面向服務鏈構(gòu)建的云制造資源集成共享技術(shù)研究

王正成 黃 洋

浙江理工大學，杭州，310018

0 引言

跨組織的合作與協(xié)同已成為全球化經(jīng)濟時代現(xiàn)代制造企業(yè)發(fā)展的主題。建立面向跨組織協(xié)同制造的資源集成共享方法與相關(guān)使能技術(shù)是當前乃至今后若干年內(nèi)制造業(yè)所面臨的最緊迫的任務之一。近20年來在敏捷制造、網(wǎng)絡化制造、面向服務的制造等先進制造理念與思想指導下，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)與組織對虛擬企業(yè)、協(xié)作網(wǎng)絡、制造網(wǎng)格、應用服務提供商等先進制造模式開展了大量的研究與實踐，取得了一定的研究成果并實現(xiàn)了一些典型應用，但其固有存在的服務模式問題、制造資源的共享與分配技術(shù)問題和安全問題阻礙了相關(guān)研究成果的擴大深化應用［1］。

云制造通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、云安全、面向服務的網(wǎng)絡信息等技術(shù)融合，實現(xiàn)跨組織分布、自治、異構(gòu)的制造資源統(tǒng)一、集中的智能化管理與經(jīng)營，一方面提高了資源服務提供方的資源利用率，實現(xiàn)增值增效；另一方面通過任務分解、自動尋租、檢索匹配和協(xié)同服務等技術(shù)實現(xiàn)資源需求方的低碳綠色制造。云制造目標是基于專業(yè)核心競爭力共享，實現(xiàn)敏捷化整合社會制造資源，其本質(zhì)是一種具有面向服務和需求、透明集成、主動多用戶參與、按需使用與付費、低門檻外包式制造模式。云制造是一個新概念，當前眾多研究者從概念、模型、體系結(jié)構(gòu)等角度對云制造進行了研究。云制造環(huán)境下資源共享和應用過程是基于任務驅(qū)動資源而形成共享服務鏈的過程，而目前對實現(xiàn)云制造環(huán)境下任務與服務間的動態(tài)映射及動態(tài)服務鏈的構(gòu)建尚缺乏系統(tǒng)解決方案［2］。

因此，本文根據(jù)云制造的概念和特點引入資源服務鏈的概念，并基于時序約束關(guān)聯(lián)的原子任務鏈驅(qū)動的資源服務鏈構(gòu)建，來實現(xiàn)云制造環(huán)境下資源集成共享，對云制造環(huán)境下資源服務模型、資源與任務建模及資源的虛擬化封裝、協(xié)同制造任務的自動分解、資源服務鏈的構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 云制造資源共享過程模型

本文提出的資源服務鏈是指服務于云制造總?cè)蝿辗纸庑纬傻臅r序與約束關(guān)聯(lián)的原子任務執(zhí)行過程中各種制造資源所構(gòu)成的資源鏈。因此，通過資源服務鏈的構(gòu)建與運行，能有機地集成和處理云制造中資源集成共享所涉及的資源建模、檢索匹配、選擇評價、調(diào)度、監(jiān)控等一系列問題，從而形成一個系統(tǒng)性的綜合方案；而資源服務鏈本身又是在云制造過程中各項具有時序與約束關(guān)聯(lián)的原子任務鏈驅(qū)動下構(gòu)建形成的，因而能在全局和系統(tǒng)層面實現(xiàn)跨組織協(xié)同制造中資源的集成共享。因此，復雜的跨組織協(xié)同制造中資源的集成共享問題自然轉(zhuǎn)化為任務鏈驅(qū)動的資源服務鏈的構(gòu)建問題。基于上述認識提出云制造模式下資源共享的過程模型，如圖1所示。該過程模型的核心是：

