网络化制造研究室 研究方向、内容及成果

研究室主任： 范玉顺 教授（兼）

成员：李清副教授、唐劲松副教授、刘连臣副教授、黄双喜副教授、张洵讲师、铁鸣博士后、刘胜博士后、郭剑锋博士后

◆ 自1995 年以来，在工作流管理、企业建模、企业集成与集成平台、网络化制造等领域长期开展前沿性的研究，取得了一系列创新性的研究成果，得到了国内外专家学者的高度评价，初步形成了一套以企业建模和系统集成理论为核心，以工作流、 多代理、 控制理论与网络化协同技术为手段，以企业应用为背景的学术研究与应用体系。随着 Web 服务与工作流技术的结合，面向服务的工作流在模型合成、模型分割、模型分析、运行和性能评价上出现了许多新的特点和难点，因此开展新型计算架构下的相关研究并取得了可喜的成果。自 2000 年以来， 在《 IEEE Transactions On Systems, Man, and Cybernetics 》、《 International Journal of Intelligent Manufacturing 》、《软件学报》、《计算机学报》及《计算机集成制造系统 -CIMS 》等学术刊物以及国际会议上发表学术论文 260 余篇，出版学术专著9 本，论著被引用814 次，其中他引756 次。积累了丰富的研究成果和经验。

在工作流技术研究领域 ，针对工作流模型缺乏高效验证算法的问题，首次提出了一种用于工作流过程模型正确性验证的有效方法 ， 据此研究成果撰写的长文“ Timing Constraint Workflow Nets for Workflow Analysis ”发表在 IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics 杂志上，并被 SCI 收录。 在工作流性能分析方面，所提出的性能分析方法可以充分利用模型结构信息，大大降低了工作流模型性能计算的复杂度， 据此研究成果撰写的长文“ Performance Modeling and Analysis of Workflow ”发表在 IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics 杂志上，并被 SCI 收录。 提出了基于工作流模型仿真的调度方法，该方法在计算时间、调度性能指标上明显优于传统的调度方法，据此研究成果 撰写的论文 “ A practical scheduling method based on workflow management technology ”论文发表在 The International. Journal of Advanced Manufacturing Technology 上，并被 SCI 收录。 提出了基于工作流的知识管理方法，研究出一种包含了知识管理需求的扩展工作流模型，给出了基于工作流的知识管理集成框架，据此研究成果撰写的论文 “ Workflow and Knowledge Management: Approaching an Integration ”发表在 2002 召开的 EDCIS 国际会议上， 并被 SCI 收录。率先提出并开展了工作流时间管理问题的研究，并得到了国家自然科学基金项目的资助。针对 现有的基于活动网络图和 Petri 网理论的工作流时间建模方法存在的不足， 提出了基于时序逻辑的工作流时间建模方法与时序一致性验证方法 ，提出了 基于 MOF 框架的工作流时间模型与基于时序逻辑的模型之间的转换方法，为工作流时间管理问题的形式化验证提供了理论和方法的基础。 主编出版了我国第一部工作流管理学术专著“工作流管理技术基础－ －实现企业业务过程重组、过程管理与业务过程自动化的核心技术 ”，该书自出版以来已经被相关学术论文引用 240 次（他引），成为我国工作流管理研究和应用领域的重要著作，也是我国企业信息化的十大畅销书之一。 在国内外学术期刊和国际会议上发表论文 58 篇，论文被 SCI 收录 4 篇， EI 收录 22 篇。发表在《软件学报》上的论文“工作流技术综述”被他引 58 次，论文“工作流系统时间管理”被他引 7 次，论文“一种提高系统柔性的工作流建模方法研究”被他人引用 8 次，发表在《计算机集成制造系统 CIMS 》上的论文“工作流管理技术研究与产品现状及发展趋势”被他引 50 次 。主持开发完成了我国第一个基于 CORBA 的分布式工作流管理系统 CIMFlow ，该系统得到了国内外广泛的重视，在美国著名软件公司 BEA 其对全球工作流软件系统的分析报告中，申请者主持开发的 CIMFlow 系统是唯一被介绍的由中国开发的工作流管理系统。 CIMFlow 系统已经在中航一集团 625 所、大连机车厂等单位得到应用。在中国与欧盟第 5 框架重大国际合作研究项目“基于开放网络的交互式工程门户系统的研究与开发”中，所研究开发的工作流管理系统被选为该交互式工程门户系统的建模与工作流引擎使用，扩大了我国工作流系统的国际影响。

