面向服務的智能制造資源建模方法研究*

相奇丹，喬 非

(同濟大學 CIMS中心，上海 201800)

面向服務的智能制造資源建模方法研究*

相奇丹，喬 非

(同濟大學 CIMS中心，上海 201800)

在追求制造過程自適應、自組織以及靈活高效的新制造環境下，將Holonic體系與面向服務的結構融合對于創建更加靈活響應的制造系統是一種極具吸引力的解決方式；制造服務作為制造系統間相互交互的主要元素，不同于Web服務，需要新的更合適的模型來描述制造資源。文中提出了一種將面向服務的架構融入到多智能體系統的方法，給出一系列決定如何實現實際生產過程應用中每個制造子體的規則，并將這些規則應用于ISA-95層級活動中。另外，在Web服務技術基礎上提出新的制造體系下制造服務的信息模型和面向服務制造過程的設計框架。最后通過制造過程實例說明這種信息模型在實際生產過程中應用的有效性。

面向服務體系；Holonic制造體系；制造服務信息模型；生產過程建模

0 引言

在過去的數十年中，商品市場逐步向追求產品高度定制化以及更短生產周期方向發展。企業為了在這個不斷變化的環境下保持競爭力，需要探索出響應快速、成本不斷降低并且生產效率不斷提高的制造系統。智能制造系統領域持續關注著“新一代制造系統(New Generation Manufacturing System，NGMS)”所帶來的機遇和挑戰。NGMS需要具備一個集中的資源管理平臺，將分散在各地的制造資源集中起來，實現資源的統一管理和優化配置，從而提供面向制造過程整個生命周期的更加靈活、定制化、成本更低并且效率更高的制造服務。實現這樣的分散型制造系統需要解決許多困難。一方面，系統需要集成各個參與者的制造資源信息以最小化資源調度的成本；另一方面，系統必須能夠應對制造過程中不可預測的情況和制造計劃的改變，盡可能在不增加制造成本的情況下最小化外部干擾。Holonic制造體系(Holonic Manufacturing System，HMS)[1]和面向服務的架構(Service-Oriented Architecture，SOA)[2]是目前普遍應用的兩種制造體系，它們都為創建開放、靈活以及敏捷控制的新一代制造系統提供了必要的指導原則，HMS提供了制造體系下基礎架構層面的靈活性，SOA確保制造活動過程層面的靈活性，融合HMS與SOA以應對NGMS的挑戰是非常有效的。

在計算機科學領域，Web服務技術(Web Service，WS)是面向服務架構的開發人員的首選工具，通過“語義Web服務”的規范構建本體和邏輯推理規則，以完成基于語義的知識表示和推理，使語義信息能被計算機理解和處理[3]。然而，這些本體和描述語言專為Web應用程序設計，與制造系統中的服務雖然有類似之處但又有很大的不同。本文試圖分析描述制造資源時所需的屬性信息和邏輯操作，并在此基礎上設計制造服務信息模型和面向服務制造過程的封裝框架。

1 NGMS體系架構實現方式

1.1 新架構存在的前提條件

為應對NGMS帶來的挑戰，企業在構建制造信息系統時需要重點解決信息集成、業務自動化以及對變化的制造環境自適應這三個方面的問題。而通過將HMS和SOA相融合，利用前者WS的易集成性和靈活性、后者代理的敏捷性實現企業制造過程的智能化和敏捷化。

(1)由于歷史或技術原因，貫穿于整個工廠的信息集成是通過不同的軟件系統完成的。WS基于標準的Web技術并且得到了軟件供應商的廣泛支持，非常適合這種類型的任務。

(2)根據一系列業務流程模型實現企業的業務功能自動化。采用基于工作流的標注如BPMN[4]，WS可以組合成更高級別的服務組件，實現更復雜的業務功能。

(3)系統能夠協調參加業務的邏輯和物理實體以滿足計劃進度安排，動態應對隨時出現的問題。基于Agent的系統往往有更多的分散控制結構：FIPA(智能物理代理的基礎)標準定義了一組通信原語和一組允許代理間相互請求以及相互談判的協議。

綜上所述，在實施NGMS的過程中企業需要考慮制造系統結構下的每個子體，評估采用哪一種技術方式來實現子體：純粹的WS、純粹的代理和封裝有WS接口的代理，這將很大程度上取決于其在系統中的作用。如制造系統中日常的業務功能通常是集中和高度可重復的，則該模塊需要被實現為WS。下面介紹企業控制系統集成規范(ISA-95)并提出決定子體實現方式的策略。

