基于多粒度特征模型的云制造业务流程定制方法

肖 刚1,，章振杰1，张元鸣，陆佳炜

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江工业大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310023)

云制造是一种根据用户需求组织网上制造资源并提供各类按需制造服务的网络化制造新模式，旨在应对用户动态多样的制造需求，真正实现制造资源按需分配和使用[1-3]。云制造的提出，促进了制造业由生产型向服务型和智能型的转型升级。制造业务流程是企业进行制造活动的关键。云制造模式下，通过对制造业务流程的虚拟化和服务化，能够实现跨组织的制造资源整合、协同和共享[4-5]。企业根据制造业务需求，通过云制造平台定制业务流程，方便地构建、运行和管理在线制造业务系统，提升了企业的制造能力和水平。用户对于制造业务流程的需求往往具有多样性，主要体现为功能层次的差异性。首先，对于同一功能层次的业务流程定制，需求具有差异性。例如，在电梯设计业务流程定制中，带曳引机的电梯设计流程和不带曳引机的电梯设计流程属于同一功能层次的不同需求。同时，对于不同功能层次的业务流程定制，也存在较大的差异性。例如，电梯的整机设计流程、电梯的曳引机设计流程、曳引机功率设计是三种不同功能层次的业务流程需求。因此，设计合适的定制方法对于满足用户的需求多样性至关重要。

然而，现有研究并不能很好地解决以上问题，缺乏系统的方法对多样化的制造业务流程需求进行建模和管理，不利于定制过程的实现。鉴于此，笔者结合领域工程思想和多粒度建模理论，提出了一种基于多粒度特征模型的云制造业务流程定制方法。该方法采用面向特征的领域建模手段对制造业务流程定制过程中的多样化需求进行表述，能够便捷有效地满足用户不同功能层次的需求，为云制造模式下的多样化业务流程定制提供解决方案。

1 相关研究

对于云制造模式下的业务流程，李伯虎等[6]在经营管理即服务(Management as a Service, MaaS)的理念中指出：云制造平台可以提供各种在线业务管理系统，用户可以根据需求进行业务流程的个性化定制，这一过程可以通过在线租用制造服务来实现。宋庭新等[7]研究并开发了面向中小企业的云制造平台，企业通过平台定制和修改所需的制造业务流程。林廷宇等[8]根据制造任务之间的上下游协作关系，提出了基于共享模型的业务流程协同应用模式，这些业务流程通过云制造系统执行，动态调用制造资源。针对动态复杂的业务流程定制需求，Schulte等[9]提出了一种面向云制造的业务流程软件框架。Ljubicic等[10]提出了一种制造业务流程编目与分类系统，提升了业务流程模型的演化能力和适应能力，从而更好地帮助云制造业务流程的全生命周期管理。这些研究虽然从不同的角度对云制造业务流程进行了分析，但并未涉及制造业务流程的功能层次性，因此不能很好地满足企业的实际业务需求。

当前，多粒度的概念主要被运用于制造资源的封装、组织和检索，通过对制造资源或制造服务的多粒度建模，提高资源匹配、服务组合的效率和准确率。谭伟等[11]提出了一种多粒度制造资源自适应发现机制，该方法以制造资源分类树为基础，提高了制造资源的检索效率。李海波[12]提出了一种基于工作流的多粒度制造资源组合方法，通过对工作流日志的挖掘得到不同粒度的资源组合方案，提高了资源组合的效率。针对制造服务信息粒度过粗、查准率低的问题，董元发等[13]提出了一种制造资源的层粒化封装方法，基于此采用粒层递归搜索算法，提高了制造服务的检索效率和准确率。针对复杂制造任务和底层制造资源的匹配问题，Liu等[14-15]提出了一种多粒度的制造资源建模方法，并从工作流、业务活动、资源三个角度对不同粒度的制造资源进行了聚类，以更好地满足复杂制造任务。然而，这些方法大多从制造资源或制造服务建模的角度出发，缺乏对云制造模式下的制造业务流程本身的关注和研究，没有深入全面地考虑企业实际业务流程的需求，对于如何表达层次化的需求从而简化企业的定制过程没有给出成熟有效的解决方案。

