面向服務的企業云資源建模方法的研究

王云霞，邱勝海，李光榮

（南京工程學院 機械學院，南京 211167）

0 引言

資源是企業經營過程和企業活動的物質載體。廣義的制造資源是指完成產品整個生命周期的所有生產活動所需物理元素的集合，包括設計、制造、維護等相關活動過程中所涉及的所有元素。制造資源建模是一種描述制造資源模型的方法，通過對企業資源的形象化、準確描述，將物理資源轉化為虛擬資源的過程。制造資源建模可以為企業資源提供統一的描述方法，是實現云制造資源共享和資源優化配置的重要基礎。

國內外對于企業資源建模問題已經開展了許多研究工作，但目前還沒有公認的、全面的建模理論和建模方法。在理論上比較有影響的建模體系主要有CIMOSA、IEM、ARIS、DEM、IDEF、PERA、集成化企業建模體系等[1]，經歷了以數據庫為表達工具的傳統建模方法、面向對象的建模方法和基于語義建模方法三個階段。

其中計算機集成制造開放體系結構CIMOSA(Computer Integrated Manufacturing Open System Architecture)具有全面性、完整性、開放性、標準化和形式化等優點，成為國際標準化組織的一項預標準。其目的是提供一個開放式、全面的、面向整個系統生命周期的參考體系結構,從多個層次和多個角度反映企業建模的過程和階段。但其不足之處在于還沒有一種真正意義上的方法論指導建模過程的實施，且模型框架的部分內容尚不完善，因此尚無一種完全遵循CIMOSA體系結構的商用軟件[2]。

相比于國外在企業建模領域的研究而言,我國無論是在建模方法的研究上還是建模工具的開發方面都落后于國外。針對企業制造資源建模主要應用面向對象技術和基于本體的建模方法，在此基礎上，衍生出基于STEP、基于XML、基于UML、基于OWL等的各種建模工具和方法。這些方法在具體應用時尚未有完善的建模體系為基礎，且由于制造資源語義豐富多樣，面向對象的建模技術無法滿足該特點；而基于本體的建模方法要實現與數據庫的轉換才能具體應用，方便性方面有所欠缺。因此，本文以制造資源為對象，借用CIMOSA企業建模思想，建立制造資源的三維體系結構，對建模方法和建模技術進行研究，并應用圖數據庫技術實現資源建模與應用。

1 面向服務的云制造資源建模體系

云制造是面向服務的生產模式的一種具體表現形式，其實質是通過全方位整合云端制造資源提供高效快速的按需服務，實現云請求、云服務和云提供方的三方共贏。目前部分學者對云端制造資源的分類與建模技術進行了研究，如程臻提出了基于本體的資源描述及虛擬化方法，選用OWL-S建立制造資源本體模型[3]；楊琛提出基于語義的云制造服務體系結構建立了復合制造本體[4]；尹勝對基于Web服務建模本體的外協加工資源語義描述總體實現框架、外協加工資源本體建模等關鍵技術進行了研究[5]。這些建模方法為云制造資源的應用提供了積極的探索，依據本體建模理論,對制造資源進行本體化建模與分析，但在具體應用時主要采用XML、OWL等語言建模，無法實現語義的直接表述與使用；且已有的制造資源分類與描述更多的是從生產過程、生產要素等角度來進行描述，無法體現云制造模式下制造資源的特性。

云制造模式下的制造資源的描述其實質是對企業制造能力的具體表達，也是企業競爭力的體現。因此云制造資源建模在繼承傳統資源建模方式的同時，更注重資源制造能力的表達和通過物聯網實現互聯的制造資源感知能力的描述。

1.1 云制造資源模型體系特點與要求

云制造模式下企業制造資源建模是一項比較復雜的任務，既要包含原有制造模式下制造資源特點，還要增加云制造模式下特有的特征，如按服務組織資源、動態組合、通過云服務平臺進行資源購買與租賃等。因此對云制造資源建模體系的要求主要有：

1）模型表達能力完善且豐富

云制造資源是涵蓋了企業所有與生產活動相關的制造資源，既包括軟件、數據、人員、服務等軟資源，也包括設備、物料、物流、協作等硬資源。資源模型在建模時應能充分體現這些類型不一、形式多樣的制造資源，并特別強調制造能力的表達。

2）模型容易理解

所建立的資源模型應該具有統一性，能夠為裝備制造行業的相關企業所使用，且所建立的模型易于理解，具有通用性。因為模型不同層次之間都有著密切聯系，不是孤立的個體，都能反映制造資源的某一特性。所以針對模型的各個側面、不同視圖進行描述時應具有視圖間數據的一致性。

