基于ESB和BPM的計量檢定集成平臺關鍵技術研究與實現

李皓月，楊 平，張修建，丁亦嘉

(北京航天計量測試技術研究所 國家市場監管重點實驗室(人工智能計量測試與標準)，北京 100076)

0 引言

計量是工業的“眼睛”，是實現單位統一、保障量值準確可靠的活動。計量校準是產業鏈和創新鏈中的關鍵環節，是現代經濟發展的技術支持，是國家質量發展戰略的重要基礎[1-2]。近年來，國家大力推行經濟數字化建設，推動產業數字化變革，明確提出“發展數字經濟，推進數字產業化和產業數字化，推動數字經濟和實體經濟深度融合打造具有國際競爭力的數字產業集群”[3]。數字化背景下，數字化制造的趨勢日益顯現。

數字制造技術的蓬勃發展，使得數字化計量檢測的需求逐漸顯現。和傳統的技術比較，現代計量測試技術中測量儀器的作用愈加重要，新的儀器不斷出現[4]。越來越多的數字化計量檢測系統，因為與現代計算機技術的結合，具備了智能化的基礎條件。在此基礎上，對儀器設備進行網絡接口的開發成為可能。事實上，已經有眾多相關的技術方法研究，取得了較好的效果。如在一些制造業企業中，通過計量系統接口程序的軟件接口技術，彌補了企業資源計劃(ERP，enterprise resource planning)等系統的缺陷，在實際生產中得到了充分的應用[5]。

計量檢定系統不僅需要與計量檢測設備進行接口集成，也需要與其他信息系統軟件進行接口通訊，如與實物資產管理系統進行設備資產信息讀寫的接口需求，與ERP系統進行任務獲取結果推送的接口需求。同時考慮到成本等特殊情況，需要和計量機構的分支實驗室或者特殊客戶的信息系統進行接口集成。因此，計量檢定系統的接口需求是復雜的，接口種類是眾多的，接口實現方式也是多樣的，面對復雜的集成和管理需求，一般的單點開發方式是難以支持的。

計量檢定管理系統的軟件功能需求較為復雜，專業性較強，不同的用戶和機構對功能模塊和計量檢定管理流程的要求也有差別。一般來說，其基礎功能模塊包括了計量首頁、計量人員管理、標準管理、器具管理、查詢統計、計量檢定流程管理、證書原始記錄管理、計量站點管理等[6]。計量管理作為質量管理體系的一部分，需要貫徹《中華人民共和國計量法》、《中華人民共和國計量法實施細則》、《中華人民共和國強制檢定的工作計量器具檢定管理方法》等法律法規和各行業計量領域相關的標準規范，計量檢定系統需要對管理要求的變化和細化作出及時響應。因此，敏捷開發是計量檢定系統的必由之路。

目前，計量檢定管理系統的建設主要以行業為劃分，多關注業務功能的實現，針對異構接口和敏捷開發的問題關注較少。本研究是結合面向服務架構(SOA，service oriented architecture)軟件設計模式和業務流程管理(BPM，business process management)設計方法，開發大型通用化計量檢定軟件平臺，能夠實現計量檢定管理系統與豐富接口的集成，并對軟件接口進行高效全生命周期管理，實現大型計量檢定平臺的搭建，實現基于流程的快速開發，對變更的需求進行快速響應。

1 平臺總體設計

圖1 計量檢定平臺的角色劃分

應用軟件管理系統的總體設計從需要分析開始，系統而全方位地形成系統軟件設計的總輪廓，并把應用軟件平臺劃分為多個主要模塊，說明各個主要模塊間的相互關系。

計量檢定集成平臺總體的功能分三大部分，分別為計量實驗室部分、計量器具管理部分和計量監督管理部分。計量實驗室部分的特點是把實驗室的儀器設備采用計算機網絡連接起來，做到以實驗室為中心，進行委托單、樣品、庫房、環境、證書的管理，以及計量原始數據的收集、傳遞、計量、展示的全面管理。既能適應外部的日常控制需要，又能確保實驗室對分析數據的嚴格管理與控制[9]，既滿足了實驗室全流程全要素的便捷管理，也切實貫徹了質量體系的管理要求。客戶器具管理主要是計量用戶進行計量器具的全生命周期管理，實現周檢計劃、在線送檢、在線預約、計量確認、計量技術文件管理等。計量監督管理主要監督計量工作的執行情況，監督周檢計劃的執行情況，確保送檢率、完成率、計量確認率等符合計量管理的要求，通過對計量數據的及時追蹤和統計分析，了解計量業務的管理情況。該模塊跟蹤計量業務系統從信息錄入到出具結論，包含儀器設備、原始記錄和計量證書流轉的全生命周期狀態，及時糾正信息錄入錯誤、流轉不及時、數據處理不規范、結論出具錯誤等的情況，對業務操作不規范、技術方法錯誤等行為進行警告和整改督辦。同時，也關注對計量標準器、計量規程規范等狀態的監控，及時發現裝置故障和標準規范超期情況，以數據監控和統計的方法保證計量服務的優質開展，對出現的問題進行分析[10]。

