李亞杰 李昭楠

（河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

隨著智能制造研究與應(yīng)用的不斷深入，制造執(zhí)行系統(tǒng)作為連接企業(yè)計劃層與控制層的紐帶，在企業(yè)智能制造體系架構(gòu)中的作用也顯得更加重要。為了得到最好的應(yīng)用效果，制造執(zhí)行系統(tǒng)需要根據(jù)企業(yè)制造車間的個性化需求進行定制。隨著客戶個性化定制需求的不斷增加，企業(yè)的生產(chǎn)組織模式、管理流程與生產(chǎn)過程也呈現(xiàn)出多樣化、動態(tài)多變的特點，因此要求制造執(zhí)行系統(tǒng)具有更加敏捷、靈活的動態(tài)配置與重構(gòu)能力。

傳統(tǒng)的MES 系統(tǒng)大多采用單體架構(gòu)，系統(tǒng)功能之間耦合程度高，隨著企業(yè)需求的不斷變化，系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜度不斷增加，造成系統(tǒng)可擴展性差、變更周期長、成本高，在企業(yè)需求變更出現(xiàn)后難以快速對系統(tǒng)進行重構(gòu)，造成企業(yè)現(xiàn)狀與系統(tǒng)功能之間的脫節(jié)，影響系統(tǒng)的應(yīng)用效果，甚至造成系統(tǒng)實施的失敗。為了改善制造執(zhí)行系統(tǒng)的可重構(gòu)性，文獻[1]提出了面向生產(chǎn)過程云服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，采用面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)（service oriented architecture,SOA），將復(fù)雜的車間管理業(yè)務(wù)定義為松散耦合的服務(wù)組件，便于車間業(yè)務(wù)流程進行靈活、動態(tài)的配置與重構(gòu)。文獻[2]基于可重構(gòu)流程模型和組件技術(shù)建立了可重構(gòu)MES 流程模型，以提高MES 系統(tǒng)流程的可重構(gòu)能力。文獻[3]提出了一種面向MES 生命周期的模型驅(qū)動定制化方法來進行MES 系統(tǒng)的自動生成和持續(xù)改進，降低MES 實施和重構(gòu)的復(fù)雜性。文獻[4]針對具有高度自動化水平的制造系統(tǒng)提出了一種MES 定制化方法，將可變性指數(shù)作為評價生產(chǎn)系統(tǒng)有效性的參數(shù)來驅(qū)動MES 模型進行調(diào)整。文獻[5]從底層的體系結(jié)構(gòu)入手，建立了支持網(wǎng)絡(luò)化制造的數(shù)控車間可插拔制造執(zhí)行系統(tǒng)。文獻[6]提出一種制造執(zhí)行系統(tǒng)集成可重構(gòu)的框架，并分別從業(yè)務(wù)實體、業(yè)務(wù)邏輯和系統(tǒng)間集成層研究了集成可重構(gòu)實現(xiàn)方法。文獻[7]針對制造執(zhí)行系統(tǒng)擴展性問題，建立了基于工廠方法模式的可擴展MES 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。以上研究為提高MES 的可重構(gòu)性和可擴展性提供了解決思路，但仍無法從根本上避免采用單體架構(gòu)造成的系統(tǒng)復(fù)雜度高、維護成本高、交付周期長等問題[8]。

