严格方法(RAISE)与集成计算机辅助制造定义方法(IDEF)相结合的手段建立虚拟企业模型，并探讨有关模型驱动的系统集成与系统实现问题。

1、虚拟企业建模

1.1　虚拟企业模型

虚拟企业是一组企业的临时组织或联盟，其目的是通过联合的成本与技术开拓适应快速变化的市场。建立具有指导意义的虚拟企业模型，以模型为驱动，实现虚拟企业信息系统，是当前解决虚拟企业集成问题普遍认可的方法。因此，建立虚拟企业模型，尤其是建立企业生产过程与经营过程模型，是分析企业过程，进而有效的组建虚拟企业系统的必需。

1.2　虚拟企业建模面临的问题

虚拟企业的集成和企业模型的构建很复杂，建模需要着重解决以下问题： 1) 企业模型必须能从高层抽象企业功能、结构、特性，以便企业级的过程重组； 2) 企业模型必须适应动态虚拟企业的特点，做到易于重构(即有可重构性)； 3) 可重用性与可伸缩性； 4) 建模方法必须简单易用，这是因为一般企业，尤其是中小型企业，不具备专业的建模人员； 5) 企业建模过程应该融合企业的不同层次，使虚拟企业涉及的各层次人员能够广泛参与。

虚拟企业的复杂性使得一些单一信息系统中低层次的问题也必须提高到模型(抽象)层次才能解决。这使虚拟企业建模问题更加复杂化。以IDEF为代表的传统企业建模方法在处理虚拟企业建模问题上逐渐暴露出自身的某些局限性。为了解决上述问题，增加系统实现的自动化程度、减少系统的不一致性，更快、更好、更可靠的实现虚拟企业系统，尝试在企业模型建立与系统实现的过程中引入形式化方法作为传统建模方法的补充。

2、形式化方法

2.1　形式化方法与疑问

作为一种以数学逻辑为基础的方法，形式化方法以其严密性越来越受到众多领域的重视，尤其是在安全性和可靠性作为关键问题的系统，如核电站、航空航天、铁路运输系统中得到了较为广泛的应用。但是对于形式化方法在工业领域的实际应用问题，在学术界和工程界，尤其是在系统开发人员当中，还存在着相当多的疑问。

1990年， J.A.Hall回答了有关形式化方法的7个疑问［9］。这7个疑问是： 1) 该方法可否保证软件系统的完美无缺； 2) 它处理的只是程序正确性的证明； 3) 它只适用于安全第一的系统； 4) 它需要专业的数学知识； 5) 它增加系统开发的成本； 6) 用户无法接受它； 7) 无法应用于大型的实际系统。

J.A.Hall对这7个问题的回答是： 形式化方法不能保证系统的完美无缺，也并不能减少系统所需的测试。用户不能认为它是万能的(疑问1)。形式化方法不仅仅局限于对程序正确性的证明，也不是只适用于安全第一的系统。它在众多非安全第一的系统中的成功应用足以说明这一点(疑问2～3)。许多复杂问题的简单形式化描述，以及若干项目的成功运作反驳了有关形式化方法需要专业的数学知识(疑问4)，而且必将增加系统成本的说法(疑问5)。最终用户以及非专业人员在系统开发中的广泛参与说明了用户对该方法的认可(疑问6)。它在几个大型实际系统中成功应用已经引起了广泛的关注，也否定了形式化方法无法应用于大型实际系统的说法(疑问7)。

1995年， Jonathan P.Bowen进一步回答了随着计算科学的发展，有关形式化方法的新疑问［10］。 8) 该方法延迟开发进程； 9) 它缺乏支持工具； 10) 它将代替传统的工程设计方法； 11) 只适用于软件设计； 12) 实际上并不需要它； 13) 它缺乏支持； 14) 该方法的热衷人员只使用形式化方法。

