2.1 体系结构的一般概念

2.1.1　体系结构和体系结构框架

体系结构，又称体系（Architecture），是对系统中各部分的基本配置和连接的描述（模型），是“一组用以描述所研究系统的不同方面和不同开发阶段的、结构化的、多层次多视图的模型和方法的集合，体现了对系统的整体描述和认识，为对系统的理解、设计、开发和构建提供工具和方法论的指导”［1］。随着制造系统复杂性的不断提高，为了增强调度方法的复用性和调度问题之间的协同交互能力，以提升制造系统综合应对不确定动态环境的灵活性，关于生产计划和调度体系结构方面的研究自2000年以来得到关注。

例如，Pandey［2］提出了协同生产调度、设备维护和质量控制的概念模型。Monfared［3］提出了集成生产计划、生产调度、控制的整体方案，并基于排队论模型，集成了实时调度规则的调度方法和模糊预测控制系统，实现了生产系统调度与控制的协同。Wang［4］针对半导体后端制造工艺提出了一种协同产能规划与调度优化的调度方案，通过产能规划模型推出产能约束作为调度优化规划模型的约束。Lalas［5］针对纺织生产线提出了一种混合反向调度方法，首先通过产能规划模型得到有限产能值，并通过离散时间仿真系统优化有限产能约束下实时调度规则的选择。Lin［6］针对薄膜晶体管液晶显示器生产线，根据月、日、实时三个时间粒度设计了三层生产计划调度系统。这些工作虽然从不同的角度对生产计划和调度领域的不同问题实施了有效的解决方法，但研究的导向都还是相对固化和区间性的，构不成整体性、系统化的解决方案，更谈不上复用性和可重构的能力。

对于庞杂的制造产业而言，要建立系统化、可重构的生产计划和调度整体解决方案并非易事，本书第1章曾分析过制造系统的复杂性，不同类型和特点的制造系统具有不尽相同的特征、需求及关注点，面向种类各异的复杂制造系统研究体系结构的构建方法就需要有更一般性的方法指导，我们称之为体系结构框架（Architecture Framework）。体系结构框架包含一系列工具、定义、标准以及用以实施系统组织的模型，可揭示系统组织之间的结合方式。体系结构框架往往针对特定领域制定，体系结构可在体系结构框架的基础上构建，体系结构框架相当于体系结构的元模型。

目前并没有权威性的面向复杂制造系统的体系结构框架，但有一些其他领域的相关成果可供借鉴。例如，美国国防部提出的用于军事信息系统建设的DoDAF（Department of Defense Architecture Framwork）体系、IBM提出的面向企业体系结构的Zachman体系结构框架、面向电子政务信息化建设的美国联邦企业体系结构框架FEAF（Federal Enterprise Architecture Framework）、用于美国联邦政府的财政信息化建设的财政部企业体系结构框架TEAF（Treasury Enterprise Architecture Framework）和MODAF（Ministry of Defence Architectural Framework）体系结构框架，以及国际标准权威组织The Open Group制定的开放标准的SOA参考架构TOGAF（The Open Group Architecture Framework）等。下面分别选取几个有代表性的框架加以介绍并予以借鉴。

2.1.2　常用体系结构框架

（1）Zachman体系结构框架

Zachman是IBM的首席架构师，也正是他在1987年第一次提出了企业体系结构理论。基于Zachman框架，已经延伸出许多不同行业的体系结构模型。Zachman框架［7］模型是一个二维模型（图2-1），横向维度有六个描述的焦点：数据、功能、网络、人员、时间、动机；纵向维度包括六类角色：规划者、拥有者、设计者、构造者、转包商和企业。共由36个单元格组成，每个单元格都是角色和描述的交汇焦点。

研究对象作为一个整体，无论从哪一个角度观察都很重要。例如，对于“数据”这一焦点，从拥有者来看包括客户和产品，但是对于数据库设计来说，“数据”是保存在数据表中的字段和记录，以及通过链接等数据库操作生成的数据表，此时要讨论的就不是客户群体而是关系数据表。虽然拥有者和设计者对数据的看法不同，但它们之间是有关系的，可以根据查询客户群体的需求，从相关数据表中显示出信息，如果有的需求没有数据支持，就需要考虑架构是否完整，如果有数据但没有需求，就要考虑数据库设计是否存在问题。因此尽管角度不同，但是单元格之间是有联系的。

