離散制造企業(yè)應(yīng)用集成開(kāi)發(fā)研究

秦海平，王美清

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

企業(yè)應(yīng)用集成(Enterprise Application Integration, EAI)對(duì)企業(yè)信息化建設(shè)和消除“信息孤島”意義重大。目前，成功的EAI案例多集中在電信、金融、物流等行業(yè)，而離散型制造企業(yè)鮮有成功的案例。究其原因是：前一類(lèi)行業(yè)普遍具有業(yè)務(wù)流程貫穿的應(yīng)用系統(tǒng)較少、海量數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息化基礎(chǔ)較好等特點(diǎn)[1]；而后一類(lèi)企業(yè)存在應(yīng)用系統(tǒng)跨越領(lǐng)域大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、業(yè)務(wù)流程復(fù)雜、數(shù)據(jù)源分散且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)加大了離散制造企業(yè)EAI的難度。目前，對(duì)制造企業(yè)應(yīng)用集成研究多傾向于小范圍的幾個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成，如ERP/MES、PDM/ERP/MES系統(tǒng)集成[2,3]，而對(duì)整體集成架構(gòu)研究還不多見(jiàn)。同時(shí)，離散制造企業(yè)業(yè)務(wù)流程上的復(fù)雜性和企業(yè)共享數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，使得其在各層次集成實(shí)現(xiàn)方式上與一般企業(yè)也有所不同。但目前的研究多傾向于一般性，很少針對(duì)離散制造企業(yè)特點(diǎn)。以數(shù)據(jù)集成為例，常規(guī)方法是對(duì)各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析整合，建立統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)模型[1,4]，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和存取。但離散制造企業(yè)基于既有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集成特點(diǎn)使得上述方法并不適合。因此，結(jié)合離散制造企業(yè)信息化環(huán)境，研究其企業(yè)應(yīng)用集成特點(diǎn)和集成方案，將有助于離散制造企業(yè)EAI的成功實(shí)踐。

針對(duì)上述情況，本文提出了面向離散制造企業(yè)的EAI集成框架，針對(duì)離散制造企業(yè)應(yīng)用集成特點(diǎn)，對(duì)集成進(jìn)行了分類(lèi)，并給出了針對(duì)性的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)具體的集成實(shí)例驗(yàn)證了集成方法的有效性。

1 離散制造業(yè)EAI架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

綜合離散制造企業(yè)EAI的特點(diǎn)，離散制造企業(yè)EAI所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：

1）實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)之間信息與數(shù)據(jù)共享；

2）實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間過(guò)程協(xié)同與流程管理；

3）實(shí)現(xiàn)流程處理過(guò)程中的統(tǒng)一的界面管理；

4）實(shí)現(xiàn)特定信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)提取與展現(xiàn)。

1.1 集成框架

目前較為常見(jiàn)的集成框架有：中心-輻條式（Hub-spoke）、企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)式（Enterprise Service Bus，ESB），面向服務(wù)的體系架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）等。文獻(xiàn)[1]采用了網(wǎng)絡(luò)集線(xiàn)器模式，這種結(jié)構(gòu)容易造成效率瓶頸，同時(shí)存在單點(diǎn)失效問(wèn)題。ESB模式將集成中心擴(kuò)展成分布在多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上的總線(xiàn)，有效解決了hub-spoke模式的單點(diǎn)失效和效率問(wèn)題。但面向組件的集成技術(shù)，使得其實(shí)現(xiàn)起來(lái)過(guò)于復(fù)雜。SOA架構(gòu)模式面向粗粒度的服務(wù)，具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性[5]。但同ESB一樣，均采用集中式的消息路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模式，這在離散制造企業(yè)復(fù)雜的EAI環(huán)境下實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。而且，多數(shù)業(yè)務(wù)流程具有周期長(zhǎng)，簽署多，角色性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得這些流程很難基于工作流模型通過(guò)服務(wù)編排來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)采用直通式的處理方式更合適。

綜合上述分析，為了避免整體架構(gòu)上功能過(guò)于集中與實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性，使得功能實(shí)現(xiàn)趨于分散和簡(jiǎn)單化，提出如圖1所示的基于分布式網(wǎng)絡(luò)和Web Services技術(shù)的集成框架。

其中，企業(yè)集成管理平臺(tái)是整個(gè)集成框架的核心部分，與其他應(yīng)用系統(tǒng)共同構(gòu)成企業(yè)分布式應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 離散制造企業(yè)EAI集成框架

