服务化多工艺设计研究

RESEARCH学术论文服务化多工艺设计研究Research on Service-Oriented Multiple Process Planning北京航空航天大学工业与制造系统工程系程亮乔立红张毅柱[摘要]提出了服务化的多工艺设计方法。建立面向服务架构技术( Service- Oriented Architecture,了基于过程规范语言的完整多工艺信息模型,提供统一SOA)将企业现有的应用和资源转变为可共享的标准服的工艺数据访问服务和工艺业务服务调用。最后,给出务,提高了企业基础结构的灵活性和可重用性,而服务了服务化多工艺设计平台体系结构,采用开源的面向服技术也逐渐成为企业信息化建设的一个重要方向。目务架构技术进行了系统实现。前,服务技术与具体领域结合的研究还比较少,尤其缺关键词:多工艺路线工艺设计过程规范语言乏在多工艺设计领域的结合研究。本研究首先分析了面向服务架构技术制造企业中工艺数据管理现状及对多工艺的需求,制定lABSTRACTI Proposed a service-oriented multiple了服务化的多工艺信息模型,重点阐述了多工艺路线表process planning method. Based on the method, a complete达、统一工艺数据访问服务、多工艺设计服务平台等方multiple process planning information model is built with面。最后,通过实例验证了作者开发的服务化的多工艺process specification language to provide consistent pr设计原型系统cess data access service and service consuming. Finally,1服务化的多工艺信息模型based on the proposed software architecture, a service oriented multiple process planning platform is implemented1.模型范围与建模方法by using service-oriented architecture open source产品、工艺过程、工厂、资源是工艺设计业务过程中Keywords: Multiple process routing Process plan的4个重要组成要素,分别用于定义制造什么、怎么制ning Process specification language SOA造、在哪里制造以及用什么制造。其中,工艺过程信息是核心,是工艺数据的组织及维护者。工艺信息模型主工艺设计作为企业产品开发过程中重要的一环,是要由上述4方面组成,各方面内容如表1所示。企业制造信息的中枢。一方面,工艺设计者接收到零部由于工艺信息涉及的范围广、关系复杂,为了准确件设计信息后,根据生产纲领、企业资源、工艺规范及产无歧义地描述工艺信息,将采用本体的思想进行建模。品详细特征等信息,制定零件制造工艺的方案路线及完本体是关于可共享概念化的一组协议集,是对领域对整的工艺规程;另一方面,工艺设计结果作为任务指令指导车间作业调度与生产加工。在进行车间作业调度表1工艺信息模型内容时,要达到优化生产和作业控制、提高调度系统柔性的目的,刚性的工艺规程已无法满足生产调度的需求;另工艺信息内容及范围外,在企业实施与应用各信息化系统的过程中,工艺信包括对过程本身、过程活动(子工艺、子业务流息以分散管理、多点集成的方式在各应用系统间被管艺过程|程、工序、工步活动间的关系以及与活动相关对象理,工艺数据在异构系统间以不同的数据结构、存储及间的关系的描述调用方式同时存在。由于企业工艺业务本质上一致性、包括产品BOM及BOM的多视图描述、零组件引整体化的要求,异质的工艺数据需要在各异构系统间进用与实例信息零组件设计与生产制造信息計辞太组如续卦动态的工作组、人员、角行数据传递共享与互操作。因此,传统的计算机辅助中国煤化工与角色间的关系的描述工艺规划(CAPP)系统在系统开放性、扩展性、集成性等CNMHG息。主要是对资源的分方面均无法满足企业日益复杂的应用环境和多变的业资源类信息基本管理信息、资源能力信息使用状态信务规则需求。息的描述2009年第17期·航空制造技术95学术论文RESEARCH象、属性、关系以及行为等各种概念信息的规范表达,能要1个或多个输入物料对象,可合并或拆分成中间物料够在多个领域间以通用的术语进行信息表达,以便实对象。为完整表达多工艺对象需从过程及过程内部2现不同领域之间的概念转换以及系统之间的互操作与个层面开展,包括过程层面的工艺关联关系描述和过程集成国。