基于语义网关的离散制造执行系统集成可重构研究

陈学海，宋豫川，鄢 萍，刘 飞

（重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030）

0 引言

制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是面向车间层的管理信息系统，它联系着企业的上层计划管理系统和下层工业控制系统，能够及时反映生产现场信息，是实现制造企业信息集成的纽带。通过实施MES，制造企业能够有效提高生产管理水平和生产效率，从而缩短交货期，降低生产成本，赢得市场机遇。

当前制造企业面临的环境复杂多变，一方面，客户的个性化需求越来越多，制造业的专业化分工趋势越来越明显，产品生命周期内的业务活动依赖于多个企业的协作；另一方面，敏捷制造、绿色制造、云制造等各种新兴制造模式的兴起，对制造企业的资源组织和使用方式也提出了新的要求。当前制造企业面临的现状要求企业能按需快速调整业务逻辑，同时以松耦合的方式与各种信息系统实现集成。作为企业信息集成的纽带，MES的信息集成能力与集成重构能力关系到整个企业的信息系统能否满足企业业务要求，因此对MES的集成重构研究一直受到学术界和产业界的关注和重视。

文献［1］基于公共对象请求代理结构（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）开放式系统集成框架，将封装后的功能构件以即插即用的方式进行集成，从而实现MES的集成可重构；文献［2］采用业务层和数据层的分离，通过抽取可定制的业务功能构件，按业务规则定制实现MES的集成重构；文献［3］针对钢铁企业设计出柔性MES组件模型，基于组件服务接口与组件服务实现关系的重构实现MES的柔性集成；文献［4］通过在 MES中引入业务规则管理系统，利用规则引擎及相应的规则语言，针对企业需求制定业务规则，把程序代码和业务规则分离开来，增强系统的灵活性和适应能力；文献［5］提出一个四维的 MES模型，通过模型驱动的系统构建方法实现系统模型与系统实现的统一及系统的跨平台重构，通过基于服务的可重构单元构建方法构建不同粒度的服务，基于动态服务组合的流程编排实现了业务功能的重用和动态的流程集成；文献［6］提出一种模型驱动的工程方法，从全生命周期的角度和较高的抽象层次规划实现了MES集成关系的重构；文献［7］提出一套支持跨粒度重构的MES体系结构，以保持MES与生产系统同步和响应更密集、更复杂的MES集成的需求；文献［8］提出一种基于本体的智能体来实现模块化的柔性制造系统集成；文献［9］讨论了Holon制造系统中工艺组合重构的实现。从以上文献可以看出，MES的集成可重构研究主要关注自身业务流程的集成可重构性，对于系统间的集成重构和业务对象的集成重构则关注不多，而仅基于业务流程的集成重构难以满足当前企业复杂多变的集成需求。

随着制造业信息化的不断深入，制造企业面临越来越多的信息化系统，为了发挥信息系统的综合效用，消除信息孤岛，MES必然需要与其他信息系统互联互通，实现系统间的集成［10］。目前制造系统间的集成技术从传统的紧耦合向松耦合方向发展，语义已成为集成技术发展的重点［11］。当前集成的实现技术主要基于 Web服务及其扩展［12－14］，集成架构大多采用类面向服务的体系结构（Service－Oriented Architecture，SOA）模 式［15－17］，而 Web 服 务 和SOA主要关注系统间服务的集成接口语法结构定义，对接口的语义信息缺乏支持，因此要求集成接口保持稳定，当集成接口面临重构时则难以维持既有集成关系。为了解决集成中面临的语义问题，集成领域也开始采用本体［12，18］和 映射［19］等技术来解 决集成中面临的语义异构，虽然本体提供了语义定义和处理机制，但是由于不同系统对本体的定义各异，不同系统间的本体依然存在语义异构问题，同时信息映射技术虽然得到了应用，但是还没有作为一个系统来研究。面对当前企业信息系统的集成现状和需求，笔者所在课题组提出了语义网关系统的概念［20－21］，通过语义网关系统来支持系统间的语义集成。基于课题组在语义网关系统上的研究成果［20－21］，本文研究了基于语义网关系统的离散 MES集成可重构，以期在语义网关系统的支持下实现其业务活动及集成关系的集成可重构。

