摘要：针对制造业信息化中存在的多种异构数据源问题，提出了一种基于XML的异构数据源集成系统框架，深入研究了关系数据库与XML的数据转换方式及数据查询处理等关键技术的实现。
关键词：信息化；异构；数据集成；XML
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）28-6659-03
随着信息化技术在制造业中的广泛应用，制造业信息化技术的发展趋势变为管理数字化、设计数字化、生产过程数字化、制造装备数字化，其信息化的建设已由单元系统应用逐步转向集成化应用。产品数据管理（product data management，PDM）技术基本上解决了企业内部CAD/CAPP/CAM等系统的集成问题，但在动态联盟环境下，要实现企业之间不同应用系统的动态集成和产品协同设计，需要建立一个支持公共数据模型的异构数据源集成系统。
异构数据源集成系统可以为用户屏蔽已有的各种异构数据系统不同的访问方法，给用户提供一个访问多种异构数据源的公共接口和一个集成处理多种数据源的信息交互处理平台[1]。随着计算机技术不断地发展，新的数据类型也不断出现，异构数据集成的研究工作也在不断地推进。目前，国内外很多专家在异构数据集成方面已开展了相关研究。BEA公司推出BEA WebLogic Enterprise Platform集成平台，支持将各种应用扩展和集成为端到端的业务流程[2]，微软推出了BizTak Server应用集成平台[3]，东南大学研究的Versatile[4]在虚拟数据集成方面取得了很大的成果，赵毅提出了一种基于XML的数据集成系统框架XDIFrame[5]，刘辉提出基于PDM系统的CAD集成系统的集成框架[6]，解决了PDM与CAD数据同时更新。从国内外的研究成果可以看出，不同数据集成模型追求的集成目标不尽相同，立足具体的应用领域，开发适合其业务需求的数据集成模型，为异构数据集成的标准的形成具有重要的意义。在实现制造业信息化异构数据集成方面，成熟的中间集成平台软件还较少。本文提出了一种应用于制造业信息化中的异构数据集成模型，采用XML Schema模型作为集成系统框架，可以集成制造业流水线上包括关系数据库系统、Web信息系统、文件系统等多种异构数据。
1 基于XML的异构数据集成模型
为消除数据源在数据模式上的差异，采用中间件模式来表示不同信息源的数据，不需改变原始数据的存储和管理。利用XML作为数据交换的中间模式，可以屏蔽后台的多种数据源及用简洁的方式描述复杂数据，改善软件的互通性。
基于XML中间件的异构数据集成模型采用XML Schema描述每个局部数据源的模式信息及全局模式信息，使用自顶向下逐步分解细化的查询方式对各关系型数据源进行数据查询，利用XQuery、SOAP等XML技术对异构数据的不同格式进行集成，实现多个客户端通过统一接口进行通信。整个体系结构分三层：应用层、集成中间件层、数据服务层。
1）应用层：提供用户接口，根据具体的应用和用户计算环境，使用专用的客户端或Web浏览器对应用服务层进行数据访问，并且可以把集成中间层返回的XML格式数据转化为相应的显示格式展示给用户。不管应用是B/S还是C/S模式，只要遵循接口层的接口规范，就可以透明而有效地操作底层各类数据源。
2）集成中间件层：该层位于应用层和数据服务层之间，是实现异构数据集成的关键，向上为系统提供统一的数据模式和数据访问通用接口， 向下协调各独立数据库的信息查询，同时还可进行数据与XML格式的转换，将数据存储到XML数据空间，并且维持XML数据空间与各异构数据源间的映射关系。
3）数据服务层：是系统数据的提供者，数据源包括各种结构化数据源如关系数据库和面向对象数据库，半结构化数据源XML文档等信息。
2 制造业信息化中异构数据集成框架
制造业信息化中的数据集成主要包括两种：一种是CAD/CAM/CAPP系统之间的几何数据集成，此类数据可以通过国际标准或行业标准等来实现，且早已解决，另一种是非图形数据集成，如零部件属性及之相关联的其它文档数据[7]。
根据基于XML的异构数据集成模型，结合制造行业异构数据环境，制造业信息化中异构数据集成框架如图1所示。其结构采用中间件架构，由数据资源层、集成数据层和应用层组成。
图1 制造业信息化异构数据集成框架
1）集成数据层：位于应用程序（应用层）与数据资源层之间，是实现异构数据集成的关键，主要负责数据集成与查询处理。其中包装器负责和各数据源交互，中介器将全局查询映射到每一个局部模块，查询处理器主要负责接受用户的查询请求，先把基于全局视图的查询转化为对各个局部视图的子查询，再将子查询交给每个包装器执行，最后把查询结果返回并整合反馈给用户。集成管理器一方面负责对分布局部数据的增、删管理操作，通过全局映射管理每一个数据源，实现数据集成管理，另一方面负责局部数据到全局数据的集成，并将局部视图映射到全局视图中。根据制造行业数据异构性较强的特点，本系统采用LAV（Local-As-View）的数据集成映射方法[8]。此映射方法在局部模式和全局模式间建立映射关系，当数据源发生变化时，只需改变相应的映射关系；当增加数据源时，只需添加局部模式的视图，且和全局视图匹配。
