RESEARCH學術(shù)論文服務化多工藝設計研究Research on Service-Oriented Multiple Process Planning北京航空航天大學工業(yè)與制造系統(tǒng)工程系程亮喬立紅張毅柱[摘要]提出了服務化的多工藝設計方法。建立面向服務架構(gòu)技術(shù)( Service- Oriented Architecture,了基于過程規(guī)范語言的完整多工藝信息模型,提供統(tǒng)一SOA)將企業(yè)現(xiàn)有的應用和資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒蚕淼臉藴史墓に嚁?shù)據(jù)訪問服務和工藝業(yè)務服務調(diào)用。最后,給出務,提高了企業(yè)基礎結(jié)構(gòu)的靈活性和可重用性,而服務了服務化多工藝設計平臺體系結(jié)構(gòu),采用開源的面向服技術(shù)也逐漸成為企業(yè)信息化建設的一個重要方向。目務架構(gòu)技術(shù)進行了系統(tǒng)實現(xiàn)。前,服務技術(shù)與具體領域結(jié)合的研究還比較少,尤其缺關(guān)鍵詞:多工藝路線工藝設計過程規(guī)范語言乏在多工藝設計領域的結(jié)合研究。本研究首先分析了面向服務架構(gòu)技術(shù)制造企業(yè)中工藝數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀及對多工藝的需求,制定lABSTRACTI Proposed a service-oriented multiple了服務化的多工藝信息模型,重點闡述了多工藝路線表process planning method. Based on the method, a complete達、統(tǒng)一工藝數(shù)據(jù)訪問服務、多工藝設計服務平臺等方multiple process planning information model is built with面。最后,通過實例驗證了作者開發(fā)的服務化的多工藝process specification language to provide consistent pr設計原型系統(tǒng)cess data access service and service consuming. Finally,1服務化的多工藝信息模型based on the proposed software architecture, a service oriented multiple process planning platform is implemented1.模型范圍與建模方法by using service-oriented architecture open source產(chǎn)品、工藝過程、工廠、資源是工藝設計業(yè)務過程中Keywords: Multiple process routing Process plan的4個重要組成要素,分別用于定義制造什么、怎么制ning Process specification language SOA造、在哪里制造以及用什么制造。其中,工藝過程信息是核心,是工藝數(shù)據(jù)的組織及維護者。工藝信息模型主工藝設計作為企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程中重要的一環(huán),是要由上述4方面組成,各方面內(nèi)容如表1所示。企業(yè)制造信息的中樞。一方面,工藝設計者接收到零部由于工藝信息涉及的范圍廣、關(guān)系復雜,為了準確件設計信息后,根據(jù)生產(chǎn)綱領、企業(yè)資源、工藝規(guī)范及產(chǎn)無歧義地描述工藝信息,將采用本體的思想進行建模。品詳細特征等信息,制定零件制造工藝的方案路線及完本體是關(guān)于可共享概念化的一組協(xié)議集,是對領域?qū)φ墓に囈?guī)程;另一方面,工藝設計結(jié)果作為任務指令指導車間作業(yè)調(diào)度與生產(chǎn)加工。