制造過程協同管理系統的研究

（1.陜西科技大學， 陜西 咸陽 712081; 2.西北工業大學 現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室， 陜西 西安 710072; 3.陜西省機械研究院， 陜西 咸陽 712000）

摘 要：著眼于數字化企業條件下，對基于制造資源優化配置的制造過程協同管理系統進行了深入研究。首先提出整個系統的組織形式，闡述各子系統的功能結構，詳細分析了各子系統間基于XML的制造數據集成方式，并建立接口規范和基于XML Web服務的集成模式，最后介紹系統在企業中的應用情況。結果表明，整個系統可較好地實現面向訂單的制造過程協同管理和社會制造資源的優化配置，已經達到了實用化程度，進而為企業提供了一套可重構的制造解決方案。

關鍵詞：制造過程管理； 集成； 資源優化配置； XML

中圖法分類號：TP3917文獻標識碼：A

文章編號：1001 3695(2006)08 0034 03

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Research on Manufacturing Process Collaborative Management System

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PENG Wen li 1，2 ， ZHANG Ding hua2， YAO Chang feng 2， GAO Dang guo 3， DANG Xin an 1

(1.Shanxi University of Science Technology， Xianyang Shanxi 712081， China; 2.Key Laboratory of Contemporary Design Integrated Manu facturing Technology Ministry of Education， Northwestern Polytechnical University， Xi’an Shanxi 710072， China; 3.Mechanical Research Institute of Shanxi， Xianyang Shanxi 712000， China)

Abstract:Some approaches and strategies of building a manufacturing process collaborative management system in a digital enterprise environment are introduced. The system is based on resource optimal deployment and composed of five subsystems. Firstly， the structure of the whole system’s framework and the function of every subsystems are discussed. Then the XML based data exchange between different subsystems， data access interface specification， and the integration patterns based on XML Web Services are presented in detail. Finally， a successful enterprise application of the system is introduced. The application result proves that the system is practical and helpful to achieve the order oriented manufacturing process collaborative management and the social manufacturing resources’ optimal deployment. Furthermore， it can supply a reconfigurable solution for manufacturing industry.

Key words:Manufacturing Process Management; Integration; Resource Optimal Deployment; eXtensible Markup Language

隨著制造企業的組織形式和網絡技術的飛速發展，傳統的面向企業自身制造資源的集中式剛性生產組織形式已不能滿足需要，取而代之的是以訂單驅動的面向區域制造資源的分布式柔性生產組織形式。但是，目前企業中的CAD，CAPP，CAM等與制造資源之間常常脫節，制造過程無法統一協調與監控，企業信息流、物流和價值流不暢通。因此，整合區域制造資源、協同生產過程、實施集成制造成為各國制造業發展的重點。

計算機支持的協同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）是一門由計算機科學、人類工程學、心理學、認知科學和社會學等多個學科綜合而成的新的交叉學科。計算機支持的協同設計與制造是CSCW在數字化設計和制造領域的一個重要應用和研究方向。本文的研究工作主要針對航空和模具等行業的復雜產品制造過程，分析如何有效地整合區域制造資源，實現異地制造資源的動態優化配置，并對制造過程進行監控管理，圍繞生產過程實施集成制造，最終實現制造各環節的協同，快速度、低成本、高質量地制造產品。整個系統包括可重構制造資源優化配置平臺、基于知識的網絡化協同工藝規劃系統、集成化數控制造與仿真、基于構件的可重構制造執行系統、可視化制造過程項目管理與監控系統五個子系統。在研究過程中，把CSCW的思想引入制造過程管理中，并實現了一些應用系統如CAD，CAPP，CAM等在制造過程管理中的信息集成和過程集成。

1制造過程協同管理系統的功能結構描述

制造過程協同管理系統的功能結構框架如圖1所示。企業接到產品訂單后，由可視化制造過程項目管理與監控系統根據產品交貨期制定產品的里程碑計劃，確定產品各制造環節的時間界限，一方面，基于知識的網絡化協同工藝規劃系統根據制造要求快速生成工藝路線和所需的制造能力要求；另一方面，可重構制造資源優化配置平臺根據相關的產品信息和制造能力需求搜索和整合制造資源庫中的設備資源，將空間上離散的物理制造設備進行重組，動態地構造產品的邏輯制造單元；集成化數控制造與仿真系統首先根據工藝路線、制造資源信息、產品幾何數據、毛坯材料、加工要求等生成詳細的數控工藝和加工代碼，其次系統進行加工的模擬仿真，驗證制造的可行性；制造執行系統根據生產任務和工藝信息調度制造資源，完成產品的制造任務。在整個制造流程中，可視化制造過程項目管理與監控系統協調各系統的工作，與各個子系統進行信息耦合，交換產品制造信息，并向監控人員提供可視的生產狀態數據。