微服務(wù)架構(gòu)將大型軟件系統(tǒng)拆分為多個可獨立運行的服務(wù)，拆分后的微服務(wù)可以獨立進行開發(fā)、測試、部署、重構(gòu)，很大程度地降低了系統(tǒng)的耦合性[9]，基于微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、擴展性與復(fù)用性更好的優(yōu)點[10]，微服務(wù)架構(gòu)的這種特性使其在系統(tǒng)開發(fā)中被廣泛接受和應(yīng)用[11-13]。因此，本文開展了面向微服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)研究，建立了面向微服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)，并提出了基于用例-數(shù)據(jù)訪問關(guān)系模型的制造執(zhí)行系統(tǒng)微服務(wù)劃分方法，將用例和數(shù)據(jù)之間的訪問關(guān)系作為微服務(wù)劃分的依據(jù)，將制造執(zhí)行系統(tǒng)劃分為多個相互獨立的微服務(wù)，便于在不影響系統(tǒng)運行的條件下進行系統(tǒng)功能的重構(gòu)，以提高系統(tǒng)持續(xù)滿足車間業(yè)務(wù)需求變化的能力，進而提升系統(tǒng)的應(yīng)用效果和車間管理效率。

1 基于微服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)

基于微服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。主要包括平臺層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、接口層、應(yīng)用層和展示層。

圖1 基于微服務(wù)的MES 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）展示層：展示層是MES 與用戶進行交互的前端，主要負責(zé)接收用戶的輸入和操作指令，并將系統(tǒng)的運行結(jié)果展示給用戶。

（2）應(yīng)用層：應(yīng)用層是系統(tǒng)提供給用戶的功能，在應(yīng)用層按照用戶的業(yè)務(wù)流程將微服務(wù)封裝為MES 的各個功能，在展示層接收到用戶的輸入和操作指令后通過調(diào)用應(yīng)用層的功能實現(xiàn)對于不同業(yè)務(wù)的處理。

（3）接口層：接口層負責(zé)連接應(yīng)用層和服務(wù)層，根據(jù)應(yīng)用層中用戶選擇的不同操作通過接口調(diào)用對應(yīng)的微服務(wù)進行處理，并將處理結(jié)果返回給應(yīng)用層。

（4）服務(wù)層：服務(wù)層中封裝了系統(tǒng)中包含的微服務(wù)，用戶的業(yè)務(wù)邏輯主要反映在服務(wù)層中，負責(zé)按照用戶指令進行數(shù)據(jù)查詢與邏輯運算，并反饋處理結(jié)果，是系統(tǒng)的核心層。

（5）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層中包含系統(tǒng)運行所需的數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。

（6）平臺層：平臺層中包含系統(tǒng)運行所需的服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等軟硬件條件。

在MES 的多層架構(gòu)中，應(yīng)用層實現(xiàn)對用戶業(yè)務(wù)流程的封裝和處理，服務(wù)層負責(zé)對數(shù)據(jù)的邏輯運算，接口層負責(zé)應(yīng)用層和服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)通信，通過這種分層劃分解除業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)處理邏輯之間的耦合關(guān)系，當(dāng)業(yè)務(wù)流程或業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生變化時，只需要對應(yīng)的重構(gòu)業(yè)務(wù)層或服務(wù)層中受到影響的部分，不會對其他部分產(chǎn)生影響，降低系統(tǒng)重構(gòu)的技術(shù)復(fù)雜度，便于對系統(tǒng)進行維護。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫（圖2）和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫（圖3）兩部分。應(yīng)用層的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)由各個微服務(wù)組合而成，它們之間的組成關(guān)系存儲在業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫中，包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)屬性表和微服務(wù)表。業(yè)務(wù)系統(tǒng)屬性表中存儲各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息，包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)編號、業(yè)務(wù)系統(tǒng)名稱和業(yè)務(wù)系統(tǒng)描述等。微服務(wù)表中存儲系統(tǒng)各個微服務(wù)的信息，包括微服務(wù)編號、微服務(wù)名稱、端口號和微服務(wù)描述等，微服務(wù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的組成關(guān)系體現(xiàn)在這兩張表的主外鍵關(guān)系上。

圖2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

圖3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中存儲業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)微服務(wù)的獨立性，每個微服務(wù)在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中都對應(yīng)于一個單獨的數(shù)據(jù)庫。例如在圖3 中，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)拆分為設(shè)備與派工、計劃管理、現(xiàn)場管理等數(shù)據(jù)庫供對應(yīng)的微服務(wù)調(diào)用。

