（机械制造及其自动化专业论文）基于语义网关的离散制造企业异构系统集成框架研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着制造业信息化单元技术的不断成熟和深入实施，制造企业的应用系统越 来越多，覆盖面越来越广，同时由于制造业信息化分期实施的特点，造成制造企 业信息系统的异构程度加深，使企业目前普遍面临系统之间的集成问题。另外， 由于企业不断的发展，要求信息系统能够快速地适应企业业务的变化，使得制造 企业对系统的快速重构以及灵活集成提出了更高的要求。 本文在当前互操作技术的基础上，引入语义网关的概念和技术，建立一种基 于语义网关的独立于各种应用服务系统的集成框架模型，并提出一套与集成框架 模型相适应的异构系统集成运行模式，疏通系统间的语义异构，动态集成企业众 多的业务流程，满足企业信息化异构系统集成“快速、灵活、松耦合、高柔性、透 明”的综合需求。本文主要内容如下： 首先，建立了基于语义网关的异构系统集成框架模型，该集成框架模型分为 服务平台框架和基础平台框架两个部分，服务平台框架用于提供逻辑上的运行容 器为应用服务的运行提供服务；基础平台框架则为应用服务提供集成服务。 其次，在集成框架模型的基础上，从企业动态业务模式和企业信息同步模式 两个方面建立了适应于该集成框架模型的异构系统集成运行模式，使业务系统之 间的集成耦合度大副降低，使系统集成对业务系统的二次开发的依赖性降低。 同时研究了基于语义网关的异构系统集成框架所涉及的关键技术，包括：语 义描述标准、语义映射标准、语义解析、语义路由机制、语义发布更新机制和相 应的使能工具。 最后，本文的研究内容作为国家8 6 3 项目( 2 0 0 7 凡们4 2 1 5 2 ) 的重要组成部分， 在江津增压器厂企业信息化异构系统的整体集成中得到了应用，并取得了良好的 应用效益。 关键词。语义网关，离散制造，异构系统，集成框架 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a bs t r a c t w i t ht h em a t u r i t ya n di n d e p t hi m p l e m e n t a t i o no fm a n u f a c t u r i n gu n i ti n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o ns y s t e m sa r ew i d e s p r e a di n c r e a s i n g l y ，a tt h es a m e t i m e ，a sar e s u l to ft h em a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o np h a s e di m p l e m e n t a t i o n ，e n t e r p r i s e i n f o r m a t i o ns y s t e m sb e c o m em o r ec o n f o r m a b l e ；e n t e r p r i s e sh a v et of a c et h ep r o b l e mo f i n t e g r a t i o nb e t w e e nt h es y s t e m s i na d d i t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e sr e q u i r e s i n f o r m a t i o ns y s t e m st oq u i c k l ya d a p tt ob u s i n e s sc h a n g e s ，t h er a p i dr e c o n s t r u c t i o no f t h es y s t e ma n df l e x i b l ei n t e g r a t i o n b a s e do nt h ec u r r e n ti n t e r o p e r a b i l i t yt e c h n o l o g i e s ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h ec o n c e p t o fs e m a n t i cg a t e w a ya n di t st e c h n o l o g y ，e s t a b l i s has e m a n t i c - b a s e dg a t e w a ys e r v i c e st o m e e tt h e ”f a s t , f l e x i b l e ，l o o s e l yc o u p l e d , h i g h l yf l e x i b l e ，t r a n s p a r e n t ”d e m a n do f h e t e r o g e n e o u se n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m si n t e g r a t i o n t h i sa r t i c l er e a d sa sf o l l o w s ： f i r s t l y ，b