陳學海，宋豫川，鄢 萍，劉 飛

（重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

0 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間層的管理信息系統(tǒng)，它聯(lián)系著企業(yè)的上層計劃管理系統(tǒng)和下層工業(yè)控制系統(tǒng)，能夠及時反映生產(chǎn)現(xiàn)場信息，是實現(xiàn)制造企業(yè)信息集成的紐帶。通過實施MES，制造企業(yè)能夠有效提高生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率，從而縮短交貨期，降低生產(chǎn)成本，贏得市場機遇。

當前制造企業(yè)面臨的環(huán)境復雜多變，一方面，客戶的個性化需求越來越多，制造業(yè)的專業(yè)化分工趨勢越來越明顯，產(chǎn)品生命周期內(nèi)的業(yè)務活動依賴于多個企業(yè)的協(xié)作；另一方面，敏捷制造、綠色制造、云制造等各種新興制造模式的興起，對制造企業(yè)的資源組織和使用方式也提出了新的要求。當前制造企業(yè)面臨的現(xiàn)狀要求企業(yè)能按需快速調(diào)整業(yè)務邏輯，同時以松耦合的方式與各種信息系統(tǒng)實現(xiàn)集成。作為企業(yè)信息集成的紐帶，MES的信息集成能力與集成重構(gòu)能力關(guān)系到整個企業(yè)的信息系統(tǒng)能否滿足企業(yè)業(yè)務要求，因此對MES的集成重構(gòu)研究一直受到學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和重視。

文獻［1］基于公共對象請求代理結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）開放式系統(tǒng)集成框架，將封裝后的功能構(gòu)件以即插即用的方式進行集成，從而實現(xiàn)MES的集成可重構(gòu)；文獻［2］采用業(yè)務層和數(shù)據(jù)層的分離，通過抽取可定制的業(yè)務功能構(gòu)件，按業(yè)務規(guī)則定制實現(xiàn)MES的集成重構(gòu)；文獻［3］針對鋼鐵企業(yè)設(shè)計出柔性MES組件模型，基于組件服務接口與組件服務實現(xiàn)關(guān)系的重構(gòu)實現(xiàn)MES的柔性集成；文獻［4］通過在 MES中引入業(yè)務規(guī)則管理系統(tǒng)，利用規(guī)則引擎及相應的規(guī)則語言，針對企業(yè)需求制定業(yè)務規(guī)則，把程序代碼和業(yè)務規(guī)則分離開來，增強系統(tǒng)的靈活性和適應能力；文獻［5］提出一個四維的 MES模型，通過模型驅(qū)動的系統(tǒng)構(gòu)建方法實現(xiàn)系統(tǒng)模型與系統(tǒng)實現(xiàn)的統(tǒng)一及系統(tǒng)的跨平臺重構(gòu)，通過基于服務的可重構(gòu)單元構(gòu)建方法構(gòu)建不同粒度的服務，基于動態(tài)服務組合的流程編排實現(xiàn)了業(yè)務功能的重用和動態(tài)的流程集成；文獻［6］提出一種模型驅(qū)動的工程方法，從全生命周期的角度和較高的抽象層次規(guī)劃實現(xiàn)了MES集成關(guān)系的重構(gòu)；文獻［7］提出一套支持跨粒度重構(gòu)的MES體系結(jié)構(gòu)，以保持MES與生產(chǎn)系統(tǒng)同步和響應更密集、更復雜的MES集成的需求；文獻［8］提出一種基于本體的智能體來實現(xiàn)模塊化的柔性制造系統(tǒng)集成；文獻［9］討論了Holon制造系統(tǒng)中工藝組合重構(gòu)的實現(xiàn)。從以上文獻可以看出，MES的集成可重構(gòu)研究主要關(guān)注自身業(yè)務流程的集成可重構(gòu)性，對于系統(tǒng)間的集成重構(gòu)和業(yè)務對象的集成重構(gòu)則關(guān)注不多，而僅基于業(yè)務流程的集成重構(gòu)難以滿足當前企業(yè)復雜多變的集成需求。