平臺整體架構利用BPM實現敏捷化，對開發、交付、運維進行優化重構，更加快速的實現業務功能迭代。架構引入云原生、低代碼、微服務、容器化等技術重構傳統的計量檢測應用體系，推動敏態業務的靈活快速發展。平臺整體架構(含基礎技術棧)如圖2所示。

圖2 計量檢定平臺的整體架構

2 平臺軟件設計

計量檢定綜合集成平臺的軟件設計，應從計量實驗室管理、計量器具管理以及企業計量監督管理工作的實際需要入手，按照需求分析所確定的信息系統主要功能，實施軟件架構設計、模塊功能設計、用戶界面設計、業務流程設計，以形成應用軟件平臺的具體實施設計方案。

2.1 基于SOA的軟件架構設計

獨立實體在SOA中通常被描述為服務單元，即服務。服務雙方使用規定好的協議和接口進行交流，實現了服務之間的聯系。接口和契約具有系統無關性、硬件無關性、語言無關性等特點，使其不僅能夠適應整合各種已有系統，并具有對未來系統的兼容能力[11]。 不論是微服務架構還是企業服務總線，理論上都是貫徹了SOA的設計理念。SOA中所定義的服務、接口和契約構成了一個完整的架構。

按照SOA的思想，計量檢定業務被分離為多個獨立的服務，通過對這些服務的管理和重組實現原有的業務邏輯，完成計量檢定業務的使用管理需求。SOA架構以服務為核心的設計思想服務，根據業務功能、訪問壓力、接口實現等因素合理劃分計量檢定服務是優化設計平臺架構的重點。

將泄漏點設為補給濃度邊界。根據污染情形分析，氟化物初始濃度設為100 mg/l，模擬期為20 a，以50 d為時間步長，共模擬了144個應力期。利用MODFLOW 和MT3D 軟件，聯合運行水流和水質模型，得到氟化物擴散預報結果(見圖4～8，圖中1C：100，1—代表情景1，FHW—分別代表氟化物濃度(mg/l)，100—代表時間)，各圖分別給出了在固體廢物填埋場底泄漏發生100 d、1 000 d、5 000 d、7 200 d后的預測結果。預測情景圖坐標網格為每格1 000 m。

2.2 以ESB為中心的接口管理

ESB實現計量檢定集成平臺SOA架構模式的基礎。其本質上是一個基于網絡的分布式總線[12]，能夠使不同的軟硬件、操作系統、數據庫等通過相互聯系、協調與配合，為SOA項目提供服務。ESB還實現了類似的路由、緩沖、信息交換等功能。ESB包括了以下組件[13]:異質消息、動態轉換、可配置的路由、消息日志與監控、服務發現、SLA/SLO支持、策略驅動的安全等功能組件。以ESB為中心的軟件平臺集成架構如圖3所示。

圖3 ESB軟件平臺集成架構

ESB實現了多異構應用的標準資源共享與交互服，支撐計量技術部門、計量客戶與計量監督部門節點間以端對端對等的形式共享XML格式的信息，并可按照信息內容自主分配信息路由，包括計量任務信息、計量器具信息、計量檢定過程記錄、原始記錄數據等。數據路由技術還能夠按照業務規則，支持動態和靈活的接入。同時，ESB平臺還提供了不同數據格式間的交換，支持各種數據通信和傳輸方式，并提供了數據交換的安全機制，提供了集中統一部署、監視、追蹤、日志記錄與檢測等功能，適應了設備集中部署與集中管理的需求。

