网络化制造与系统集成的标准研究.pdf

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1、网络化制造与系统集成的标准研究来源:数控机床网作者:数控车床栏目:行业动态摘要：为了支持网络化制造与系统集成的相关标准的研究，在描述网络化制造与系统集成概念的基础上，建立了网络化制造与系统集成的总体构架。从技术实现角度分析了总体构架中各层的主要内容。建立了网络化制造与系统集成标准体系框架，并对标准体系框架中的各类标准进行了阐述。最后，在描述支持网络化制造与系统集成标准的研究重点的基础上，提出了网络化制造与系统集成标准体系的发展策略以及具体的技术措施。关键词：网络化制造；标准体系；系统集成；互操作；协议0 引言制造全球化、制造敏捷化和制造虚拟化等制造模式已越来越离不开网络化和集成化的支持环境，网

2、络化制造已成为现代制造业发展的主要趋势14。网络化制造的目的在于通过制造企业间的合作与协调，共享信息、资源和知识,以实现产品整个生命周期的制造业务活动。从技术实现的角度看，企业实施网络化制造与系统集成的关键是标准化。一方面，由于网络化制造信息的动态性，引起了制造企业的产品信息和服务信息等复杂程度大幅度提高，如果没有相应的标准规范支持，将造成信息交换与知识共享非常困难，成为资源与知识共享的障碍；另一方面，由于网络化制造的系统集成性，使制造企业间在实际系统应用与信息共享过程中经常要将异构、异地的系统集成起来，如果没有相应的标准和规范支持，很难保证制造企业间的信息共享，也无法保证制造企业之间与制造企

3、业内部集成系统的可靠性、兼容性、持续性和可扩充性。至于网络化制造过程的多样性、协同性、并行性、互操作性及实时性等方面，如果没有相应的标准规范支持，则无法保证产品设计与制造过程的数据一致性。由此可见，标准化在网络化制造与系统集成中协调和统一有关技术问题，更新制造观念，连接网络化制造的各个环节，确保协同设计、制造的实现。1 网络化制造与系统集成总体构架网络化制造与系统集成技术紧密相连，系统集成技术是网络化制造的基础，网络化制造是系统集成的具体表现。例如，网络化制造中异地分布制造企业之间的合作与协调，异构信息系统之间的互操作等都必须采用系统集成技术。网络化制造是企业为应对知识经济和制造全球化的挑战而

4、实施的以快速响应市场需求和提高企业(企业群体)竞争力为主要目标的一种先进制造模式1。系统集成主要通过接口互换与技术标准互用，实现异构分布环境下的网络互操作、数据库互访和应用资源共享5。为了从整体上研究支持网络化制造与系统集成的相关标准，本文在网络化制造和相关系统集成支撑技术的基础上，建立一种网络化制造与系统集成的总体构架(如图1)。由图1可知，总体结构包括5个“层面”和2个“立柱”。(1)网络化制造应用层在网络化制造应用平台支撑下开展企业网络化制造的实际应用。该层包括网络化协同设计、网络化协同制造、供应链管理系统及电子商务系统等各种形式的应用。(2)网络化制造应用平台层该层为各种形式的网络化制

5、造应用提供支撑和运行环境。它主要包括多任务操作系统、分布式数据库系统、浏览器/服务器(Brower/Server,B/S)和客户机/服务器(Client/Server,C/S)方式的分布式对象通信平台以及对等网络(Peer toPeer,P2P)通信平台等。(3)使能工具层该层为制造企业实施网络化制造提供技术支持，主要包括企业建模、远程诊断、合作伙伴注册、电子数据交换（Electronic DataInterchange,EDI）和项目管理等。(4)安全基础体系层该层是整个网络化制造应用层的安全基础，提供网络化制造安全的各种服务（如电子商务系统），保证网络化制造的安全性和可靠性。它主要包括CA

