1、0系统集成方法学探究摘要：本文以建立系统集成方法学的领域描述框架为目的，提出了系统集成理沦、技术与方法体系；重点阐述了系统集成的概念、原理和总体方法，以及集成与并行工程、重构工程和协同学等相关学科原理之间的关系及其作用机制，并给出了一些可操作的集成思路与措施。关键词：系统集成 并行 重构 协同 机制一、引言在计算机发展历史中，信息系统中的集成概念已经发生了引人注目的变化。最开始集成主要是将一套不同的硬件联系在一起支持从头开发的软件。但随着硬件的发展，使得构建更加复杂的软件成为可能，集成的特性发生了改变。集成越来越意味着耦合硬件和软件来形成一个系统。现代集成的概念是由软件主导，对于大型系统的设计
2、者来说，如何构建模型、理解它的体系结构，如何实现它的系统集成是值得深思熟虑的。计算机系统集成，就是运用先进的计算机与通讯技术，将支持各个信息孤岛的小运行环境，集成统一在一个大运行环境之中。在开放环境中更一般地考虑用哪一种网络协议?哪一种数据库?哪一种组件?哪一种对象技术?哪一种应用开发工具?哪一种分布式计算机体系?哪一种系统管理体系?而系统集成方法学则是更高的一个概念，它是系统集成在一起协同工作的重要环节。二、系统集成方法学的描述框架及框架模型的构成思想所谓系统集成的方法学，是关于系统集成的技术构成、实施方法及其支撑理论的一整1图 2-1 系统集成方法学的描述框架套方法体系学说，其目的在于揭示
3、系统集成的研究对象、研究内容和学科关联，这种方法体系的概念结构见图 2-1 框架模型的构成思想。框架模型的基本结构体现背景衬托、层次描述和主体展开的设计思想，背景环境包含了系统集成方法学的研究范畴及其研究对象，即集成对象系统，概括地说，系统集成方法学的基本任务是：研究如何利用各种相关的技术标准与规范、机制与规则和技术与产品，使得先进的管理思想、设计方法和制造技术与计算机信息技术和自动化技术紧密结合，实现管理信息系统(MIS)、工程信息系统、制造自动化系统(MAS)、质量保证系统(QAS)和中央应用源(Repository，RPS)等单元信息系统与自动化系统的一体化应用及整体优化组合。这里给出了
4、系统集成的基本研究对象：一是由各单元系统组成的 CIMS 应用系统；二是作为 CIMS 工程背景的实施企业；三是为 CIMS 应用企业提供集成运行环境的平台产品，CIMS应用企业是应用系统与实施企业有机集成的产物。框架模型把系统集成的学科内容划分为 3 个描述层次，即系统理论层、集成技术层和实施方法层，系统集成理论与相关理论构成系统集成技术与方法的指导依据。理论层中，现代系统科学与系统工程是整个系统集成理论，技术与方法的前沿，其作用在于解决边缘性学科互渗与方法交互问题，解决集成目标规划与实施过程整体化、分析与设计模型化以及技术实现方案最优化问题。传统的三论科学即系统论、信息论和控制论对 CIM
5、 理论形成的贡献是不言而喻的；现代系统科学的最新成就如突变论、耗散结构论和协同论，以及派生理论如并行工程原理和重构工程原理，对 CIM 理论的发展正在形成新的启示，突变论为研究自组织系统2的突现机理提供了新的数学理论方法，耗散结构论为 CIMS 等非平衡结构系统提供了一般模型描述理论和开放系统设计思想，协同论、并行工程原理和重构工程原理与系统集成理论密切相关，是本文探讨的重。系统集成理论是理论层展开的主题，包括集成概念、集成原理和集成机制，相关支持理论如数学、认知科学、计量经济学和知识经济学，构成参考理论群，可用于辅助建模和经济效益分析等方面。技术是对理论的基本实践。技术层中，系统集成平台是由
6、网络硬件系统、操作系统、数据库管理系统、应用开发工具和公共集成服务接口等软硬件构成的集成化应用开发环境，作为集成变换技术和相关支持技术的物理支撑技术，集成变换技术是技术层展开的主题，包括应用系统集成、企业结构集成和支持环境集成三大主体技术及其关键措施，技术标准的制订与采用，实施参考指南与技术文档规范的制订工作等，这是整个集成技术驱动的核心内容，相关支持技术构成辅助技术群。例如，采用多媒体技术可实现文本、图像、视频和音频等多种媒体信息资源的传输模式集成，提供超文本、超媒体和可视化信息服务，采用仿真技术可实现产品设计与制造过程的虚拟环境集成，提供静态模拟和动态模拟控制手段；采用 CASE工具技术可
7、实现软件开发过程的工具集成，提供原型驱动和软件产业化支持途径，整个集成技术层的主要内容可引伸为系统集成体系结构。方法是对技术的具体实现。方法层中，首先应给出一套系统集成的形式化描述方法，这也是方法学形成的基本前提，拟引入集合论来定义集成目标模型，定义集成对象、集成状态和集成行为之间的变换操作关系，提供基于集合描述、视图描述和类语言描述等多种方法相结合的实用化模型推理机制。实施方法展开的关键过程是，为基于集成的系统分析与设计提供集成化的建模方法，从工程措施和程序算法方面提供具体有效的实现方法，从集成应用开发的运行效果和经济放益方面提供可操作的评价方法。与此同时，可以引入相关支持方法进3行整体集成