1 基于语义网关的离散制造执行系统集成可重构框架

1．1 离散制造执行系统基于语义网关的集成可重构需求分析

由于离散制造行业的传统特点，不同产品的加工工艺和制造流程有较大差异，产品品种较多，生产批量各异，物料供应复杂，计划调度困难。基于以上特点，王琦峰认为离散车间MES的可重构性分为组织结构重构、制造资源重构、制造流程重构和技术平台的重构四个方面［5］。随着制造环境的变化，制造企业的应用越来越复杂，各种应用的异构程度不断加深，尤其是企业间越来越多的制造协作活动，要求MES能够同时与不同企业的异构信息系统实现松耦合集成。

然而企业的MES与其他信息系统一般由不同的服务商提供，由于目前信息系统间对信息结构及其交互方式缺乏统一的标准，服务商们大多基于自身的业务知识来实现和实施各自的信息系统。服务商们对企业业务模型理解的差异，导致MES与其他系统在业务实体结构与业务逻辑关系上产生语义异构。同时当前信息系统间大多采用组件技术和服务技术实现集成，这种集成方式需要接口间语法的严格匹配，从而要求它们提供的接口契约保持长期稳定。当MES顺应企业业务变化进行重构时，必然涉及到MES业务模型的调整，这种调整又会具体表现在业务实体与业务逻辑上，进而影响MES与其他信息系统间的集成关系。因此，保持MES业务重构前后语义的稳定，以更灵活的松耦合方式实现系统间的集成，对减少MES重构的复杂度具有重要的意义，这就要求MES除了必须具备传统的可重构能力外，还必须从语义上具有可重构能力和基于语义集成的可重构能力。基于前述需求，本文在语义网关支持下，通过对MES业务语义的管理和业务实体与业务逻辑的动态集成以及可配置的系统间集成方法，为MES的重构与集成提供了一种新的途径。

1．2 基于语义网关的离散制造执行系统集成可重构框架

为了满足离散车间当前对MES的集成可重构需求，本文提出基于语义网关的离散MES集成可重构框架，如图1所示。

基于语义网关的离散MES集成可重构框架主要由基础平台与框架层、系统业务层、集成配置层、语义集成代理和语义网关组成。

（1）基础平台与框架层 在配置信息的支持下为系统提供用户界面，从而展示业务实体和提供执行业务方法的入口；创建业务实体并实现实体和数据库间的对象关系映射；在业务实体和业务逻辑接口间提供动态注入，实现接口方法的调用拦截和具体方法的调用；执行系统业务规则和业务流程等。

（2）系统业务层 系统业务是车间活动在计算机系统中的定义，在系统中主要体现在业务实体、业务逻辑和业务流程上。车间业务决定了如何定义系统的业务实体、业务逻辑、业务流程的组合关系以及业务功能实现代码。

（3）集成配置层 在配置使能工具的支持下定制系统的运行界面，定义业务实体和业务逻辑接口，指定业务实体和业务逻辑的关系，配置业务流程；定制运行界面指定系统以何种具体方式展现数据；对业务实体的定义则建立了实体属性和实体间的继承组合关系；通过配置为业务实体指定业务逻辑；业务流程的配置指定了功能和流程间的组合关系。

（4）语义集成代理 语义集成代理负责与语义网关间的集成信息交互，包括消息通讯、信息封装与解析，按语义网关的要求执行MES系统的功能服务，响应语义数据集成，更新 MES业务实体的状态等。

（5）语义网关 语义网关是MES与其他异构系统实现语义集成的平台。通过语义网关提供的语义和服务注册、语义转换和服务驱动能力以及消息订阅和发布等机制，MES只需与语义网关建立集成关系，就能够利用语义网关提供的集成能力实现与其他系统的语义集成。