2 領(lǐng)域場景驅(qū)動的制造執(zhí)行系統(tǒng)微服務(wù)劃分技術(shù)

對于采用微服務(wù)架構(gòu)的系統(tǒng)來說，微服務(wù)的粒度劃分是否合適是最關(guān)鍵的因素之一[9]，微服務(wù)粒度決定了系統(tǒng)微服務(wù)之間相互調(diào)用和通信的復(fù)雜度。目前大多數(shù)系統(tǒng)在進行微服務(wù)劃分時依賴架構(gòu)設(shè)計者的個人經(jīng)驗[14]，受主觀因素影響較大，并且面對大型系統(tǒng)時，微服務(wù)拆分效果較低且粒度劃分合理性無法保證。

領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計倡導(dǎo)按照業(yè)務(wù)領(lǐng)域進行系統(tǒng)微服務(wù)劃分，不同的業(yè)務(wù)領(lǐng)域之間使用獨立的數(shù)據(jù)模型。制造執(zhí)行系統(tǒng)作為一種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其系統(tǒng)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)最終都是圍繞數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的。在制造執(zhí)行系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計階段，用例圖反映用戶能夠在系統(tǒng)中完成的操作，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型反映用戶執(zhí)行業(yè)務(wù)過程中涉及的各類數(shù)據(jù)，通過對用例圖和數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)進行分析，能夠得到系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯以及相互之間的數(shù)據(jù)調(diào)用關(guān)系。用例與數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對應(yīng)于系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)邏輯、功能與微服務(wù)之間的關(guān)系，對其進行分析之后能夠得到系統(tǒng)的微服務(wù)劃分結(jié)果。因此，本文建立了基于用例圖和數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的MES 系統(tǒng)微服務(wù)劃分方法，劃分流程如圖4 所示。

圖4 微服務(wù)劃分流程

步驟1：對用戶進行調(diào)研，建立系統(tǒng)用例圖和數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)。

步驟2：分析用例和數(shù)據(jù)表之間的數(shù)據(jù)調(diào)用關(guān)系，建立用例數(shù)據(jù)訪問模型。在系統(tǒng)中，當(dāng)不同的用例操作同一個數(shù)據(jù)表時，雖然操作的類型與數(shù)據(jù)屬性不同，但在最終實現(xiàn)時僅體現(xiàn)在前后端的接口程序中，對系統(tǒng)微服務(wù)的劃分沒有影響，因此本文在建立用例-數(shù)據(jù)訪問模型時僅考慮用例對數(shù)據(jù)表的調(diào)用，不考慮數(shù)據(jù)表具體屬性的調(diào)用。

步驟3：根據(jù)用例對數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)調(diào)用類型，計算用例和數(shù)據(jù)表之間、數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

步驟4：利用GN 算法生成微服務(wù)方案。

步驟5：評估微服務(wù)劃分方案對應(yīng)的MES 系統(tǒng)模塊度，輸出劃分方案。

2.1 建立用例-數(shù)據(jù)訪問模型

解析用例與數(shù)據(jù)表之間的訪問關(guān)系，建立三元組W=(U,E,R)，其中U 表示與數(shù)據(jù)表有關(guān)聯(lián)關(guān)系的用例集合，E為數(shù)據(jù)表集合，R為用例-數(shù)據(jù)關(guān)系集合，例如Rm=(Ui,Ej,create)表示用例Ui和數(shù)據(jù)Ej存在名為create的調(diào)用關(guān)系。用例-數(shù)據(jù)訪問模型如圖5 所示，例如，對于用例U1和數(shù)據(jù)表E1之間通過一條邊相連，這條邊記為E1=(U1,E1,Delete)。

圖5 用例-數(shù)據(jù)訪問模型

建模過程如下：

步驟1：分析用例-數(shù)據(jù)關(guān)系圖中的特征，建立數(shù)據(jù)表集合E 與用例集合U，每個用例與數(shù)據(jù)表都是模型中的節(jié)點。