这样36个单元格就包括了36个体系结构材料，或者称之为“产品”“模型”，每个材料在哪一个单元格应该很确定。当所有单元格都填满了，从每个角色（Stakeholder，利益相关者）的角度观察系统的每个可能的视角，这样就能够有足够的信息描述系统。

从Zachman体系结构中可以得到以下启发。

①描述一个对象系统的整体需要从多角度展开，并非某个角度最好，并非越详细越好，也并非某个角度优先级高，每个角度和焦点都是描述整体的一个必要部分。

②在每个角度上关注数据、功能、网络、人员、时间和动机等焦点，能够提升体系结构模型的质量。

③每个业务需求能够追踪到技术实现。

虽然Zachman框架展示了分类组织方式，但并没有给出构造的过程。

（2）DoDAF体系结构框架

DoDAF 2.0体系结构框架［9］是美国国防部体系结构框架。该框架明确指出：体系结构由多个有助于集成的视角组成，能够促进被集成的体系结构能力之间的交互操作，并指出“集成”是在一个或多个体系结构视角实例中使用数据，通过这些视角从不同角度理解数据。

DoDAF 2.0通过8个视角（Viewpoint）（图2-2）52个模型（表2-1）为体系结构的设计提供建模方法集。8个视角分别为：全景视角（All Viewpoint）、能力视角（Capability Viewpoint）、作战视角（Operational Viewpoint）、系统视角（Systems Viewpoint）、服务视角（Services Viewpoint）、信息和数据视角（Data and Information Viewpoint）、标准视角（Standard Viewpoint）和项目视角（Project Viewpoint）。每个视角下的体系结构模型如表2-1所示。

DoDAF体系结构是面向国防信息系统的体系结构，其中的“作战”概念，对于国防部门是“协同工作”，借鉴到复杂制造系统生产计划与调度领域，则意味着各个计划和调度业务系统的“协同应用”。

（3）FEAF体系结构框架

美国联邦企业体系结构框架FEAF［10］服务于联邦政府电子政务信息化建设，由体系结构驱动因素、愿景战略原则、现有体系结构、目标体系结构、变迁过程、政府各部门体系结构、体系结构模型、开发标准等组成（图2-3）。

上述介绍的体系结构框架都是为支持某一领域体系结构的构建而提出的通用性工具、标准和指导性模型。因目前还没有可借鉴的面向制造管理领域的体系结构框架，本书后续对于复杂制造系统生产计划与调度集成体系的研究，将首先参考这些工作设计面向制造系统计划与调度的体系结构框架，再基于所设计的体系结构框架给出集成体系方案。

2.1.3　体系结构框架的概念模型

体系结构框架相当于体系结构的元模型，提供了建立各种体系结构的工具、标准和方法，是整合各系统元素、功能等的一个整体平台。而体系结构可以视为面向特定对象的体系结构框架的一个实例，基于同一个体系结构框架可以派生出多个体系结构系统簇。

可以参考借鉴的体系结构框架有许多，上一小节中我们已重点介绍了几个有代表性的体系结构框架，进一步抽象它们共同的概念模型，可以用IEEE推荐的软件集成系统的体系结构描述标准IEEE Std 1471—2000［12］给出的体系结构框架概念模型来表达（图2-4）。其中，体系结构既是体系结构框架实例化的一个综合模型，又是实际对象系统的建模方法，有许多结构要素以及视角，不同的视角反映了不同要素之间的联系与互操作。

本章以此通用体系结构框架概念模型为参考，结合制造系统生产计划与调度系统描述的实际需求，首先给出面向生产计划与调度集成化体系描述的体系结构框架设计（2.2节）；继而以支持实际生产计划与调度系统应用为导向，分别从不同的视角分析并定义复杂制造系统的生产计划与调度体系结构的不同视图模型，以达成对复杂制造系统计划与调度体系的构建。