Введение. ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРЫ КИП

ВВЕДЕНИЕ
Понимание судостроения как приоритетной отрасли страны законодательно закреплено во многих странах. Правительством США утверждена программа развития судостроительной отрасли, получившая название Национальной судостроительной инициативы (National Shipbuilding Initiative), основным элементом которой является программа
МАRIТЕСН, направленная на развитие технологий проектирования и постройки судов с
использованием информационных технологий.
Аналогичные программы есть и в других странах. Президентом Украины, Кабинетом
Министров Украины подписаны и утверждены указы и постановления, направленные на
развитие судостроения в Украине (в том числе и по созданию специальной экономической
зоны "Николаев", предусматривающей создание благоприятных условий для работы трех
николаевских судостроительных заводов).
Известные изменения в экономике в начале 90-х гг. обусловили неконкурентоспособность украинского судостроения, привели к убыточности строящихся судов и поставили судостроительные заводы на грань банкротства.
Анализ работы зарубежных верфей показывает, что функционирование такой сложной
организованной системы как верфь невозможно без эффективного управления и планирования в условиях компьютеризированного интегрированного производства (КИП). Показателен в ном плане пример "щецинского чуда" - Щецинской судоверфи (Польша), которая смогла за короткий срок довести число строящихся судов в год до двадцати и больше.
КИП позволяет реализовать созидательную фазу жизненного цикла изделия - от маркетинга и проектирования до производства. Архитектура КИП обеспечивает прозрачность
различных прикладных систем (приложений), реализующих различные стадии жизненного цикла изделия: системы автоматизированного проектирования (Cоmputer Аided Design САD}, автоматизированные системы технологической подготовки производства
(Соmрutег Аided Маnufасturing - САМ), инжиниринга (Соmрutег Аided Engineering - САЕ),
автоматизированные системы планирования производства (Соmрutег Аided Ргосess Рlаnning САРР), системы автоматизации производства (Fасtогу Аutomation- FА), системы управления производством и системы автоматизации различного назначения.
Украинские судостроительные предприятия в конце 80-х - начале 90-х гг. начали исследования
в области организации КИП.
Глава 1. ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРЫ КИП
1.1. Основные функции предприятия
Вне зависимости от уникальности характера предприятия есть функции, присущие
всем предприятиям. К ним можно отнести [48,49,50] управление бизнесом, инжиниринг,
планирование и управление производством, маркетинг и управление поставками.
В свою очередь, эти функции поддерживаются вспомогательными функциями управленческой деятельности, принятия решений и разработки приложений.
КИП обеспечивает информационную прозрачность перечисленных выше функций. В основе архитектуры КИП (рассматривается идеология корпорации IВМ) лежат три ключевых блока (рис. 1.1): коммуникации (обмен и распределение данных); управление данными (определение, хранение и использование данных);
представление данных (представление данных пользователям). Функции предприятия
могут быть разбиты (декомпозированы) на бизнес-процессы (процессы), представляющие собой группы логически взаимосвязанных решении и действий, необходимых для
управления ресурсами предприятия. Декомпозиция основных функций предприятия с
выявлением информационных связей между процессами показана на рис.1.2,а-е. Кратко
остановимся на процессах, представленных на этих рисунках.
Маркетинг (рис. 1.2,а) определяет ключевые цели увеличения сбыта продукции.
Маркетинг состоит в исследовании рынка, прогнозировании спроса и анализе продаж,
организации рекламных кампаний, организации и поддержке маркетинговой сети, контроле прибыли и доходов, управлении персоналом, который занят сбытом, планировании
сбыта продукции.
Обслуживание заказов (рис. 1.2,а) обеспечивает поступление, обработку и поставку
1
заказа. Процесс также осуществляет выполнение требование заказа, проверку платежеспособности заказчика и выбор канала поставки.
Исследование (рис. 1.2,б) представляет собой разработку новых материалов, изделий
и технологических процессов.
Разработка изделий (рис. 1.2,б) использует новые материалы и технологические
процессы для проектирования, моделирования и анализа новых изделий.
