网络环境下的制造资源建模及信息集成技术研究

摘  要：针对分散的网络化制造资源，研究了基于物理制造单元的网络化制造资源建模问题和基于XML的制造资源信息集成方法。建立了包括物理制造单元层、工作中心层和物理设备层的制造资源组织模型，以及包括基本信息、制造能力、物理构成、状态信息、工装信息的物理制造单元信息模型；提出基于XML的异地制造资源信息集成框架，定义了制造资源信息的XML Schema描述规范，实现对异地PMU制造资源的描述。

关键词：物理制造单元；制造资源集成；XML

中图分类号：V260.5      文献标识码：A

0  引言

随着计算机技术、网络技术、信息技术与人工智能、分布式计算环境为代表的高新技术与制造技术的不断融合[1-2]，现代先进制造模式呈现出网络化、信息化、集成化、智能化、柔性化和敏捷化的发展趋势，其中以网络化制造、协同制造、敏捷制造[3-5]为主，代表未来数字化制造技术的发展方向。在网络化制造模式下，制造企业通过网络连接起来，形成一个全球化资源共享的生产系统，企业已不能再局限于自身内部的资源，而必须考虑与外部资源的集成，提高制造企业间的信息交流与资源合作。因此研究网络化制造资源模型及其信息集成，实现资源共享和优势互补，利用网络优势促使形成企业联盟[6,7]，成为制造企业发展的必然趋势。

法国梅斯大学的G.Berio和F.B.Vernadat[8]进行了基于CIMOSA的企业资源建模研究，利用角色的概念对资源建模，定义资源在制造过程中充当的角色，利用状态图表对资源的状态进行描述。加拿大卡尔加里大学的D.Xue等研究了基于多代理技术的制造资源建模[9,10]。国内清华大学国家CIMS工程技术研究中心的张玉云等[11-13]参照STEP产品信息建模的思想，研究了面向对象的制造资源建模，对制造资源进行物理、过程、功能、状态4个方面的描述，对资源的组织从工厂、车间、单元、工作站和设备5个层次进行描述。同济大学的戴毅茹 [14,15]等也采用面向对象的思想对企业资源进行建模，借鉴对象的封装和继承性将资源的属性和操作封装在对象内部，研究支持全生命周期的资源建模。东南大学的倪中华等[16]应用XML技术建立网络化制造模式下面向工艺设计的制造资源模型，解决了不同企业之间存在着大量异构资源信息的交互和共享的问题。西北工业大学的吉锋[17]等人提出了协同制造单元的概念，认为制造单元主要为外界提供制造服务，从概括信息、制造能力信息、物理构成信息、状态信息、制造服务评价信息等方面建立了制造单元的制造服务信息模型。

分析上述国内外已有研究，可以发现目前的网络化制造资源模型研究存在以下问题或不足：

1）建立网络化、模块化、多粒度、多层次的制造资源信息模型，必须围绕跨地域、多利润中心的产品全生命周期展开；而已有资源信息模型难以满足网络化环境下对异地资源的信息需求。

2）已有资源信息模型大多对离散的个造资源进行描述，信息复杂且繁多，描述层次偏于底层，而且对由多种资源抽象构成的制造单元制造能力进行描述的研究还很少。

针对以上不足，本文在充分调研国内外制造企业制造资源情况的前提下，开展面向网络环境的制造资源建模及其信息集成技术研究。

1  基于物理制造单元的网络化制造资源建模

1.1  网络化制造资源模型需求分析

1）制造资源特点分析

　　企业制造资源是完成生产任务的最重要的物质基础。作者通过对西航公司、西飞公司等公司调研，总结了传统制造模式下的资源特点：企业都有自己核心制造资源和能力；一般地理上比较分散，企业间的制造资源难以相互利用，形成资源孤岛；企业有大有小，传统大中型企业对制造资源的组织通过车间、制造单元进行组织，小型企业对制造资源的组织仅通过制造单元进行组织；各企业采用的数据库系统或资源管理平台不同，资源信息模型异构；实际生产中各应用环节（如设计、工艺、制造仿真、生产调度等）与资源密切相关，但各环节有其自己的资源信息管理，无法保持资源数据的一致性。