2 问题描述

在云制造业务流程定制过程中，用户的需求存在功能层次差异性。为了便于阐述，基于多粒度思想，引入多粒度制造业务流程的概念。

定义1多粒度制造业务流程。多粒度制造业务流程是指不同功能层次的业务流程，体现了用户在定制过程中的需求多样性。图1给出了一个电梯设计业务过程中的多粒度业务流程例子。

在图1中，MBP1～MBP5分别表示电梯整机设计业务流程、曳引系统设计业务流程、门系统设计业务流程、曳引机设计业务流程和曳引力设计业务流程(图中的业务流程只是示意图，实际的情况要复杂得多)，代表了电梯设计过程中用户不同层次的功能。其中，MBP1的功能包含了MBP2和MBP3，MBP2的功能包含了MBP4和MBP5。这里将制造业务流程的功能记为F，图1各层次的功能关系可记为

F(MBP2)⊂F(MBP1)F(MBP3)⊂F(MBP1)F(MBP4)⊂F(MBP2)F(MBP5)⊂F(MBP2)

根据制造业务流程的不同层次功能关系，定义了粒度大小，记为G。若两个业务流程属于同一功能层次的，粒度大小相等。图1中5个业务流程的粒度大小可记为

G(MBP1)>G(MBP2)G(MBP2)=G(MBP3)G(MBP3)>G(MBP4)G(MBP4)=G(MBP5)

对于不同的电梯企业，所需的电梯设计业务流程具有多粒度性。例如企业A为电梯整机设计企业，则需要定制整机设计业务流程；企业B为曳引机设计企业，则只需要定制曳引机设计业务流程。从产品功能的角度，企业A的设计业务需求是产品级的，而企业B的设计业务需求是部件级的。因此，F(B)⊂F(A)，则G(A)>G(B)。当然，对于同一企业，不同的时间段、不同的部门也需要不同粒度的设计业务流程系统。例如，对于一个电梯的整机设计企业，有时采购部门需要临时验算某些采购部件的曳引力，此时整机设计业务系统就显得比较冗余，粒度更小的业务系统就更加合适。

因此，本研究的主要任务就是针对云制造模式下用户不同功能层次的业务流程需求，提供一种简易有效的定制方法，实现多样化的制造业务流程的定制。

3 制造业务流程定制框架

通常情况下，面向领域的制造业务流程定制比较容易实现，因为用户的需求往往具有一定的共性，在一段时间内不会发生大的变动，因此，这些共性业务流程需求具有复用价值。领域工程能够对一个领域内共性需求和个性化需求进行完整建模，构建一个比较完备的领域需求模型，为面向云制造的业务流程定制提供了一种可行的解决方法。这里的领域概念不同于行业，而是指一组具有相似和相近需求的应用系统所覆盖的功能区域[16]。对于领域内的制造业务流程定制来说，不同企业的制造业务流程具有较强的系统性和内聚性，表现为部分流程的相似或相同。例如，电梯整机设计就可以看作是一个领域。受到国家标准的制约，不同电梯整机设计流程具有一定的共性。因此，结合领域建模思想，提出了面向领域的云制造业务流程定制框架，如图2所示。

