《基于功能建模及过程建模制造系统的建模框架与方法》----软件工程论文
摘 要: 介绍了基于功能建模和基于过程建模两种制造系统建模框架与方法,分析了软件对象技术、组件技术和代理技术的不同特点•提出了基于多代理的制造系统建模框架,它由对象自治性层次维、帮写博士论文软件生命周期维和多视图模型维组成•采用基于多代理的软件工程实现方法,开发了基于多代理的制造系统软件•与软件对象和组件相比,智能代理具有更强的自治性和智能性,能够满足复杂制造系统对分布式数据和分散控制的要求,为制造系统过程集成提供了新的途径•
关键词: 代理; 建模框架; 制造系统; 软件工程;多代理系统;业务过程建模
制造系统建模内容丰富、覆盖面广,其体系结构是由一组活动、方法和工具组成,从不同角度对制造系统模型进行描述•利用面向对象技术,制造系统建模采用抽象、分解和封装的策略把整个系统模型分解为一组对象的集合,各对象之间应用交互机制协作完成各部分功能•组件技术作为对象技术高层抽象性对象,被越来越多地应用于大型复杂分布式异构环境的应用系统•而代理技术比对象技术具有更强自治性,为分散控制和智能控制提供新的支持,因此,笔者提出了基于多代理的制造系统建模框架,并实现了多代理系统软件方法•
1．制造系统建模方法
经国内外研究人员多年努力,已形成许多有影响的制造系统建模方法和建模工具系统,主要有基于功能建模和基于过程建模的两大类建模方法•
1.1 基于功能的建模方法
20世纪90年代初,制造系统建模方法主要由基于功能的建模方法所主导,代表方法有CIMOSA和IDEF方法•其主要思想是采用功能分解法和递阶层次控制建立制造系统各个不同视图中的模型•以CIMOSA建模方法[1]为例,其视图组包括功能视图、信息视图、组织视图和资源视图•由于功能分解法采用统一的活动单元来描述整个系统各个递阶层次中的功能模块,因而具有较好的通用性和一致性•但使用单一的活动单元模型无法表达丰富的建模语义,难以满足制造系统对复杂模型描述的要求•
1.2 基于过程的建模方法
针对功能分解法的不足,许多学者提出了基于过程的制造系统建模方法,代表方法有ARIS方法[2,3]和工作流建模方法[4]•其主要思想是以过程模型为核心,建立由多个活动交互形成的系统运行的业务流,有效地集成控制流、物料流和信息流•以ARIS建模方法为例,如图1所示,采用面向对象方法建立制造系统多个视图的模型,包括组织视图、数据视图、产品/服务视图和功能视图,并用控制视图来描述这些视图的逻辑关系和约束规则•由于核心过程跨越组织和部门,能够更好地描述业务过程,支持制造系统集成,适应系统组织结构变化。
2. 基于多代理的制造系统建模方法
2.1 多代理技术
代理技术是在对象技术和组件技术基础上发展而来的自治性主体•面向对象技术为实体描述提供了一种抽象•对象被定义为具有状态集和对状态集操作的方法集所组成的封装实体,通过与其他对象进行消息传递的通信机制调用对象的方法,改变对象的状态•对象边界能够保护状态数据,使其不受或很少受到对象外部的影响,因而对象具有较高的封装性和独立性,具有很好的模块化特点,实现对象重用和软件重用•
组件技术为对象引用提供对象管理服务•对象管理服务体系结构[5]提供公共对象服务、通用设施、领域接口和应用接口,为分布计算提供通用平台•通过远程过程调用或对象引用机制,实现跨平台资源的透明互操作和协同计算,适用于传统的相对稳定的制造系统环境和企业应用程序•组件之间通过接口进行交互,并主动提供服务,具有可重构性,可扩展性和半自治性的特点•
代理技术进一步加强了对象的自治性,还具有反应性、能动性、自学习性和社会性等特点[6,7]•自治性是代理最基本的特性•自治性使代理一旦启动运行,无需用户直接干预能独立执行•代理控制着自己的外部行为和内部状态•管理者通过授权可以使代理进行决策,完成事务处理•反应性使代理能感知和作用所处的环境,如物理实体、用户图形接口或其他的代理集等,并对环境改变及时做出响应,遇到例外情况时可以及时采取措施•
能动性使代理以目标为导向,不是被动地接受指令要求,而是采取主动,不断地探测环境,根据目标导向来调整策略,适时地对自身系统行为做出调整,而不是等待环境的变化•通过能动性,系统只是接受高层次的要求,决定如何满足目标和协调策略,使系统能动地对环境变化做出快速响应,提高系统的敏捷性•