集成框架的主體即集成管理平臺(tái)組件功能如下：

1）工作流引擎 定義并解釋執(zhí)行工作流。WSFL將業(yè)務(wù)過(guò)程中的每一個(gè)步驟都定義為一個(gè)活動(dòng)，將業(yè)務(wù)過(guò)程的一次執(zhí)行看成是各活動(dòng)按照指定順序的激發(fā)。

2）流程管理組件 監(jiān)控集成平臺(tái)業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用系統(tǒng)間業(yè)務(wù)流程執(zhí)行狀態(tài)。

3） Web服務(wù)引擎 負(fù)責(zé)完成Web服務(wù)的發(fā)布、調(diào)用等相關(guān)處理；實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息交互。

4）服務(wù)管理器 統(tǒng)一管理應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)注冊(cè)和登記，詳細(xì)標(biāo)識(shí)服務(wù)的WSDL地址、提供服務(wù)說(shuō)明等。

5）信息管理組件 通過(guò)Web服務(wù)獲取各應(yīng)用系統(tǒng)相關(guān)信息視圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，動(dòng)態(tài)發(fā)布展現(xiàn)數(shù)據(jù)信息。

6）界面管理組件 完成與CA的用戶(hù)認(rèn)證，管理各子系統(tǒng)的統(tǒng)一登錄與用戶(hù)驗(yàn)證。

對(duì)業(yè)務(wù)往來(lái)頻繁的應(yīng)用系統(tǒng)間集成通過(guò)Web Services進(jìn)行直通式信息交互。交互時(shí)，直接通過(guò)Web服務(wù)尋址發(fā)送到目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)，由目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)自身完成對(duì)消息的處理，不需要經(jīng)過(guò)集成服務(wù)器進(jìn)行路由邏輯判斷和消息處理。降低了集成管理平臺(tái)的路由負(fù)荷和復(fù)雜度。

各應(yīng)用系統(tǒng)組件功能：

1）Web服務(wù)引擎 完成本系統(tǒng)的Web 服務(wù)封裝、發(fā)布，處理對(duì)其他系統(tǒng)Web服務(wù)的調(diào)用；

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 在調(diào)用其他服務(wù)時(shí)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、解析等處理；

3）頁(yè)面管理 定制開(kāi)發(fā)并管理過(guò)程集成中的部分協(xié)同頁(yè)面。

1.2 集成類(lèi)別

根據(jù)離散制造企業(yè)信息化特點(diǎn)和EAI的具體需求，將企業(yè)應(yīng)用集成分為信息集成、過(guò)程集成和界面集成。又依據(jù)其信息類(lèi)型的不同，將信息集成細(xì)分為：結(jié)構(gòu)樹(shù)類(lèi)型、消息類(lèi)、復(fù)雜對(duì)象類(lèi)信息集成。綜上，將離散制造企業(yè)應(yīng)用集成分為如下五類(lèi)：結(jié)構(gòu)樹(shù)類(lèi)型信息集成、消息集成、復(fù)雜對(duì)象類(lèi)集成、過(guò)程集成和界面集成。如圖2所示，依次用A、B、C、D、E五個(gè)符號(hào)分別來(lái)標(biāo)識(shí)。

圖2 離散制造企業(yè)應(yīng)用集成分類(lèi)

X軸表示企業(yè)內(nèi)各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)集，Y軸表示集成類(lèi)別，Z軸表示某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，各應(yīng)用系統(tǒng)處在企業(yè)的分布式網(wǎng)絡(luò)Internet/Intranet環(huán)境中。三者構(gòu)成的空間為企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成空間，三個(gè)維度上的交點(diǎn)表示應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息集成、過(guò)程集成、界面集成點(diǎn)。

以上的集成類(lèi)別通常是按一定順序依次實(shí)現(xiàn)的。信息集成是整個(gè)EAI的基礎(chǔ)，過(guò)程集成則是各類(lèi)信息集成的有機(jī)結(jié)合，而表現(xiàn)則依賴(lài)于界面集成。

1.3 集成實(shí)現(xiàn)

下面依次對(duì)五類(lèi)集成進(jìn)行分析并給出技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。

首先是信息集成。信息集成的方法有：數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)復(fù)制、面向接口集成和析取、轉(zhuǎn)換等。

