快速成形网络化制造系统的IDEFO建模

基于IDEF0的快速成形系统功能建模

ID EF方法是一套对复杂系统进行建模分析和设计的系统方法，它是在结构化分析方法的基础上发展起来的，其含义是集成计算机辅助制造(Integrated Computer Aided Manufacturing ,ICAM)，IDEF是ICAM DEFinition Method 的缩写，后来称为Integration DEFinition Method[1]。创建之初，开发3种DEF方法分别是：功能建模（IDEF0）、信息建模（IDEF1）、动态建模（IDEF2）[2]。后来，又在此基础上开发了一系列的IDEF方法[3]。IDEF0是IDEF方法之一,用于描述系统的功能及其相互关系的结构分析，它能清楚地表达系统的活动、数据流以及它们之间的关系，建立系统的功能模型[4]。

快速成形网络制造系统的功能活动复杂，信息之间联系密切，传递频繁[5]。为了有效地实现功能与信息的集成，在系统的开发阶段，需要准确把握组成系统的功能活动及相互关系，理清复杂的信息活动及信息联系，因此建立系统的功能模型既十分必要，又至关重要[6]。

1. 用IDEFO建立快速成形网络化制造系统模型

(1)IDEF0方法 IDEF0的基本思想是结构化分析方法，来源于SADT方法。它具有以下一组基本特色：

①全面地描述系统，通过建立模型来理解一个系统一般地说，一个系统可以被认为是由对象物体（用数据表示）和活动（由人、机器和软件来执行）以及它们之间的联系组成。数据流图只反映了一个侧面，很难说明系统的全貌。IDEF0能同时表达系统的活动（用盒子表示）和数据流（用箭头表示）以及它们之间的联系。所以IDEF0模型能使人们全面描述系统。

②目的与观点目的是指建模的意义，为什么要建立模型。观点是指从哪个角度去反映问题或者站在什么人的立场上来分析问题。功能模型是为了要进一步做好需求分析，要实现预定的技术要求（不论是对已有系统的改造还是新建系统），所以要明确是对功能活动进行分析（逐步分解），而不是对组织机构的分解。

③区别“什么”（What）和“如何”(How) “什么”是指一个系统必须完成的是“什么”功能，“如何”是指系统为完成指定功能而应“如何”建立。就是说，在一个模型中应能明确地区别出功能与实现间的差别。这些

特色形成一种思维规则，适用于从计划阶段到设计阶段的各种工作。

④自顶向下分解用严格的自顶向下地逐层分解的方式来构造模型，使其主要功能在顶层说明，然后分解得到逐层有明确范围的细节表示，每个模型在内部是完全一致的[7]。

IDEF0使用一种容易理解的图形语言，代表一个真实系统，这种IDEF0模型有助于组织系统分析，便于模型的构造者和流程的执行者之间的交流，提高认识和决策的一致性。IDEF0针对整个设计过程进行分析，便于了解全系统和掌握系统内的关键因素，以对计划进行改善和优化。框图表示一种活动，是IDEF0最基本的元件，通常使用动词描述活动特性。箭头表示输入﹙INPUT﹚，控制﹙CONTROL﹚，输出﹙OUTPUT﹚，机制﹙MECHANISMS﹚，箭头用以连接系统中各活动，箭头通常是由名词描述。输入：实行或完成特定活动所需的资源，置于框图的左侧。输出：经由活动处理或修正后的产出，置于框图的右侧。控制：活动所需的条件限制，置于框图的上方。机制：完成活动所需的工具，包括人员、设施及装备，置于框图的下方[8]。如图1所示：