隨著制造業(yè)信息化的不斷深入，制造企業(yè)面臨越來越多的信息化系統(tǒng)，為了發(fā)揮信息系統(tǒng)的綜合效用，消除信息孤島，MES必然需要與其他信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)系統(tǒng)間的集成［10］。目前制造系統(tǒng)間的集成技術(shù)從傳統(tǒng)的緊耦合向松耦合方向發(fā)展，語義已成為集成技術(shù)發(fā)展的重點［11］。當前集成的實現(xiàn)技術(shù)主要基于 Web服務及其擴展［12－14］，集成架構(gòu)大多采用類面向服務的體系結(jié)構(gòu)（Service－Oriented Architecture，SOA）模 式［15－17］，而 Web 服 務 和SOA主要關(guān)注系統(tǒng)間服務的集成接口語法結(jié)構(gòu)定義，對接口的語義信息缺乏支持，因此要求集成接口保持穩(wěn)定，當集成接口面臨重構(gòu)時則難以維持既有集成關(guān)系。為了解決集成中面臨的語義問題，集成領(lǐng)域也開始采用本體［12，18］和 映射［19］等技術(shù)來解 決集成中面臨的語義異構(gòu)，雖然本體提供了語義定義和處理機制，但是由于不同系統(tǒng)對本體的定義各異，不同系統(tǒng)間的本體依然存在語義異構(gòu)問題，同時信息映射技術(shù)雖然得到了應用，但是還沒有作為一個系統(tǒng)來研究。面對當前企業(yè)信息系統(tǒng)的集成現(xiàn)狀和需求，筆者所在課題組提出了語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的概念［20－21］，通過語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)來支持系統(tǒng)間的語義集成?；谡n題組在語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上的研究成果［20－21］，本文研究了基于語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的離散 MES集成可重構(gòu)，以期在語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的支持下實現(xiàn)其業(yè)務活動及集成關(guān)系的集成可重構(gòu)。

1 基于語義網(wǎng)關(guān)的離散制造執(zhí)行系統(tǒng)集成可重構(gòu)框架

1．1 離散制造執(zhí)行系統(tǒng)基于語義網(wǎng)關(guān)的集成可重構(gòu)需求分析

由于離散制造行業(yè)的傳統(tǒng)特點，不同產(chǎn)品的加工工藝和制造流程有較大差異，產(chǎn)品品種較多，生產(chǎn)批量各異，物料供應復雜，計劃調(diào)度困難?；谝陨咸攸c，王琦峰認為離散車間MES的可重構(gòu)性分為組織結(jié)構(gòu)重構(gòu)、制造資源重構(gòu)、制造流程重構(gòu)和技術(shù)平臺的重構(gòu)四個方面［5］。隨著制造環(huán)境的變化，制造企業(yè)的應用越來越復雜，各種應用的異構(gòu)程度不斷加深，尤其是企業(yè)間越來越多的制造協(xié)作活動，要求MES能夠同時與不同企業(yè)的異構(gòu)信息系統(tǒng)實現(xiàn)松耦合集成。

然而企業(yè)的MES與其他信息系統(tǒng)一般由不同的服務商提供，由于目前信息系統(tǒng)間對信息結(jié)構(gòu)及其交互方式缺乏統(tǒng)一的標準，服務商們大多基于自身的業(yè)務知識來實現(xiàn)和實施各自的信息系統(tǒng)。服務商們對企業(yè)業(yè)務模型理解的差異，導致MES與其他系統(tǒng)在業(yè)務實體結(jié)構(gòu)與業(yè)務邏輯關(guān)系上產(chǎn)生語義異構(gòu)。同時當前信息系統(tǒng)間大多采用組件技術(shù)和服務技術(shù)實現(xiàn)集成，這種集成方式需要接口間語法的嚴格匹配，從而要求它們提供的接口契約保持長期穩(wěn)定。當MES順應企業(yè)業(yè)務變化進行重構(gòu)時，必然涉及到MES業(yè)務模型的調(diào)整，這種調(diào)整又會具體表現(xiàn)在業(yè)務實體與業(yè)務邏輯上，進而影響MES與其他信息系統(tǒng)間的集成關(guān)系。因此，保持MES業(yè)務重構(gòu)前后語義的穩(wěn)定，以更靈活的松耦合方式實現(xiàn)系統(tǒng)間的集成，對減少MES重構(gòu)的復雜度具有重要的意義，這就要求MES除了必須具備傳統(tǒng)的可重構(gòu)能力外，還必須從語義上具有可重構(gòu)能力和基于語義集成的可重構(gòu)能力。基于前述需求，本文在語義網(wǎng)關(guān)支持下，通過對MES業(yè)務語義的管理和業(yè)務實體與業(yè)務邏輯的動態(tài)集成以及可配置的系統(tǒng)間集成方法，為MES的重構(gòu)與集成提供了一種新的途徑。

1．2 基于語義網(wǎng)關(guān)的離散制造執(zhí)行系統(tǒng)集成可重構(gòu)框架

為了滿足離散車間當前對MES的集成可重構(gòu)需求，本文提出基于語義網(wǎng)關(guān)的離散MES集成可重構(gòu)框架，如圖1所示。

基于語義網(wǎng)關(guān)的離散MES集成可重構(gòu)框架主要由基礎(chǔ)平臺與框架層、系統(tǒng)業(yè)務層、集成配置層、語義集成代理和語義網(wǎng)關(guān)組成。

