网络环境下制造资源建模研究

2011-10-24高长元

统计与决策 2011年3期

关键词：面向对象资源型网络化

高长元，祁凯

（哈尔滨理工大学管理学院，哈尔滨 150040）

网络环境下制造资源建模研究

高长元，祁凯

（哈尔滨理工大学管理学院，哈尔滨 150040）

文章针对网络化制造的特点，从产品形成过程的全生命周期角度对制造资源进行分类。在此基础上，结合面向对象的思想与XML技术，对网络环境下的制造资源进行建模。以某轴承厂为例，描述制造资源的建模过程，使该模型具有可扩展性及柔性，同时满足制造资源重用、制造资源共享及制造资源快速搜索的需求，为实现企业内及企业间的资源共享及资源重构奠定基础。

网络化制造；制造资源；资源建模；XML

0 引言

我国制造业面临着前所未有的机遇和挑战。实施网络化制造正是为了适应当前经济全球化、区域经济发展、行业经济发展和重大技术装备研发的需求而采用的一种先进制造模式，也是企业为了自身发展而采取的加强国际合作、参与国际竞争、开拓市场、降低成本和实现定制化生产的需要[1]。资源建模可以为企业资源提供统一的描述方法，是实现网络化制造中资源共享、动态联盟中虚拟企业资源优化配置的重要基础[2]。目前国内外对于资源建模的研究还处于初级阶段，在前期的系统分析和设计阶段一般都没有考虑资源共享，资源配置等问题，一般是在技术实施时才考虑资源的集成等。在比较成熟的建模方法中，只有两种比较详细完整地描述了资源视图：IEM[3]和CIMOSA[4]方法，但是它们取得的成果大都还处于理论研究阶段，需要开发真正实用的建模工具，并在实际应用中完善和验证。

基于此，本文根据网络化制造的特点，结合已有的资源分类方法，考虑到产品形成过程的全生命周期，对制造资源进行分类研究。并从资源重用、资源共享及资源的快速搜索等多个视角对制造资源进行需求分析，在此基础上，结合面向对象的思想与 XML相结合建立制造资源模型，使该模型具有可扩展性及柔性，为实现企业间及企业内的资源共享及资源重构奠定基础。

1 网络环境下制造资源建模需求分析

1.1 制造资源分类

制造资源不仅是企业生产活动的载体，更是企业完成生产任务的最重要的物质基础[5]。如何对制造资源进行有效的分类，使其能够统一描述不同制造业所拥有的资源，实现资源共享，成为目前需要解决的问题，同时资源的有效分类也是制造资源建模的基础。传统的资源分类要相对简单，制造资源就是生产设备和人力两大块。在网络化制造背景下，制造资源的内涵和所包括的内容得到了延伸，既包括企业生产系统内部资源要素，同时还包括企业生产系统以外的其他诸多要素，使制造资源的种类变的更加繁多、分类更加复杂[6]。目前，许多学者专家对资源分类进行了相关研究。比较有代表性的是张大勇、徐小飞等[7]在研究敏捷虚拟企业资源建模时将资源分为物料类资源和支持类资源两大类。王正成[8]从资源提供者的角度，按照各阶段制造资源属性及其在整个活动过程中发挥的作用将制造资源分为7大类，分别为服务类、软件类、信息类、设备类、物料类、人力类及知识类。盛步云[9]根据企业的层次结构，把制造资源归为5个层次来描述，即企业层、车间层、单元层、工作站层及设备层。每个层次代表的制造资源都有其属性和功能。以上学者根据具体问题对制造资源从不同角度进行了详细分类，但是都没有考虑产品类，而制造企业的核心竞争力大多都离不开具有本企业特色的产品，特别是客户需求的多样化，更是企业需要着重考虑的因素之一。

本文结合已有的资源分类方法，从市场需求角度同时综合产品形成过程的全生命周期，以产品为核心对制造资源进行分类，这种分类方法可以全面的描述制造资源，为资源共享奠定基础，同时可以根据这个分类对企业的资源进行有效的配置。产品生命周期(product life cycle)，简称PLC，是产品的市场寿命，即一种新产品从开始进入市场到被市场淘汰的整个过程。典型的产品生命周期包括介绍期(或引入期)、成长期、成熟期和衰退期。