8、优化，形成多层次多方位的优化方法群。例如采用人工智能方法，解决经营决策过程中的知识推理与人机协同的有效性问题等。三、系统集成原理与相关原理（一）系统集成的基本原理一般而言，系统集成是适应某种目的的相关对象类的有机集合与完备操作。目的性体现系统目标与功能的统一要求，相关性体现集成对象的相容与互斥属性，集合性体现单元与整体的作用关系，完备性体现集成事件的完整与统一程度。一般情况下，同构对象或集中对象之间的组合是一种直接的类规模扩展关系，只需采用同构接口（扩展接口），无需引入互操作机制，这种方法称同构整体化，异构对象或分布对象由于结构或位置差异，组成整体的单元之间需要借助于异构接口（互操作接口）才能
9、实现一体化，这种方法称异构同化，同步与异步对象及接口方式是在前两种模式的基础上再增加时间参数的组合与实时处理要求，包括同步（同时同地）、分布式同步（同时异地）、异步（异时同地）和分布式异步（异时异地）等接口定义方式。通常，集成的本意是指异构或分布对象之间的互操作，但实际应用环境往往十分复杂。不仅是异构分布和同构集中两种情况交织在一起，而且异构同化与整体化两种功效并非完全等价。因此，广义的集成概念应包括异构同化(狭义的集成)和整体优化两大变换操作模式以及接口（Interface）、集成(Integration)和整体化(Integralization)3类操作方法，即系统集成的 3I 方法。综上
10、所述，可以把集成实现的概念与方法，以及相关技术标准、产品支持、操作机制和变换规则等要素的综合作用机理，称为系统集成原理。可用图 3-1 表示：4首先是定义集成接口关系，即按物理对象确定硬件接口和软件接口，按应用对象确定分系统级、子系统级和模块级递阶控制接口，按交互方式确定机机接口，人机接口和人人接口(多媒体接口)，这些接口对关系全部可以归结为同构异构、集中分布以及同步异步三大关系的组合描述，且最本质的关系是异构接口和分布接口。然后是进行集成变换操作，包括对可采用的技术标准与规范作出正确选择，选用成熟的集成支持产品，引用与集成需求相关的操作机制，制订与操作条件和控制约束相适应的变换处理规则；建立
11、起符合实际的技术解决方案和软件生成算法，完成各种接口要求所给定的异构同化变换及分布处理任务，实现应用系统的基本集成。最后是进行整体优化处理，通过建立各种操作规范，采取有效的工程措施和人机协调措施，生成可重用的优化算法，验证集成应用开发的完备性和集成运行环境的适应性，从而实现集成系统的整体优化，整个集成优化过程不仅是静态的、基于系统工程与软件工程的，更重要的是强调动态优化，推行人机工程、并行工程和重构工程。（二）集成与并行工程原理并行工程思想已成为 CIM 技术的前沿和研究热点，并行工程原理的典型应用如：在产品图 3-1 系统集成实现原理5设计过程中引入并行设计模式，解决多学科多技术人员工作方式
12、并行化问题，在分布式系统中引入并行机制，解决多任务库的并行调用和多线索进程的并行执行算法问题，解决网络与数据库事务处理中的并发控制问题。此外，采用并行处理技术可支持并行数据库研究，实现数据库整体性能优化，支持并行程序设计，实现程序设计算法结构优化，把并行工程原理与系统集成原理相结合，旨在解决集成实现过程的总体运作模式优化，提供并行的运作框架、集成的技术手段。并行工程运行框架是一个按领域应用需求驱动的以目标实现过程并行化为核心的系统工程运行体系。领域应用如机械、电子或化工应电系统，管理、设计和制造应用环节，以及MIS、EIS 和 MAS 等应用模式目标实现过程是一个按产品全生命周期展开的企业营运
13、过程。是并行工程实施的对象系统本文把并行工程运行框架定义为 3 个层次，(1)基于协同环境集成比的支撑层c2)基于并行操作协同比的控制层(3)基于相关过程并行化的应用层。如图 3-2 所示：1、集成化支撑层支撑并行化系统运行此，定要有一个集图 3-2 并行工程运行框架6成平白和集成化工作环境，这是一个基于 CIMS 的网络互操作，数据库互访和公共集成服务支持的系统软硬件支撑环境和人机集成环境集成平台使能：具有 TCPIP 及 HTTP 支持功能的网络操作系统，具有 InternetIntranet 应用模式的全球信息网，具有 DDBMSEDBMS信息集成能力的分布式与工程数据库管理系统，具有公