u i l dt h ei n t e g r a t i o nm o d e lf o rh e t e r o g e n e o u ss y s t e mb a s e d o nt h es e m a n t i c f r a m e w o r k , t h ei n t e g r a t e ds e r v i c ep l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot h ef r a m e w o r ko ft h em o d e l f r a m e w o r ka n dt h ef r a m e w o r ko ft h et w op a r t so ft h eb a s i cp l a t f o r m ，s e r v i c ep l a t f o r m u s e dt op r o v i d eal o g i c a lf r a m e w o r kf o rt h eo p e r a t i o no fc o n t a i n e r sf o rt h eo p e r a t i o no f a p p l i c a t i o ns e r v i c e s ；t h eb a s i so ft h ef r a m e w o r kf o rt h ea p p l i c a t i o ns e r v i c e sp l a t f o r m p r o v i d i n gi n t e g r a t e ds e r v i c e s s e c o n d l y , b a s e do nd y n a m i cb u s i n e s sm o d e l ，t h ee n t e r p r i s e a n db u s i n e s s i n f o r m a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nm o d ea d a p tt ot h et w oe s t a b l i s h e dt h ef r a m e w o r ko ft h e i n t e g r a t e dm o d e lo fh e t e r o g e n e o u ss y s t e mi n t e g r a t i o nm o d e ，s ot h a tt h ei n t e g r a t i o n b e t w e e nb u s i n e s ss y s t e m sc o u p l i n gm a t e sa r er e d u c e d , a n da l l o wt h ei n t e g r a t e db u s i n e s s s y s t e m st or e d u c et h ed e p e n d e n c eo f t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fs e m a n t i cg a t e w a yb a s e d0 nf r a m e w o r k f o rh e t e r o g e n e o u ss y s t e mi n t e g r a t i o na r ei n v o l v e d , i n c l u d i n g ：s e m a n t i cd e s c r i p t i o no f s t a n d a r d s ，s t a n d a r d sf o rs e m a n t i cm a p p i n g ，s e m a n t i ca n a l y s i s ，a n ds e m a n t i cr o u t i n g m e c h a n i s mf o rs e m a n t i cp u b l i c a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gu p d a t em e c h a n i s mc a nb ea t 0 0 1 f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ea sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h et u r b o c h a r g e ra b o u tt h e n a t i o n a lr e s e a r c hp r o j e c t ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 5 2 ) i nj i a n g j i np l a n te n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o no fh e t e r o g e n e o u ss y s t e m sa saw h o l eh a sb e e na p p l i e dt oa n d m a d ea9 0 0 d e f f e c t i v e n e s so ft h ea p p l i c a t i