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(yè)經(jīng)營過程和企業(yè)活動的物質(zhì)載體。廣義的制造資源是指完成產(chǎn)品整個生命周期的所有生產(chǎn)活動所需物理元素的集合，包括設(shè)計、制造、維護等相關(guān)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(yè)資源的形象化、準確描述，將物理資源轉(zhuǎn)化為虛擬資源的過程。制造資源建?？梢詾槠髽I(yè)資源提供統(tǒng)一的描述方法，是實現(xiàn)云制造資源共享和資源優(yōu)化配置的重要基礎(chǔ)。

國內(nèi)外對于企業(yè)資源建模問題已經(jīng)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(yè)建模體系等[1]，經(jīng)歷了以數(shù)據(jù)庫為表達工具的傳統(tǒng)建模方法、面向?qū)ο蟮慕７椒ê突谡Z義建模方法三個階段。

其中計算機集成制造開放體系結(jié)構(gòu)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(yōu)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(tǒng)生命周期的參考體系結(jié)構(gòu),從多個層次和多個角度反映企業(yè)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(nèi)容尚不完善，因此尚無一種完全遵循CIMOSA體系結(jié)構(gòu)的商用軟件[2]。

相比于國外在企業(yè)建模領(lǐng)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(fā)方面都落后于國外。針對企業(yè)制造資源建模主要應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和基于本體的建模方法，在此基礎(chǔ)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(yīng)用時尚未有完善的建模體系為基礎(chǔ)，且由于制造資源語義豐富多樣，面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)無法滿足該特點；而基于本體的建模方法要實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換才能具體應(yīng)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(yè)建模思想，建立制造資源的三維體系結(jié)構(gòu)，對建模方法和建模技術(shù)進行研究，并應(yīng)用圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)資源建模與應(yīng)用。

1 面向服務(wù)的云制造資源建模體系

云制造是面向服務(wù)的生產(chǎn)模式的一種具體表現(xiàn)形式，其實質(zhì)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(wù)，實現(xiàn)云請求、云服務(wù)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(shù)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(wù)體系結(jié)構(gòu)建立了復合制造本體[4]；尹勝對基于Web服務(wù)建模本體的外協(xié)加工資源語義描述總體實現(xiàn)框架、外協(xié)加工資源本體建模等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究[5]。這些建模方法為云制造資源的應(yīng)用提供了積極的探索，依據(jù)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(yīng)用時主要采用XML、OWL等語言建模，無法實現(xiàn)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(chǎn)過程、生產(chǎn)要素等角度來進行描述，無法體現(xiàn)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(zhì)是對企業(yè)制造能力的具體表達，也是企業(yè)競爭力的體現(xiàn)。因此云制造資源建模在繼承傳統(tǒng)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(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)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(yè)制造資源建模是一項比較復雜的任務(wù)，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(wù)組織資源、動態(tài)組合、通過云服務(wù)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(yè)所有與生產(chǎn)活動相關(guān)的制造資源，既包括軟件、數(shù)據(jù)、人員、服務(wù)等軟資源，也包括設(shè)備、物料、物流、協(xié)作等硬資源。資源模型在建模時應(yīng)能充分體現(xiàn)這些類型不一、形式多樣的制造資源，并特別強調(diào)制造能力的表達。

2）模型容易理解

所建立的資源模型應(yīng)該具有統(tǒng)一性，能夠為裝備制造行業(yè)的相關(guān)企業(yè)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(lián)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(cè)面、不同視圖進行描述時應(yīng)具有視圖間數(shù)據(jù)的一致性。

3）模型能夠作為現(xiàn)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(chǎn)模式的基礎(chǔ)，是制造資源轉(zhuǎn)化為虛擬資源并形成虛擬云池的過程，也是資源能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)