2子系統功能結構描述

系統中的可重構制造資源優化配置平臺等四個子系統在可視化制造過程項目管理和監控系統的協調下相互間進行信息耦合，有效地進行協同工作。同時，五個子系統也可以在企業中單獨應用。



2.1可重構的制造資源優化配置平臺

構建分布式、網絡化的資源庫，提供與區域網和行業制造資源網的界面和接口工具，設計物理制造單元和邏輯單元，實現制造資源的評估和優化配置。

制造資源優化配置的主要目標是，為完成任一具體產品的生產任務，針對基于知識的網絡化協同工藝規劃系統提供產品各個零件的邏輯加工路線信息，根據可視化制造過程管理與監控系統提供的優化目標信息以及資源庫提供的可以完成組成邏輯加工路線的各個邏輯制造單元（Logical Manufacturing Unit，LMU）、生產任務的物理制造單元（Physical Manufacturing Unit，PMU，指處于同一位置，由單個或多個加工中心組成；加工中心Cell指能完成特定功能的設備組合。）、子集信息，進行物理制造單元子集的評估及加工路線的優選，最終優選出一個滿足給定約束條件下的可執行加工路線，或者給出經過優劣排序的多個給定約束條件下的可執行加工路線供用戶參考。最后，將可執行加工路線提供給映射模塊，其映射結果（增加工藝規劃系統需要的一些附加信息，并轉換為其需要的加工路線表達形式）提交給基于知識的網絡化協同工藝規劃系統。平臺的體系結構如圖2所示。

2.2基于知識的網絡化協同工藝規劃系統

實現工藝知識的錄入、檢索、共享、使用、一致性維護和安全性控制等，構建工藝知識管理平臺。在網絡環境下，根據產品的信息及設計要求，運用交互式、檢索修訂式和創成式等進行工藝設計，協同制定產品總體工藝方案，并根據各制造單元的資源情況和工藝能力，依照已積累的工藝知識，確定產品的工藝路線。該工藝路線和與之相關聯的產品制造里程碑計劃一起成為產品制造的原始數據之一，對整個產品生產和制造過程的周期及質量具有決定性的影響。

2.3集成化數控制造與仿真系統

數控編程是制造系統中最能明顯發揮效益的環節之一。系統通過制造過程項目管理系統，獲取數控編程任務和零件的三維幾何模型，并由資源優化平臺和工藝規劃系統得到工藝路線及制造資源信息，進行基于制造資源和數控工藝的數控編程，經后置處理產生針對資源庫中對應設備的數控加工程序。詳細的數控工藝是生成高質量刀具軌跡的保證，其設計要根據產品幾何數據、毛坯材料、加工要求等制定針對具體產品的詳細工藝參數，然后生成從粗加工、半精加工、精加工到補加工的刀具軌跡。

制造仿真通過工裝仿真、卡具裝夾仿真和走刀路徑模擬等可以檢查運動干涉、驗證零件加工方法、檢查刀具干涉、驗證刀具幾何尺寸、換刀方式、驗證機床和加工中心的生產能力等，最后向過程管理系統提交仿真報告和數控代碼文件。

2.4基于構件的可重構制造執行系統

采用面向對象的技術，建立生產系統對象模型，構建了開放式的制造執行系統框架結構。在此基礎上開發可重用的軟件組件，通過調整組件的定制建立適用于特定制造環境的制造執行系統，可以實現具體的應用和解決方案的重構。在其上可以制定基于有限能力（當前資源能力）的生產作業計劃，進行車間現場數據采集與反饋。

制造執行系統在整個系統中的作用是根據生產任務和工藝信息調度制造資源，并向制造過程管理系統反饋任務狀態，完成產品的具體制造任務。

2.5制造過程項目管理與監控系統

本系統包括四個模塊，在整個系統中起到了“軟總線”的作用，負責協同其余四個子系統的工作，并提供數據交換的平臺。

(1)協同管理平臺

一方面可以實現對產品設計、制造過程中的工程數據進行有效的協同管理，支持對多種CAD系統生成的二維圖紙和三維模型等電子文件的瀏覽、批注、審批、檢入、檢出和版本管理等操作。另外，提供了討論區、即時短消息和E mail等協同交流環境。

