相奇丹，喬非

　?。ㄍ瑵?jì)大學(xué) CIMS中心，上海 201800）

　　摘要：在追求制造過(guò)程自適應(yīng)、自組織以及靈活高效的新制造環(huán)境下，將Holonic體系與面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)融合對(duì)于創(chuàng)建更加靈活響應(yīng)的制造系統(tǒng)是一種極具吸引力的解決方式；制造服務(wù)作為制造系統(tǒng)間相互交互的主要元素，不同于Web服務(wù)，需要新的更合適的模型來(lái)描述制造資源。文中提出了一種將面向服務(wù)的架構(gòu)融入到多智能體系統(tǒng)的方法，給出一系列決定如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)用中每個(gè)制造子體的規(guī)則，并將這些規(guī)則應(yīng)用于ISA-95層級(jí)活動(dòng)中。另外，在Web服務(wù)技術(shù)基礎(chǔ)上提出新的制造體系下制造服務(wù)的信息模型和面向服務(wù)制造過(guò)程的設(shè)計(jì)框架。最后通過(guò)制造過(guò)程實(shí)例說(shuō)明這種信息模型在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的有效性。

　　關(guān)鍵詞：面向服務(wù)體系；Holonic制造體系；制造服務(wù)信息模型；生產(chǎn)過(guò)程建模

　　中圖分類號(hào)：TP391;TH166文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.001

　　引用格式：相奇丹，喬非.面向服務(wù)的智能制造資源建模方法研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（9）：1-4,7.

0引言

　　在過(guò)去的數(shù)十年中，商品市場(chǎng)逐步向追求產(chǎn)品高度定制化以及更短生產(chǎn)周期方向發(fā)展。企業(yè)為了在這個(gè)不斷變化的環(huán)境下保持競(jìng)爭(zhēng)力，需要探索出響應(yīng)快速、成本不斷降低并且生產(chǎn)效率不斷提高的制造系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注著“新一代制造系統(tǒng)（New Generation Manufacturing System，NGMS）”所帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。NGMS需要具備一個(gè)集中的資源管理平臺(tái)，將分散在各地的制造資源集中起來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理和優(yōu)化配置，從而提供面向制造過(guò)程整個(gè)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(wù)。實(shí)現(xiàn)這樣的分散型制造系統(tǒng)需要解決許多困難。一方面，系統(tǒng)需要集成各個(gè)參與者的制造資源信息以最小化資源調(diào)度的成本；另一方面，系統(tǒng)必須能夠應(yīng)對(duì)制造過(guò)程中不可預(yù)測(cè)的情況和制造計(jì)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(wù)的架構(gòu)（ServiceOriented Architecture，SOA）［2］是目前普遍應(yīng)用的兩種制造體系，它們都為創(chuàng)建開(kāi)放、靈活以及敏捷控制的新一代制造系統(tǒng)提供了必要的指導(dǎo)原則，HMS提供了制造體系下基礎(chǔ)架構(gòu)層面的靈活性，SOA確保制造活動(dòng)過(guò)程層面的靈活性，融合HMS與SOA以應(yīng)對(duì)NGMS的挑戰(zhàn)是非常有效的。

　　在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，Web服務(wù)技術(shù)（Web Service，WS）是面向服務(wù)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)人員的首選工具，通過(guò)“語(yǔ)義Web服務(wù)”的規(guī)范構(gòu)建本體和邏輯推理規(guī)則，以完成基于語(yǔ)義的知識(shí)表示和推理，使語(yǔ)義信息能被計(jì)算機(jī)理解和處理［3］。然而，這些本體和描述語(yǔ)言專為Web應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，與制造系統(tǒng)中的服務(wù)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(shí)所需的屬性信息和邏輯操作，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造服務(wù)信息模型和面向服務(wù)制造過(guò)程的封裝框架。

1NGMS體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式

　　1.1新架構(gòu)存在的前提條件

　　為應(yīng)對(duì)NGMS帶來(lái)的挑戰(zhàn)，企業(yè)在構(gòu)建制造信息系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)解決信息集成、業(yè)務(wù)自動(dòng)化以及對(duì)變化的制造環(huán)境自適應(yīng)這三個(gè)方面的問(wèn)題。而通過(guò)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(shí)現(xiàn)企業(yè)制造過(guò)程的智能化和敏捷化。

　　(1)由于歷史或技術(shù)原因，貫穿于整個(gè)工廠的信息集成是通過(guò)不同的軟件系統(tǒng)完成的。WS基于標(biāo)準(zhǔn)的Web技術(shù)并且得到了軟件供應(yīng)商的廣泛支持，非常適合這種類型的任務(wù)。

