《电子技术应用》

面向服务的智能制造资源建模方法研究

2017年微型机与应用第9期 作者:  相奇丹,乔非
2017/6/6 11:22:00

  相奇丹,乔非

  (同济大学 CIMS中心,上海 201800)

  摘要:在追求制造过程自适应、自组织以及灵活高效的新制造环境下,将Holonic体系与面向服务的结构融合对于创建更加灵活响应的制造系统是一种极具吸引力的解决方式;制造服务作为制造系统间相互交互的主要元素,不同于Web服务,需要新的更合适的模型来描述制造资源。文中提出了一种将面向服务的架构融入到多智能体系统的方法,给出一系列决定如何实现实际生产过程应用中每个制造子体的规则,并将这些规则应用于ISA-95层级活动中。另外,在Web服务技术基础上提出新的制造体系下制造服务的信息模型和面向服务制造过程的设计框架。最后通过制造过程实例说明这种信息模型在实际生产过程中应用的有效性。

  关键词面向服务体系Holonic制造体系制造服务信息模型;生产过程建模

  中图分类号:TP391;TH166文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.001

  引用格式:相奇丹,乔非.面向服务的智能制造资源建模方法研究[J].微型机与应用,2017,36(9):1-4,7.

0引言

  在过去的数十年中,商品市场逐步向追求产品高度定制化以及更短生产周期方向发展。企业为了在这个不断变化的环境下保持竞争力,需要探索出响应快速、成本不断降低并且生产效率不断提高的制造系统。智能制造系统领域持续关注着“新一代制造系统(New Generation Manufacturing System,NGMS)”所带来的机遇和挑战。NGMS需要具备一个集中的资源管理平台,将分散在各地的制造资源集中起来,实现资源的统一管理和优化配置,从而提供面向制造过程整个生命周期的更加灵活、定制化、成本更低并且效率更高的制造服务。实现这样的分散型制造系统需要解决许多困难。一方面,系统需要集成各个参与者的制造资源信息以最小化资源调度的成本;另一方面,系统必须能够应对制造过程中不可预测的情况和制造计划的改变,尽可能在不增加制造成本的情况下最小化外部干扰。Holonic制造体系(Holonic Manufacturing System,HMS)[1]和面向服务的架构(ServiceOriented Architecture,SOA)[2]是目前普遍应用的两种制造体系,它们都为创建开放、灵活以及敏捷控制的新一代制造系统提供了必要的指导原则,HMS提供了制造体系下基础架构层面的灵活性,SOA确保制造活动过程层面的灵活性,融合HMS与SOA以应对NGMS的挑战是非常有效的。

  在计算机科学领域,Web服务技术(Web Service,WS)是面向服务架构的开发人员的首选工具,通过“语义Web服务”的规范构建本体和逻辑推理规则,以完成基于语义的知识表示和推理,使语义信息能被计算机理解和处理[3]。然而,这些本体和描述语言专为Web应用程序设计,与制造系统中的服务虽然有类似之处但又有很大的不同。本文试图分析描述制造资源时所需的属性信息和逻辑操作,并在此基础上设计制造服务信息模型和面向服务制造过程的封装框架。

1NGMS体系架构实现方式

  1.1新架构存在的前提条件

  为应对NGMS带来的挑战,企业在构建制造信息系统时需要重点解决信息集成、业务自动化以及对变化的制造环境自适应这三个方面的问题。而通过将HMS和SOA相融合,利用前者WS的易集成性和灵活性、后者代理的敏捷性实现企业制造过程的智能化和敏捷化。

  (1)由于历史或技术原因,贯穿于整个工厂的信息集成是通过不同的软件系统完成的。WS基于标准的Web技术并且得到了软件供应商的广泛支持,非常适合这种类型的任务。

  (2)根据一系列业务流程模型实现企业的业务功能自动化。采用基于工作流的标注如BPMN[4],WS可以组合成更高级别的服务组件,实现更复杂的业务功能。

  (3)系统能够协调参加业务的逻辑和物理实体以满足计划进度安排,动态应对随时出现的问题。基于Agent的系统往往有更多的分散控制结构:FIPA(智能物理代理的基础)标准定义了一组通信原语和一组允许代理间相互请求以及相互谈判的协议。