(2)制造過程項目管理

按照系統觀點使用項目管理的思想和方法對制造過程進行控制，進行項目的定義、建模、分解、進度執行，對從訂單開始到設計、工藝、加工和交貨的整個過程進行有效控制。同時，該模塊還包括車間的人員組織管理和制造成本的統計分析。

(3)數據交換服務中心

基于知識的網絡化協同工藝規劃系統、集成化數控制造與仿真系統、制造執行系統之間的數據集成與共享是本文研究開發的關鍵內容之一。本模塊提供了向各子系統開放的Web服務平臺，響應各子系統提出的數據交換申請。另外，在本模塊中還有用于提取產品BOM信息的組件，可以從多種CAD圖形文件中提取產品的BOM信息，生成符合系統接口規范的XML文件。本文第3節論述了關于本部分的詳細研究工作。

(4)可視化制造過程監控

過程監控是利用可視化手段對制造過程各環節的運行狀況進行監控，包括與各個制造子系統的信息及加工狀態的數據交互、對信息進行分類并分析處理，反饋給各個子系統。

3實現協同管理系統的數據集成技術

3.1各系統間接口數據

表1給出了五個子系統之間的XML數據交換關系的簡單描述（左邊第一列為提供數據的系統）。

3.2XML，Schema和XML Web服務

XML的自定義性及可擴展性使它足以表達各種類型的數據，可以在任何兩個遵守XML Schema的應用系統間進行數據交換和消息傳遞，各系統在收到數據后可以自行處理（尾注）。由于XML的這些優點，使其非常適合于基于網絡的異構系統間的數據交換，所以我們選擇了XML作為描述各系統間接口數據的統一語言。

XML Schema用于描述XML文檔的合法結構、內容和限制，有豐富的內嵌數據類型和極其強大的數據結構定義功能，充分改造并且極大地擴展了DTD (傳統描述XML文檔結構和內容限制的機制)的能力，將逐步替代DTD成為XML體系中正式的類型語言。各子系統間的數據接口規范就是通過XML Schema建立的。

Web服務是由企業發布，完成其特定商務需求的在線應用服務，其他公司或應用軟件能夠通過Internet來訪問并使用這種服務。Web服務以開放的標準為基礎，構建在Internet之上，為企業應用提供了一個靈活的、松散耦合的分布式計算環境；同時，Web服務屏蔽了底層的企業應用平臺，具有良好的平臺無關性，并且通信數據都是標準的XML數據，具有良好的語言無關性，為企業應用集成提供了一個便捷而快速的途徑。

本文所研究的系統就是以XML作為子系統間數據交換的語言、以XML Schema定義數據交換文件的格式，通過Web服務的機制實現了松耦合的應用系統集成。

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3.3基于XML Schema的數據接口規范

通過深入分析各子系統間的數據要求（表1），結合對國際上關于電子商務和制造業現存的XML數據交換規范的研究，并考慮到規范文件的易讀性和易擴充性，我們建立了包括BOM、工藝文件等在內的12個文件規范，解決了各個異構系統之間的數據接口問題，為各系統之間的集成奠定了基礎。下面給出遵循該規范的接口文件的部分示例。

以下是資源優化平臺和集成制造與仿真數據接口文件的一部分，規范文件中從設備基本類型開始，逐級定義工作中心和制造單元信息，表示了部分物理制造單元信息、工作中心和設備的詳細信息。

＜？ｘｍｌ ｖｅｒｓｉｏｎ＝＂１．０＂ｅｎｃｏｄｉｎｇ＝＂ＧＢ２３１２＂ｓｔａｎｄａｌｏｎｅ＝＂ｙｅｓ＂？＞

－＜ＵｎｉｔＩｎｆｏＶｉｅｗ＞

－＜ＵｎｉｔＩｎｆｏ ＵｎｉｔＩｄ＝＂Ｐｍｕ００１＂＞

＜ＵｎｉｔＮａｍｅ＞西飛３１車間＜／ＵｎｉｔＮａｍｅ＞

－＜ｃｅｌｌ ｃｅｌｌＩｄ＝＂Ｐｍｕ００１ Ｃ０１＂＞

＜ｃｅｌｌＮａｍｅ＞數控車組＜／ｃｅｌｌＮａｍｅ＞

＜ｅｑｕｉｐｍｅｎｔＴｙｐｅ＞數控車＜／ｅｑｕｉｐｍｅｎｔＴｙｐｅ＞

＜ｗｏｒｋＴｙｐｅ＞車＜／ｗｏｒｋＴｙｐｅ＞

－＜Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐＩｄ＝＂００１＂＞

＜ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞Ｎａｍｅ００１＜／ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞

＜ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞數控車＜／ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞

＜／Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＞

－＜Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐＩｄ＝＂００２＂＞

＜ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞Ｎａｍｅ００２＜／ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞

＜ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞數控車＜／ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞

＜／Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＞

－＜Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐＩｄ＝＂００３＂＞

＜ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞Ｎａｍｅ００３＜／ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞

＜ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞數控車＜／ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞

＜／Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＞＜／ｃｅｌｌ＞

－＜ｃｅｌｌ ｃｅｌｌＩｄ＝＂Ｐｍｕ００２ Ｃ０２＂＞

＜ｃｅｌｌＮａｍｅ＞數控銑組＜／ｃｅｌｌＮａｍｅ＞

＜ｅｑｕｉｐｍｅｎｔＴｙｐｅ＞數控＜／ｅｑｕｉｐｍｅｎｔＴｙｐｅ＞

＜ｗｏｒｋＴｙｐｅ＞銑＜／ｗｏｒｋＴｙｐｅ＞

－＜Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐＩｄ＝＂００４＂＞

＜ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞Ｎａｍｅ００２＜／ｅｑｕｉｐＮａｍｅ＞

＜ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞數控銑＜／ｅｑｕｉｐＴｙｐｅ＞

＜／Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＞

＜／ｃｅｌｌ＞

3.4基于XML Web服務的集成模式

構建Web服務的三大技術基礎是Web服務描述語言WSDL(Web Service Description Language)、統一描述、發現和集成協議UDDI(Universal Description， Discovery and Integration)、簡單對象訪問協議SOAP(Simple Object Access Protocol)。這三種技術是構成Web服務的核心技術。SOAP是基于XML的用于分布式環境下交換信息的應用協議，客戶應用程序正是通過SOAP協議來訪問Internet上Web服務的。

基于Web服務的企業應用集成并不局限于企業內部，還可以面向敏捷供應鏈向企業上、下游擴展。提供服務的應用系統，其物理位置可以在企業內部Intranet，也可以在企業外部的Internet上，這樣集成框架很容易與動態電子商務進行接軌。

4 應用實例

目前，基于知識的網絡化協同工藝規劃系統、集成化數控制造和仿真等子系統已經廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶、電子機械等行業。各子系統間的集成測試已經完成，正在中國某大型集團下屬的鑄造模具廠進行集成應用。整個系統對該企業的生產流程進行了全方位的管理，從其訂單開始，生產計劃的下發，經由設計部門進行圖紙設計，工藝部門依據設計部門提供的圖紙制定工藝；資源優化平臺對該廠及其聯盟企業的資源進行統一管理，可以動態構造產品的邏輯制造單元；再通過車間制造執行系統的調度進行生產加工，最后由檢驗部門檢驗后入庫等待發貨。整個過程在項目管理和協同平臺的協調下進行。目前，系統的集成應用已經取得了良好的效果。

5結束語

通過本系統的研究，推進了CSCW思想在制造過程管理中的應用，第一次將制造資源的優化配置納入到協同框架之中；系統建立了一套可擴充的、簡單靈活的應用系統數據接口規范以及基于XML Web服務的集成模式，為企業中應用系統間的松散集成提供了可借鑒的標準，進而在總體上為企業提供了一套可重構的制造解決方案。本系統所包括的五個子系統都可以在企業中單獨應用，也可以在可視化制造過程項目管理和監控系統的協調下進行信息耦合，有效地進行協同工作，較好地解決了目前企業中存在的制造資源利用效率低下的問題。應用結果表明，整個系統可較好地實現面向訂單的制造過程協同管理和社會制造資源的優化配置，已經達到了實用化程度。

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作者簡介：彭文利（1968-），男，陜西長安人，副教授，博士研究生，主要研究方向為數字化設計與制造、信息化工程與技術、輕工技術與工程等；張定華（1958-），男，四川成都人，機電學院院長，教授，博導，主要研究方向為CIMS、ICT、數控加工技術等；姚倡鋒（1975-），男，陜西戶縣人，博士研究生，主要研究方向為CIMS等；高黨國（1968-），男，陜西乾縣人，工程師，主要研究方向為機械設計；黨新安（1958-），男，陜西富平人，教授，主要研究方向為輕工技術與工程。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。