　?。?）根據(jù)一系列業(yè)務(wù)流程模型實(shí)現(xiàn)企業(yè)的業(yè)務(wù)功能自動(dòng)化。采用基于工作流的標(biāo)注如BPMN［4］，WS可以組合成更高級(jí)別的服務(wù)組件，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能。

　　（3）系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)參加業(yè)務(wù)的邏輯和物理實(shí)體以滿足計(jì)劃進(jìn)度安排，動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)隨時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題?；贏gent的系統(tǒng)往往有更多的分散控制結(jié)構(gòu)：FIPA（智能物理代理的基礎(chǔ)）標(biāo)準(zhǔn)定義了一組通信原語(yǔ)和一組允許代理間相互請(qǐng)求以及相互談判的協(xié)議。

　　綜上所述，在實(shí)施NGMS的過(guò)程中企業(yè)需要考慮制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的每個(gè)子體，評(píng)估采用哪一種技術(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中的作用。如制造系統(tǒng)中日常的業(yè)務(wù)功能通常是集中和高度可重復(fù)的，則該模塊需要被實(shí)現(xiàn)為WS。下面介紹企業(yè)控制系統(tǒng)集成規(guī)范（ISA 95）并提出決定子體實(shí)現(xiàn)方式的策略。

　　1.2新架構(gòu)下層級(jí)子體實(shí)現(xiàn)策略

　　ISA95標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)制造活動(dòng)集成提供了一系列接口。類似Williams［5］的參考體系，ISA95 將企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)分成一系列層級(jí)。該層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，層級(jí)0是改變?cè)牧系奈锢磉^(guò)程；層級(jí)1主要通過(guò)傳感器和執(zhí)行器監(jiān)控并操作這些物理過(guò)程；層級(jí)2是保持制造過(guò)程穩(wěn)定和受控的活動(dòng)；層級(jí)3則是致力于運(yùn)作管理和工廠車間的協(xié)調(diào)；最后，層級(jí)4執(zhí)行包括高層次工廠生產(chǎn)計(jì)劃在內(nèi)的所有企業(yè)級(jí)的管理任務(wù)。本文所關(guān)注的是對(duì)層級(jí)3和層級(jí)4的實(shí)現(xiàn)。層級(jí)3需要協(xié)調(diào)整個(gè)車間的工作，采取剛性分層控制方法難以實(shí)現(xiàn)。層級(jí)4需要融合來(lái)自不同工廠的信息，實(shí)現(xiàn)每個(gè)參與工廠的信息系統(tǒng)間相互交互。

　　通過(guò)展示ISA95層級(jí)規(guī)范的整體概要，可以把制造子體表述為ISA-95中由子任務(wù)、人員以及設(shè)備組成的高層級(jí)的活動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，可以將決策過(guò)程總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

　?。?）若子體是由一些實(shí)體分散控制組成，則需要被實(shí)現(xiàn)成代理。

　?。?）若子體需要多個(gè)實(shí)體集中控制并且是一個(gè)可重復(fù)的、穩(wěn)定的業(yè)務(wù)流程，則需要被實(shí)現(xiàn)成WS組件。由于層級(jí)3 的一些過(guò)程并不能被很好地映射為WS組件，其中的大多數(shù)活動(dòng)并不適合以這種方式實(shí)現(xiàn)。

　?。?）若子體將會(huì)被層級(jí)4或者代理重用，則需要被實(shí)現(xiàn)成WS。這也是“詳細(xì)生產(chǎn)排程”模塊被實(shí)現(xiàn)成WS的原因。

　?。?）若一個(gè)代理需要接收來(lái)自非代理的查詢，則這個(gè)代理需要作為WS來(lái)暴露。如“車間生產(chǎn)計(jì)劃”子體需要接收來(lái)自“詳細(xì)生產(chǎn)排程”子體的請(qǐng)求。

2制造資源服務(wù)化封裝信息模型

　　采用在HMS中引入SOA原則，使得生產(chǎn)操作可以標(biāo)準(zhǔn)化為具有適當(dāng)標(biāo)識(shí)和描述的制造服務(wù)，服務(wù)成為子體間相互協(xié)作和交互的主要元素。為了創(chuàng)建完整的面向服務(wù)的制造系統(tǒng)，需要定義組成服務(wù)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(yīng)用到制造過(guò)程中。