Рис. 1.1. Основы архитектуры КИП
Разработка технологических процессов (рис. 1.2,6) включает в себя: разработку спецификаций, производственных операций, спецификаций по контролю качества и программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ).
Средства инжиниринга (рис. 1.2,6) обеспечивают планирование внедрения нового оборудования, прежде всею предназначенного для автоматизации производственной деятельности. Здесь также изучаются потребности предприятия в энергоресурсах.
Инженерный контроль (рис.1.2,б) обеспечивает координацию выпуска новых изделий, внедрение технологических процессов, оборудования и других изменений в инжиниринге и производстве.
Управление инжинирингом (рис.1.2,6) осуществляет внедрение инженерных решений, контроль за данными по изделиям, оценку стоимостей и определение производственных
ресурсов.
Производственная программа (рис. 1.2,в) разрабатывается на основании прогнозов по
заказам.
Планирование материалов и планирование ресурсов (рис. 1.2,в) выполняется на основе распределенных по времени требований обеспечения производства.
Снабжение (рис. 1.2,в) предназначено для выбора поставщиков и обеспечения поставок комплектующих и материалов.
Подготовка плана (рис, 1.2,в) зависит от вида производства и, как правило, представляется документами, определяющими изменения во времени стадий инженерных решений.
Управление производством (рис. 1.2,г) обеспечивает динамическое распределение
производственных ресурсов (персонал, оборудование), направленное на эффективное выполнение плана.
Получение материалов (рис.1.2.г) включает в себя прием материалов, комплектующих и оборудования от внешних поставщиков или в самом предприятии.
Хранение (рис. 1.2.г) представляет собой складской учет готовой продукции, заготовок, комплектующих, инструментов, оборудования.
Производственный процесс (рис. 1.2,г) осуществляет управление производством, обработку заготовок, изготовление деталей, сборку готового изделия и упаковку его поставки.
Контроль качества (рис. 1.2,г) заключается в анализе и регистрации результатов
проверки изделий на соответствие спецификациям.
1.2. Вспомогательные функции предприятия
Вспомогательные функции предприятия можно разделить на следующие три группы:
Управленческая деятельность – обеспечивает общий бизнес или офисную деятельность.
Принятие решений – отбор и представление критической информации руководителям, имеющим соответствующие полномочия на принятие решений.
Разработка приложений – рекомендации, необходимые для эффективного функционирования предприятия.
В среде КИП многие из вспомогательных функций благодаря использованию средств
информационных технологий (электронная почта, системы управления базами данных
(СУБД), интеллектуальные системы и т.д.) интегрируются и становятся прозрачными для
всего предприятия.
1.3. Коммуникации в КИП
Коммуникации (см. рис. 1.3) обеспечивают представление данных персоналу, системам
и устройствам. Необходимость интеграции в составе КИП реальных систем с различными
2
архитектурами, операционными системами и приложениями требует формализации всех
аспектов взаимодействия реальных систем на основе некоторой эталонной модели открытой
системы.
Разработанные эталонная модель OSI (Ореn System Interconnection) и IEC (International Electrotechnical Соmmision).описывают и регламентируют взаимодействие "реальных открытых
систем" [35].
В основу эталонной модели (рис.1.4) положена идея декомпозиции процесса взаимодействия открытых систем на отдельные компоненты, называемые уровнями (1ауегs).
Уровни эталонной модели открытой системы предназначены для обеспечения:
доступа в среду взаимодействия открытых систем прикладных процессов (прикладной);
представления информации, которая передается прикладными объектами или на которую они ссылаются в процессе передачи (представительный);
средств, необходимых для организации и синхронизации диалога между взаимодействующими представительными объектами и для управления информационным обменом
между ними (сеансовый);
прозрачной передачи данных между сеансовыми объектами и освобождения их от
выполнения функций по организации надежной и эффективной передачи данных (транспортный);
средств установления поддержания и разъединения сетевых соединений для независимости
транспортных объектов от маршрутизации и коммутации (сетевой);
функциональных и процедурных средств установления, поддержания и разъединения канальных соединений между сетевыми объектами (канальный);
механических, электрических, функциональных и процедурных средств установления, поддержания и разъединения физических соединений для прозрачной передачи последовательности
бит между канальными объектами (физический).