6、(certificate authority)安全认证、基本安全技术和安全应用协议6等。(5)网络基础设施层该层为网络化制造应用提供必要的网络基础环境，形成可靠、有效的信息传输服务通道。它主要包括英特网（Internet）、企业内部互联网（Intranet）、外扩网（Extranet）及现场总线（FieldBus）网等。另外，图1两侧的网络化制造与系统集成工具和标准分别从不同的角度为网络化制造的具体应用提供集成化和标准化的技术实现环境，它们从第1层贯穿到第5层。2 标准体系框架及主要内容2.1 标准体系框架建立网络化制造与系统集成的标准体系框架，是实施网络化制造应用标准化的工作重点，是提升我国

7、网络化制造能力的重要的基础性工作。在分析网络化制造与系统集成技术总体构架主要内容的基础上，初步建立了如图2所示的网络化制造与系统集成的标准体系框架。从图2中可以看出，标准体系呈现分层的树状结构，包括9大类。2.2 主要内容2.2.1 总体标准总体标准主要包括网络化制造平台功能体系结构、网络化制造系统功能划分方法、网络化制造环境中的资源分类、网络化制造技术术语、系统集成技术的相关术语和网络化制造实施方法等，并可随发展作进一步扩充和细化。2.2.2 网络基础标准网络基础标准主要包括制造企业之间信息传输、企业内部信息传输的网络标准和车间内实时信息传输的网络标准，将来可进一步扩充。目前，前者被采用的标

8、准主要包括总线方式工作的以太（Ethernet）网标准和环形方式工作的令牌环形（tokenring）网络标准，后者是指FieldBus网络标准和串口通信网络标准。目前，我国主要采用的FieldBus网络标准包括CAN（ISO11898标准）、Profibus(IEC 1158 标准)、WordFIP(IEC 1158 标准)、Lonworks（美国Echelon公司）和FF（IEC 1158-2标准）7等，其中CAN总线网络标准更适合离散自动化制造过程。串口通信网络主要是指RS-232C，RS-422A和RS-485等。2.2.3 基础数据标准基础数据标准可细分为数据元（data elemen

9、t）、元数据（meta Data）、异构数据（heterogeneousdata）“桥”和信息分类编码等，将来可进一步扩充和细分。(1)数据元表示概念一类的数据，其特性可由支持信息交换的一组数据元属性来表示。或者说，数据元是一组可识别和可定义的数据基本单元8。(2)元数据是数据库管理领域中的概念，是关于数据组织的数据，指对数据标志、数据质量、表达方式、业务实体及其属性、产权、来源以及获取方式等特性的描述9。在网络化制造环境中，元数据起到了在制造企业与电子商务业务数据之间的桥梁作用。(3)异构数据“桥”为网络化制造提供不同数据体系之间的数据对接和互操作。(4)信息分类编码对网络化制造系统中的每一

10、个对象进行合理的分类，并给予惟一标志，其遵循的原则应是惟一性、格式一致性、稳定性和可识别性等6。在网络化制造相关信息系统中，不同资源对象独立存在，同时又互为关联。信息分类编码是信息系统应用的基础，是保证异地制造企业之间的协同设计、制造过程中信息一致性的必要手段。信息分类编码标准对网络化制造与系统集成的信息流标准化具有十分重要的作用，它贯穿整个网络化制造过程。2.2.4 信息安全基础标准信息安全基础主要指实现网络化制造与系统集成安全所需的基本安全算法、数字签名算法、CA认证体系和电子商务安全应用协议等6。该类标准包括基本密码算法、Internet/Intranet安全技术、E-mail安全、So

11、ftwareAgent安全、Web安全、EDI安全、分布式对象通信平台安全（如公用对象请求代理体系结构(Common Ojbect Request BrokerArchitecture,CORBA)以及Java代理开发框架(Java Agent DEvelopment framework,JADE）等标准。2.2.5 建模标准建模标准可分为企业建模、离散事件建模和软件建模等，将来可进一步扩充和细分。企业建模是一种全新的企业经营管理模式，它可为企业提供一个框架结构，以确保企业的应用系统与企业经常改进的业务流程紧密匹配。它包括流程建模、组织建模、功能建模、资源建模、信息建模数据建模。国内外最常用的

