（机械制造及其自动化专业论文）基于制造数据网格的制造资源智能封装技术研究.pdf

上海丈学硕士学位论文 摘要 制造网格以开放的体系结构、通用的标准和规范、统一的开发平台和工具、 致力于建立一种通用的、标准的和规范的网络化制造模式等特点，正受到越来越 多的关注与研究，本文正是基于制造网格展开相关的研究。 论文首先从一个制造活动的场景介绍出发，阐述了企业联盟问的合作对于制 造数据共享的迫切需求和对平台的依赖，得出制造嘲格的建设应该首先解决制造 数据的共享，从而引出制造数据资源和制造数据网格这两个概念，对其进行了严 格的定义，并阐明制造数据网格是制造网格的基础，为相关的制造活动提供所需 的制造数据支持。 其次论文提出了制造数据网格的体系结构，指出制造数据资源的封装是影响 制造数据网格成功与否的关键，并对制造数据网格中间件层的中间件服务做了详 细的介绍。 随后对影响制造数据网格建设的关键点制造数据资源的封装进行了研 究。在基于制造数据网格的基础之上，提出了制造数据资源封装模型和智能封装 等概念。根据制造数据共享和交换的要求，将制造数据资源封装模型划分为实现 制造数据资源功能封装的前向封装模型和实现制造数据资源访问封装的后向封 装模型，并对两者的接口、原理、实现细节作了详细的探讨。 最后，对所研究的封装模型进行了系统的开发，并将其引入制造数据网格的 建设，通过为上海飞乐股份有限公司设计的汽车线束联盟制造数据共享平台的构 建，验证系统的合理性和可行性，为制造网格进一步完善和推广实施奠定了坚实 的基础。 关键词：制造网格，制造资源，制造数据网格、制造数据资源，智能，封装 制造数据，集成，数据交换 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) f e a t u r e so p e na r c h i t e c t u r e ，n o r m a t i v es p e c i f i c a t i o n a n du n i f o r md e v e l o p i n gt o o l st of o r man o v e lm o d eo fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ， w h i c ha t t r a c t sm o r ea n dm o r ef o c u sa th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ri sp r e s e n t e d b a s e do n m g g e t t i n gs t a r t e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fo n em a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ，t h i s d i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h ea r g e n tr e q u i r e m e n to fd a t as h a r i n ga m o n ge n t e r p r i s e s a l l i a n c e ，w h i c hs h o u l db ef i r s t l ys o l v e db ym gt os i m p l i f yt h em o d e l ，t h ec o n c e p to f m a n u f a c t u r i n gd a t ar e s o u r c e ( m d r ) a n dm a n u f a c t u r i n gd a t ag r i d ( m d g ) a r e i n t r o d u c e da n ds t r i c t l y d e f i n e d t h r o u g hm d gm a n u f a c t u r i n g d a t ac a nb e t r a n s p a r e n t l ys h a r e da m o n gm d r st os u p p o r tm a n u f a c t u r i n ga c t i v i t i e sc o n d u c t e di n m g f u r t h e r m o r e ，t h ea r c h i t e c t u r eo fm d g i sp r o p o s e db a s e do no p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ( o g s a ) a st h en o d e ，m d ri sp o i n t e dt ob et h ek e y t oc o n s t r u c tm d g a st h em i d d l e w a r e ，s o m es e r v i c e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l s o nt h