基于SOA的制造企业信息系统集成模型研究

晏晓辉　张智聪　黄辉宇　李帅

(东莞理工学院　机械工程学院，广东东莞　523808)



基于SOA的制造企业信息系统集成模型研究

晏晓辉张智聪黄辉宇李帅

(东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523808)

摘要：随着计算机辅助管理系统在制造企业的大量应用，为企业提升信息化水平的同时也带来了“信息孤岛”问题。如何对这些系统进行有效集成成为一个重要问题。本文对国内外学者在信息系统集成方面的研究做了分析总结，在此基础上提出基于面向服务架构的信息系统集成模型。该模型包括界面层、总线层、服务层、数据层四层体系结构。给出了该集成体系的信息访问模型和网络集成模型，介绍了其信息交互机制。最后，对集成过程中集中权限管理、元数据适配、可重构的服务、多服务运行机制等关键技术进行了详细阐述。

关键词：信息孤岛； 系统集成； 面向服务架构

当前，经济全球化和市场一体化的加剧使制造业面临着更为严峻的竞争压力。随着人们消费习惯的差异化、细分化，制造企业的生产由大批量向多品种小批量转型。客户对交货期、产品质量、产品信息跟踪等要求也越来越高，行业也日趋透明化和薄利化。在这种形势下，柔性制造、敏捷制造、智能制造等概念被提出。在上述无论哪种制造模式中，信息化都是其关键。近年来，制造业的信息化程度有了很大程度的提高，一些企业先后引入了ERP(Enterprise Resource Planning)、OA(Office Automation)、SCM(Supply Chain Management)、CRM(Customer Relationship Management)、MES(Manufacturing Execution System)、CAPP(Computer-Aided Process Planning)等经营和生产管理系统，但各种信息化系统的引入也给企业带来了另一个问题——信息系统的集成问题。这些由不同厂商开发的软件有着不同的语言规范和通讯方式，并且运行于各种异构系统中，信息难以互通，用户信息多套，不能实现资源的有效共享，“信息孤岛”问题突出。

为解决这一问题，国内外许多学者做了大量的相关研究，一些集成平台也被开发实现以满足集成需要。Andrey等探讨了数据管理系统(Product Data Management，PDM)和ERP系统的集成[1]。 Indranil Bose等以Neway公司的ERP和SCM的集成为案例对中国的制造企业四级集成进行了研究和总结[2]。申利民等针对信息系统集成过程中Web服务选择方面的问题，提出了一种基于服务质量与用户推荐的服务推荐模型[3]。Li Kuang等在信息系统集成过程中引入了“分解和映射”的方法以构建集成框架[4]。André Vasconcelos等对企业信息系统集成架构进行研究和总结，提出了工程组织中心架构[5]。其中，在信息系统集成技术中，基于服务的架构(Service Oriented Architecture，SOA)是应用最为广泛的。Song Xiao等提出了基于语义SOA的信息系统集成架构[6]。通过分析企业信息化发展阶段及消息中间件和面向服务构架的特点，提出了将面向服务构架和消息中间件结合以解决企业业务流程集成问题的方法[7]。简斌等提出了基于SOA的中小制造企业应用集成模型，对web服务网关的工作交互做了详细描述[8]。马俊等提出了一种基于SOA为基础的异构系统集成框架可解决办公自动化系统和人力资源系统的人员数据集成[9]。

上述研究大都提出了自己的集成框架和模型，在理论或实际开发上都具有参考意义。但也存在一些局限性：①对权限系统的处理过于简单，系统的集成涉及多个系统，这使得系统用户的权限控制更为复杂，而这方面相关的论述大多只将一些服务注册为私有和公有来进行控制，过于简单；②一些论文或关注企业数据集成，或关注企业应用集成，仅从一个方面来对企业进行集成，而制造业企业的信息系统集成必须兼顾这两个方面才能成功；③在遗留系统的问题上，上述研究大多只对现有遗留系统的集成进行了探讨，而忽视了开发中系统和将来的拓展性。

本文在上述研究的基础上，提出一种基于新型的基于SOA架构的制造企业信息系统集成模型，该模型在典型SOA架构基础上增加了集中权限管理、元数据适配器和开发部署管理模块，来形成一个拓展的总线层，作为企业信息系统集成的核心，兼顾应用集成和数据集成，并考虑了系统的可拓展性。对于多异构企业信息系统的集成能提供更好的解决方案。