（1）基于面向服務的思想，利用網(wǎng)絡信息技術(shù)把分布、自治、異構(gòu)的云制造資源轉(zhuǎn)化為標準規(guī)范的資源服務，并通過面向服務技術(shù)將其封裝適配到集成共享平臺中。

（2）利用面向服務技術(shù)，把不同類型和粒度的云制造總?cè)蝿战?jīng)一定的分解策略轉(zhuǎn)化為時序約束關(guān)聯(lián)的原子任務鏈，并把標準規(guī)范化描述的原子任務注冊發(fā)布到集成共享平臺中。

（3）基于原子任務和約束的云制造資源服務檢索匹配與選擇評價算法，獲得各原子任務的候選制造資源服務對象集合。

（4）通過基于時序約束關(guān)聯(lián)的原子任務鏈驅(qū)動的云制造資源服務鏈構(gòu)建來實現(xiàn)跨組織資源集成共享與優(yōu)化配置。

圖1 面向服務鏈構(gòu)建的云制造資源集成共享過程

上述云制造環(huán)境下的資源集成共享過程模型具有以下幾個顯著特點：

（1）實現(xiàn)了云制造環(huán)境下協(xié)同制造任務分解，時序約束關(guān)聯(lián)原子任務鏈構(gòu)建，基于語義本體的資源虛擬化封裝、資源注冊、發(fā)現(xiàn)、匹配和交易等全過程的優(yōu)化管理，從而為求解大規(guī)模復雜問題的協(xié)同制造及資源共享提供了可能。

（2）充分體現(xiàn)了云制造“分散資源集中使用，集中資源分散服務”的服務模式與思想。

（3）通過時序約束關(guān)聯(lián)原子任務鏈驅(qū)動資源服務鏈構(gòu)建實現(xiàn)業(yè)務鏈動態(tài)生成，為實現(xiàn)云制造環(huán)境下更廣域范圍、更深、更靈活的資源集成共享提供了有效的解決手段。

2 云制造資源與任務建模及資源服務化封裝

2.1 云制造資源與任務建模

分布、自治、異構(gòu)且類多量大的云制造資源與任務標準化描述是實現(xiàn)資源集成共享的前提與基礎。由于云制造模式下資源與任務類多量大，為便于云制造資源的集成共享和組織管理，首先要對云制造過程中可能用到的各種資源與任務建立統(tǒng)一分類體系，從而使云制造模式下的資源與任務在描述、表達和理解上具有一致性。在云制造模式下，資源分為設備類、人力類、軟件類、知識類、物料類、服務類和信息類等類型，任務分為分析設計類、加工制造業(yè)類、物流配送類和資源應用類等類型。其次，對云制造各類資源與任務從數(shù)據(jù)層、語義層和邏輯層均分別采用可擴展標記語言（extensible markup language，XML）、Web 服務 本 體 描 述 語 言 （Web service ontology language，OWL－S）和統(tǒng)一建模語言（unified modeling language，UML）來建立相應的可擴展描述模板，由此建立云制造資源與任務建模參考標準。其中，基于OWL－S的語義模板適于基于語義本體資源服務檢索匹配，基于XML的數(shù)據(jù)模板適于網(wǎng)絡傳輸與解析，基于UML的對象模板適于跨組織資源與任務層次化分類定義，而各類資源模板之間的邏輯映射關(guān)系通過有向弧方式建立，從而使跨企業(yè)制造資源與任務形成具有分層的有向網(wǎng)絡圖結(jié)構(gòu)。在此基礎上可通過擴展基于Web Service標準技術(shù)體系的通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成服務（universal description，discovery and integration，UDDI）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應用程序編程接口（application programming interface，API）來建立云制造資源與任務的管理組織方案?；谡Z義對象的云制造加工類任務本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，對云制造加工任務基于本體從概念、屬性和關(guān)聯(lián)關(guān)系等角度進行了全面系統(tǒng)的抽象描述。通過任務編號、名稱、提交方、類型、狀態(tài)和時間等信息描述了任務本體概念。通過加工任務的約束屬性、特征屬性和評價屬性定義實現(xiàn)了加工任務的屬性描述。通過多種關(guān)聯(lián)屬性定義了加工任務之間的關(guān)系定義。