在進行車間作業(yè)調(diào)度表1工藝信息模型內(nèi)容時,要達到優(yōu)化生產(chǎn)和作業(yè)控制、提高調(diào)度系統(tǒng)柔性的目的,剛性的工藝規(guī)程已無法滿足生產(chǎn)調(diào)度的需求;另工藝信息內(nèi)容及范圍外,在企業(yè)實施與應用各信息化系統(tǒng)的過程中,工藝信包括對過程本身、過程活動(子工藝、子業(yè)務流息以分散管理、多點集成的方式在各應用系統(tǒng)間被管藝過程|程、工序、工步活動間的關(guān)系以及與活動相關(guān)對象理,工藝數(shù)據(jù)在異構(gòu)系統(tǒng)間以不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲及間的關(guān)系的描述調(diào)用方式同時存在。由于企業(yè)工藝業(yè)務本質(zhì)上一致性、包括產(chǎn)品BOM及BOM的多視圖描述、零組件引整體化的要求,異質(zhì)的工藝數(shù)據(jù)需要在各異構(gòu)系統(tǒng)間進用與實例信息零組件設計與生產(chǎn)制造信息計辭太組如續(xù)卦動態(tài)的工作組、人員、角行數(shù)據(jù)傳遞共享與互操作。因此,傳統(tǒng)的計算機輔助中國煤化工與角色間的關(guān)系的描述工藝規(guī)劃(CAPP)系統(tǒng)在系統(tǒng)開放性、擴展性、集成性等CNMHG息。主要是對資源的分方面均無法滿足企業(yè)日益復雜的應用環(huán)境和多變的業(yè)資源類信息基本管理信息、資源能力信息使用狀態(tài)信務規(guī)則需求。息的描述2009年第17期·航空制造技術(shù)95學術(shù)論文RESEARCH象、屬性、關(guān)系以及行為等各種概念信息的規(guī)范表達,能要1個或多個輸入物料對象,可合并或拆分成中間物料夠在多個領域間以通用的術(shù)語進行信息表達,以便實對象。為完整表達多工藝對象需從過程及過程內(nèi)部2現(xiàn)不同領域之間的概念轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)之間的互操作與個層面開展,包括過程層面的工藝關(guān)聯(lián)關(guān)系描述和過程集成國。同時,過程規(guī)范語言( Process Specification Lan-內(nèi)部的工藝過程對象信息、工序物料關(guān)系以及工序與資guage,PSL是基于本體的過程描述語言,其目的是通過源關(guān)系描述。套無歧義的過程描述詞匯來實現(xiàn)對過程信息的統(tǒng)一(1)工藝過程對象:指工藝過程涉及到的工序活動描述,具有強大的過程描述能力,是復雜工藝過程信息輸入輸出物料、制造資源以及組織4類對象,是工藝過描述的理想語言。本研究中工藝信息建模將采用本體程的主要參與者。表達→本體建?！壿嫿！锢斫５姆椒ê瓦^程,(2)工藝關(guān)聯(lián)關(guān)系:指工藝過程中工序活動間的關(guān)如圖1所示。系,包括工序間“順序”關(guān)系、“與”關(guān)系及“或”關(guān)系。“順本體表達本體建模邏輯建模物理建模序”關(guān)系表示工序活動依次順序執(zhí)行;“與”關(guān)系表示工序活動間的加工順序無關(guān);“或”關(guān)系表示由于加工方法活動可選而形成的多個工序活動間的可替換關(guān)系對象(3)工序物料關(guān)系:指工序活動中輸入輸出物料的對8⊕D應關(guān)系,包括合并輸入輸出物料、分解輸入輸出物料、同圖1工藝信息建模方法和過程步輸入輸出物料關(guān)系。Fig 1 Method and procedure of process(4)工序資源關(guān)系:指工序活動與資源使用關(guān)系,包information modeling括資源使用關(guān)系以及資源替換關(guān)系。本研究采用PSL描述復雜的多工藝過程信息。PSL(1)本體表達:為準確描述工藝信息,對界定范圍內(nèi)從過程信息中抽象出4類主要的核心實體:活動、活動的工藝信息進行本體識別和定義,參考相關(guān)手冊,定義發(fā)生、對象和時間點結(jié)合工藝過程4類基本對象將工工藝過程、產(chǎn)品、工廠以及資源4方面的語義群本體藝過程中的工序活動映射為PSL中的活動,將物料、資(2)本體建模:采用PSL豐富的過程語義集對工藝源、組織映射為PL中定義的對象,并嚴格按照知識交過程中已定義的復雜本體信息進行建模,使定義的語義換格式( Knowledge Interchange Format,KF)語法對PSL群本體尤其是工藝過程語義本體能夠利用PSL完整地擴展中已定義的過程關(guān)系本體進行定義。