1.2 新架構下層級子體實現策略

ISA-95標準為企業制造活動集成提供了一系列接口。類似Williams[5]的參考體系，ISA-95 將企業的組織結構分成一系列層級。該層級結構如圖1所示，層級0是改變原材料的物理過程；層級1主要通過傳感器和執行器監控并操作這些物理過程；層級2是保持制造過程穩定和受控的活動；層級3則是致力于運作管理和工廠車間的協調；最后，層級4執行包括高層次工廠生產計劃在內的所有企業級的管理任務。本文所關注的是對層級3和層級4的實現。層級3需要協調整個車間的工作，采取剛性分層控制方法難以實現。層級4需要融合來自不同工廠的信息，實現每個參與工廠的信息系統間相互交互。

圖1 ISA-95層級規范

通過展示ISA-95層級規范的整體概要，可以把制造子體表述為ISA-95中由子任務、人員以及設備組成的高層級的活動。總的來說，可以將決策過程總結為以下幾點：

(1)若子體是由一些實體分散控制組成，則需要被實現成代理。

(2)若子體需要多個實體集中控制并且是一個可重復的、穩定的業務流程，則需要被實現成WS組件。由于層級3 的一些過程并不能被很好地映射為WS組件，其中的大多數活動并不適合以這種方式實現。

(3)若子體將會被層級4或者代理重用，則需要被實現成WS。這也是“詳細生產排程”模塊被實現成WS的原因。

(4)若一個代理需要接收來自非代理的查詢，則這個代理需要作為WS來暴露。如“車間生產計劃”子體需要接收來自“詳細生產排程”子體的請求。

2 制造資源服務化封裝信息模型

采用在HMS中引入SOA原則，使得生產操作可以標準化為具有適當標識和描述的制造服務，服務成為子體間相互協作和交互的主要元素。為了創建完整的面向服務的制造系統，需要定義組成服務的信息元素(描述資源的屬性和所具備的操作)以及如何將該模型應用到制造過程中。

2.1 制造資源服務總體模型視圖

與Web服務本體相似，制造資源服務描述框架根據制造系統中不同類型的知識信息構建，且將這些知識信息分布在不同的制造服務視圖中，包括制造服務類型(MService Type )、制造服務配置文件(MService Profile )、制造服務描述規范(MService Specification )、制造服務實現(MService Implementation )。圖2的UML模型描述了不同的MService視圖之間的關系。

2.2 制造服務模型

MService模型中包含了在制造業環境下描述服務所需的所有信息元素，圖3描述了MService的組成。

字段service ID是MService的標識，是由服務名稱和所屬的服務本體(本體的具體分類和類別)定義。MService的第二個字段textDescription是以文本描述的方式說明該制造服務可以做什么，詳細闡述了該服務可以完成的轉換以及服務執行之前需要保證的初始條件和服務對產品和環境產生的影響。MService的第三個字段parameters包含制造服務所含的參數，這些參數描述了服務完全達到所需效果范圍需要的信息，提供了正確執行服務所需的標量和模塊化的信息。MService的第四個字段preconditions是關于MService執行前所要具備的條件，包括服務提供商和客戶在執行MService前分別應滿足的條件。該模型另一方面通過輸入和輸出字段來描述提供程序正確執行服務以及返回執行后結果所需的環境知識信息。最后定義了服務的評估準則，通過屬性字段的方式來評定服務性能，包括服務質量、處理時間、服務時間、能耗或可靠性等指標。

圖2 制造服務視圖

圖3 制造服務模型

2.3 制造服務子模型

MService Type代表了服務本體內特定類型的制造服務，描述了制造領域內具體的應用操作和創建此類型下服務實例所需要的具體的特征和參數。圖4展示了服務類型模型的所有信息元素，繼承于服務模型中的服務ID、文本描述、參數和屬性接口并且定義了這些接口如何在該環境下描述各種制造轉換以及請求者完成具體制造操作需要提供的信息。

制造服務描述規范模型是一個給定制造服務類型的實例，提供了實例下不同參數的值和服務屬性信息。該視圖是由服務請求者定義，并利用屬性值的尺度范圍充分描述自己的需求。服務請求者也可以給出描述服務質量需求性能指標，則在服務匹配時只接受能夠擬合服務屬性配置文件標準的推薦服務。制造服務配置文件是用來暴露關于某個特定制造服務類型服務提供商所提供的制造能力。由于企業資源與技術的局限性，制造服務配置文件通過服務參數標量的變化范圍來表現企業可提供的制造能力。制造服務配置文件包含了參數配置集和屬性描述集兩個列表用來表示制造資源的服務功能。每個服務提供商的服務實現模型是唯一的，包含服務提供商采用的所有方法和技術信息，用來實現制造服務類型和制造服務配置文件中包含的制造操作。一個制造服務實現模型是由一個或多個過程方法和一系列的制造參數組成；每個方法也都有自己的屬性規格集用于評估相對于其他方法的優越性。