  综上所述,在实施NGMS的过程中企业需要考虑制造系统结构下的每个子体,评估采用哪一种技术方式来实现子体:纯粹的WS、纯粹的代理和封装有WS接口的代理,这将很大程度上取决于其在系统中的作用。如制造系统中日常的业务功能通常是集中和高度可重复的,则该模块需要被实现为WS。下面介绍企业控制系统集成规范(ISA 95)并提出决定子体实现方式的策略。

  1.2新架构下层级子体实现策略

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  ISA95标准为企业制造活动集成提供了一系列接口。类似Williams[5]的参考体系,ISA95 将企业的组织结构分成一系列层级。该层级结构如图1所示,层级0是改变原材料的物理过程;层级1主要通过传感器和执行器监控并操作这些物理过程;层级2是保持制造过程稳定和受控的活动;层级3则是致力于运作管理和工厂车间的协调;最后,层级4执行包括高层次工厂生产计划在内的所有企业级的管理任务。本文所关注的是对层级3和层级4的实现。层级3需要协调整个车间的工作,采取刚性分层控制方法难以实现。层级4需要融合来自不同工厂的信息,实现每个参与工厂的信息系统间相互交互。

  通过展示ISA95层级规范的整体概要,可以把制造子体表述为ISA-95中由子任务、人员以及设备组成的高层级的活动。总的来说,可以将决策过程总结为以下几点:

  (1)若子体是由一些实体分散控制组成,则需要被实现成代理。

  (2)若子体需要多个实体集中控制并且是一个可重复的、稳定的业务流程,则需要被实现成WS组件。由于层级3 的一些过程并不能被很好地映射为WS组件,其中的大多数活动并不适合以这种方式实现。

  (3)若子体将会被层级4或者代理重用,则需要被实现成WS。这也是“详细生产排程”模块被实现成WS的原因。

  (4)若一个代理需要接收来自非代理的查询,则这个代理需要作为WS来暴露。如“车间生产计划”子体需要接收来自“详细生产排程”子体的请求。

2制造资源服务化封装信息模型

  采用在HMS中引入SOA原则,使得生产操作可以标准化为具有适当标识和描述的制造服务,服务成为子体间相互协作和交互的主要元素。为了创建完整的面向服务的制造系统,需要定义组成服务的信息元素(描述资源的属性和所具备的操作)以及如何将该模型应用到制造过程中。

  2.1制造资源服务总体模型视图

  与Web服务本体相似,制造资源服务描述框架根据制造系统中不同类型的知识信息构建,且将这些知识信息分布在不同的制造服务视图中,包括制造服务类型(MService Type )、制造服务配置文件(MService Profile )、制造服务描述规范(MService Specification )、制造服务实现(MService Implementation )。图2的UML模型描述了不同的MService视图之间的关系。

  2.2制造服务模型

  MService模型中包含了在制造业环境下描述服务所需的所有信息元素,图3描述了MService的组成。

  字段service ID是MService的标识,是由服务名称和所属的服务本体(本体的具体分类和类别)定义。MService的第二个字段textDescription是以文本描述的方式说明该制造服务可以做什么,详细阐述了该服务可以完成的转换以及服务执行之前需要保证的初始条件和服务对产品和环境产生的影响。MService的第三个字段parameters

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  包含制造服务所含的参数,这些参数描述了服务完全达到所需效果范围需要的信息,提供了正确执行服务所需的标量和模块化的信息。MService的第四个字段preconditions是关于MService执行前所要具备的条件,包括服务提供商和客户在执行MService前分别应满足的条件。该模型另一方面通过输入和输出字段来描述提供程序正确执行服务以及返回执行后结果所需的环境知识信息。最后定义了服务的评估准则,通过属性字段的方式来评定服务性能,包括服务质量、处理时间、服务时间、能耗或可靠性等指标。

  2.3制造服务子模型

  MService Type代表了服务本体内特定类型的制造服务,描述了制造领域内具体的应用操作和创建此类型下服务实例所需要的具体的特征和参数。图4展示了服务类型模型的所有信息元素,继承于服务模型中的服务ID、文本描述、参数和属性接口并且定义了这些接口如何在该环境下描述各种制造转换以及请求者完成具体制造操作需要提供的信息。