圖2 基于語義對象的云制造加工類任務本體結(jié)構(gòu)示意圖

不同類型的云制造任務按圖2所示的方式詳細定義好本體結(jié)構(gòu)后，根據(jù)描述模板通過OWL－S進行制造任務語義描述，OWL－S使得云制造加工制造類任務具備機器可理解性和易用性，從而支持自動的、動態(tài)的云制造資源服務發(fā)現(xiàn)、執(zhí)行、組合和互操作。云制造資源建模方法與任務建模方法主要的區(qū)別為云制造資源建模方法在具體建模時需要考慮資源類型、應用場景、狀態(tài)和能力等關(guān)鍵屬性信息。基于語義對象的云制造設備類資源服務本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，基于本體從概念、屬性和關(guān)聯(lián)等角度對云制造設備類資源進行了全面系統(tǒng)的抽象定義。通過對設備的名稱、類型、型號、供應廠家、所屬企業(yè)、購置日期和狀態(tài)等基本信息描述定義了設備類本體的概念；通過能力屬性、約束屬性、評價屬性和接口屬性定義實現(xiàn)了對設備類資源本體信息描述；通過多種關(guān)聯(lián)關(guān)系定義描述了設備類資源本體的關(guān)系定義。而對設備類資源本體屬性約束可以通過OWL－S的關(guān)鍵詞實現(xiàn)取值約束、基數(shù)約束、繼承約束、定義域約束、值域約束、關(guān)系約束和特性約束。

按上述方法建立各類云制造任務與資源本體結(jié)構(gòu)后，采用斯坦福大學開發(fā)的Protégé本體建模工具，通過人機交互可視化建模方式編輯各類任務和資源的概念、屬性和關(guān)聯(lián)等本體元素，建立基于語義對象的云制造資源與任務描述模型，并運用其中的驗證、評價機制對模型進行校驗。采用Protégé本體編輯工具建立云制造資源與任務的概念模型和特征信息后，通過ProtégéOWL Plugin工具編輯和校驗，并將本體模型自動轉(zhuǎn)換成對應的OWL－S描述模型。通過對云制造資源與任務的本體建模和語義描述，為解決異構(gòu)資源與任務的組合、互操作、檢索匹配等奠定語義基礎。

圖3 基于語義對象的云制造設備類資源服務本體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 云制造資源服務化封裝

為屏蔽云制造環(huán)境下資源的異構(gòu)性和復雜性，并將物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯制造資源，解除物理制造資源與其應用之間的緊耦合關(guān)系，使其對外呈現(xiàn)統(tǒng)一的調(diào)用接口，需將云制造資源封裝為有狀態(tài)的Web服務資源。本文提出基于Web服務資源框架（Web service resource framework，WSRF）實現(xiàn)云制造資源服務化封裝，其封裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。WSRF不僅定義了跨組織資源的共享機制及管理機制，而且提供了使用Web服務資源（WSResource）的方法和狀態(tài)資源（Stateful Resource）建模的能力。WS－Resource方法有利于服務之間的互操作，為不同服務提供者和服務使用者描述、訪問和管理有狀態(tài)資源提供了一種通用方法［3－4］。