根据对产品生命周期及整个生命周期所需的制造资源的总结分析，本文以产品为核心将制造资源分为九大类，具体如图1所示。

1.2 需求分析

图1 制造资源分类

图2 面向对象的制造资源分类

随着网络化制造这种先进制造模式的应用，促使在制造资源方面提出了更高的要求，本文从资源共享、资源重组及资源的快速搜索角度分析对制造资源建模的需求。

（1）资源共享。资源共享可以将分布在不同地域、组织或系统中的资源组织起来完成某一特定的任务，使资源得到很高的利用，从而实现各个协作企业的利益最大化。在企业内部，同样需要资源的共享，企业内各个部门之间的资源有效流动和应用系统例如ERP、PDM之间的信息交换，都是资源共享的体现。而制造资源建模正是实现资源共享的基础，如果没有标准规范的资源模型作为基础，那么就会导致企业间信息导入导出之间的错误，企业内各应用系统不能够有效的集成，造成数据的大量冗余。

（2）资源重用。随着市场需求的个性化、多样化发展，企业的产品创新成为获得竞争优势的有利手段。如何快速响应不断变化的市场和客户需求，是制造业成功的关键，在制造业业务过程中重用企业内外部资源是保证快速响应的重要策略。资源共享的根本目的就在于使资源得到最大限度的重用，这就需要建立可重构的资源模型，通过资源的重用快速进行资源重新配置。

（3）资源快速搜索。制造资源的所有者以一定的形式提供自己的全部或部分资源，允许网络环境下的用户在一定的规则下，通过一定的手段获取和使用这些资源。那么企业间如何快速的搜索到所需的资源来满足自身企业的需求，就要求所建立的资源模型结构灵活。

本文根据资源共享、资源重用及资源的快速搜索对制造资源建模的需求，总结出所建立的资源模型应满足以下几点要求：①资源模型中的特征应能全面反映制造资源生命周期各个阶段的信息，从而支持快速扩散制造下资源实时共享。②能够动态地定义和修改制造资源信息，使得资源模型具有可重构性及可扩展性。③制造资源模型应能从形式上为资源数据快速搜索提供支持。

2 网络环境下的制造资源建模

2.1 制造资源建模方法分析

目前关于制造资源建模的方法已经展开了一些研究，主要的方法有戴毅茹等提出的面向对象的资源建模方法[10]，该建模方法支持基于企业建模体系全生命周期的资源建模，弥补了现有建模体系资源建模的缺陷，但是缺乏对协同企业之间资源共享问题的研究。郑立斌等提出的基于本体的建模方法[11]，它侧重于对企业内外部资源表示方法进行研究，而对于资源之间的联系并没有深入分析。高亮等提出的基于XML的建模方法[12]，它针对于目前异构系统集成存在的问题，侧重于对XML技术的分析，而对于制造资源的分类并没有研究。梁峰等提出的基于元资源的建模方法[13]则主要是对制造资源组织进行研究。贺文锐等提出的基于web服务的建模方法[14]，侧重于分析资源的信息模型，并基于Web Services实现制造资源管理系统，而对于如何建立资源模型研究的不够深入。这些方法应用于某一具体问题给出了相应的解决方案，但对于建立满足资源共享、资源重用以及能够支持资源快速搜索的资源模型，在某种程度上都具有局限性。

2.2 面向对象的制造资源分类

本文结合面向对象的思想为制造资源的分类进行统一的描述，这样可以一致地描述制造资源全生命周期中各阶段需要关注的资源对象信息和不同企业的资源系统，消除了由于数据表达差异而引起的不同阶段、不同企业的模型分歧，使模型的可重用性和可集成性大大增强。根据面向对象的特点，本文将运用资源池、资源型、资源实体及资源组合四大类来统一描述制造资源。面向对象的制造资源分类及其之间的关系如图2所示。

资源池：企业内部所有资源的汇总，即资源型的集合。根据前文对制造资源的分类，资源池中应包括产品、物料、设备、资金、人员、知识、软件、硬件、信息九大类资源型。企业间的资源共享相当于不同资源池中的资源搜索及资源流动过程，根据企业的安全性要求，资源型以粗粒度的形式进行封装，某些资源的详细信息不允许其他企业搜索及共享。

资源型：是对资源实体的归类和整理，例如产品类就是资源型，它是企业所有产品的归类，构成企业的资源分类树。资源型的分类依据主要是资源能够完成的功能类型和使用特征。资源型具有层次性，它的继承性体现在可共享父类数据结构的子类中，同时，可以根据需要扩展和特化父类的属性与操作。该特征有效地支持资源由高到低的分类结构描述。在制造资源中，具有相似特征的资源集合间可用继承性体现其相似性。如物料类资源型是半成品及原材料的父类，半成品及原材料可以继承物料类的物料编码及物料名称等基本属性，根据需要扩展其相应属性如原材料价格及原材料产地等。