1基于SOA的制造企业信息系统集成体系架构

SOA是一种粗粒度、松耦合面向服务和接口的软件架构，由基础设施和运行与之上的服务组成。由于面向接口的特性，SOA提供的服务是异构、多语言的，这使它在系统集成中得到了普遍应用。ESB(Enterprise Service Bus)是一种典型的符合SOA架构的集成软件技术。

图1为本文提出的基于SOA的信息系统集成模型体系结构，该模型分为界面层、总线层、服务层和数据层。其中，总线层和服务层是经典三层软件结构中业务层的划分。因此，该模型可以看作经典三层结构在SOA体系环境下的一种变化。

图1　基于SOA的信息系统集成模型体系结构

界面层：企业的信息系统通常是多而繁杂，各种系统如ERP、SCM、CRM、OA、MES等都有自己的身份验证和权限管理系统，不仅使用户难以记忆和操作，也使得用户数据的更新、迁移极为不便。在本模型中，建立一站登陆式的企业应用门户，所有用户的数据将在总线中集中权限管理模块中进行管理。通过企业应用门户，再进入各应用系统。其中，对遗留系统，保持其人机交互接口不变，维持其系统对用户展现的历史一致性，对其业务操作调用将在总线层进行封装。对新开发的系统，在调用时采用SOAP(Simple Object Access Protocol)协议对消息请求进行封装。

总线层：总线层是本基于SOA的集成模型的关键层，其中包括ESB总线，拓展的集成模型辅助——集中权限管理、元数据适配器、开发部署管理以及用以封装遗留系统业务调用以适应SOA架构的适配器。ESB是总线层也是整个模型的核心，包括UDDI(Universal Description Discovery and Integration)中心、业务流程引擎、消息处理、路由管理、生命周期管理、事务管理和日志管理，负责服务的注册、查找、组合、消息管理、寻址、运行管理、事务处理和日志记录。集中权限管理负责整个系统的用户管理、角色管理和和权限配置，元数据适配器负责各系统的数据字典生成和管理，并对不同系统间的消息请求进行元数据的适配和转换。开发部署管理用于集成架构的开发和部署，是集成平台和新开发系统扩充的关键。这些拓展的部分，也是一种特殊的服务，但专用性较强，不需要变更，作为平台的支撑模块被提到总线层，在第三部分的关键技术中将对它们进行详细介绍。另外，遗留系统的业务处理将被封装成适配器，以供ESB进行调用。

服务层：服务层提供具体的服务并向总线层UDDI中心进行注册，这些服务采用了标准的SOA开发方式，面向接口编程，包括一些细粒度的数据访问web服务(Data Access Web Service，DAWS)和业务逻辑web 服务(Business Logic Web Service，BLWS)，以及由这些细粒度服务组合而成的粗粒度服务——业务处理web服务(Business Process Web Service， BPWS)。

数据层：数据层包括各系统的数据库，这些异构数据库由DAWS进行统一的访问。为保证加工设备的安全性，二级计算机是不允许直接访问的，因此，对二级计算机采用了Push更新方法，由适配器采用定时或事件驱动的方式将各机台采集的新数据向中间数据库进行推送，中间数据库采用双网卡，可由DAWS进行标准访问。

2基于SOA的制造企业信息系统集成模型

2.1信息集成模型

本文提出的基于ESB的制业造信息系统集成模型遵循了SOA架构，其信息模型如图2所示。用户登陆一站式企业应用门户，发送登陆请求，由ESB调用集中权限管理验证用户权限。并按照权限返回该用户能够进入的C/S模块或者B/S页面。用户进行操作时，ESB接受请求服务将其转换为支持SOAP协议的消息，通过UDDI中心进行查找匹配，成功后进行绑定， 然后通过集中权限管理验证用户服务调用和数据访问的合法性。验证通过后调用相应的服务进行业务处理，由DAWS进行数据的请求或更新，并将结果向ESB返回。再经由元数据适配器进行数据转换适配。最终处理结果又以SOAP消息返回给前台，由前台解析并以图形、表格、报表的形式展现给用户。对遗留系统，需要对其业务处理进行封装，用户请求先经由封装的适配器进行处理，使其调用访问过程保持一致。

图2　基于SOA的ESB系统集成信息处理模型

整个访问的详细步骤如下：

1)服务请求和查询：用户的操作将以标准SOAP协议消息发送给ESB总线，ESB在其UDDI中心查找匹配用户需要调用的服务，如果匹配不成功，则向前端发送服务匹配失败消息；