集成可重构框架描述了支持MES运行和集成可重构的各部分间的关系，MES的业务实体、业务逻辑和系统间的集成作为框架内的组成部分，框架为它们的可重构提供了基础。

2 基于语义网关的离散制造执行系统业务集成可重构实现方法

2．1 制造执行系统业务实体的集成可重构实现方法

业务实体是车间各种对象在计算机中的定义，它们是MES的运行和集成的基础，各种数据的加载显示、业务逻辑的执行都依托于业务实体之上。由于不同车间或同一车间在不同阶段面临的制造环境各不相同，它在不同条件下对业务实体的定义也各不相同，满足业务实体的集成重构需求就具有显著的意义。

当前的MES大都采用静态的高级程序设计语言开发，这类语言具有严格的类型约束，因此MES的业务实体在开发过程中就被严格定义，同时与其相关的业务逻辑也被紧密地耦合在一起，经过编译后成为MES的部件。在这种模式下，业务实体的集成重构主要面临如下困难：

（1）业务实体被编译为二进制代码，用户无法从系统中获取详细的定义。

（2）用户没有与实体相关的完整源代码，无法重新定义和编译强类型的业务实体。

（3）重构成功后的业务实体依旧执行重构前的业务逻辑，无法体现实体重构的意义。

（4）业务实体重构后的语义无法被其他信息系统理解，必须为每个系统重新定义集成关系。

基于以上分析，为了实现业务实体的集成可重构，本文提出一种基于语义网关的业务实体集成可重构模型，如图2所示。

要实现业务实体的集成可重构，业务实体必须从逻辑和物理上作为MES的独立组件。业务实体的定义信息由MES配置系统维护，用户可以通过配置工具，以可视化的界面创建或编辑业务实体，在业务实体中增加或移除属性定义，同时可以按需定义属性的交互显示模式，如格式化显示、指定编辑控件等，也可以为属性建立业务校验规则，如属性值必须在指定的范围内、属性值不能为空和属性值必须唯一等。当用户保存业务实体的定义信息时，配置系统自动根据实体的定义信息生成业务实体的源码，同时将源码编译为动态链接库（Dynamic Link Library，DLL）组件。由于业务实体是独立的组件，对其编译可以独立进行而不影响系统的其他模块。

MES要实现语义集成，必须向语义网关间注册自己的私有语义，通过语义网关拥有的企业语义标准和其他系统在平台注册的语义标准之间的映射处理，与其他系统实现语义交换。业务实体是属性的集合，每个属性都有自己的语义。在重构业务实体时，必然会涉及属性及其语义的变更。由于语义网关拥有一套企业的语义标准，当MES的语义发生变化时，引入语义网关的企业语义标准无疑能够降低MES与语义网关间的语义集成复杂度，提高实体重构和系统集成效率。当实体需要增加属性时，如果企业语义标准中存在该属性的等价语义，则可以直接将该语义定义为属性的语义；如果不存在等价语义，则可建立MES的私有语义，并在语义网关中注册该语义，成为语义网关的企业语义标准；当修改了属性的语义时，只需重新定义该语义与企业语义标准的映射关系，就可以保持与其他系统间的语义集成关系。

当MES运行时，系统基础平台首先加载业务实体组件，获得业务实体类型信息，并通过对象关系映射系统将业务实体定义的变化更新到对应的数据库系统，然后加载自定义显示信息和业务规则信息，并在MES基础平台的支持下，按配置信息创建业务实体交互界面和校验业务实体数据。

通过业务实体分离和配置时的编译，实现了业务实体结构的可重构；通过业务校验规则的配置，实现了约束规则的可重构；通过配置显示模式，实现了交互方式的可重构；通过语义的引入、注册和映射关系的定义，保持了实体语义的一致性。由于业务实体是MES的独立组件，并且没有相关业务逻辑的定义，重构后的业务实体可以方便地扩展其业务逻辑。