eb a s i so fm d gt h ee n c a p s u l a t i o no fm d ri sh i 曲l i g h t e da n ds t u d i e d t h e c o n c e p to fi n t e l l i g e n te n c a p s u l a t i o n ( i e ) i sp u tf o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e mo f d y n a m i cd a t ai n t e g r a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n to fm a n u f a c t u r i n gd a t a s h a r i n ga n de x c h a n g e ，t h i sp a p e rd i v i d e st h ee n c a p s u l a t i o nm o d e li n t ot w op a r t s t h e f i r s tp a r ti st oe n c a p s u l a t et h ef u n c t i o n sp r o v i d e db ym d r ，w h i c hi sc a l l e df r o n t e n c a p s u l a t i o nm o d e l ，w h i l et h eo t h e ri st op a c k a g et h es e r v i c ea c c e s sn a m e dr e a r e n c a p s u l a t i o nm o d e l i n t e r f a c e s ，o p e r a t i o np r i n c i p l e s a n di m p l e m e n t a t i o na r e d i s c u s s e da b o u tt h em o d e l f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ee n c a p s u l a t i o nm o d e l ，e n c a p s u l a t i o ns y s t e m so fm d r a r ed e v e l o p e dw i t ht h et e c h n i q u e so fw e bs e r v i c e ，鲥ds e r v i c ea n da g e n t t h e s e s y s t e m sa r ea l s oi m p o r t e di n t ot h ec o n s t r u c t i o no fm d g ap r o t o t y p eo fm d g i s d e s i 粤l e df o raw i r eh a r d n e s sm a n u f a c t u r i n ga l l yt oe x e m p l i f yt h ef e a s i b i l i t ya n d c o r r e c t n e s so f m d ra n dm d g n k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ，m a n u f a c t u r i n gd a t a g r i d ，m a n u f a c t u r i n gd a t ar e s o u r c e ，i n t e l l i g e n c e ，e n c a p s u l a t i o n ，m a n u f a c t u r i n gd a t a ， i n t e g r a t i o n ，d a t ae x c h a n g e 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名日期孑弓。 本论文使用授权说明 本人完全了解i 二海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复e p f f f ，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：翌 咎 第一章绪论帚一早三百1 = 匕 制造业每一次质的l i 跃无不依赖于各学科的技术突破，网格的出现为制造业 所面临的问题提供了新的解决方法，同时也对传统制造业提出了新的挑战，其中 包括对传统制造资源的网络化改造。本章首先介绍了制造业所面临的问题，从而 引出网络化制造这一新的制造模式和制造网格网络化制造研究的新阶段，随 后介绍了网格环境下制造资源封装研究的科学意义和价值，在分析了国内外对此 研究的现状后，引出了文本研究的主要内容与各章节安排。 1 1 概述 1 1 1 网络化制造和制造网格 科学技术的飞速发展，特别是信息技术的发展，使传统的制造业面临着前所 未有的挑战，同时也迎来了巨大的发展机遇。