支持網(wǎng)絡化制造的協(xié)同工藝設計平臺研究與實現(xiàn)

摘 要：在分析了支持網(wǎng)絡化制造的協(xié)同工藝設計新需求的基礎上，構建了由用戶層、應用程序服務器層和數(shù)據(jù)庫服務器層構成的系統(tǒng)總體框架，詳細探討了工藝信息建模、基于XML和CORBA的工藝信息集成以及工藝設計過程協(xié)同等關鍵技術，并展示了所開發(fā)的原型系統(tǒng)NM-COCAPP。

關鍵詞：網(wǎng)絡化制造；計算機輔助工藝規(guī)劃；協(xié)同工藝設計；公共對象請求代理體系機構；可擴展標記語言

中圖法分類號：TH16文獻標識碼：A

文章編號：1001—3695(2007)02—0206—03

計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)是連接產(chǎn)品設計與生產(chǎn)制造的中間環(huán)節(jié)。在網(wǎng)絡化制造模式下，企業(yè)級CAPP的應用環(huán)境面臨一些新的需求[1—3]：①資源廣義性。制造資源不僅僅局限于本企業(yè)內部，而是通過網(wǎng)絡得到擴展和延伸，充分利用一切可能利用的動態(tài)資源是實現(xiàn)企業(yè)優(yōu)勢互補、提高響應敏捷性的基礎。②并行協(xié)同。企業(yè)間的合作大大增加，面向并行工程的協(xié)同工藝設計是CAPP的基本工作方式。③信息分布性。組成動態(tài)聯(lián)盟的多個伙伴企業(yè)在地理上分布在不同的地域甚至是跨國界的，要求CAPP實現(xiàn)產(chǎn)品工藝信息集成與共享。④組合動態(tài)性。CAPP系統(tǒng)應能支持企業(yè)的多次聯(lián)盟組建和實施運作過程，能根據(jù)不同的工藝設計任務進行配置和規(guī)模調整，以適應動態(tài)變化要求。

針對以上需求，本文設計了支持網(wǎng)絡化制造的CAPP系統(tǒng)構架，探討了工藝信息描述、集成和設計過程協(xié)同等關鍵技術，并開發(fā)了一個原型系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)體系結構

圖1描述了支持網(wǎng)絡化制造的CAPP的基本體系結構，它包括三層，即客戶端瀏覽器層、應用程序服務器層和數(shù)據(jù)庫服務器層。

1.1 客戶端瀏覽器層

客戶端瀏覽器層負責與用戶的交互，通過HTTP協(xié)議從Web服務器下載各種JSP/HTML頁面。頁面中包括各種交互組件，其中的Java Applet組件通過XML和CORBA總線實現(xiàn)對應用服務器遠程對象的訪問。

圖1 CAPP系統(tǒng)體系結構圖

1.2 應用程序服務器層

應用程序服務器層包括Web服務器和應用程序兩部分。其中Web服務器處理用戶發(fā)出的HTTP請求并解釋應用程序返回的處理結果。應用程序由許多以分布式對象方式封裝的獨立功能模塊組成，主要包括：

(1)工藝流程及項目管理。①任務分配與過程定義。由盟主企業(yè)將產(chǎn)品及零件進行任務劃分，確定任務編號、任務內容、完成時間等管理信息，然后定義任務間的時序關系，并將任務分配到動態(tài)聯(lián)盟中的伙伴企業(yè)，形成各伙伴企業(yè)的工藝編制任務清單，從而完成工藝設計項目的過程定義。各任務的負責企業(yè)根據(jù)工藝編制任務清單進行企業(yè)內的二級定制。②工藝設計流程管理。監(jiān)控工藝設計過程的執(zhí)行情況，使正確的任務在正確的時間發(fā)送到正確的企業(yè)用戶，確保整個設計過程順利按時完成。另外，實現(xiàn)對工藝設計任務狀態(tài)的查詢、統(tǒng)計。③用戶與權限管理。管理協(xié)同工藝設計團隊、工作組、用戶、各種角色和訪問權限。描述過程中的人員組織情況、規(guī)定人員組織模式，并提供靈活的方法來實現(xiàn)對工藝設計與管理活動中人員的有效管理，以實現(xiàn)團隊協(xié)同工作。