图2 面向领域的云制造业务流程定制框架

首先，云制造平台管理者(平台运营者和行业监管部门)组织领域建模人员对不同企业的现有制造业务流程进行挖掘整合，并结合行业标准，构建一个具有全局共性和部分个性的领域制造业务流程，称为全局制造业务流程，作为领域内企业制造业务流程定制的持久化资产。该流程具有一定的完备性，能对制造业务过程进行完整建模，兼顾了共性制造需求和个性化制造需求。全局制造业务流程建模过程如图3所示。这一过程涉及到较丰富的领域知识和行业知识，领域专家需要构建该领域的用户需求集合，主要从现有的制造业务系统、制造业务流程文档或者标准文档等获取相关输入信息，提取各个企业的制造业务活动的流程数据，并对所获取的流程数据进行预处理，对数据进行标准化。通过构建领域字典，对业务活动术语和粒度进行标准化预处理，得到标准的业务活动集合。对于得到标准制造业务活动，称之为原子制造业务活动。通过原子制造业务活动之间的依赖关系(输入输出匹配)，构建一个较为标准的全局制造业务流程。

图3 全局制造业务流程构建过程

然后，制造企业根据业务流程需求，提交至云制造平台，平台基于领域流程模型自动为企业定制出个性化的制造业务流程，构建不同粒度的制造业务系统，方便企业进行在线管理。当企业需要运行定制的制造业务系统时(即制造业务流程执行)，云制造平台通过制造服务组合策略，从制造服务库中为每个业务活动匹配出合适的制造资源。当流程执行完成后，释放制造资源(制造服务)。

4 制造业务流程定制算法

在面向领域的云制造业务流程定制框架中，构建合适的定制需求表述模型是首先需要解决的问题，也是定制算法实现的基础。特征提供了一种对领域可复用成分进行建模和管理的基本单元，采用面向特征的领域需求建模方法有利于简洁直观地描述用户业务需求以及需求之间的规约[17]，有利于定制过程的实现。因此，面向特征的建模方法常被用于领域需求模型的构建。笔者采用特征模型对不同粒度的制造业务流程需求进行建模和表达，基于此实现个性化制造业务流程的定制。该方法需要将全局制造业务流程映射为特征模型，并建立两者的映射关系，用户根据需求对特征模型进行裁剪，最终通过映射关系得到所需的业务流程。

4.1 多粒度制造业务流程特征模型

关于特征模型[18]的主要概念为

根特征：对于每一个特征模型，都有且只有一个根特征，一般而言，根特征的名称与当前领域的名称是相同的，且根特征始终处于被绑定状态。

原子业务特征：表示由原子制造业务活动抽象得到的特征。

特征之间的约束规则：可以归纳为精化关系和约束关系。其中，精化关系用于表示父子特征之间的一种二元关系。通过精化关系，将特征分为必选特征和可选特征，不同粒度和抽象层次的特征形成树形结构。约束关系描述了特征的绑定状态之间具有的约束关系。特征模型中常见的约束关系包括涉及两个特征的依赖关系和互斥关系，以及涉及父子特征的多选一和多选多约束关系。多粒度制造业务流程特征模型包含了不同粒度的特征模型，其构建分为两步：1)全局制造业务流程特征模型构建；2)全局制造业务流程特征模型分解。

定义2全局制造业务流程特征模型。全局制造业务流程特征模型是领域专家根据全局制造业务流程映射得到的领域需求模型，简称全局特征模型。

定义3多粒度制造业务流程特征模型。多粒度制造业务流程特征模型是指基于建立的全局制造业务流程特征模型，通过领域建模人员分解得到的一系列更小粒度的特征模型，简称多粒度特征模型。

图4给出了一个关于电梯补偿设计的特征模型实例。

图4 电梯补偿设计特征模型

图4(a)表示电梯补偿设计的全局制造业务流程，其中S和E分别代表起始节点和终止节点，其他节点分别代表一个原子设计业务活动，箭头代表设计业务活动的依赖关系。图4(b)表示由全局制造业务流程映射得到的全局特征模型，采用图形化树状结构表述。其中补偿设计代表根特征，补偿装置设计代表一个父特征，补偿绳单位质量计算代表其中一个原子特征。每一个原子业务特征都对应了一个原子制造业务活动。该特征模型共显示了4 种约束关系，例如，张紧装置设计对于补偿设计是一个可选特征，当父特征补偿设计被绑定时，子特征张紧装置设计可以被绑定，也可以不被绑定；单位质量对于补偿绳是一个必选特征，当父特征补偿绳被绑定时，自特征单位质量必须被绑定；补偿绳和补偿链对于补偿装置设计是多选一的关系，当父特征补偿装置设计被绑定时，子特征补偿绳和补偿链只能有一个被绑定；张紧装置和补偿链是互斥关系，这两个特征不能同时被绑定。