在企业建模方面 ，针对国内外现有企业建模理论与方法中存在的不足，提出了一种以过程模型为核心的六视图集成化企业建模方法，将传统的 3 阶段开环生命周期建模方法发展成闭环的 4 阶段建模方法。提出了基于模型仿真和活动成本分析等的企业业务流程性能分析方法，建立了一套从企业建模、模型分析、模型映射到模型执行的一体化企业信息系统实施方法，并设计开发了集成化建模与优化分析工具系统。该工具系统目前已经成为清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、同济大学、沈阳自动化所等多家单位研究企业建模与性能分析的基础工具，并且在西安飞机公司、雅戈尔服装公司、哈尔滨刀量具厂、华润酒精集团等多家单位进行了应用，取得了显著的经济效益，得到了应用企业的高度评价。在企业信息化过程中， ERP 等管理类软件系统实施的失败率非常高，通过研究分析，申请者明确指出企业业务需求不清晰、业务和组织结构变化快、 ERP 等管理软件柔性不高是导致其实施成功率低的关键，而这些问题的本质是企业管理业务缺乏科学的模型。因此，申请者提出了基于企业模型的管理软件设计、开发和实施方法，提出了从企业现状模型到优化设计模型和系统执行模型的映射方法。在上述研究成果的基础上，进一步提出了基于企业模型的企业信息化整体解决方案，第一次全面系统地给出了企业信息化整体解决方案的定义、内容、内涵、作用、实施途径，提出了基于模型的企业信息化战略规划和信息化规划的二维实施方法，其中，第一维描述了实施的步骤，第二维描述了每个步骤包含的内容、采用的方法和预期的成果，所提出方法具有很好的可操作性。在企业信息化整体解决方案中，提出了以模型作为载体来获取企业对信息系统的需求，以业务模型分析和仿真来进行企业诊断和信息化规划的方法，提出了以集成化的产品、过程和资源模型为核心的企业集成框架，给出了集成框架设计中需要包含的内容和设计方法。在提出的企业信息化整体解决框架内，针对框架的基础理论问题 —— 模型转换与映射方法开展了创新性的研究，通过与 IBM 中国研究中心的合作项目 “UML 模型到 Petri 网模型的转换研究 ” ，提出了两类模型间的转换规则，并提出了模型转换规则正确性的验证方法，给出了模型转换正确性的定义，提出了将模型转换有效性本身作为正确性的一个必要条件，利用图转换规则的形式化描述模型与转换过程，结合图转换理论与模型检测理论给出了验证转换正确性的形式化方法。 以企业建模与信息化整体解决方案的理论与方法研究成果为基础，主编出版了我国第一本关于企业建模理论与方法的学术专著“企业建模理论与方法学”，该书自出版以来已经被相关学术论文他引 53 次，成为我国企业建模与性能分析研究和应用领域的重要著作。还主编出版了学术专著“企业信息化整体解决方案”，发表相关学术论文 36 篇，其中 EI 收录 8 篇，发表在《计算机集成制造系统 CIMS 》上的论文“集成化企业建模方法与工具系统研究”被他引 18 次。

