面向服务的企业云资源建模方法的研究

王云霞，邱胜海，李光荣

（南京工程学院 机械学院，南京 211167）

0 引言

资源是企业经营过程和企业活动的物质载体。广义的制造资源是指完成产品整个生命周期的所有生产活动所需物理元素的集合，包括设计、制造、维护等相关活动过程中所涉及的所有元素。制造资源建模是一种描述制造资源模型的方法，通过对企业资源的形象化、准确描述，将物理资源转化为虚拟资源的过程。制造资源建模可以为企业资源提供统一的描述方法，是实现云制造资源共享和资源优化配置的重要基础。

国内外对于企业资源建模问题已经开展了许多研究工作，但目前还没有公认的、全面的建模理论和建模方法。在理论上比较有影响的建模体系主要有CIMOSA、IEM、ARIS、DEM、IDEF、PERA、集成化企业建模体系等[1]，经历了以数据库为表达工具的传统建模方法、面向对象的建模方法和基于语义建模方法三个阶段。

其中计算机集成制造开放体系结构CIMOSA(Computer Integrated Manufacturing Open System Architecture)具有全面性、完整性、开放性、标准化和形式化等优点，成为国际标准化组织的一项预标准。其目的是提供一个开放式、全面的、面向整个系统生命周期的参考体系结构,从多个层次和多个角度反映企业建模的过程和阶段。但其不足之处在于还没有一种真正意义上的方法论指导建模过程的实施，且模型框架的部分内容尚不完善，因此尚无一种完全遵循CIMOSA体系结构的商用软件[2]。

相比于国外在企业建模领域的研究而言,我国无论是在建模方法的研究上还是建模工具的开发方面都落后于国外。针对企业制造资源建模主要应用面向对象技术和基于本体的建模方法，在此基础上，衍生出基于STEP、基于XML、基于UML、基于OWL等的各种建模工具和方法。这些方法在具体应用时尚未有完善的建模体系为基础，且由于制造资源语义丰富多样，面向对象的建模技术无法满足该特点；而基于本体的建模方法要实现与数据库的转换才能具体应用，方便性方面有所欠缺。因此，本文以制造资源为对象，借用CIMOSA企业建模思想，建立制造资源的三维体系结构，对建模方法和建模技术进行研究，并应用图数据库技术实现资源建模与应用。

1 面向服务的云制造资源建模体系

云制造是面向服务的生产模式的一种具体表现形式，其实质是通过全方位整合云端制造资源提供高效快速的按需服务，实现云请求、云服务和云提供方的三方共赢。目前部分学者对云端制造资源的分类与建模技术进行了研究，如程臻提出了基于本体的资源描述及虚拟化方法，选用OWL-S建立制造资源本体模型[3]；杨琛提出基于语义的云制造服务体系结构建立了复合制造本体[4]；尹胜对基于Web服务建模本体的外协加工资源语义描述总体实现框架、外协加工资源本体建模等关键技术进行了研究[5]。这些建模方法为云制造资源的应用提供了积极的探索，依据本体建模理论,对制造资源进行本体化建模与分析，但在具体应用时主要采用XML、OWL等语言建模，无法实现语义的直接表述与使用；且已有的制造资源分类与描述更多的是从生产过程、生产要素等角度来进行描述，无法体现云制造模式下制造资源的特性。

云制造模式下的制造资源的描述其实质是对企业制造能力的具体表达，也是企业竞争力的体现。因此云制造资源建模在继承传统资源建模方式的同时，更注重资源制造能力的表达和通过物联网实现互联的制造资源感知能力的描述。

1.1 云制造资源模型体系特点与要求

云制造模式下企业制造资源建模是一项比较复杂的任务，既要包含原有制造模式下制造资源特点，还要增加云制造模式下特有的特征，如按服务组织资源、动态组合、通过云服务平台进行资源购买与租赁等。因此对云制造资源建模体系的要求主要有：

1）模型表达能力完善且丰富

云制造资源是涵盖了企业所有与生产活动相关的制造资源，既包括软件、数据、人员、服务等软资源，也包括设备、物料、物流、协作等硬资源。资源模型在建模时应能充分体现这些类型不一、形式多样的制造资源，并特别强调制造能力的表达。

2）模型容易理解

所建立的资源模型应该具有统一性，能够为装备制造行业的相关企业所使用，且所建立的模型易于理解，具有通用性。因为模型不同层次之间都有着密切联系，不是孤立的个体，都能反映制造资源的某一特性。所以针对模型的各个侧面、不同视图进行描述时应具有视图间数据的一致性。