o n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 k e y w o r d s ：s e m a n t i cg a t e w a y , d i s c r e t em a n u f a c t u r i n g ，h e t e r o g e n e o u ss y s t e m s ， i n t e g r a t i o nf r a m e w o r k m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的延士学位论文基王适竖圈差的塞邀剑造全些昱掏丕缠 集成框架研究是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：群，孚? 鸟 签字日期：力矿7 f s - 导师签名： 签字日期：加少多户 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程) ，愿意将本人的亟士学位论文基王语义网苤的离散剑造企 业异构系统集成框架研究提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在 中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重 庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公 开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价 数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相 应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公开论文的全部或部分内容。 储繇僻，孚均翩虢 冲7 年多月，日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 蛆装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 1 绪论 1 1 论文的选题背景 1 1 1 概述 制造概念 制造业是国民经济的支柱产业，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体 现，无论是在发达国家，还是在发展中国家，制造业在国民经济中均占据主要地 位。它是将可用资源与能源通过制造过程，转化为可供人们使用或利用的工业品 或生活消费品的行业。在各个国家的企业生产力构成中，制造业涉及到国民经济 的大量行业，如机械、建筑、电子、轻工、食品、军工、航天等，因此制造技术 的高低已成为衡量一个国家综合实力的重要标志之一【i 2 j 。 长期以来，由于设计和工艺的分家，制造被定位于制造工艺。随着社会发展 和科技进步，需要综合、融合和复合多种技术去研究和解决问题，特别是集成制 造技术的问世，极大地扩展了制造的概念。当前的“制造”概念将设计、工艺和管理 紧密联系在一起，形成一个整体，从而使“制造”概念和内涵在“范围”和“过程”两方 面大大拓展。在范围方面，制造涉及的工业领域不只局限于机械制造，包括了机 械、电子、化工、轻工、食品、军工等国民经济的大量行业。在过程方面，制造 不是仅指具体的工艺过程，而是包括市场分析、产品设计、生产工艺过程、装配 检验、销售服务等产品整个生命周期过程，如国际生产工程学会1 9 9 0 年给“制造” 下的定义是：制造是一个设计制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产 过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称【3 4 1 。 从以上概念可知，制造涵盖了产品全生命周期的各项相关活动和所涉及的范围， 与传统的“小制造”概念相比，当前的“大制造”概念得到了极大的发展和丰富。 2l 世纪制造业的变革 随着信息时代的来临，网络技术的在全球得到快速发展，知识经济正在成为 世界经济的新增长点，全球化浪潮不断冲击世界的经济和社会次序。在日新月异 的高新技术发展和客户个性化市场需求等的技术和市场推动下，制造业面临的环 境和制造业本身正在发生着深刻变化。这些变化为我国制造业的发展提供了有利 条件和机遇，同时也提出了严峻的挑战【5 】。 1 ) 制造业竞争环境的变化 随着经济全球化进程的加快，出现了新的国际分工格局。由于发达国家的劳 务成本不断攀升，很多产品的生产制造将向包括中国在内的发展中国家和地区转 移。我国由于经济连年高速增长，社会政治稳定，加之有比较便宜且素质较好的 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 人力资源，成为很多跨国公司的首选之地。 国际制造业向中国转移，方面是因为中国廉价的劳动力，另一方面则主要 是因为中国日益增长的经济实力。另外，中国还是一个尚待开发、且充满活力的 大市场。虽然发达国家的企业把一些产品的中间生产过程转移到发展中国家，但 仍强有力地控制着产品的研发、设计、工艺和市场，以从中获得最大的经济效益 和政治资本，同时又借此控制发展中国家的经济命脉和国家安全，使世界各国的 贫富差距越来越悬殊。另一方面，中国引进先进技术的方式，已经从单纯引进先 进的机器设备转变为通过吸引国外直接投资来获得外国的资金、先进技术和管理 经验。