步驟2：分析用例與數(shù)據(jù)表之間的調(diào)用關(guān)系與類型，對于每個用例，確定進行業(yè)務(wù)操作時與之關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)表，生成用例及與之關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表的邊。

步驟3：依據(jù)節(jié)點與邊的關(guān)聯(lián)建立映射。對于圖5 中任一邊，由該邊連接的兩個節(jié)點作為此邊的關(guān)聯(lián)映射。

2.2 計算數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度

在用例-數(shù)據(jù)表關(guān)系圖模型中數(shù)據(jù)表之間沒有直接相連的邊，但數(shù)據(jù)表能夠被不同用例通過訪問調(diào)用進行關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度體現(xiàn)在用例與數(shù)據(jù)表的調(diào)用關(guān)系上。當(dāng)數(shù)據(jù)表被一個用例同時調(diào)用時，表示這些數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)度較高，會同時被操作，因此，在進行微服務(wù)劃分時，關(guān)聯(lián)度高的數(shù)據(jù)表更應(yīng)該被劃分到同一個微服務(wù)中以提高微服務(wù)之間的獨立性，降低微服務(wù)之間的調(diào)用頻率，降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)耦合程度和復(fù)雜度。

設(shè)用例-數(shù)據(jù)訪問模型中共包含n個用例，m個數(shù)據(jù)表，Counti代表操作數(shù)據(jù)表Ei的用例數(shù)量，Countij代表同時操作數(shù)據(jù)表Ei和Ej的用例數(shù)量，則數(shù)據(jù)表Ei和Ej的關(guān)聯(lián)度Sij等于Countij除以分別操作Ei和Ej的用例數(shù)量之和，即：

按照上述公式計算可得E中m個數(shù)據(jù)表兩兩之間的關(guān)聯(lián)度，表現(xiàn)為一個m×m的關(guān)聯(lián)度矩陣S，矩陣中第i行第j列的元素表示數(shù)據(jù)表Ei和Ej之間的關(guān)聯(lián)度Sij，由上述公式可知Sij=Sji，矩陣對角線上的元素取值為0，表示當(dāng)i=j，即Ei和Ej為同一個數(shù)據(jù)表時關(guān)聯(lián)度為0。

2.3 微服務(wù)劃分

矩陣S反映了用例-數(shù)據(jù)表關(guān)系圖中的數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)度，用例-數(shù)據(jù)訪問模型中的R反映了用例與數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系權(quán)重，本文采用Girvan-Newman（G-N）算法對用例和數(shù)據(jù)表進行聚類，通過聚類運算后，具有更高關(guān)聯(lián)度的用例和數(shù)據(jù)表會被聚到一個微服務(wù)中。G-N 算法的流程如下。

步驟1：根據(jù)用例-數(shù)據(jù)訪問模型和關(guān)聯(lián)矩陣S構(gòu)建無向圖T，T 的頂點為集合U 中的用例和集合E 中的數(shù)據(jù)表，當(dāng)Tij=0 時表示頂點i和j之間沒有邊相連，當(dāng)Tij=a時表示頂點i和j之間有一條權(quán)重為a的邊相連。對于連接用例和數(shù)據(jù)表的邊，其權(quán)重根據(jù)用例與數(shù)據(jù)表的訪問關(guān)系類型確定，用例對于數(shù)據(jù)的操作包括創(chuàng)建（Create）、修改（Update）、查詢（Query）、刪除（Delete）4 種，對應(yīng)業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中對于數(shù)據(jù)庫操作的4 種形式，創(chuàng)建代表該用例執(zhí)行過程中會生成一條或多條數(shù)據(jù)，修改表明用例執(zhí)行過程中會對數(shù)據(jù)表的某些屬性進行修改，查詢表明用例執(zhí)行過程中需要查詢數(shù)據(jù)表的某些屬性，刪除表明用例執(zhí)行過程中會刪除一條或多條數(shù)據(jù)。為了區(qū)分這4 種關(guān)系所反映的用例與數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)程度，按照這4 種關(guān)系對數(shù)據(jù)的影響，為其賦予不同的權(quán)重值，分別為創(chuàng)建1、修改0.75、刪除0.5、查詢0.25。對于連接數(shù)據(jù)表的邊，其權(quán)重為關(guān)聯(lián)矩陣中對應(yīng)數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)度值。