在企业集成领域 ，承担国家高技术计划（ 863 ）攻关项目以及企业相关项目 20 余项，国家自然科学基金项目 2 项，中欧重大合作项目 1 项。在 863 重大攻关项目支持下，主持开发了我国第一个面向整个企业的 CIMS 应用集成平台系统，该平台为企业提供了一个实现信息集成和应用集成的软件框架环境，实现了全企业范围内信息的透明共享与管理，大大降低了集成的复杂度，为企业快速实施 CIMS 提供了有效工具。该平台已通过国家教育部组织的鉴定，由张效祥院士、李伯虎院士等鉴定专家形成的意见认为该成果达到国内领先和国际先进水平。所开发的集成平台已经在成都飞机公司、青岛整流器厂等企业进行了应用，取得了良好的经济和社会效益，集成平台研究与应用成果获得 2000 年教育部高校科技进步奖二等奖。范教授在平台体系结构、集成机制、软件开发方法等方面提出了一系列具有创新意义的方法，提出了基于全局信息系统的信息集成体系与集成方法、基于多代理的集成平台控制与管理方法， 据这些研究成果撰写的论文 “Enterprise wide application integration platform for CIMS implementation” 发表在国际杂志 Journal of Intelligent Manufacturing 的 1999 年第 12 期上，并被 SCI 收录。在该领域，本项目组已发表学术论文 41 篇， SCI 收录 2 篇， EI 收录 18 篇。主编出版了“复杂系统的面向对象建模、分析与设计”、“多代理系统理论、方法与应用”、“企业集成与集成平台技术”三本学术专著，其中“复杂系统的面向对象建模、分析与设计”一书出版以来已经被相关学术论文引用 34 次，取得了良好的社会效益。

在 SOA 研究领域 ，项目组首次提出了分布式工作流模型分割和执行框架。在该框架的基础上，基于扩展的着色工作流网，提出了模型分割的静态算法。根据此研究成果撰写的论文“ Model fragmentation for distributed workflow execution: A Petri net approach ”发表在 Lecture Notes In Computer Science vol. 3563 上，现已被 SCI 收录。在此基础上对模型分割的动态算法进行了初步研究，根据此研究成果撰写的论文“ Dynamic Workflow Model Fragmentation for Distributed Execution ”已提交国际杂志 Computers in Industry 。此外，项目组还参加了清华清华－ IBM 服务科学合作子项目——面向服务的业务过程建模及优化，提出以面向服务的业务过程建模及其可视化为主要内容的业务过程优化问题研究，力争研究一套行之有效的方法，来达到企业业务服务和 IT 服务的定义和描述以及面向服务的业务过程的有效建模和可视化。在此基础上，还将对面向服务的业务过程优化中的决策分析以及过程仿真技术进行一些理论上的探索和研究。经过一段时间的努力我们已经在服务建模理论及方法、分布式工作流的模型分割、面向服务计算模式下的工作流、服务交互及博弈论在服务交互中的应用、面向服务的业务过程性能评价、服务安全及访问控制以及多过程仿真框架的设计这几个方面取得了可喜的成就。

几年来课题组在企业建模和集成领域完成了 科研项目 30 多项。比较重大的项目有“制造业 CIMS 应用集成平台总体设计与原型系统开发”及其产品化（450 万元），面向 CIMS 工程实施的企业建模系统（70 万元），集成平台系统总体设计、系统集成模型与标准化技术研究（150 万元）等。课题组指导、帮助和参加了二十多家企业实施 CIMS 工程。这些企业分布在全国二十个省市，涉及到机械、电子、化工、冶金、轻工、航空、航天、纺织、兵器、建筑等多个行业。产生了显著的经济效益和社会效益。 近年来课题组承担的国家及行业重大项目列表如下：