因此，国际化的竞争带给了中国制造业的是机遇和挑战、压力与动力并存， 出路只有一条，那就是大力发展制造技术，增强我国制造业的竞争能力，实现由 制造大国向制造强国的转变。 2 讳0 造业发展模式的变化 制造模式的每一次革命都会淘汰一批滞后于模式变革的企业，使另一批适应 变革潮流的企业迅猛发展。德国、英国、美国和日本在不同的阶段中都曾创造出 适应当时生产力发展的模式，领导了发展的潮流，从而取得了辉煌的经济成就。 福特、丰田等公司在不同的发展阶段抓住了机会，新的制造模式使这些公司进入 了一流大企业的行列。 信息化提高了生产要素的信息属性，促使企业竞争模式从自然资源和人力资 源的竞争转向创新能力和创造高附加值产品的竞争；信息化促进企业管理由金字 塔结构向扁平型结构转变，经营思想由粗放型向集约型转变，所出现的各种先进 制造模式，为我国企业向先进制造模式转变，进而提升我国制造企业的水平和能 力提供了可以借鉴的模式。2 1 世纪制造企业的竞争焦点将转变为如何抓住机遇， 响应市场需求，快速开发出基于知识的新产品。 3 讳0 造企业运行效率与活动空间的变化 2 0 世纪六、七十年代以来，信息技术革命使企业的经营环境和运作方式发生 了很大的变化，而西方国家经济的长期低增长又使得市场竞争日益激烈，企业面 临着严峻挑战。买卖双方关系中的主导权转到了顾客一方，竞争使顾客对商品有 了更大的选择余地；另一方面，随着生产水平的不断提高，顾客对各种产品和服 务也有了更高的要求。技术进步使竞争的方式和手段不断发展，并发生了根本性 的变化。越来越多的公司越出国界，在逐渐走向一体化的全球市场上展开各种形 式的竞争。面对这种挑战，企业只有在更高水平上进行一场根本性的改革与创新， 才能在低速增长时代增强自身的竞争力。 信息技术对企业在全球化的运行空间中生存和发展起到非常重要的支撑作用。 信息技术促进了国际金融市场的快速发展，不仅保障了跨国经济活动的正常运行， 2 重庆大学硕士学位论文i 绪 论 而且加快了资金在全球的流动速度，使企业在规模、经济实力和创新能力等方面 得到了空前的提高。例如，在波音公司，飞机零部件和其他原材料的采购是一个 复杂的、多阶段的管理过程，它涉及到分布在全球各地数万个不同的个人和任务。 利用信息技术，可以实现从基于纸介质的采购系统到基于w e b 的采购系统的转变， 整个采购过程可以通过物料管理系统进行自动处理。 综上所述，2 1 世纪，随着信息时代的来临、经济的全球化、市场客户化、知 识经济的挑战、高速发展的高科技推动、可持续发展的要求以及新思想、新技术 不断涌现，制造业的制造环境正在发生根本性的变化。制造环境的变化给制造业 带来了新的变革和重大影响，其影响的深度、广度和发展速度往往远超过人们的 预测。 正是由于外部环境发生的剧变，使得制造企业传统的生产、营销和管理模式 以及设计制造技术已经越来越不能适应时代的要求。制造企业出于对生存和发展 的考虑，不得不积极主动地对其制造模式进行变革，引入各种先进的制造战略、 制造模式和制造技术，如计算机集成制造、精良生产、企业资源计划、敏捷制造、 虚拟制造、绿色制造、网络化制造等。在这些新模式和新技术的影响下，现代制 造业及制造技术逐渐表现出全球化、数字化、敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、 绿色化、集成化以及客户为中心的服务化的发展趋势和特点1 6 。 我国制造业现状 当今的世界，经济全球化进程日益加快，新一轮的世界产业结构调整正在不 断推进，国际分工正在更为宽广的领域展开。如何在全球经济格局中占据有利位 置，如何应对高科技时代的激烈竞争，如何化解全球化这把双刃剑可能带来的损 害，如何赢得未来世界对自己国家和民族的尊重，己经成为各国必须应答的命题。 答案可能有多种多样，但不可回避的要害是一个国家、特别是一个发展中大国如 何看待制造业i7 。 经过近三十年的改革、开放、发展，中国制造业取得了举世瞩目的成就；中 国制造业增速已经连续2 0 年居全球之首，2 0 0 6 年，中国制造业有1 7 2 类产品的产 量居世界第一位；制造业增加值达到1 0 9 5 6 亿元美元，首次在总量上超过日本， 成为世界第二制造大国【8 】。 尽管我国制造业总量已经达到世界第二，但严格地讲，我国不但不是“制造强 国”，也不是严格意义上的“制造大国”，只是“加工大国”而已。众所周知，“加工” 并非“制造”的全部【9 】。与工业发达国家相比，我国制造业仍然差距很大：一是能源 消耗大，污染严重。单位产值能耗远高于国际先进水平，而污染也远高出发达国 家。二是产品以低端为主，附加价值不高。出口产品主要是劳动密集型和技术含 量低的产品。三是产业结构不合理，装备制造业发展严重滞后。作为国家核心竞 3 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 争力关键的装备制造业增加值占制造业的比重偏低，国民经济和高技术产业发展 所需要的装备已形成依赖进口的局面。我国制造科技取得了巨大进步，但与工业 发达国家相比，仍存在阶段性差距：一是自主创新能力不强，核心技术大部分依 赖国外；二是制造技术基础薄弱；三是以企业为主体的技术创新体系尚未形成。 制造业产品技术水平和国外先进水平相比有较大差距。特别是大型、大容量、高 精度的重大技术装备，与国外差距更大，远不能满足国民经济发展的需要。许多 重大成套装备大量依靠进口，而且还有扩大的趋势。作为“工作母机”的机床制造业， 国产机床的市场占有率也有逐年下降趋势。