如何面对多变的市场环境、适应经 营和市场竞争的全球化、顾客化的需求，及时提供客户所需的产品i n 务，是企 、i k 在不叮预测的混沌竞争环境中赢得市场的关键”1 。 表1 - l 制造环境的变化2 1 传统制造环境当今制造环境 i 消费者的町选择性区域性全球性 消费需求物美价廉，满足基本生活需求个性化，多样化 市场 相对稳定 快速多变，无法预测 生产需求低成本，高质量客户化，快速交货 生产方式标准化，系列化，大批量单件，小批量，多品种 技术与资源相对集中全球分布 竞争要素性价比柔性与响应速度 面对制造环境的转变( 见表l 。1 ) ，传统的组织结构相对固定，制造资源相对 集中，以区域性经济环境为主导，以面向产品为特征的制造模式已与之不相适应。 制造业为此提出了许多新的经营管理模式与技术手段，如：计算机集成制造 ( c i m ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ，精益生产( l p ，l e a np r o d u c t ) ，并 行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a c t u r i n g ) ， 上海大学硕士学位论文 虚拟制造( v m ，v i s u a lm a n u f a c t u r i n g ) ，智能制造( n w ，i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) 等。 然而单个企业的能力不可避免地受到资源、人力、技术、地域等诸多方面因 素的制约。随着技术更新的加快，产品结构的复杂化，r 阿场竞争的加剧，产品周 期的缩短以及用户需求的多样化，独立企业凭借自身优势越来越难以适应市场竞 争的要求。 通讯技术的发展，尤其是计算机网络和i n t e r n e t 技术的飞速发展，打破了传 统时间与空间的界限，促成了传统制造模式向网络化制造模式的变革，变革的产 物就是在基于网络的信息集成和共享的基础上，以分布式结构连接各类异地企 业、车问、制造单元甚至设备所构成的，以对具有共同利益产品的制造为对象的 “扁平式”网络化制造系统与扩展企业”1 。其本质特征是通过企业间的协作和全 社会资源的共享，提高企、世的创新能力和制造能力，实现产品设计制造的低成本 和高速度h 1 。网络化制造将使制造企业的格局、企业间的关系、制造企、j k 的内部 管理发生巨大的变化例。 借鉴电力网( p o w e r g r i d ) 提出的网格技术，最早应用在大规模超级计算中。 网格之父i a nf o r s t e r 于1 9 9 9 年著书，定义网格为一种软硬件基础设施，可对高 端计算能力提供可靠、一致、普遍和经济的介入，其最终目的是给用户提供一种 与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用的计算能力 6 】。随着网格应用范 围的扩大和网格技术的成熟，网格的概念也在不断扩充和丰富。2 0 0 1 年，i a n f o r s t e r 又进一步指出网格是于动态、多管理域的虚拟组织的协同资源共享和问题 求解。其本质特征在于资源的分布与共享【7 1 。从高性能计算到海量数据的访问， 从物理计算到生物医学，网格都取得了巨大的成功。 与此同时，网络化制造在如何实现企业协作和社会资源共享上出现了研究的 瓶颈：没有统一的方式使用，。访问企业的各种资源( 数据库、文件系统、设备等) ， 没有统一的标准使用户使用各种制造资源【8 l ：缺乏通用的标准和规范使得网络化 制造失去了必要的柔性和开放性”。网格的引入正好为资源的共享和企业问的协 作提供了新的解决策略伸1 。制造网格的研究已同网格、网络化制造的研究一样， 受到了全世界的关注。 上海大学硕士学位论文 1 1 2 制造资源封装 无论是网络化制造还是制造网格，其本质都是岱【k 间的协作和社会资源的共 享，通过网络将分散在不同企业和社会群体( 包括研究院所、中介服务机构等) 中的设计、制造、管理、技术和软件资源封装和集成，屏蔽资源的异构性和分布 性，以透明的方式为用户提供各类制造服务。企业能以请求服务的方式方便的获 得所有与制造相关的服务，能够像使用本地资源一样方便地使用封装后的制造资 源，实现各类资源的集成和优化运行。 封装是网络化共享制造资源的方法之一，也是唯一可以实现传统、遗留制造 资源网络化共享和集成的方法 3 1 。制造资源的封装是将制造资源看作一个黑箱， 屏蔽其内部的实现细节，将制造资源提供的功能、处理的数据加以抽象，通过接 口、模版等一系列手段来描述资源、访问资源和共享资源。 封装使制造资源数字化，为传统制造资源带来了新的生命力，但是制造资源 的复杂性又为封装带来了巨大的困难。资源的复杂性包括彳i 同的资源类型、不同 的工作方式、不同的数据格式、不同的自动化程度等，使广为采用的各种分布式 封装技术并不能从根本上解决资源封装后易于共享、易于集成的初衷。 网格的开放服务体系结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 提出的网 格服务为资源的封装提供了新的策略。将资源抽象为服务，以接口行为和服务 数据加以描述，通过标准的接口屏蔽资源问异地、异构的特性。o g s a 在计算资 源和数据资源封装上的成功为制造资源的封装提供了有力的理论依据和实现方 法。 