為完整表達表達,采用統(tǒng)一的過程描述方法對整個工藝過程信息進復雜的多工藝過程,對本體進行了進一步擴展(見表2)。行建模。作者的前期工作已給出表2中各本體的具體定義及適(3)邏輯建模:識別出PSL工藝過程模型中各個對用性證明。象以及對象間的關(guān)系,采用面向?qū)ο蟮乃枷?豐富并完采用PSL對多工藝過程建模后,進行過程抽象以善實體屬性信息和實體間關(guān)系,將PSL過程模型轉(zhuǎn)換成及過程本體與對象實體的識別與映射,將工序活動關(guān)系實體關(guān)系模型。本體中的“ex-xor-r-splt”映射為“AND(4)物理建模:在邏輯工藝信息模型的基礎上進行必和“OR”工序活動實體,分別表示多個工序活動、活動要的抽象,并定義實體屬性數(shù)據(jù)類型與范圍,形成可以鏈間的加工順序可調(diào)和加工活動可選,“AND”"和“OR”與各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射的物理模型可以相互以及自嵌套;而將“ material comb”、“ material12多工藝路線表達spli'、“ material_sync”3個工序與物料的關(guān)系本體抽象零件工藝路線設計就是在一定的約束條件和有限成工序活動的輸入輸出物料關(guān)系表,記錄工序活動的每制造資源下,為獲得需要的生產(chǎn)目標而確定出有序工藝個輸入物料與該物料對應的輸出物料間的對應關(guān)系。活動集合的過程。這一過程中由于存在單特征多加工經(jīng)過上述抽象與映射后,模型可以描述復雜的多工藝過方法可選、單加工方法多資源可獲得以及多特征、多工程信息和過程內(nèi)部信息。采用上述描述方法描述的多序活動加工順序可調(diào)等多種工藝設計可能性使得滿足工藝中國煤化工咽2所示。生產(chǎn)目標要求的零件工藝路線通常是一個單向、多分支CNMH動鏈、工序4或工序的有序活動網(wǎng)絡,即多工藝路線,而不是線性順序活動5以及工序6之間無特定執(zhí)行順序,其中工序2、3順序集合。同時,工藝活動作為一項有意義的加工活動,需執(zhí)行,而工序4和5表示這兩個工序活動都能完成相同96航空制造技術(shù)·2009年第17期學術(shù)論文表2多工藝過程關(guān)系擴展本體加工需求,只需從中選擇一項即可。每個工序活動可以與1個輸入輸出關(guān)系表關(guān)聯(lián),用以表達工序與物料的關(guān)系。圖2中R1表示1個輸入物料A分解成2個輸出物工序1定義兩個工序活動之間的順料B和1個輸出物料C,一般表示拆分工序的物料關(guān)系;cslo序2|關(guān)聯(lián),工序2的發(fā)生必然晚于R2表示各1個輸入物料D和E,裝配成1個輸出物料F,工序1一般表示裝配工序的物料關(guān)系;R3表示輸入物料G和ex-and-sphi工序0工序工序1,…,工序n均為工序0H同步組合加工,加工完成后,沒有生成新的物料,輸入1,…,工序n的子活動它們之間沒有順序上的約束,即活動間是順序無關(guān)的物料G、H分別對應加工后的輸出物料G、Hht工序o,序工序1,…,工序n都是工序013統(tǒng)一工藝數(shù)據(jù)訪問服務的子活動,在執(zhí)行過程中只執(zhí)行服務數(shù)據(jù)對象 (Service Data Objects,SDO)是SOA1,…,工序其中1個子活動中數(shù)據(jù)應用程序的開發(fā)規(guī)范,它定義了統(tǒng)一的方法來訪物料與工序是合成輸入與合問和操作異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。SDO的核心是數(shù)據(jù)對象mcca工序,物料成輸出的關(guān)系,即物料1是物料和數(shù)據(jù)圖。