建立IDEF0模型是自上而下的分解活动。首先依据活动的边界划定IDEF0中的框图。在顶层框图完成以后，根据实际流程，可以把活动分解成下一层更小的活动。这种阶梯结构有利于确定模型的范围。通过观察图形，得到更深入的理解，防止系统描述中不必要的繁琐和疏漏。IDEF0由方块图形、层次结构、共通的语法和文字批注来描述模型的面貌，可以有效地协助设计者来分析一个系统，以确定系统的功能范围，通过简单的图形接口，可以促进工作团队彼此间良好的沟通，由于这种结构层次化描述的方式，可以清楚地说明每一个作业活动、所需要的输入、输出、控制及资源或设备，并且可以更清楚详细地描述组织内的各项功能作业。所有结点都用字母A（Activity）开头，最顶层图形称为A0图，在A0图以上只用1个盒子代表系统的内外关系，编号为A-0（读作：A 减0）。必要时也可以有A-1图、A-2 图等，但模型的顶层仍是A0图。子图的编号为父图的编号加上相

应被分解盒子在父图中的编号。IDEF0 的层次结构，如图2所示。

(2)快速成形网络化制造系统模型快速成形是依据计算机中工件的三维设计模型，对其进行分层切片，得到各截面的二维轮廓。按照这些二维轮廓，成形可选择性地固化一层一层的液态树脂( SLA) , 或切割一层一层的纸(LOM) 、烧结一层一层的粉末材料(SLS)、喷涂一层一层的热熔材料(FDM) 或粘结一层一层的粉末材料( 3DP) 等，形成各个截面轮廓，并逐步有序地叠加成三维工件。快速成形技术是众多学科集成而发展起来的，是多学科渗透、交叉、融合的产物。

随着网络的不断普及，快速成形技术与网络技术相结合，实现资源共享，快速响应市场，才能进一步发挥其作用。快速成形网络化制造系统的一个例子如图3所示。

该系统涉及到设计单位、客户、多个制造商、供应商以及相应的协作单位。系统功能活动复杂，信息之间联系密切，传递频繁，由网络实现它们之间的资源共享和信息相互传递。要分析这样一个复杂系统，确定该系统的功能范围，促进工作团队彼此间良好的沟通，说明每一个作业活动所需要的输入、输出、控制及资源或设备，清楚地描述组织内的各项功能作业，可以采用IDEFO建模方法来实现[9]。

（3）IDEF0的建模步骤：

①定义范围：流程分析主要集中在关键性流程。

②资料的收集：了解流程的相关背景，包括相关人员、事物及制度。建模需要与专家和流程的实际操作者广泛讨论。对收集到的信息分类加工整理。

③建模：针对收集到的资料绘图，根据IDEF0的绘制原则与符号设计原则进行建模。

④展示：针对每个阶层撰写辅助说明文字，并与父阶层共同构成完整模型。

⑤确认：模型建构者把初步的IDEF0图形和相关文件再次和相关人员进行讨论，确认最终结果。

2.应用实例

(1) 假牙快速设计与制造系统牙体缺损是口腔科的一种常见病和多发病，自然人中约占24%--53%，一般采用固定修复体进行修复，目前国内外口腔固定修复体常规制作方法主要为金属精密铸造或精密铸造后烤瓷等，其制作流程包括：牙体预备--取印模--灌模型--制蜡型--包埋铸造。必须采用手工个别制作，加工工艺繁琐、速度慢、制作效率低，病人就诊次数多、时间长。2O世纪8O年代开始，CAD/CAM 技术被引入口腔修复领域。我们提出的假牙快速设计与制造系统采用实体印痕与口外光学扫描获得病人牙腔的采样图像与数据；用逆向工程技术对测量数据进行三维重建；结合华人牙齿的三维数字模型数据库，完成修复体形态设计和局部修改；利用快速成形技术生成修复体的原型，再进一步生成实际需要的修复体。该系统是一个跨学科且涉及专业面很广的项目，需要医学知识、图像处理、三维曲面建模、三维计算机辅助设计、快速成形制造、计算机网络等多学科知识的综合应用[10]。假牙快速设计与制造流程如图4所示。

假牙快速设计与制造系统的功能活动复杂，信息之间联系密切，传递频繁，由计算机网络实现信息之间的交互，可充分利用各个单元的优势。为了有效地实

现功能与信息的集成，在系统的开发阶段，不但要准确把握组成系统的功能活动及相互关系，而且还要理清复杂的信息活动及信息联系，因此建立假牙快速设计与制造系统的功能和信息模型既十分必要，又至关重要。

