0 引 言　　數控車間是一個信息流和物質流交匯的復雜生產系統，其生產活動涉及到人、過程、信息、技術、資源、管理等多個層面的相互服務和制約，作用方式不同于普通的機加車間。因此，傳統的管理模式不適應現代化數控設備加工環境，并制約了數控加工效率的提高，而實現數控車間管理的信息化則是提高生產效率的有效途徑。數控車間數字化改造是信息化的一個重要研究方向，其中的關鍵技術之一就是數控車間的信息集成。　　車間數字化信息集成因信息的多領域性、信息的不確定性和信息來源的多樣性，給信息集成帶來了一定的難度。基于公共對象請求代理體系結構（Common Objcct Request Broker Architecture，CORBA）和分布式組件對象模型（Distributed Component Object Model，DCOM）等組件技術的信息集成，對車間內的信息集成而言，因環境可控，具有速度快等優點，但對車間與企業其他部門，甚至企業外部的集成來說，就存在許多缺點。如在與其他協議進行交互時，它們都不能很好地發揮作用，使用DCOM無法調用Java組件，無法通過遠程方法調用（Remote Method Invocation，RMI）調用組件對象模型（Component Object Model，COM）對象，防火墻常常阻礙TCP/IP對端口請求的訪問等。而基于Web服務的集成對于車間內部對象之間的集成沒有太大的意義，它沒有組件技術（如DCOM）快速高效的特點。　　目前，針對數控車間生產的特點，提出的整體集成解決方案還不是很多。因此，本文在分析數控車間數字化硬件集成特點和業務活動的基礎上，提出了基于DCOM組件和Web服務的數控車間信息混合集成的方法，構建了集成框架，有效地解決了數控車間內外部的信息集成問題。1 數控車間整體業務流程　　數控車間硬件環境涉及到多種異構的數字化功能實體，如數控機床、數字測量設備（三坐標測量機）、運輸設備（自動導引小車、機器人）及存儲設備（自動化立體倉庫）等。由于這些實體的分布環境和組合形式不同，需要為其提供一系列使能服務（信息交互、功能集成），以支持異構環境下不同功能實體之間的互操作和協作，實現高效運作、因此，決定了其業務活動不同于普通的機械加工車問，信息描述、信息載體和傳輸，如工藝制定、數字控制（Numerical Control，NG）程序編制和傳輸、生產輔助保障等。　　目前，多數企業的工藝部門只承擔工藝文件的審批，工藝設計任務下放到車間技術部門完成，車間活動應包含計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）。此處的LAPP不同于傳統的CAPP，它要求其底層數據（如工裝、設備等資源信息）均來自車問系統集成平臺，通過工藝資源組件來獲取，同時又要集成在企業級的產品數據管理（Product Data VIanagement，PDM）平臺，實現零件設計信息、工藝知識獲取和工藝文件存儲。而車間生產任務管理系統不僅需要從企業資源管理系統獲得生產計劃信息，從工藝設計系統獲得零件加工工藝路線和所用資源信息，還要從車間資源管理系統獲得資源使用狀況信息。因此，車間整體業務流程需要各單項業務間的信息交互。數控生產車間的生產模式是面向任務的，車間通過工三藝編制、訂單接收、計劃管理、任務分配、生產準備、生產調度、信息采集、成品人庫、成本核算等聯結活動，在集成制造資源管理的支持下，實現生產目標。如圖1所示為數控車間業務執行流程圖。

圖1 車間業務執行流程圖

　　本文根據車間業務的執行流程，考慮數控車間活動域及數據冗余度等要求，把數控車間生產業務分為以下幾個主要執行功能系統，分別為CAPP、NC、加工仿真、生產過程管理、生產準備、資源管理、現場信息采集、設備管理與能力評價、信息導航顯示等；另外，集成系統還有一些輔助子系統，如系統用戶管理、基礎數據管理等。2系統集成設計　　數控車間信息集成的核心是內容的集成。通過接口實現內部各功能系統之間的數據交換和功能互連，將分散的功能部件聯合在一起，形成一個協同的整體，以實現車間的整體業務功能。根據以上數控車間數字化的功能域劃分和相互之間信息交換的需要，設計了如圖2所示數控車間內部各子系統之間的信息流程圖。根據信息流程圖，設計了如圖3所示的數控車間數字化信息系統集成框架。