Jonathan P.Bowen对这7个问题的回答是： 尽管一些应用形式化方法的项目由于各种原因被延迟，但是多数都因该方法的成功应用显著地缩短了开发时间(疑问8)。随着形式化方法领域的不断壮大，对其支持的工具越来越丰富。类似于CASE的集成工具也已经出现(疑问9)。它与结构化的软件工程方法并不是相互对立，相反，二者的结合将会是有益的相互补充(疑问10)。该方法不仅适用于软件的开发，同样适用于硬件设计。而且它使得软硬件的联合设计成为可能(疑问11)。尽管关于该方法的必要性有很多争论，但不可否认的是在一些领域中，它是必须的，而且这些领域将越来越广泛(疑问12)。同时，它正在为越来越多的人所接受与支持。在一些国家，该方法正逐渐步入大学的课堂(疑问13)。必须承认的是，该方法并不是万能的； 在一些特定的领域它并不适宜，用户界面的设计就是一例(疑问14)。

2.2　RAISE

形式化方法的研究领域是丰富的，用以进行系统设计开发的形式化系统与方法也是多样的。不同特点的系统适用于不同的领域。对虚拟企业集成来讲，RAISE是一种适宜的形式化方法［11，12］。RAISE是欧洲ESPRIT项目研发的一种适用于工业界的形式化方法。它为工业界应用形式化方法开发软件系统，提供了有力的工具和途径。 RAISE的目标是使建立的软件系统更加可靠、错误更少、文档化更好、更易维护，它的语言、开发方法和工具如下：

1) 描述语言(RSL)

RSL综合了其它多种形式化方法描述语言的特点，是一种广谱的描述语言。广谱的涵义是指它既能够描述高层抽象，也能够刻划底层设计。这带来的一个优点是除了程序语言之外，用户可以只了解RSL。同时RSL的结构化方法支持分解和重用。 RSL描述的实际是软件系统的数学模型。区分不同开发阶段的描述特征是它们不同的抽象层次。

2) 开发方法

RAISE包含了对各种相关软件与系统开发的指导，如对需求分析和项目管理。该方法基于逐步求精模式。按照这一模式，软件是通过一系列步骤完成的，其中每一步均是前一步的求精。RAISE提供验证机制与工具以证明这种求精工作是正确的。对于上述的RAISE开发模式实际上十分灵活。RAISE提供软件开发过程的框架和指导，用户可以选择适合于自身工程的抽象程度。

3) 辅助工具

RAISE提供一整套工具来支持上述方法和语言。它支持编辑和管理开发过程中涉及的多种实体： 模块、关系、原理、证明等。这些工具提供的环境可以方便地跟踪文档化软件系统开发的全过程，支持软件系统生命周期内的维护和改进。RAISE工具当前包括： 编辑工具、证明工具、程序语言转化工具、文档支持工具。

3、IDEF与RSL的结合

3.1　现状与问题

我国的CIMS实施过程中，IDEF是为学术界和工程界普遍接受的企业建模方法论。IDEF丰富强大的表达能力与直观性使其得到广泛的应用。自从20世纪70年代提出以来，它已经成为工业界和商业界企业建模的实际标准。它的通用性在诸多领域的模型体系中都得到体现。尤其是作为一个家族，它提供了不同角度的模型方法，一些更深层次的IDEF也正在研究中。

但是，在CIMS的实施与应用过程中， IDEF也显示出自身的缺点与不足。首先，对于如何融合原有系统，以便保护原有投资，进而提高效率，降低成本的问题，IDEF模型没有给出明确的解决方案。其次，在一些CIMS的实施与应用项目中，由于受时间、资金、技术等方面的限制，在企业建模阶段，没有投入足够的力量。后期的实施没有遵从模型指导，或者遵从错误导向的模型，对实际系统造成一定的影响。

尤其值得指出的是，模型本身是理想化的系统运作与集成模式，模型驱动系统的建立是其得以实现的手段。因此，实现模型与现实世界的集成，即实现可执行的模型系统是决定企业能否应用模型及模型功能发挥程度的关键。在模型建立与表达手段日臻完善的同时，模型实现手段，即从模型向实际系统进行转化的服务，也越来越受到人们的重视。而IDEF(以及多数的其它企业建模方法)，在企业模型与实际系统之间，存在着相当大的距离。无论是过程模型、功能模型还是信息模型，在实现阶段都只能具有参考意义。

3.2　解决方法

针对上述问题，在虚拟企业建模、系统集成与实现中引入形式化方法，实现IDEF与RSL的结合： 即采用IDEF描述系统模型，由RSL建立形式语言描述，进而实现向程序语言的转化，是一种理想的企业建模方法。具体而言：