2）网络化制造资源模型需求分析

针对网络化制造资源，对其模型提出了更高要求：

层次性：网络化制造资源应该不是局限于狭义的制造资源，而是要拓展到广义制造资源，需要对企业制造资源建立多层次的信息模型。

关联性：不同层次的制造资源，信息模型应该是有联系的，应该通过对底层制造资源信息经过提取、推理、归纳、抽象出共性的特点，从而构成上层次制造资源的信息模型。

完备性：模型必须突出的、清晰和全面的体现企业核心制造资源的制造能力信息，使参与网络化异地协同制造的企业对相互的制造能力和水平有一个全面认识。

一致性：制造资源信息模型应该支持其它应用系统（如CAD、CAM、CAPP、MES、ERP等）对制造资源信息模型的需求。

可理解性：资源信息模型的描述使制造企业资源能够方便、快速的被理解、认识，便于协作制造资源的选取，开展协同制造。

1.2  基于物理制造单元的网络化制造资源组织模型

在产品生产过程中，对于制造资源以什么方式进行组织是非常重要的。

1）传统制造资源组织模式

传统的企业制造资源的组织模式由企业、工厂、车间、单元、工作站、设备等不同层次组成。每个层次均可以看作一个组织单元，只是粒度的大小不同，但不同层次组织单元之间有一定的依附、关联关系，如企业由工厂组成、工厂由车间组成，车间由若干个单元组成。从结构上讲，企业、工厂、车间层次的组织单元具有极大的相似性，因为其都是具有对外进行交互的制造实体，而作为参与制造过程主体的制造单元层和制造设备层，由于不能够作为实体对外进行交互，因此制造单元、制造设备层次的和企业、工厂、车间层次的组织单元，在功能和结构上具有很大的相异性。

传统的制造企业资源组织模式呈递阶型，一般情况下是固定不变的，是刚性的，主要表现为作为制造主体的制造单元需对上级车间、工厂、企业层层负责，不能第一时间对外界的变化做出响应，在外界环境变化时显现出明显的不适应，柔性差、市场响应速度慢，而且容易出现责任不清，使制造单元实体缺乏应有的积极性和主动性。传统的制造资源组织模式已很难适应新的异地协同制造模式，需进行变革，使企业中参与制造的主体——制造单元能够快速的适应市场的变化，发挥制造单元的积极性和主动性，从而提高企业的竞争力。

2）基于物理制造单元的资源组织模式

近年来，国内外学者提出了柔性制造单元、智能制造单元和敏捷制造单元等概念[18-20]，各种制造单元的需求、目标和特征都各不相同。在网络化制造模式中，由于制造单元受制于其上层的决策，很难适应协同制造的敏捷性，基于此作者提出了物理制造单元的概念，定义其具有直接对外协作的能力，从而将制造单元从繁杂的行政环节中出来，是一种具有相对加工功能的制造实体。

【定义 物理制造单元（Physical Manufacturing Unit, PMU）】 是由同处一地的加工设备、工装、计算机硬件等物理设备组成，是满足某种加工工艺的设备和工装附件的集合，是面向小、中或者大型制造企业生产车间的制造实体，具有自主的对外协作能力。

面向复杂零件的网络化制造，作者提出以PMU对全球化制造资源进行组织，并且作为网络化制造系统的基本资源组织实体，在协同制造过程中的信息交互、流程控制以及资源优化等都以PMU为基本组织单元进行。PMU的组织框架如图1所示。每个PMU均可看作是一个人员、技术和设备综合集成的实体，它包括机床、相关人员、技术、刀具、夹具、辅具、应用软件等。