數(shù)據(jù)對象是業(yè)務對象的一般表達,利用屬性1,…物料n2,…物料n合成后的輸出物料保存數(shù)據(jù)既是簡單的基本類型,也是復雜的數(shù)據(jù)類型結(jié)果物料與工序是分解輸入與合(如C結(jié)構(gòu)體、對象類、關(guān)系表等),并且不和特殊的持久工序,物料,成輸出的關(guān)系,即物料1分解后化存儲機制綁定嗎,數(shù)據(jù)圖是一組可以從數(shù)據(jù)源中分離material_split,…物料n形成的輸出物料為物料2…物出來的樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)對象,是一系列相關(guān)數(shù)據(jù)對象的集合,且維護整個數(shù)據(jù)的更改概要。所有的數(shù)據(jù)圖都有物料與工序是同步輸入與合個單根數(shù)據(jù)對象,用戶可以縱覽整個數(shù)據(jù)圖以訪問數(shù)工序物料成輸出的關(guān)系即物料1,…物material據(jù)對象,獲取和設置數(shù)據(jù)對象域以及數(shù)據(jù)的更改概要1,…,物料n料n既是輸入物料也是輸出物通過SDO可以用統(tǒng)一的抽象模型來創(chuàng)建、檢索、更新和刪除業(yè)務數(shù)據(jù),對于不同來源的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)使用者輸入物料編號輸人物料數(shù)量輸出物料編號輸出物料數(shù)量序2(序, AB2輸入物料編號輸入物料數(shù)量輸出物料編號輸出物料數(shù)量1]-<-<0)工序4R2工序5輸入物料編號輸入物料數(shù)量輸出物料編號輸出物料數(shù)量工序6G圖2多工藝路線和物料輸入輸出關(guān)系表Fig 2 Multiple process routing and relationship table of material input and output始終面對的是統(tǒng)一格式和操作方式的SDO,而不是特定用關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)訪問服務( Relationship Data Base Data數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)形式。本研究在建立工藝物理數(shù)據(jù)模型 Access service, RDB DAS)對數(shù)據(jù)的訪問方式進行封裝后,將模型映射到具體的數(shù)據(jù)庫,以SDO的形式對數(shù)據(jù)根據(jù)工藝業(yè)務需求,提供不同粒度的數(shù)據(jù)訪問服務,包進行封裝,而數(shù)據(jù)表以及表之間的關(guān)系構(gòu)成SDO的數(shù)據(jù)括屬性級、對象級和視圖級的訪問服務。屬性級和對象對象和數(shù)據(jù)圖。圖3為工藝服務數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)圖,其級訪問服務提供對對象以及對象屬性的操作,而視圖級中,數(shù)據(jù)項是圖的根數(shù)據(jù)對象,記錄其他數(shù)據(jù)對象的公服中國煤化工品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建更新共信息(如版本、權(quán)限、創(chuàng)建者等)。通過根對象可以導和冊CNMHG訪間服務的輸入與輸航到其余的數(shù)據(jù)對象如工序、工藝、工步和物料等。出惦圖,用尸吲以使用SDO提供的統(tǒng)在以SDO方式對數(shù)據(jù)格式進行封裝的基礎上,采AP對數(shù)據(jù)進行操作。數(shù)據(jù)訪問服務在提供業(yè)務數(shù)據(jù)處2009年第17期·航空制造技術(shù)97學術(shù)論文RESEARCH數(shù)據(jù)圖更改概要發(fā)相應的業(yè)務組件,并對新開發(fā)和已有的組件進行封裝和編排,形成工藝服務群,并提供安全、可靠性消息和事務管理等服務。流程層引人流程引擎,通過流程驅(qū)動工數(shù)據(jù)項藝業(yè)務執(zhí)行,直接使用組件及服務裝配層暴露的服務接口,其間的通信單元仍然是SDO。