離散制造企業應用集成開發研究

秦海平，王美清

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

0 引言

企業應用集成(Enterprise Application Integration, EAI)對企業信息化建設和消除“信息孤島”意義重大。目前，成功的EAI案例多集中在電信、金融、物流等行業，而離散型制造企業鮮有成功的案例。究其原因是：前一類行業普遍具有業務流程貫穿的應用系統較少、海量數據但數據結構簡單、信息化基礎較好等特點[1]；而后一類企業存在應用系統跨越領域大、生產周期長、業務流程復雜、數據源分散且數據結構復雜等特點。這些特點加大了離散制造企業EAI的難度。目前，對制造企業應用集成研究多傾向于小范圍的幾個應用系統之間的集成，如ERP/MES、PDM/ERP/MES系統集成[2,3]，而對整體集成架構研究還不多見。同時，離散制造企業業務流程上的復雜性和企業共享數據的特點，使得其在各層次集成實現方式上與一般企業也有所不同。但目前的研究多傾向于一般性，很少針對離散制造企業特點。以數據集成為例，常規方法是對各應用系統數據庫進行分析整合，建立統一的元數據模型[1,4]，進行數據共享和存取。但離散制造企業基于既有數據結構的集成特點使得上述方法并不適合。因此，結合離散制造企業信息化環境，研究其企業應用集成特點和集成方案，將有助于離散制造企業EAI的成功實踐。

針對上述情況，本文提出了面向離散制造企業的EAI集成框架，針對離散制造企業應用集成特點，對集成進行了分類，并給出了針對性的技術實現方案，并通過具體的集成實例驗證了集成方法的有效性。

1 離散制造業EAI架構與實現

綜合離散制造企業EAI的特點，離散制造企業EAI所要實現的目標如下：

1）實現各應用系統之間信息與數據共享；

2）實現應用系統之間過程協同與流程管理；

3）實現流程處理過程中的統一的界面管理；

4）實現特定信息的實時動態提取與展現。

1.1 集成框架

目前較為常見的集成框架有：中心-輻條式（Hub-spoke）、企業服務總線式（Enterprise Service Bus，ESB），面向服務的體系架構（Service Oriented Architecture，SOA）等。文獻[1]采用了網絡集線器模式，這種結構容易造成效率瓶頸，同時存在單點失效問題。ESB模式將集成中心擴展成分布在多個物理節點上的總線，有效解決了hub-spoke模式的單點失效和效率問題。但面向組件的集成技術，使得其實現起來過于復雜。SOA架構模式面向粗粒度的服務，具有良好的可擴展性和靈活性[5]。但同ESB一樣，均采用集中式的消息路由和數據轉化模式，這在離散制造企業復雜的EAI環境下實現起來難度較大。而且，多數業務流程具有周期長，簽署多，角色性強等特點，使得這些流程很難基于工作流模型通過服務編排來實現，此時采用直通式的處理方式更合適。

綜合上述分析，為了避免整體架構上功能過于集中與實現上的復雜性，使得功能實現趨于分散和簡單化，提出如圖1所示的基于分布式網絡和Web Services技術的集成框架。

其中，企業集成管理平臺是整個集成框架的核心部分，與其他應用系統共同構成企業分布式應用網絡系統。

圖1 離散制造企業EAI集成框架

集成框架的主體即集成管理平臺組件功能如下：

1）工作流引擎 定義并解釋執行工作流。WSFL將業務過程中的每一個步驟都定義為一個活動，將業務過程的一次執行看成是各活動按照指定順序的激發。

2）流程管理組件 監控集成平臺業務流程和應用系統間業務流程執行狀態。

3） Web服務引擎 負責完成Web服務的發布、調用等相關處理；實現應用系統之間的信息交互。

4）服務管理器 統一管理應用系統服務注冊和登記，詳細標識服務的WSDL地址、提供服務說明等。

5）信息管理組件 通過Web服務獲取各應用系統相關信息視圖，進行數據處理，動態發布展現數據信息。

6）界面管理組件 完成與CA的用戶認證，管理各子系統的統一登錄與用戶驗證。

對業務往來頻繁的應用系統間集成通過Web Services進行直通式信息交互。交互時，直接通過Web服務尋址發送到目標應用系統，由目標應用系統自身完成對消息的處理，不需要經過集成服務器進行路由邏輯判斷和消息處理。降低了集成管理平臺的路由負荷和復雜度。