3）模型能夠作為現實對象的形象化描述

對制造資源科學準確的描述與建模是實施云制造生產模式的基礎，是制造資源轉化為虛擬資源并形成虛擬云池的過程，也是資源能夠實現快速匹配、高效組合利用的前提條件。為了能夠針對不同類型的資源進行準確描述和豐富利用，模型必須能夠針對云制造資源進行形象化描述。

1.2 基于CIMOSA的云資源三維體系結構

綜上所述，本文以CIMOSA企業建模體系為參考，在此基礎上結合云制造資源特點，將CIMOSA方法進行改進并應用在云資源建模方法中。將原有的視圖維、生命周期維和通用性維改為視圖維、層次維和制造能力維三個維度，建立三維體系結構并從資源層次、能力結構、視圖類型對制造資源進行全方位分析。其結構體系如圖1所示。

圖1 CIMOSA企業建模體系與改進的云資源建模體系三維視圖

1）視圖維

云制造資源視圖主要包括功能、結構、信息、組織、過程和狀態六大視圖。其中功能視圖用來描述資源所具備的的各種功能；結構視圖是資源依據功能原理所具有的結構組成；信息視圖是制造資源在服務過程中所需要的相關信息；組織視圖是反應企業在組織資源過程中的組織結構及其相互關系，確定企業內部多級多維職責體系；過程視圖反映了制造資源服務過程的流程，直接映射了資源全生命周期的各個階段；狀態視圖則是制造資源在任意時刻所具備的狀態。

2）層次維

層次維將制造資源分為產業、聯盟企業、集團、工廠、車間、班組、設備層，以滿足云制造模式下制造資源在企業內部與企業外部的資源共享。通過層層遞進，可以將產業內或聯盟企業內所有制造資源分類整合，在云服務平臺上實現業內聯盟與共贏，提供云服務資源的高效快速利用。

3）制造能力維

圖2 云資源模型執行結構圖

在制造戰略研究中，能力的概念來源于戰略管理研究，被定義為企業運用資源的能力，企業所擁有的資源和能力是企業間競爭的基礎。制造能力是指制造企業為完成某一目標所需要的主客觀條件，是一種無形的、動態的資源形式，是在制造活動中結合制造資源要素所表現出來的一種能力[6]。云制造環境下的制造能力必須考慮產品全生命周期內各種制造資源在提供云服務過程中的參與程度、能力提供水平、資源組合能力等，并對該制造能力進行迅速有效的評價和應用。在此將制造能力劃分為保供、設計、協調、管理、控制和質量保證能力。其中保供能力是提供云服務所必須的供應能力；設計能力是利用相關資源，完成滿足設計任務的能力；協調能力是面對眾多云請求在提供服務時對各種資源應用上的沖突調解和任務分配能力。

在層次維劃分基礎上，按用途擬將云制造資源分為協作、服務、人力、物料、設備、應用軟件、物流和數據八大類。云制造生產模式下的制造資源其實質任務是提供各種服務需求，包括產品購買、資源租賃、信息共享等。在提供服務的過程中，將各種制造資源依據制造能力來實現資源整合和快速利用。因此，云資源三維體系模型的核心是制造能力維，視圖維和層次維圍繞制造能力組織服務與生產，實現的關鍵是建立制造能力維與視圖維之間的互聯與表達，其描述模型如圖2所示。云服務平臺由云請求、云服務和云提供三層組成，云請求端接受各種請求服務，由服務層的制造能力評價體系進行能力評價與任務分配，并與視圖維中各視圖進行關聯，最后將分解的任務分配到底層的各種制造資源，通過組織、協調、管理與控制視圖，實現資源的優化動態組合并提供各種服務。

2 制造資源模型表達與應用

2.1 資源模型的定義與表達

面向云制造的資源模型三維體系結構通過彼此的關聯關系實現資源和能力的共享，模型的不同維度在建立時又以需求分析、系統設計、系統實施為步驟逐一展開。由于制造資源的種類繁多，將生產過程中的人、財、物、料、信息等全部包含在內，具有豐富的語義表述和關聯關系，原有的語義表示方法存在一定缺陷，在此引入圖形數據庫進行模型表達。

圖形數據庫是一種非關系型數據庫，屬于NoSQL數據庫四大類型之一，應用圖形理論存儲視圖之間的關系信息。關系型數據庫用于存儲關系型數據時產生阻抗失諧問題[8]，而圖形數據庫沒有數據結構限制，可以表達豐富的語義知識，能夠直接為程序調用不需轉換為數據庫存儲。

