基于语义xBOM的MES异构系统信息集成框架

许艾明，高建民，陈 琨

(西安交通大学 制造系统与质量工程所，陕西 西安 710049)

基于语义xBOM的MES异构系统信息集成框架

许艾明，高建民，陈 琨

(西安交通大学 制造系统与质量工程所，陕西 西安 710049)

针对目前MES与企业大量异构应用系统信息交互困难，导致制造信息相互割裂形成信息孤岛的问题，提出了一种基于语义xBOM的MES异构系统信息集成框架，并对其中关键部分进行了分析。该集成框架以BOM数据作为系统间信息交互的形式，以语义xBOM为核心，在语义xBOM统一信息模型的基础上实现信息共享集成，通过语义和Web Service技术实现BOM分布式信息的统一访问。利用混合本体语义技术和对BOM制造信息内容及信息间关系的分析，建立语义xBOM统一信息模型，实现信息的统一语义描述，利用本体语义映射实现异构数据源的分布式透明访问。通过构建语义xBOM数据管理器实现数据的统一管理和映射，保证信息的完整性和一致性。最后以某厂数字化车间MES-生产监控管理系统为例，对方法的可行性进行了实证。

信息集成；语义xBOM；异构系统；统一信息模型

制造执行系统(MES)作为连接企业计划层与控制层的桥梁，在企业众多信息系统中起着信息集线器的作用。大量制造信息在MES中交汇，一方面为企业其他各种应用系统提供制造现场实时数据信息；另一方面也从其他系统中获取自身需要的各种数据[1]。随着制造企业信息化水平的提升，大量异构应用系统的建立，导致大量制造信息割裂了彼此的联系分散于不同的应用系统中，使得MES与其他应用系统信息交互困难形成信息孤岛，严重限制了MES作用的发挥。例如：目前一些MES与CAPP系统难以集成，MES无法从CAPP中获取车间调度需要的制造资源信息，同时CAPP也难以获取车间动态资源信息，使得设计出来的工艺难以满足车间现场加工的要求。因此，研究MES与企业其他应用系统之间的信息集成具有重要的意义[2-5]。

1 研究现状

目前在异构系统信息集成技术方面的研究主要以面向服务的体系架构(Service-oriented architecture，SOA)为中心，从传统的紧耦合向松耦合方向发展。基于Web 服务及其扩展的SOA构架因具有松耦合、开放性好、互操作性好等特点得到了广泛的研究[6-7]。文献[3]、[8]为解决网络化环境下多应用系统中制造资源集成的问题，将SOA与元模型技术相结合，提出了基于元模型的制造资源集成框架。文献[9]研究了基于物理制造单元的网络化制造资源建模，以及基于可扩展标记语言的制造资源信息模型和信息集成方法。

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，各个系统在语义概念上所表示的信息难以达到一致[10]。为解决集成中面临的语义异构问题，本体及其映射技术开始在信息集成领域得到应用，语义已经成为集成技术领域发展的重点[11-12]。文献[13]提出了一种基于本体面向服务的架构，通过两级本体解决语义异构。文献[14]在互操作技术的基础上，建立了一种基于语义网关的异构系统集成框架，以疏通系统间的语义异构。文献[15]提出了基于语义面向服务架构的信息集成系统体系结构，基于SOA 的信息系统集成理论，结合本体建模和语义Web技术，实现了语义SOA 与信息系统集成的有机结合。

虽然系统集成技术的应用可以实现数据共享，但是对于MES等制造信息系统而言，不仅需要实现数据的共享，而且需要保证数据的实时性和一致性，并实现数据的有效组织与管理。BOM在制造企业信息系统中起着核心数据作用，是MES等异构信息系统间沟通的主要数据形式。当前在制造企业中将不同部门因视角的差异形成的不同BOM视图统称为xBOM，分散于不同部门和信息系统之中。本文提出一种以语义xBOM为核心的MES异构信息集成框架，在语义xBOM统一信息模型的基础上实现BOM信息共享集成，通过语义和Web Service技术实现BOM分布式信息的统一访问，解决车间MES异构信息共享的相关问题。

2 基于语义xBOM的MES异构系统信息集成框架

针对MES与制造企业其他异构系统间基于BOM的数据交互问题，本文提出了基于语义xBOM的异构系统信息集成框架，如图1所示。该框架包括信息源层、信息接口层、信息集成服务层、数据管理层和应用系统层。