各應用系統組件功能：

1）Web服務引擎 完成本系統的Web 服務封裝、發布，處理對其他系統Web服務的調用；

2）數據轉換 在調用其他服務時完成相應的數據轉換、解析等處理；

3）頁面管理 定制開發并管理過程集成中的部分協同頁面。

1.2 集成類別

根據離散制造企業信息化特點和EAI的具體需求，將企業應用集成分為信息集成、過程集成和界面集成。又依據其信息類型的不同，將信息集成細分為：結構樹類型、消息類、復雜對象類信息集成。綜上，將離散制造企業應用集成分為如下五類：結構樹類型信息集成、消息集成、復雜對象類集成、過程集成和界面集成。如圖2所示，依次用A、B、C、D、E五個符號分別來標識。

圖2 離散制造企業應用集成分類

X軸表示企業內各個應用系統集，Y軸表示集成類別，Z軸表示某個應用系統，各應用系統處在企業的分布式網絡Internet/Intranet環境中。三者構成的空間為企業應用系統之間的集成空間，三個維度上的交點表示應用系統之間的信息集成、過程集成、界面集成點。

以上的集成類別通常是按一定順序依次實現的。信息集成是整個EAI的基礎，過程集成則是各類信息集成的有機結合，而表現則依賴于界面集成。

1.3 集成實現

下面依次對五類集成進行分析并給出技術實現方案。

首先是信息集成。信息集成的方法有：數據聚合、數據復制、面向接口集成和析取、轉換等。

1）A類集成點為結構樹類型數據，在離散制造企業中主要是產品BOM和組織人員信息等。這類信息通常存在多層次的父子關系，數據量大，重用度高。常規集成方式是建立產品信息和人員組織信息的元數據模型，合并數據庫，實現統一存取。但在離散制造企業有如下不足：很多系統有著獨立的產品結構樹和人員組織結構樹管理方法，集成是基于遺留系統既有數據模型和表結構的，重構元數據模型勢必造成應用系統代碼的大量修改；不同系統有著不同的人員角色與權限控制方法，元數據信息模型很難統一維護。基于以上分析，只能通過數據的結構化解析和映射轉換，在遺留系統獨自維護，集成方法如圖3所示。

圖3 產品人員類信息集成方案

該方法將Web Service和傳統的數據復制、觸發器、JDBC/ODBC等技術相結合。整個集成流程可分為以下幾個部分：

（1）產品和人員組織信息源將相關數據復制到中間數據庫，供其他系統讀取，避免了數據源與外界直接交互，提高安全性；

（2）通過監聽及觸發器技術， EAI平臺及時捕獲產品、人員信息的最新變化，獲取相關標識信息；

（3）EAI平臺通過調用Web服務，將產品或人員組織的標識信息傳遞給各個應用系統；

（4）應用系統依據相關標識信息，通過JDBC/ODBC連接方式從中間數據庫查詢并獲取數據[6]；

（5）應用系統通過數據轉換和析取，將產品、人員結構化數據增量式更新到本地。增量式更新是針對產品BOM不同版本而言的，避免產品信息的丟失，對相關信息如質量信息在產品追溯上有重要意義。

2）B為消息類集成。消息通常是在業務過程中為配合其他業務活動執行情況而動態產生的。它具有內容簡短，結構簡單的特點。在程序中可能是一個字符串、整型、布爾型變量等。

本文所提出的EAI架構模式中，消息傳遞通過應用系統之間直接調用Web services方式實現。服務調用參數或返回值為簡單對象類型，不需要轉化和解析，可以直接引用。

3）C類集成為復雜對象類集成。主要是完成過程集成和系統間功能集成中所需要的數據共享等。如制造流程中ERP向MES下達生產訂單任務，質量管理系統向PDM系統反饋產品質量文檔等。采用Web Services方式，參數為復雜對象，可以是一般意義上的類對象，也可以是文件對象等。