（1）基礎(chǔ)平臺與框架層 在配置信息的支持下為系統(tǒng)提供用戶界面，從而展示業(yè)務實體和提供執(zhí)行業(yè)務方法的入口；創(chuàng)建業(yè)務實體并實現(xiàn)實體和數(shù)據(jù)庫間的對象關(guān)系映射；在業(yè)務實體和業(yè)務邏輯接口間提供動態(tài)注入，實現(xiàn)接口方法的調(diào)用攔截和具體方法的調(diào)用；執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務規(guī)則和業(yè)務流程等。

（2）系統(tǒng)業(yè)務層 系統(tǒng)業(yè)務是車間活動在計算機系統(tǒng)中的定義，在系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在業(yè)務實體、業(yè)務邏輯和業(yè)務流程上。車間業(yè)務決定了如何定義系統(tǒng)的業(yè)務實體、業(yè)務邏輯、業(yè)務流程的組合關(guān)系以及業(yè)務功能實現(xiàn)代碼。

（3）集成配置層 在配置使能工具的支持下定制系統(tǒng)的運行界面，定義業(yè)務實體和業(yè)務邏輯接口，指定業(yè)務實體和業(yè)務邏輯的關(guān)系，配置業(yè)務流程；定制運行界面指定系統(tǒng)以何種具體方式展現(xiàn)數(shù)據(jù)；對業(yè)務實體的定義則建立了實體屬性和實體間的繼承組合關(guān)系；通過配置為業(yè)務實體指定業(yè)務邏輯；業(yè)務流程的配置指定了功能和流程間的組合關(guān)系。

（4）語義集成代理 語義集成代理負責與語義網(wǎng)關(guān)間的集成信息交互，包括消息通訊、信息封裝與解析，按語義網(wǎng)關(guān)的要求執(zhí)行MES系統(tǒng)的功能服務，響應語義數(shù)據(jù)集成，更新 MES業(yè)務實體的狀態(tài)等。

（5）語義網(wǎng)關(guān) 語義網(wǎng)關(guān)是MES與其他異構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)語義集成的平臺。通過語義網(wǎng)關(guān)提供的語義和服務注冊、語義轉(zhuǎn)換和服務驅(qū)動能力以及消息訂閱和發(fā)布等機制，MES只需與語義網(wǎng)關(guān)建立集成關(guān)系，就能夠利用語義網(wǎng)關(guān)提供的集成能力實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的語義集成。

集成可重構(gòu)框架描述了支持MES運行和集成可重構(gòu)的各部分間的關(guān)系，MES的業(yè)務實體、業(yè)務邏輯和系統(tǒng)間的集成作為框架內(nèi)的組成部分，框架為它們的可重構(gòu)提供了基礎(chǔ)。

2 基于語義網(wǎng)關(guān)的離散制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務集成可重構(gòu)實現(xiàn)方法

2．1 制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務實體的集成可重構(gòu)實現(xiàn)方法

業(yè)務實體是車間各種對象在計算機中的定義，它們是MES的運行和集成的基礎(chǔ)，各種數(shù)據(jù)的加載顯示、業(yè)務邏輯的執(zhí)行都依托于業(yè)務實體之上。由于不同車間或同一車間在不同階段面臨的制造環(huán)境各不相同，它在不同條件下對業(yè)務實體的定義也各不相同，滿足業(yè)務實體的集成重構(gòu)需求就具有顯著的意義。

當前的MES大都采用靜態(tài)的高級程序設(shè)計語言開發(fā)，這類語言具有嚴格的類型約束，因此MES的業(yè)務實體在開發(fā)過程中就被嚴格定義，同時與其相關(guān)的業(yè)務邏輯也被緊密地耦合在一起，經(jīng)過編譯后成為MES的部件。在這種模式下，業(yè)務實體的集成重構(gòu)主要面臨如下困難：

（1）業(yè)務實體被編譯為二進制代碼，用戶無法從系統(tǒng)中獲取詳細的定義。

（2）用戶沒有與實體相關(guān)的完整源代碼，無法重新定義和編譯強類型的業(yè)務實體。

（3）重構(gòu)成功后的業(yè)務實體依舊執(zhí)行重構(gòu)前的業(yè)務邏輯，無法體現(xiàn)實體重構(gòu)的意義。

（4）業(yè)務實體重構(gòu)后的語義無法被其他信息系統(tǒng)理解，必須為每個系統(tǒng)重新定義集成關(guān)系。

基于以上分析，為了實現(xiàn)業(yè)務實體的集成可重構(gòu)，本文提出一種基于語義網(wǎng)關(guān)的業(yè)務實體集成可重構(gòu)模型，如圖2所示。