图1 基于语义xBOM的异构系统信息集成框架

信息接口层通过数据接口包装器将信息源层要发布的数据资源以语义xBOM统一信息模型进行描述并封装成Web服务，将来自集成服务层的数据请求转换成与信息源层相对应的数据访问接口，最后将结果以统一数据形式传递给集成服务层，从而屏蔽数据源的异构性，为用户提供统一透明的数据访问方式。信息集成服务层是整个框架的核心，它从xBOM管理层接收查询请求，根据服务注册中心已有的服务注册信息，参考语义xBOM统一信息模型，通过查询处理器将请求分解成对不同信息源的访问请求，并调用相应服务。查询处理器同时对查询结果集进行处理，以统一的数据格式发送给上一层。数据管理层在统一语义环境下通过语义xBOM管理器中BOM数据间的关联关系，实现语义xBOM数据的一致性维护和BOM多视图映射，保证集成信息的一致性和完整性。

3 基于Web 服务与本体的信息集成服务

Web服务可提供网络服务，可跨语言、跨平台、跨操作系统实现异构系统间的数据交换与集成，然而对接口的语义信息缺乏支持。本文通过引入基于Web Service和本体的信息集成服务技术，采用混合本体的方法建立语义xBOM统一信息模型解决语义异构问题。首先查询处理器根据统一语义信息模型的本体映射关系，将上层发来的数据请求分解为子查询。然后服务注册中心根据包装器提交的服务描述对服务进行注册，同时负责将查询处理器传递过来的查询请求与具体服务对应，并将服务接口信息以WSDL格式返回给查询处理器，服务调用产生的结果经过查询处理器处理后以统一的数据形式返回给数据管理层。

3.1语义xBOM统一信息模型

本文采用混合本体方法对语义xBOM统一信息模型进行构建，该语义模型规定了待集成各信息源数据的语义，包括：全局本体、领域本体、局部本体以及本体间的语义映射关系，从而构成包含所有信息源的通用统一语义模型，如图2所示。

全局本体是针对各分布、异构信息源的通用语义模型。该模型以xBOM数据信息体系为基础，构建面向MES的制造信息对象及其关键属性体系，是企业制造信息资源的总体描述。局部本体是针对各异构数据源信息语义描述构建的本体模型。领域本体基于全局本体构建，用以描述各应用领域内具体语义信息，是针对企业生产活动中所涉及各个环节的具体应用而构建的本体模型，以便为应用系统提供灵活有针对性的数据视图，提高本体利用的效率。

全局本体的构建是语义xBOM统一信息模型的核心内容。MES与其他系统集成所涉及到的相关制造信息除了包括生产计划数据、物料准备信息、生产工艺信息、制造资源信息等，还包括在制品状态、订单执行情况、制造资源状态、生产设备运行数据等实时信息。按照系统间需要集成的信息分类，分别定义零组件、产品结构、工艺、设备、工装、组织结构、材料等相关信息实体，以及实体之间的关系和属性信息, 集成信息E-R关系模型如图3所示。

图2 语义xBOM统一信息模型

图3 系统集成部分相关信息数据库表E-R模型

通过对MES制造信息关键类之间的约束限制关系分析，利用Protégé4.2构建以xBOM数据为核心的制造信息全局本体，将面向MES的语义xBOM信息分为产品构成、工艺构成、文档、资源、配置信息语义表示几部分，如图4所示。其中：产品构成主要用于对产品语义对象、部件语义对象、零件语义对象及其关系进行描述；工艺构成主要对用于完成产品所需的工艺、工序、工步等工艺信息进行语义描述；文档信息主要包括设计、工艺、测试等文档语义信息；资源信息主要包括机床、材料、工装等的语义描述；配置信息主要包括版本信息、零部件类型、配置变量、物料及工艺等的属性配置信息等。

3.2查询处理器

查询处理器包含查询生成、查询分解、查询转换、查询执行、查询结果处理几个模块，如图5所示。查询生成根据查询条件结合全局本体，生成统一语义环境下的全局查询。查询分解根据全局本体框架信息，分析查询条件包含的概念及其依赖关系，得到相关本体的属性信息，根据全局本体和局部本体的映射关系，把全局查询分解为多个带语义信息的子查询，传递给服务发现与发布模块。查询转换将子查询转换为各异构信息源能够执行的查询形式，通过查询执行模块调用信息源提供的相应服务。在接收到返回结果时，查询结果处理把返回结果以统一的模式返回给用户接口层。