步驟2：計算所有邊的邊介數(shù)，用邊介數(shù)除以對應(yīng)邊的權(quán)重得到邊權(quán)比，找到邊權(quán)比最大的邊將其移除。

式中：Cij表示頂點i和j之間的邊介數(shù)，αij表示連接頂點i和j的邊的權(quán)重。

步驟3：保存劃分結(jié)果，并計算模塊度Q，模塊度的計算方法見式（4）。

式中：eii表示社區(qū)i中所有邊的權(quán)重與整個圖中所有邊權(quán)重的比值，ai表示與社區(qū)i頂點相連的所有邊的權(quán)重與整個圖中連接所有頂點的邊的權(quán)重之間的比值。

步驟4：重復(fù)步驟2、3 直至所有的邊都被移除，輸出模塊度最高的劃分方案。

算法的核心代碼如下：

3 應(yīng)用實例

某軸承制造企業(yè)采用面向訂單制造的管理模式，目前的生產(chǎn)管理采用人工和紙質(zhì)文件管理的方式進行，生產(chǎn)計劃采用紙質(zhì)計劃文件下達，每天由統(tǒng)計員統(tǒng)計現(xiàn)場完工情況，并逐級向上反饋，計劃的變更由計劃員口頭通知，生產(chǎn)管理的規(guī)范性較差，生產(chǎn)計劃的科學(xué)性不強，現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)反饋不及時，難以實時、準確地獲取訂單的生產(chǎn)情況，延遲交付時有發(fā)生。在此情況下，企業(yè)開展了制造執(zhí)行系統(tǒng)建設(shè)，通過調(diào)研分析，建立了圖6 所示的用例-數(shù)據(jù)訪問關(guān)系圖（計劃和現(xiàn)場管理部分）。

圖6 用例-數(shù)據(jù)訪問關(guān)系圖

根據(jù)用例與數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系，計算數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)度，建立關(guān)聯(lián)度矩陣：

算法的模塊度迭代過程如圖7 所示，算法輸出結(jié)果見表1。

表1 微服務(wù)劃分結(jié)果

圖7 模塊度迭代曲線

根據(jù)算法計算結(jié)果，可將圖6 劃分為3 個微服務(wù)。至此，基于系統(tǒng)設(shè)計階段建立的用例圖和數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，通過用例-數(shù)據(jù)訪問關(guān)系驅(qū)動的劃分方法獲得了模塊度最高的MES 系統(tǒng)微服務(wù)劃分結(jié)果，可以為開發(fā)人員進行微服務(wù)劃分提供參考。

4 結(jié)語

通過建立基于微服務(wù)的多層制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)，降低制造執(zhí)行系統(tǒng)的耦合性和復(fù)雜度，便于對系統(tǒng)進行維護。通過領(lǐng)域場景驅(qū)動的微服務(wù)劃分技術(shù)，利用用例-數(shù)據(jù)表訪問關(guān)系圖進行分析，得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)度，利用G-N 算法進行微服務(wù)劃分，得到模塊度最高的系統(tǒng)微服務(wù)劃分方案，解決傳統(tǒng)單體架構(gòu)帶來的重構(gòu)和擴展困難的問題，提高制造執(zhí)行系統(tǒng)的可重構(gòu)性和可維護性，為制造執(zhí)行系統(tǒng)快速響應(yīng)業(yè)務(wù)重構(gòu)需求變化提供支撐。