要實現(xiàn)業(yè)務實體的集成可重構(gòu)，業(yè)務實體必須從邏輯和物理上作為MES的獨立組件。業(yè)務實體的定義信息由MES配置系統(tǒng)維護，用戶可以通過配置工具，以可視化的界面創(chuàng)建或編輯業(yè)務實體，在業(yè)務實體中增加或移除屬性定義，同時可以按需定義屬性的交互顯示模式，如格式化顯示、指定編輯控件等，也可以為屬性建立業(yè)務校驗規(guī)則，如屬性值必須在指定的范圍內(nèi)、屬性值不能為空和屬性值必須唯一等。當用戶保存業(yè)務實體的定義信息時，配置系統(tǒng)自動根據(jù)實體的定義信息生成業(yè)務實體的源碼，同時將源碼編譯為動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL）組件。由于業(yè)務實體是獨立的組件，對其編譯可以獨立進行而不影響系統(tǒng)的其他模塊。

MES要實現(xiàn)語義集成，必須向語義網(wǎng)關(guān)間注冊自己的私有語義，通過語義網(wǎng)關(guān)擁有的企業(yè)語義標準和其他系統(tǒng)在平臺注冊的語義標準之間的映射處理，與其他系統(tǒng)實現(xiàn)語義交換。業(yè)務實體是屬性的集合，每個屬性都有自己的語義。在重構(gòu)業(yè)務實體時，必然會涉及屬性及其語義的變更。由于語義網(wǎng)關(guān)擁有一套企業(yè)的語義標準，當MES的語義發(fā)生變化時，引入語義網(wǎng)關(guān)的企業(yè)語義標準無疑能夠降低MES與語義網(wǎng)關(guān)間的語義集成復雜度，提高實體重構(gòu)和系統(tǒng)集成效率。當實體需要增加屬性時，如果企業(yè)語義標準中存在該屬性的等價語義，則可以直接將該語義定義為屬性的語義；如果不存在等價語義，則可建立MES的私有語義，并在語義網(wǎng)關(guān)中注冊該語義，成為語義網(wǎng)關(guān)的企業(yè)語義標準；當修改了屬性的語義時，只需重新定義該語義與企業(yè)語義標準的映射關(guān)系，就可以保持與其他系統(tǒng)間的語義集成關(guān)系。

當MES運行時，系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺首先加載業(yè)務實體組件，獲得業(yè)務實體類型信息，并通過對象關(guān)系映射系統(tǒng)將業(yè)務實體定義的變化更新到對應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，然后加載自定義顯示信息和業(yè)務規(guī)則信息，并在MES基礎(chǔ)平臺的支持下，按配置信息創(chuàng)建業(yè)務實體交互界面和校驗業(yè)務實體數(shù)據(jù)。

通過業(yè)務實體分離和配置時的編譯，實現(xiàn)了業(yè)務實體結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)；通過業(yè)務校驗規(guī)則的配置，實現(xiàn)了約束規(guī)則的可重構(gòu)；通過配置顯示模式，實現(xiàn)了交互方式的可重構(gòu)；通過語義的引入、注冊和映射關(guān)系的定義，保持了實體語義的一致性。由于業(yè)務實體是MES的獨立組件，并且沒有相關(guān)業(yè)務邏輯的定義，重構(gòu)后的業(yè)務實體可以方便地擴展其業(yè)務邏輯。

2．2 制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務邏輯的集成可重構(gòu)實現(xiàn)方法

業(yè)務實體的集成可重構(gòu)為業(yè)務邏輯的集成可重構(gòu)提供了基礎(chǔ)，業(yè)務邏輯主要從以下幾個方面進行集成重構(gòu)：

（1）動態(tài)關(guān)聯(lián)業(yè)務實體的業(yè)務邏輯。

（2）調(diào)整業(yè)務邏輯的接口聲明，改變業(yè)務邏輯功能的具體實現(xiàn)。

（3）定義業(yè)務流程的組合關(guān)系。

為了實現(xiàn)業(yè)務邏輯的集成可重構(gòu)，本文提出一種基于語義網(wǎng)關(guān)的業(yè)務邏輯的集成可重構(gòu)模型，如圖3所示。