基于網絡接口的集成支持各系統的直接使用，融合了計量機構、計量客戶、計量管理部門的異構環境。用戶可以根據自己的需求進行特色開發和界面集成。根據統一接口標準和業務規范，完成了同質異構計量與應用系統間的銜接，并進行數據信息封裝、交換和數據信息資源共享，以創造良好的互通性。

2.2.1 數字化檢定裝置與ESB的集成

自微處理器技術尤其是單片微式電子計算機問世至今，傳統單一的測量儀器大大擴大了使用功能，提升了準確度。尤其是配備了電子計算機的大型數據處理采集系統，數據處理后的結果即能夠用硬盤長時間存放、用打印機打印、用繪圖儀繪制曲線，也能夠直接在計算機屏幕上查看。20世紀末，國外學者提出了虛擬儀器的概念，在普通電子計算機上，可以使用與此計算機系統兼容的板卡和組態應用軟件構造帶有測量控制功用的設備控制系統[14]。計算機系統的應用，尤其是網絡技術的應用，使單點檢定測量系統與服務器端信息系統的接口集成可以簡易、高效地實現。

數字化檢定設備接入ESB，主要以面向對象方法的遠程過程調度(RPC，remote procedure call)和面對消息的單一對象訪問協議(SOAP，simple object access protocol)兩種實現方式。PRC調用本地服務一樣調用服務器的服務，只是傳輸數據形式有所不同。SOAP已經是一種工業規范，它擁有良好定義的協議，和一個良好確立的規范，能夠實現對多個發送層或應用層協議的結合，如TCP/HTTP/SMTP等，在大規模和小型系統中都有廣泛應用。不論實現接口采用何種方式，為了實現統一集成管理，其基本功能接口列表如表1所示。

表1 檢定裝置與ESB集成的基本接口列表

計量檢定裝置的制造廠商、規格型號、數據接口類型等相當繁多，協議轉換過程也可交給經過特殊設計的邊緣互聯網網關進行完成，將標準或協議轉換成應用于異構裝置上的協議，使各種協議之間實現了互操作。

2.2.2 內外部軟件管理系統與ESB的集成

目前常用的計量業務信息化模式是:計量機構的將門戶網站在互聯網上部署上，進行具體實驗室業務的信息系統則是部署與內部業務網。而內網實驗室信息體系隨著計量機構組織層級管理、計量學科領域的不同，又建立了相應的垂直管理模式，對計量服務的開展將采取“外網受理，內網辦理，外網回復”的模式。建立起由多個系統，多個網絡平臺、多重架構、多個數據庫的多個業務部門互聯起來的計量服務檢定網絡系統。以統一平臺對整合這種單一的、異構的、封閉的服務體系將具有重大的意義。隨著ESB信息技術的蓬勃發展，其面向業務、便于集成異構信息系統和可保護投資的特性為克服這一困難奠定了基石[15]。

為滿足機構整的各項業務運轉，OA、CRM、ERP、資產管理系統等會在企業中部署。但是各個軟件的數據一般都是相互獨立的。信息孤島的產生導致了業務運轉的效率大打折扣。計量業務也是需要與其他業務有豐富的信息接口交互的。一些相關的辦公業務流程不可避免的需要與OA做接口，如計量監督下達的督察督辦；與生產相關的不可避免要與生產管理系統如CRM、ERP進行接口交互；一些計量器具本身也屬于固定資產的一部分，與資產管理系統的交互也是必不可少的。ESB實現對于消息的控制、傳送、分派、解析[16]，使得能成功地應答并返回相應的數據到上述不同的異構業務系統。改造的改動非常小，成本也很低。

綜上所述，ESB平臺將是計量檢定集成平臺的核心組成部分，提供分布式的工作環境以及節點間的安全數據傳輸管理機制。能夠將不同環境下的應用系統、數據系統等進行無縫銜接。提供了靈活動態的接入方法和路由機制，在平臺的數據格式定義上，形成了統一的各種數據格式集合體，所有應用系統可以根據集合體中的所有各種數據格式，來設定各數據信息格式間的對應關系。由此實現了實物資產管理、在線送檢、預約取送、基礎主數據推送、計量監督等功能服務的接口集成。在該模型下，開發者可以把CRM、ERP、OA、實物資產管理系統、計量檢定實驗室管理系統、計量器具管理系統、計量監督管理系統等都看成一個個掛在總線上的子模塊。通過ESB可以進行對消息的通知、分配、匯總。當系統在掛接在總線的同時，也注冊了響應的觸發的事件，在接口調用生效的同時傳遞XML消息給系統總線。系統總線上所有的系統都經過注冊，這些消息的數據分配到新注冊的系統上，然后每個系統都把消息轉換成自身所認識的信息，并存儲在系統中進行信息的共享。