全局制造业务流程与全局特征模型之间通过映射关系建立联系。其中，原子制造业务活动与原子业务特征之间是一一对应的关系。例如，图4(a)中的张紧轮型号选取这个原子业务活动映射为图4(b)中的张紧轮型号这个原子业务特征。

以图4中的全局特征模型为例，可以分解得到多个粒度较小的特征模型，如图5所示。在图5中，分解得到了两个粒度较小的特征模型：补偿装置设计特征模型(图5a)和张紧装置设计特征模型(图5b)，这两个特征模型属于同一功能层次，粒度大小相等。

图5 多粒度特征模型实例

4.2 定制算法

多粒度特征模型能够直观地表达多样化需求，基于此实现制造业务流程的定制。定制的主要任务是依据约束关系对用户选取的特征进行校验，得到符合要求的定制特征模型，进而获得个性化的制造业务流程。由于特征的选取依赖于用户，可能存在多选、漏选和错选等情况，在这些情况下将得不到符合规约的定制特征模型，从而导致定制过程失败。因此，在定制过程中采用了特征模型推荐的方法改善这一问题。定制的实现过程为

Step1根据不同的定制需求，确定相应粒度的特征模型。

Step2用户通过可视化定制页面选取所需要的特征，得到一个特征集合(FSet)，作为用户的原始定制需求输入。

Step3搜索相应粒度的目标特征模型库(TCase)，检查是否存在相同的特征模型，若存在，则进入Step 6；否则，进入Step 4。

Step4基于特征之间的关系和约束规则，对得到的特征集合进行验证，如果满足约束条件，则可以得到一个符合规约的定制特征模型，进入Step 6；否则，进入Step 5。

Step5寻找当前特征集合与目标特征模型库的相似案例，当相似度超过设定的阈值C时，推荐一个相似度最高的特征模型，进入Step 6。若没有找到符合要求的特征模型，则定制失败。

Step6对于得到的符合规约的特征模型，根据特征模型与业务流程之间映射关系自动得到个性化的制造业务流程，完成定制。

具体的定制算法实现流程如图6所示。

图6 个性化制造业务流程定制算法

图7给出了一个可行的制造业务流程定制实例。在该案例中，用户选取的特征为{补偿设计、补偿装置设计、补偿链、型号、单位质量}，是一个满足约束条件的特征集合，通过算法能够得到符合要求的个性化制造业务流程。

图7 个性化制造业务流程定制实例

5 应用实例

浙江省电梯行业较为发达，宁波地区的电梯零部件制造业享誉全国，杭湖地区的整机制造雄居长三角电梯产业之首。然而由于大多数电梯企业属于中小型企业，在电梯设计制造过程中普遍存在制造水平不高、设计验证时间较长以及制造资源共享困难等问题。为此，开发了面向电梯产业联盟的云制造服务平台，能够为产业联盟中的电梯企业提供制造服务。电梯设计是整个产品开发过程中的最重要环节，关系到后面的零部件加工、装配以及型式测验等。受到国家标准的约束，不同电梯企业的设计业务流程具有一定的共性。因此，本节以电梯设计业务流程为例，具体阐述基于多粒度特征模型的云制造业务流程定制的平台实现。