業(yè)務邏輯在MES中由業(yè)務邏輯的接口聲明和業(yè)務邏輯接口方法的實現(xiàn)兩部分組成。業(yè)務邏輯的接口是一系列抽象方法的集合，它們定義了業(yè)務實體具有哪些功能、可以執(zhí)行哪些業(yè)務流程，以及方法的契約，但是不提供具體的實現(xiàn)；業(yè)務邏輯的實現(xiàn)則是具體的可執(zhí)行代碼，能真實地改變業(yè)務實體的狀態(tài)。

由于業(yè)務實體和業(yè)務邏輯的分離，業(yè)務實體和業(yè)務邏輯實現(xiàn)了解耦合，同時也切斷了它們之間的聯(lián)系。為了在運行時建立業(yè)務實體和邏輯接口間的關(guān)系，MES平臺的依賴注入框架在運行時根據(jù)配置文件中的定義動態(tài)注入業(yè)務邏輯接口，從而實現(xiàn)業(yè)務實體和業(yè)務邏輯的松耦合關(guān)聯(lián)與動態(tài)集成。

MES的開發(fā)采用強類型的靜態(tài)語言，業(yè)務邏輯接口的可重構(gòu)必然會涉及源碼層的修改。業(yè)務邏輯接口的獨立定義為源碼層的修改提供了條件，結(jié)合配置時的編譯策略，可以實現(xiàn)業(yè)務接口的重構(gòu)，具體步驟如下：首先用戶通過MES配置系統(tǒng)定義業(yè)務邏輯接口，并為接口增加方法和指定方法的參數(shù)等調(diào)用契約信息；然后用戶保存所有配置信息，配置系統(tǒng)根據(jù)用戶的配置信息自動生成接口的源碼，并在編譯系統(tǒng)的支持下即時編譯源碼，生成強類型的業(yè)務邏輯接口組件。由于這些工作都由配置系統(tǒng)在后臺自動完成，對用戶的配置過程完全透明，用戶在界面友好的配置系統(tǒng)中就可即時完成接口的重構(gòu)。

業(yè)務邏輯接口沒有提供方法的實現(xiàn)，因此當MES調(diào)用接口方法時，并不能執(zhí)行預期的業(yè)務邏輯。為了真實地實現(xiàn)業(yè)務功能，必須在接口方法和具體實現(xiàn)代碼間建立調(diào)用聯(lián)系。MES平臺首先攔截對接口方法的調(diào)用，然后從配置信息中獲取該接口方法的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)定義，再由攔截代理執(zhí)行實際的業(yè)務邏輯代碼，最后將執(zhí)行結(jié)果返回給接口方法的調(diào)用方。業(yè)務邏輯的實現(xiàn)由兩類代碼組成：第一類是編譯好的可執(zhí)行代碼，可以被攔截代理直接調(diào)用，這類代碼存在于已編譯好的典型MES業(yè)務實現(xiàn)組件中；第二類是動態(tài)的文本代碼，這類代碼必須被平臺引擎解析處理后才能與攔截代理交互。業(yè)務邏輯實現(xiàn)重構(gòu)主要基于第二類動態(tài)文本代碼，用戶通過配置系統(tǒng)對文本代碼的動態(tài)編輯來滿足其重構(gòu)需求。

MES業(yè)務邏輯的重構(gòu)必然影響MES向外部提供的集成服務，從而導致外部系統(tǒng)必須重新設(shè)計和編譯其與MES實現(xiàn)互操作的組件，基于語義網(wǎng)關(guān)的業(yè)務邏輯重構(gòu)則將這種不良影響降到了最低。設(shè)計MES的業(yè)務邏輯時，在語義網(wǎng)關(guān)中注冊業(yè)務邏輯的接口方法和接口契約，保證MES的接口語義能被語義網(wǎng)關(guān)理解，接口信息的注冊同時也為外部系統(tǒng)與MES的服務集成提供了途徑。當MES邏輯接口契約發(fā)生修改時，由于邏輯接口并不提供方法的實現(xiàn)，不需修改該契約在語義網(wǎng)關(guān)中的注冊信息，只要按修改后的契約信息在網(wǎng)關(guān)重新注冊一個新的服務即可。由于接口是抽象的定義，為了讓語義網(wǎng)關(guān)能夠確定其對應的具體實現(xiàn)方法，需要將其實現(xiàn)方法在語義網(wǎng)關(guān)中進行路徑注冊和參數(shù)語義注冊。在MES配置系統(tǒng)的支持下，用戶通過少量的工作，就可以完成業(yè)務邏輯在語義網(wǎng)關(guān)中的注冊和重構(gòu)活動。

