面向服务架构的全球数字制造技术 - 文章

面向服务架构的全球数字制造技术

作者：刘凡张宜生梁书云李德群

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摘要：本文通过对全球数字制造的内涵，以及在此环境下实现敏捷制造和构建动态联盟所需技术条件的分析，根据对全球数字制造系统原型研发的经验，提出了在这种环境下基于Web Services技术构建敏捷制造和动态联盟的一种面向服务的架构，并通过简单的实例与现实世界中的服务进行对比，描述了此架构的使用流程。
关键字：Web服务技术，面向服务架构，全球数字制造，敏捷制造，动态联盟

1．引言

产品制造模式的发展，经历了少品种少批量、少品种大批量之后，朝多品种小批量方向发展。制造厂商之间的竞争是全球性的，并且消费者的需求日趋表现为主体化、个性化和多样化。大批量生产模式虽能降低成本，产品质量易于保证，但在快速响应市场需求方面有其固有的缺陷。单项先进制造技术，如CAD、CAM、CAPP、MRP等，可以提高产品质量，缩短产品设计和制造周期，但在快速响应市场方面并没有实质性的改观。巨额投资与实际效益形成了强烈反差，其中以国内外应用FMS的教训最为深刻。由此，人们意识到根本问题不在于具体制造技术和管理方式本身，而是制造的生产组织模式和管理者的思维习惯仍束缚于大批量生产模式的旧框架之中。全球数字制造系统作为一种先进制造生产模式就是在此背景下产生的。

2．全球数字制造的内涵分析

全球数字制造技术实际上并不是一项突然出现的先进技术，它是传统的制造系统数字化技术借助敏捷制造及动态联盟等现代制造模式在全球范围内的开展，是数字制造、敏捷制造和动态联盟的综合实施。全球数字制造其基础传统的单项数字制造技术，其运行策略是敏捷制造模式，其组织结构是动态联盟形式，其主要特点可概括为：统一、协调、敏捷。

2.1敏捷制造

敏捷制造（Agile Manufacture， AM）是一种全新的制造概念，它的三大要素是集成、快速和具有高素质的员工。虽然尚无权威的定义，但在以下几个方面取得了共识：

（1）敏捷制造是一种组织模式和战略计划，是一种制造系统工程方法和现代制造模式。

（2）敏捷制造思想的出发点是基于对未来产品和市场发展的分析，认为未来产品市场总的发展趋势是多元化和个人化，因此对制造技术的要求应尽可能做到产品成本及产品类型与产品数量无关。

（3）强调高素质的员工，即要造就一支高度灵活、训练有素、能力强且具有高度责任感的员工队伍，并充分发挥其作用。

（4）敏捷制造的实现需要多个相关企业的协同工作，最终目标是使企业能在无法预测、持续变化的市场环境中保持并不断提高其竞争能力。

（5）敏捷制造通过动态联盟或称虚拟企业(Virtual Enterprise)来实现。

（6）实现敏捷制造的一种手段和工具是虚拟制造(Virtual Manufacturing)，虚拟制造指在计算机上完成该产品从概念设计到最终实现的整个过程。

制造企业的敏捷性可以用成本(Cost)、时间(Time)、健壮性(Robustness)、自适应范围(Scope)四个指标来度量，可简称为CTRS指标。成本指企业完成一次敏捷变化的成本，与新产品上市的成本密切相关，也与产品过程的设计及实现相关。时间指企业完成一次敏捷变化所用的时间，与新产品上市的时间密切相关。健壮性是指完成一次敏捷变化结果的稳定性和坚固性，与新产品及其相关过程的质量有关。自适应范围指一个企业或个体在多大范围内可以通过自我调整来迅速适应环境变化，它是敏捷性的精华，并把柔性和敏捷性区分开来。