綜上所述，本文以CIMOSA企業(yè)建模體系為參考，在此基礎(chǔ)上結(jié)合云制造資源特點，將CIMOSA方法進行改進并應(yīng)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(jié)構(gòu)并從資源層次、能力結(jié)構(gòu)、視圖類型對制造資源進行全方位分析。其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 CIMOSA企業(yè)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(jié)構(gòu)、信息、組織、過程和狀態(tài)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(jié)構(gòu)視圖是資源依據(jù)功能原理所具有的結(jié)構(gòu)組成；信息視圖是制造資源在服務(wù)過程中所需要的相關(guān)信息；組織視圖是反應(yīng)企業(yè)在組織資源過程中的組織結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系，確定企業(yè)內(nèi)部多級多維職責體系；過程視圖反映了制造資源服務(wù)過程的流程，直接映射了資源全生命周期的各個階段；狀態(tài)視圖則是制造資源在任意時刻所具備的狀態(tài)。

2）層次維

層次維將制造資源分為產(chǎn)業(yè)、聯(lián)盟企業(yè)、集團、工廠、車間、班組、設(shè)備層，以滿足云制造模式下制造資源在企業(yè)內(nèi)部與企業(yè)外部的資源共享。通過層層遞進，可以將產(chǎn)業(yè)內(nèi)或聯(lián)盟企業(yè)內(nèi)所有制造資源分類整合，在云服務(wù)平臺上實現(xiàn)業(yè)內(nèi)聯(lián)盟與共贏，提供云服務(wù)資源的高效快速利用。

3）制造能力維

圖2 云資源模型執(zhí)行結(jié)構(gòu)圖

在制造戰(zhàn)略研究中，能力的概念來源于戰(zhàn)略管理研究，被定義為企業(yè)運用資源的能力，企業(yè)所擁有的資源和能力是企業(yè)間競爭的基礎(chǔ)。制造能力是指制造企業(yè)為完成某一目標所需要的主客觀條件，是一種無形的、動態(tài)的資源形式，是在制造活動中結(jié)合制造資源要素所表現(xiàn)出來的一種能力[6]。云制造環(huán)境下的制造能力必須考慮產(chǎn)品全生命周期內(nèi)各種制造資源在提供云服務(wù)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(yīng)用。在此將制造能力劃分為保供、設(shè)計、協(xié)調(diào)、管理、控制和質(zhì)量保證能力。其中保供能力是提供云服務(wù)所必須的供應(yīng)能力；設(shè)計能力是利用相關(guān)資源，完成滿足設(shè)計任務(wù)的能力；協(xié)調(diào)能力是面對眾多云請求在提供服務(wù)時對各種資源應(yīng)用上的沖突調(diào)解和任務(wù)分配能力。

在層次維劃分基礎(chǔ)上，按用途擬將云制造資源分為協(xié)作、服務(wù)、人力、物料、設(shè)備、應(yīng)用軟件、物流和數(shù)據(jù)八大類。云制造生產(chǎn)模式下的制造資源其實質(zhì)任務(wù)是提供各種服務(wù)需求，包括產(chǎn)品購買、資源租賃、信息共享等。在提供服務(wù)的過程中，將各種制造資源依據(jù)制造能力來實現(xiàn)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(wù)與生產(chǎn)，實現(xiàn)的關(guān)鍵是建立制造能力維與視圖維之間的互聯(lián)與表達，其描述模型如圖2所示。云服務(wù)平臺由云請求、云服務(wù)和云提供三層組成，云請求端接受各種請求服務(wù)，由服務(wù)層的制造能力評價體系進行能力評價與任務(wù)分配，并與視圖維中各視圖進行關(guān)聯(lián)，最后將分解的任務(wù)分配到底層的各種制造資源，通過組織、協(xié)調(diào)、管理與控制視圖，實現(xiàn)資源的優(yōu)化動態(tài)組合并提供各種服務(wù)。

2 制造資源模型表達與應(yīng)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(jié)構(gòu)通過彼此的關(guān)聯(lián)關(guān)系實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實施為步驟逐一展開。由于制造資源的種類繁多，將生產(chǎn)過程中的人、財、物、料、信息等全部包含在內(nèi)，具有豐富的語義表述和關(guān)聯(lián)關(guān)系，原有的語義表示方法存在一定缺陷，在此引入圖形數(shù)據(jù)庫進行模型表達。