MES的業(yè)務邏輯在語義網(wǎng)關(guān)中注冊后，MES與外部異構(gòu)系統(tǒng)的服務集成行為就可以被語義網(wǎng)關(guān)代理，當外部有服務集成請求時，語義網(wǎng)關(guān)首先對系統(tǒng)的請求信息進行語義解析，將其請求語義轉(zhuǎn)換為符合接口契約的語義，然后將其映射為具體方法的參數(shù)語法和語義，再將符合該方法語義的請求信息交由MES的語義集成代理，由它負責調(diào)用方法并返回信息。語義網(wǎng)關(guān)則將返回的信息進行語義逆向處理，得到符合服務請求系統(tǒng)語義的信息，并將最后信息返回給目標系統(tǒng)。

通過語義網(wǎng)關(guān)對服務請求信息的語義解析轉(zhuǎn)換以及服務調(diào)用的代理，使MES與外部系統(tǒng)實現(xiàn)了解耦合，MES業(yè)務重構(gòu)的影響被語義網(wǎng)關(guān)消除，從而使外部系統(tǒng)與MES的集成關(guān)系保持穩(wěn)定。

企業(yè)的業(yè)務經(jīng)常變化，因此其業(yè)務邏輯也在不斷調(diào)整，通過業(yè)務邏輯的獨立聲明和實現(xiàn)，企業(yè)可以在不同階段定義不同的業(yè)務邏輯，使MES可以對業(yè)務邏輯進行積累，并可按需進行動態(tài)注入和調(diào)用攔截，實現(xiàn)業(yè)務邏輯的集成重構(gòu)。語義網(wǎng)關(guān)使MES與其他系統(tǒng)實現(xiàn)了解耦合，并保持了服務契約的穩(wěn)定，最小化了MES業(yè)務邏輯重構(gòu)對系統(tǒng)集成活動的影響。

3 制造執(zhí)行系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)基于語義網(wǎng)關(guān)的集成關(guān)系可重構(gòu)實現(xiàn)方法

MES不是孤立運行的，它必然存在與其他信息系統(tǒng)集成的需求。語義網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)間語義集成的平臺，能夠從語義上支持MES的數(shù)據(jù)集成和服務集成?；谡Z義網(wǎng)關(guān)的可重構(gòu)集成就是要充分利用MES與語義網(wǎng)關(guān)在語義集成上的優(yōu)勢，通過對集成內(nèi)容的重構(gòu)實現(xiàn)與不同系統(tǒng)的語義集成。MES基于語義網(wǎng)關(guān)的可重構(gòu)集成模型如圖4所示。

MES的集成分為數(shù)據(jù)集成和服務集成，數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間的共享，服務集成實現(xiàn)系統(tǒng)間功能服務的互操作，并且所有的集成活動都在語義網(wǎng)關(guān)的支持下進行。MES的集成行為通過配置而不是編碼的形式來定義，因此通過對集成配置信息的修改就可以重構(gòu)MES的集成行為。MES集成的可重構(gòu)分為MES與語義網(wǎng)關(guān)的集成階段和語義網(wǎng)關(guān)與其他信息系統(tǒng)的集成階段兩個階段。

3．1 制造執(zhí)行系統(tǒng)與語義網(wǎng)關(guān)的集成關(guān)系可重構(gòu)實現(xiàn)方法

MES和語義網(wǎng)關(guān)間的集成由集成配置層控制，其中數(shù)據(jù)集成規(guī)則定義了業(yè)務實體參與集成時必須滿足的屬性狀態(tài)條件，數(shù)據(jù)集成內(nèi)容定義了業(yè)務實體的哪些屬性參與集成，服務集成的定義描述了MES暴露的服務契約與具體實現(xiàn)的關(guān)聯(lián)信息。

每當業(yè)務實體的狀態(tài)被修改并持久化時，與其相關(guān)的所有數(shù)據(jù)集成規(guī)則將根據(jù)持久化前后的狀態(tài)自動進行測試。在完成所有測試后，一旦有滿足的集成規(guī)則，即將自動激活MES的集成行為，然后根據(jù)該實體的數(shù)據(jù)集成內(nèi)容定義創(chuàng)建數(shù)據(jù)變更消息，由語義集成代理送往語義網(wǎng)關(guān)進行后續(xù)處理。例如在數(shù)據(jù)集成規(guī)則中定義規(guī)則“工單的完工屬性由‘假’變?yōu)椤妗?，則當某個工單實體的完工屬性滿足持久化前為“假”、持久化后為“真”時，系統(tǒng)將根據(jù)工單實體在集成內(nèi)容中的定義自動產(chǎn)生一條工單完工的數(shù)據(jù)集成消息，送往語義網(wǎng)關(guān)進行處理。