12、企业建模标准有1012：(1)计算机集成制造开放体系结构（Computer Integrated Manufacturing-Openness SystemArchitecture,CIM-OSA）是由欧共体的22家公司和大学组成的ESPRIT-AMICE组织经过6年多的努力而开发出的一个CIM开放体系结构。与其他CIM体系结构相比，CIM-OSA具有全面性、完整性、开放性、标准化和形式化等优点，因而受到国际上的好评，并成为国际标准化组织的一项预标准。(2)整合性（集成）信息系统架构（Architecture of Integrated Information System，ARIS）是由德国

13、萨尔大学Wilhelm Scheer教授提出的，其设计理念是提出一个整合性的概念，目的是把描述企业程序的所有基本观念通通纳入。(3)功能模型集成定义（Integration DEfinition for Functionmodeling,IDEF)方法是由美国KBSI提出一系列建模、分析和仿真方法的统称。它主要由功能模型（IDEF0）、信息模型（IDEF1X）和动态模型（IDEF2）3种模型组成。(4)活动关联结果图（Graph with Results and ActivitiesInterrelated，GRAI）方法是由法国Bordeaux第一大学提出的，是专门为在生产系统制定决策而开发

14、的企业建模标准。GRAI由一个物理系统和一个生产控制系统组成。物理系统由若干制造单元组成；生产控制系统制定决策，由一个信息系统和一个决策系统组成。GRAI模型描述信息系统、决策系统和物理系统之间的联系。离散事件建模标准主要包括有限状态机、时态逻辑、Petri网、基于Agent的建模以及仿真（如Swarm仿真、E-Factory仿真）等标准。软件建模标准主要有面向对象模型（Object-Oriented Model，OOM）和统一建模语言（Unified ModelingLanguage，UML）标准。OOM由一组对象构成，对象之间通过发送消息进行交互，这种模型是对客观世界活动的自然刻画，其中的

15、对象是对客观世界中有形或无形实体的直接模拟，此模型支持3种基本的活动描述：识别对象和类，描述对象和类之间的关系，以及通过描述每个类的功能来定义对象的行为。UML是一种通用的可随化建模语言，是目前最流行的软件建模标准，用于对软件进行描述，可随机化处理、构造和建立软件系统的文档。2.2.6 语言标准语言标准可分为描述语言、遵循智能物理代理基金会（Foundation for Intelligent PhysicalAgent,FIPA）的Agent设计语言及Agent通信语言等13，将来可进一步扩充。描述语言是指描述制造企业信息的语义和语法结构的规范化的描述方法，通过这种方法描述的表达式和解释这些

16、表达式含义的规则都是严密的和无歧义的。描述语言标准主要包括EDI语法规则、标准通用标记语言（Standard Generalized Markup Language,SGML）、超文本标记语言（HyperText MarkupLaqnguage,HTML）及可扩展标记语言（eXtensible Markup Language,XML）等14。遵循FIPA的Agent设计语言标准目前主要采用面向对象技术的Java语言。Agent通信语言包括知识查询与操作语言（Knowledge Query ManagementLanguage,KQML）和FIPA的代理通信语言（Agent Communicat

17、ion Language，ACL）15。KQML 定义了一种Agent之间传递信息的标准语法以及一些“动作表达式”16。这些动作主要是从言语行为理论中演化来的,如Tell和Perform等，目前它已成为 Agent通信语言的事实标准。FIPA ACL 与KQML 一样，也是基于言语行为理论，它是一种遵循FIPA规范的标准通信语言17。FIPA 规范提出的ACL通信语言基于一种精确的形式语义学，它给出了通信动作的一种清晰含义。2.2.7 报文传输格式标准报文传输格式是对制造企业传输信息结构的形式描述。网络化制造过程中，涉及到各种各样的报文传输，可靠、有效的报文传输是网络化制造顺利进行的保证。报文