据统计，集成电路芯片制造装备的9 5 ， 轿车制造装备、数控机床、纺织机械及胶印设备的7 0 均依赖进口。制造业产品 的工业增加值率及经济效益低。例如，我国提供某些重大装备的重量有时占装备总 重量的9 0 左右，而获得的利润仅占总利滑的1 0 左右【l o 。 1 2 企业集成与语义的内涵 随着信息技术和网络技术的进步，特别是以i n t e r n e t 为代表的信息技术的飞速 发展，促进了经济的全球化和市场的国际化，使同行业和跨行业企业之间的竞争 日趋激烈。企业迫切需要将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用 于产品全生命周期管理( p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t ，p l m ) 的各个阶段，对 其中的信息、过程和资源进行管理，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运 行，以提高企业的市场应变能力和竞争能力。另一方面，在全球竞争环境中，为 达到上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁、基于知识创新的目标，进而提高 企业的柔性、健壮性、敏捷性，制造企业自身的产品研制过程变得越来越复杂， 企业信息系统的应用范围和种类不断扩大，应用功能也日益复杂，这就对企业集 成技术的灵活性和标准性提出了越来越高的要求。相应的，集成化技术作为制造 业技术与应用的核心技术，随着现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 向集成化、数字化、网络化、敏捷化、智能化和绿 色化方向的快速发展，已经从以早期计算机集成制造为代表的信息集成发展到目 前以并行工程为代表的过程集成，并在现代信息技术、管理技术、自动化技术、 系统工程技术的支撑下步入以敏捷制造为代表的企业间集成阶段，同时各种集成 化技术也都在不断发展之中【l 。 1 2 1 企业集成的内涵 集成是由部分构成整体、由单元构成系统的主要途径。它一般包含两层含义： 一种是将分散、异构的部件联合在一起形成一个协同的整体，从而实现更强的功 能，完成各个部分独自不能完成的任务；另一种是通过提高组成整体的不同功能 子系统之间的通讯与协调效率、精简冗余功能或过程，达到实现系统总体最优的 4 重庆大学硕士学位论文i 绪 论 目的。基于集成的这两层含义，可以将信息时代的企业集成目标具体化为两个方 面的内容：一是实现纵向的决策层策略、管理层业务体系及操作层的业务运作( 配 置) 的一致性映射和管理；二是实现横向的垮功能部门( 甚至企业) 的价值流、 信息流、物流的协同和优化运行。实现企业集成则主要以信息技术作为使能手段， 将各种先进的管理理念和方法物化到支持企业协同运行的信息系统中，从而提高 企业内不同的业务系统之间的合作和协调水平，使企业形成一个协调运行的整体 【1 2 】。 企业是由一组人员和资源构成，并提供一组产品或服务的复杂系统，企业集 成具有丰富的内涵。从一个比较宽泛的角度看，企业本身就是“集成”的。在一个企 业内部，各个部门之间本来就是互相联系在一起进行工作的；在具有协作关系的 多个企业之间，也是联系在一起进行协同工作的。一个比较公认的看法是：企业 集成是致力于提高为完成一定的市场需求或经营目标而相互发生交互作用的组织、 个体及系统的协调能力及协同效果，通过集成，使企业和企业群形成一个高效协 同运作的整体，从而能够以最快的速度对市场的变化进行反应，达到提高竞争力 的目的。 企业集成涉及到企业的策略、规划、运作、组织、过程等多方面的内容，但 最终是以企业内的各种业务应用、信息系统、数字化资源的集成运行作为其物化 形式的。在很大程度上，企业集成水平取决于软件系统的集成水平，采用良好的 应用软件集成支持工具可以帮助企业快速实现数据集成、应用集成及过程集成。 利用先进的信息技术将企业内各种信息、软件应用、标准和硬件集成起来完 成多个企业应用系统之间的无缝集成和应用互操作是提高企业整体运作水平和业 务流程快速处理能力的基础。文献【1 3 】给出了反应企业集成化运行不同深度的四种 层次。 1 ) 互联 互联就是使各种孤立的设备、单元技术能通过接口连接起来一起工作，它并 没有涉及功能水平上的集成。由于企业集成是个全局性问题，它要求整个企业的 各个组成部分之间都能实现互联，因此，互联是实现企业集成运行的基础。 2 ) 语义互通 在系统互联的基础上，语义互通实现数据单元、术语、含义等方面的一致维 护和控制。通过定义标准化的数据结构和属性格式，尽可能减少人工操作造成的 错误，通过对相关数据单元所给出的命名、定义、结构、约束的辨识和处理，为 用户提供一致的数据和正确的视图。 3 ) 语用互操作 语用互操作指系统的各个组成部分中有关联的各应用软件与业务功能在语义 5 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 一致性的基础上，能够互相发出对方能够理解的指令，去激活相应的功能，共享 或修改公共业务数据等。 4 ) 会聚集成 会聚集成是实现企业集成化运行的最高阶段和最复杂的形式，前三个层次都 属于技术层次，而会聚集成通过企业的策略、过程及各种功能系统的一致性协同 运作来实现技术与流程、知识以及人工效能之间的集成。它将使企业拥有对市场 机遇快速相应的能力和对业务流程快速重组的能力。