除了MES自身狀態(tài)變更所帶來的集成行為外，外部系統(tǒng)通過語義網(wǎng)關(guān)發(fā)送給MES的數(shù)據(jù)消息同樣能觸發(fā)集成活動。當MES接收到來自語義網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息時，首先將數(shù)據(jù)還原為業(yè)務實體對象，并在集成規(guī)則和內(nèi)容的約束下，根據(jù)消息的類型決定對該業(yè)務實體的操作，從而使外部數(shù)據(jù)信息的變化能反映到MES。

通過服務契約與服務實現(xiàn)的分離和配置關(guān)聯(lián)，MES可以靈活地調(diào)整服務的具體實現(xiàn)，從而修改服務的實現(xiàn)并保持接口的穩(wěn)定，由于語義網(wǎng)關(guān)提供的服務依賴于具體的應用系統(tǒng)，MES服務重構(gòu)的同時也實現(xiàn)了語義網(wǎng)關(guān)服務的重構(gòu)。

3．2 語義網(wǎng)關(guān)與其他信息系統(tǒng)的集成關(guān)系可重構(gòu)實現(xiàn)方法

語義網(wǎng)關(guān)同時集成眾多異構(gòu)的信息系統(tǒng)，而每個信息系統(tǒng)的集成需求各異，因此語義網(wǎng)關(guān)必須支持集成的重構(gòu)。由于參與集成的信息系統(tǒng)在語義網(wǎng)關(guān)中進行了語義注冊，建立了語義映射關(guān)系，語義網(wǎng)關(guān)能夠理解信息在異構(gòu)系統(tǒng)中的語義，同時通過信息系統(tǒng)在語義網(wǎng)關(guān)中建立的消息訂閱關(guān)系，語義網(wǎng)關(guān)能夠明確不同信息系統(tǒng)對消息的不同需求并控制消息的發(fā)送。

MES的信息在語義網(wǎng)關(guān)中的重構(gòu)過程如下：MES的數(shù)據(jù)集成消息被語義網(wǎng)關(guān)接收后，語義網(wǎng)關(guān)首先根據(jù)語義映射關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為語義網(wǎng)關(guān)的中間語義，然后將消息分解為名值對的集合，再根據(jù)信息系統(tǒng)的消息訂閱配置分別轉(zhuǎn)換為目標訂閱系統(tǒng)的語義，最后對每個系統(tǒng)的所有名值對進行組合，生成符合目標系統(tǒng)需求和語義的語義信息并發(fā)送。

業(yè)務實體定義和業(yè)務邏輯定義是集成重構(gòu)的基礎(chǔ)，它們支持了MES數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和業(yè)務結(jié)構(gòu)的重構(gòu)；業(yè)務實體與業(yè)務邏輯接口間的集成重構(gòu)實現(xiàn)MES的業(yè)務能力重構(gòu)，業(yè)務邏輯的接口與實現(xiàn)間的集成重構(gòu)則支持了業(yè)務流程具體運行的重構(gòu)；集成內(nèi)容與集成活動的重構(gòu)滿足了MES與企業(yè)其他信息系統(tǒng)間的集成關(guān)系重構(gòu)。

4 應用驗證

基于上述研究，筆者在．Net平臺上開發(fā)了離散車間的可重構(gòu)MES原型并進行了驗證?；谡Z義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的可重構(gòu)MES由配置系統(tǒng)、基礎(chǔ)平臺框架和語義集成代理三部分組成。配置系統(tǒng)負責定義和重構(gòu)MES的業(yè)務實體、業(yè)務邏輯流程和各種業(yè)務與集成規(guī)則等信息；基礎(chǔ)平臺框架根據(jù)配置信息創(chuàng)建MES的業(yè)務實體、業(yè)務邏輯及其用戶界面，并在它們之間動態(tài)建立關(guān)系，驅(qū)動各種業(yè)務功能的執(zhí)行；語義集成代理負責MES與語義網(wǎng)關(guān)的消息通訊、MES數(shù)據(jù)集成信息的封裝和還原，以及MES集成服務的調(diào)用。

在具有典型業(yè)務的MES原型系統(tǒng)下，集成重構(gòu)活動一般由業(yè)務實體定義與業(yè)務邏輯接口定義的重構(gòu)發(fā)起，重構(gòu)業(yè)務實體與業(yè)務邏輯間的依賴關(guān)系，同時按需建立業(yè)務邏輯實現(xiàn)的執(zhí)行腳本代碼，最后配置MES與語義網(wǎng)關(guān)間的集成關(guān)系。

