面向產(chǎn)品生命周期的動態(tài)服務集成方法研究

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院， 北京 100191)

摘 要：

針對大型制造企業(yè)產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)中系統(tǒng)集成復雜、變化頻繁的現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有基于SOA系統(tǒng)集成的不足，在引入模型驅動的基礎上，提出了一種動態(tài)服務集成方法，該方法是自上向下建模和自下而上服務編排的雙向結合。通過擴展領域元模型，將業(yè)務過程抽象為邏輯模型；將被集成系統(tǒng)以服務的形式封裝，建立服務元數(shù)據(jù)倉庫保存其關鍵屬性；分離業(yè)務邏輯和具體實現(xiàn)系統(tǒng)，運用反射機制在運行時將模型實例化為具體的集成過程，自動部署到集成引擎。以該方法為基礎建立PLM系統(tǒng)集成平臺。實踐證明該方法可以有效提高集成的適應能力和敏捷性，降低集成的復雜度，減少實施和維護費用。

關鍵詞：模型驅動; 面向服務架構； 產(chǎn)品生命周期管理； 動態(tài)服務集成

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1370-03

Research of dynamic service integration approach oriented to products lifecycle

ZHONG Hua-wei， NING Wei-wei， YAN Guang-rong， LEI Yi

(School of Mechanical Engineering Automation， Beihang University， Beijing 100191， China)

Abstract:To meet large manufactory enterprise products lifecycle systems integration complex and frequent change requirements， according to analysis of the lack of existing service oriented architecture (SOA) system integration， this paper proposed a dynamic service integration approach through the adoption of MDA. It was a bi-direction combination of top-down modeling and bottom-up service composition. Domain meta-model was expanded based on UML to describe logic model which abstracted from business process. Integrated systems wrapped as Web service was saved in service metadata repository. Business logic separated from specific integration services， would be translated to integration process instance by reflection mechanism， and deployed to the integration engine automatically. PLM integration platform was established based on the approach. The fact demonstrated the approach can improve the adaptability and agility of integration， increase efficiency and quality， reduce implementation and maintenance costs.

Key words：model-driven; SOA; product lifecycle management(PLM); dynamic service integration

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0 引言

在日益激烈的市場競爭條件下，制造企業(yè)面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。為保證對產(chǎn)品整個生命過程的業(yè)務數(shù)據(jù)進行有效管理，企業(yè)通過采用產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）以提高企業(yè)核心競爭力。PLM是以產(chǎn)品為核心，綜合產(chǎn)品生命周期不同環(huán)節(jié)的各種信息，實現(xiàn)無縫的、實時的信息協(xié)同管理。PLM是在產(chǎn)品從概念設計到銷售維護整個生命周期中涉及的人員、過程和信息的集成。為了降低成本保證利潤，現(xiàn)階段大型制造企業(yè)逐步將主要精力致力于產(chǎn)品關鍵部件的設計研發(fā)制造上，而產(chǎn)品部分子系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和非關鍵零部件，由企業(yè)同專門的供應商以協(xié)同開發(fā)，外包生產(chǎn)或直接采購等形式進行協(xié)作[1]。而復雜產(chǎn)品（如汽車）零部件數(shù)量多，結構復雜，據(jù)統(tǒng)計一輛汽車60%以上的部件是非自制的，供應商數(shù)量達700家。大量供應商以不同的方式參與到產(chǎn)品生命周期各階段中，這就需要PLM不僅支持企業(yè)內(nèi)部的信息系統(tǒng)集成，同時能夠支持企業(yè)與供應商之間的系統(tǒng)協(xié)作，達到企業(yè)間信息共享，實現(xiàn)業(yè)務流程順利運行。

基于SOA架構的動態(tài)松耦合集成，將應用程序的不同功能單元定義為服務，并通過服務之間定義的接口和契約聯(lián)系起來[2，3]。SOA采用面向服務的建模技術和Web服務技術實現(xiàn)系統(tǒng)之間的整合和協(xié)同[4]。 Web服務以XML為基礎，使用WSDL描述服務接口，采用SOAP作為交互協(xié)議、UDDI注冊和保存服務，BPEL編寫服務業(yè)務流程。SOA最重要的特征是其能夠復用和集成已有系統(tǒng)中的各種資源，從而為系統(tǒng)集成提供靈活的方法和標準規(guī)范。將SOA架構引入PLM系統(tǒng)集成中可以滿足系統(tǒng)集成功能需求 [5，6] ，但是這種集成方式仍具有以下不足：a)集成是靜態(tài)的，在業(yè)務流程構建時為了保證流程的可擴展性而需要增加過多調(diào)用邏輯，導致流程非常復雜；b)業(yè)務邏輯復用困難，面向不同供應商存在大量邏輯相同的業(yè)務過程，但由于供應商的系統(tǒng)接口不一致，需要針對每個供應商創(chuàng)建新的集成流程并一直進行維護，這要花費大量的時間、費用和資源；c)集成過程復雜，雖然有一些圖形化的流程設計環(huán)境，但仍需開發(fā)人員具體編碼實現(xiàn)，并且由于業(yè)務過程經(jīng)常變化、系統(tǒng)升級等原因，導致代碼頻繁改動，領域專家也無法直接參與實現(xiàn)系統(tǒng)集成過程。導致上述問題的根本原因是系統(tǒng)集成沒有在更高層次上對領域內(nèi)的業(yè)務流程進行抽象，沒有將流程邏輯與具體的服務實現(xiàn)分離。