2．2 制造执行系统业务逻辑的集成可重构实现方法

业务实体的集成可重构为业务逻辑的集成可重构提供了基础，业务逻辑主要从以下几个方面进行集成重构：

（1）动态关联业务实体的业务逻辑。

（2）调整业务逻辑的接口声明，改变业务逻辑功能的具体实现。

（3）定义业务流程的组合关系。

为了实现业务逻辑的集成可重构，本文提出一种基于语义网关的业务逻辑的集成可重构模型，如图3所示。

业务逻辑在MES中由业务逻辑的接口声明和业务逻辑接口方法的实现两部分组成。业务逻辑的接口是一系列抽象方法的集合，它们定义了业务实体具有哪些功能、可以执行哪些业务流程，以及方法的契约，但是不提供具体的实现；业务逻辑的实现则是具体的可执行代码，能真实地改变业务实体的状态。

由于业务实体和业务逻辑的分离，业务实体和业务逻辑实现了解耦合，同时也切断了它们之间的联系。为了在运行时建立业务实体和逻辑接口间的关系，MES平台的依赖注入框架在运行时根据配置文件中的定义动态注入业务逻辑接口，从而实现业务实体和业务逻辑的松耦合关联与动态集成。

MES的开发采用强类型的静态语言，业务逻辑接口的可重构必然会涉及源码层的修改。业务逻辑接口的独立定义为源码层的修改提供了条件，结合配置时的编译策略，可以实现业务接口的重构，具体步骤如下：首先用户通过MES配置系统定义业务逻辑接口，并为接口增加方法和指定方法的参数等调用契约信息；然后用户保存所有配置信息，配置系统根据用户的配置信息自动生成接口的源码，并在编译系统的支持下即时编译源码，生成强类型的业务逻辑接口组件。由于这些工作都由配置系统在后台自动完成，对用户的配置过程完全透明，用户在界面友好的配置系统中就可即时完成接口的重构。

业务逻辑接口没有提供方法的实现，因此当MES调用接口方法时，并不能执行预期的业务逻辑。为了真实地实现业务功能，必须在接口方法和具体实现代码间建立调用联系。MES平台首先拦截对接口方法的调用，然后从配置信息中获取该接口方法的关联实现定义，再由拦截代理执行实际的业务逻辑代码，最后将执行结果返回给接口方法的调用方。业务逻辑的实现由两类代码组成：第一类是编译好的可执行代码，可以被拦截代理直接调用，这类代码存在于已编译好的典型MES业务实现组件中；第二类是动态的文本代码，这类代码必须被平台引擎解析处理后才能与拦截代理交互。业务逻辑实现重构主要基于第二类动态文本代码，用户通过配置系统对文本代码的动态编辑来满足其重构需求。

MES业务逻辑的重构必然影响MES向外部提供的集成服务，从而导致外部系统必须重新设计和编译其与MES实现互操作的组件，基于语义网关的业务逻辑重构则将这种不良影响降到了最低。设计MES的业务逻辑时，在语义网关中注册业务逻辑的接口方法和接口契约，保证MES的接口语义能被语义网关理解，接口信息的注册同时也为外部系统与MES的服务集成提供了途径。当MES逻辑接口契约发生修改时，由于逻辑接口并不提供方法的实现，不需修改该契约在语义网关中的注册信息，只要按修改后的契约信息在网关重新注册一个新的服务即可。由于接口是抽象的定义，为了让语义网关能够确定其对应的具体实现方法，需要将其实现方法在语义网关中进行路径注册和参数语义注册。在MES配置系统的支持下，用户通过少量的工作，就可以完成业务逻辑在语义网关中的注册和重构活动。

MES的业务逻辑在语义网关中注册后，MES与外部异构系统的服务集成行为就可以被语义网关代理，当外部有服务集成请求时，语义网关首先对系统的请求信息进行语义解析，将其请求语义转换为符合接口契约的语义，然后将其映射为具体方法的参数语法和语义，再将符合该方法语义的请求信息交由MES的语义集成代理，由它负责调用方法并返回信息。语义网关则将返回的信息进行语义逆向处理，得到符合服务请求系统语义的信息，并将最后信息返回给目标系统。

通过语义网关对服务请求信息的语义解析转换以及服务调用的代理，使MES与外部系统实现了解耦合，MES业务重构的影响被语义网关消除，从而使外部系统与MES的集成关系保持稳定。

