构筑面向对象的敏捷制造单元信息集成框架
1 引言
敏捷制造被称为21世纪的制造战略，其核心思想是建立能够对用户需求作出灵敏反应、市场竞争能力强的制造环境，使组织、管理、制造和销售等活动都具有敏捷特性。实现制造过程的敏捷性，需要使制造系统具有高的柔性和*性，但敏捷制造系统不要求单一企业具有完备的柔性和*的制造设备和技术，而要求企业所具有某方面的优势，敏捷制造利用不同企业的组合构造整体优化的生产环境。因此，在敏捷制造环境下，制造资源将不是由单一企业，而是由不同地域的不同企业的资源组成，这些不同的企业都有各自的特长和优势，它们以追求zui大利益为目的，为共同的生产任务而结合，随着生产任务的完成而解体。在敏捷制造环境中，信息的集成、远程制造资源和本地资源的融合，是实现敏捷制造的基本保证。本文仅以制造环节中制造单元的信息集成为例，提出面向对象的信息集成方法，建立信息集成框架，为实现敏捷制造单元的组合和控制建立有效的信息模型和信息集成的实施方法。
2 敏捷制造单元的特性和信息集成要求
与传统制造系统相比，敏捷制造单元具有两个显著特性，一是构成制造单元的制造资源来自于不同的企业，它们可能采用不同的数据库，有各自的数据格式和储存方式，信息分布和异构的矛盾比任何形式的制造系统都更为突出；其二，敏捷制造单元随着生产任务的出现而存在，随着生产任务的完成而解体，系统动态重构的要求导致组成单元的制造资源存在不确定性。因此，敏捷制造单元的控制一方面需要对异构和分布的制造资源进行统一、协调的控制，以保证制造过程的优化；另一方面必须保持信息的相对独立和自治性，以利于系统的重组。
敏捷制造对系统信息有很高的要求。虽然敏捷。广东省博士启动基金资助项目制造资源的实际控制不能够和本地资源一样细致到控制机床的每一个状态、零件的每一道工序，而是采用任务分配—验收的形式，控制环节由远程资源所在处的控制器实现。但是，敏捷制造单元的组合和优化控制决策要求具有详尽的远程制造资源信息，通过远程制造资源的抽象信息模型，采用虚拟控制技术，将本地和远程的制造资源统一控制和调度，采用虚实结合的控制方法，实现对敏捷制造单元整体的优化控制。因此，信息集成既要使不同企业之间的制造资源实现有效的融合、所有资源均匀可控，又要保证信息的独立性。
在敏捷制造这样复杂的环境中，实现信息集成的任务十分艰巨，要求集成的数据模型，既要有丰富的语义，又要有较强的数据抽象机制。面向对象的技术是一种能够满足上述要求的信息建模方法。基于对象的数据模型既能够支持数据库系统，又支持非数据库系统和文件系统，允许定义新的类型和操作，语义丰富，支持抽象机制。通过面向对象的方法，将敏捷制造单元中远程制造信息和本地信息分别进行归类和封装，通过消息进行访问。
3面向对象的基本概念与特征
3.1对象的基本特征
对象是一个独立存在的实体，是一个由信息及有关对它进行处理的描述所组成的模块。从外部内部状态，以及如何实现这些功能的细节都是“隐蔽”在模块内的。对象可以用一个三元（∑,m,a）来描述，其中∑放置对象的上下文，提供实体的信息和特征；m方法元组提供对象可能执行的动作；a属性元组提供依赖于状态的信息，通过返回对象当前某个属性值来向外界反映对象的当前状态，而通过改变对象的属性值来改变对象的状态。在敏捷制造单元中，我们主要采用面向结构的对象和面向行为的对象来描述制造资源。面向结构的对象把结构作为对象进行模型化和结构封装，允许基本操作直接作用于基本要素之上，如图1所示。面向结构的对象则将具有复杂结构的事物直接当作对象模型化，对此定义出一些固有的操作，所有实现方法上的细节都是对用户屏蔽的，实现结构和操作的封装。如图2所示。
图1 面向结构的对象
图2 面向结构的对象
3.2消息和方法
消息是对某种对象处理的说明，方法是描述对象对消息的响应。对象之间要相互是通过传递消息来完成，消息就是通知对象去完成一个允许作用于该对象的操作。某一对象在执行所要求的处理时，如果需要，可以通过传递消息请求其他对象完成某些处理工作或回答某些信息；其他对象在执行所要求的处理活动时，同样可以通过传递消息与别的对象。