2.3 基于BPM流程平臺的業務實現

業務流程管理經歷了三次大發展，其概念起源于20世紀20年代初期美國Taylor的現代管理體系理論。到了20世紀90時代，JamesChampy與MichealHammer對業務流程理論進行了第二次發展，在《Reengineering the Corporation》一書中提出了對業務流程重組(BPR，business process reengineering)的新定義，并主張利用軟件系統對業務流程進行鞏固。2003年，HowardSmith與PeteFingar對業務流程理論進行了進一步的發展，清晰詳細地論述了現代BPM理論，第三代流程管理思想由此出現[17]。基于BPM思想的流程軟件平臺能幫助企業快速構建業務流程整合的管理模式，是業務流程思想與現代軟件工程結合的成功應用。

2.3.1 BPM流程管理

BPM的核心思想是將流程作為操作元素，流程成為了一種特殊數據結構，被作為直接編排操作的對象。其數學依據來源于現代數學研究思想中的Process-Calculi(進程代數)，描述交互并發系統、移動和結構變化的π演算為其提供了數學框架和理論工具。業務流程可以被形式化的描述、建模實現，業務流程也由此具備了直接被靈活查詢、分析、分類、讀寫的功能。BPM流程管理確保了流程設計與實際需求的一致性，保證了流程設計的正確性和可靠性，減輕了設計、開發、測試、驗證的工作量，對開發者和最終用戶具有重要的現實意義[17]。

BPM以流程管理為核心的管理模式，支持了計量檢定的業務需求流程設計的復雜實現和測試驗證，器具送檢流程、器具檢定流程、器具流轉流程、計量確認流程、追溯流程、計量監督流程等多種復雜流程可以被方便地控制和管理，增加了計量檢定流程管控的靈活性，增也加了計量業務整體的應變能力[18]。

2.3.2 基于BPM的SOA梳理

SOA思想其本質上是以功能列表的形式充分列舉系統應該實現的所有功能，進行合理的功能拆分，合理組成不同的子系統，彼此間進行接口通信，從而成為支持需求實現的系統整體。SOA更多的注重軟件的功能特點，而并不是從業務流程的角度出發，在實際實現過程中可能造成與實際業務的脫節，子系統功能散亂分布，彼此通信復雜，維護難度增大。

采用BPM來定義業務模塊，結合SOA的架構體系，可以設計構建出更貼近業務且架構清晰、更加健壯且易于維護的軟件系統。如圖4所示，通過BPM驅動的方法來劃分計量檢定的業務流程，將主要業務流程以圖表的方式說明，進而層層劃分。這樣計量檢定過程中需要完成的工作更加清晰明了，需要的業務實現模式也更加容易確定。原有業務系統的功能模塊的能夠被更加輕松的定位分析，開發者能夠判斷服務的內容和形式，復用已有的軟件模塊，開發缺失的服務功能。在更好地完成數據共享的同時，發揮整個系統的最大作用。而對于計量檢定業務從業務者，通過對計量業務流程的梳理，也能夠更加明確地了解信息系統所提供的功能，了解信息系統對計量檢定行業運作的實際價值。

圖4 BPM劃分計量檢定的業務流程示意圖

2.3.3 BPM與ESB的集成

面向實時計量檢定業務的SOA-BPM組合框架分為四層，降低了服務之間的耦合關系實現了更有效的服務管理[19]。各層的主要作用及相互之間的關系如下：

1)計量檢定業務資源層：該層主要包括計量檢定行業現有系統、數據庫服務器和需要數據交互的信息系統。上述應用系統已經在計量檢定行業發揮了必要的基礎性作用[20]，在計量檢定行業仍將廣泛應用。但是，由于系統之間缺乏通信能力，數量和能力無法復用。

2)SOA層：SOA層在計量檢定服務資源層的基礎上，按照2.3.2節的功能梳理和確定方法，合理的封裝功能服務，由BPM層進行調用合并，形成業務流程。ESB總線實際就是SOA層的一種標準實現形式，將計量檢定的功能接口連接到ESB總線上，BPM層對業務進行管理響應。

