面向復雜產品的異構數據集成模型研究

(1.哈爾濱工業大學 機電工程學院， 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學 a.計算機科學與技術學院； b.機械動力工程學院， 哈爾濱 150080)

摘 要：為解決動態聯盟環境下的復雜產品異構數據集成，針對傳統集成技術存在的問題，在對Web服務等相關技術進行分析的基礎上，提出了基于Web服務的復雜產品異構數據集成平臺層次模型。研究了相關的關鍵技術，重點論述了企業產品設計集成機制和產品共享數據轉換模型。最后結合某項目實例，進行了系統實現，為實現應用軟件集成與設計資源共享提供了有效的解決方案。

關鍵詞：復雜產品；Web服務；數據集成；模型；動態聯盟

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1425-03

Research of integration model of heterogeneous data based on complex product

GE Jiang-hua1，2b， LI Zhi-qiang2a， WANG Ya-ping2b， SHAO Jun-peng2b

(1.School ofMechanical Electron Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China;2.a.School ofComputer Science Technology，b.School of Mechanical Power Engineering， Harbin University of Science Technology， Harbin150080， China)

Abstract:In order to resolve the problem of the heterogeneous integration of product data in dynamic alliance environment， on the basis of analysis Web services， this paper put forward a multi-layer platform hierarchical model of heterogeneous data integration of complex product， a model based on Web services in dynamic alliance environment.Studied key technology of platform development， mainly discussing about product designing mechanism and a model for product data exchange.Finally illustrated implementation and application of system with one project. And provided an effective solution in order to implement integration of application software and sharing of designing resources between alliance entities.

Key words:complex product; Web services; data integration; model; dynamic alliance

在動態聯盟環境下，要求實現不同企業之間應用系統的動態集成和產品設計相互協作。但由于聯盟實體的地域分散性及系統的異構性，致使如何將異構、異地的應用系統集成起來，實現企業之間的產品協同設計，成為企業共同的目標之一。構建統一的企業集成平臺，可以很好地解決以上問題。集成平臺是一個支持復雜信息環境下產品開發、系統集成和協同運行的軟件支撐環境。所謂復雜產品是指結構組成復雜、功能復雜、行為復雜的一類產品。

目前，復雜產品制造已經轉變為多學科、多領域的團隊異地協同開發模式，國內外在這一領域已開展了很多相關研究。在相關研究的基礎上，迫切需要一個支持復雜產品開發的支撐平臺。該平臺能夠提供強有力的支持工具和手段，使有關人員有效地參與到復雜產品開發中來[1]。國內外研究的產品集成技術主要有基于CORBA技術構架、基于消息中間件、基于智能agent構架等。傳統集成技術的不足主要體現在：服務客戶端與系統提供的服務本身之間必須緊密耦合；不同組件之間無法進行直接的數據交換和數據共享等。傳統技術由于其自身的局限性，導致已有研究成果一般局限在企業內部，難以實現不同企業間的集成[2]。

Web services技術的發展解決了這一問題，運用Web服務構建產品異構數據集成平臺，能有效降低開發難度與成本。本文基于Web services構建了面向復雜產品的異構數據集成平臺層次模型，支持產品企業間異構異地設計，有效地提高產品開發效率，從而提高了企業的競爭力。

1 Web services技術

Web services的基本模型如圖1所示。

基本模型包含以下三種角色:a)服務提供者(service provider)；b)服務請求者(service requestor)；c)服務注冊中心(service broker)。模型中包含的三個基本操作有服務查找(find)、服務發布(publish)、服務綁定(bind)[3]。 

Web services是一種革命性的分布式計算技術。它使用基于XML 的消息處理作為基本的數據通信格式， 消除使用不同組件模型、操作系統和編程語言的系統之間存在的差異， 使異構系統能夠作為計算網絡的一部分協同運行。

Web services的實現基礎是可擴展標記語言(extensible markup language，XML)，它具有自描述性， 適合數據交換和共享。Web services采用WSDL(Web service description language)來描述其服務接口。WSDL用于定義Web services以及如何調用它們(描述Web服務的屬性)。Web services的訪問機制采用簡單對象訪問協議(simple object access protocol，SOAP)，注冊與查找機制采用UDDI(universal description，discovery and integration)[4]。

2 基于Web services的復雜產品異構數據集成平臺層次模型

本文提出的基于Web services的企業復雜產品集成設計平臺的層次模型如圖2所示。當企業間相互調用Web services時，UDDI注冊中心、服務請求者和服務提供者就構成了一個面向Web服務的企業集成模型。