模型驅動架構（model driven architecture， MDA）是OMG組織從方法學的角度提出的一種軟件開發(fā)模式。MDA的本質(zhì)是分層建模，將業(yè)務需求、功能邏輯模型與其在特定平臺的實現(xiàn)分離，通過模型間的轉換映射，實現(xiàn)模型到應用程序開發(fā)。依靠模型驅動可以在不同層次上對系統(tǒng)進行抽象，將業(yè)務需求、系統(tǒng)功能與具體實現(xiàn)分別建模。MDA有四類主要模型層，即計算無關模型（CIM）、平臺無關模型（PIM）、平臺相關模型（PSM）和實現(xiàn)相關模型（ISM）。CIM用于描述系統(tǒng)的業(yè)務知識和業(yè)務過程，不涉及軟件實現(xiàn)。領域專家對領域應用進行高度抽象的建模，該模型詳細準確并與實現(xiàn)技術無關，即PIM。根據(jù)特定平臺下的轉換規(guī)則，PIM被自動映射成具體結構下的系統(tǒng)模型PSM。最終PSM被轉換成具體的程序代碼。模型驅動彌補了建模與程序之間的斷層，將建模變?yōu)殚_發(fā)必不可少的部分。MDA作為一種開發(fā)方法進行SOA下的系統(tǒng)集成已有一些研究和應用[5，7]，但是僅僅將MDA和SOA簡單組合，雖然可以加快單個業(yè)務系統(tǒng)的集成過程，但是無法從根本上解決上述幾點問題。

本文在綜合模型驅動和SOA的基礎上，提出了一種動態(tài)服務的集成方法，該方法結合自上向下建模和自下而上服務編制的雙向組合。將系統(tǒng)集成由應用層抽象到模型層，在更高層次上對業(yè)務流程進行抽象，使業(yè)務邏輯模型和服務應用模型分離，通過動態(tài)邏輯和服務的映射組合生成業(yè)務過程實例。該方法用具有語義的層次模型動態(tài)驅動服務集成的具體實現(xiàn)，有效提高集成的適應能力和敏捷性，降低集成的構建和維護成本，便于集成過程復用，保護企業(yè)的投資，深化系統(tǒng)應用。

1 動態(tài)服務集成方法

動態(tài)服務集成方法是在基于SOA系統(tǒng)集成基礎上引入模型驅動的機制，通過將業(yè)務邏輯模型中服務變量映射到服務數(shù)據(jù)，動態(tài)編制業(yè)務過程。該方法是自上向下建模和自下而上服務編制的雙向組合。其流程如圖1所示。

自上向下建模是指首先領域專家根據(jù)其專業(yè)知識，分析需要進行集成的業(yè)務流程，建立與技術無關的業(yè)務模型，即CIM模型，該模型主要表現(xiàn)了業(yè)務功能范圍、模塊結構和流程依賴關系等；然后領域專家與技術人員一起將該業(yè)務模型細化，詳細描述業(yè)務流程的邏輯和功能，建立功能模型PIM，通過對各功能模塊逐步分解，得到原子功能模型和組合模型；最后以建模元數(shù)據(jù)為基礎，可以將功能模型自動轉換為服務模型，該服務模型獨立于具體的服務實現(xiàn)，是以SOA標準為基礎，對業(yè)務功能的描述和流程邏輯的抽象表示，即PSM模型。服務功能模型、數(shù)據(jù)模型、邏輯模型建立完成后，由模型倉庫進行統(tǒng)一管理。

自下而上服務編制是將企業(yè)內(nèi)部、供應商的各種基礎設施，如EJB、COM、CORBA等API，包裝成Web服務的形式，統(tǒng)一調(diào)用方式。將包裝后的服務描述信息、服務數(shù)據(jù)模式、調(diào)用規(guī)則等元數(shù)據(jù)保存到服務元數(shù)據(jù)庫中，同時還需要建立服務數(shù)據(jù)模型與標準模型的轉換規(guī)則，以保證服務的自動映射。