1 1 3 制造资源网格封装研究的科学意义和价值 o g s a 的服务观点将资源的共享( 互操作) 性问题转化为两个子问题，即定 义服务的接口和识别激活特定接 2 1 的协议 2 6 】。该模型具有以下好处：( 1 ) 所有的 资源都是通过一组相对统一的核心接口进行封装，继而可以以一种统一的方式来 看待不同的资源，屏蔽了资源间的复杂差异，为资源的访问提供了简便的、统一 的方式。( 2 ) 网格服务是一种虚拟化的资源，可使多个逻辑资源实例映射到相同 的物理资源上，即同一个资源根据不同的应用场景可提供不同的服务；虚拟化也 为资源的集成提供了方便，因为对服务进行组合时可不必考虑具体的实现。 上海大学硕士学位论文 o g s a 定义网格服务为一种w e bs e r v i c e 口”，通过使用w s d l ( w e bs e r v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 定义资源的接口。w s d l 支持对资源的各种操作的定义， 通过定义每个操作的输入输出数据类型，实现对资源的描述。但是制造资源的复 杂性不能够简单地以输入输出的数据类型来描述，因为不同行业有不同的行业标 准，不同系统有不同的数据模型，不同的设备有不同的工作方式，这些问题在封 装计算资源或数据资源时都不曾遇到，尤其是制造过程本身对制造资源的要求， 和制造资源的拥有者企业的特性，都为o g s a 引入制造资源的封装带来了 困难。研究制造资源的网格封装可以使网格技术真正地融入制造业。如同每一种 技术在其他领域中的移植和应用一样，制造资源的网格封装需要探索一条基于却 不同于计算资源和数据资源封装方式的道路。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网络化制造研究 从2 0 世界9 0 年代初美国里海火学( l e h i g hu n i v e r s i t y ) 发表的美国2 1 世 纪制造企业战略报告问世至今，网络化制造的研究已经历了将近1 5 年，其间 在策略上、框架上、技术上都经历了多次的发展口】。世界各国也纷纷开展了相应 的研究，如美国的“下一代制造”，欧洲联盟的“第五框架计划”，日本的“智能 制造技术计划”，韩国的“网络化韩国2 1 世纪计划”，这些著名的研究计划对制 造业网络化的策略发展提供了导航和引领的作用。 与此同时我国不少学者也提出了许多网络化制造的策略，如香港理工大学李 荣彬教授和同济大学张曙教授联合提出的分散网络化制造系统d n p s ( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) ，清华大学的范玉顺教授提出了制造 网络等概念。 在这些网络化制造策略指导之下，出现了一大批支持网络化制造的框架，各 种框架又采用了不同的网络技术，数据库技术和分布式技术。 华中科技大学采用m u l t i a g e n t 建立了企业合作的平台，通过a g e n t 的智能 性，自动对用户提出的加工要求选择适当的制造资源，完成复杂零件 自h i f 2 8 1 。 针对企业在信息化实施过程中遇到的资金、人才、技术等问题，重庆大学采 用a s p 技术建立了重庆制造业信息化平台，企业可通过互联网租用a s p 甲台提 上海大学硕士学位论文 供的制造业信息化应用服务。平台目前可提供的功能包括：制造信息资源管理、 网络化分销管理、网络化协同供应链物流管理、网络化销售和定制开发、网络化 协同l 作支持、网络化协同产品，r 发支持、网络化软件资源共享支持及网络化人 才培州2 ”。 在8 6 3 c i m s 的资助下，由清华大学等高校构建了现代集成制造系统应用网 络( c i m s n e t ) ，实现了全困现代集成制造技术信息和资源的有机集成，并提供 远程培训i 和咨询等功能，并为敏捷化工程、电予商务等应用提供支撑环境。 同济大学丌发的网络化服务与工程支持系统集成平台采用j 2 e e 应用服务器 作为远程服务集成平台，实现产品全生命周期远程服务和远程工程支持3 1 表1 - 2 总结了上述具有代表性的网络化制造框架及其使用的技术。 表1 - 2 网络化制造框架研究现状 机构网络化制造平台名称关键技术 华中科技火学 基于a g e n t 的网络化制造m u l t i a g e n t 重庆大学重庆制造业信息化a s p 平台 a s p 清华大学等基于i n t e m e t 的现代集成制造支撑平台 v p n 同济大学网络化服务与工程支持系统集成平台 j 2 e e 1 2 2 制造网格研究 制造网格的研究处于刚刚起步阶段。一般网格在制造业应用的研究可分为两 个大类： 其一是解决制造过程中海量计算的问题，如仿真，虚拟设计与装配，计算机 辅助分析等，这部分的研究主要集中在企业。如美国国家航天局( n a s a ) 和美 国自然科学基金会( n s f ) 联合开发的口g ( i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ) 完成对飞 机的仿真”1 。波音公司利用网格技术与多家研究所协作进行全机流场c f d 模拟， 找出机翼突然实效的原因【1 “。