基于XML模式的制造信息集成规范的研究[1].pdf

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1、第11卷第4期计算机集成制造系统Vol.11 No.42 0 0 5年4月Computer Integrated Manufacturing SystemsApr.2 005文章编号:1006-5911(2005)04-0565-07基于XML模式的制造信息集成规范的研究齐建军,刘爱军,雷 毅,许鹤峰收稿日期:2004-04-13;修订日期:2004-05-26。Received 13 Apr.2004;accepted 26 May 2004.基金项目:国家863/CIMS主题资助项目(2001AA412020,2003AA414041)。Foundation item:Project su

2、pported by the National High-Tech.R&D Program for CIMS,China(No.2001AA412020,2003AA414041).作者简介:齐建军(1978-),男,山东兖州人,北京航空航天大学机械工程与自动化学院博士研究生,主要从事CAD/CAM、CIMS、项目管理等研究。E-mail:qjj 。(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京 100083)摘 要:在网络化制造环境下,为有效实现基于可扩展标记语言和Web服务技术的企业应用集成,需要制造统一的基于可扩展标记语言模式的信息集成规范,以定义异构系统间数据交换的内容和格式。为此,探

3、讨了制造信息集成规范的制定方法和相关技术。首先,对制造数据交换标准和业界结合可扩展标记语言进行的研究工作进行了总结分析,并在此基础上提出了制造信息集成规范的研究内容;针对制造数据交换的结构复杂等特点,提出了兼容性、实用性、通用性、可扩展性和标准性的规范制定原则,以及对产品数据与制造过程数据分别采取基于产品模型数据交换标准的映射和重新定义新的标记语言的方法。最后,提出了可扩展、模块化集成规范设计的支撑技术与工具,并对集成规范的建立和实施前景进行了说明。关键词:信息集成;规范;可扩展标记语言;模式;数据交换中图分类号:TP391;TP301.2 文献标识码:AResearch on XML sch

4、ema-based manufacturing information integration specificationQI J ian-jun,L IU Ai-jun,L EI Yi,XU He-f eng(Sch.of Mechanical Eng.&Automation,BeiHang Univ.,Beijing100083,China)Abstract:To effectively implement the Enterprise Application Integration(EAI)based on eXtensible Markup Lan2guage(XML)and Web

5、services in networked manufacturing environment,it is necessary to set up a standard specifi2cation of information integration based on XML schema,which defines the content and format of data exchange a2mong heterogeneous systems.According to the needs,methods and related technologies to set up inte

6、gration specifi2cation were presented.At first,the manufacturing data exchange standards and correlative studies made with XMLwere summarized,then the research content of integration specification about manufacturing information based onXML schema was proposed.Because of the complexity of manufactur

7、ing data exchange,the principles such as com2patibility,practicability,universality,extensibility and standardization,were discussed,then the methods of mappingfrom STandard for the Exchange of Product data model(STEP)and definition of new markup respectively accordingto the data exchange about prod

8、uct and manufacturing process were put forward.Finally,the key technologies todesign extensible and modularized integration specification were presented.In addition,the implementation prospectof the specification was also explained.Key words:information integration;specification;extensible markup la

9、nguage;schema;data exchange0 引言面向企业间协作的网络化制造模式不仅要求企业实现其内部业务应用系统的集成,还要实现不同企业之间应用系统的动态集成和相互协作。因此,研究和发展网络化环境下动态联合、易于扩充和变动灵活的企业集成技术就显得十分迫切1。分布式计算是近20年来国内外研究的热点,已计算机集成制造系统第11卷经形成了比较成熟的、被广泛接受的技术标准,它支持异构信息的共享、重用与互操作,是构建企业应用集成框架可以采用的软件集成规范。目前,在分布式计算技术领域存在对象管理组织(Object Man2agement Group,OMG)的公用对象请求代理体系结构(Com