圖2 車間內部信息集成流程圖

圖3 數控車間數字化信息集成框架

　　整個系統集成在統一的信息基礎平合上，達到信息的可控和可跟蹤。系統數據根據屬性劃歸不同的子系統管理，其生成、修改和維護都由該子系統完成，做到數據一次輸入全局使用，源頭產生源頭維護，以保證數據的唯一性和部門間良好的協同性。通過車間執行軟件平臺系統，實現信息的重用，并借此進行功能重疊，整合、規范車間管理的業務流程，劃清各個部分的功能界限，以實現生產管理的流程優化。系統數據源存放在統一的數據庫中，各個子系統分配不同的用戶存取權限。底層數據庫表的設計根據E-R關系圖，采用第三范式。不同子系統的數據采用關系數據庫的表視圖（view）來達到數據共享，該方式可保證數據的一致性和同步性。車間系統一與外部環境的數據集成可采用中間件技術，各自開發相應的接口程序，讀取中間數據，如文件（*．txt，*．xls）、可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML），以及中間數據表，以保證系統間數據的安全性。　　數控車間數字化很重要的一點是對車間制造資源的信息描述和集成，以便支持異構環境下不同功能實體之間的互操作和協作，以及集成管理系統對其調度和使用。首先根據集成制造系統對車間硬件的要求，應用國際萬維網聯盟的資源描述方法，對數控車間硬件進行本體建模，構建制造資源本體庫，將制造資源本體實例存人庫中;然后，設計生產資源管理子系統，對制造資源本體庫進行統一管理，并向集成系統提供制造資源的信息服務。所建立的資源本體模型包括資源本體、資源類別、資源集合、資源視圖、資源能力和資源狀態等，上述均可組合為不同的視圖，使用在不同的場合，如工藝設計時用資源類別和生產過程管理的資源狀態等。制造資源本體模型如圖4所示。