自学习性使代理能够从过去的执行情况中不断学习,以指导未来的行为•代理能从大量历史数据中发现用户的需求或系统状态•
社会性使代理与其他代理通信协调,积极参与合作,在目标导向下协作完成一些复杂任务从而形成代理社会•这种社会性大大地分散了系统运行的数据和控制逻辑,系统具有更加开放的性能•
2.2 基于多代理的制造系统建模框架
在基于过程的建模方法基础上,结合多代理技术,笔者提出基于多代理的制造系统建模框架。该框架采用了3个不同维度来描述基于多代理的制造系统模型,它们分别是对象自治性层次维、软件生命周期维和视图模型组维•对象自治性层次维分为被动对象、主动对象和智能代理3种类型•软件生命周期维分为需求定义、系统设计和系统实现3个不同阶段•视图模型组维采用面向对象的方法建立多个视图模型,例如数据视图、功能视图、资源视图和组织视图等•并以目标视图为导向,以过程模型为核心,用过程模型来描述这些视图的逻辑关系和约束规则•
该模型还有以下显著特点:
①增加了对象自治性层次维,整个系统是由多个对象、组件和智能代理组成的集合•被动对象是指封装状态集和方法集而没有自我控制线程的抽象实体,通常表现为简单对象•主动对象是指封装状态集和方法集并具有自我控制线程的对象,通常表现为服务端或Web服务(Web Service),以及基于对象引用的各类组件•智能代理是指智能的自治性对象•
②视图维中增加了目标视图:目标视图利用目标层次结构树,描述制造系统的目标层次,并通过细化,达到目标策略控制的目的•由于多个代理以目标导向来指导自己的行为,并与其他代理协调完成共同目标,所以目标视图在多代理系统中的作用尤为突出•
③生命周期维中保证构件的一致性:在建模工具系统中,模型的分析、设计与实现3个生命周期阶段的构件(artifact)必须保证在上一阶段表达的每个构件语义在下一阶段能够找到相应的语义表达,从而维持各个构件在分析、设计和实现阶段中模型的一致性•
④系统建模框架独立于软件实现方法和实现语言•
2.3 多代理软件实现
基于上述框架,在应用开发中采用了多代理软件实现方法[8~10],其系统分析与设计如图3所示•
此方法的主要步骤说明如下:
①根据制造系统实际需求分析确定应用系统的总体目标,进行目标分解,建立目标层次结构树•
②由需求分析确定系统边界,建立应用系统的高层用例,并用用例的交互图来描述•
③细化应用用例,明确各个用例涉及的角色和对象之间的交互•
④采用多层体系结构应用系统,平衡各层功能,分析被动对象、主动对象和智能代理,以此建立类层次结构•
⑤对各个类进行精化,建立相应的协议图、过程图和交互图•
⑥组装各个对象,建立系统的应用框架•
⑦应用特定平台和编程语言实现各个构件•
3． 结 语
在基于多代理的制造系统建模框架中,智能代理具有比对象和组件更强的自治性和智能性,能够实现系统应用的分散控制和智能控制•目标视图能够协调多个代理共同完成任务•而基于代理的软件实现提供为制造系统应用开发提供了新的途径•
参考文献:
[ 1 ] ESPRIT Consortium AMICE.CIMOSA: open system architecture for CIM[M]. Berlin: Springer, 1993.13-157.
[ 2 ] Scheer A W.ARIS-business process framework[ M]. Berlin: Springer, 1999.1-131.
[ 3 ] Scheer A W.ARIS-business process modeling[M]. Berlin: Springer, 1999.1-176.
[ 4 ] Workflow Management Coalition. The workflow reference model[EB/OL]. http:∥www.wfmc.org, 1994.
[ 5 ] Object Management Group. Common services specification [EB/OL]. http:∥www.omg.org, 1999.
[ 6 ] FIPA-Foundation for Intelligent Physical Agent. Agent speci
