吳晶晶，孔慶華，徐克林

（同濟大學 機械工程學院，上海201804）

目前網絡化協(xié)同制造方式的研究大多是建立面向網絡化制造的資源模型及其應用平臺[1－2]，通過網絡發(fā)布和尋找制造所需的資源.但除了制造資源，在選擇協(xié)作伙伴時，還應考慮其完成任務時間、完成質量等綜合制造能力.以上多方因素的全面組合表達是有待研究的問題.

制造資源及制造能力的信息化建模是實現網絡協(xié)同的集成、共享的基礎，制造服務是有效的實現途徑 之 一[3].面 向 服 務 架 構（service－oriented architecture，SOA）及Web服務的一系列技術標準提供了一個與實現平臺、實現語言無關的松耦合集成支撐環(huán)境[4－5]，可實現服務的描述、服務發(fā)布和訪問.Web服務是實現制造資源及制造能力封裝和共享的重要使能技術.文獻[6]利用 Web服務技術對制造資源進行封裝，研究了制造資源的共享和集成等關鍵技術.文獻[7]提出了基于制造資源封裝的工作中心服務化技術、基于知識集成的制造執(zhí)行鏈構建方法.上述研究面對的共同問題是：在制造資源的表達中如何融入制造服務的功能屬性、服務質量屬性；如何完整全面地表達制造服務；如何解決由于Web service在功能和語義方面的表達不足所導致的制造服務的匹配與合成中服務的查全率、查準率低的問題.

制造服務的建模是制造服務發(fā)布、匹配和選擇以及基于制造服務的協(xié)同制造優(yōu)化運行的基礎.本文結合面向服務架構和Web服務思想將綜合制造能力以制造服務的形式提供，具體從制造服務的基本信息、服務類別、功能、資源構成、關聯制造任務、訪問、狀態(tài)和服務質量對制造服務進行了形式化定義，并采用擴展的 Web服務本體描述語言（Web ontology language for service，OWL－S）對制造服務模型進行了描述實現.在此基礎上，建立了基于語義面向服務的協(xié)同制造平臺框架.

1 制造服務的形式化定義

在Web服務環(huán)境下協(xié)同制造，企業(yè)將自身提供的制造資源和制造能力以制造服務的方式展現，與協(xié)作伙伴圍繞特定的市場需求建立動態(tài)聯盟，并通過標準的協(xié)議和技術進行業(yè)務過程的協(xié)同.制造服務（manufacturing service，MS）是在面向服務架構的協(xié)同制造環(huán)境中利用網絡和IT技術將制造資源、制造過程涉及的操作和制造能力進行封裝并提供接口以供調用，是具有一定粒度的制造功能實體.

協(xié)同制造過程中的系統(tǒng)集成情況復雜，主要表現在：集成內容的多樣性，既包含簡單的數據和信息集成，也包含企業(yè)內部及企業(yè)之間的應用集成和過程集成；集成對象的多樣性，既包含企業(yè)內部異構的應用系統(tǒng)、制造過程相關的設備資源，也包含協(xié)作企業(yè)的應用系統(tǒng)以及企業(yè)之間的公共支撐平臺.

為了更好地實現對上述制造資源的組織，支持制造任務的協(xié)調運行，需要采用制造服務這種規(guī)范化的方式對制造資源進行封裝，即以制造服務的方式對制造資源進行建模和設置，屏蔽制造資源的構成細節(jié)，并通過標準的接口描述制造資源所能提供的能力.下面給出制造服務MS的形式化定義.

定義1 制造服務 MS：：＝（BasicInformation，Catagory，Function，Resoure，Manufacturing Task，Access，Status，QoS，Other Attribute）。其 中：Information為制造服務的基本信息；Category為制造服務的類別；Function為制造服務的功能；Resource為制造服務的資源；Manufacturing Task為制造服務須完成的制造任務；Access為制造服務的訪問；Status為制造服務業(yè)務狀態(tài)；QoS為制造服務的服務質量；Other Attribute為其他擴展參數.從服務化的制造資源的形式化定義中可以看出，制造服務MS由多元組構成，每個組成部分從不同的角度對制造服務的特性進行描述.制造服務構成如圖1所示.

圖1 制造服務構成Fig.1 Construction of manufacturing service

定義2 制造服務基本信息MS Basic Information＝（ID，Name，Description，Provider，Location，Tel，Url，Other Information）.其中：ID是制造服務的編號；Name是制造服務的名稱；Description是制造服務的簡要描述；Provider是制造服務的提供者；Location是制造服務的位置；當服務的提供者為企業(yè)時，Tel是提供服務企業(yè)的聯系方式；Url是服務的網絡地址；Other Information是其他需要說明的信息.這些服務基本屬性的描述可以支持集成過程中基于關鍵字和字符串的匹配.例如，＊型號劍桿織機制造服務可描述為（“UDDI2036－0021”，“劍桿織機生產制造服務”，“提供劍桿織機整機及零部件生產制造”，“中國紡織機械股份有限公司”，“上海楊浦區(qū)＊＊＊路”，“021－＊＊＊＊＊＊＊＊”，“http：∥www.＊＊＊＊＊＊.com”，｛｝）.