圖4 云制造資源服務化封裝過程示意圖

根據(jù)圖4，云制造標準化資源的封裝分為Web服務封裝和Stateful資源封裝。其中，Stateful資源封裝了制造資源的屬性信息。根據(jù)制造資源屬性信息的特點及實現(xiàn)方式的不同將其分為三類：靜態(tài)屬性信息、動態(tài)屬性信息以及任務隊列信息。靜態(tài)屬性信息描述資源的基本信息、約束信息、關(guān)聯(lián)信息、能力信息和評價信息等，它相對比較穩(wěn)定，不需要頻繁的被訪問和修改。動態(tài)屬性信息描述制造資源在執(zhí)行制造任務的過程中實時變化的信息，主要分為資源狀態(tài)信息和當前任務狀態(tài)兩部分，其中資源狀態(tài)信息記錄了制造資源在執(zhí)行任務狀態(tài)下的動態(tài)屬性信息，而當前任務狀態(tài)則描述了當前任務的執(zhí)行情況。任務隊列信息描述了在制造資源上執(zhí)行過的、正在執(zhí)行的以及計劃執(zhí)行的任務信息，它為云制造資源的預留提供了依據(jù)。

云制造資源Web服務化封裝實現(xiàn)首先基于前文定義的本體結(jié)構(gòu)模型將特定資源根據(jù)本體概念使用XML格式描述成無歧義的服務數(shù)據(jù)；其次把服務接口和操作抽象出來描述為WSDL文件，對其訪問接口和操作方法進行定義，并用相應的編程語言實現(xiàn)訪問接口，從而形成滿足WSRF技術(shù)規(guī)范的資源服務；再次采用Web服務部署描述（Web services deploy description，WSDD）文件來定義Web服務部署所需要的參數(shù)，它包括一個服務地址（wsa：Address）、與服務地址關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)（如WSDL服務描述信息）以及與使用服務相關(guān)的策略信息（wsa：ReferenceProperties），從而可以定義一個在端點地址上與Web服務關(guān)聯(lián)的有狀態(tài)資源的實例。最后使用Globus Toolkit中的部署工具將已封裝好的服務部署到Globus容器中，當容器啟動后資源請求者就可以通過地址調(diào)用所需的制造資源服務。

3 云制造任務分解與原子任務鏈構(gòu)建

云制造任務具有多樣性、多層次性、多路徑、多資源協(xié)作和多約束條件等特點，另外云制造任務的分解分配與傳統(tǒng)制造模式下的任務分解分配在分配對象、分配目標、分配策略、分配范圍和約束條件定義等方面都有很多不同。本文提出先根據(jù)產(chǎn)品形成過程各階段任務的特點、約束、概念和關(guān)聯(lián)等進行抽象分析，并從成本、周期和技術(shù)方案等約束角度對影響云制造任務分解粒度的關(guān)鍵因素進行詳細分析，然后基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和合作案例庫建立跨組織協(xié)同制造任務分解模型，按功能與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式將總?cè)蝿辗纸獬啥鄠€子任務，圖5給出了云制造加工制造類任務分解過程。

圖5 云制造加工制造類任務分解過程示意圖

（1）假設云制造產(chǎn)品BOM共有n層，初始化BOM的層次i＝1，i∈［1，n］，根據(jù)市場客戶訂單和庫存文件確定BOM第0層（產(chǎn)品層）的任務周期和數(shù)量。

（2）檢索案例庫，查詢針對該任務是否有成功的歷史合作案例，所謂成功是相對的，如果案例庫中雙方的合作評價值大于任務請求方的期望值就是成功的。如有成功的歷史合作案例，就執(zhí)行（3）；若無則執(zhí)行（4）。

（3）檢索到針對第i層任務的成功合作案例，與資源提供方基于合同進行商務洽談。若洽談成功，則該第i層的制造任務tai為分解后的子任務之一。

（4）若檢索到針對第i層任務無成功合作案例，則將其確定為帶分解任務，并對其相應制造對象根據(jù)產(chǎn)品BOM進行物料類型判斷。若為采購件或外協(xié)件則將第i層的制造任務tai作為分解后的子任務之一。

（5）若根據(jù)產(chǎn)品BOM第i層的待分解任務所對應的加工對象物料類型為自制件，則根據(jù)相應任務周期企業(yè)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)計劃進行能力平衡判定。若平衡則將該第i層的制造任務ti確定為企業(yè)自制任務，執(zhí)行（6）；若不平衡則將確定超能力的制造任務并將其發(fā)布為分解后的子任務之一。