3)BPM層：BPM層的作用是對計量檢定的基礎業務流程進行管理、維護與操作。以送檢流程為例，BPM層對整體的流程節點、流轉規則進行控制，SOA層提供服務實現儀器狀態更改、送檢單生成等功能。SOA層以Web業務等為主要的操作對象，BPM通過對操作對象的整合與編排建立其完整業務流程。

4)界面層：界面層是最終呈現給計量管理人員、計量技術人員的功能頁面或桌面進程。一般提供良好的GUI接口為使用者服務，方面使用人員進行操作。目前豐富的前端框架和圖表插件等使得界面層的構建更加方便。

通過SOA層對資源層中的各種功能實行了服務封裝，并把流程、業務規則等單獨抽取到BPM層中加以管理，大大提高了對現有體系的使用率[21]，進一步完善了流程的概念，也提高了計量檢定業務實現的靈活性和效率。

3 實驗結果與分析

3.1 業務功能實現分析

軟件平臺的設計通過利用BPM進行軟件需求研究，確定了軟件需求的無二義性、可視化、高準確性、可更改性、可追蹤性，以及易使用性。通過ESB實現SOA的高內聚、低耦合的模塊化設計，計軟件模塊采用簡化設計原則，模塊接口為單入單出結構，提高了模塊的獨立性。

與傳統單點接口開發接口的模式方法進行對比，基于ESB和BPM集成平臺的實現方式極大減少了單點接口開發的工作量。以異構系統間的檢定任務推送為例，傳統的人工手動開發形式如圖5所示，需要在不同的系統間多次開發。集成平臺只需要進行接口的字段匹配和動態消息路由等工作，即可實現異構系統間的接口集成。在年設計調試10臺設備(系統)的條件下，以單個設備接口開發10人/天計算，接口調試的工作量為100人/天，隨著設備、系統數量的增加，接口開發和管理的難度也隨之持續增長。

圖5 手動開發接口連接情況

基于ESB和BPM的軟件平臺可以將此過程的開發開銷成本壓縮至最低，如圖6所示，通過字段轉換和消息路由，訂單任務可以經過配置推送至多個信息系統。同時設備缺乏統一的管理平臺也會存在相當量的維護操作成本，在集成平臺上進行統一管理可以大大節省管理的難度。經實際效果驗證，本平臺的設計開發工作可解決單獨開發調試的時間和經濟成本，同時提高對整體檢定業務的管理效率。

圖6 通過集成平臺向多異構系統推送信息

3.2 平臺可靠性分析

對比傳統單體架構的開發模式，基于ESB和BPM集成平臺圍繞設計、運維兩大周期，加強了接口和功能的安全、穩定、可管理，實現了基于接口的實時監控和全生命周期管理。配合相應的計量檢定業務邏輯和流程，整合諸多API，形成了功能完整，運行可控的軟件平臺。通過日志監控、容災備份、加密安全認證等技術方法，計量業務系統的穩定更加運行，給用戶和技術人員帶來更良好的服務體驗。

同時，集成平臺軟件的存儲量、吞吐能力及處理時序同硬件更加匹配，在滿足需求的情況下有近20%的余量。系統保證7×24小時不間斷穩定運行，出現故障能夠及時告警。能夠在非工作時間對系統進行局部維護，不影響業務連續性。針對故障發生有應對機制，不僅能夠及時恢復系統的正常運行，而且可以降低因系統故障對平臺造成的損失。具有完整的數據備份機制，通過增量和全備份相結合，文件數據和數據庫數據全異地容災備份的方式，保障了平臺的安全可靠。

4 結束語

計量檢定集成平臺，采用ESB和BPM平臺化的軟件架構方法，不僅實現了大量異構接口的快速接入和全生命周期管理，也實現了基于計量業務流程的快速低代碼開發；經實際應用提升了軟件質量和可靠性，提升了軟件項目開發速度和效率，滿足了大中型企業計量管理的應用需求。

平臺實現了計量實驗室“人、機、料、法、環”五位一體的管理模式，建立了動態高效的計量器具全壽命周期管理方法，為管理者和使用人員提供了實時動態的信息支撐。建立了全覆蓋的信息化計量監督檢查機制,大幅度提高了日常計量業務工作效率。實現了計量管理標準化、業務規范化、資源共享化、數據可視化，推動了計量管理工作的轉型升級。實現了計量管理體系與信息化數字化的深度融合的目標，達到了以計量業務管理促進質量管理的重要戰略目的。