Рис.1.4. Схема эталонной модели взаимодействия открытых систем
В качестве примеров реальных открытых систем, приводят ниже следующие [35].
System Network Architecture (SNA). Системная сетевая архитектура SNA была объявлена корпорацией IBM в 1974 году и предназначалась для обеспечения систем телеобработки данных унифицированным методом доступа и представления возможности доступа
каждого конечного пользователя ко всем приложениям.
DLC(Data Link Control) – управление связыванием данных, PC(Path Control) – управление путями, TC (Transmission Control) – управление передачей, DFC (Data Flow Control)
– управление потоком данных, FMD (Function Management Data) – данные управления
функциями.
Digital Network Architecture (DNA). Сетевая архитектура DNA, разработанная корпорацией DEC, предназначена для объединения разнородных вычислительных систем этой
корпорации в территориально-распределенные информационно-вычислительные сети.
Архитектура протоколов DARPA. Агентство департамента обороны США (Defense
Advanced Research Projects Agency) разработало экспериментальную сеть ARPANET (Advanced Research Project Network), которая в 70-х годах была преобразована в Internet. Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) стал стандартом для ARPANET (позднее Internet) и получил широкое распространение.
Взаимодействие в локальных вычислительных сетях. Для стандартизации в
области локальных вычислительных сетей (ЛВС) в рамках IЕЕЕ (Institute of Electrical Engineers) в феврале 1980 года был создан комитет 802, деятельность которого направлена на разработку стандартов физического и канального уровней взаимодействия открытых систем.
Схематично соответствие между уровнями взаимодействия эталонной модели ОSI и уровнями взаимодействия эталонной модели IEЕЕ для ЛВС приведено на рис. 1.7.
Разработкой протоколов различных уровней модели IЕЕЕ занимаются соответствующие
подкомитеты комитета IЕЕЕ 802:
IЕЕЕ 802.1. Стандарты на протоколы верхнею уровня (архитектура управления ЛВС, доступ к ресурсам, обработка сообщений об отказах).
IЕЕЕ 802.2. Стандарты на протоколы подуровня управления логическим каналом
3
(интерфейс протокола верхнею уровня, процедура передачи информации между парой точек доступа к службе канального уровня, интерфейс с подуровнем доступа к среде).
IЕЕЕ 802.3. Стандарты по методу СSMА/СD (Сагriег-Sense-Мultiplе-Access with Collision Detect) - множественность доступа с контролем передачи и обнаружением конфликтов, а также
спецификация физического уровня таких ЛВС. Э т и стандарты базируются на модели
Ethernet, разработанной РАRС (Хегох Ра1о А1tо Research Сеntег) и поддержанной консорциумом Хегох, Iпtеl и DЕС.
IЕЕЕ 802.4. Стандарты по методу доступа, основанного на передаче полномочий по
шине, и спецификация физического уровня таких ЛВС.
IEЕЕ 802.5. Стандарты по методу доступа с передачей полномочий по кольцу и спецификация физического уровня таких ЛВС. Эти стандарты базируются на модели Token Ring, разработанной корпорацией IВМ
IЕЕЕ 802.6. Стандарты городских сетей передачи данных.
Из стандартов других организаций для ЛВС отметим разработанный в 1985 году АNSI
(Amеriсап National Standards Iпstitute) стандарт FDDI (FiЬег Distributed Dаtа Interfасе). Распределенный волоконно-оптический интерфейс данных (FDDI) определяет ЛВС с передачей полномочий по кольцу, использующую в качестве среды передачи волоконно-оптический кабель.
Основное отличие от IЕЕЕ 802.5 состоит в использовании волоконно-оптического кабеля вместо коаксиального, позволяющею обеспечить скорость передачи данных 100 Мбит/с.