（6）若產(chǎn)品BOM第i層共有m項任務，則初始化j＝1，j∈［1，m］并按照上述步驟（1）～（5）循環(huán)判斷待分解任務taij是否作為分解后的子任務，直至j＝m即第i層所有任務分解完畢。

（7）按產(chǎn)品BOM遍歷直至i＝n。

分解后的任務是一種層次的樹狀結(jié)構(gòu)，采用任務結(jié)構(gòu)樹來描述。分解后的各個任務之間的聯(lián)系采用基于Steward的設計結(jié)構(gòu)矩陣（design structure matrix，DSM）思想和產(chǎn)品工藝路線而提出 的 任 務 結(jié) 構(gòu)矩陣 （task structure matrix，TSM）的形式表示：

結(jié)構(gòu)矩陣的維數(shù)代表分解后任務個數(shù)，對角線上的元素代表任務活動本身，TSM的每一行表示完成該活動所對應的任務需要其他各列任務的支持信息。利用結(jié)構(gòu)矩陣可以十分方便地進行云制造協(xié)同任務的規(guī)劃和管理，同時也可以幫助各參與者認識任務的本質(zhì)和規(guī)律。通過判定分解后所形成任務矩陣的稀疏性和耦合性來確定各子任務的執(zhí)行順序，任務結(jié)構(gòu)矩陣通過量化模式和聚類算法實現(xiàn)任務間關(guān)聯(lián)類型、特征及重要程度的分析。同時，對云制造總?cè)蝿账铦M足的QoS約束（即總?cè)蝿占s束）進行分解形成各原子任務約束，其分解原理如圖6所示。針對特定云制造任務，根據(jù)上述分解后形成的任務矩陣、各原子任務約束、任務工藝路線，可基于Petri網(wǎng)和商業(yè)流程執(zhí)行語言（Business Process Execution Language For Web Services，BPEL4WS）建立云制造原子任務鏈。

4 云制造資源服務鏈構(gòu)建

4.1 單原子任務驅(qū)動云制造資源服務檢索匹配

圖6 云制造總?cè)蝿誕oS約束分解原理示意圖

單原子任務驅(qū)動云制造資源服務檢索匹配階段的關(guān)鍵是要搞清采用何種算法和機制快速有效地找到滿足任務需求的資源服務。本文從類型、文本語義、I/O參數(shù)和QoS約束等角度提出單原子任務驅(qū)動的制造資源檢索匹配算法：

其中，u1～u4分別為檢索匹配過程中類型匹配值TypeMatch（TP，RP）、語 義 匹 配 值SemMatch（TP，RP）、輸入輸出參數(shù)匹配值IOMatch（TP，RP）和QoS約束匹配值QoSMatch（TP，RP）相應的權(quán)重。類型匹配TypeMatch（TP，RP）的目的是確定制造任務所需的資源服務類型和資源服務自身所聲明的在類型上的相似性，其中TP代表任務提交方（task provider），RP代表資源提供方（resource provider）。語義匹配SemMatch（TP，RP）通過計算服務請求和資源服務的名稱、描述的語義相關(guān)度來完成，目的是確定兩者在描述上的相似性。輸入輸出參數(shù)匹配IOMatch（TP，RP）通過綜合計算制造任務和資源服務輸入輸出類型和語義的相關(guān)度，確定兩者在功能上的相似性。QoS約束匹配QoSMatch（TP，RP）通過計算QoS相關(guān)度完成，QoS相關(guān)度基于制造任務和資源服務中的評價指標來計算，其目的是確定兩者在操作能力上的相似性。式（2）中TypeMatch（TP，RP）、SemMatch（TP，RP）、IOMatch（TP，RP）和QoSMatch（TP，RP）的計算模型參見文獻［4］。