同时,过程规范语言( Process Specification Lan-内部的工艺过程对象信息、工序物料关系以及工序与资guage,PSL是基于本体的过程描述语言,其目的是通过源关系描述。套无歧义的过程描述词汇来实现对过程信息的统一(1)工艺过程对象:指工艺过程涉及到的工序活动描述,具有强大的过程描述能力,是复杂工艺过程信息输入输出物料、制造资源以及组织4类对象,是工艺过描述的理想语言。本研究中工艺信息建模将采用本体程的主要参与者。表达→本体建模→逻辑建模→物理建模的方法和过程,(2)工艺关联关系:指工艺过程中工序活动间的关如图1所示。系,包括工序间“顺序”关系、“与”关系及“或”关系。“顺本体表达本体建模逻辑建模物理建模序”关系表示工序活动依次顺序执行;“与”关系表示工序活动间的加工顺序无关;“或”关系表示由于加工方法活动可选而形成的多个工序活动间的可替换关系对象(3)工序物料关系:指工序活动中输入输出物料的对8⊕D应关系,包括合并输入输出物料、分解输入输出物料、同图1工艺信息建模方法和过程步输入输出物料关系。Fig 1 Method and procedure of process(4)工序资源关系:指工序活动与资源使用关系,包information modeling括资源使用关系以及资源替换关系。本研究采用PSL描述复杂的多工艺过程信息。PSL(1)本体表达:为准确描述工艺信息,对界定范围内从过程信息中抽象出4类主要的核心实体:活动、活动的工艺信息进行本体识别和定义,参考相关手册,定义发生、对象和时间点结合工艺过程4类基本对象将工工艺过程、产品、工厂以及资源4方面的语义群本体艺过程中的工序活动映射为PSL中的活动,将物料、资(2)本体建模:采用PSL丰富的过程语义集对工艺源、组织映射为PL中定义的对象,并严格按照知识交过程中已定义的复杂本体信息进行建模,使定义的语义换格式( Knowledge Interchange Format,KF)语法对PSL群本体尤其是工艺过程语义本体能够利用PSL完整地扩展中已定义的过程关系本体进行定义。为完整表达表达,采用统一的过程描述方法对整个工艺过程信息进复杂的多工艺过程,对本体进行了进一步扩展(见表2)。行建模。作者的前期工作已给出表2中各本体的具体定义及适(3)逻辑建模:识别出PSL工艺过程模型中各个对用性证明。象以及对象间的关系,采用面向对象的思想,丰富并完采用PSL对多工艺过程建模后,进行过程抽象以善实体属性信息和实体间关系,将PSL过程模型转换成及过程本体与对象实体的识别与映射,将工序活动关系实体关系模型。本体中的“ex-xor-r-splt”映射为“AND(4)物理建模:在逻辑工艺信息模型的基础上进行必和“OR”工序活动实体,分别表示多个工序活动、活动要的抽象,并定义实体属性数据类型与范围,形成可以链间的加工顺序可调和加工活动可选,“AND”"和“OR”与各种关系数据库映射的物理模型可以相互以及自嵌套;而将“ material comb”、“ material12多工艺路线表达spli'、“ material_sync”3个工序与物料的关系本体抽象零件工艺路线设计就是在一定的约束条件和有限成工序活动的输入输出物料关系表,记录工序活动的每制造资源下,为获得需要的生产目标而确定出有序工艺个输入物料与该物料对应的输出物料间的对应关系。活动集合的过程。这一过程中由于存在单特征多加工经过上述抽象与映射后,模型可以描述复杂的多工艺过方法可选、单加工方法多资源可获得以及多特征、多工程信息和过程内部信息。采用上述描述方法描述的多序活动加工顺序可调等多种工艺设计可能性使得满足工艺中国煤化工咽2所示。生产目标要求的零件工艺路线通常是一个单向、多分支CNMH动链、工序4或工序的有序活动网络,即多工艺路线,而不是线性顺序活动5以及工序6之间无特定执行顺序,其中工序2、3顺序集合。同时,工艺活动作为一项有意义的加工活动,需执行,而工序4和5表示这两个工序活动都能完成相同96航空制造技术·2009年第17期学术论文表2多工艺过程关系扩展本体加工需求,只需从中选择一项即可。每个工序活动可以与1个输入输出关系表关联,用以表达工序与物料的关系。图2中R1表示1个输入物料A分解成2个输出物工序1定义两个工序活动之间的顺料B和1个输出物料C,一般表示拆分工序的物料关系;cslo序2|关联,工序2的发生必然晚于R2表示各1个输入物料D和E,装配成1个输出物料F,工序1一般表示装配工序的物料关系;R3表示输入物料G和ex-and-sphi工序0工序工序1,…,工序n均为工序0H同步组合加工,加工完成后,没有生成新的物料,输入1,…,工序n的子活动它们之间没有顺序上的约束,即活动间是顺序无关的物料G、H分别对应加工后的输出物料G、Hht工序o,序工序1,…,工序n都是工序013统一工艺数据访问服务的子活动,在执行过程中只执行服务数据对象 (Service Data Objects,SDO)是SOA1,…,工序其中1个子活动中数据应用程序的开发规范,它定义了统一的方法来访物料与工序是合成输入与合问和操作异构数据源的数据。