1)客戶訪問層 客戶層采用C/S與B/S結構相結合。這樣客戶端的應用程序既可以是傳統的應用程序，也可以是基于Web方式的網頁，或是手機等終端設備。該層是平臺入口，用戶通過客戶端瀏覽器與平臺交互。

2)企業應用層 實現企業各種應用的再利用和重新整合，以及企業內所有業務流程的邏輯表示。在平臺中企業的業務流程應該是對粗粒度服務的組裝和排序，服務的不同組合方式代表了企業不同的業務過程，從而實現動態業務模型。當企業的業務需求發生變化時，只需調整服務間的組裝方式就能快速響應業務的變化，使企業能以最快的速度滿足市場的需求，這也是企業協同的目標。該層主要包括Web應用和企業業務應用。Web應用采用模型—視圖—控制器(MVC)模式，將企業應用以網頁形式呈現給用戶，實現企業門戶網站。企業業務應用包括工程數據管理、文檔管理、項目協同管理等應用系統。

3)Web服務層 實現對企業遺留系統和新開發系統的Web服務封裝，包含基礎服務、安全服務、數據服務等支撐服務。通過對企業遺留系統的Web服務封裝，實現CAD、PDM等產品設計軟件和產品數據管理軟件的集成，實現平臺對產品設計數據管理及設計過程協同的支持。對新開發的ERP、CRM等系統也進行Web服務封裝，以便實現異構互操作。數據服務是數據訪問、集成、轉換以及重用服務，是平臺應提供的主要服務。

該層還采用企業服務總線作為連接服務的通信橋梁。ESB所提供的基于標準的連接服務，可將應用中實現的功能或者數據資源轉換為服務請求者能以標準的方式來訪問的服務，從而使得服務請求者與服務提供者之間以松散耦合、動態的方式交互。元數據存儲庫存放企業應用集成所涉及到的所有數據元模型、規則等，它是一個存儲規則和模式的數據倉庫。企業UDDI 注冊中心是企業應用程序以Web服務的方式封裝后，所有關于這些Web服務的WSDL文檔均要在這個注冊中心注冊。對這些服務的調用均要在注冊中心搜索以決定調用的端口和方式。如果注冊中心是私有的，則集成的是企業內部的應用系統。如果注冊到公有注冊中心，則可以通過Internet 跨企業間實現應用系統的集成。

4)企業資源層 包含與設計相關的各種數據資源，如零件庫、結構件庫、文檔庫、半結構化數據、流式數據文件、企業遺留數據庫等［5，6]。

3 關鍵技術研究

3.1 基于平臺的企業產品設計集成機制

3.1.1 企業內集成

本文采用Web services技術實現企業內部的集成。企業中基于Web服務開發的系統，可直接注冊到企業的私有UDDI中心。對于企業中的遺留系統，可以利用一些專用的工具(如SUN 的開發包JWSDP等)將整個系統或者其中的一個獨立部分包裝為Web服務。對于開放數據庫的應用系統，可以通過實現數據的存取、轉換等功能并封裝為Web服務，供其他應用進行調用。對已有系統實現Web服務封裝的過程如下:

a）將要封裝的應用系統的功能模塊和調用方法生成WSDL文檔。對服務封裝后生成的一個WSDL文檔如下所示：

〈wsdl:definitions〉

〈wsdl:types〉

〈xsd:schema〉

〈xsd:element name=\"OperationMethod\"/〉

……

〈/xsd:schema〉

〈/wsdl:types〉

〈wsdl:portType name=\"ProductPDM\"〉

〈wsdl:operation name=\"OperationMethod \"〉

〈/wsdl:operation〉

〈/wsdl:portType〉

〈wsdl:bindingname=\"ProductPDMSOAP\" type=\"tns:Product-PDM\" 〉

〈wsdl:operation name=\"OperationMethod \"〉

……

〈/wsdl:operation〉

〈/wsdl:binding〉

〈wsdl:service name=\"ProductPDM\"〉

〈wsdl:port binding=\"tns:ProductPDMSOAP\" name=\"ProductPDMSOAP\"〉

〈soap:address location=\"http://www.productdesign.org/\"/〉

〈/wsdl:port〉

〈/wsdl:service〉

〈/wsdl:definitions〉

b）生成服務器端基于SOAP的框架代碼(service skeleton)，在框架代碼的基礎上開發適用于該應用系統的服務封裝器(Web service wrapper)。服務封裝器的功能就是將SOAP請求轉換為應用系統能夠接受的數據格式，并將處理結果轉換成XML格式，封裝成SOAP消息后發送給請求者。

c）將WSDL描述文件發布到企業私有UDDI注冊中心[7]。

3.1.2 企業間集成

企業間的集成機制與企業內的集成相似。企業聯盟的各成員根據開展產品設計的需求，將自己可提供的服務發布到平臺的UDDI注冊中心，借助平臺完成服務的注冊后，就可以通過訪問平臺的統一界面開展產品協同設計。企業對服務的調用是透明的，由平臺實現對服務的管理、發布、查找和綁定。另外，平臺也可以將企業聯盟可公開的服務注冊到公共的UDDI中心，供第三方系統調用。