3 產品生產過程建模實例

根據第2節中給出的制造服務的形式化描述模型,各類制造服務的信息均可以以統一的方式進行定義。同時，制造服務類型信息則需要根據不同類別服務的描述需求，從功能信息屬性庫中提取屬性，以組合的方式分別定義。在智能制造中,生產加工類服務屬于較為典型的服務類型,其功能信息定義較為復雜,本文以半導體制造行業為背景,以生產制造過程服務為例,對MiniFab模型下不同結構層次的制造服務功能信息進行定義;其他類別的服務,如設計、仿真階段的制造服務也可通過類似的方式定義其功能信息。

圖4 制造服務類型模型

MiniFab是根據實際生產線簡化而來的一個簡單的半導體生產線模型，由3個設備組、5臺設備組成。工件在整條生產線中有3個加工區，分別是擴散、離子注入和光刻；有6個加工步驟，第一步與第五步為擴散，可在設備Ma和Mb上進行加工，第二步和第四步是離子注入，可在設備Mc和Md上進行加工，第三步和第六步為光刻，在設備Me上進行加工，這三組設備都具有可重入性。加工工藝流程如圖5所示。

圖5 MiniFab 工藝流程

在該示例下，應用程序需要以下功能：擴散工序服務、離子注入工序服務、光刻工序服務。可以通過上文所述的信息模型對整個生產過程進行量化的描述。可通過過程設計器將物理的過程映射為應用程序中的進程，將生產過程中的物理構件轉換為過程信息構件。這樣的映射能夠創建一個基于公司內服務本體的制造服務庫。在服務本體內，每個類型的生產流程都可以由制造服務類型描述，如“MiniFab生產過程”。由客戶定義的制造服務規范給出了制造服務類型中所描述的參數的具體數值，如表1所示。MiniFab生產模型的生產過程模型如圖6所示，該模型包含了一系列產品級的制造服務、過程參數規范列表和服務的依賴關系列表，過程參數規范列表通過綁定過程方法類中函數計算出更高級別的參數。

表1 生產過程服務參數

4 結論

將Holonic體系與SOA融合對于創建更加靈活響應、可重構和高效的制造系統是一種極具吸引力的解決方式。由于制造環境的復雜性，不同于Web服務制造服務需要新的更合適的模型來描述制造資源。如文章所述，制造服務是從制造系統子體內業務功能的不同角度來設計和管

圖6 生產過程信息模型

理信息模型，每個子模型適用于不同的目的，即：制造服務類型模型用來在特定的服務本體中歸類操作；制造服務規范模型來描述實現制造能力所需的信息；制造服務配置模型來發布服務提供商針對特定的制造服務類型所具備的資源能力；制造服務實現模型來描述服務提供商針對特定的制造服務類型所具備的資源功能方法。本文提出的建模框架更加有效地對復雜的生產過程建模，促進更加靈活和多變的生產工藝的產生。

[1] ROULET-DUBONNET O, YSTGAARD P. An application of the holonic manufacturing system to a flexible assembly cell[C]. Proceedings 5th International Conference on Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems (HoloMAS 2011), 2011：29-38.

[2] 劉華文 ,申春, 楊冬，等. 語義Web服務基礎技術研究綜述[J].吉林大學學報(信息科學版)，2010, 28(1):47-54.

[3] 姚錫凡，李彬，董曉倩，等. 符號學視角下的智慧制造系統集成框架[J]. 計算機集成制造系統，2014, 20(11):2734-2742.

[4] Object Management Group. Business process model and notation 2.0[EB/OL]. (2011-01-03)[2016-12-01].http://www.omg.org/spec/BPMN/2.0/.

[5] WILLIAMS T J.The purdue enterprise reference architecture[J]. Computers in Industry, 1994,24(2-3): 141-158.

Research of resource modeling on service oriented intelligent manufacturing

Xiang Qidan，Qiao Fei

(CIMS Center, Tongji University, Shanghai 201800, China)

In the new manufacturing environment, the combination of Holonic and service-oriented architectures has been recognized as an attractive solution for the conception of more flexible and reactive systems. As services are the main element of negotiation in a service-oriented context, unlike that used for Web applications, need new and more adequate models for their application in manufacturing systems. In this work, an approach that combines a service-oriented architecture with a multi-agent system is proposed. A list of rules is designed for deciding how to implement each holon, and is applied to the level 3 activities of ISA-95.In addition,this paper intends to synthesize the concepts, terminology, ideas and perspectives presented by the different service and readapt them in order to propose a framework for the definition of MServices and the design of service-oriented manufacturing processes in HMS. Finally, the manufacturing process is given to illustrate the effectiveness of the application of information model in the actual production process.

service-oriented architectures; Holonic manufacturing systems; manufacturing service information model; production process modeling

國家自然科學基金(71690234)

TP391;TH166

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.001

相奇丹，喬非.面向服務的智能制造資源建模方法研究[J].微型機與應用，2017,36(9)：1-4,7.

2016-12-15)

相奇丹(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：云制造、企業信息集成、生產調度。

喬非(1967-)，通信作者，女，博士，教授，主要研究方向：系統工程、控制工程、管理工程。E-mail:fqiao@tongji.edu.cn。