10、mon Object Request Broker Architecture,CORBA)、微软的COM+/分布式组件对象模型(Distributed Component Object Model,DCOM)、SUN的JavaRMI以及Web服务4种技术标准。其中,新发展起来的Web服务技术适应了当前网络化环境下应用集成的需要,正在成为企业应用集成中的主要实现技术2。在基于Web服务的企业应用集成框架下,要求异构应用系统间通过可扩展标记语言(eXtensibleMarkup Language,XML)描述数据交换信息,并且这种数据交换能按照一种标准的格式进行。如各种计算机辅助设计(Comput

11、er Aided Design,CAD)系统间以及CAD、计算机辅助制造(Computer AidedManufacturing,CAM)、产品数据管理(Product Da2ta Management,PDM)系统间都遵循产品模型数据交换标准(STandard for the Exchange of ProductData Model,STEP)规范,从而实现不同系统间产品信息的交换与共享等。基于XML实现异构应用系统间的信息集成是必然的317,而应用Web服务技术是进行企业应用集成的基础和关键。因此,有必要制定基于XML的数据交换规范,形成业界统一的标准,并在此基础上,利用Web服务技术进

12、行异构应用系统的封装和松散组合,从而有效地支持网络化环境下的企业应用集成。尽管如此,在基于XML的制造信息集成规范方面目前还没有形成系统的理论和方法。笔者在课题的研究和应用中,利用XML模式(XML schema)建立了制造过程中一些应用系统间的数据交换规范,并实现了这些系统间基于XML的信息集成;在此基础上,通过全面总结已有的研究成果和数据交换标准,系统地提出了制造信息集成规范的研究内容和拟定方案;最后阐述了建立集成规范的支撑技术和软件工具。1 基于XML的信息集成的研究现状111 制造企业中的数据交换标准自20世纪90年代开始,国际上相继产生了一些数据交换标准,目前较为成熟的有国际标准化组

13、织(International Organization for Standardization,ISO)制定的STEP,美国国家标准与技术研究院为解决异构系统间过程信息集成问题于1995年开始实施的过程规范语言(Process Specification Lan2guage,PSL),国际工 作流管理 联盟(WorkflowManagement Coalition,WfMC)为工作流过程模型的输入、输出而建立的工作流过程定义语言(Work2flow Process Definition Language,WPDL),以及工艺描述语言(A Language for Process Specif

14、ication,ALPS)等。112XML与信息集成由于XML具有语法简单、易扩展、独立于平台和具有自描述性等特点,刚一出现就得到了迅速和蓬勃的发展,并已经成为异构系统间数据交换的首选语言而获得了广泛应用,如在科学领域有化学标记语言(Chamical Markup Language,CML)、生物基因序列标记语言(Bioih formatic Sequence Mark2up Language,BSML)等。目前流行的电子商务XML标准有BizTalk,cXML和ebXML等。XML一经出现,就引起了制造领域的关注,人们期望它能凭借自身的优点,为制造企业中的信息集成带来新的突破。例如,在信息化

15、标准推进组织(OASIS)的官方网站(WWW.XML.ORG)上,分60多个行业列出了一些组织和机构注册的XML数据交换规范,其中与制造业相关的分类有ERP,Supply Chain和Manufacturing等。目前,制造领域中基于XML的信息集成的研究可以分为产品数据交换和制造过程数据交换两个方面;按照研究的方法则可以分为基于已有标准的映射和自定义新的标记语言。113 基于XML的产品数据交换目前的研究主要集中在结合STEP良好的应用基础,建立EXPRESS到XML Schema的映射关系。ISO于1999年11月推出的STEP Part 28标准规定了模型转换的相关准则。根据这些功能和规

16、范,厂商开发了产品数据的扩展标记语言 STEPml和产品数据标记语言(Product Data Mark2up Language,PDML)。STEPml是针对产品数据的XML规范库,包括文档类型定义(DocumentType Definition,DTD)和XML Schema3;美国国防部研究的PDML是一个针对Internet部署的产品数据的XML词汇集合,它使美国国防部和使用PDM系统进行过程控制和产品数据管理的承包商之间方便地实现了商业过程的集成和互操作4。665第4期齐建军 等:基于XML模式的制造信息集成规范的研究在国外研究的基础上,国内主要有东南大学5,6和浙江大学7,8对基于