定義3 制造服務類別 MS Category＝（Data，Information，Application，Business Flow，Device Logic，Material Logic，Other Category）.其中：Data是數據類型的制造服務；Information是信息類型的制造服務；Application是應用系統(tǒng)類型制造服務；Device Logic是設備資源抽象后所能提供的制造服務；Material Logic是物料資源抽象后所能提供的制造服務.根據服務提供者的不同把制造服務分成數據、信息、功能和流程等類型.

定義4 制造服務功能 MS Function＝（FC，I，O，P，E，Other ExtendF）.上式是對制造服務能夠提供的功能進行語義描述，它由功能分類FC、輸入I、輸出O、前提條件P和預期結果E這5個子元素構成.其中，F代表制造服務的制造功能，可以是一或多個制造功能的集合，即F＝｛f1，f2，……，fn｝.FC為制造服務功能的分類，通過對不同類型制造服務能力的不同參數描述，可以使制造服務請求和制造服務匹配更具有目標性.I為制造服務功能的輸入，O為制造服務功能的輸出，P為制造服務功能執(zhí)行的前提條件，E為制造服務功能執(zhí)行的預期結果.每個制造服務功能的輸入、輸出、執(zhí)行的前提條件、執(zhí)行的預期結果都可以包含一到多個元素.制造服務功能包含的5個子元素采用本體概念表示，是制造服務請求和制造服務進行語義匹配的基礎.制造服務請求和制造服務主要通過制造功能進行匹配.因此，制造服務功能的描述影響匹配的準確性.

例如，（｛“＊型號劍桿織機設計”，“客戶需求”，“設計文檔”，“設計工具、設計人員”，“設計模型、EBOM（electric bill of material）”，（）｝……｛“＊型號劍桿織機零部件生產加工”，“原材料”，“＊型號劍桿織機零部件”，“生產加工工具、生產加工人員”，“＊型號劍桿織機零部件合格品”，（）｝，｛“＊型號劍桿織機總裝”，“＊型號劍桿織機零部件”，“＊型號劍桿織機成品”，“裝配工具、裝配人員”，“＊型號劍桿織機合格品”，（）｝）描述了＊型號劍桿織機頂級制造服務功能，包括了設計服務功能、生產加工服務功能、總成裝配等制造服務子功能.

根據文獻[8]給出的不同類型制造能力描述信息，生產加工服務功能又可按照生產加工類型進一步細分為產品型制造服務功能、零件型制造服務功能和工序型制造服務功能.結合本文應用企業(yè)的生產情況，得到產品型、零件型和工序型制造服務功能分別如圖2所示.

定義5 制造服務資源MS Resource＝（Category，Basic Information，Used Information，Using Information，Other Extend Attitude）.其中Category表示制造資源所屬類別；Basic Information是制造資源的基本屬性集，包括資源編號、資源名稱、資源功能描述、資源技術參數集等，如設備資源包括設備編號、設備名稱、型號、工作行程、工作臺尺寸等信息；Used Information描述了制造資源的歷史使用檔案；Using Information是制造資源描述了在執(zhí)行制造服務過程中實時變化的信息，包括資源狀態(tài)信息和當前任務進展信息.Basic Information和Used Information均采用制造資源本體庫的知識進行描述.制造服務的資源構成描述了制造服務所擁有的制造資源，主要有設備、工具、人員、知識等有形和無形資源.例如，＊型號劍桿織機主傳動軸的數控車削工序服務執(zhí)行中使用的數控車床的可形式化表達為（｛“40S”，“數控車床”，“根據數控程序進行車削”，“尺寸精度：5級”｝，｛“設備故障率”，“維修時間”，“維修記錄”｝，｛“設備狀態(tài)：正?！?，“任務完成率：30%”，“任務進度：正?！保?

定義6 制造服務關聯任務 MS Manufacturing Task＝（ID，Name，P Start Time，P End Time，F Start Time，F End Time，Comment，Other Extend Attitude）.每個制造服務都是為了完成某一制造任務或子任務而建立的.上式描述了制造服務所需完成的制造任務隊列，包括任務編號、任務名稱、任務執(zhí)行情況和任務評價等信息.主傳動軸的數控車削制造服務所對應的任務可形式化定義為（“任務編號：T20100102031”，“任務名稱：主傳動軸的數控車削”，“計劃開始時間：20100103”，“計劃完工時間：20100103”，“實際開始時間：20100103”，“實際完工時間：20100104”，“是否完工：是”，“評價：拖期”）.