此外其他的一些企业如福特，宝马等也在开展类似 的网格研究。这类研究主要利用网格的分布海量计算能力。 其二是企业资源共享与集成的问题。m 公司的面向服务的架构( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) ，a v a k i 的数据网格和s a p 公司的n e t w e a v e r 都将 网格的思想用于企业的信息集成与共享，但都仅限于企业的商业业务。国内的各 大高校也纷纷加入制造网格的研究。上海大学提出了制造网格平台( m g ) ，以快 上海大学硕士学位论文 速制造为背景，将分散在不同校区的快速制造设备构建成网格中的资源节点，通 过调度和分配，协同完成用户提交的制造任务15 _ ”。清华大学的网络化制造资 源网格，以构建物流网格，销售网格，客户网格，伙伴网格，制造网格，设计网 格为目标，全面支持复杂和重构的网络化制造活动【” 。中科院开发了a m g r i d ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gg r i d ) ，为虚拟企业的成员提供灵活的资源共享和协同 工作平台0 2 “。当然这些平台仍都处于在研阶段。 1 2 3 制造资源封装研究 制造资源的网络共享需要对传统的制造资源进行改造，以适应远程访问的需 求。现阶段改造的方法主要有两种：1 ) 设计基于网络的制造资源系统，如 w e b p d m ，w e b e r p ，w e b n c ，从而使这些制造资源被方便的共享。但是这种 方法极大地忽略了现存的制造资源，而正是这些制造资源承担了企业制造活动的 主体部分，因而方法1 无法实现大规模的制造资源网络化改造。2 ) 封装现有的 制造资源，通过接口的方式提供制造资源的远程访问，实现共享。封装考虑到了 企业内传统制造资源的网络化改造，因而具有更高的理论和实践价值，吸引了国 内外学者的广泛关注 3 2 】。 我们认为现今对制造资源封装的研究叮分为两大类：一类是制造资源的数据 封装，强调的是资源间信息的集成：另一类是制造资源的功能封装，强调的是资 源提供的功能的远程访问。 企、l k 问在商务协同、设计协同、制造协同、供应链协同和制造知识共享时， 不可避免地会遇到产品数据、质量数据、设备状态数据、制造知识等信息，如何 将这些分散于不同制造资源的具有不同数据模型的数据在适当的时候以适当的 方式提供给适合的人或系统是制造资源数据封装的主要研究内容，表l 一3 总结了 近年来在制造资源数据封装的研究近况。 企业间合作另一个重要的原因在于优势互补，通过共享合作企业的优势资 源，弥补自身的劣势资源，达到共赢的效果。制造资源的功能封装便是为企、l k 问 的优势资源提供共享的基础，同时也提高了这些资源的利用率，尤其是一些贵重 的加工设备、闲置的加工设备，其共享更可直接为企业带来经济效益。表i 4 总 结了近年来制造资源在功能封装的研究近况。 表1 3 和表1 - 4 是作者从近年来制造资源封装研究中总结出来的具有代表性 上海大学硕士学位论文 的研究。从表中可以看 h ，各类分布式技术都已运用于制造资源封装研究中， 表1 3 制造资源数据封装研究近况 编号名称 方法 1 as t e p - b a s e dm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e mt oj a v a 封装s t e p 格式存储， s h a r ef l e x i b l em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sd a t a 【3 3 】 实现产品、制造数据共享 2 支持动态集成的产品数据管理w e b 服务架构m 1 e x p r s s 建模，w e b 服务封 装，实现产晶数据集成 3 面向对象的航空项目管理与产品数据管理的集成研面向对象，c o r b a 封装，实 究现产招数据集成 4 面向w e b 服务与智能体的企业供需网协作研究”1 w e b 服务和a g e n t 共同封装， 实现供应链上数据集成 表1 - 4 制造资源功能封装研究近况 编号名称方法 l u s i n g m o b i l e a g e n t st oe n c a p s u l a t em a n u f a c t u r i n g移动a g e n t 封装，制定各类 r e s o u r c e so v e rt h ei n t e m e t 【3 2 模版，共享c a d ，n c 资源 2 基于多智能体的数控机床资源共享技术研究3 7 多智能体封装四层结构， 实现数控铣床的共享 3 面向网络化制造的资源共享服务平台研究1w e b 服务封装，实现制造资 源共享服务 4 网格环境下动态共享制造资源技术 3 9 1 g t 3 封装，定义了制造资源 网格接口 5 制造网格中资源管理与调度系统的研究【”】 g t 3 封装，定义了各类制造 资源接口模版 但是在制造资源数据封装方面，网格化封装的研究还处于空白，各种封装模型都 存在一个普遍的问题，便是没有一个统一的标准接口，使各个系统之间难以柔性 地沟通。制造资源的功能封装开展比较早，现已经有不少研究机构开始了网格化 研究的封装，但仍然处于初步阶段。 