从PMU的组织框架可以看出，PMU具有三层组织结构：PMU层、工作中心层（简称Cell层）和物理设备层。其中，PMU组织加工设备，是具有对外协作能力的制造实体；PMU以Cell为基本组织单元对基本制造实体进行分类、组织管理，是对能够实现同一工种的物理设备的组织管理；PMU一般由多个Cell组成；Cell是具有一定功能，同时拥有一定职责与权限的制造实体，不具备自主的对外协作能力；Cell由能够实现同一工种的物理设备组成；物理设备是PMU中最基本的制造实体，如机床、加工中心、工装等制造资源，是工作中心中的主要、关键、核心的物理资源。

PMU的制造资源在没有任务的情况下，处于静止离散状态，各Cell之间、基本制造实体之间彼此没有相互联系，PMU各层组织呈阶梯状，此时的组织结构是静态的；在制造任务的触发下，面向具体零件的制造过程，处于静止状态的基本制造实体迅速聚集成为一个有机的整体——从无序的工作中心制造实体变为有序的工作中心制造实体，从无序的基本制造实体变为有序的基本制造实体。

图1  PMU的组织模型

1.3  基于PMU的网络化制造资源信息模型

制造资源信息模型是对制造资源进行结构化定义和分类组织，通过定义制造资源之间的逻辑结构关系，描述制造资源的具体属性信息，是对制造资源的抽象和简化。在制造资源信息模型的基础上实现对生产过程中制造资源的管理、调度、控制、优化，可以大大提高企业资源管理和使用效率。

作者认为基于PMU的网络化制造资源信息建模应该从基本信息、制造能力信息、物理构成、状态信息、工装信息等几方面来考虑其信息建模，这些信息是实现网络化制造资源信息共享、机器理解、资源优化配置的基础。其信息模型框架如图2所示。

　             图2  PMU信息模型框架  　　　          图3  PMU基本信息

1）PMU的基本信息：反映PMU的基本情况，通过获悉PMU概括信息，便于工艺决策人员从总体上把握PMU的综合情况，如图3所示。

2）PMU的制造能力信息：反映PMU的加工能力，是单元对制造活动的一种支持作用，是其赖以生存的基础。PMU的主要产品是加工能力的直观体现，为能够反应PMU潜在加工能力，需面向PMU可加工零件类别进行能力信息建模，如图4所示。

图4  PMU的制造能力信息

3) PMU的物理构成信息

PMU是三层组织结构：PMU层、Cell层、物理加工设备层。PMU由多个Cell组成，每个Cell由能够实现同一工种的设备组成。下面对Cell层和物理设备层进行信息建模。

Cell的信息模型：在实际生产中，一般包括普通/数控车、普通/数控铣、普通/数控磨等Cell。其信息模型如图5所示。其中Cell的制造能力信息要综合Cell中所有设备的制造能力进行描述。

图5  Cell的信息模型

物理设备信息模型：物理设备资源是PMU中的基本制造实体，是最底层的资源，主要包括加工中心、机床、测量仪器等设备资源，其信息模型如图6。

图6  物理设备信息模型

4) PMU的状态信息

　　PMU为三层组织结构，不同工作人员关心不同层次的工作状态，层次越高状态信息越宏观、越概括，管理人员对该层次的信息越关心；层次越低状态信息越具体、越详细，PMU内具体的工艺人员或者调度人员对该层次的信息越关心。作者对PMU的状态信息分为三个层次描述：PMU总体工作状态信息、Cell的工作状态信息、物理设备的工作状态信息。如图7所示。

图7  PMU的状态信息模型

5) PMU的工装信息

PMU的工装主要包括刀具、夹具、量具、模具和辅具等，信息模型如图8所示。作者提出对工装由PMU统一管理，主要包括工装基本信息和工装使用信息。

图8  PMU的工装信息

2  基于XML的网络化制造资源信息集成

2.1  基于XML的制造资源信息集成特点

作者提出基于XML技术以自然、直观的方式和更加符合业务发展的模式，实现网络化环境中不同PMU的制造资源数据信息描述和信息集成，形成网络化制造资源中心。它是全球范围内不同PMU制造资源信息的集合，是进行网络化制造的基础制造资源信息库，各有志于加盟该中心的PMU，需经过一定的身份验证等相关手续审批、核准。