SDO的核心是数据对象mcca工序,物料成输出的关系,即物料1是物料和数据图。数据对象是业务对象的一般表达,利用属性1,…物料n2,…物料n合成后的输出物料保存数据既是简单的基本类型,也是复杂的数据类型结果物料与工序是分解输入与合(如C结构体、对象类、关系表等),并且不和特殊的持久工序,物料,成输出的关系,即物料1分解后化存储机制绑定吗,数据图是一组可以从数据源中分离material_split,…物料n形成的输出物料为物料2…物出来的树形结构的数据对象,是一系列相关数据对象的集合,且维护整个数据的更改概要。所有的数据图都有物料与工序是同步输入与合个单根数据对象,用户可以纵览整个数据图以访问数工序物料成输出的关系即物料1,…物material据对象,获取和设置数据对象域以及数据的更改概要1,…,物料n料n既是输入物料也是输出物通过SDO可以用统一的抽象模型来创建、检索、更新和删除业务数据,对于不同来源的数据,数据使用者输入物料编号输人物料数量输出物料编号输出物料数量序2(序, AB2输入物料编号输入物料数量输出物料编号输出物料数量1]-<-<0)工序4R2工序5输入物料编号输入物料数量输出物料编号输出物料数量工序6G图2多工艺路线和物料输入输出关系表Fig 2 Multiple process routing and relationship table of material input and output始终面对的是统一格式和操作方式的SDO,而不是特定用关系数据库数据访问服务( Relationship Data Base Data数据源的数据形式。本研究在建立工艺物理数据模型 Access service, RDB DAS)对数据的访问方式进行封装后,将模型映射到具体的数据库,以SDO的形式对数据根据工艺业务需求,提供不同粒度的数据访问服务,包进行封装,而数据表以及表之间的关系构成SDO的数据括属性级、对象级和视图级的访问服务。属性级和对象对象和数据图。图3为工艺服务数据对象的数据图,其级访问服务提供对对象以及对象属性的操作,而视图级中,数据项是图的根数据对象,记录其他数据对象的公服中国煤化工品结构的创建更新共信息(如版本、权限、创建者等)。通过根对象可以导和册CNMHG访间服务的输入与输航到其余的数据对象如工序、工艺、工步和物料等。出惦图,用尸吲以使用SDO提供的统在以SDO方式对数据格式进行封装的基础上,采AP对数据进行操作。数据访问服务在提供业务数据处2009年第17期·航空制造技术97学术论文RESEARCH数据图更改概要发相应的业务组件,并对新开发和已有的组件进行封装和编排,形成工艺服务群,并提供安全、可靠性消息和事务管理等服务。流程层引人流程引擎,通过流程驱动工数据项艺业务执行,直接使用组件及服务装配层暴露的服务接口,其间的通信单元仍然是SDO。通过流程层以及服务装配层,辅以图形用户界面,可以直接形成上层应用,如物料)(工序)(工艺)(…资源管理和工艺过程设计、产品结构与配置管理等。采用该体系结构的多工艺设计平台各层之间的关系是松耦合关系,层与层之间通过定义良好的服务接口工序通信,且通信单元为符合标准的SDO,可以采用统一的图3工艺服务数据对象数据图数据操作方式对数据进行处理。数据源层和数据服务Fig 3 Data graph of process service data object层可解决多工艺信息表达、存储以及一致性访问的问题,是系统的基础。组件及服务装配层将组件提升,装配成与具体实现无关的、可互操作的服务,可实现业务理的同时,还提供对数据源的管理服务,如数据库的连灵活配置。组件及服务装配层与流程层一起,成为构建接、事务管理等。对数据源尤其是关系数据源的管理服流程型企业的关键。务,一些数据访问服务产品已经成熟地实现,因此,只需关注业务需求即可。图4为工艺数据访问服务示意图源工管理程设构管理L配置业务层工艺数据访问服务对外提供服务接口,其数据访问客户端和工艺数据访问服务间以规范的SDO单元通信。流程◎流程层数据图数据对象6工艺数据访(读/工艺来宁屮组件及服务装数据访问问服务(属服务群配层客户端性级、对象新数据库Do ' SDO级、视图级)工艺数据访问服务数据数据图(属性/对象/视图服务层RDB DAS RDB DAS CRDB D图4统一工艺数据访问Fig 4 Unified process data access数据资源J源层2服务化的多工艺设计平台图5服务化多工艺设计平台体系结构Fig 5 Architecture of service-oriented multiple21平台体系结构采用的面向服务架构技术的多工艺设计平台体系process planning platform结构如图5所示,包括数据源层数据访问服务层、组件及服务装配层、流程层以及业务层。