(2)協(xié)同工藝設計平臺。該平臺提供包括多媒體通信訪問、用戶行為協(xié)調、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)狀態(tài)維護等功能。平臺實現(xiàn)了同步及異步協(xié)同功能，提供了一系列面向協(xié)作的基本服務。系統(tǒng)其他部分可在其上自由擴充，使系統(tǒng)更具有開放性和靈活性。在協(xié)同工藝設計平臺基礎上可創(chuàng)建多媒體協(xié)同應用。每個協(xié)同應用處理特定的協(xié)作任務，并以特定的協(xié)作模式支持小組共同完成協(xié)作任務。協(xié)同應用的共享粒度可控制，如面向對象、面向文檔和面向應用等。

在異步協(xié)同工藝設計方式中，工藝文檔以獨占方式編制，包括文檔結構的編輯控制、文檔內容的編輯控制、協(xié)同作者的信息發(fā)布與瀏覽控制等。其交互工具主要有電子郵件、電子布告欄和文件共享等。在同步協(xié)同工藝設計方式中，主要提供多用戶接口，控制同步工藝文檔的編制，并發(fā)控制，工藝文檔各個版本合并，提供多媒體服務功能，如視頻、音頻、文字交流方式等，交互工具主要有電子白板、電子聊天室與電子會議等工具。

(3)工藝資源管理。CAPP系統(tǒng)中用到的資源主要包括制造資源和工藝設計知識。資源管理的目的是對制造資源和工藝設計知識進行組織、管理、維護、控制，向用戶提供使用資源的手段和方法，為工藝設計提供資源支持，并構建起企業(yè)資源管理平臺及資源訪問門戶。所管理的資源包括大量的工藝專家經(jīng)驗、決策和推理規(guī)則，制造資源和制造環(huán)境數(shù)據(jù)及其他與工藝設計相關數(shù)據(jù)。

資源管理完成五個功能：①資源表示功能，為用戶提供一種或多種資源表示方法；②對資源進行系統(tǒng)的組織和管理；③提供對資源的檢索、查詢功能；④資源的安全控制；⑤資源的共享與訪問機制。

(4)工藝數(shù)據(jù)管理。對工藝設計過程中產(chǎn)生的工藝數(shù)據(jù)、工藝文件等進行版本管理和有效性控制，且可完成各類用戶自定義的統(tǒng)計匯總功能，主要功能包括：①工藝信息集成接口；②工藝信息和工藝文件的層次化、模糊查詢；③工藝信息和文件版本管理及有效性控制；④不同版本的工藝文件的更改與歸檔管理等；⑤工裝設備、材料、工藝關鍵件、外協(xié)外制件、工時定額、材料定額、輔助用料、關鍵工序等各類統(tǒng)計匯總和自動生成匯總報表功能。

1.3 數(shù)據(jù)庫服務器層

數(shù)據(jù)庫服務器層主要包括工藝資源庫、工藝數(shù)據(jù)庫、工作流管理數(shù)據(jù)庫、用戶和權限管理庫等數(shù)據(jù)庫。為平衡負載，存儲方式可采用分布式數(shù)據(jù)庫存儲，以提高系統(tǒng)運行效率。

2 關鍵技術

2.1 工藝信息描述

工藝計劃即非線性的工藝路線是工藝設計過程中產(chǎn)生的基本信息。如圖2所示，工藝計劃的表達分為工藝計劃、工藝路線、工序、工步四個層次。其中工藝計劃層針對一批零件，因為生產(chǎn)管理部門通常每次要安排一批零件的生產(chǎn)，并考慮相應的生產(chǎn)均衡問題；工藝路線層是針對單個零件而言的，每個零件可以包含各自的可選工藝路線。工藝路線由一系列工序組成(包含機加工、熱處理及檢驗等)，而工序一般又分為多個工步，這樣體現(xiàn)出工藝計劃的層次性。工序和工步都是任務的一種，它們具備任務的基本屬性如任務號、任務名稱、內容、任務執(zhí)行者。任務的時序關系反映了任務之間的與、或關系，表現(xiàn)為并行工藝和可選工藝等等。