通過流程層以及服務裝配層,輔以圖形用戶界面,可以直接形成上層應用,如物料)(工序)(工藝)(…資源管理和工藝過程設計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理等。采用該體系結(jié)構(gòu)的多工藝設計平臺各層之間的關(guān)系是松耦合關(guān)系,層與層之間通過定義良好的服務接口工序通信,且通信單元為符合標準的SDO,可以采用統(tǒng)一的圖3工藝服務數(shù)據(jù)對象數(shù)據(jù)圖數(shù)據(jù)操作方式對數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)源層和數(shù)據(jù)服務Fig 3 Data graph of process service data object層可解決多工藝信息表達、存儲以及一致性訪問的問題,是系統(tǒng)的基礎。組件及服務裝配層將組件提升,裝配成與具體實現(xiàn)無關(guān)的、可互操作的服務,可實現(xiàn)業(yè)務理的同時,還提供對數(shù)據(jù)源的管理服務,如數(shù)據(jù)庫的連靈活配置。組件及服務裝配層與流程層一起,成為構(gòu)建接、事務管理等。對數(shù)據(jù)源尤其是關(guān)系數(shù)據(jù)源的管理服流程型企業(yè)的關(guān)鍵。務,一些數(shù)據(jù)訪問服務產(chǎn)品已經(jīng)成熟地實現(xiàn),因此,只需關(guān)注業(yè)務需求即可。圖4為工藝數(shù)據(jù)訪問服務示意圖源工管理程設構(gòu)管理L配置業(yè)務層工藝數(shù)據(jù)訪問服務對外提供服務接口,其數(shù)據(jù)訪問客戶端和工藝數(shù)據(jù)訪問服務間以規(guī)范的SDO單元通信。流程◎流程層數(shù)據(jù)圖數(shù)據(jù)對象6工藝數(shù)據(jù)訪(讀/工藝來寧屮組件及服務裝數(shù)據(jù)訪問問服務(屬服務群配層客戶端性級、對象新數(shù)據(jù)庫Do ' SDO級、視圖級)工藝數(shù)據(jù)訪問服務數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖(屬性/對象/視圖服務層RDB DAS RDB DAS CRDB D圖4統(tǒng)一工藝數(shù)據(jù)訪問Fig 4 Unified process data access數(shù)據(jù)資源J源層2服務化的多工藝設計平臺圖5服務化多工藝設計平臺體系結(jié)構(gòu)Fig 5 Architecture of service-oriented multiple21平臺體系結(jié)構(gòu)采用的面向服務架構(gòu)技術(shù)的多工藝設計平臺體系process planning platform結(jié)構(gòu)如圖5所示,包括數(shù)據(jù)源層數(shù)據(jù)訪問服務層、組件及服務裝配層、流程層以及業(yè)務層。整個體系采用面向22服務組件構(gòu)建與裝配服務的思想,以工藝業(yè)務為核心,各層之間的通信通過服務組件架構(gòu)( Service Component Architecture,SCA)與業(yè)務相關(guān)的服務接口實現(xiàn)。建立的工藝信息模型構(gòu)是SOA中面向服務的組件規(guī)范,其基礎思想是將業(yè)務功成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源層,針對工藝數(shù)據(jù)訪問業(yè)務需求,通能封裝成一系列服務,并將這些服務很好地組裝起來。過 RDB DAS形成面向數(shù)據(jù)訪問的不同粒度的工藝數(shù)服行V凵中國煤化工連接調(diào)用可以使用各據(jù)訪問服務,可對外提供一致的數(shù)據(jù)訪問接口以及規(guī)范種CNMHG務接口與服務綁定完的SDO數(shù)據(jù),屏蔽底層數(shù)據(jù)源訪問的技術(shù)細節(jié),形成數(shù)全分離,即服務是業(yè)務的服務,而綁定則是服務的外在據(jù)服務層。組件及服務裝配層面向多工藝設計業(yè)務,開表現(xiàn)和通信協(xié)議,與服務本身的邏輯沒有交叉。