企业的业务经常变化，因此其业务逻辑也在不断调整，通过业务逻辑的独立声明和实现，企业可以在不同阶段定义不同的业务逻辑，使MES可以对业务逻辑进行积累，并可按需进行动态注入和调用拦截，实现业务逻辑的集成重构。语义网关使MES与其他系统实现了解耦合，并保持了服务契约的稳定，最小化了MES业务逻辑重构对系统集成活动的影响。

3 制造执行系统与其他信息系统基于语义网关的集成关系可重构实现方法

MES不是孤立运行的，它必然存在与其他信息系统集成的需求。语义网关作为系统间语义集成的平台，能够从语义上支持MES的数据集成和服务集成。基于语义网关的可重构集成就是要充分利用MES与语义网关在语义集成上的优势，通过对集成内容的重构实现与不同系统的语义集成。MES基于语义网关的可重构集成模型如图4所示。

MES的集成分为数据集成和服务集成，数据集成实现数据在系统间的共享，服务集成实现系统间功能服务的互操作，并且所有的集成活动都在语义网关的支持下进行。MES的集成行为通过配置而不是编码的形式来定义，因此通过对集成配置信息的修改就可以重构MES的集成行为。MES集成的可重构分为MES与语义网关的集成阶段和语义网关与其他信息系统的集成阶段两个阶段。

3．1 制造执行系统与语义网关的集成关系可重构实现方法

MES和语义网关间的集成由集成配置层控制，其中数据集成规则定义了业务实体参与集成时必须满足的属性状态条件，数据集成内容定义了业务实体的哪些属性参与集成，服务集成的定义描述了MES暴露的服务契约与具体实现的关联信息。

每当业务实体的状态被修改并持久化时，与其相关的所有数据集成规则将根据持久化前后的状态自动进行测试。在完成所有测试后，一旦有满足的集成规则，即将自动激活MES的集成行为，然后根据该实体的数据集成内容定义创建数据变更消息，由语义集成代理送往语义网关进行后续处理。例如在数据集成规则中定义规则“工单的完工属性由‘假’变为‘真’”，则当某个工单实体的完工属性满足持久化前为“假”、持久化后为“真”时，系统将根据工单实体在集成内容中的定义自动产生一条工单完工的数据集成消息，送往语义网关进行处理。

除了MES自身状态变更所带来的集成行为外，外部系统通过语义网关发送给MES的数据消息同样能触发集成活动。当MES接收到来自语义网关的数据信息时，首先将数据还原为业务实体对象，并在集成规则和内容的约束下，根据消息的类型决定对该业务实体的操作，从而使外部数据信息的变化能反映到MES。

通过服务契约与服务实现的分离和配置关联，MES可以灵活地调整服务的具体实现，从而修改服务的实现并保持接口的稳定，由于语义网关提供的服务依赖于具体的应用系统，MES服务重构的同时也实现了语义网关服务的重构。

3．2 语义网关与其他信息系统的集成关系可重构实现方法

语义网关同时集成众多异构的信息系统，而每个信息系统的集成需求各异，因此语义网关必须支持集成的重构。由于参与集成的信息系统在语义网关中进行了语义注册，建立了语义映射关系，语义网关能够理解信息在异构系统中的语义，同时通过信息系统在语义网关中建立的消息订阅关系，语义网关能够明确不同信息系统对消息的不同需求并控制消息的发送。

MES的信息在语义网关中的重构过程如下：MES的数据集成消息被语义网关接收后，语义网关首先根据语义映射关系将其转换为语义网关的中间语义，然后将消息分解为名值对的集合，再根据信息系统的消息订阅配置分别转换为目标订阅系统的语义，最后对每个系统的所有名值对进行组合，生成符合目标系统需求和语义的语义信息并发送。

业务实体定义和业务逻辑定义是集成重构的基础，它们支持了MES数据结构和业务结构的重构；业务实体与业务逻辑接口间的集成重构实现MES的业务能力重构，业务逻辑的接口与实现间的集成重构则支持了业务流程具体运行的重构；集成内容与集成活动的重构满足了MES与企业其他信息系统间的集成关系重构。