　　2.1制造資源服務(wù)總體模型視圖

　　與Web服務(wù)本體相似，制造資源服務(wù)描述框架根據(jù)制造系統(tǒng)中不同類型的知識(shí)信息構(gòu)建，且將這些知識(shí)信息分布在不同的制造服務(wù)視圖中，包括制造服務(wù)類型（MService Type ）、制造服務(wù)配置文件（MService Profile ）、制造服務(wù)描述規(guī)范（MService Specification ）、制造服務(wù)實(shí)現(xiàn)（MService Implementation ）。圖2的UML模型描述了不同的MService視圖之間的關(guān)系。

　　2.2制造服務(wù)模型

　　MService模型中包含了在制造業(yè)環(huán)境下描述服務(wù)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(biāo)識(shí)，是由服務(wù)名稱和所屬的服務(wù)本體（本體的具體分類和類別）定義。MService的第二個(gè)字段textDescription是以文本描述的方式說(shuō)明該制造服務(wù)可以做什么，詳細(xì)闡述了該服務(wù)可以完成的轉(zhuǎn)換以及服務(wù)執(zhí)行之前需要保證的初始條件和服務(wù)對(duì)產(chǎn)品和環(huán)境產(chǎn)生的影響。MService的第三個(gè)字段parameters

　　包含制造服務(wù)所含的參數(shù)，這些參數(shù)描述了服務(wù)完全達(dá)到所需效果范圍需要的信息，提供了正確執(zhí)行服務(wù)所需的標(biāo)量和模塊化的信息。MService的第四個(gè)字段preconditions是關(guān)于MService執(zhí)行前所要具備的條件，包括服務(wù)提供商和客戶在執(zhí)行MService前分別應(yīng)滿足的條件。該模型另一方面通過(guò)輸入和輸出字段來(lái)描述提供程序正確執(zhí)行服務(wù)以及返回執(zhí)行后結(jié)果所需的環(huán)境知識(shí)信息。最后定義了服務(wù)的評(píng)估準(zhǔn)則，通過(guò)屬性字段的方式來(lái)評(píng)定服務(wù)性能，包括服務(wù)質(zhì)量、處理時(shí)間、服務(wù)時(shí)間、能耗或可靠性等指標(biāo)。

　　2.3制造服務(wù)子模型

　　MService Type代表了服務(wù)本體內(nèi)特定類型的制造服務(wù)，描述了制造領(lǐng)域內(nèi)具體的應(yīng)用操作和創(chuàng)建此類型下服務(wù)實(shí)例所需要的具體的特征和參數(shù)。圖4展示了服務(wù)類型模型的所有信息元素，繼承于服務(wù)模型中的服務(wù)ID、文本描述、參數(shù)和屬性接口并且定義了這些接口如何在該環(huán)境下描述各種制造轉(zhuǎn)換以及請(qǐng)求者完成具體制造操作需要提供的信息。

　　制造服務(wù)描述規(guī)范模型是一個(gè)給定制造服務(wù)類型的實(shí)例，提供了實(shí)例下不同參數(shù)的值和服務(wù)屬性信息。該視圖是由服務(wù)請(qǐng)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(wù)請(qǐng)求者也可以給出描述服務(wù)質(zhì)量需求性能指標(biāo)，則在服務(wù)匹配時(shí)只接受能夠擬合服務(wù)屬性配置文件標(biāo)準(zhǔn)的推薦服務(wù)。制造服務(wù)配置文件是用來(lái)暴露關(guān)于某個(gè)特定制造服務(wù)類型服務(wù)提供商所提供的制造能力。由于企業(yè)資源與技術(shù)的局限性，制造服務(wù)配置文件通過(guò)服務(wù)參數(shù)標(biāo)量的變化范圍來(lái)表現(xiàn)企業(yè)可提供的制造能力。制造服務(wù)配置文件包含了參數(shù)配置集和屬性描述集兩個(gè)列表用來(lái)表示制造資源的服務(wù)功能。每個(gè)服務(wù)提供商的服務(wù)實(shí)現(xiàn)模型是唯一的，包含服務(wù)提供商采用的所有方法和技術(shù)信息，用來(lái)實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)類型和制造服務(wù)配置文件中包含的制造操作。一個(gè)制造服務(wù)實(shí)現(xiàn)模型是由一個(gè)或多個(gè)過(guò)程方法和一系列的制造參數(shù)組成；每個(gè)方法也都有自己的屬性規(guī)格集用于評(píng)估相對(duì)于其他方法的優(yōu)越性。