3）模型能够作为现实对象的形象化描述

对制造资源科学准确的描述与建模是实施云制造生产模式的基础，是制造资源转化为虚拟资源并形成虚拟云池的过程，也是资源能够实现快速匹配、高效组合利用的前提条件。为了能够针对不同类型的资源进行准确描述和丰富利用，模型必须能够针对云制造资源进行形象化描述。

1.2 基于CIMOSA的云资源三维体系结构

综上所述，本文以CIMOSA企业建模体系为参考，在此基础上结合云制造资源特点，将CIMOSA方法进行改进并应用在云资源建模方法中。将原有的视图维、生命周期维和通用性维改为视图维、层次维和制造能力维三个维度，建立三维体系结构并从资源层次、能力结构、视图类型对制造资源进行全方位分析。其结构体系如图1所示。

图1 CIMOSA企业建模体系与改进的云资源建模体系三维视图

1）视图维

云制造资源视图主要包括功能、结构、信息、组织、过程和状态六大视图。其中功能视图用来描述资源所具备的的各种功能；结构视图是资源依据功能原理所具有的结构组成；信息视图是制造资源在服务过程中所需要的相关信息；组织视图是反应企业在组织资源过程中的组织结构及其相互关系，确定企业内部多级多维职责体系；过程视图反映了制造资源服务过程的流程，直接映射了资源全生命周期的各个阶段；状态视图则是制造资源在任意时刻所具备的状态。

2）层次维

层次维将制造资源分为产业、联盟企业、集团、工厂、车间、班组、设备层，以满足云制造模式下制造资源在企业内部与企业外部的资源共享。通过层层递进，可以将产业内或联盟企业内所有制造资源分类整合，在云服务平台上实现业内联盟与共赢，提供云服务资源的高效快速利用。

3）制造能力维

图2 云资源模型执行结构图

在制造战略研究中，能力的概念来源于战略管理研究，被定义为企业运用资源的能力，企业所拥有的资源和能力是企业间竞争的基础。制造能力是指制造企业为完成某一目标所需要的主客观条件，是一种无形的、动态的资源形式，是在制造活动中结合制造资源要素所表现出来的一种能力[6]。云制造环境下的制造能力必须考虑产品全生命周期内各种制造资源在提供云服务过程中的参与程度、能力提供水平、资源组合能力等，并对该制造能力进行迅速有效的评价和应用。在此将制造能力划分为保供、设计、协调、管理、控制和质量保证能力。其中保供能力是提供云服务所必须的供应能力；设计能力是利用相关资源，完成满足设计任务的能力；协调能力是面对众多云请求在提供服务时对各种资源应用上的冲突调解和任务分配能力。

在层次维划分基础上，按用途拟将云制造资源分为协作、服务、人力、物料、设备、应用软件、物流和数据八大类。云制造生产模式下的制造资源其实质任务是提供各种服务需求，包括产品购买、资源租赁、信息共享等。在提供服务的过程中，将各种制造资源依据制造能力来实现资源整合和快速利用。因此，云资源三维体系模型的核心是制造能力维，视图维和层次维围绕制造能力组织服务与生产，实现的关键是建立制造能力维与视图维之间的互联与表达，其描述模型如图2所示。云服务平台由云请求、云服务和云提供三层组成，云请求端接受各种请求服务，由服务层的制造能力评价体系进行能力评价与任务分配，并与视图维中各视图进行关联，最后将分解的任务分配到底层的各种制造资源，通过组织、协调、管理与控制视图，实现资源的优化动态组合并提供各种服务。

2 制造资源模型表达与应用

2.1 资源模型的定义与表达

面向云制造的资源模型三维体系结构通过彼此的关联关系实现资源和能力的共享，模型的不同维度在建立时又以需求分析、系统设计、系统实施为步骤逐一展开。由于制造资源的种类繁多，将生产过程中的人、财、物、料、信息等全部包含在内，具有丰富的语义表述和关联关系，原有的语义表示方法存在一定缺陷，在此引入图形数据库进行模型表达。

图形数据库是一种非关系型数据库，属于NoSQL数据库四大类型之一，应用图形理论存储视图之间的关系信息。关系型数据库用于存储关系型数据时产生阻抗失谐问题[8]，而图形数据库没有数据结构限制，可以表达丰富的语义知识，能够直接为程序调用不需转换为数据库存储。