1 3 论文提出的意义和来源 1 3 1 论文提出的意义 章节1 1 3 已经论述了制造资源网格封装研究的科学意义和价值。制造资源 包括产品全生命周期内所有参与制造过程的资源，涉及企业全部的软件、硬件和 人，数量大，范围广，异地、异质、异构，为封装带来了巨大的困难。 越来越多的学者认识到，制造资源信息的集成是实现产品制造过程信息集成 的基础 埋1 。制造活动中的信息集成涉及不同企业的不同部门，不同领域的不同系 统，不同行业的不同标准，为柔性集成和动态共享提出了严峻的挑战。例如不同 系统问的数据交换可以近似地认为是一个多输入多输出的系统；隶属于不同企业 系统的安全性访问问题又可近似地认为是个博弈的问题，等等。故传统的方法 无法给出满意的解决策略，其主要的问题就在于一个“变”字，共享的对象在变， 共享的内容在变，而网格地提出正式基于解决此类问题。为了解决制造网格中信 息集成存在的问题，本文提出研究制造资源的网格化数据封装。 人工智能在解决不确定性问题上具有得天独厚的优势，通过知识库和专家系 统、通过推理和自学习，使信息动态集成。把原本需要人工干预的资源集成和共 享完全交付给一个智能的网格系统具有极大的理论和实践价值。针对网格中信息 集成的复杂性，本文提出将人工智能引入制造资源的数据封装中。 1 3 2 论文的来源 本论文基于以下三个课题： 上海市科委重点攻关项目“基于s m v p n 的公共技术和服务平台系统建 立及其在快速制造中的应用”。( 2 0 0 2 年) 上海市教委网格e 研究院“上海高校网格制造网格应用及其相关中间件 的研制”项目，项目编号：2 0 0 3 0 2 ；( 2 0 0 3 年) 上海大学与上海飞乐股份有限公司产学研：汽车线束全自动双端压接机 控制系统开发。( 2 0 0 5 年) 1 4 论文主要研究内容 本文主要咀线束制造过程为背景，以制造过程中的制造资源所涉及的数据为 研究对象，进行了以下几个方面的研究： 1 )分析了网络化制造和制造网格为制造业发展带来的契机。指出制造 资源的封装是实现资源共享的切实可行方法。 2 )以汽车线束行业为背景，研究了制造业普遍存在的企业联盟问信息 集成和共享的问题，指出制造网格的建设需要分布进行，首先应该 上海大学硕士学位论文 3 ) 4 ) 解决企业间数据集成的问题，提出了制造数据网格这一解决策略， 并研究了其架构。 为了更好的构建制造数据网格，提出制造数据资源的概念，并在基 于制造数据网格的基础上，实现制造数据资源的网格化封装。 将制造数据网格和制造数据资源应用于上海飞乐股份有限公司构建 的汽车线束联盟信息共享平台，实现企业成员间信息的无缝集成。 1 5 论文的章节安排 本文的总体框架图1 - 1 所示。 第一章绪论 i 第二章相关理论与技术 j 第三章第四章 制造数据网格体系结 制造数据资源封装模型 构研究研究 i 第五章基于m d r 封装的系统开发和应用 i 第六章结论与展望 图1 i 论文总体框架 从图中可以看出，本文共分七章： 第一章：分析课题的研究背景及意义，阐述课题研究现状和发展趋势。 第二章：介绍论文所涉及的各种理论和相关技术。 第三章：建立制造数据网格的系统框架，并介绍位于中间件层的四个服务。 第四章：建立制造数据资源封装模型，提出了制造数据资源前向封装模型和 制造数据资源后向封装模型。 第五章：对提出的封装模型进行系统开发，并将开发后的系统引入制造数据 上海大学硕士学位论文 网格，应用十汽车线束行业的制造数据集成。 第六章：总结课题研究的主要成果，并提出进一步研究方向。 1 6 本章小结 本章分析了课题研究的背景和意义，阐述了课题研究现状和发展趋势并以 论文的主要研究内容和章节安排结尾。 第二章相关理论与技术 本章丰要介绍了论文涉及的一些相关理论和技术，包括网格及其最新的框架 o g s a 、制造网格、制造资源和制造资源封装及其相关的封装技术。 2 1 制造网格 2 1 1 网格 “网格”是一个新出现的概念，代表了一种先进的技术和基础设施，是继 i n t e m e t 之后的又一次重大的科技进步。中国科学院计算所所长李国杰院士认为， 网格实际卜是继传统因特网和w e b 之后的第三个大浪潮，可以称之为第i 代因 特网。 简单地讲，传统因特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通， 而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信 资源、软件资源、信息资源、知识资源等。 具体地讲，网格就是一个集成的计算和资源环境，或者说是一个计算资源池， 能够充分吸纳各种计算资源，并将它们转化为一种随处可得的、可靠的、标准的 同时还是经济的计算能力。其最终目的是希望用户在使用网格资源时，就如同现 在使用电力一样方便，只要你能够接触到网格，就可以根据自己的需要，“按需” 从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务所在的具体位置【6 j 。 