2）应用层：是平台入口，根据具体应用及用户计算环境，采用合适的应用软件或信息访问技术，主要实现企业各种应用的再利用和整合及企业间业务流程的逻辑表示。
3）数据资源层：处于最低层，主要包含与设计相关的各类类型数据资源，如文档库、结构件库、零件库、流式数据文件、半结构化数据等。
3 数据集成实现中关键技术
3.1 关系数据库与XML的数据转换 关系数据库是结构化数据，通过表的形式来表示的，而XML文档属于半结构化数据，依据是XML Schmema或DTD，两者数据结构不同，是不能直接进行相互访问和存储的。在数据库结构和文档结构之间进行数据转换时，关键问题是如何把关系数据库表达的结构及约束映射为XML。本系统中采用基于对象映射机制由数据库模式生成XML模式，其映射规则为：对应每一个数据库建立一个XML Schema文件，且在文件中建立与数据库同名的根元素，在根元素下创建Complextype类型元素，并把数据库中各个表作为子元素加入到该元素中，同时为表元素创建Complextype类型元素，把表中各字段作为其子元素。
在以上映射规则基础上，关系数据库与XML之间的数据转换实现如图2所示，数据转换分为由XML数据导入数据库和从数据库导出生成XML文档两个过程[9]。
图2 关系数据库与XML的数据转换
XML数据导入数据库时，根据上述提供的映射规则和XML DTD文档建立映射文件，将XML DTD文档映射为数据库中表结构，然后采用XML转换器对XML文档解析，提取其中相应节点的数据，再通过数据库访问接口导入到关系数据库中。
反之，从关系数据库导出数据时，先根据关系数据库中的表结构生成映射文件，再根据映射文件，XML转换器从关系数据库中提取数据，生成XML文档对象模型DOM，最后序列化为XML文档。
3.2 数据查询处理
查询处理是异构数据集成系统的关键技术之一，主要包含查询预处理、查询分解和查询结果整合3个步骤。
1）查询预处理：用户发出查询请求时，查询处理器收到后首先检查语义是否合法，若有错则返回错误信息并停止查询，否则系统会在全局视图中为其生成XQuery查询语句，包含了全局模式的具体信息，并且进行查询逻辑的检查。
2）查询分解：XQuery语句通过验证并获得安全控制器的认可后，由查询解析器将其发送到查询分解器。首先对全局查询语句进行分析，再根据数据源的描述信息、模式间的映射规则和全局模式建立查询分解树，将用户查询分解为针对每个数据源输出模式的局部多个子查询形式，通过统一接口发送到包装器。
3）查询数据整合：将来自各个包装器分散的XML文档进行整合，采用XML Schema进行有效性验证，消除重复和无用的信息，提取用户需求的数据，合并为一个符合全局模式的XML文档，最后提供给用户。
4 结束语
文章通过研究XML的异构数据集成方案，采用XML Schema模型作为集成系统框架，结合制造行业异构数据环境，提出了一种应用于制造业信息化中的异构数据集成模型。该方案较好地解决制造业信息化应用中的异构数据源集成问题，实现数据的共享。同时由于制造业涉及数据的复杂性，有很多问题还需进一步的研究。
参考文献：
[1] 李昭原，罗晓沛.数据库技术新进展[M].北京：清华大学出版社，2007：85-93.
[2] BEA.BEAWebLogic Enterprise Platform技术解决方案[EB/OL].[2005-01-23].，http：//www，bea. com.cn/solutions/techsolu/beawebenterplat/index. Jsp.
[3] Microsoft企业应用集成服务平台白皮书[EB/OL].[2005-10-21]. www.microfoft.com/china/technet/prodtechnol/ biztak/ roadshow/Product/at.sap.
[4] 刘科研，万丽荣，曾庆良.基于XML的信息集成系统的研究与实现[J].计算机应用研究，2005（4）：149-154.
[5] 赵毅.一种基于XML的数据集成系统框架及其应用[J].计算机工程，2005（26）：181-183.
[6] 刘辉.基于PDM系统的CAD集成技术研究[J].机械工程与自动化，2009（1）：28-32.
[7] 郭钢，沈磊.面向制造业信息化数据集成应用的中间集成平台技术[J].四川兵工学报，2008（1）.
[8] LENZERINI M.Data Integration：A theoretical perspective[C].Proc.of the 21st ACM SIGMOD symposium on principles of database systems.New York：ACM Press，2004.
[9] 葛江华，李志强，等.面向复杂产品的数据集成模型研究[J].计算机应用研究，2009（4）：1425-1427.