3.3类和继承性
类是由方法和数据组成，它是关于对象性质的描述。将相似的对象归于一类，一个类实质上定义的是一种对象类型。一个类的上层可以有超类，下层可以有子类，形成一种层次结构。这种层次结构的一个重要特点是继承性，从一个基类衍生出一个新类成为继承，这个新类具有基类的所有属性，并能够定义自己的属性。继承性可以避免类对象中数据和方法的大量重复。如将车床定义为基类，所有的车床都可以从该类中派生出来，车床基类定义了车床的共有特征，而在派生出的子类如数控车床或某一具体车床c620-1中，继承了基类的属性，而只需要申明本类中的特殊属性。
3.4对象的封装
封装是一种信息隐蔽技术，封装的目的在于对内部结构的保护。将对象的使用者和对象的设计者分开，使用者不必知道行为实现的细节，只需用设计者提供的消息来访问该对象。一个封装是以某一类型的数据实现值的集合以及对这些数据进行操作的过程要素构成的，图2实际就实现了结构和操作的封装。
4 敏捷制造单元的信息集成框架
4.1基于代理技术的信息传递方法
internet的迅速发展使世界各大小型企业可以将自己企业的产品、规格、生产能力等信息资料通过internet发布，迅速扩大其市场，同时也为敏捷制造的信息集成提供了基本条件，借助于internet,敏捷制造中信息搜索、交换和传递得以迅速而有效的进行。
如图3为我们所设计的基于代理技术的信息传递系统。在该系统中，所有连接在internet上的企业之间具有相互平等的关系，代理是企业和网络连接的纽带。代理是具有一定智能的软件和硬件系控制自身行为及内部状态。代理的基本功能就是能统，能够不需要人的过多介入就能够自行运行，能够控制自身行为及内部状态，代理的操作基本功能就是能用一种明确的通讯语言与其他代理交互、相互协作完成信息传递和交换任务。在该系统中，我们选用jalite作为代理的开发工具，jalite 是由美国斯坦福（standford）大学开发的java类库。由于java是一种与平台无关的计算机语言，因此能够适用于异构的环境。本系统基于图3所示的信息传递网络结构，能够完成敏捷制造中信息搜索、合作确认以及制造资源信息传递与交换等功能。
图3 基于代理技术的信息集成网络
4.2数据库和知识库
敏捷制造单元的数据库包括本地资源库和远程资源库。远程制造资源除机床、刀具、生产能力等常规制造资源外，还包括资源可用时间、间隔距离、使用费用等辅助信息。集成系统将进一步对远程制造资源进行识别和转换。
知识库存放的知识有书本知识，如手册中的经后的各种规则以及应用实例等。知识用于制造单元控制、重组和信息集成。信息集成知识用于信息的等价识别、转换，以及对象的划分和封装。面向对象的知识库按照具体领域的对象类层次结构对知识进行划分，将知识分布地存放于各对象类知识中。
4.3面向对象的信息集成结构
本文提出的面向对象的信息集成体系结构如图4所示。面向对象的信息集成以制造单元重组和控制模型为基准，通过对象划分、对象分析和封装存入面向对象的数据库。
图4 面向对象的信息集成体系结构
底层为基本数据库，远程资源信息由资源转换器将它们转换成能够被系统识别和操作的模式。资源转换器负责把远程资源模式转换为本地模式，同时把远程资源中相应的语义、分布映射信息等存入知识库。
对象划分将制造信息的数据模式转化为对象模式，按资源对象、加工对象和进程驱动对象进行分类。资源对象包括加工设备、辅助设备，如机床、刀具、夹具等，以及相关属性，如加工能力、使用条件、使用费用等；加工对象则是对加工任务的抽象描述，包括车削、铣削等以及加工零件尺寸、材料和工时等；进程驱动对象反映系统状态变化而引起的操作变化规律，如加工任务完成、加工任务取消、机床故障等，体现系统从一个事件变化到另一个事件需要满足的条件和控制规律。对远程制造资源既要划分为面向单纯的对象，又要划分成面向行为的对象，前者用于系统控制，而后者用于系统仿真和评估。