當MES的工單需要新增一個屬性來表示已投入加工的數(shù)量時，可通過配置工具在工單實體上新建一個整型屬性“已啟動數(shù)量”，然后保存配置信息，同時配置系統(tǒng)在后臺自動編譯和更新MES的業(yè)務實體，并將該屬性的語義同步注冊到語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，從而通過語義網(wǎng)關(guān)與其他信息系統(tǒng)建立語義聯(lián)系。由于“已啟動數(shù)量”是新增的業(yè)務實體屬性，為了使其能夠反映已投入加工的數(shù)量，需要調(diào)整MES中與其相關(guān)的工票下發(fā)邏輯，即通過調(diào)整首道工票下發(fā)的邏輯實現(xiàn)，增加腳本指令“工單．已啟動數(shù)量＝工單．已啟動數(shù)量＋工票．生產(chǎn)數(shù)量”，從而實現(xiàn)其業(yè)務功能。MES中工單的“已啟動數(shù)量”與企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)中工單的“已投入數(shù)量”在業(yè)務語義上存在等價關(guān)系，對于同一工單，為了將 MES中的“已啟動數(shù)量”自動與ERP中的“已投入數(shù)量”同步，需在它們之間建立集成關(guān)系，并確保它們已在語義網(wǎng)關(guān)中注冊。集成關(guān)系通過配置的方式建立，對“已啟動數(shù)量”建立集成規(guī)則“Value Changed”，并定義其集成內(nèi)容為｛工單單號，已啟動數(shù)量｝，同時在語義網(wǎng)關(guān)增加ERP系統(tǒng)對“已啟動數(shù)量”的語義訂閱。當MES中工單的“已啟動數(shù)量”屬性發(fā)生變化時，則自動觸發(fā)集成規(guī)則“Value Changed”，然后創(chuàng)建包含當前工單集成內(nèi)容的集成消息并發(fā)送到語義網(wǎng)關(guān)。根據(jù)消息內(nèi)容的訂閱列表，語義網(wǎng)關(guān)將消息內(nèi)容在“已啟動數(shù)量”與“已投入數(shù)量”間進行語義轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到ERP系統(tǒng)，最后由部署在ERP系統(tǒng)上的語義網(wǎng)關(guān)客戶端將數(shù)據(jù)更新到ERP系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)它們之間的語義集成。

采用實現(xiàn)技術(shù)開發(fā)的MES原型系統(tǒng)部分配置和運行界面如圖5所示。

基于語義網(wǎng)關(guān)的MES除了實現(xiàn)業(yè)務對象的語義集成重構(gòu)外，還可實現(xiàn)服務的語義集成重構(gòu)。MES將其向外提供的集成服務在語義網(wǎng)關(guān)中進行語義注冊，登記其接口參數(shù)的概念語義與結(jié)構(gòu)信息，并與語義網(wǎng)關(guān)中的語義標準建立語義映射，從而使其接口的語義能被語義網(wǎng)關(guān)理解，其他信息系統(tǒng)則通過語義網(wǎng)關(guān)訪問MES提供的服務，并由語義網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)服務信息的語義轉(zhuǎn)換。當MES提供的服務接口契約發(fā)生變化時，通過調(diào)整MES的服務與語義網(wǎng)關(guān)間的語義映射關(guān)系，可保持該服務在語義網(wǎng)關(guān)中的語義穩(wěn)定，由于其他信息系統(tǒng)通過語義網(wǎng)關(guān)進行了服務的訪問代理，MES服務的變化不會進一步影響語義網(wǎng)關(guān)與其他信息系統(tǒng)的服務集成，從而保持了MES與其他信息系統(tǒng)間服務集成的穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)MES集成可重構(gòu)，在語義網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)支持下，本文提出業(yè)務實體、業(yè)務邏輯接口和業(yè)務邏輯實現(xiàn)的分離定義與配置時的編譯策略，通過業(yè)務實體與業(yè)務邏輯間動態(tài)注入和業(yè)務實現(xiàn)方法的調(diào)用攔截，實現(xiàn)了業(yè)務實體和業(yè)務邏輯的集成可重構(gòu)。通過在MES建立數(shù)據(jù)集成規(guī)則、定義數(shù)據(jù)集成內(nèi)容和服務集成內(nèi)容，實現(xiàn)了MES與語義網(wǎng)關(guān)間的集成可重構(gòu)。MES用戶經(jīng)過簡單的技術(shù)培訓后，即可掌握對MES進行集成重構(gòu)的能力。在集成可重構(gòu)框架的支持下，其重構(gòu)過程無需開發(fā)人員的現(xiàn)場支持和二次開發(fā)，同時也減少了MES集成重構(gòu)的成本和復雜度。通過原型系統(tǒng)的開發(fā)和運行，表明基于語義網(wǎng)關(guān)的MES具有基于配置的語義集成可重構(gòu)能力。

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