在業(yè)務過程實際運行時，服務反射引擎根據(jù)請求的調(diào)用參數(shù)，在模型倉庫中檢索到符合條件的集成邏輯模型和數(shù)據(jù)模型；同時針對具體業(yè)務參數(shù)在服務元數(shù)據(jù)庫中查找服務對象，將應用模型實例化為集成實例，在本文中實際生成具體的BPEL文件，將該實例部署到BPEL引擎并執(zhí)行，從而實現(xiàn)服務的動態(tài)綁定。該方法通過引入模型驅動的方法，將集成過程劃分為模型層和服務層兩層，明確了各角色的任務；通過對邏輯和實現(xiàn)的解耦，為系統(tǒng)集成提供了動態(tài)性，同時隔離了上層和下層的變更，當業(yè)務流程發(fā)生變化時只需更改上層的應用模型；同樣當系統(tǒng)增加或升級，只需更新服務元數(shù)據(jù)庫中對應的元數(shù)據(jù)而無須修改所有的父流程。

2 關鍵技術研究

2.1 元模型擴展

元模型是關于模型的模型，元模型是模型驅動中模型精確定義的根本，是各層次模型正確轉換的關鍵。元模型具有層次化的體系結構， MDA定義了M0、M1、M2和M3共四層元數(shù)據(jù)結構，本文使用UML為建模語言[8] ，以元模型MOF為基礎對UML的元類進行擴展，建立滿足系統(tǒng)集成的領域元模型。擴展包括組織元模型、資源元模型、功能元模型、服務元模型、過程元模型等。元模型擴展的核心元素如圖2所示。擴展元模型都繼承自class類，服務元模型表示集成節(jié)點，功能元模型描述集成節(jié)點的行為。組合元模型是服務模型的邏輯組合，表示集成節(jié)點的業(yè)務邏輯。

通過對UML編輯器進行元模型擴展后，使用類圖建立服務模型和數(shù)據(jù)模型，使用活動圖建立業(yè)務邏輯模型。模型以可視化圖形表示便于理解和修改，并可將其以XML格式導入模型倉庫中。

2.2 建立模型倉庫

模型倉庫保存了系統(tǒng)集成的服務模型、過程模型和數(shù)據(jù)模型。本文中業(yè)務過程最終被映射成BPEL文件，要求業(yè)務邏輯模型是在BPEL規(guī)范基礎進行的抽象，也可以理解成業(yè)務邏輯的服務模板。數(shù)據(jù)庫模式必須具備靈活性以存儲復雜的流程，并可以對子邏輯多次復用創(chuàng)建新的業(yè)務流程。模型倉庫最重要的是保存了各個業(yè)務服務模型的定義接口及其組合邏輯，即業(yè)務邏輯模型。相關數(shù)據(jù)庫模式結構如圖3所示。

其中：processModel描述邏輯模型的接口信息；partLink是參與邏輯集成的服務鏈接及角色變量；processParam定義了邏輯模型調(diào)用時需要的參數(shù)信息；sequenceNode用來保存具體的集成業(yè)務規(guī)則。

2.3服務元數(shù)據(jù)庫

服務元數(shù)據(jù)庫保存調(diào)用服務契約內(nèi)容、數(shù)據(jù)訪問規(guī)則和轉換規(guī)則。服務契約內(nèi)容包括服務的地址、端口、名稱、命名空間、生命周期等數(shù)據(jù)。轉換規(guī)則包括不同服務間的數(shù)據(jù)語義變換，以及對數(shù)據(jù)實施的業(yè)務操作。數(shù)據(jù)訪問規(guī)則和轉換規(guī)則支持說明性的和程序性的方法[2] 。本文中元數(shù)據(jù)庫借鑒UDDI服務倉庫形式，采用關系數(shù)據(jù)庫并增加對本體的支持，以滿足服務檢索要求，同時保證服務元數(shù)據(jù)可以進行知識積累，增加調(diào)用的適應性和靈活性。

2.4 反射引擎

反射引擎是系統(tǒng)集成的核心，它的主要功能是接收來自服務請求者的信息請求，根據(jù)業(yè)務邏輯實例化服務模型為服務實例。服務反射引擎的工作流程首先根據(jù)調(diào)用參數(shù)，讀取模型庫中的業(yè)務模型生成業(yè)務流程模板。依次分析流程模板包含的服務模型檢索元數(shù)據(jù)庫，得到具體的服務實現(xiàn)數(shù)據(jù)，將標準數(shù)據(jù)模型復制為服務數(shù)據(jù)模型，并將該節(jié)點的服務變量替換為服務數(shù)據(jù)。如果服務模型是組合服務，則循環(huán)迭代上述步驟，直到流程模型中所有服務模型都轉換為對應的服務對象。使用XSLT將實例化完成的模板文件轉換為遵循 WS-BPEL規(guī)范的BPEL文件，自動生成該流程的Web服務調(diào)用契約WSDL文件和相關服務數(shù)據(jù)文件bpel.xml。將文件打包并部署到BEPL引擎。反射引擎的工作流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)平臺架構