  制造服务描述规范模型是一个给定制造服务类型的实例,提供了实例下不同参数的值和服务属性信息。该视图是由服务请求者定义,并利用属性值的尺度范围充分描述自己的需求。服务请求者也可以给出描述服务质量需求性能指标,则在服务匹配时只接受能够拟合服务属性配置文件标准的推荐服务。制造服务配置文件是用来暴露关于某个特定制造服务类型服务提供商所提供的制造能力。由于企业资源与技术的局限性,制造服务配置文件通过服务参数标量的变化范围来表现企业可提供的制造能力。制造服务配置文件包含了参数配置集和属性描述集两个列表用来表示制造资源的服务功能。每个服务提供商的服务实现模型是唯一的,包含服务提供商采用的所有方法和技术信息,用来实现制造服务类型和制造服务配置文件中包含的制造操作。一个制造服务实现模型是由一个或多个过程方法和一系列的制造参数组成;每个方法也都有自己的属性规格集用于评估相对于其他方法的优越性。

3产品生产过程建模实例

  根据第2节中给出的制造服务的形式化描述模型,各类制造服务的信息均可以以统一的方式进行定义。同时,制造服务类型信息则需要根据不同类别服务的描述需求,从功能信息属性库中提取属性,以组合的方式分别定义。在智能制造中,生产加工类服务属于较为典型的服务类型,其功能信息定义较为复杂,本文以半导体制造行业为背景,以生产制造过程服务为例,对MiniFab模型下不同结构层次的制造服务功能信息进行定义;其他类别的服务,

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  如设计、仿真阶段的制造服务也可通过类似的方式定义其功能信息。

  MiniFab是根据实际生产线简化而来的一个简单的半导体生产线模型,由3个设备组、5台设备组成。工件在整条生产线中有3个加工区,分别是扩散、离子注入和光刻;有6个加工步骤,第一步与第五步为扩散,可在设备Ma和Mb上进行加工,第二步和第四步是离子注入,可在设备Mc和Md上进行加工,第三步和第六步为光刻,在设备Me上进行加工,这三组设备都具有可重入性。加工工艺流程如图5所示。

  

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  在该示例下,应用程序需要以下功能:扩散工序服务、离子注入工序服务、光刻工序服务。可以通过上文所述的信息模型对整个生产过程进行量化的描述。可通过过程设计器将物理的过程映射为应用程序中的进程,将生产过程中的物理构件转换为过程信息构件。这样的映射能够创建一个基于公司内服务本体的制造服务库。在服务本体内,每个类型的生产流程都可以由制造服务类型描述,如“MiniFab生产过程”。由客户定义的制造服务规范给出了制造服务类型中所描述的参数的具体数值,如表1所示。

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  产模型的生产过程模型如图6所示,该模型包含了一系列产品级的制造服务、过程参数规范列表和服务的依赖关系列表,过程参数规范列表通过绑定过程方法类中函数计算出更高级别的参数。

4结论

  将Holonic体系与SOA融合对于创建更加灵活响应、可重构和高效的制造系统是一种极具吸引力的解决方式。由于制造环境的复杂性,不同于Web服务制造服务需要新的更合适的模型来描述制造资源。如文章所述,制造服务是从制造系统子体内业务功能的不同角度来设计和管理信息模型,每个子模型适用于不同的目的,即:制造服务类型模型用来在特定的服务本体中归类操作;制造服务规范模型来描述实现制造能力所需的信息;制造服务配置模型来发布服务提供商针对特定的制造服务类型所具备的资源能力;制造服务实现模型来描述服务提供商针对特定的制造服务类型所具备的资源功能方法。本文提出的建模框架更加有效地对复杂的生产过程建模,促进更加灵活和多变的生产工艺的产生。

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参考文献

  [1] ROULETDUBONNET O, YSTGAARD P. An application of the holonic manufacturing system to a flexible assembly cell[C]. Proceedings 5th International Conference on Industrial Applications of Holonic and MultiAgent Systems (HoloMAS 2011), 2011:29-38.

  [2] 刘华文 ,申春, 杨冬,等. 语义Web服务基础技术研究综述[J].吉林大学学报(信息科学版),2010, 28(1):47-54.

  [3] 姚锡凡,李彬,董晓倩,等. 符号学视角下的智慧制造系统集成框架[J]. 计算机集成制造系统,2014, 20(11):2734-2742.

  [4] Object Management Group. Business process model and notation 2.0[EB/OL]. (2011 01 03)[2016 12 01].http://www.omg.org/spec/BPMN/2.0/.

  [5] WILLIAMS T J.The purdue enterprise reference architecture[J]. Computers in Industry, 1994,24(2 3): 141-158.


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