17、XML与STEP的网络化产品信息集成进行了深入地研究和实践。114 基于XML的制造过程数据交换制造过程数据交换规范的研究有两种方案:基于PSL和WPDL标准的映射;重新定义新的标记语言。(1)由于XML可以很好地描述PSL的次序关系和子活动关系,国家标准与技术研究所(NationalInstitute of Standards and Technology,NIST)提出了层次描述法,其特点是采用XML资源描述框架来实现制造资源的统一描述,并给出了将PSL映射成XML的准则。国内对基于本体论的PSL的研究主要集中在北京航空航天大学9、浙江大学7,8和四川大学10,11。(2)2001年5月,

18、WfMC发布了一个基于XML描述的工作流过程定义接口规范 XML过程定义语言(XML Process Definition Language,XP2DL)。XPDL和WPDL都基于同一个工作流过程元模型,只是在XML描述格式基础上对WPDL进行映射,并作了适当地添加和修改12。(3)应用XML定义新的标记语言的研究有数控标 记 语 言(NCML)13、可 制 造 性 标 记 语 言(MML)14、工作流自定义语言(XWFDL)15和统一产品数据标记语言(UPDML)16等,其应用范围一般是通过XML Schema或者DTD为两个异构系统间的数据交换和共享定义标记和格式。(4)在自定义新的标记语

19、言方面,最主要和最典型的研究成果是开放应用程序组集成规范(OpenApplications Group Integration Specification,OA2GIS),它是由非赢利性国际组织开放应用组织(theOpen Application Group,OAG)主持开发的。该组织包括了全世界许多著名的商业软件厂家,如SAP,Oracle,Sun,PeopleSoft,IBM和微软等,其目的是实现随时随地的应用集成。OA GIS当前的最新版本为8.0,其中包含了60多个企业集成场景,200个业务对象文档。ERP,PDM和制造执行系统(Manufacturing Execution Syst

20、em,MES)等企业应用均可在OAGIS的支持下进行应用集成17。115 总结与分析图1总结了基于XML的制造信息集成规范的研究分类。通过以上各种数据交换方案的深入研究,得到以下两点结论:(1)产品数据交换涉及的范围和内容都很广,自定义规范的工作量很大;同时,相关的STEP标准在产品描述方面已经趋于完善和成熟,所以最好采用EXPRESS到XML Schema映射的方法建立产品数据交换的XML Schema规范。(2)制造过程数据交换涉及的多为非结构化信息,相关的STEP在工艺和过程描述方面的许多应用协议尚不完善,并且应用范围很小8;PSL规范经过七年的研究也只是基本建立雏形,离实用还有很长的路

21、要走,而且其语言基础 知识交互格式(Knowledge Interchange Format,KIF)的描述语法比较晦涩,不利于广泛推广,同时也没有PSL到XML的成熟转换软件11。相比而言,借鉴PSL的设计思想和内容,通过XML Schema重新定义制造过程中的XML信息格式,在满足现有集成需要的基础上易于扩展和普及,应该是一个更好的方案。目前,OAGIS的成果已经证明该方案是完全可行的。2 制造信息集成规范的研究内容211 集成规范的研究内容和建立原则制造信息主要指制造企业生产经营过程中的产品信息、工艺信息、物料信息、生产信息、财务信息和市场营销信息等一切信息流。制造信息集成需要实现这些信

22、息在企业不同应用系统间的流动和有效共享。把XML用于制造信息的表达,描述应用系统间需要交换和共享的信息,即基于XML的制造信息集成;通过XML Schema语言定义基于XML的数据交换的格式和内容,可以在集成双方建立统一的交互模型,称为集成规范。基于XML Schema的制造信息集成规范就是一组有序组合在一起的XML Schema语言文档,其中定义了制造信息在不同软件系统间交互的通用标记以及数据格式。遵循该规范的异构应用系统,可以通过一致的接口进行动态的信息集成。所以,基于XML Schema的制造765计算机集成制造系统第11卷信息集成规范的研究,主要是基于制造企业中不同应用系统间数据交换的