圖4 制造資源本體模型

　　2.1 基于分布式組件對象模型的車間系統內部集成　　各子系統按功能構件的方式實現，功能構件首先封裝成具有DCOM接口的組件：對各個子系統進行統一對象建模與結構設計，有關的決策模型和控制算法封裝在相應的知識庫和數據庫中；應用DCOM技術，通過對系統功能模型分析，規范業務構件和構件的邊界；設計各功能子組件，然后將各功能子組件相關的生產業務活動封裝起來，構成了一個功能構件，以便具體實現車間活動的某一項業務，如設備管理構件將設備添加、設備維修和設備報廢，以及設備查詢、設備狀態發布等過程封裝起來，同時用接口描述語言（Interface Definition Language，IDL）描述該功能組件，得到IDL接口文件。各功能組件采用一種動態客戶端/服務器（Client/Server，C/S）結構，即每個功能組件既可以作為客戶端應用程序來調用DOOM對象提供的服務，亦可作為服務器來為其他成員提供透明服務。對現有的應用系統，如CAPP等也設計了接口文件，按DCOM組件的設計要求進行封裝，從而實現系統的集成。　　各功能模塊設置信息訪問器（信息訪問組件）和信息發布器（信息發布組件）。利用信息訪問器查詢和獲取其他模塊所發布的信息，如API-FiudXXX實現信息的查詢，API-GetXXX實現信息的獲取；而信息發布器將本模塊管轄部分所產生的車間公開信息對系統內發布，供系統內其他功能模塊使用，如API-PutXXX實現信息的發布。需要發布消息的格式按事先定義好的方式進行，格式包括消息名稱、消息說明、消息獲取方式和注意事項等，而信息的內容則如圖2所示。 本文提出的信息發布器和信息訪問器的工作原理類似于發布：訂閱中間件，當木組件內有某類事件發生時（如設備故障的發生），該組件的信息發布器向訂閱這類事件的組件發布通知（觸發一個事件），接受方組件的信息訪問器在收到通知后決定是否對通知做出回應。而信息發布器同時將信息保存在集成平臺的信息隊列（臨時數據庫）中，等待信息接受方的信息訪間器將信息取出。信息發布器和信息訪問器的通信是異步的，事件的訂閱方在訂閱了事件后，可以著手去做別的事情，而發布方在發布了通知后，也不必等到訂閱方給出回應信息。 具體實現時，功能構件的IDL文件經IDL編譯器進行編譯后，產生了給客戶端應用程序使用的Stub原始程序（信息訪問器），以及給服務器端使用的Skeleton原始程序（信息發布器）；然后，編寫客戶端程序來激發和處理對已定義對象上操作的請求，為服務器編寫能響應并實現客戶端請求的代碼；最后，分別把Stub原始程序包含在客戶端應用程序的項目中，聯編生成可執行的客戶端程序，把Skeleton原始程序包含在DCOM服務器的項目中，聯編生成可執行的服務器程序。通過對象適配器將Server對象類注冊進現實庫。這樣，當客戶使用Server對象時，服務器能自動運行。采用DCOM規范建立了功能構件的模型后，各成員構件、系統管理構件和其他構件分別被封裝成具有IDL接口的DCOM應用對象，利用DCOM規范提供的“軟總線”結構和系統管理構件提供的網絡注冊功能，各成員構件以即插即用的方式連接到整個系統集成框架中，從而實現各類功能構件的快速集成。當運行環境發生變化時，根據環境的要求對成員構件進行增加和刪除，從而實現系統的重構。　　2.2 基于Web服務的車間系統與外部相關系統的集成　　車間內部信息和外部信息的集成因一般不在同一地域，而且有可能需要通過Internet來實現通訊，所以使用組件技術就不再合適，可以通過Web Service、技術來實現信息的集成，通過在超文本傳輸協議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）上便用簡單對象訪問協議（Simple Object Access Protocol，SUAP）來進行。對系統所要訪問的各個車間外的系統，如企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）, PDM等，設置ERP訪問器和PDM訪問器，來獲得車間所需生產計劃和產品信息。同時，對車間需要發布的信息，設置信息發布器向車間外部發布系統信息。訪問器采用標準的Web服務接口，根據企業ERP, PDM具體定制。訪問器可實現ERP , PDM的信息查詢和獲取，如信息查詢API-FindXXX，信息獲取API-GexXXX（XXX代表企業信息，如生產計劃，本月生產計劃等）；發布器同樣用標準的W eb服務接口來實現，將系統需要發布的信息發布出去，如API-PutXXX（生產進度，設備狀況等）。Web服務就是通過Web接口提供的某個功能程序段。　　外部集成的具體實現如下：首先在企業服務器中設立不同的統一描述、發現和集成協議（Universal Description，Discovery and Integration，UDDI）注冊中心，負責管理注冊企業內外各部門的Web服務，即定位與所需要功能匹配的Web服務；而外部各系統（如ERP，PDM等）編寫各自的Web服務接口，充當服務器功能，在系統訪間器端編寫相應的代碼，使用Internet進行遠程過程調用（Remote Procedure Call，RPC）操作，對Internet上的服務器進行請求，并接收以XML格式的返回響應（服務內容），此時系統為客戶端。該過程實現了信息從系統外部到系統內部的交流。如系統需向外部提供信息時則反過來，在系統發布器端編寫相應的服務接口及服務說明，并到UDDI中心注冊，外部各系統讀取該服務接日，完成信息從系統內部到系統外的流動。這些在客戶機和服務器之間來回傳遞的消息被編碼到一個特殊的XML語句中，這些語句稱為SOAP。例如，系統需要外部服務（如來自ERP的當月生產計劃等），則首先到注冊中心查找相應服務，然后在系統訪問器中編寫相應的訪問代碼，通過標準的Internet協議（如HTTP）訪問所需要的服務，實現訪問功能。當然，還可以根據企業間動態聯盟的情況，建立企業聯盟中的UDDI注冊中心，提供企業間的信息交互集成。如圖5所示為車間系統與外部信息的集成邏輯圖。