整个体系采用面向22服务组件构建与装配服务的思想,以工艺业务为核心,各层之间的通信通过服务组件架构( Service Component Architecture,SCA)与业务相关的服务接口实现。建立的工艺信息模型构是SOA中面向服务的组件规范,其基础思想是将业务功成了系统的数据源层,针对工艺数据访问业务需求,通能封装成一系列服务,并将这些服务很好地组装起来。过 RDB DAS形成面向数据访问的不同粒度的工艺数服行V凵中国煤化工连接调用可以使用各据访问服务,可对外提供一致的数据访问接口以及规范种CNMHG务接口与服务绑定完的SDO数据,屏蔽底层数据源访问的技术细节,形成数全分离,即服务是业务的服务,而绑定则是服务的外在据服务层。组件及服务装配层面向多工艺设计业务,开表现和通信协议,与服务本身的逻辑没有交叉。在SCA98航空制遣技术·2009年第17期RESEARCH学术论文服务装配规范中,组件是最基本的组成元素;组合构件体工艺业务时,通过图形界面调用平台提供的服务(如由1个或多个具有内在业务联系的组件构成;域描述一建立工序时,系统提供的服务有:工序创建、删除、更新个完整的运行时配置服务,创建、删除、更新工步服务,物料查询服务,工序物根据业务需求,将工艺业务按工艺信息模型划分料关联服务,工时计算服务,工艺加工知识服务,设备分成4个领域,对应于ScCA中的“域”概念。在各自领域类查询服务,设备能力查询服务,设备状态查询服务,工开发相应的业务组件,采用SCA的组件装配规范,对组装查询服务)。流程也可以自动调用系统服务,如在工件进行装配连接并形成服务绑定具体的通信协议,对艺规程建立完成后,流程会自动调用多工艺路线验证服外暴露服务接口。图6为一个基于SCA的服务装配图。务,验证多工艺路线是否符合逻辑约束。齿轮轴的多工工艺过程服务域中的工序组件通过引用,由同域中的工艺路线、工序物料配置以及工艺验证如图8所示。步组件集合以及资源服务域中的设备组件和工装组件集合装配而成,通过提升组合构件中的工序组件,与特定访问协议绑定后便成为对外可访问的服务。工艺过程服务域资源服务域服t组合构件组合组件工序组件斗工步组件≯工装组件图6基于SCA的工艺服务装配Fig 6 Assembly of process services based or图8齿轮轴多工艺路线、工序物料配置及工艺验证service component architecture(SCA)Fig 8 Gear shaft multiple process routing, operationmaterial configuration and process validation23系统实现与实例验证系统采用开源SOA产品 Tuscany的 SDO Java、RDB3结束语DAS以及 SCA Assembly Model模块实现统一数据访问服务以及工艺服务组件的装配,采用jBPM工作流引擎本研究提出的工艺信息建模方法以及基于FSL的实现对工艺流程的控制。开发的服务化多工艺设计系多工艺表示方法能够很好地表达复杂的工艺信息。本统具有很好的灵活性与开放性。研究釆用SDO规范,提供一致的工艺数据访问服务,通以齿轮轴多工艺设计业务为例,首先定义工艺设计过SCA对产品、工艺过程资源以及工厂组织4个领域业务流程,如图7所示。齿轮轴物料的基本信息(如物的业务组件进行组装,并以流程来驱动工艺业务过程。料编码、物料名称、设计文档和轻模型)为流程输入量;实践证明采用这种方式实现的多工艺设计平台能很好工作流引擎解释并执行业务流程。流程执行过程中,不地满足系统一致性灵活性可重用性等要求。同的工艺业务以任务的形式下发到用户,用户在执行具参考文献[]IDC.中国企业SOA应用现状网络世界[200707-09[2」宋庭新,黄必清邵贝恩.集团型企业业务集成服务平台的研究与应用.计算机集成制造系统,2008,14(4):696-703[3]高磊,乔立红.基于过程规范语言的复杂工艺过程模型建立方法航空学报,2008(4):1068-10724]张毅柱.制造过程中的信息建模与集成方法研究D]北京中国煤化工集成架构研究间广州:CNMHG图7流程驱动的工艺设计[]chappellD.IntroducingSca.[2007-07].www.Fig 7 Process planning driven by workflowdavidchappell.com/articles/introducing_scai(责编良展)2009年第17期·航空制造技术99