敏捷制造系统（AMS）的体系结构可以通过图1来说明，其中最中间的是敏捷制造的概念层，它说明了敏捷制造作为一种企业实现敏捷的生产经营哲学和制造方式所蕴涵着许多不同于传统生产方式的哲理和思想；中间是敏捷制造的实现层，也就是实现AM的要素、技术、方法和模型；最外层是AMS基础设施层。

2.2 动态联盟

组建动态联盟是实施敏捷制造战略的关键。动态联盟是指为了赢得某一机遇性的市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织/公司的优势资源，综合成单一的靠网络通读联系的阶段性经营实体。动态联盟具有集成性和时效性两大特点。它实质上是不同组织/企业间动态集成，随市场机遇的存亡而聚散，在具体表现上，结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门(以互利和信任为基础，而非上级意识)，也可以是不同国家的不同公司。动态联盟的思想基础是共赢(Win-Win)。联盟体中的各个组织/企业互补结盟，以整体优势来应付多变的市场，从而共同获利。

图1 敏捷制造系统的体系结构

动态联盟的建立基础和运作特点不同于现有的大公司集团，前者是面向机遇的临时结盟，是针对产品过程的部分有效资源的互补综合，后者则一般是各企业所有资源的永久简单迭加。关于动态联盟及其实现方式，在以下几个方面的看法已趋一致：

(1) 动态联盟是利用已有的企业组织和技术基础来实现的，不需要高额投资作为前提。

(2) 动态联盟需要相应的技术支撑，否则也会缺乏效率。一般来说，现有企业在向敏捷化转变过程中，应着重解决以下技术问题：

1）计算机集成制造(CIM)技术：将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，敏捷制造也可以认为是CIMS发展的新阶段。

2）网络技术：利用企业网实现企业内部工作小组之间的交流和并行工作，利用全国网、全球网，共享资源，实现异地设计和异地制造，及时地、最佳地建立动态联盟。

3）标准化技术：信息交流的前提要有统一的规则，产品数据交换标准STEP、电子数据交换标准EDI以及超文本数据交换标准SGML等的完善和贯彻是标准化工作的主要内容。

4）模型和仿真技术：对产品生命周期中的各项进行模拟和仿真，实现虚拟制造。

5）并行工程技术：通过组成多学科的产品开发小组协同工作，利用各种计算机辅助工具等手段，使产品开发的各阶段既有一定的顺序又能并行，在产品开发的早期及时发现设计和制造中的问题。

由以上分析可以看出，在全球范围内开展这种以数字化为基础的敏捷制造，构建动态联盟，对技术平台的要求相当高。在联系现实世界的实际情况和当前分布式计算技术的发展趋势，一种以“服务”为中心的体系结构，即面向服务架构能够很好的满足全球数字制造的要求。

3．面向服务架构(SOA)

面向服务架构（Services-Oriented Architecture , SOA）中最重要的概念就是“服务”（Services），它与现实生活中的“服务”有着相同的目的和用途。考虑一个最简单的例子：打电话，为什么可以直接通过电话机拨号接通后就可以与对方说话呢？这是因为电信部门提供了电话接通的服务，而无需客户去寻找对方电话的物理地址，无需客户去处理交换和路由。这就是一种典型的“服务”模式：将复杂的过程和功能封装成可对外提供的服务，从而最大程度的方便客户实现这些过程和使用这些功能。而在基于Internet的网络世界中，这种现实世界中的运作方式被抽象成为Web Services技术。

3.1 Web Services及其特点

Web Services是封装成一个单一实体并通过网络发布给其它程序使用一系列功能集。它是自包含、自描述、模块化的应用，可以发布、定位、通过Web调用。Web Services可以执行从简单的请求到复杂商务处理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Services应用程序可以发现并调用它部署的服务。因此，Web Services是构造开放的分布式系统的基础平台，它们允许所有的企业和个人快速、廉价建立和部署全球性的应用。