圖5 車間外部信息的集成邏輯圖

3 集成系統的體系結構及實現方法　　系統采用C＃在Microsoft的Visual．NET環境下開發，構建了數控車間數字化軟、硬件集成執行平臺，并進行了信息的集成。實現方式上采用瀏覽器/服務器（Browser/Server, B/S）和C/S混合的方法。因為NC加工程序可行性驗證需要在客戶端運行仿真軟件，所以將其設計成C/S結構，系統內其余部分設計成B/S結構，充分利用B/S模式強大的可擴充性、跨平臺性和廣泛的可訪問性，客戶端基本不用維護。采用B/S三層應用結構。利用中間件將應用分為表示層、業務邏輯層和數據存儲層三個不同的處理層次，使系統具有穩定、安全和處理能力強等特性，同時擁有開放系統成本低、可擴展性好等優點。B/S結構實現了系統的隨時接入性，即在車間內部只要能上網就可以使用本系統。系統的安全性則通過系統安全權限來管理。采用組件設計的結構可實現系統的即插即用，便于系統重構。　　系統數據庫采用Orcale 9i作為后臺數據集成存儲支持。根據數據庫的角色管理，設計了不同用戶的數據存取權限，以保證數據的安全性。采用ASP．NET Web服務模板設計了系統的信息訪問器，并采用DCOM技術設計了各子系統的接口。4 應 用　　上述執行系統及信息集成解決方案在某企業的數控車間中得到了應用。該數控車間屬于典型的多品種、小批量生產，30%以上結構復雜、精度高的零件需要數控精加工，因此需要生產系統具備快速響應能力。而目前的車間管理方式不能滿足企業生產的需求，表現在：①CAPP的編制缺乏制造資源的有力支持，多數憑經驗知識；②車間資源管理不系統、不規范，導致生產準備時問長，生產效率低下；③生產管理方式落后，計劃、調度、生產狀態不能有機銜接，不能動態反饋實時信息；④車問信息不能共享，車間內的各應用軟件（如LAPP、立體倉庫管理軟件等）孤立運行，僅靠人工方式進行信息交互的手段落后，信息滯后且二次輸人易造成人為差錯。　　針對這種狀況，設計了數控車間制造執行系統。通過系統訪問器直接獲得ERP對車間下達的生產計劃，結合CAPP可分解為各相應加工單元的生產任務；通過遍布車間的觸摸杳詢一體機及信息采集終端，可實現數控設備、自動化立體倉庫、對刀儀等與集成系統網絡的連接，傳輸NC程序，采集加工任務進度、設備狀態和資源使用狀況等；信息經模擬導航系統的統計分析后用大屏幕發布顯示；同時調度子系統對臨時狀況，如急插件、設備故障等進行調度，通過系統發布指令。集成系統實現廠車間信息的全面采集和綜合分析、各層管理人員及操作員之間信息實時交互等，提高了車間的數字化管理水平和生產效率。經過一段時間的運行，證實了該系統的有效性。據統計，車間設備平均利用率從20%提高至60%，如車間數控設備加工效率從25%提高至60%。如圖6所示為系統的部分應用頁面。

圖6 車間執行功能集成系統主頁面

5 結束語　　本文所提出的數控車間信息集成方法，能夠支持車間內外部信息的集成。通過標準的Web服務接口可支持車間外部跨Internet的信息集成，而基于DCOM的組件技術可實現車問內部信息的快速高效集成，使得信息集成具備良好的可擴展性、可重構性和易集成性。面對動態多變的車間信息和用戶變化，只要對部分模塊進行擴充和再定義，整個系統就可以重新組合裝配。因此，本系統具有普遍性。