1）A類(lèi)集成點(diǎn)為結(jié)構(gòu)樹(shù)類(lèi)型數(shù)據(jù)，在離散制造企業(yè)中主要是產(chǎn)品BOM和組織人員信息等。這類(lèi)信息通常存在多層次的父子關(guān)系，數(shù)據(jù)量大，重用度高。常規(guī)集成方式是建立產(chǎn)品信息和人員組織信息的元數(shù)據(jù)模型，合并數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一存取。但在離散制造企業(yè)有如下不足：很多系統(tǒng)有著獨(dú)立的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)和人員組織結(jié)構(gòu)樹(shù)管理方法，集成是基于遺留系統(tǒng)既有數(shù)據(jù)模型和表結(jié)構(gòu)的，重構(gòu)元數(shù)據(jù)模型勢(shì)必造成應(yīng)用系統(tǒng)代碼的大量修改；不同系統(tǒng)有著不同的人員角色與權(quán)限控制方法，元數(shù)據(jù)信息模型很難統(tǒng)一維護(hù)?；谝陨戏治觯荒芡ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化解析和映射轉(zhuǎn)換，在遺留系統(tǒng)獨(dú)自維護(hù)，集成方法如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品人員類(lèi)信息集成方案

該方法將Web Service和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)復(fù)制、觸發(fā)器、JDBC/ODBC等技術(shù)相結(jié)合。整個(gè)集成流程可分為以下幾個(gè)部分：

（1）產(chǎn)品和人員組織信息源將相關(guān)數(shù)據(jù)復(fù)制到中間數(shù)據(jù)庫(kù)，供其他系統(tǒng)讀取，避免了數(shù)據(jù)源與外界直接交互，提高安全性；

（2）通過(guò)監(jiān)聽(tīng)及觸發(fā)器技術(shù)， EAI平臺(tái)及時(shí)捕獲產(chǎn)品、人員信息的最新變化，獲取相關(guān)標(biāo)識(shí)信息；

（3）EAI平臺(tái)通過(guò)調(diào)用Web服務(wù)，將產(chǎn)品或人員組織的標(biāo)識(shí)信息傳遞給各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)；

（4）應(yīng)用系統(tǒng)依據(jù)相關(guān)標(biāo)識(shí)信息，通過(guò)JDBC/ODBC連接方式從中間數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)并獲取數(shù)據(jù)[6]；

（5）應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和析取，將產(chǎn)品、人員結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)增量式更新到本地。增量式更新是針對(duì)產(chǎn)品BOM不同版本而言的，避免產(chǎn)品信息的丟失，對(duì)相關(guān)信息如質(zhì)量信息在產(chǎn)品追溯上有重要意義。

2）B為消息類(lèi)集成。消息通常是在業(yè)務(wù)過(guò)程中為配合其他業(yè)務(wù)活動(dòng)執(zhí)行情況而動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的。它具有內(nèi)容簡(jiǎn)短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在程序中可能是一個(gè)字符串、整型、布爾型變量等。

本文所提出的EAI架構(gòu)模式中，消息傳遞通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)之間直接調(diào)用Web services方式實(shí)現(xiàn)。服務(wù)調(diào)用參數(shù)或返回值為簡(jiǎn)單對(duì)象類(lèi)型，不需要轉(zhuǎn)化和解析，可以直接引用。

3）C類(lèi)集成為復(fù)雜對(duì)象類(lèi)集成。主要是完成過(guò)程集成和系統(tǒng)間功能集成中所需要的數(shù)據(jù)共享等。如制造流程中ERP向MES下達(dá)生產(chǎn)訂單任務(wù)，質(zhì)量管理系統(tǒng)向PDM系統(tǒng)反饋產(chǎn)品質(zhì)量文檔等。采用Web Services方式，參數(shù)為復(fù)雜對(duì)象，可以是一般意義上的類(lèi)對(duì)象，也可以是文件對(duì)象等。

4）D類(lèi)集成為過(guò)程集成。為了滿(mǎn)足離散制造企業(yè)業(yè)務(wù)流程處理周期長(zhǎng)，跨應(yīng)用系統(tǒng)多，簽署人員廣等的需要，跨應(yīng)用系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，采用直通式的處理方式。一方面可以通過(guò)將附加參數(shù)的URL鏈接到定制的操作頁(yè)面，同時(shí)觸發(fā)調(diào)用Web Services將集成數(shù)據(jù)傳送到目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)。另一方面，也可以采用可交互Web服務(wù)技術(shù)(Interactive Web Service，IWS)[7]，直接將Web服務(wù)與顯示界面和用戶(hù)交互界面綁定。交互式Web服務(wù)技術(shù)不同于傳統(tǒng)的Web服務(wù)，它能將用戶(hù)界面像它的Web方法一樣提供給用戶(hù)使用，從而真正實(shí)現(xiàn)Web 服務(wù)在應(yīng)用系統(tǒng)中的即插即用。