作为下一代分布式系统的核心的Web Services，它具有以下特点：

l 互操作性。任何Web Service可以和其它Web Service交互。这种交互通过SOAP(Simple Object Access Protocol，简易对象访问协议)实现，SOAP是一个几乎得到所有厂商支持的标准协议，任何平台和语言的程序都可以通过SOAP实现交互。

l 普通性。Web Services通过HTTP和XML通信。因此，任何支持这两项技术的设备都可以访问Web Services。

l 易实现性。Web Services不像现有的分布式计算系统的具有复杂接口，许多厂商包括IBM和Microsoft也提供大量的免费工具来快速生成和部署Web Service。同时，现有的JavaBeans和COM组件系统很容易转向以Web Services的方式提供服务。

l 广泛支持性。几乎所有的厂商都支持SOAP协议和相关的Web Services技术。

Web服务彼此是松散耦合的。连接中的任何一方均可更改执行机制，都不影响应用程序的正常运行。从技术角度讲，人们已转向使用一种基于消息的异步通讯技术来实现高可靠性的系统性能，通过使用诸如HTTP、简单邮件传输协议(SMTP)以及至为重要的XML来实现统一的连接。

3.2实施敏捷制造和动态联盟的技术手段

Web Services把分布在互联网上的各种资源有效地通过封装成Web服务的手段整合在特定的应用界面中。Web服务作为一种新型的接口组件，与过去编程中常常调用的API函数和在面向对象系统中常用的部件接口类似，只不过API一般存在于单个程序的不同模块中，部件接口存在于相同机器的不同部件中，而Web服务则将无所不在地分布在网络上。因此，Web Services远远突破了分布式对象系统的局限性，使得网络上的任何资源都可以作为一种服务被提供和利用。

那么，如何在数字制造的基础上实施敏捷制造和动态联盟，也就是如何开展全球数字制造工程？很显然，将企业各部门、各企业所有的资源作为一种服务来提供是一种理想的解决方案，也就是采用面向服务的架构来实施全球数字化制造。这使得基于数字化的敏捷制造和动态联盟能够实实在在的体现以下特点：集成，实时，动态，协同，分布，标准。

(1)依托企业或组织现有的技术和数字制造工具，通过简单的方式来进行这种转换，以降低成本；Web Services能够将企业已有的数字资源、组件、应用系统等通过一定的工具生成其接口描述文件，即WSDL文件，一旦将这些描述文件发布到服务中介上，这些资源就形成了一种可以对外提供的服务。

(2)Web Services所提供的服务具有实时性。服务请求者通过服务中介定位到服务提供者后，直接在服务提供者处消费（即使用）该服务，从而使得服务使用的效率提高，能够保证敏捷变化的需要。如果被使用的服务是数据库资源，则数据库的中数据的变化能立即被服务请求者发现和使用；同样，其他资源的变动也会立即反映到服务消费的结果中。

(3)Web Services所提供的服务具有动态性。服务提供者可以动态的改变实现过程服务的方式，而不影响服务使用者的消费。这能够使得动态联盟能够迅速准确的发现和处理敏捷变化。

(4)Web Services所提供的服务能够进行协同工作。一个服务可以成为另外一个服务的消费者；一个服务使用者可以同时消费多个服务，这样就可以实现若干服务也就是功能的协同工作，充分满足全球数字制造的多部门多企业参与的要求。

(5)Web Services所提供的服务可以分布在能够被Internet/Intranet/Extranet连接的世界上的任何地方，服务提供者并非将服务全部集中到服务中介上，而是仅在服务中介上注册自己所能提供的服务，服务真正实施和运行是在服务提供者这边。因而能够很好的解决现实世界中动态联盟各参与单位地域分布广泛的实际情况。

(6) Web Services所采用的技术都是被广泛接受和支持的标准协议，如HTTP,SOAP,WSDL,UDDI等。这就能够保证Web Services所提供的服务的标准性和规范性，从而使得动态联盟中的各参与单位能够方便的使用已有的服务。