资源实体：是构成资源型的要素，也是企业内的具体资源。它能够精确的描述资源的属性，包括资源的基本信息属性、资源的组织属性及资源的能力属性等。以人员类中的生产人员为例，基本信息属性包括姓名、编号、性别及职位等，组织属性主要是指该人员所属的属的部门属性，资源的能力属性主要是描述资源完成企业业务活动的能力。资源实体是模型中最底层，使元信息的集合，它是细粒度的封装，是实现资源模型可重用及企业内部资源共享的基础。

资源组合：它是根据企业的运作过程及生产任务的不同将资源实体进行相应的组合，资源的组合是一个动态过程，根据资源的使用情况和状态进行资源实体的动态关联。

2.3 基于XML的制造资源表达模型

根据前文对网络化制造环境下资源的特点及需求分析，既要求资源在企业内部不同应用系统之间能够资源共享，同时要求资源能够在网络上传递，实现企业间的资源共享。本文在面向对象对资源进行分类的基础上，运用可扩展标记语言(extensible markup language,XML)作为加强异构系统互通性的工具，使网络化制造中的各资源数据的统一和共享，提高资源搜索的速度。XML是面向Web的通用的文档描述语言，利用XML文件描述和传递资源信息，是实现基于Web的资源信息交换的最佳方法。XML作为W3C的一个网络语言通用的标准，在资源建模方面发挥着巨大优势：首先，在实际的应用中，制造资源并不能纯粹地表示成二维表的形式，根据前文的分类发现资源型具有多层次的属性，而XML具有独特的树型结构，能够把资源不加约束地表达，使资源的各个层次关系明了；其次，XML是一种自描述语言，允许用户自定义标记，不局限于英文，有很强的语义性和灵活性；三是XML模式文件可以定义某一特定领域的XML文档结构，各企业把制造资源信息绑定在统一的制造资源DTD或XML Schema模型上，能够实现制造资源最大程度的共享[15]。XML Schema起到与DTD一样的作用，为一类XML文档设定一套标准结构。但与DTD不同，XML Schema是用XML编程，这样可以使广泛的软件对它进行分析和编辑。同时XML Schema在支持数据类型等方面比DTD具有更强大的性能，因此本文采用XML Schema对制造资源分类进行描述，如下所示。

基于XML的资源表达有利于资源共享，特别是在网络环境下制造企业间的资源集成得以实现，增强了企业间的合作。同时有助于更自动化、更精确的制造资源搜索，提高了企业的经营效率，从而增强了企业的竞争优势。

3 建模实例

本文通过对某轴承厂的调研，对其制造资源进行建模研究。根据对制造资源的九大类分析及面向对象的资源分类，该企业的制造资源也可以由资源池、资源型、资源实体及资源组合来描述。其中资源池就是该轴承厂所有资源的集合，它可以与外界进行资源的传递以及资源的共享。资源型可以由本文给出的九大类来描述，它由资源实体构成。根据市场对轴承类型需求的不同，资源实体进行动态组合以满足客户个性化需求。对于轴承厂制造资源分类的具体描述如表1所示。

表1 某轴承厂制造资源分类

以物料类资源为例，运用XML Schema方法对其进行建模，由于篇幅有限，给出部分模型信息，如下所示。

以上是基于XML对某轴承厂物料资源的描述，这种描述方法可以很清晰的表达物料的基本信息及层级结构，方便企业数据库的存储。同时在企业内部便于与其他系统的信息共享，在企业外部可以实现与其他供应商及客户的资源集成，提高了轴承厂资源的利用率，增强了企业的竞争优势。

4 结论

本文根据网络化制造资源的特点，结合已有的制造资源分类方法，从产品形成的全生命周期角度，以产品为核心将制造资源分为九大类。同时从资源共享、资源重用及资源的快速搜索角度对制造资源建模进行需求分析。为了满足制造资源建模的要求，结合面向对象的思想，提出运用资源池、资源型、资源实体及资源组合来统一描述制造资源，这样可以使得资源模型具有良好的扩展性及柔性。为了实现制造资源共享，采用XML Schema对元制造资源进行建模，使网络化制造中的各资源数据统一和共享，提高资源搜索的速度。最后，以某轴承厂为例，验证了制造资源的分类及建模的有效性，为其在网络环境下实现资源共享奠定基础。

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