通过领域建模人员对电梯设计过程中的共性设计流程和个性化设计流程进行分析，一共得到了321 个标准的电梯设计业务活动，每一个业务活动都代表了电梯设计业务流程中的一个节点，如表1所示，限于篇幅，仅仅展示了一部分。基于这些设计业务活动，通过面向特征的领域需求建模方法构建了多粒度特征模型。图8给出了多粒度电梯设计业务流程定制的平台实现。在定制页面中，特征模型以树形结构展示。通过对全局特征模型的分解，可以得到粒度较小的特征模型，满足小粒度的定制需求。图8中给出了两个不同粒度的电梯设计业务流程定制过程：电梯补偿设计业务流程定制和电梯曳引系统设计业务流程定制。对于企业用户，在左侧特征树中勾选所需要的特征，通过定制算法校验特征约束关系，得到所需的制造业务流程，显示在右侧可视化区域中。例如，在电梯补偿设计业务流程定制的过程中，用户勾选了补偿链单位质量和补偿链型号两个特征，在右侧可视化区域生成定制的业务流程。该业务流程包含了单位质量计算和补偿链选型两个业务活动。接着，用户填写基本的流程信息，包括流程的名称、功能、类型等完成流程的定制。同理，以同样的方法即可完成电梯曳引系统设计业务流程定制。

表1 电梯设计业务活动

图8 多粒度电梯设计业务流程定制平台实现

为了方便企业进行定制，平台还提供了一种快速定制的方法。企业用户可以浏览联盟内企业已经定制的业务流程，如果存在符合需求的，则可以直接实现定制，具体实现如图9所示。对于定制得到的制造业务流程，企业管理员可以通过平台方便进行管理，根据需求删除一些不再需要的业务系统，如图10所示。

图9 制造业务流程快速定制

图10 已定制的制造业务流程管理

由此可见：笔者方法已经被成功应用于电梯产业联盟云制造平台，实现了多粒度电梯设计业务流程的定制，验证了有效性。与现有的研究相比，方法主要具有如下优势：

1)在制造业务流程需求表达手段方面，特征提供了一种对领域可复用成分进行建模和管理的基本单元，构建的特征模型简单直观，将抽象的需求与需求之间的约束关系进行显性化表述，便于用户的理解。例如，在电梯补偿设计特征模型中，补偿链特征包含了补偿链单位质量计算和补偿链型号两个子特征，对于电梯设计人员来说，更加通俗易懂。

2)在制造业务流程需求层次化建模方面，多粒度特征模型可以根据不同粒度的用户需求自动地展示相应的特征模型，通过可视化交互，不仅简化了定制的过程，还实现了层次化需求的复用，提高了定制的效率。以图8为例，按照传统的方法只构建一个电梯整机设计全局特征模型，若在电梯补偿设计时采用电梯整机设计全局特征模型，展示的特征树会过于冗余，事实上，电梯补偿特征模型只包含了34 个特征，而电梯全局特征模型包含了437 个特征，这将导致两方面的问题：一方面，由于不必要展现的特征过多，定制过程中易出错；另一方面，需要验证的特征数量增大，致使验证过程繁琐，降低了定制的效率。多粒度特征模型可以有效避免以上问题，具有一定的优越性。

6 结 论

针对制造业务流程定制的多样化需求，笔者提出了一种基于多粒度特征模型的云制造业务流程定制方法。目前，已经被成功应用于面向电梯产业联盟的云制造服务平台，可以满足不同电梯企业不同粒度的设计业务流程需求。该方法具有以下优势：首先，采用了面向特征的建模手段，能够简洁直观地描述制造业务流程需求，易于定制过程的实现；其次，多粒度特征模型能够满足用户不同功能层次的需求，实现了定制过程中需求的粒度化建模和复用。值得一提的是，对于粒度较小的制造业务流程的定制，方法能够有效减少特征数量的验证，可以提高验证的效率。在未来的研究中，笔者方法将被应用其他领域，例如，起重机、压力容器等行业，进一步验证方法的有效性。