圖形數(shù)據(jù)庫是一種非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，屬于NoSQL數(shù)據(jù)庫四大類型之一，應(yīng)用圖形理論存儲視圖之間的關(guān)系信息。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用于存儲關(guān)系型數(shù)據(jù)時產(chǎn)生阻抗失諧問題[8]，而圖形數(shù)據(jù)庫沒有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)限制，可以表達豐富的語義知識，能夠直接為程序調(diào)用不需轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫存儲。

圖形數(shù)據(jù)庫的組成要素為節(jié)點、關(guān)系和屬性。節(jié)點是帶有不同屬性的實體，關(guān)系就是有向圖的邊，且邊也有不同類型即屬性。每個關(guān)系由起始節(jié)點、終止節(jié)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(jié)點概念組N={Ni|i=1,2,…,n}，每個節(jié)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(shù)控磨床MK2110、管理人員張經(jīng)理、外協(xié)件電主軸等。

定義2：關(guān)系四元組：R={part_of,instance_of,kind_of,attribute_of}，節(jié)點與節(jié)點之間的關(guān)系主要包括整體與局部、實例關(guān)系、繼承關(guān)系和特征關(guān)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(qū)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(tài)屬性組成，屬性的個數(shù)與資源的類型有關(guān)，如設(shè)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(tài)屬性由負荷率、運行狀態(tài)、故障信息、維修信息等組成；結(jié)構(gòu)屬性根據(jù)不同設(shè)備的功能原理形成的結(jié)構(gòu)部件、尺寸、數(shù)量等組成；信息屬性由設(shè)備資源自身的相關(guān)數(shù)據(jù)、所需資料、加工生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)等特性組成；過程屬性由設(shè)備的加工任務(wù)、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(guān)鍵字標識ID，將所特有的屬性、關(guān)系和能力、視圖等聯(lián)系起來。

2.2 資源模型的實現(xiàn)與應(yīng)用

依據(jù)上述資源模型建模方法與原理，選用Neo4J圖形數(shù)據(jù)庫進行建模。該數(shù)據(jù)庫用Java實現(xiàn)完全兼容ACID，將數(shù)據(jù)以一種針對圖形網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化的格式保存在磁盤上。該數(shù)據(jù)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(huán)境里。在此應(yīng)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(shù)據(jù)和關(guān)系查詢。主要語句如下：

創(chuàng)建節(jié)點：create n={name:'Motion',ID:'M001'}return n;

創(chuàng)建關(guān)系：start n=node(14),m=node(20) create m-[r:KNOWS]-n return r;

按關(guān)系查詢多個節(jié)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(yè)為例，通過分析資源節(jié)點與節(jié)點之間的關(guān)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(shè)備資源的構(gòu)成，共建立108各節(jié)點，106對關(guān)系。節(jié)點之間的關(guān)系和屬性從圖中可以清晰表達。該數(shù)據(jù)庫可以通過Java-API直接與程序進行交互，為云服務(wù)平臺的建立奠定基礎(chǔ)。

圖3 基于Neo4J的云資源模型數(shù)據(jù)庫

3 結(jié)論

隨著Web技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，云制造生產(chǎn)模式作為面向服務(wù)生產(chǎn)模式的具體表現(xiàn)形式必將會得到大力發(fā)展與實現(xiàn)。本文通過對現(xiàn)有資源建模方式存在問題的分析，結(jié)合企業(yè)建模方法CIMOSA，建立云資源模型三維體系結(jié)構(gòu)。以制造能力維為核心，將視圖維、層次維與能力維進行關(guān)聯(lián)，并應(yīng)用圖形數(shù)據(jù)庫Neo4J對模型的實現(xiàn)進行研究，為物理資源向虛擬資源的轉(zhuǎn)換與映射提供了參考和依據(jù)。

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