18、传输格式标准可细分为基于EDI的报文格式、基于XML的报文格式、产品数据表示语言(Product DataMarkup Language，PDML)、基于制造报文规范（Manufacturing MessageSpecification，MMS）的报文格式以及基于数据模型的报文格式，将来可进一步扩充。其中，MMS是ISO/IEC9506标准所定义的用于工业控制系统的通信报文规范18。ISO制定MMS的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备(Intelligent ElectronicDevice,IED)和智能控制设备的通信行为，使来自不同制造商的设备之间具有互操作性，使

19、系统集成变得简单、方便。基于数据模型的报文格式是一种独立于语法的网络化制造报文传输格式，当语法被选定后，该格式可直接映射为基于所依赖的语法的报文6。2.2.8 互操作标准网络化制造在实施过程中，制造企业之间或制造企业内部都会根据各自的应用需求，配置不同的计算机系统、操作系统、网络系统、数据库系统以及其他支撑系统，从而导致了网络化制造的支撑环境成为异构分布的环境。如何在这种异构分布环境下实现操作系统、网络系统、数据库系统以及其他支撑系统互操作，是当前网络化制造与系统集成的关键技术之一。从不同层面的应用考虑，CIM-OSA定义了3类互操作，分别是物理系统（physical system）、应用（a

20、pplications）和业务（business）互操作19。物理系统互操作的核心是为“自动化孤岛”提供信息交互机制的能力。物理系统的互操作标准主要包括产品模型数据交换标准(STandard for the Exchange of Product model data，STEP)和开放式应用小组（the Open Applications Group,OAG）,将来可进一步扩充。STEP是ISO 10303标准定义的一个描述如何表达和交换数字化产品信息的国际标准，是在IGES的基础上发展起来的20。1995年，业务应用软件开发者非营利组织OAG提出了企业业务应用集成的通用标准21。它的主要目的

21、是支持所有应用的单一接口协议和业务应用接口的传输协议。应用互操作的核心是提供一个准许控制和集成整个系统内信息的基础，它并不关心信息、数据的具体位置。应用互操作标准主要包括企业模型执行与集成服务（Enterprise Model Execution and IntegrationService，EMEIS）、自动化编程语言环境（Manufacturing Automation Programming LanguageEnvironment,MAPLE）、CORBA和遵循FIPA的JADE等，将来可进一步扩充。(1)EMEIS 是在欧洲标准化组织CEN TC310/WG1 指导下定义的模型开发服务

22、、模型执行服务以及IT数据库服务的标准22。(2)MAPLE 是ISOTC184/SC5制定的一个为解决在制造环境下的数据产生系统和数据使用系统互操作问题的国际标准。它包括4个主要部分：数据映射字典、制造数据字典、工具综合字典以及制造数据处理工具。(3)CORBA 是由国际对象管理小组（Object ManagementGroup，OMG）组织制订的一个工业规范，是OMG的对象管理体系参考模型（OMARM）的核心对象请求代理（Object RequestBroker，ORB）的功能描述和约定20。在异构环境下，CORBA通过ORB实现不同的应用程序对象之间C/S接口方式的通信。CORBA技术不

23、仅能解决由于多个系统层次上的异构带来的“孤岛”问题，其系统还具有良好的可伸缩性。(4)JADE 是用Java编写的一个Agent 通信平台，可以用来开发基于Agent的应用13。JADE遵循FIPA规范，能实现与其他FIPAAgent系统之间的互操作。JADE Agent平台是目前性能较好的一种P2P同辈之间的Agent通信平台。业务互操作的核心是集成管理、控制和监视业务流程的功能。目前，业务互操作标准主要包括ENV40003、工作流管理联盟（Workflow Management Coalition，WfMC）以及知识交换格式（Knowledge InterchangeFormat，KIF）

24、等，可随发展进一步扩充和细化。(1)ENV 40003 是在欧洲标准化组织CEN TC310/WG1指导下定义的一个基于CIM-OSA基础上的企业模型的框架标准，它为企业建模提供各种建模结构标准22。(2)WfMC由工作流用户非营利组织于1993年制定，用来规范工作流技术23。此标准的具体目标主要体现在：开发标准技术，描述工作流系统及其环境；通过工作流标准参考模型帮助客户理解工作流；开发工作流标准参考模型的各种组件接口，使不同工作流系统之间具有互操作性。(3)KIF 由美国国家标准学会ANSIX3T2于1995年制定，是一种为了在不同计算机系统之间交换知识而设计的规范语言24。它的主要目的是在