1.4. Управление данными и представление их в КИП
Управление данными в КИП состоит в определении этих данных, отношений между
их элементами и места их хранения, а также в санкционировании доступа пользователей.
С учетом большого числа различных баз данных, их форматов, методов хранения и обеспечения доступа к данным (рис. 1.8) управление данными промышленного предприятия
представляет достаточно сложную задачу.
Под представлением данных в КИП подразумевается обеспечение данными и сбор данных от устройств и пользователей. Для использования эти данные должны быть определены и
иметь соответствующие форматы для представления на устройствах отображения.
1.5. Основы архитектуры КИП
Концептуально архитектура КИП должна обеспечивать:
функции репозитория и рационального хранения данных;
уровневую структуру;
системные и прикладные средства доступа.
Функции репозитория. Репозиторий дан н ых обеспечивает пользователей и приложения единым доступом к данным предприятия и представляет своего рода множество метаданных, определяющих местоположение данных, отношения между элементами данных,
представление данных пользователей и приложений (рис. 1.9).
Важным аспектом архитектуры КИП является также организация хранения данных.
Данные, используемые несколькими приложениями целесообразно хранить централизованно во избежание ошибок при дублировании и актуализации баз данных. Данные, используемые приложениями, рационально хранить в своих базах данных.
Уровневая структура архитектуры КИП позволяет отделить функции общего сервиса (коммуникации, управление данными и представление данных) от отдельных приложений и сделать их общими для групп приложений. Это во много раз уменьшает затраты
на замену уникального кода, генерируемого функциями общего сервиса. Уровневая структура обеспечивает стабильный интерфейс с приложениями. В этой связи приложения не
зависят от изменений, вносимых в функции общего сервиса.
Системные и прикладные средства доступа обеспечивают приложения функциями
общего сервиса независимо от типа устройств.
Прикладные средства доступа обеспечивают группы приложений функциями общего
приложения и управления их прерываниями. Под группой приложений понимается несколько сходных приложений, выполняющих подобные функции и имеющих общие требования по интеграции.
Уровневая структура архитектуры КИП представляет дополнительные преимущества в
случае, когда приложения не зависят от изменений в интегрированной среде, что позволяет снизить затраты на обслуживание приложений. С этой целью используются встроенные
среды.
Встроенная среда представляет собой среду, которая определяется (или встраивается)
4
в уровневой структуре. Сюда входит информация по определению данных, представлению данных пользователю и моделей процессов. Встроенная информация используется
при выполнении приложений и функций общего сервиса. Преимуществом данного подхода является защищенность интегрированной среды от каких-либо изменений (актуализируется только информация встроенной среды).
Встроенная среда помогает администратору баз данных предприятия в определении
данных для процессов, форматов данных для репозитория, атрибутов и отношений элементов данных пользователей.
С учетом рассмотренных требований схематично архитектура КИП представлена на рис.
1.12.
Уровни интеграции в архитектуре КИП. В архитектуре КИП различают четыре
уровня интеграции [48, 50]:
интеграцию групп приложений;
прозрачность групп приложений;
интеграцию данных и процессов;
оптимизацию предприятия.
Отметим, что в настоящее время доступны решения только для первых двух уровней.
Архитектура КИП, иллюстрирующая интеграцию групп приложений, показана на рис.
1.13. Так как приложения сходны по своим функциям, они используют: функции общего сервиса через единые прикладные средства доступа. Каждая группа приложений имеет встроенные среды для конфигурирования приложений и средств доступа. Это позволяет производить конфигурирование по отдельным требованиям вместо конфигурирования обшей
встроенной среды предприятия.
Все прикладные решения базируются на информационной модели данных (модели
данных), которая описывает отношения между элементами данных, их структуру и значения, а также их связь с процессами предприятия. Эта модель данных существует даже неявно,
если не производилось формальное документирование.
Приложения объединены в две группы. Каждая группа приложений использует единое
представление данных. Модель данных определяет следующее:
данные создаются и используются внутри каждой группы приложений;
данные, создаваемые вне групп приложений, импортируются и используются внутри
каждой группы приложений;
данные экспортируются из каждой группы приложений.