定義7 制造服務訪問 MS Access＝（Access Protocols，Interface Format，Transfer Protocols，Service Address，Other Extend）.其 中：Access Protocols為服務訪問協(xié)議；Interface Format為服務接口描述；Transfer Protocols為服務傳輸協(xié)議；Url為服務的網址.制造服務訪問MS Access對制造服務的訪問方式進行了規(guī)定和描述.例如，＊型號劍桿織機生產制造服務訪問的形式化定義為（“SOAP”，“WSDL”，“HTTP”， “http： ∥172.16.42.100：8080／portal／index ＿default.jsp？Language＝Chinese”，｛｝）.

定義8 制造服務狀態(tài) MS Status＝（MS ID，MS Running Status，MS Execution Status，Load Status，Other Extend）.

制造服務狀態(tài)信息給出了服務運行狀態(tài)及該服務相關聯制造負荷的變化情況.式中：MS ID為制造服務的編號；MS Running Status為制造服務當前的運行狀態(tài)；MS Execution Status為制造服務的執(zhí)行情況；Load Status為制造負荷狀態(tài)，即制造服務對應的物理實體在某一時間段內的承載能力.例如，＊型號劍桿織機主傳動軸的數控車削工序服務狀態(tài)為（“UDDI 2036－0021”，“正常”，“完工率：40%”，“滿負荷”）.

定義9 制造服務質量 MS QoS＝（Quality，Time，Cost，Capability，Other Extend Attitude）.其中：MS QoS是制造服務的質量評價信息，是服務請求者在調用和執(zhí)行該服務后給出的評價，評價的結果供服務匹配時從候選服務集中選擇最優(yōu)服務作參考；Quality是所提供服務的質量；Time是制造服務對需求的響應時間；Cost是服務成本；Capability是制造服務性能.以上每個屬性都用本體進行描述.例如，主傳動軸生產制造服務的QoS可表示為（“In Time”，“Satisfy”，“5000RMB”，“Excellent”，｛｝）.

2 制造服務的擴展OWL－S描述實現

在上述制造服務的規(guī)范化定義的基礎上，需要進一步采用基于語義的語言對制造服務進行描述實現，以便計算機能識別處理制造服務同時解決制造服務的語義二義性問題.

制造服務是Web服務在制造領域的特定實現.為了增加對 Web服務的語義描述信息，將本體（ontology）引入了Web服務，對語義Web服務進行描 述.OWL－ S（Web ontology language for services）即網絡本體服務語言，由DAML－S發(fā)展而來，是用OWL語言描述的Web服務的本體規(guī)范.OWL－S通過1組規(guī)范的知識本體來描述服務，并將該本體劃分為3個組成部分：①服務簡檔（service profile）：描述服務能提供什么.它給出1組信息，以便服務查詢代理用來判斷服務是否適合它的要求.② 服務模型（process model）：描述服務如何工作.它描述了服務執(zhí)行時發(fā)生些什么及具體的邏輯執(zhí)行順序.③ 服務基點（service grounding）：描述如何訪問服務.它描述服務訪問的協(xié)議、消息格式、端口等.

鑒于OWL－S在描述語義Web服務時的無二義性特點，可采用OWL－S來描述制造服務的基本信息、類別、功能、資源構成、關聯制造任務、訪問等屬性.同時由于適用于語義Web服務的OWL－S無法描述制造服務的動態(tài)信息，采用可擴展標記語言XML（eXtensible markup language，XML）對制造服務的動態(tài)信息和制造資源的動態(tài)特性進行描述，該擴展的OWL－S可滿足制造服務的動態(tài)性、消除異構性的實現需求，具體構成模型如圖3所示.

圖3 制造服務的擴展OWL－S描述模型Fig.3 Extended OWL － S description for manufacturing service

在制造服務的擴展OWL－S描述方法中，服務簡檔描述了制造服務的基本信息、類別、功能和QoS，服務模型實現了制造服務功能和過程，服務基點支持制造服務訪問的實現，具體描述如下：

服務簡檔－基本信息代碼片段

服務簡檔－功能代碼片段

服務模型代碼片段

基點代碼片段

本文采用XML文檔對標準OWL－S進行擴展，制造服務的資源、關聯制造任務的動態(tài)信息用XML文檔來描述，再根據制造服務的資源、關聯制造任務的動態(tài)信息生成制造服務狀態(tài)信息，并形成XML文檔.三者的來源信息可從ERP，MES等制造信息系統(tǒng)獲取，并且描述中都包含了制造服務ID，從而與對應的制造服務相關聯，具體實現如下：

制造服務的資源的動態(tài)信息代碼片段

關聯制造任務動態(tài)信息代碼片段

制造服務狀態(tài)信息代碼片段

3 原型系統(tǒng)及實現

基于上述制造服務的構建方法，開發(fā)了基于語義面向服務的協(xié)同制造平臺原型系統(tǒng).平臺原型系統(tǒng)采用以“服務總線－服務”為核心的多層企業(yè)應用框架，強調了企業(yè)內部服務的開發(fā)部署與管理控制，能夠有效支持企業(yè)業(yè)務過程的快速重構.