基于Web services的企業集成平臺中，企業應首先對企業內部原有各系統進行整合，將那些對外的、需要共享的業務邏輯通過Web services封裝，用WSDL進行描述，并將其在平臺或第三方機構的UDDI注冊中心進行發布、注冊，不同的企業通過到UDDI注冊中心發現對方，通過SOAP消息動態，按需地進行Web服務調用，實現跨平臺、跨地域的協同設計。

3.2 企業間產品數據共享模型

數據服務包括數據的訪問、共享、集成以及轉換等服務。由于各企業在產品生命周期的各個階段采用不同的計算機輔助設計(computer aided design，CAD) 、產品數據管理(product data management，PDM)和企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)等軟件，產生了不同格式的輸出數據，使得這些系統之間的數據集成和共享成為一個制約性問題。STEP等標準在一定程度上實現了產品數據共享，但是這些格式的文件很難在網絡上傳輸。XML作為Web services的實現基礎，具有簡單、跨平臺、與實現語言無關、易于在網絡上傳輸和實現企業間的數據集成等特點，能夠很好地解決這一問題。因此，本文利用XML技術解決產品數據共享問題，研究基于XML的產品共享數據轉換模型以及XML與數據庫之間的轉換問題。

利用XML描述需要共享的數據，使其從一個應用系統傳遞到另一個應用系統中，可以解決數據不能共享的問題。基于XML的產品共享數據轉換模型如圖3所示。

企業共享數據轉換過程如下：服務提供者在收到服務請求后，將企業的數據由XML轉換模塊封裝成XML數據。XML的格式由預先定義的XML schema或者文檔類型定義(document type definition，DTD)確定。XML轉換接口可以實現將已有XML、STEP或數據庫表等格式的數據轉換成需要的XML格式的數據。服務請求者得到所要的XML數據后，根據XML schema或DTD進行解析，轉換為應用程序可用的數據。服務請求者與服務提供者之間利用HTTP或SOAP協議進行通信，易于實現在網絡上的數據傳輸。

對于圖3中的XML轉換模塊，本文實現了XML與數據庫之間的數據轉換，如圖4所示。

在將XML數據導入到數據庫時， 首先根據XML與數據庫之間的映射規則和DTD文檔建立映射文件，并根據映射文件將DTD映射成數據庫中的表結構;然后利用XML轉換器對XML文檔進行解析，提取XML文檔中相應節點的數據，并通過數據庫訪問接口導入到數據庫中。

從數據庫中導出數據生成XML文檔時，首先要根據數據庫中的表結構生成映射文件；然后根據該映射文件，XML轉換器從數據庫中提取數據，生成XML文檔對象模型(document object model，DOM)；最后序列化為XML文檔[8]。

4 系統實現與應用

基于上述設計思想，采用Oracle作為數據庫服務器、JBoss作為應用服務器，利用Web services和J2EE技術實現了復雜產品異構數據集成系統。其應用界面如圖5所示。

系統的業務邏輯由會話EJB組件實現，對象模型采用實體EJB實現，從而與系統的數據庫建立起ORM映射，利用JPQL語言訪問實體對象；利用開發工具對企業業務進行Web服務封裝，生成相應的WSDL文檔，用JAXP在UDDI中心發布和查找Web服務，用RPC接口中的方法調用服務請求，用Ajax技術實現XML文檔的解析。

系統支持項目協同管理、文檔管理、工作流管理、服務定義和調用等功能，實現了服務描述、數據管理、資源共享和數據集成等服務。利用該系統，可以集成不同企業的應用構建協同產品設計環境，幫助企業尋找和發現產品研發、商務合作的合作伙伴，實現合作伙伴間的資源共享和相互協作。

該系統在黑龍江省某科技攻關項目中得到了應用。在各聯盟實體間部署該系統，實現了制造企業間復雜產品異構數據共享、集成和協同設計。應用實踐證明能有效提高產品開發效率。

5 結束語

本文以Web services技術為基礎，構建動態聯盟環境下企業間復雜產品異構數據集成平臺層次模型，實現聯盟實體間產品設計的數據資源整合和資源共享，為企業間的數據集成和產品設計提供了一種解決方案，也為分布式產品設計平臺的構建提供了一種參考方法。同時由于復雜產品制造和Web services仍屬于較新的技術，有很多問題還需進一步的深入研究。

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