3產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程建模實(shí)例

　　根據(jù)第2節(jié)中給出的制造服務(wù)的形式化描述模型,各類制造服務(wù)的信息均可以以統(tǒng)一的方式進(jìn)行定義。同時(shí)，制造服務(wù)類型信息則需要根據(jù)不同類別服務(wù)的描述需求，從功能信息屬性庫(kù)中提取屬性，以組合的方式分別定義。在智能制造中,生產(chǎn)加工類服務(wù)屬于較為典型的服務(wù)類型,其功能信息定義較為復(fù)雜,本文以半導(dǎo)體制造行業(yè)為背景,以生產(chǎn)制造過(guò)程服務(wù)為例,對(duì)MiniFab模型下不同結(jié)構(gòu)層次的制造服務(wù)功能信息進(jìn)行定義;其他類別的服務(wù),

　　如設(shè)計(jì)、仿真階段的制造服務(wù)也可通過(guò)類似的方式定義其功能信息。

　　MiniFab是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線簡(jiǎn)化而來(lái)的一個(gè)簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體生產(chǎn)線模型，由3個(gè)設(shè)備組、5臺(tái)設(shè)備組成。工件在整條生產(chǎn)線中有3個(gè)加工區(qū)，分別是擴(kuò)散、離子注入和光刻；有6個(gè)加工步驟，第一步與第五步為擴(kuò)散，可在設(shè)備Ma和Mb上進(jìn)行加工，第二步和第四步是離子注入，可在設(shè)備Mc和Md上進(jìn)行加工，第三步和第六步為光刻，在設(shè)備Me上進(jìn)行加工，這三組設(shè)備都具有可重入性。加工工藝流程如圖5所示。

　　在該示例下，應(yīng)用程序需要以下功能：擴(kuò)散工序服務(wù)、離子注入工序服務(wù)、光刻工序服務(wù)?？梢酝ㄟ^(guò)上文所述的信息模型對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行量化的描述?？赏ㄟ^(guò)過(guò)程設(shè)計(jì)器將物理的過(guò)程映射為應(yīng)用程序中的進(jìn)程，將生產(chǎn)過(guò)程中的物理構(gòu)件轉(zhuǎn)換為過(guò)程信息構(gòu)件。這樣的映射能夠創(chuàng)建一個(gè)基于公司內(nèi)服務(wù)本體的制造服務(wù)庫(kù)。在服務(wù)本體內(nèi)，每個(gè)類型的生產(chǎn)流程都可以由制造服務(wù)類型描述，如“MiniFab生產(chǎn)過(guò)程”。由客戶定義的制造服務(wù)規(guī)范給出了制造服務(wù)類型中所描述的參數(shù)的具體數(shù)值，如表1所示。

　　產(chǎn)模型的生產(chǎn)過(guò)程模型如圖6所示，該模型包含了一系列產(chǎn)品級(jí)的制造服務(wù)、過(guò)程參數(shù)規(guī)范列表和服務(wù)的依賴關(guān)系列表，過(guò)程參數(shù)規(guī)范列表通過(guò)綁定過(guò)程方法類中函數(shù)計(jì)算出更高級(jí)別的參數(shù)。

4結(jié)論

　　將Holonic體系與SOA融合對(duì)于創(chuàng)建更加靈活響應(yīng)、可重構(gòu)和高效的制造系統(tǒng)是一種極具吸引力的解決方式。由于制造環(huán)境的復(fù)雜性，不同于Web服務(wù)制造服務(wù)需要新的更合適的模型來(lái)描述制造資源。如文章所述，制造服務(wù)是從制造系統(tǒng)子體內(nèi)業(yè)務(wù)功能的不同角度來(lái)設(shè)計(jì)和管理信息模型，每個(gè)子模型適用于不同的目的，即：制造服務(wù)類型模型用來(lái)在特定的服務(wù)本體中歸類操作；制造服務(wù)規(guī)范模型來(lái)描述實(shí)現(xiàn)制造能力所需的信息；制造服務(wù)配置模型來(lái)發(fā)布服務(wù)提供商針對(duì)特定的制造服務(wù)類型所具備的資源能力；制造服務(wù)實(shí)現(xiàn)模型來(lái)描述服務(wù)提供商針對(duì)特定的制造服務(wù)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(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程建模，促進(jìn)更加靈活和多變的生產(chǎn)工藝的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 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.

　?。?］ 劉華文 ,申春, 楊冬，等. 語(yǔ)義Web服務(wù)基礎(chǔ)技術(shù)研究綜述［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2010, 28(1):47-54.

　　［3］ 姚錫凡，李彬，董曉倩，等. 符號(hào)學(xué)視角下的智慧制造系統(tǒng)集成框架［J］. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，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/.

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