圖形數據庫的組成要素為節點、關系和屬性。節點是帶有不同屬性的實體，關系就是有向圖的邊，且邊也有不同類型即屬性。每個關系由起始節點、終止節點和類型三個要素組成。由此在資源建模時進行如下定義：

定義1：節點概念組N={Ni|i=1,2,…,n}，每個節點為一個實體，代表云制造資源八大類資源中每一具體的資源，如數控磨床MK2110、管理人員張經理、外協件電主軸等。

定義2：關系四元組：R={part_of,instance_of,kind_of,attribute_of}，節點與節點之間的關系主要包括整體與局部、實例關系、繼承關系和特征關系。

定義3：屬性概念組：P={P1，P2}，分別表示公共屬性和私有屬性。公共屬性為某類制造資源所共有的屬性，私有屬性則是該資源所特有的，獨一無二的屬性，也是該資源區別于其他資源的屬性特征。

其中P1={P1j|j=1,2,…,m}，P2={P2j|j=1,2,…,m}。每一資源屬性組都由多個動態屬性組成，屬性的個數與資源的類型有關，如設備資源的功能屬性包括加工精度、加工尺寸、加工價格、工藝水平等組成；狀態屬性由負荷率、運行狀態、故障信息、維修信息等組成；結構屬性根據不同設備的功能原理形成的結構部件、尺寸、數量等組成；信息屬性由設備資源自身的相關數據、所需資料、加工生產的相關數據等特性組成；過程屬性由設備的加工任務、工藝路線、加工對象、加工歷史等組成；組織屬性主要包括制造活動的組織、管理等特性。制造資源通過唯一的關鍵字標識ID，將所特有的屬性、關系和能力、視圖等聯系起來。

2.2 資源模型的實現與應用

依據上述資源模型建模方法與原理，選用Neo4J圖形數據庫進行建模。該數據庫用Java實現完全兼容ACID，將數據以一種針對圖形網絡進行優化的格式保存在磁盤上。該數據庫提供了廣泛使用的REST接口，方便集成到基于PHP、.NET和JavaScript的環境里。在此應用Cypher語言進行建模。Cypher是Neo4J自己提供的一種高效類似SQL的語言，用于圖數據和關系查詢。主要語句如下：

創建節點：create n={name:'Motion',ID:'M001'}return n;

創建關系：start n=node(14),m=node(20) create m-[r:KNOWS]-n return r;

按關系查詢多個節點：start a=node(14) match b-[r]<->a return r,b;

使用Where條件查詢：start n=node(*) where n.name="Activity" return n;

以裝備制造集團企業為例，通過分析資源節點與節點之間的關系與屬性，建立部分云資源模型如圖3所示。該模型重點分析設備資源的構成，共建立108各節點，106對關系。節點之間的關系和屬性從圖中可以清晰表達。該數據庫可以通過Java-API直接與程序進行交互，為云服務平臺的建立奠定基礎。

圖3 基于Neo4J的云資源模型數據庫

3 結論

隨著Web技術、制造技術、信息技術的飛速發展，云制造生產模式作為面向服務生產模式的具體表現形式必將會得到大力發展與實現。本文通過對現有資源建模方式存在問題的分析，結合企業建模方法CIMOSA，建立云資源模型三維體系結構。以制造能力維為核心，將視圖維、層次維與能力維進行關聯，并應用圖形數據庫Neo4J對模型的實現進行研究，為物理資源向虛擬資源的轉換與映射提供了參考和依據。

[1]范玉順,吳澄,王剛,等.集成化企業建模方法與工具系統研究[J].計算機集成制造系統,2000,6(3):1-6.

[2]楊云濤,王潤孝,宋麗君,等.企業建模方法及ARIS建模過程應用研究[J].組合機床與自動化加工技術,2007(3):91-03.

[3]程臻,戰德臣,徐漢川.云制造環境下基于本體的資源虛擬化方法[J].華中科技大學學報,2013.12:106-112.

[4]楊琛,王忠杰,王世明.基于本體的云制造服務發現模式研究[J].制造業自動化,2012.10:56-60.

[5]尹勝,尹超,劉飛,等.云制造環境下外協加工資源集成服務模式及語義描述[J].計算機集成制造系統,2011,17(3):525-532.

[6]張霖,羅永亮,陶飛.制造云構建關鍵技術研究[J].計算機集成制造系統,2010,16(11):2510-2520.

[7]Pramod J.Sadalage,Martin Fowler.愛飛翔.NoSQL精粹[M].北京:機械工業出版社,2013.9.