23、需要,面向企业集成自动化,制定出一种易于扩展和推广的数据交换标准体系。图2给出了工艺集成规范和XML文档间的约束关系。在规范文件中依次定义了刀具、毛坯以及工序等XML元素的类型、顺序以及层次结构关系等。由于制造企业中的应用系统种类繁多,涉及的制造信息既包括产品相关的几何拓扑信息、产品结构信息等,还包括制造过程中的订单、计划、工艺、资源、加工能力及进度信息等,所以制造信息集成规范的建立不可能一蹴而就,国外STEP和PSL规范的建立过程也说明了这一点。根据制造企业应用集成的实际状况,集成规范的建立需要遵循以下原则:(1)兼容性 对已经普及使用的标准,应该参照该标准,建立与该标准描述语言间的匹配关系

24、。(2)实用性 数据交换需求来源于CAD,CAM,CAPP,CAE,PDM,ERP和MES的主要软件厂商,将来的集成规范也将直接应用于这些厂商的产品,以保证集成规范的实用性。(3)通用性 抽象出制造企业中的共性信息,满足一般制造企业应用软件集成的需要。(4)可扩展性 新技术、新产品不断出现,对制造信息交换的需求也千变万化,建立的集成规范不可能满足所有的需要,所以必须具有好的扩展性;在统一的文档规范基础上,能够容易、迅速地扩展,以满足特定应用场景下的要求。(5)标准性 只有制定的规范获得行业的共识和一致认可,才能真正起到作用。所以,规范的制定需要国家标准化部门的直接指导和参与。212 集成规范的

25、制定方案根据以上指导原则,确定如下的制定方案:(1)产品数据交换规范和制造过程数据交换规范的建立采取不同的策略;前者以基于STEP的映射和转换得到;后者则采取重新定义新标记的方法,并借鉴已有规范的内容和思想。(2)在国家863课题的支持下,联合制造行业主865第4期齐建军 等:基于XML模式的制造信息集成规范的研究要的软件公司和国家标准化研究院,进行全面的需求分析,建立的集成规范将首先在这些软件公司的产品中应用;然后在标准化研究院的指导下形成草案、标准,向行业推广,保证集成规范的实用性和标准性。(3)采用面向对象的分析和设计方法,规划集成规范的分层结构。如图3所示,制造信息集成规范共分为基础层

26、、基本应用层和应用层3个层次。其中,基础层和基本应用层依次定义了制造信息中的基本类型;应用层则直接面向应用系统间数据交换的需要,通过导入和扩展等方式引用下两层的类型定义,从而快速形成数据交换的元模型。这种分层结构既保证了所建立规范的灵活性和统一性,大大减少了重复定义的工作量,同时又使得规范在现有基础上容易扩展以满足新的需要。(4)利用面向对象的设计思想和XML Schema中的扩展技术,确保集成规范良好的可扩展性。由于集成规范的目标是为了服务信息集成,在异构的应用系统间建立统一的交互模型,集成规范的设计过程也可以称为建模过程。3 集成规范建模的支撑技术和软件工具311XML SchemaXML

27、 Schema作为W3C国际组织推荐的标准,用于约束和规范XML文件的格式。由于XMLSchema在数据类型、复杂数据结构定义、语法直观性和扩展性等方面有着不可替代的优势,制造信息集成规范采用其作为结构定义语言。进行结构和类型定义的过程中,除了基本语法外,需要灵活运用扩展模式的5种方式:通配符、类型派生、替代组、类型重定义和命名模型组重定义等,可以结合XMLSchema中的命名空间和面向对象的思想来实现。图4给出了一个通过通配符进行模式扩展的例子。312 面向对象的分析与设计应用面向对象的分析和设计思想可以对复杂的数据交换需求进行系统的分析和规划,建立实体间的抽象、派生和扩展关系,从而建立起集