2)服务权限验证：服务匹配成功后，对用户调用该服务的权限进行合法性验证，验证的权限包括服务调用权限和数据查询权限，若权限不足则向前台发送拒绝服务消息；

3)元数据适配与转换：对于跨系统的服务调用，对于相同字段其数据字典往往是不一致的，元数据适配器承担了不同系统间元数据的适配作用，将服务请求中源数据字段转换为目标字段供查询，查询完毕后再对结果进行逆向转换；

4)服务调用和数据访问：调用BPWS，最后通过其中的DAWS进行数据的增删改查；

5)服务的处理及响应：ESB对服务的调用过程保证其事务性，并对调用日志进行记录，最终处理结果又以SOAP消息返回给前台，对用户操作进行响应，并对日志进行记录。

上述服务请求和调用过程并不限于业务处理，包括系统的登录和系统管理如新模块的开发与部署、用户权限的变更等。在登陆时对用户的权限进行验证，在进行系统管理时调用系统服务模块对数据记录和系统代码进行修改。

2.2系统网络集成模型

在上述部分，通过调用部署在ESB中的各种Web服务以及元数据转换，实现了对多系统信息的统一访问。在网络部署上，还需实现各系统的集成，系统网络集成模型如图3所示。通过企业现场总线连接企业的ERP、MES、OA、SCM等多个已有信息系统的服务器及数据库、新部署基于SOA的ESB服务器，以及企业内部所有的用户计算机、监控设备、设备前显示设备、手持扫描和录入设备等。对设备自带的数据库，通过网关存取数据到中间数据库，再将中间数据库与总线相连。对SCM、ERP、OA等需要外网使用的网络设备，通过互联网连接到企业内网，并在二者中间加设防火墙，保证企业内部信息的安全。

图3　系统网络集成模型

3信息系统集成关键技术

已有的研究对关键技术的介绍大多都定位于SOAP、UDDI、WSDL(Web Services Description Language)等技术层面上，这些SOA的支撑技术已经比较成熟，在此不作赘述。针对引言中总结的局限性，本文将对本集成模型中的集中权限管理、元数据适配、可重构的服务、多服务运行机制等关键方法进行探讨。

1)集中权限管理。传统的权限管理通常只对用户进行功能点的分配，通过功能界面和菜单的可获得性来限制用户的权限，这种授权方式在用户角色及权限发生变化时难以更改，同时，也不利于多系统的集成。集中权限管理对企业所有信息系统进行集中式的权限管理，以保证一站式的登录和无差异的操作。这些权限管理包括：①用户身份信息管理，对用户信息进行管理，用于验证用户是否为系统有效用户；②用户角色管理，对用户进行角色分配。角色对应一组拥有相同权限的用户，通常以岗位进行划分；③角色菜单权限管理：对用户的菜单可见性进行管理，将用户限制在自己的功能操作界面范围内；④角色服务权限管理，对角色进行服务授权，限制用户在调用服务时的权限，保证业务操作的安全性；⑤角色数据权限管理，对角色进行数据字段授权，限制用户对数据字段访问的权限，以保证隐私信息的可见级别。在开发部署新服务、菜单和业务对象之后，可以对角色进行菜单、服务和数据的访问控制进行授权，这些不同级别和类型权限管理形成了一个从界面层到数据层完整的权限控制模块。

2)元数据适配。元数据包括系统元数据和业务元数据。系统元数据作为集成平台运行基础，在系统建立时已经存在，业务元数据则是用户使用集成平台开发部署业务对象时生成的。元数据适配针对业务元数据 ，该模块主要功能有：①数据字典生成，对各子系统元数据进行管理，生成数据字典报表；②数据对照管理，一些具有相同含义的元数据字段在不同的系统中有不同的描述，在此进行管理，建立它们的对照关系；③元数据适配服务，在进行跨系统数据查询，依据数据对照关系对数据请求中的元数据进行转换和适配。元数据适配管理为不改变原有系统的前提下进行跨域跨系统查询、调用提供了一个透明的中介。

3)可重构的服务。服务的重复利用是SOA架构的目的，提供可重构的服务是系统有效集成的标志。一般来讲，粗粒度的服务符合松耦合原则，但粗粒度的服务不利于复用。因此，集成模型采用多粒度的服务设计。在服务层建立细粒度的数据访问web service和业务逻辑web service。这些细粒度的服务经由开发部署管理静态或业务流引擎起动态的组合，形成最终面向ESB和用户接口的业务处理web service，即BPWS=，其中，业务逻辑类的web service是可以自包含的，即BLWS =。由于多粒度服务的设计，重构变得易于实现，只需要在相应的服务层面上替换服务或更改调用顺序即可。同时，在业务流程更改或需求发生变化时，能够将改动范围减少到最小限度。