对象分析是为了找出不同对象之间的共性和相互关系，进行对象一致性的分析和定义，对对象进行归纳和分类，消除冲突和冗余，提高对象封装的凝聚度。面向对象的方法就是要实现行为的封装。封装使对象之间相互依存性达到zui小，保证对象的独立性。封装使制造资源改变而对对象结构和操作实现方法修改时，不必对控制软件进行修改。
面向对象的数据库支持面向对象的数据模型，如对象和对象标识、属性和方法、类、类层次与继承等，同时支持传统数据库的所有数据成分。目前面向对象数据库还未有*的模式和标准，常用的方法是利用面向对象语言，如c++、vc++及java等，在设计控制程序时将数据嵌入程序，或是在面向对象的程序设计语言中嵌入数据库功能，增加面向对象语言所不具备的*性数据、共享、查询优化以及对大量数据有效管理与访问的概念与技术。
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2 敏捷制造单元的特性和信息集成要求
与传统制造系统相比，敏捷制造单元具有两个显著特性，一是构成制造单元的制造资源来自于不同的企业，它们可能采用不同的数据库，有各自的数据格式和储存方式，信息分布和异构的矛盾比任何形式的制造系统都更为突出；其二，敏捷制造单元随着生产任务的出现而存在，随着生产任务的完成而解体，系统动态重构的要求导致组成单元的制造资源存在不确定性。因此，敏捷制造单元的控制一方面需要对异构和分布的制造资源进行统一、协调的控制，以保证制造过程的优化；另一方面必须保持信息的相对独立和自治性，以利于系统的重组。
敏捷制造对系统信息有很高的要求。虽然敏捷。广东省博士启动基金资助项目制造资源的实际控制不能够和本地资源一样细致到控制机床的每一个状态、零件的每一道工序，而是采用任务分配—验收的形式，控制环节由远程资源所在处的控制器实现。但是，敏捷制造单元的组合和优化控制决策要求具有详尽的远程制造资源信息，通过远程制造资源的抽象信息模型，采用虚拟控制技术，将本地和远程的制造资源统一控制和调度，采用虚实结合的控制方法，实现对敏捷制造单元整体的优化控制。因此，信息集成既要使不同企业之间的制造资源实现有效的融合、所有资源均匀可控，又要保证信息的独立性。
在敏捷制造这样复杂的环境中，实现信息集成的任务十分艰巨，要求集成的数据模型，既要有丰富的语义，又要有较强的数据抽象机制。面向对象的技术是一种能够满足上述要求的信息建模方法。基于对象的数据模型既能够支持数据库系统，又支持非数据库系统和文件系统，允许定义新的类型和操作，语义丰富，支持抽象机制。通过面向对象的方法，将敏捷制造单元中远程制造信息和本地信息分别进行归类和封装，通过消息进行访问。
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对象是一个独立存在的实体，是一个由信息及有关对它进行处理的描述所组成的模块。从外部内部状态，以及如何实现这些功能的细节都是“隐蔽”在模块内的。对象可以用一个三元（∑,m,a）来描述，其中∑放置对象的上下文，提供实体的信息和特征；m方法元组提供对象可能执行的动作；a属性元组提供依赖于状态的信息，通过返回对象当前某个属性值来向外界反映对象的当前状态，而通过改变对象的属性值来改变对象的状态。在敏捷制造单元中，我们主要采用面向结构的对象和面向行为的对象来描述制造资源。面向结构的对象把结构作为对象进行模型化和结构封装，允许基本操作直接作用于基本要素之上，如图1所示。面向结构的对象则将具有复杂结构的事物直接当作对象模型化，对此定义出一些固有的操作，所有实现方法上的细节都是对用户屏蔽的，实现结构和操作的封装。如图2所示。
图1 面向结构的对象
图2 面向结构的对象
3.2消息和方法
消息是对某种对象处理的说明，方法是描述对象对消息的响应。对象之间要相互是通过传递消息来完成，消息就是通知对象去完成一个允许作用于该对象的操作。某一对象在执行所要求的处理时，如果需要，可以通过传递消息请求其他对象完成某些处理工作或回答某些信息；其他对象在执行所要求的处理活动时，同样可以通过传递消息与别的对象。