（2）假牙快速设计与制造系统的IDEFO建模过程功能模型图是依据对系统的功能要求和系统总体结构产生，应包含目标系统的主要功能模块。由于假牙快速设计与制造系统复杂，在开发阶段就应准确把握组成系统的功能模块及相互联系，这就要求建立系统的功能模型。在进行系统功能分析以建立功能模型时需要做以下工作：清楚地了解系统要实现的目标；确定系统所需的功能活动以及它们之间的相互关系；分析各个功能所需要的支持，所受到的控制和约束，以及功能执行的条件和环境等。有了清楚的建模思路，明确了建模目的，就可以按照建模步骤进行建模。

(3)假牙快速设计与制造系统的IDEFO模型该模型的顶层功能模型A0图如图5所示。从图中可以看出假牙快速设计与制造系统所包含的各子系统所需的输入，得到的输出。此外该系统的IDEFO模型还清楚地展示了各子系统的功能活动及相互联系，以及它们所需的控制和约束。

按照自顶向下的方法，对AO图逐层分解，建立低层图形。例如对其中假牙设计的功能模块进行分解，建立假牙设计的功能模型图A1（如图6所示)。

建立假牙快速设计与制造系统的功能模型是保证系统成功实施与进行的重要手段。本文通过实体建模，给出了利用IDEFO方法对系统建模的步骤、思路，建立了系统的功能模型，并得出以下结论：①将假牙设计与制造过程集成起来，设计一个将数据输入、假牙设计、快速成形假牙原型和假牙模具的制造等有机结合起来的系统，此系统的开发可以极大地提高假牙的设计和制造的效率和质量，缩短设计周期。②由于假牙快速设计与制造系统功能复杂，因此在系统开发阶段必须准确把握组成系统的功能活动及相互联系，准确把握系统信息及其信息之间的联系、交换、流动，它是进行系统建模的基础。系统模型建立的成功与否关系到系统的运行效率、运行的准确性，是系统能否正常运行的关键。③对假牙快速设计与制造系统，建立系统的模型是一个复杂的过程，因此要严格按步骤进行。3．结语

利用IDEFO方法建立快速成形网络化制造系统的功能模型能够准确把握组成系统的功能活动及相互关系，为理清复杂的信息活动及信息联系提供基础。IDEFO 方法可以较为系统、直观地描述系统功能信息，同时支持自顶向下分解，从而有效地控制了系统的复杂性，可以起到降低开发费用，减少系统错误，促进交流的一致性和加强管理等作用。IDEFO方法对于多学科广泛交叉的以网络化制造为特征的快速成形制造系统的建模和优化有着积极的意义[11]。

参考文献

[1] 刘飞.制造系统工程.北京：国防工业出版社，2OOO.

[2] IDEF0 Method https://www.360docs.net/doc/6414075733.html,

[3] 李猛,薛强.玻璃容器计算机辅助设计系统的IDEF0和IDEF1x 模型[J].包

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[4] 李茂廷,范富才.玻璃容器模具集成化CAD系统的IDEF方法建模技术[J].天津

轻工业学院学报, 2OOO,(2):50-53.

[5] 李晓燕.快速成形网络化制造系统的IDEF0 建模[J].机械制

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[6] 李建军,何卫平，张维等.支持并行工程的IDEF集成建模[J].制造业自动化，

2OOO，22（9）：15-18[4].

[7] NTIS No：FIPSPUBl83／HDM．Integration Definition for Function

Modeling (IDEF0).

[8] 陈禹六．IDEF建模分析和设计方法．清华大学出版社．1999，(5).

[9] 陈松乔,任胜兵,王国军.现代软件工程[M].北京:北方交通大学出版

社,2002.

[10] 李晓燕，郭振明，李景新等.假牙快速设计与制造[J].机械设计与研究，2OO3

增刊：72-75.

[11] 赵博，范玉顺.网络化制造环境下的动态企业建模[J],机械工程学报，

2OO2，38（6）：31-35.