4)多服务运行机制。由于各系统分布在不同的级别，消息的触发机制不尽相同，故集成模型必须提供多种服务运行机制。这些机制包括：①用户请求模式，这是最常见也是使用得最多的模式，4级系统和3级系统基本采用这种模式，用户发送服务请求，系统接受并响应请求，将结果返回给用户；②事件驱动模式，用于针对特定事件的处理，例如机器发生故障或工艺监控到未按标准工艺执行时检测服务会自动向生产和质量模块发送消息触发报警，机台操作员的登陆和退出信息会由相应服务进行记录并推送到人力资源系统；③定时触发模式，主要用于设备所带的2级计算机数据采集，二级计算机会自动采集数据，由于二级计算机不可直接访问，并且部分机台采集数据过快，这些采集来的数据由适配器定时的进行提取、转换并保存在中间数据库中，供三级，四级MES、ERP等系统查询和决策。

4结语

本文在总结国内外对企业系统集成研究的基础上，提出了基于SOA的制造业信息系统集成体系结构，在该架构中，模型分为界面层、总线层、服务层和数据层四层，其中，总线层包括企业服务总线ESB及其拓展——集中权限管理、元数据适配器和开发部署管理。集中权限管理实现了对各系统用户集中式的权限控制；元数据适配保证了系统业务集成的同时能进行数据集成，而开发部署管理和业务流程引擎使系统提供可重构的服务，在遗留系统进行集成的同时保证了系统新加业务的可拓展性。最后，并对其消息运行机制进行了阐述。对系统集成过程中的关键技术进行了总结，对制造业信息系统的集成具有一定的指导意义。

参 考 文 献

[1]Andrey Vladimirovich Ostroukh，Dmitry Olegovich Gusenitsa，Valentina Borisovna Golubkova，et al. Integration of PDM and ERP systems within a unified information space of an enterprise [J]. IOSR Journal of Computer Engineering，2014，16(2)：31-33.

[2]Indranil Bose，Raktim Pal，Alex Ye. ERP and SCM systems integration：The case of a valve manufacturer in China [J]. Information & Management，2008，45：233-241.

[3]申利民，吕福军，李峰. 面向企业信息系统集成的Web服务推荐模型[J]. 计算机集成制造系统，2011，17(1)：186-190.

[4]Li Kuang，James Gao. A Framework to Integrate Manufacturing Information Systems [J]. Digital Enterprise Technology，2007(4)：369-376.

[5]André Vasconcelos，Miguel Mira da Silva，António Fernandes，et al. An Information System Architectural Framework for Enterprise Application Integration [C]. Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences，2004，5-8.

[6]Song Xiao，Zhang Lin，Yu Peng-fei. Semantic SOA-Based Enterprise Information System Integration Technology [C]. International Conference on Smart Manufacturing Application，2008，534-537.

[7]甄甫，刘民，董明宇. 基于面向服务架构消息中间件的业务流程系统集成方法研究[J]. 计算机集成制造系统，2009，15(5)：968-972.

[8]简斌，左荣国，闰光荣，等. 基于SOA的中小制造企业应用集成系统研究[J].计算机工程，2007，33(5)：243-245.

[9]马俊，丁晓明. 基于SOA的异构系统集成研究[J]. 计算机工程与设计，2008，29(14)：3638-3641.

Integration of Enterprise Information Systems Based on Service Oriented Architecture

YAN XiaohuiZHANG ZhicongHUANG HuiyuLI Shuai

(College of Mechanical Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China)

AbstractCurrently, many manufacturing enterprises tended to use computer aid system to improve their work efficiency. However, these systems which developed by different companies with different ways will bring “isolated island of information” problem. How to integrate these information systems effectively becomes an important problem. In this paper, an integration model based on Service Oriented Architecture is proposed, which includes four layers: presentation layer, bus layer, service layer and data layer. Information interaction model and network integration model are discussed. At last, several key technologies of the integration model, which manly contain centralized authorization management, metadata adaptation, reconfigurable services and multi service operating mechanism, are also introduced.

Key wordsisolated island of information; system integration; service oriented architecture

文章编号：1009-0312(2016)01-0063-06

中图分类号：TP391

文献标识码：A

作者简介：晏晓辉(1985—)，男，湖北黄冈人，讲师，博士，主要从事企业信息化、智能优化方法研究。

基金项目：国家自然科学基金(71201026，61503373)；广东省自然科学基金(2015A030310274，2015A030313649)；广东省教育厅科技创新项目(2013KJCX0179)。

收稿日期：2015-11-27