图4 以xBOM数据为核心的制造信息全局本体

图5 查询处理器结构与运行机制

4 语义xBOM数据管理器

产品数据信息的多BOM视图描述必然产生数据的一致性问题，因为不同BOM视图之间存在密切联系，而非彼此孤立。语义xBOM统一信息模型正确、全面地反映了产品xBOM数据信息，通过构建语义xBOM视图映射模块，根据语义xBOM数据映射规则，使各BOM视图统一从语义xBOM信息模型中抽取相应数据，得到各BOM视图数据，保证了BOM数据的完整性与一致性，如图6所示。

图6 数据管理器xBOM数据映射机制

语义xBOM数据管理器，管理所有对语义xBOM数据的操作。依据语义xBOM统一信息模型和xBOM各视图之间的数据关系，语义xBOM管理器建立了完善的数据更新和更改机制，对BOM数据进行一致性维护，保证语义xBOM信息的一致性和完整性。当应用系统改变某BOM数据时，管理器根据xBOM间的数据映射规则，向上游BOM验证。同时利用语义xBOM映射器将复杂的语义xBOM信息映射为相对简单的各BOM数据，供各应用系统调用。

5 应用实例

本文以某厂数字化车间MES-生产监控管理系统建设为例，对基于语义xBOM的异构系统信息集成方法进行验证。生产监控实现从生产计划进度、设备运转情况、产品质量、产品齐套情况等多维度对生产过程进行监控，保证生产过程顺利进行并受控。该生产监控系统需要从产品EBOM信息获得产品结构信息，以便于对产品生产进度与完成情况进行监控；同时需要从PBOM信息得到零部件加工与组装工艺路线及资源使用情况，便于MES依据车间资源情况安排生产计划，并依据工艺路线和生产计划对产品生产过程进行监控。这就需要MES实现与企业ERP、CAPP、DNC等异构系统的集成。基于语义xBOM的异构系统信息集成框架，综合利用Web Service、本体语义建模、组件等技术，构建的车间生产过程监控系统如图7所示。

图7 车间生产过程监控系统订单执行监控界面

6 结束语

随着制造企业信息化水平的不断提高，越来越多的生产信息系统在企业得到应用实施，使得异构信息系统之间的信息集成问题成为企业信息化水平进一步提升的关键。本文仅针对MES系统的信息集成方法进行了探讨，即针对异构系统集成过程中信息的分布性、异构性等问题，结合产品BOM和语义本体技术，提出了基于语义xBOM的MES异构系统信息集成框架。全局本体的构建是该集成框架的关键，如何保证全局本体信息的完整性和准确性需要在后续的工作中做进一步的研究。

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HeterogeneousInformationIntegrationforMESBasedonSemanticxBOM

XU Aiming, GAO Jianmin, CHEN Kun

(Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an, 710049, China)

The information exchange difficulties between MES and different application systems lead to the manufacturing information island. To solve this problem, it proposes a heterogeneous information integration framework for MES based on semantic xBOM, presents the important part of the framework. BOM is the main form of information exchange between systems. Semantic xBOM is the core of this framework. It realizes the integration and sharing of information based on the semantic xBOM unified information model. Using the semantic and Web Service technology, it accesses the distributed BOM information with unified data interface, builds the semantic xBOM unified information hybrid ontology model based on information unified semantic description. And distributed heterogeneous information source can be transparent accessed by using ontology semantic mapping information. The xBOM data manager can do the unified management and mapping of data and guarantee the integrity of information. Finally, it shows an example at digital factory workshop that a production monitoring and management system of MES verify the feasibility of the approach.

Information Integration; Semantic xBOM; Heterogeneous Systems; Unified Information Model

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.010

2013-11-12

国家863计划资助项目(2012AA040907)

许艾明(1984—)，男，湖北松滋人，西安交通大学博士研究生，主要研究方向为制造业信息化及质量工程。

V260.2；TH166

A

2095-509X(2014)02-0046-05