5）E類(lèi)集成為界面集成，是EAI表現(xiàn)層的集成，著眼于企業(yè)用戶(hù)對(duì)應(yīng)用集成的整體性體驗(yàn)。主要實(shí)現(xiàn)CA認(rèn)證、單點(diǎn)登錄、界面風(fēng)格的統(tǒng)一性等。其中CA認(rèn)證由集成平臺(tái)/企業(yè)門(mén)戶(hù)實(shí)現(xiàn)；單點(diǎn)登錄指企業(yè)用戶(hù)在登錄企業(yè)門(mén)戶(hù)界面后，登錄應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)不需進(jìn)行顯式的身份驗(yàn)證，而只要用獲取的用戶(hù)信息在后臺(tái)隱式地驗(yàn)證；界面風(fēng)格統(tǒng)一性針對(duì)企業(yè)新業(yè)務(wù)流程執(zhí)行過(guò)程中的用戶(hù)交互界面，由EAI平臺(tái)定義頁(yè)面統(tǒng)一樣式，各應(yīng)用系統(tǒng)按既定樣式定制開(kāi)發(fā)相關(guān)頁(yè)面。

2 應(yīng)用實(shí)例

某廠(chǎng)所是一個(gè)典型的離散型制造企業(yè)，有著較為成熟的企業(yè)信息化環(huán)境和計(jì)算機(jī)集成制造環(huán)境。在該廠(chǎng)所進(jìn)行企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)整合過(guò)程中應(yīng)用了本文提出的EAI架構(gòu)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。整體集成解決方案如圖4所示。

圖4 某廠(chǎng)所應(yīng)用系統(tǒng)集成解決方案

上述方案基于分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，運(yùn)用Web Services技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建企業(yè)EAI集成平臺(tái)，采用直通式交互處理方式，實(shí)現(xiàn)了包括工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化、經(jīng)營(yíng)管理、制造自動(dòng)化和質(zhì)量保證等子系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)間應(yīng)用集成。

其中，經(jīng)營(yíng)管理子系統(tǒng)包括 (office automation，OA)、ERP、人力資源管理(human resource management，HR)、供應(yīng)鏈管理(supply chain management，SCM）、客戶(hù)關(guān)系管理(customer relationship management，CRM）系統(tǒng)等；工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化子系統(tǒng)包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management，PDM)、CAD、CAPP、工時(shí)管理(work hour system，WHS)系統(tǒng)等；制造自動(dòng)化子系統(tǒng)包括MES、裝配過(guò)程控制系統(tǒng)等；質(zhì)量保證子系統(tǒng)為質(zhì)量管理系統(tǒng)(quality management system，QMS)。

針對(duì)集成的五個(gè)類(lèi)別，下面以QMS系統(tǒng)為例，介紹其與其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)。按照?qǐng)D2所示方法，確定QMS與其他系統(tǒng)集成內(nèi)容和所屬類(lèi)型，如表1所示。

表1 QMS與其他系統(tǒng)的集成交互點(diǎn)

結(jié)合各應(yīng)用系統(tǒng)軟件平臺(tái)、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，依據(jù)集成類(lèi)型，運(yùn)用本文提出的各個(gè)類(lèi)別的集成方案，進(jìn)行系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的集成內(nèi)容，運(yùn)行結(jié)果正確且穩(wěn)定。如通過(guò)對(duì)作業(yè)計(jì)劃、質(zhì)量信息等數(shù)據(jù)對(duì)象的序列化/反序列化解析與封裝，進(jìn)行信息動(dòng)態(tài)傳遞，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)務(wù)上的過(guò)程協(xié)同；通過(guò)用戶(hù)信息在后臺(tái)進(jìn)行隱式驗(yàn)證，獲取其功能角色及權(quán)限，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄等。圖5為EAI集成環(huán)境中的質(zhì)量管理系統(tǒng)的運(yùn)行界面。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖5 質(zhì)量管理系統(tǒng)集成管理界面

本文結(jié)合離散制造企業(yè)信息化環(huán)境，研究了離散制造企業(yè)EAI特點(diǎn)，分析了幾種典型集成模式在離散制造企業(yè)EAI應(yīng)用中的不足之處，繼而構(gòu)建了適合離散制造企業(yè)的應(yīng)用集成框架，并依據(jù)集成實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的不同，將離散制造企業(yè)集成劃分為五個(gè)類(lèi)別，分別進(jìn)行了分析，并給出了針對(duì)性的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。該集成方案已應(yīng)用于某企業(yè)的信息化建設(shè)項(xiàng)目中，并取得了較好的應(yīng)用效果。

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