会聚集成可使整个企业范围 内的应用软件和计算机环境，都可以针对新的应用需求进行快速的配置和剪裁， 从而真正实现技术与企业的组织、策略、过程运作的高度协调。 对企业集成从不同的方面进行研究，我们可以得到不同的分类。一种比较普 遍的分类是集成的广度、深度等方面展开。从集成的广度上看，企业的集成从最 初的孤立应用发展到部门内的集成和企业内的集成，并发展到当今企业间的集成。 从集成的深度上看，集成已经从最初的信息集成发展到功能的集成、业务流程 的集成和知识的集成。 同时从企业的集成还可以分为横向集成和纵向集成，如图1 1 所示： ( b ) 图1 1 横向集成与纵向集成 f i g 1 1h o r i z o n t a li n t e g r a t i o na n dv e r d c a li n t e g r a t i o n 横向集成是指从产品需求直到产品发运和服务过程的集成，包括物理的和逻 辑的集成，横向集成跨越了组织壁垒( b o u n d a r y ) 。这种集成通常依赖于所使用的技 术，并且通常在一定的组织结构下采用( 工厂层、单元层还是工作站层) 。横向集成 主要考虑的是与技术相关的流，即物料流和技术文档流。纵向集成考虑企业不同 管理层之间的集成，即决策集成。纵向集成主要涉及决策流的集成，上级管理层 的指令或目标传递到下级管理层，反馈信息或状态报告由下层传递到上层【l 4 。 1 2 2 语义的概念 什么是“语义”? 当我们讨论语义集成这个概念时不可避免会牵涉到对“语义” 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 这个的词汇的理解。w i t t g e n s t e i n 在1 9 2 1 年提出的一种观点认为：任何概念化体系 应该具有一组原子的概念，这些概念的含义只能引用真实世界对象才能弄清楚。 为了讨论“语义”这个概念，我们不妨先从下面的两个概念说起： 本体 本体( o n t o l o g y ) 最早是一个哲学的范畴，后来随着人工智能的发展，被人工 智能界给予了新的定义。然而最初人们对o n t o l o g y 的理解并不完善，这些定义也 出在不断的发展变化中，比较有代表性的定义如下：在哲学上，本体是对客观存 在的一个系统的解释和说明，是客观现实的个抽象本质；在计算机领域，n e c h e s 在1 9 9 1 年认为本体是“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，及利用这些术 语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义”【l5 1 ，g r u b e r 在1 9 9 3 年提出本体 是“对某种概念化体系的规范说明”【16 1 ，b o r s t 在c r r u b e r 等所做的定义的基础上，于 1 9 9 7 年则提出本体是“共享概念模型的形式化的规范说明”【l 丌，在1 9 9 8 年，s t u d e r 在总结前人的基础上认为本体是“共享概念模型的明确的形式化规范说明”【l 引。 在经过一段时间的发展后，对于本体的一个普遍的定义由如下四层组成： 1 ) 概念模型( c e r p t u a l i z a t i o n ) ：通过抽象出客观世界中一些现象( p h e n o m e n o n ) 的相关概念而得到的模型，其表示的含义独立于具体的环境状态。 2 ) 明确( e x p l i c i t ) ：所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义。 3 ) 形式化( f o r m a l ) ：o n t o l o g y 是计算机可读的。 4 ) 共享( s h a r e ) ：o n t o l o g y 中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域 中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。 o n t o l o g y 的目标是捕获相关的领域的知识，提供对该领域知识的共同理解， 确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇( 术 语) 和词汇之间相互关系的明确定义和关系，以及利用这些术语和关系构成的规 定这些词汇外延的规则的定义。 语义w e b 对于语义w e b ，目前主要有如下几种定义：t i mb e r n e r s l e e 等在2 0 0 1 年认为： “语义w e b 是当前w e b 的扩展。扩展之后，w e b 上的信息具备良好定义的含义，可 以帮助人类和计算机更好地协同工作”f 1 9 1 。w 3 c 则认为：“语义w e b 是创建一个具 有丰富元数据的资源w e b ，这些元数据不仅仅用来描述如何显示c a t m l ) 或者句法 结构( x m l ) ，而且可以描述这资源的含义。”同时还有观点认为，语义w e b 就是在 w e b 上表现数据。它由w 3 c 牵头，大量的研究机构和企业伙伴共同参与。当前语 义w e b 主要基于r d f ( 资源描述框架) ，r o f 集成了大量使用以x m l 为句法和以 u r i s 来命名的应用。