В нашем случае управление данными, определенными моделями данных групп приложений, производится репозиторием групп приложений. Каждый репозиторий групп приложений обеспечивает интерфейс приложений и функции сервиса в соответствии с требованиями приложений, которые их используют.
Реп ози т ори и поддерживают доступ встроенных сред г р у п п приложений и средств
конфигурирования и представляют приложениям внутри этих групп доступ к необходимым
данным предприятия.
Несмотря на эффективность решений, предлагаемых первым уровнем интеграции КИП,
пользователям могут потребоваться решения, требующие больших масштабов интеграции,
чем группы приложений. С целью разделения данных процессов среди нескольких групп
приложений для второго уровня интеграции КИП предложен механизм коммуникаций,
использующийся для обмена информацией между группами приложений в распределенной
вычислительной среде.
В основе этого механизма лежат функции обшей маршрутизации (Соmmon Routine
Services – СRS). Встроенные среды включают в себя т ак называемые пакеты обшей
информации (Communication Соmmоn Information Packets ССIР) для организации обмена
между группами приложений (рис.1.14).
Группы приложений поддерживают функциональное соединение и определенную модель данных для их импорта и экспорта. Таким образом, приложения становятся прозрачными
друг для друга. Группы приложений и прикладные средства доступа обмениваются пакетами
ССIР, используя общий маршрутизатор. Функции обшей маршрутизации используют ресурсы управления коммуникациями для доставки пакетов ССIР.
Группы приложений, являющиеся прозрачными друг для друга и разделяющие доступ к данным, должны координировать контроль управления д ан н ы м и . Контроль
состоит в авторизации конечных пользователей и приложений в использовании объектов
5
данных.
Модели данных специфицируют группы приложений или репозитории, которые контролируют объекты данных.
Группы приложений, которые управляют объемами данных, обеспечивают возможности создания, доступа и модификации данных. Группы приложений и репозитории
предприятия могут управлять объектами данных, которые они не контролируют.
Перед разрешением конечным пользователям или приложениям на использование объектов данных, ими не контролируемых, группы приложений и репозитории должны запросить и получить авторизацию от контролирующей группы приложений или репозитория.
На этом уровне интеграции репозитории и группы приложений поддерживают пакеты
CCIP, которые запрашивают авторизацию на манипуляцию с объектами, ими контролируемыми, но не управляемыми.
Для поддержания прозрачности среди групп приложений модель данных предприятия
должна специфицировать:
данные, разделяемые между группами приложений или управляемые репозиторием
предприятия;
управляет ли группа приложений сущностями объектов модели данных;
контролирует ли группа приложений, репозиторий предприятия или другие средства
управления ресурсами сущности объектов данных, определенных их моделями.
Встроенная среда предприятия поддерживает создание и обслуживание модели данных
предприятия. Модель данных предприятия специфицирует данные, которыми обмениваются репозитории групп приложений, прерываемые события (триггеры) и форматы данных.
Репозиторий предприятия обеспечивает следующие интерфейсы и функции:
программный интерфейс, с помощью которого приложения и группы приложений могут получить доступ в модели данных предприятия;
встроенную среду для разработки модели данных предприятия;
протокол, поддерживающий триггеры, интерфейсы к хранилищам данных, изменения
модели данных и механизм экспорта / импорта данных;
импорт / экспорт данных стандартного формата других приложений.
Третий уровень интеграции КИП (интеграция данных и процессов) предназначен для
координации процессов в более, чем одной группе приложений (рис. 1.15).
На этом уровне интеграции встроенные среды предприятия и групп приложений поддерживают создание моделей данных, используя стандартные решения для определения
процессов и соответствующих групп данных. Репозиторий предприятия и группы приложений используют распределенное управление ресурсами, обеспечиваемое платформами,
для координации модификации моделей данных групп приложений и предприятия. Модели хранятся и управляются репозиторием предприятия, который использует механизм
программного распределения, позволяющий распределить каждую платформу на группу
приложений и осуществить контроль дистрибутива.
6