25、不同的计算机系统之间需要交换知识时，把各自的内部表现方式转换成KIF格式，交互后再转换成各自的方式。KIF主要有以下特性：有公开的语义，它不再需要专门的解释器；在逻辑上是全面的，可以对任意的逻辑语句进行表达；提供对元知识的表现。2.2.9 其他其他分体系主要是指未列入上述8类分体系的其他网络化制造与系统集成标准，如数据库标准、零件库标准（PLIB ISO13584）和产品数据管理标准等。3 标准体系的研究重点、发展策略与技术措施网络化制造与系统集成的标准涉及面较广，但其实施的关键技术标准主要是信息交换技术标准与互操作技术标准等工业基础标准。标准的研究重点主要包括：基于Internet的信息交换

26、标准，如XML规范、PDML规范等；网络化制造系统报文传输标准，如MMS标准、规范与协议等；网络化制造与集成平台标准，如基于CIM-OSA开放式企业模型集成框架 ENV 40003标准；基于异构的网络化制造通信标准，如FIPAAGENT的通信语言与通信协议、遵从FIPA 规范的JADE通信平台;基于上述标准的网络化制造应用研究。网络化制造与系统集成标准化工作不可能一蹴而就，它的实现是一个较长的过程。此外，其标准体系在应用过程中需要不断修正和完善。为了保证此项标准化工作稳步而快速的发展，将来拟采取下列几项发展策略：（1）初步制定出网络化制造与系统集成标准体系框架，并在广泛征求意见的基础上进行修改

27、完善。（2）在建立网络化制造与系统集成标准体系后，做好体系的任务分解，理清工作的阶段性重点目标，按轻重缓急制定相应的国家标准，有些标准化工作可以与其他相关行业的标准化工作相结合。（3）充分发挥企业、高校和标准化机构相联合的优势，进行标准的动态修正，在实施过程中逐步完善。在制定网络化制造与系统集成标准的过程中，采取必要的技术措施是非常重要的，这不仅可以加快标准的制定步伐，而且可以使标准的应用得以顺利地贯彻执行。制定标准的主要技术措施可归纳如下：（1）加强网络化制造与系统集成的工业基础协议等关键技术标准研究，跟踪相关的国际标准动态，积极采用相关的国际标准和国外先进标准。（2）结合863/自动化领域

28、中网络化制造专题的研究工作，与国家重点项目和推广应用密切结合，积极开展工业基础协议（如MMS扩展语义协议、XML语义协议、FIPA AGENT通信语义协议等）国家标准草案稿的起草、评价与实施工作。（3）对已制定的标准草案进行一致性评价，使其符合应用的一致性要求。标准中的一致性要求分为强制性要求、条件性要求和选择性要求，一致性的评价包括上述3方面的测试。（4）在制定标准草案的同时，积极开展标准草案的应用原型系统开发工作。（5）开展网络化制造与系统集成标准的具体实施规范工作研究。总而言之，任何标准都不能凌驾在技术和应用之上，制定标准的宗旨是为应用服务，因此，只有在行业和企业的不断实践中，在政府主管

29、部门的大力推荐下，网络化制造与系统集成标准才能真正发挥作用。4 结束语本文从网络化制造与系统集成的技术实现的角度出发，阐述了网络化制造与系统集成总体构架中的主要内容，初步建立了网络化制造与系统集成的标准体系框架。由于我国网络化制造的理论和应用还处于发展阶段，同时制定和实施网络化制造与系统集成标准化的工作牵涉面广，因此，此项标准化的工作需要我国标准化部门、科研机构、高等院校以及网络化制造示范企业之间紧密合作，共同完善网络化制造与系统集成的标准体系框架。参考文献1 FAN Yushun.Connotation and key technologies of networked manufactur

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