3.3类和继承性
类是由方法和数据组成，它是关于对象性质的描述。将相似的对象归于一类，一个类实质上定义的是一种对象类型。一个类的上层可以有超类，下层可以有子类，形成一种层次结构。这种层次结构的一个重要特点是继承性，从一个基类衍生出一个新类成为继承，这个新类具有基类的所有属性，并能够定义自己的属性。继承性可以避免类对象中数据和方法的大量重复。如将车床定义为基类，所有的车床都可以从该类中派生出来，车床基类定义了车床的共有特征，而在派生出的子类如数控车床或某一具体车床c620-1中，继承了基类的属性，而只需要申明本类中的特殊属性。
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如图3为我们所设计的基于代理技术的信息传递系统。在该系统中，所有连接在internet上的企业之间具有相互平等的关系，代理是企业和网络连接的纽带。代理是具有一定智能的软件和硬件系控制自身行为及内部状态。代理的基本功能就是能统，能够不需要人的过多介入就能够自行运行，能够控制自身行为及内部状态，代理的操作基本功能就是能用一种明确的通讯语言与其他代理交互、相互协作完成信息传递和交换任务。在该系统中，我们选用jalite作为代理的开发工具，jalite 是由美国斯坦福（standford）大学开发的java类库。由于java是一种与平台无关的计算机语言，因此能够适用于异构的环境。本系统基于图3所示的信息传递网络结构，能够完成敏捷制造中信息搜索、合作确认以及制造资源信息传递与交换等功能。
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敏捷制造单元的数据库包括本地资源库和远程资源库。远程制造资源除机床、刀具、生产能力等常规制造资源外，还包括资源可用时间、间隔距离、使用费用等辅助信息。集成系统将进一步对远程制造资源进行识别和转换。
知识库存放的知识有书本知识，如手册中的经后的各种规则以及应用实例等。知识用于制造单元控制、重组和信息集成。信息集成知识用于信息的等价识别、转换，以及对象的划分和封装。面向对象的知识库按照具体领域的对象类层次结构对知识进行划分，将知识分布地存放于各对象类知识中。
4.3面向对象的信息集成结构
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图4 面向对象的信息集成体系结构
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对象划分将制造信息的数据模式转化为对象模式，按资源对象、加工对象和进程驱动对象进行分类。资源对象包括加工设备、辅助设备，如机床、刀具、夹具等，以及相关属性，如加工能力、使用条件、使用费用等；加工对象则是对加工任务的抽象描述，包括车削、铣削等以及加工零件尺寸、材料和工时等；进程驱动对象反映系统状态变化而引起的操作变化规律，如加工任务完成、加工任务取消、机床故障等，体现系统从一个事件变化到另一个事件需要满足的条件和控制规律。对远程制造资源既要划分为面向单纯的对象，又要划分成面向行为的对象，前者用于系统控制，而后者用于系统仿真和评估。
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面向对象的数据库支持面向对象的数据模型，如对象和对象标识、属性和方法、类、类层次与继承等，同时支持传统数据库的所有数据成分。目前面向对象数据库还未有*的模式和标准，常用的方法是利用面向对象语言，如c++、vc++及java等，在设计控制程序时将数据嵌入程序，或是在面向对象的程序设计语言中嵌入数据库功能，增加面向对象语言所不具备的*性数据、共享、查询优化以及对大量数据有效管理与访问的概念与技术。
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