XML的標簽特性適合于表達有序序列和層次結構，而且XML的純文本格式不受應用軟件的限制，很容易生成和解析。因此，通過定義標準的XML Schema可以將上面的工藝信息模型映射成XML格式的描述文檔，通過這種轉換，也更方便不同企業(yè)之間通過Internet交換工藝計劃信息。

2.2 工藝信息集成

CORBA是一種分布式計算的標準，它有標準的傳輸協(xié)議，具有提供消息發(fā)送、遠程過程調用等功能[4]。CORBA技術提供了通用且安全的通信機制，但它所能傳遞的數(shù)據(jù)信息卻非常匱乏，往往只是一些字符串，很難將需要傳遞的信息表達清楚。XML是一種標記語言，它主要用于對消息的結構化表示。那些底層的、復雜的網(wǎng)絡通信細節(jié)可以由CORBA來完成，CORBA將這些繁雜的通信任務封裝起來，為開發(fā)者提供一個與平臺無關、編程語言無關、協(xié)議無關的編程模型。因此，從本質上說，XML與CORBA是兩項互補的技術，CORBA使得在不同平臺上創(chuàng)建復雜的分布式系統(tǒng)成為可能；XML則提供了一種簡單的傳遞結構化數(shù)據(jù)的方法。CORBA是為方法調用服務的；而XML完全是用于描述數(shù)據(jù)的。它們解決的是不同的問題，又具有與平臺無關、語言無關的共同特點。同時利用XML和CORBA技術，是實現(xiàn)分布異構工藝信息集成的一種很好的解決方案。

圖3是基于CORBA和XML技術的工藝信息集成框架。將聯(lián)盟內企業(yè)CAPP系統(tǒng)用CORBA封裝起來，用IDL(接口定義語言)定義數(shù)據(jù)交互的標準接口，實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的請求，各伙伴企業(yè)作為服務請求者，而盟主企業(yè)則作為服務的提供者，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收服務。聯(lián)盟內各伙伴企業(yè)產(chǎn)生的工藝信息均存儲在盟主企業(yè)的數(shù)據(jù)庫中，通過盟主企業(yè)的信息服務門戶，為其他伙伴企業(yè)提供工藝信息查詢功能，從而實現(xiàn)工藝信息的集成。當伙伴企業(yè)完成工藝設計進行數(shù)據(jù)存儲時，通過CORBA接口向盟主企業(yè)發(fā)出請求，要求將數(shù)據(jù)存儲到盟主企業(yè)的數(shù)據(jù)庫中。請求得到響應后，伙伴企業(yè)通過XML生成/解析器將數(shù)據(jù)轉換成指定格式(即工藝信息模型描述的規(guī)范)的XML數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡傳送到盟主企業(yè)，然后盟主企業(yè)又通過XML生成/解析器將XML數(shù)據(jù)解析后存儲到數(shù)據(jù)庫中。當伙伴企業(yè)希望與其他伙伴企業(yè)交流信息時，則通過盟主企業(yè)的信息服務門戶提出查詢要求，盟主企業(yè)將查詢要求轉換成SQL語句，訪問本地數(shù)據(jù)庫獲得結果返回即可。

圖3 工藝信息集成框架

2.3 工藝協(xié)同

支持網(wǎng)絡化制造的協(xié)同工藝設計是一個網(wǎng)絡環(huán)境下企業(yè)和團隊以并行協(xié)同的方式來進行產(chǎn)品工藝設計，并對工藝設計過程數(shù)據(jù)進行管理的復雜活動過程[2，3]。因此，首先需要建立一個具有群體性、交互性、分布性和協(xié)作性的人機交互工作環(huán)境。網(wǎng)絡化制造中協(xié)同工藝設計模型如圖4所示。