14、共 API 功能的集成开发工具支持。此外，集成支撑平台应能提供并发存取与持续更新的共享信息服务，如领域资源、过程资源和相关资源等信息服务。2、协同化控制层并行工程实施过程中，需要建立支持公共操作的协同机制与并发控制体系如组建具有团队精神的多功能协同工作小组，开发支持异地协同工作的网络化视频会议系统，建立并发操作的网络约束关系与技术规范，提供 ODBC、EDI 等标准化接口支持和 CSCW 应用接口支持。3、并行化应用层并行化应用层分为三大部分，即领域应用、过程并行化、相关支持领域应用建立在CIMS 单元应用技术基础之上，主要包括以 MRPII 或 ERP 为核心的 MIS 分系统，基于 CAX
15、 局部集成(如 CADCAPPCAM)的 EIS 分系统，基于 CNCFMSSFC（车间作业管理）局部集成的 MAS 分系统，过程并行化是并行工程应用开发的核心，包括并行化管理、并行化设计和并行化制造三大功能。（三）集成与重构工程原理重构工程思想应源于突变论及其突现机理突现机理的内涵是，系统中一些子系统经重新组合会产生出新功能、新过程或更高层的7整体性突现概念在遗传学中称“突变”，在社会学中称“变革”等。在 CIMS 工程中，可以把突现机理引伸为重构原理，以支持分析过程的重新构思，设计过程的重新构划实施过程的重新构造，运行过程的重新构成。这种重构原理恰好与集成原理育重合或互补之处，因为集成过程
16、中必然涉及到系统重构和企业重构问题，而重构工程的实现需要集成环境来支撑，设重构对象为集成系统中的输入(I)，重构约束为控制条件(C)，重构后的新对象为输出(O)，重构操作的支撑条件为作用机制(M)，则集成与重构变换原理可用图 3-3 所示的 ICOM 模型来表述。变换原理的关键在于重构实现过程的组织与重构机制的引用。重构过程涉及到四大机制即开放机制、自稳定机制、突现机制、选择评价机制。对于 CIMS 这种具有生命周期的开放系统，开放机制是首要的，因为 CIMS 的生命力在于不断适应应用环境的变化并与之交换物质，能量和信息，这是一种非平衡的有序态亦或熵变状态。开放使得系统结构易于在非平衡的重构过
17、程中达到自稳定状态。突现机制是系统自组织与发展的核心，其机能概括为起因(事件引发)的突然性、过程的间断性、结果的难预测性。突现作用与自稳定作用是相互依赖的，CIMS 中的突现机制统称重构机制，如结构或过程的重组，数据或程序代码的重用，方法或装置的重载。在整个 CIMS 实施过程中，集成是支撑重构工程的主体技术，而重构应是集成应用的深化和更高层次的整体优化，即把应用系统与企业融为一体的总体运行环境优化，系统集成过程中，可采取的重构措施如：1、利用虚拟网技术，实现网络运行过程 的动态重组及逻辑子网重定义；图 3-3 集成与重构变换原理82、利用面向对象建模技术，实现对象类及其关联重组，以提高对象的
18、可重用性；3、利用触发器技术和数据复制技术，实现数据结构重组，以提高数据的重用性和分布数据更新能力；4、利用模块可裁剪与可组合的设计技术，改善功能结构的柔性和对应用的适应性，以提高软件产品的可重用性；5、通过管理体制改革、制造技术改造和企业文化更新等措施，实现企业的组织结构重组、流程结构重组和资源结构重组，从而实现应用系统与企业结构的整体集成。（四）集成与协同学原理协同学(Synergetics)研究范畴已从系统内部各组成部分之间的有序协作，扩展到完全不同的学科之间的相互协作问题，协同原理的核心在于，把研究对象进行分解与合并，研究部分与整体或个体与群体之间的协作与冲突问题，揭示有序运动的涨落规
19、律，确定起支配作用的序参量，从而建立起具有秩序的协同系统，这一原理可抽象为一个三元组：即协同作用(序参量，涨落放大机制，对称破缺规则)。序参量是决定系统宏观结构有序性的主导变量，涨落放大是通过协同作用将微观运动所产生的微小涨落放大为“巨涨落”，以导致宏观结构的改变；若集成是系统中各部分相互关联的纽带，是集合对象的有序树，则协同是育序树中维系对象组合秩序的支配关系，是集成的过程协调优化机制，集成与协同原理的相互作用关系用图 4-1 描述9在系统集成过程中，需要考虑的协同问题如：1、采用 ClientServer 或多服务器协同平台，实现分布式系统中的关键任务集成，实现新旧应用资源的集成，采用 B
20、rowserServer 技术，实现 Internet 与 Intranet 互连，并通过 BS 与 CS 体系结构集成，建立企业 LAN 与 Internet 的协同工作环境；2、为适应计算机支持的协同工作（CSCW)应用发展需要，面向 21 世纪的系统集成应考虑支持人人交互的多媒体接口和群 API 问题，以适应视频会议与 MIS 集成的需要适应群决策需要，适应协作式 CAX 应用的需要，建立具有群体协作模式特征的 CIMS。四、结束语本文提出了系统集成方法学的总体描述框架并对其中的系统理论层内容进行了展开，重点是探讨系统集成原理及相关作用机制。利用上述方法和技术可将不同时期开发的、运行在不同环境、使用用不同数据库技术的应用系统集成在一起有机的协同工作。图 4-1 集成与协同作用原理