r d f 使用如下的关键概念：基于图的数据模型、基于u r i 的词汇和节点标识、数据类型、文字、x m l 序列化语法、简单事实的r d f 表达法、 7 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 蕴涵。 本体技术和语义w e b 技术在得到蓬勃发展的同时，基于它们的应用又都有各 自的特点。本体是对共享概念模型的规范说明，即其概念在某个特定领域是公认 的，是面向特定领域的概念模型。本体的建立严格而困难，故必须有专家的参与， 而这就限制了它的应用。语义从数学上讲是一种带有标记的有向图，其主要是对 w e b 资源进行描述和处理。 结合上面的讨论与作者的理解，本文认为：语义是一种由不可分割的原子概 念和关系对事物的一致性定义与描述。 1 2 3 企业的语义集成需求 在当前的企业中存在大量的信息系统，由于各种原因，这些系统大多是异构 的，这种异构不仅体现在各种系统接口、数据结构或通讯协议等上面，更严重的 是体现在语义的异构上。同时企业为了在以“时间”为核心竞争因素的现代市场条件 下快速响应市场需求，要求企业的信息系统能够快速支持企业业务流程的定义和 重组，获取竞争优势。为了解决系统内的各种异构问题，一些企业和组织创建了 大量的标准和规范。比如d c o m 、c o r b a 、w e b 服务等互操作规范和各种如s t e p 、 x m l 等数据交换标准，以及如t c p i p ，h ”限等各种通讯协议。这些标准、规范 和协议较好地克服了各个系统的互联互通问题，也能在一定程度上解决的系统间 的互操作问题。但是由于它们都是基于强耦合的接口设计和定义的，除了考虑同 一平台的语法异构外，并没有解决应用系统的语义异构问题，从而使企业业务流 程在信息系统中的动态定义和灵活重组面临不可逾越的障碍，系统间的各种信息 与业务的集成需要大量的人工直接参与，并且要求工作人员必须十分熟悉待集成 的应用系统，这样一来就为集成带来了大量的困难，具体表现在：企业系统的柔 性受到严重的制约，一个系统的变化必然引起所有与其集成系统的二次调整；企 业新工作人员必须重新学习所有的系统，同时工作人员大量时间用于系统的二次 开发而非业务分析，导致企业内学习与维护成本的上升，效率下降；由于系统间 的集成是由人工直接干预的，在面对众多集成环节时难以保证集成的正确性；遗 留系统的开发没有考虑语义，新系统的加入无法尽快发挥其作用，而必须等待众 多集成环节的逐步完成。 当我们审视企业的语义集成困境时，不难发现企业内部的事物缺少统一的语 义描述，导致同一个事物在企业的信息系统中存在多种定义和描述，这不仅使企 业内系统之间缺少可互相理解的语义，无法有效地实现信息的交换和理解，导致 了各个系统间的语义必须由人来直接维护与强制匹配，同时也使外部的系统对企 业内事物的理解存在困惑。同一事物在企业存在多个甚至各异的定义，带来系统 集成和维护的困难，使企业内的信息系统主要执行“计算”功能，而基本无法进行智 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 能“理解”，信息系统的潜力没有得到有效的发挥，无法企业提供更多的竞争优势， 从而进一步影响信息系统发挥倍增器的作用，甚至影响企业对信息系统的投入和 信心。 在竞争激烈的全球市场中，企业面临业务或社会环境快速变化的危机或机遇， 这必然要求企业信息系统能够适应这种变化来满足企业新的需求，从而带来企业 内信息系统的变化，同时信息系统集成约定发生相应的改变，而且这种改变的详 情是无法提前假设的，也是无法抗拒的。为了满足企业信息系统的这种变化，就 必须使系统的集成约定从固定的模式转向柔性模式，而在传统的非语义集成方式 下，任何细微的变动都需要人工的直接参与，从而带来一系列的集成困局。 1 3 企业集成技术的国内外研究现状 为了支持企业集成的发展需求，b u t l e rg r o u p 研究机构在文献【2 0 】提出了与企业 集成相关的三层框架，如图1 2 ，即软件层、业务层和业务流程组合管理架构层， 前两者是后者的实现基础。 图1 2 企业集成的三层架构 f i g 1 2t h e t h r e e t i e re n t e r p r i s ei n t e g r a t i o n 要实现企业的全面集成，需解决软件系统在软件层的集成、业务层的集成， 以及业务流程组合管理架构层实施方法和业务流程组合架构的互操作性。软件层 的互操作是解决软件系统间异构编程语言、中间件、网络设施等的异构问题，而 业务层是解决软件系统间业务数据格式、结构和语义上的异构问题，而业务流程 组合管理结构解决业务流程分析、定义、构建、监控、运行等问题，同时还包括 了各业务流程组合管理结构层间的互操作问题。 9 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 1 3 1 软件互操作层 传统的计算机系统多为单机系统，多用户间通过联机方式访问终端，不存在 网络的概念。在网络出现后，随之产生了c l i e n t s e r v e r 的计算机结构模式，多个用 户端可以通过共享方式使用数据库服务器等。随着i n t e m e t 技术的快速发展，跨地 域、跨企业、跨部门、跨业务的计算机应用越来越广泛，许多软件需要在不同的 网络产品、硬件平台和网络协议的异构环境下运行。然而异构硬件平台、异构网 络环境、异构数据库等因素大大的影响了计算机系统的集成应用。在应用开发过 程中，大部分的时间和精力耗费在解决与业务逻辑没有直接关系的跨平台问题上。 