4 应用验证

基于上述研究，笔者在．Net平台上开发了离散车间的可重构MES原型并进行了验证。基于语义网关系统的可重构MES由配置系统、基础平台框架和语义集成代理三部分组成。配置系统负责定义和重构MES的业务实体、业务逻辑流程和各种业务与集成规则等信息；基础平台框架根据配置信息创建MES的业务实体、业务逻辑及其用户界面，并在它们之间动态建立关系，驱动各种业务功能的执行；语义集成代理负责MES与语义网关的消息通讯、MES数据集成信息的封装和还原，以及MES集成服务的调用。

在具有典型业务的MES原型系统下，集成重构活动一般由业务实体定义与业务逻辑接口定义的重构发起，重构业务实体与业务逻辑间的依赖关系，同时按需建立业务逻辑实现的执行脚本代码，最后配置MES与语义网关间的集成关系。

当MES的工单需要新增一个属性来表示已投入加工的数量时，可通过配置工具在工单实体上新建一个整型属性“已启动数量”，然后保存配置信息，同时配置系统在后台自动编译和更新MES的业务实体，并将该属性的语义同步注册到语义网关系统，从而通过语义网关与其他信息系统建立语义联系。由于“已启动数量”是新增的业务实体属性，为了使其能够反映已投入加工的数量，需要调整MES中与其相关的工票下发逻辑，即通过调整首道工票下发的逻辑实现，增加脚本指令“工单．已启动数量＝工单．已启动数量＋工票．生产数量”，从而实现其业务功能。MES中工单的“已启动数量”与企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统中工单的“已投入数量”在业务语义上存在等价关系，对于同一工单，为了将 MES中的“已启动数量”自动与ERP中的“已投入数量”同步，需在它们之间建立集成关系，并确保它们已在语义网关中注册。集成关系通过配置的方式建立，对“已启动数量”建立集成规则“Value Changed”，并定义其集成内容为｛工单单号，已启动数量｝，同时在语义网关增加ERP系统对“已启动数量”的语义订阅。当MES中工单的“已启动数量”属性发生变化时，则自动触发集成规则“Value Changed”，然后创建包含当前工单集成内容的集成消息并发送到语义网关。根据消息内容的订阅列表，语义网关将消息内容在“已启动数量”与“已投入数量”间进行语义转换，然后发送到ERP系统，最后由部署在ERP系统上的语义网关客户端将数据更新到ERP系统中，从而实现它们之间的语义集成。

采用实现技术开发的MES原型系统部分配置和运行界面如图5所示。

基于语义网关的MES除了实现业务对象的语义集成重构外，还可实现服务的语义集成重构。MES将其向外提供的集成服务在语义网关中进行语义注册，登记其接口参数的概念语义与结构信息，并与语义网关中的语义标准建立语义映射，从而使其接口的语义能被语义网关理解，其他信息系统则通过语义网关访问MES提供的服务，并由语义网关实现服务信息的语义转换。当MES提供的服务接口契约发生变化时，通过调整MES的服务与语义网关间的语义映射关系，可保持该服务在语义网关中的语义稳定，由于其他信息系统通过语义网关进行了服务的访问代理，MES服务的变化不会进一步影响语义网关与其他信息系统的服务集成，从而保持了MES与其他信息系统间服务集成的稳定。

5 结束语

为了实现MES集成可重构，在语义网关系统支持下，本文提出业务实体、业务逻辑接口和业务逻辑实现的分离定义与配置时的编译策略，通过业务实体与业务逻辑间动态注入和业务实现方法的调用拦截，实现了业务实体和业务逻辑的集成可重构。通过在MES建立数据集成规则、定义数据集成内容和服务集成内容，实现了MES与语义网关间的集成可重构。MES用户经过简单的技术培训后，即可掌握对MES进行集成重构的能力。在集成可重构框架的支持下，其重构过程无需开发人员的现场支持和二次开发，同时也减少了MES集成重构的成本和复杂度。通过原型系统的开发和运行，表明基于语义网关的MES具有基于配置的语义集成可重构能力。

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