自刚格诞生以来，其定义一直处于不断发展变化中，目前最有影响力的是 2 0 0 1 年i a nf o s t e r 与c a r lk e s s e l m a n 在( ( t h ea n a t o m yo f t h eg r i d 中对网格的定 义：动态分布式虚拟组织中的资源共享和协同问题解决( c o o r d i n a t e dr e s o u r c e s h a r i n ga n dp r o b l e ms o l v i n gi nd y n a m i c ，m u l t i - i n s t i t u t i o n a lv i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ) ， 并在2 0 0 2 年7 月的( ( w h a ti st h eg r i d ? at h r e ep o i n tc h e c k l i s t 一文中对网格的 定义进行了界定，认为可以从以下三个方面判断一个系统是否为网格系统： 协调非集中控制的资源( c o o r d i n a t e sr e s o u r c e st h a t a r en o ts u b j e c tt o c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs t a l l d a r d ，g e n e r a l - p u r p o s e p r o t o c o l sa n di n t e r f a c e s ) 上海大学碗士学位论文 获得非平凡的服务质量( t od e l i v e rn o n t r i v i a lq u a l i t i e so fs e r v i c e ) 根据网格最新定义，i a nf o r s t e r 等人提出了开放网格服务结构0 g s a ( o p e n g r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ) 。o g s a 被称为下代的网格结构”6 1 。 o g s a 的基本思想是以服务为中心的“服务结构”。在o g s a 中，所有具有 特定功能的网络化实体都是服务，包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、 数据库等【4 。这种抽象的服务将资源、信息和数据等统一了起来，十分有利于灵 活、致、动态的共享机制地实现，使得分布式系统管理有了标准的接口和行为。 为了使服务的思想更加明确和具体，o g s a 定义了网格服务( a r i as e r v i c e ) 。 该服务提供一组接口，这些接口的定义明确并目遵守特定的惯例，解决服务发现、 动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。在o g s a 中，将一切都看作是网 格服务，因此网格就是可扩展的网格服务的集合，即 网格= f 网格服务 网格服务= 接口行为+ 服务数据 图2 1 是对网格服务的简单描述。 服务数据的访问 显示撤销 软状态生命周期 绑定特性 可靠激活 一认证 l 一 兰! ! 兰墨 图2 - 1 网格服务示意 一通知 一授权 服务创建 一服务注册 管理 开发 + 特别应用接口 o g s a 通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源”之上的种种限制， 为使用者提供一种前所未有的“高级服务”，从而使网格中的资源具有了以下性 质【39 】：资源的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理位置的 用户都可以通过网格利用该资源；资源的规范化，即通过将资源封装为服务， 屏蔽了资源的多样性和异构性，各种资源对用户都是透明的；资源的相互协调， 即对任何网格资源，在o g s a 提供的一定规则的约束和管理下，都可以实现相 互协作；资源的动态融合，因为单个资源往往不能满足用户的要求，这时可以 通过网格，将众多的资源集中起来，动态地形成虚拟组织，实现具有超级能力的 虚拟资源。 上海大学硕士学位论文 2 1 2 制造网格 制造网格是现代集成制造哲理和敏捷制造模式在网络化经济环境下的一种 网格理念的具体物化形式，是支持不同企业和社会群体协同运作和管理的集成支 撑环境，目标是快速设计、快速制造、快速检测、快速响应和快速重构，通过对 设计、制造、管理、信息、技术、智力和软件资源的封装和集成，屏蔽制造资源 的异构性和地理分布性，以透明的方式为用户提供各类制造服务，在最大程度上 实现设计、制造、信息、技术和知识资源的共享，以及协同制造过程中物流、信 息流、价值流的优化运行，它能为实现敏捷企业( 又称虚拟企业、敏捷虚拟企业、 动态联盟) 的运作提供支持，形成数字化、柔性化、敏捷化等基本特征的优势互 补的协同企5 1 k 。而在这样的制造网格环境下，制造用户能够像使用本地资源一样 方便地使用封装在制造网格中的所有资源，最终制造企业群体将以较短的开发周 期，制造出符合市场需求的较低成本高质量的产品。 与阚络化制造相比，制造网格更追求的是规范化，包括封装的规范化，调用 的规范化和集成的规范化。 2 2 制造资源 在社会生产和人们的日常生活中，资源随处可见，不同的应用领域包含不同 的资源。制造资源一般指制造企业中人、财、物的总和，具体涉及设备、材料、 人员以及完成产品整个生命周期所涉及的生产活动的所有物理元素的总和。 