因此，将分布式应用中具有共性的问题进行提炼和抽象，使之形成一个供应用系 统使用的可复用的软件部分显得非常必要，这个软件部分就是中间件【2 l 】。 中间件是位于平台( 硬件和操作系统) 和应用之间的通用服务，这些服务具有标 准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符合接口和 协议规范的多种实现。中间件能够屏蔽操作系统和网络协议的差异，为应用程序 提供多种通讯机制；并提供相应的平台以满足不同领域的需要。因此，中间件为 应用程序了一个相对稳定的高层应用环境瞄】，从而很好地解决了系统间的互操作 问题。 由于中间件技术的发展得到了各界的广泛支持，使其在企业集成领域也有广 泛的应用。中间件的各种技术主要集中在如下讨论的一些领域： c o m d c o m 是微软组件对象分布式组件对象模型，通过定义对象之间互操 作的二进制接口标准来提供集成技术支持，实现软件复用和信息共享；c o r b a 是 由o m g 提出的描述分布式异构环境中对象互操作的技术规范，通过将分布式软件 开发中的基本服务和功能标准化来实现软件重用。c o m d c o m 和c o r b a 解决的 是异构系统之间互操作性问题，它们己经在各种平台上得到了实现，比如基于 c o r b a 的多层分布式系统设计【2 3 】，以及在企业车间管理系统中采用组件技术来实 现即插即用【2 4 1 ，文献【2 5 】研究了使用c o r b a 来解决企业中异构信息集成的问题。 文献【2 6 l 构造了一个基于c o r b a 和x m l 技术的p d m c a p p 系统集成框架，利用 c o r b a 技术实现数据的传输，并利用x m l 技术作为信息描述的载体，在结合实 际的基础上，详细讨论了这一集成框架的实现及特点，但这些系统不适用于异构 的i n t e r n e t 环境。 随着网络技术的发展和普及，企业集成的范围也开始从企业内部向企业间扩 展，传统的基于局域网或本地的互操作技术已经难以满足企业间集成的需求，同 时基于h 1 1 限协议被广大企业用户和软件系统所支持，于是产生了基于w e b s e r v i c e 与s o a 的集成。w c bs e r v i c e 是建立在s o a p 、w s d l 和u d d i 等标准以 及x m l 技术之上的，其最大优势是允许在不同平台上以不同语言编写的各种程 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 序以基于标准的方式相互通信。它通过h t t p 等协议极大地扩展了传统应用软件 的服务范围；并通过s o a p 、u d d i 和x m l 等标准技术为应用软件提供了统一的 应用标准，屏蔽了应用软件底层具体的实现技术。w e bs e r v i c e 基于一组开放的技 术标准，可以解决不同平台上系统之间的互操作性。利用w e bs e r v i c e 进行集成是 一种比较灵活的解决方案。当前基于w e b 服务的研究有基于消息中间件的研究【2 7 1 、 基于w e b 服务的程序设计技术研究【2 引、采用w e b 服务技术进行数据的处理【2 9 】等 面向服务的体系结构( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 是一个组件模型， 它将应用程序的不同功能单元( 称为服务) 通过这些服务之间定义良好的接口和 契约联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的，它应该独立于实现服务的硬 件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以一 种统一和通用的方式进行交互。在s o a 领域当前存在大量的标准，但影响较大的 有s d o 和s c a ，他们主要着眼于系统间的接口协议与契约的定义。在s o a 的研究 中，大家将它作为使能工具来改造企业的应用系统【3 们，或者通过它来迭代集成企 业的业务流程【3 l 】，当前的应用研究侧重于企业集成架构1 3 2 1 ，但也有用来开发软件 系统【3 3 1 。 作为操作系统和应用软件之间的一种通用服务，中间件屏蔽网络硬件平台的 差异性以及操作系统和网络协议的异构性，从而使应用软件在不同平台上能够平 滑的运行。同时，中间件能够通过平衡负载、连接管理和调度等技术手段大幅提 升企业级应用的性能。基于中间件技术，分布式系统的开发人员能够摆脱传统的 网络编程以及维护分布事务完整性等烦琐局面，直接针对业务逻辑功能进行实现， 从而减少了工作量，提高了效率。中间件的运用不仅仅降低了开发的繁琐度，还 节约了计算机总体费用的投入。然而，中间件服务也并非“万能药”。中间件所应遵 循的一些原则离实际还有很大距离。多数流行的中间件服务使用专有的a p i 和专 有的协议，使得应用建立于单一厂家的产品，来自不同厂家的实现很难互操作。 有些中间件服务只提供一些平台的实现，从而限制了应用在异构系统之间的移植。 应用开发者在这些中间件服务之上建立自己的应用还要承担相当大的风险，随着 技术的发展他们往往还需重写他们的系统。尽管中间件服务提高了分布计算的抽 象化程度，但应用开发者还需面临许多艰难的设计选择。 在关注企业的各种互操作技术的同时，业界对企业集成的语义性和智能性提 出了需求，为了满足企业的各种系统具有一定的集成智能性和自动性，业界在智 能代理( a g e n t ) 技术和机器语义等方面展开了研究。