3.3 Web Service 的实现过程

那么，Web Services中究竟是如何仿照现实世界中的服务体系来实现的呢？图2是一个服务使用过程的抽象模型示意：

图2 服务使用过程的抽象模型

CAE软件模块已经被证明是能够有效提高产品生产效率，降低生产成本的有效工具，将其作为动态联盟中的一个共享资源以服务的方式提供无疑是进一步扩大了它的影响范围。我们可以如何提供和应用基于Web服务的模具CAE软件模块为例，对比现实世界中的电话服务来说明Web Services的使用过程。

(1) 当安装一部新电话时，需要向电信营运部门即电话服务提供者申请，此时，需要提供机主的姓名、性别等相关信息，并填写申请表格。同样，要将CAE模块封装成Web Service，首先要通过相应的工具生成一个该模块的描述文件WSDL。

(2) 然后就是电信营运部门给客户分配一个电话号码，并将该号码与客户的电话机进行关联，方式是通过物理线路即电话线；同时，客户还可以根据情况要求迁移电话机或取消电话服务。同样，Web Services中对应的是将模具CAE模块的WSDL文件发布到服务中介即服务注册机构上，这个中介实际是一个Web Service服务器，发送和响应的方式是基于HTTP协议的SOAP方式，模具CAE服务提供者可以修改已注册的Web Service信息，直至取消服务注册。至此，模具CAE服务提供者已经成功将自己所能提供的服务发布到了互联网上。

(3)当另外一个客户需要打电话时，他可能不知道对方的电话号码，此时，可以通过电信黄页或电话簿来进行查找。同样，当接受服务的用户需要使用模具CAE模块来进行分析时，它也不能确定是否有这样的服务存在以及服务的存在地点，因此，它首先是发送查询服务请求到服务中介，其中包含了所需要的CAE模块的一些类型及特点说明，如可以将需要“针对薄壁件”的“注塑模”“CAE”等作为查询条件。

(4)如果客户查询的对象有电话号码记录，则将此电话号码返回给客户；而在Web Services中是返回一个WSDL文件，其中包含了服务访问点（物理地址，即IP地址）和访问细节，从而可以定位并进行服务消费。

(5)客户查询到通话对象的电话号码后，可以建立自己的通讯录，将通话对象的姓名与其电话号码进行对应；而在Web Services中，服务使用者根据从服务中介中获取的服务描述，通过工具生成一个客户端的服务代理，其中包含了调用该CAE模块所需设置的参数及其格式，CAE模块处理完成后也就是服务功能完成后，所返回结果的格式。从而为下一步进行服务消费做准备。

(6)最后，客户按电话号码呼叫通话对象，接通后就可进行通话；在Web Services中，服务使用者通过网络连接到服务访问点，根据相应的安全机制进行服务消费，进行相应的CAE分析，并从服务提供者处获得分析结果数据，之后可以对分析数据进行处理和显示。

至此，一个封装了CAE软件模块的服务发布及其使用消费的过程全部完成。

图3 Web Services的使用过程

4．结束语

通过以上对全球数字制造的内涵分析，以及一个以“服务”形式进行的动态发现和使用特定功能的实例，可以看出这种以“服务”为核心的能够很好的解决基于数字化的敏捷制造和动态联盟这种制造模式的技术要求，面向服务的架构（SOA）能够根据目前全球数字制造分布式、动态、协同、网络化等的现实情况，提供在全球范围内开展数字化制造，进行敏捷制造，构建动态联盟的基础框架和平台。

参考文献
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作者简介：刘凡（1978－），男，籍贯：江西高安，硕士研究生，从事企业数字化制造技术的应用研究。张宜生（1951－），男，教授，从事CAD/CAE/PDM技术和企业网络信息技术应用研究。梁书云（1961－），女，高级工程师，从事计算机与自动化技术研究。李德群（1946－），男，教授，从事注塑成形模拟技术研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/23/2005)


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