图形数据库的组成要素为节点、关系和属性。节点是带有不同属性的实体，关系就是有向图的边，且边也有不同类型即属性。每个关系由起始节点、终止节点和类型三个要素组成。由此在资源建模时进行如下定义：

定义1：节点概念组N={Ni|i=1,2,…,n}，每个节点为一个实体，代表云制造资源八大类资源中每一具体的资源，如数控磨床MK2110、管理人员张经理、外协件电主轴等。

定义2：关系四元组：R={part_of,instance_of,kind_of,attribute_of}，节点与节点之间的关系主要包括整体与局部、实例关系、继承关系和特征关系。

定义3：属性概念组：P={P1，P2}，分别表示公共属性和私有属性。公共属性为某类制造资源所共有的属性，私有属性则是该资源所特有的，独一无二的属性，也是该资源区别于其他资源的属性特征。

其中P1={P1j|j=1,2,…,m}，P2={P2j|j=1,2,…,m}。每一资源属性组都由多个动态属性组成，属性的个数与资源的类型有关，如设备资源的功能属性包括加工精度、加工尺寸、加工价格、工艺水平等组成；状态属性由负荷率、运行状态、故障信息、维修信息等组成；结构属性根据不同设备的功能原理形成的结构部件、尺寸、数量等组成；信息属性由设备资源自身的相关数据、所需资料、加工生产的相关数据等特性组成；过程属性由设备的加工任务、工艺路线、加工对象、加工历史等组成；组织属性主要包括制造活动的组织、管理等特性。制造资源通过唯一的关键字标识ID，将所特有的属性、关系和能力、视图等联系起来。

2.2 资源模型的实现与应用

依据上述资源模型建模方法与原理，选用Neo4J图形数据库进行建模。该数据库用Java实现完全兼容ACID，将数据以一种针对图形网络进行优化的格式保存在磁盘上。该数据库提供了广泛使用的REST接口，方便集成到基于PHP、.NET和JavaScript的环境里。在此应用Cypher语言进行建模。Cypher是Neo4J自己提供的一种高效类似SQL的语言，用于图数据和关系查询。主要语句如下：

创建节点：create n={name:'Motion',ID:'M001'}return n;

创建关系：start n=node(14),m=node(20) create m-[r:KNOWS]-n return r;

按关系查询多个节点：start a=node(14) match b-[r]<->a return r,b;

使用Where条件查询：start n=node(*) where n.name="Activity" return n;

以装备制造集团企业为例，通过分析资源节点与节点之间的关系与属性，建立部分云资源模型如图3所示。该模型重点分析设备资源的构成，共建立108各节点，106对关系。节点之间的关系和属性从图中可以清晰表达。该数据库可以通过Java-API直接与程序进行交互，为云服务平台的建立奠定基础。

图3 基于Neo4J的云资源模型数据库

3 结论

随着Web技术、制造技术、信息技术的飞速发展，云制造生产模式作为面向服务生产模式的具体表现形式必将会得到大力发展与实现。本文通过对现有资源建模方式存在问题的分析，结合企业建模方法CIMOSA，建立云资源模型三维体系结构。以制造能力维为核心，将视图维、层次维与能力维进行关联，并应用图形数据库Neo4J对模型的实现进行研究，为物理资源向虚拟资源的转换与映射提供了参考和依据。

[1]范玉顺,吴澄,王刚,等.集成化企业建模方法与工具系统研究[J].计算机集成制造系统,2000,6(3):1-6.

[2]杨云涛,王润孝,宋丽君,等.企业建模方法及ARIS建模过程应用研究[J].组合机床与自动化加工技术,2007(3):91-03.

[3]程臻,战德臣,徐汉川.云制造环境下基于本体的资源虚拟化方法[J].华中科技大学学报,2013.12:106-112.

[4]杨琛,王忠杰,王世明.基于本体的云制造服务发现模式研究[J].制造业自动化,2012.10:56-60.

[5]尹胜,尹超,刘飞,等.云制造环境下外协加工资源集成服务模式及语义描述[J].计算机集成制造系统,2011,17(3):525-532.

[6]张霖,罗永亮,陶飞.制造云构建关键技术研究[J].计算机集成制造系统,2010,16(11):2510-2520.

[7]Pramod J.Sadalage,Martin Fowler.爱飞翔.NoSQL精粹[M].北京:机械工业出版社,2013.9.