在传统意义上，对制造资源的定义和分类可分为广义制造资源和狭义制造资 源【4 “。从广义上讲，制造资源是对企业中的设备、材料、人员、以及产：品生命周 期所涉及的硬件、软件的总称。根据企业层次管理的结构形式，制造资源可抽象 为工厂层、车问层、制造单元层和没备层等，如图2 2 所示，每个层次所代表的 制造资源都具有一定的属性和功能。企业层完成企业经营决策和生产管理；车间 层执行生产任务调配和任务协调：单元层完成单元任务调度与监控；工作站层完 成设备控制与动作协调：设备层执行加工、传输和测量。 狭义制造资源是指加工一个零件所需要的物质元素，是面向c i m s 、c a p p 、 n c 等系统所需的底层制造资源，即车间层以及车间内设备层的制造资源，主要 包括机床、刀具、夹具、量具和材料等，如图2 3 所示。 圈2 - 2 广义制造资源图2 - 3 狭义制造资源 无论是广义的制造资源定义还是狭义的制造资源定义，都通常被界定在单个 企业内部【2 3 】。 网络化制造模式的产生和发展导致了制造资源定义和内容的变化，其内涵已 从一个企业内部扩展到具有战略联盟关系的所有企业、供应商中( 即扩展企业或 虚拟企业) ，其内容不仅包括扩展企业虚拟企业中的物理生产要素总和，而且也 包括服务于产品生产过程中的所有信息和技术要素 3 】。 根据上述的分析，将在网络化制造模式下的制造资源定义如下： 定义2 1 ：制造资源( m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e ，m r ) ：在网络化环境中，能 够为产品全生命周期中所涉及的制造活动提供服务的资源的总称。 定义2 1 下的制造资源具有以下的特点： 制造资源除了软件( 如c a d c a p p c a e ) 外，还包括各种硬件设备( 如 c n c 瓜p m 腰m s ) ，而且设备一般都由软件控制。 制造资源是分布的，相对独立的、自治的和动态的。 制造资源种类复杂，性质各异。与计算资源不同的是，不同的制造资源 具有不同的功能和属性。 各种类型的制造资源处于异构环境中； 人力资源是一种特殊的制造资源。因为大部分制造资源在加工过程中， 都需要人工干预。 制造资源的分类有很多种，本文根据制造资源存在形式的不同，分为以下三 大类： 上海大学硕士学位论文 制造硬件资源：主要是完成制造活动的加工、测量设备，如n c ，可提供零 件加工服务，三坐标测量仪( c o o r d i n a t em e a s u r em a c h i n e ，c m m ) 可提供零件 测量的服务。 制造软件资源：主要是完成制造活动的信息化软件，如c a d ，可提供零件 设计的功能，p d m ，可提供产品管理的功能。 制造智力资源：主要是制造活动所需要的知识，如提供产品概念设计的知 识服务，提供设备远程诊断的知识服务。 本文后续章节如果未加特别说明制造资源均指定义2 1 给出的含义。 2 3 制造资源封装技术 2 3 1 制造资源封装的定义 “封装”一词来源于面向对象的设计方法。在面向对象的设计方法中，封装 就是把对象的属性和功能结合成一个独立的相同单位，并尽可能隐蔽对象的内部 实现细节，通过对外公布的接口访问对象内部的数据和功能。 封装的好处就在于：1 ) 屏蔽了对象的细节，无论对象内部是多么的复杂， 都通过接口供用户访问，用户无需知道对象的工作原理、运行机制，从而简化了 访问的复杂性。2 ) 接口的使用便于对象的抽象，将对象的本质从纷繁复杂的事 物中抽象出来，可简化设计时的复杂性。 网络化共享制造资源的要求提出了对传统制造资源的改造，传统制造资源的 复杂性、异构性也给网络化共享带来了巨大的困难。不同的软件有不同的数据结 构，不同的设备有不同的操作方式，如果将这些细节全部通过网络暴露给用户， 不仅将会使用户感到手足无措，因为通过网络共享这些制造资源的用户可能对其 知之其少，同时也会给提供这样功能的系统地构建带来巨大的挑战，因为这些系 统缺乏柔性，即针对不同的制造资源，需要构建不同的系统为其提供功能，耗时 费力。 按照面向对象设计方法的观点，万事万物都是对象，自然也包括制造资源。 但是面相对象的封装粒度较小，对所支持的机制仅能描述静态致的关系，对复 杂系统的描述和建模能力仍显不足，加之对象没有封装功能的激活能力，只能被 动地被外部消息激活。以分布式技术封装制造资源可以解决上述存在的问题。我 上萍大学坝士掌位论文 们将制造资源的封装定义为： 定义2 2 ：通过一定的分布式技术，将制造资源的内部实现细节加以屏蔽， 并抽象为一系列的接口供用户通过网络查询、访问，实现制造资源的数据访问和 功能调用。 根据访问制造资源的内容不同：可划分为制造资源的数据封装和功能封装。 制造资源的数据封装是指对制造资源内存储的数据访问的封装，如p d m 内产品 定义的查询，e r p 中产品订单的查询；制造资源的功能封装是指对制造资源能提 供的功能的封装，如c a d 的图纸绘制功能，n c 的零件加工功能等等。 图2 _ 4 制造资源封装示意图 将封装后的制造资源加入到网络中是实现制造资源本地化向可共享的制造 资源的转变，真正完成了制造资源的封装。图2 4 为制造资源封装示意图。 2 3 2 制造资源封装技术简介 制造资源的封装依赖于分却式技术的发展，本节将介绍各种常用的分布式封 装技术，