同时，中心近年来还负责多项行业和企业信息化咨询规划项目，包括：

 飞机制造行业

• 西安飞机工业集团公司

• 飞机型号研制过程建模与仿真

• 北京航空制造技术研究院

• 产品设计过程建模与管理

服装行业

• 雅戈尔集团股份有限公司

• 雅戈尔数字化工 程（ ERP 构建、系 统集成、电子商务）

• 企业系统功能模型的建立

工业汽轮机行业

• 杭州汽轮机股份有限公司

• 工业汽轮机行业参考模型

• 从定单到交货的全过程参考模型、产品销售过程参考模型、产品设计过程参考模型、生产计划系统参考模型、采购管理系统参考模型、车间作业计划管理子系统参考模型、装配及涂漆装箱过程参考模型、备件管理系统参考模型、财务管理系统参考模型、人事管理系统参考模型、质量管理系统参考模型

酒精行业

• 华润酒精有限公司

• 为 ERP 开发建立业务需求和设计模型

缝纫机行业

• 上海上工集团松达机械有限公司

• 企业信息化工程项目，业务流程建模、仿真、评价与诊断

• 制定计划 - 采购 - 零件加工 - 整机装配 - 销售过程

印染机械行业

• 上海太平洋印染机械有限公司

• 圆网印花机（单件小批订货型）的设计开发过程

铁路机车制造行业

• 大连机车厂

• 企业信息化工程规划

• 产品 BOM 信息建模与管理

重型机械行业

• 上海建设路桥机械设备有限公司

• 企业信息化工程咨询规划

◆ 资源共享网络化集成系统项目组

研究方向 ：

1 、资源共享网络化集成系统（ Resource Sharing Networked Integrated Systems ）

2 、面向服务的软件系统（ SOA and Software Engineering ）

3 、资源服务网格及其应用 （ Resource Service Grid and Practice ）

4 、语义网（ Semantic Web ）

5 、 Xml 数据管理

6 、网络环境下的动态数据管理支撑技术 （ Network Data Manage Supporting Technology ）

研究内容 ：

本项目组一直在在吴澄院士的领导下从事研究和开发工作，研究和工作内容描述如下。

随着互联网的迅速发展，使得信息管理与访问的方式发生了巨大的变化。 Web 背后蕴含的数据资源、信息资源、知识资源、实物资源、人力资源等其他资源也在以惊人的速度增长。通过网络如何更好地的发现、汇聚、整合、共享、完善、提高这些资源，高质量地利用好这些资源，受到了越来越多的关注。资源共享网络化集成系统正是在这种应用发展趋势下提出来的。

面向服务的架构（ SOA ）和网格（ Grid ）作为“下一代因特网应用”成为当前信息技术中的研究热点，并逐步相互融合。网格理念下的资源共享不仅要求获得单个资源的能力；更要求网格资源能力的全面整合。自 20 世纪末网格概念出现至今，网格应用从单纯的高性能计算领域发展到企业级计算，网格技术成为跨组织单位的分布式应用协作的重要支持技术；网格体系结构从面向协议的“五层沙漏体系结构”发展到“ Web 服务资源框架（ WSRF ， Web service resource framework ）”所支持的“开放网格服务体系结构（ OGSA ， open Grid service architecture ）”，以服务为中心的全新网格体系结构。本项目组系统地进行了有关资源服务网格的前沿技术研究和实践工作，在资源服务标准化、服务发现、服务动态组合、服务评价等方面取得了进展。

语义网的目标是使得 Web 上的信息具有计算机可以理解的语义，满足智能软件代理 (Agent) 对 WWW 上异构和分布信息的有效访问和搜索。 XML + RDF + Ontology 构成了计算机相互理解的基础。本课题组以资源共享网络化集成为研究背景，面向特定的项目应用领域，构建合理的语义网体系结构，不仅能够聚合相关资源，并且为数据推理制定语言，表达数据和规则，并允许已有的知识表现系统的规则导出到 web 上。