4）D類集成為過程集成。為了滿足離散制造企業業務流程處理周期長，跨應用系統多，簽署人員廣等的需要，跨應用系統執行時，采用直通式的處理方式。一方面可以通過將附加參數的URL鏈接到定制的操作頁面，同時觸發調用Web Services將集成數據傳送到目標應用系統。另一方面，也可以采用可交互Web服務技術(Interactive Web Service，IWS)[7]，直接將Web服務與顯示界面和用戶交互界面綁定。交互式Web服務技術不同于傳統的Web服務，它能將用戶界面像它的Web方法一樣提供給用戶使用，從而真正實現Web 服務在應用系統中的即插即用。

5）E類集成為界面集成，是EAI表現層的集成，著眼于企業用戶對應用集成的整體性體驗。主要實現CA認證、單點登錄、界面風格的統一性等。其中CA認證由集成平臺/企業門戶實現；單點登錄指企業用戶在登錄企業門戶界面后，登錄應用系統時不需進行顯式的身份驗證，而只要用獲取的用戶信息在后臺隱式地驗證；界面風格統一性針對企業新業務流程執行過程中的用戶交互界面，由EAI平臺定義頁面統一樣式，各應用系統按既定樣式定制開發相關頁面。

2 應用實例

某廠所是一個典型的離散型制造企業，有著較為成熟的企業信息化環境和計算機集成制造環境。在該廠所進行企業應用系統整合過程中應用了本文提出的EAI架構和技術實現方案。整體集成解決方案如圖4所示。

圖4 某廠所應用系統集成解決方案

上述方案基于分布式網絡環境，運用Web Services技術，通過構建企業EAI集成平臺，采用直通式交互處理方式，實現了包括工程設計自動化、經營管理、制造自動化和質量保證等子系統在內的系統間應用集成。

其中，經營管理子系統包括 (office automation，OA)、ERP、人力資源管理(human resource management，HR)、供應鏈管理(supply chain management，SCM）、客戶關系管理(customer relationship management，CRM）系統等；工程設計自動化子系統包括產品數據管理(product data management，PDM)、CAD、CAPP、工時管理(work hour system，WHS)系統等；制造自動化子系統包括MES、裝配過程控制系統等；質量保證子系統為質量管理系統(quality management system，QMS)。

針對集成的五個類別，下面以QMS系統為例，介紹其與其他應用系統的集成實現。按照圖2所示方法，確定QMS與其他系統集成內容和所屬類型，如表1所示。

表1 QMS與其他系統的集成交互點

結合各應用系統軟件平臺、開發語言，依據集成類型，運用本文提出的各個類別的集成方案，進行系統集成開發，實現相應的集成內容，運行結果正確且穩定。如通過對作業計劃、質量信息等數據對象的序列化/反序列化解析與封裝，進行信息動態傳遞，實現制造業務上的過程協同；通過用戶信息在后臺進行隱式驗證，獲取其功能角色及權限，實現單點登錄等。圖5為EAI集成環境中的質量管理系統的運行界面。

3 結束語

圖5 質量管理系統集成管理界面

本文結合離散制造企業信息化環境，研究了離散制造企業EAI特點，分析了幾種典型集成模式在離散制造企業EAI應用中的不足之處，繼而構建了適合離散制造企業的應用集成框架，并依據集成實現技術上的不同，將離散制造企業集成劃分為五個類別，分別進行了分析，并給出了針對性的技術實現方案。該集成方案已應用于某企業的信息化建設項目中，并取得了較好的應用效果。

[1] 王睿,李從心.離散制造企業EAI架構[J].中國機械工程,2007,18(8):933- 937.

[2] 謝黎明,楊娟,等.基于機床制造的PDM/ERP/MES系統協同集成研究[J].科學技術與工程, 2007,20(7):5348-5350.

[3] 劉曉冰,薄洪光,等.鋼鐵集團企業集成化生產計劃管理模型研究[J].計算機集成制造系統,2008,14(1):24-32.

[4] 陳超,王睿.制造信息資源元數據描述及其在EAI中的應用[J].江蘇科技大學學報,2007,21(5):44-48.

[5] ERASALA N,YEN D C,RAJ KUMAR T M.Enterprise application integration in the electronic commerce world[J].Computer Standards & Interfaces,2003,25(2):69-32.

[6] 王彬,王美清.離散型制造企業生產質量信息管理與集成[J].航空精密制造技術,2007,43(1):47-50.

[7] 劉英丹,董傳良.用戶界面集成中可交互Web 服務的應用研究[J].計算機工程,2005,31(22):125-126.