圖4 協(xié)同工藝設計模型

對于復雜的工藝設計任務，盟主企業(yè)首先擬訂工藝方案，確定粗工藝流程，結合本企業(yè)工藝設計能力和制造能力，分解工藝設計任務，然后將各任務目標及約束信息發(fā)布，在應標企業(yè)中進行評估和優(yōu)選，最終成立動態(tài)聯(lián)盟進行協(xié)同工藝設計。聯(lián)盟成立后，將工藝設計任務在聯(lián)盟內進行分配。聯(lián)盟一旦成立，聯(lián)盟內各企業(yè)的制造資源即為聯(lián)盟內共享，各伙伴企業(yè)在進行各自的工藝設計任務時，可廣泛考慮聯(lián)盟內所有企業(yè)的制造能力，實現(xiàn)聯(lián)盟內的制造資源優(yōu)化配置。整個過程中，涉及如下幾個關鍵問題：

(1)工藝設計任務的分解。產(chǎn)品的復雜性、激烈的市場競爭壓力，要求企業(yè)在盡可能短的時間內完成產(chǎn)品的設計與制造任務。市場的動態(tài)多變性迫使制造企業(yè)改變策略，時間因素被提高到首要地位，盡管傳統(tǒng)的價格與質量仍然是重要的競爭因素，但已不再是決定因素。因此，將工藝設計任務分解，通過成立動態(tài)聯(lián)盟，以協(xié)作的方式并行完成工藝設計任務，是一條縮短產(chǎn)品設計與制造周期的解決途徑。

工藝設計任務的分解策略不僅要考慮本企業(yè)現(xiàn)有資源能力，還要考慮設計的預期完成時間。在滿足時間要素的情況下還應考慮外協(xié)成本與質量問題等。因此，工藝設計任務的分解是一個多約束的復雜問題求解過程。

(2)協(xié)同工藝設計過程管理。分解后的任務仍存在約束，約束的主要類型有：①時間約束，任務間存在時序關系，任務執(zhí)行過程是一個有序序列，形成任務流，其中主要有順序、并行、同步、排它選擇等關系；②設計約束，由于各子任務隸屬于同一個產(chǎn)品的工藝設計任務，因此，存在設計上的約束性，應從產(chǎn)品整體出發(fā)進行設計。有效解除任務間的約束關系是協(xié)同工藝設計過程管理要解決的問題。協(xié)同工藝設計過程管理主要解決三個問題：①任務管理；②任務執(zhí)行者管理；③任務執(zhí)行過程的控制。

工藝設計工作體現(xiàn)了一定的層次性、漸進性、并行性及反饋性等特征。因此，對工藝設計過程中子任務之間時序關系的管理與控制，并對工藝設計全過程進行協(xié)調與規(guī)劃，實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟內協(xié)同工藝設計的規(guī)范與管理，將有利于提高產(chǎn)品工藝質量以及工藝設計效率。

(3)制造資源的共享。工藝設計過程是一個對制造資源進行配置的過程，動態(tài)聯(lián)盟不僅可以共享各伙伴企業(yè)的工藝設計知識，還共享制造資源，通過協(xié)同工藝設計過程實現(xiàn)聯(lián)盟內部資源優(yōu)化配置。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在以上理論研究的基礎上，開發(fā)了面向網(wǎng)絡化制造的協(xié)同工藝設計平臺——NM-COCAPP。它主要包括合作伙伴選擇、遠程協(xié)同工藝設計、信息與服務和技術交流平臺及系統(tǒng)管理等功能。圖5是交互式遠程工藝編輯界面，工藝人員可以很方便地完成工序的修改、添加、刪除、插入和移動。

圖5 NM-COCAPP的交互式遠程工藝編輯界面

圖6是協(xié)同工藝設計的用戶界面。工具條提供了基本的文件操作功能，圖形編輯提供了繪制直線、編輯文字、復制、剪切和粘貼等功能，以及會話控制功能。系統(tǒng)通過請求和釋放發(fā)言權來控制工作的秩序。在樹視區(qū)提供了用戶、資源、任務等信息。

圖6 協(xié)同工藝設計界面

4 總結

隨著網(wǎng)絡化制造模式逐漸成為未來制造業(yè)的主流模式，研究支持網(wǎng)絡化制造的CAPP系統(tǒng)是CAPP近年來的重要發(fā)展方向。本文通過對若干關鍵技術的研究，為網(wǎng)絡化制造環(huán)境下CAPP系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新的思路和實現(xiàn)方法。

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