随着 XML 逐渐成为表示和传输网络数据的标准， XML 已经对网络信息的管理和集成产生了非常大的影响。管理半结构化的 XML 数据也带 来了许多挑战。如何以自然的方式，存储 XML 数据来支持有效的查询、如何更新 XML 数据、如何构造索引以及对于给定的查询如何找到所有匹配的结果等是我们的一个研究重点。

共享网络环境下的动态 数据管理支撑技 术 包括了分布式事务管理，数据缓存和复制，数据同步和发布；基于有限内存的存储和索引模型设计，在有限内存上的查询处理和优化，事务管理，恢复技术和同步等。如何对于分布的动态资源信息的建模和跟踪，不确定性管理，索引和可扩展性问题，基于状态的查询处理，数据挖掘，数据分发，隐私和安全，数据的融合和同步等。

◆ 系统集成方法论项目组

研究方向 ： 1 、企业与信息系统建模分析

2 、 企业信息化及系统集成方法论

3 、 复杂系统评价技术

研究内容 ：

以广义企业 ( 制造、服务和政府 ) 为研究对象，以系统建模和系统评价为理论研究领域，以信息技术为手段，研究复杂社会和技术系统的系统体系结构、建模分析、总体设计与规划、项目管理、业务流程再造、系统绩效评价等方面的理论研究和工程实践。所研究领域的社会需求明确。随着工业企业信息化、电子商务和电子政务实施的深入，以及 MDA( 模型驱动的体系结构 ) 和 SOA( 基于服务的体系结构 ) 技术的发展，对系统建模和系统评价理论的研究和工程实践提出了更大的需求。

从国际国内的信息化发展及管理规范化的趋势可以看出，该研究方向具有广阔的研究和应用前景。一方面我国的企业信息化和政务信息化发展到今天，需要成体系的分析设计方法为全面解决方案的设计提供手段，高速发展的 IT 咨询业务和 CIO 职业也需要得到方法论的支持，美国政府在 FEA( 联邦企业架构 ) 的支持下实现采购的系统化和军事指挥的系统化，这些都为本领域提供了广阔的研究和应用空间。

本研究领域跨越管理、自动化、工业工程和计算机工程多个学科，毕业研究生在系统研发、咨询、企业管理领域都具有很好的就业前景，是高级 IT 咨询人员和 CIO 的后备力量。

研究成果：

项目名称 1 ： 通用企业参考体系结构和方法论 项目负责人：李清

项目类型：国家 863 计划 起止时间： 2001 年 10 月 -2004 年 6 月

项目介绍：

“通用企业参考体系结构与方法论”开发了支持现代企业集成的体系结构、企业建模方法、

分析方法、实施指南、支撑软件工具，并在航空、航天、造船等行业的行业集成总体规划和系统构建中发挥了重要作用。该成果完善了现代集成制造的理论体系，开发了可以全面描述企业的建模方法族，并开发了相应的支撑软件工具，该工具以企业业务流程为核心，具有良好的用户界面，并能支持 ABC 分析和离散事件仿真，能够分析企业过程中的关键指标，为企业经营过程重构提供重要的分析工具和手段。该工具和 863 资助的重点项目软件族实现了集成，并提供了基于 XML 的模型信息交换机制。

项目名称 2 ： 面向系统集成的经济视图的理论研究与应用 项目负责人：李清

项目类型： 国家自然科学基金 起止时间： 2005 年 1 月 -2007 年 12 月

项目介绍：

在通用企业参考体系结构的框架内，基于企业建模方法和企业参考模型，建立针对系统集成特性的经济视图框架；提供分析集成系统设计和实施中经济因素的手段及多层次、多目标评价方法；构建企业目标与可操作层因素 / 因子之间的关联关系，分析这些因素的作用形式，形成数学和逻辑表达集，为集成系统的目标分析和合理化提供手段；同时也为优化目标的贯彻实施提供途径。在此基础上，形成相关集成理念的方案体系，并在工程应用过程中，为信息化工程项目实施单位提供决策支持，指导工程的设计和实施。