在SCA98航空制遣技術(shù)·2009年第17期RESEARCH學術(shù)論文服務裝配規(guī)范中,組件是最基本的組成元素;組合構(gòu)件體工藝業(yè)務時,通過圖形界面調(diào)用平臺提供的服務(如由1個或多個具有內(nèi)在業(yè)務聯(lián)系的組件構(gòu)成;域描述一建立工序時,系統(tǒng)提供的服務有:工序創(chuàng)建、刪除、更新個完整的運行時配置服務,創(chuàng)建、刪除、更新工步服務,物料查詢服務,工序物根據(jù)業(yè)務需求,將工藝業(yè)務按工藝信息模型劃分料關(guān)聯(lián)服務,工時計算服務,工藝加工知識服務,設備分成4個領域,對應于ScCA中的“域”概念。在各自領域類查詢服務,設備能力查詢服務,設備狀態(tài)查詢服務,工開發(fā)相應的業(yè)務組件,采用SCA的組件裝配規(guī)范,對組裝查詢服務)。流程也可以自動調(diào)用系統(tǒng)服務,如在工件進行裝配連接并形成服務綁定具體的通信協(xié)議,對藝規(guī)程建立完成后,流程會自動調(diào)用多工藝路線驗證服外暴露服務接口。圖6為一個基于SCA的服務裝配圖。務,驗證多工藝路線是否符合邏輯約束。齒輪軸的多工工藝過程服務域中的工序組件通過引用,由同域中的工藝路線、工序物料配置以及工藝驗證如圖8所示。步組件集合以及資源服務域中的設備組件和工裝組件集合裝配而成,通過提升組合構(gòu)件中的工序組件,與特定訪問協(xié)議綁定后便成為對外可訪問的服務。工藝過程服務域資源服務域服t組合構(gòu)件組合組件工序組件斗工步組件≯工裝組件圖6基于SCA的工藝服務裝配Fig 6 Assembly of process services based or圖8齒輪軸多工藝路線、工序物料配置及工藝驗證service component architecture(SCA)Fig 8 Gear shaft multiple process routing, operationmaterial configuration and process validation23系統(tǒng)實現(xiàn)與實例驗證系統(tǒng)采用開源SOA產(chǎn)品 Tuscany的 SDO Java、RDB3結(jié)束語DAS以及 SCA Assembly Model模塊實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務以及工藝服務組件的裝配,采用jBPM工作流引擎本研究提出的工藝信息建模方法以及基于FSL的實現(xiàn)對工藝流程的控制。開發(fā)的服務化多工藝設計系多工藝表示方法能夠很好地表達復雜的工藝信息。本統(tǒng)具有很好的靈活性與開放性。研究釆用SDO規(guī)范,提供一致的工藝數(shù)據(jù)訪問服務,通以齒輪軸多工藝設計業(yè)務為例,首先定義工藝設計過SCA對產(chǎn)品、工藝過程資源以及工廠組織4個領域業(yè)務流程,如圖7所示。齒輪軸物料的基本信息(如物的業(yè)務組件進行組裝,并以流程來驅(qū)動工藝業(yè)務過程。料編碼、物料名稱、設計文檔和輕模型)為流程輸入量;實踐證明采用這種方式實現(xiàn)的多工藝設計平臺能很好工作流引擎解釋并執(zhí)行業(yè)務流程。流程執(zhí)行過程中,不地滿足系統(tǒng)一致性靈活性可重用性等要求。同的工藝業(yè)務以任務的形式下發(fā)到用戶,用戶在執(zhí)行具參考文獻[]IDC.中國企業(yè)SOA應用現(xiàn)狀網(wǎng)絡世界[200707-09[2」宋庭新,黃必清邵貝恩.集團型企業(yè)業(yè)務集成服務平臺的研究與應用.計算機集成制造系統(tǒng),2008,14(4):696-703[3]高磊,喬立紅.基于過程規(guī)范語言的復雜工藝過程模型建立方法航空學報,2008(4):1068-10724]張毅柱.制造過程中的信息建模與集成方法研究D]北京中國煤化工集成架構(gòu)研究間廣州:CNMHG圖7流程驅(qū)動的工藝設計[]chappellD.IntroducingSca.[2007-07].www.Fig 7 Process planning driven by workflowdavidchappell.com/articles/introducing_scai(責編良展)2009年第17期·航空制造技術(shù)99