1) 在高层的系统分析与系统设计阶段，发挥IDEF直观、形象、易于理解的优点，使得系统设计人员能够在较高层次把握系统本质，同时可以使得系统用户，也就是非专业的系统分析与设计人员，能够直接参与到系统的设计中来。

2) 以IDEF设计的系统模型，在传统的方法中即通过系统实现人员向实际系统进行转化。但是，在前面提到过，由于这种转化的某些随意性和不规范性，容易造成实际系统与模型之间的差异。因此，进一步细化模型，使得系统模型尽可能靠近实际系统，是引入形式化描述的目的。由于RAISE有着严格逻辑的、从抽象高层模型向低层实际系统描述精化的方法与步骤，这种转化可以被保证以正确的方式进行。模型设计人员与系统实现人员可以通过形式化的描述进行严格定义与规范的沟通。

3) 有了低层的、具体的系统描述，RAISE提供系统转化工具可以使得由系统模型向实际系统转化的工作自动化。这在最大的程度上减少系统实现人员的工作量，同时减少了不确定性。

4) 系统从抽象到具体的描述，实际上是系统设计无可替代的维护文档。模块的严格描述为系统的更新、重用、通讯提供了坚实的基础。

采取上述的步骤进行虚拟企业建模与系统实现，在系统各个阶段均有着紧密的承接关系，从高层到低层有着严格的逻辑控制，这对于类似于虚拟企业这样的复杂系统是必需的。但是，在虚拟企业的模型建立、系统集成与开发过程中引入形式化方法，不可能、也不应该替代传统的企业建模集成方法，而应该是其有益的补充。

3.3　优点

采用上述的方法可以着重解决虚拟企业中的以下问题：

1) 增强虚拟企业模型与系统的联系
RAISE本身作为一种形式化系统可以有效地抽象系统，逐步求精进行细化，并能自动进行形式化描述向程序语言转化，因此可以保证系统实现与模型的一致性，进而保证系统求解的正确性。因此，作为联系模型与实际系统的手段，通过RSL在抽象层次表达IDEF模型，经过逐步求精，向实际系统无缝转化是理想的解决方案。

2) 实现企业模块的重用性
虚拟企业的集成中，很重要的一点就是要实现重用性。作为临时性的联盟组织，虚拟企业的组建与分解都是其生命周期内的必然阶段。为了响应市场需求，这一过程必须是迅速的。作为参与成员的单一企业其系统自身模块必须可重用，以便迅速响应其它核心企业请求，实施虚拟企业组建。企业模块本身的"标准性"是可重用的根本决定因素之一。应用RSL描述语言构建企业模块，可以在系统间建立规范的、标准的模块描述，并以此来规范系统实现，是实现企业模块可重用性的途径。

3) 保证异种企业间的互操作性
紧密联邦性质的企业之间存在的不仅仅是简单的产品供应信息，还需要有效的联合决策和控制。非标准的二意性的系统集成与实现必将为这种合作带来损害。尽管许多标准(如STEP，CORBA)的出现为系统的集成与互操作提供了一定程度的解决方案，但是，低层次的解决方案是无法从根本上满足虚拟企业所需的上层合作要求的。因为这种控制与决策的交互是可以在各个层次上发生的。以标准的模型模块与规范来划分系统，在RSL的广谱范围内保证异种企业间的互操作性是根本的解决之道。

4) 支持软件进化过程
对于虚拟企业这样的复杂巨系统而言，系统的实现不可能是一蹴而就的。甚至系统的要求，以至系统模型，都可能随着时间的推移而发生变化。软件系统开发中的快速原型系统也向解决这种软件进化问题提出了挑战。通过形式化的方法对虚拟企业建模进而完成系统实现，可以严格地控制模块间的进化关系，维护组件间的关联，保存完善的开发文档。这对于软件的修改与进化提供了有力的支持。

4、结　论

世界市场已经从相对稳定演变为动态多变，局部竞争扩展为全球竞争，跨行业、跨地区的竞争、渗透与协作日趋激烈。先进制造业的敏捷性需求使得虚拟企业成为最有希望的经营管理模式与技术手段。本文分析了基于企业模型的虚拟企业构建问题，指出了虚拟企业新形式下传统方法的不足，提出了将形式化方法与传统的企业建模技术相结合的观点，并讨论了相关的方法与应用问题。

来源：CAD/CAM