28、成规范的分层体系结构,最终设计出可扩展的、灵活的和模块化的XML Schema,使统一的体系结构在集成系统中保持一致性,并能帮助适应新的增长与变化。目前利用面向对象的思想和UML对XML Schema进行建模正是业界研究的热点18,19。利用面向对象的思想构造XML模式时,需要灵活运用其中的封装、继承和多态性原则。封装指使对象成为黑箱的概念。在模式设计中,这一概念体现在预先定义类型,通过引用该类型在其他地方进行一致性访问。例如,可以在一个单独的文件中封装定义所有与刀具有关的信息,如刀具类型、半径和材料等,在工艺信息等文件中就可以直接引用该类型。软件重用是面向对象设计的另一个重要部分,可以通过继

29、承实现软件重用。在编程语言中,通过子类提供这一能力。在XML Schema中,可以通过抽象类或指定基类型扩展、派生、重定义等达到重用的目的。多态性意味着在不同的上下文中对某对象赋予不同的意义或用法的能力,即允许对象有多种形式。由于XML不是行为语言,多态性多出现在模式定义的属性级别。除了封装、继承和多态性外,还有解决XMLSchema中去耦合(decoupling)和内聚(cohesive2ness)的设计模式。封装和继承等用于创建可重用的组件,设计模式则是关于如何改变数据类型的粒度。目前有3种设计模式,代表着创建组件时3种不同级别的粒度19:俄罗斯娃娃(russian doll)、意大利香肠

30、片(salami slice)、软 百叶窗(venetianblind)。作为集成规范,首要考虑的是扩展性和与其他协议的集成性,所以采用组件定义粒度最细的软百叶窗设计模式,其中将所有的元素和类型都定义为组件。图4的例子正是采用了该设计模式。313 系统分析和建模工具借助于面向对象的设计思想,可以利用已有的系统分析和建模工具,进行集成规范的设计。(1)利用可视化面向对象建模语言UML和Rose工具进行集成应用系统间的用例视图和动态965计算机集成制造系统第11卷交互图描述20,分析数据的交互过程和集成内容;在此基础上形成的集成规范能够非常容易地应用于应用系统间数据接口封装类的设计和实现。(2)在

31、对数据交换进行需求分析的基础上,采用XML Schema设计工具进行规范的详细设计。目前流行的XML Schema设计工具有微软的VisualStudio.Net和XML Spy等。其中,XML Spy能够更好地表达出XML Schema文档的结构,并且可以非常形象地体现出面向对象的设计思想,所以被推荐为集成规范首选的设计工具。4 结束语笔者在国家“十五”863重点课题“基于制造资源优化配置的制造过程管理系统”的研究中,建立了包括详细工艺路线、物理制造单元和资源优化配置等在内的制造过程应用系统间的数据交换规范,实现了可视化制造过程管理与监控系统、可重构制造资源优化配置平台、工艺规划系统、集成化

32、数控制造与仿真系统以及MES之间基于XML的信息集成,并在模具制造企业进行了成功应用。在课题研究应用的基础上,笔者探讨、总结了建立制造企业信息集成规范的系统化的理论和方法。目前,正在将这些理论和方法应用到国家863课题“支持企业信息化实施的集成系统开发与应用”的研究中,准备以广大中小企业的信息化工程应用实施需求为基础,开发以国产应用软件为主要集成对象的集成平台,并通过在一批中小企业开展集成应用实施与典型示范,形成具有自主知识产权的企业应用集成系统。其中,集成的软件产品涵盖了北航海尔的CAXA实体设计、CAXA制造工程师、CAXA电子图板,西工大金叶软件公司的CAPPFramework,大连理工

33、大学的有限元分析软件,南京新模式公司的PDM软件以及南京金思维的ERP软件等。集成系统的实施方案是:联合中国标准化研究院,建立比较全面的制075第4期齐建军 等:基于XML模式的制造信息集成规范的研究造信息集成规范,通过Web服务技术进行异构软件系统间的松散集成,然后在浙江黄岩的中小企业实施验证。在此基础上,向行业和全国推广应用,以促进我国中小企业信息化工程的实施与国产应用软件产业的发展。参考文献:1FAN Yushun,LI Huifang.Current state and developmenttrends of enterprise integrationJ.Manufacturing

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