以第1章提出的集成方法為基礎，本文建立了基于動態(tài)服務的PLM系統(tǒng)集成平臺，其架構如圖5所示。平臺提供了業(yè)務分析、建模環(huán)境以建立的各層次應用模型，使用現(xiàn)有的系統(tǒng)資源，動態(tài)組合服務實現(xiàn)業(yè)務流程集成，并提供組合服務運行環(huán)境。該平臺利用SOA架構標準并作了相應擴展，保證了平臺的穩(wěn)定性的同時增強其適應性。

1）業(yè)務對象 它是指需要集成的所有應用企業(yè)應用系統(tǒng)，包括企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)外部的各種信息系統(tǒng)如ERP、PDM、CAX等。通過對業(yè)務對象的組合調(diào)用，實現(xiàn)企業(yè)間系統(tǒng)的互操作，進行數(shù)據(jù)和業(yè)務過程集成。由于業(yè)務對象是異構的，在平臺中在服務包裝層將業(yè)務對象包裝成Web服務。業(yè)務對象層還包括支持平臺運行的基礎服務，如權限管理，規(guī)則管理等。

2）服務包裝層 將所有應用對象進行封裝，轉換為Web服務（業(yè)務服務），從而提供一致的調(diào)用接口，便于服務引擎統(tǒng)一處理。

3）服務元數(shù)據(jù)庫[2] 保存服務的相關數(shù)據(jù)信息，包括技術元數(shù)據(jù)、業(yè)務元數(shù)據(jù)和映射元數(shù)據(jù)。技術元數(shù)據(jù)包括服務名稱、參數(shù)、參數(shù)類型、包裝方式等；業(yè)務元數(shù)據(jù)包括服務地址、功能描述、服務提供者、服務生命周期數(shù)據(jù)等；映射元數(shù)據(jù)指服務相關的數(shù)據(jù)模式及數(shù)據(jù)間的映射規(guī)則。

4）模型倉庫 集中管理系統(tǒng)集成涉及的所有模型，包括服務模型、過程模型、數(shù)據(jù)模型。服務模型是對業(yè)務功能的抽象，包括原子服務模型和組合服務模型。過程模型是指各個業(yè)務流程的組合邏輯，以BPEL標準為基礎進行抽象。數(shù)據(jù)模型包括各個服務模型中數(shù)據(jù)對象及過程模型中數(shù)據(jù)模型的映射。

5）建模環(huán)境 提供對業(yè)務分析和業(yè)務建模的支持，實現(xiàn)業(yè)務分析到業(yè)務模型的自上而下的建模過程。以通用UML建模（本文采用Eclipse和EMF）環(huán)境為基礎進行擴展，通過精確定義的元模型實現(xiàn)模型間的映射轉換。

6）服務反射引擎 它是2.4節(jié)服務引擎的實現(xiàn)，并提供如下功能：

a)服務執(zhí)行。執(zhí)行BEPL流程，并對流程進行狀態(tài)監(jiān)控。

b)服務路由。在調(diào)用方與服務提供方之間建立中間路由層，實現(xiàn)服務虛擬化。

c)消息映射。將數(shù)據(jù)模型從一種格式轉換為另一種格式。另外進行服務質(zhì)量管理、安全管理和生命周期管理。 

7）客戶端 調(diào)用各種服務，是服務的請求者。客戶端包括瀏覽器、應用程序及手持設備等。

4 結束語

SOA為異構系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和流程集成提供了一種新的架構；模型驅動提供了一種新的開發(fā)方法，將系統(tǒng)在更高層次上進行抽象，使用模型來指導系統(tǒng)的構建和實施。本文針對復雜產(chǎn)品研發(fā)過程中，大量供應商參與導致系統(tǒng)協(xié)同復雜、變化頻繁的情況，結合模型驅動與SOA的特點，提出了基于動態(tài)服務的系統(tǒng)集成方法；通過建立模型倉庫和模型元數(shù)據(jù)庫，分離業(yè)務邏輯和具體現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)在高層次上的業(yè)務領域抽象集成，從根本上解決了業(yè)務邏輯變化和被集成系統(tǒng)變化相互影響的問題，動態(tài)服務綁定為系統(tǒng)集成提供了極大的靈活性和復用性。基于本方法為基礎建立的PLM集成平臺在北方奔馳PLM項目中應用，實踐證明該方法可以有效提高集成的適應能力和敏捷性，降低集成的復雜度，減少實施和維護費用。

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