2.2  基于XML的制造资源信息集成框架

1）基于XML的制造资源信息集成框架

基于XML的网络化制造资源信息集成框架模型如图9所示。一般情况下，PMU的制造资源由ERP、CAPP、MES或者专用的资源管理系统进行单元内部的资源管理，PMU可通过已经定义的XML Schema规则描述其资源。集成实现机制如下：①通过对PMU资源数据库的操作，提取所需的资源信息，并建立本PMU相应的资源信息视图；②利用XML转换器实现关系数据库向XML文档的映射，在映射过程中，必须遵循资源信息XML Schema及规定的映射规则，并进行一定的有效性检验；③将生成的XML制造资源信息文档，提交给网络化制造资源中心的XML文档管理器；④资源中心的XML解析器将XML文档进行解析，通过XML Schema验证XML文档的规范性，并进行映射规则和有效性检验；⑤资源中心通过一定的结构映射规则，将XML文档映射到中心的数据库服务器；⑥许多不同的PMU经过上述过程，提交其制造资源信息，并经过相关机构的批准、核对等操作，即可加入资源中心。

图9  基于XML的网络化制造资源信息集成框架

2）XML转换和解析的实现方案

在集成框架模型中，有两个重要的过程，即关系数据库表或者视图（RDB）向XML文档的转换和XML文档向关系数据库（RDB）的转换。PMU在进行RDB向XML文档转换时，不是盲目转换，而是依据所建立的制造资源信息规范XML Schema进行，这避免了不同PMU提交不一致的数据结构。首先，进行PMU本地RDB和XML Schema结构映射，得到所需要的数据视图及关系模式；其次，依据XML Schema实现RDB-XML转换，生成相应XML文档；最后，对XML文档通过Schema检验。转换过程如图10所示。

进行XML文档向RDB的转换时，资源中心的后台数据库关系模型和所建立的制造资源信息规范XML Schema的结构模型是一致的，这在进行XML Schema设计时就已经确定了。资源中心在得到PMU提交的XML文档后，根据XML Schema对XML文档进行有效性检验；然后，对合格的XML文档，实现XML向资源中心的RDB的转换，将XML数据写入资源中心的后台数据库。转换过程如图11所示。

图10  RDB向XML文档的转换

图11  XML文档向RDB的转换

2.3  制造资源信息的XML Schema规范定义

XML被用作数据的存储和表达时，必须考虑XML文档的文法和样式，即XML Schema。国内外许多学者对XML的文法和样式进行了大量研究，但是国内利用其进行异地网络化制造资源信息表达的研究文献还很少，还没形成相应的规范。网络化制造资源信息的XML Schema是用来定义资源描述文档结构规范的，它定义了XML文档结构中的约束，规定了元素清单、属性、标记、文档中的实体及相互关系。XML Schema为文档结构制定了一套规则，每个PMU资源实体信息模型的XML描述都必须符合XML Schema定义的数据类型和结构关系。不同PMU通过对制造资源XML Schema进行统一的界定和认定，以实现不同PMU资源信息的共享和集成。

作者对本文所建立的网络化制造资源信息模型，定义了基于XML的PMU资源信息的Schema规范。针对图3 PMU的基本信息模型和图4所示的PMU制造能力信息模型，其XML Schema的描述如表1所示。

表1  PMU制造能力信息描述规范

3  应用情况

基于上述制造资源模型及其信息集成方法，作者及其课题组构建了网络化可重构制造资源优化配置平台，并应用于863课题“基于制造资源优化配置的制造过程管理系统”中。平台主界面如图12所示。图13为网络化可重构制造资源优化配置平台的PMU信息管理，图14为PMU的制造能力信息管理界面。

图12　系统主界面

４  结束语

实现基于网络的制造资源资源共享和集成，是实现企业群体协作与交互的前提，是网络化制造过程良好运行的基础。本文的研究为网络化制造、敏捷制造的有效开展提供了一种可行的基于物理制造单元的组织模型和信息模型，以及基于ＸＭＬ的网络化制造资源信息集成方案，定义的制造资源信息ＸＭＬ规范，可供制造行业借鉴。

参考文献:

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