3.1 平臺總體框架

該協(xié)同制造平臺主要由以下幾個部分構成（圖4）：應用門戶系統(tǒng)、綜合業(yè)務系統(tǒng)、協(xié)同服務平臺、支持語義的企業(yè)服務總線、應用平臺、系統(tǒng)支撐層.協(xié)同服務平臺是服務運行時平臺，它連接來自應用或客戶的服務請求和企業(yè)內、外部的服務提供，管理和控制著服務的運行，并指導系統(tǒng)協(xié)同工作.它是提供基于語義SOA功能的核心區(qū)，由制造服務提供代理、支 持 語 義 的 UDDI（universal description，discovery and integration）注冊中心、語義操作中心、服務請求代理、服務匹配選擇、服務組合、CM（collaborative manufacturing）本體庫等模塊構成.支持語義的企業(yè)服務總線是支持協(xié)同制造平臺集成的運行基礎環(huán)境，提供消息通信通道，企業(yè)內部的各類應用以及跨企業(yè)的分布式資源通過企業(yè)服務總線提供的連接器和適配器可以訪問所需求的資源和信息系統(tǒng).企業(yè)應用平臺包括了SCM（supply chain management）、 CRM（custom relationship management）、ERP（enterprise resource plan）、CAD（computer aided design）、CAPP（computer aided process plan）、PDM（product data management）、PCS（process control system）等應用系統(tǒng).公共支撐平臺包括了數據庫系統(tǒng)、ICT技術（information communication technology）基礎設施和構件庫，建立在數據庫服務器、網絡服務器之上，是協(xié)同制造平臺的技術基礎架構和運行基礎環(huán)境.

圖4 協(xié)同制造平臺體系結構Fig.4 Architecture of collaborative manufacturing platform

3.2 制造服務運作的機制和流程實現

在上述協(xié)同制造平臺中，制造服務運作的機制和流程實現如下：

（1）制造服務提供者在協(xié)同服務平臺進行服務提交，平臺的服務提供代理模塊描述其提供的制造服務，語義操作中心對制造服務進行語義標注.

（2）協(xié)同服務平臺的服務發(fā)布模塊將制造服務發(fā)布到UDDI注冊中心.

（3）制造服務請求者在協(xié)同服務平臺提交服務需求，平臺的服務請求代理和語義操作中心進行處理并生成服務請求的語義描述.

（4）協(xié)同服務平臺的服務匹配模塊對服務請求和UDDI注冊中心的在冊制造服務進行匹配，計算制造服務匹配度和語義相似度，將匹配度大于或等于設定閾值的制造服務放入候選制造服務集中.

（5）制造服務選擇模塊調用相關選擇算法并結合服務請求者的QoS需求對候選制造服務集中的服務進行選擇，獲取滿意的制造服務并組合成制造服務鏈反饋給服務請求者進行服務的綁定和調用.

3.3 應用案例

依托同濟大學現代制造技術研究所現有資源開發(fā)的系統(tǒng)已應用于中國紡織機械股份有限公司紡機裝備的協(xié)同制造生產.系統(tǒng)主要由協(xié)同服務平臺、支持語義的企業(yè)服務總線、公共支撐平臺和應用門戶系統(tǒng)構成，提供協(xié)作企業(yè)的服務請求提交、服務描述、服務發(fā)布、服務發(fā)現及服務組合等平臺功能，基于該平臺某紡機裝備主要零部件協(xié)同制造的實現如圖5和圖6所示.

4 結語

提出了適用于協(xié)同制造的語義制造服務形成方法，對制造服務進行形式化定義并用擴展OWL－S語言予以描述實現.與已有的研究工作相比，文中所提方法增強了制造服務的語義性，有助于制造服務的匹配、選擇和合成，滿足用戶的個性化綜合查詢需求.現有研究偏重于將面向服務技術應用在汽車制造等朝陽產業(yè)，與此不同，本文以紡織機械制造傳統(tǒng)產業(yè)為應用背景，針對其現狀需求提出可行性資源整合架構，構建了原型系統(tǒng)并在實際生產中進行了實施應用.基于制造服務模型的協(xié)同制造平臺可實現協(xié)同制造過程中企業(yè)內外設備、物料、信息等軟硬件資源的松散耦合和快速集成.通過紡織機械制造企業(yè)的應用實例驗證了所提方法和原型系統(tǒng)的可行性.

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