4.2 多原子任務驅(qū)動的云制造資源服務鏈構(gòu)建

云制造資源服務鏈是根據(jù)特定的制造原子任務檢索匹配情況，由時序與約束來關(guān)聯(lián)多原子任務驅(qū)動而形成的結(jié)果。本文提出將時序關(guān)聯(lián)的多任務驅(qū)動的云制造資源服務鏈構(gòu)建問題抽象為多目標約束的最短路徑選擇問題，建立相應的目標函數(shù)如下：

其中，α和β分別為任務提交方對時間和成本因素的綜合權(quán)重，α＋β＝1且α，β∈［0，1］；T為云制造資源服務鏈運行時間函數(shù)，包括資源服務準備時間、執(zhí)行時間以及資源服務間的周轉(zhuǎn)時間；C為云制造資源服務鏈運行成本函數(shù)，包括資源服務執(zhí)行成本與資源服務間的周轉(zhuǎn)成本等。T和C的數(shù)學模型分別如下：

5 仿真算例

某模具制造企業(yè)接到一大型注塑模具加工訂單，批量為5件，報價為40萬元，交貨期為20天，需通過云制造資源服務平臺外協(xié)合作完成。假設該模具制造企業(yè)根據(jù)本文方法對加工訂單進行分解，并已將所分解形成需外協(xié)合作原子任務基于特定描述的模板在云制造資源服務平臺發(fā)布注冊，而平臺中的資源服務庫中已存在相關(guān)可提供外協(xié)服務的模具加工資源。根據(jù)單任務驅(qū)動的資源服務檢索匹配算法（式（2）），除開始時的ta0任務和結(jié)束時的ta7任務，每個原子任務各有兩個候選云制造資源服務，經(jīng)云制造任務分解所形成的各個候選云制造資源任務與服務的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模具云制造原子任務與候選資源服務關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖

上述算例各原子任務候選資源間的加工時間成本及連接時間成本等性能參數(shù)如表1所示。

該算例基于前文所述的目標函數(shù)，采用蟻群算法在 MATLAB 7.0中仿真求解，具體實現(xiàn)技術(shù)與過程參考文獻［5］。設置蟻群算法基本初始化參數(shù)如下：總信息素量Q＝100，螞蟻數(shù)量m＝40，啟發(fā)因子α＝1，β＝3，信息素殘留系數(shù)ρ＝0.5，啟發(fā)式期望值常量C＝30。經(jīng)計算，該企業(yè)模具云制造資源服務鏈基于成本最低構(gòu)建結(jié)果如圖8所示，此時該模具云制造完成時間為62.4d，總制造成本為107.1千元。

基于時間最短構(gòu)建結(jié)果如圖9所示，此時總制造完成時間為52.3d，總制造成本為131.4千元。

基于時間成本綜合最優(yōu)結(jié)果如圖10所示，此時目標函數(shù)式（3）中的時間成本權(quán)重均為0.5，該模具云制造完成時間為54.2d，總制造成本為120千元。因此，調(diào)整目標函數(shù)中時間成本權(quán)重值可優(yōu)化得到不同的模具云制造任務分配結(jié)果。

6 結(jié)束語

制造資源集成共享一直是國內(nèi)外眾多學者的研究熱點與難點，云制造以實現(xiàn)敏捷化、服務化、智能化的綠色低碳制造為目標，同時作為面向服務的網(wǎng)絡化制造新模式，為實現(xiàn)跨組織制造資源的集成共享與優(yōu)化配置、促進制造資源的增值增效，進而增強制造企業(yè)核心競爭力提供了新的解決思路。

表1 仿真算例各子任務候選資源性能參數(shù)表

圖8 算例模具云制造基于成本最低資源服務鏈構(gòu)建示意圖

圖9 算例模具云制造基于時間最短資源服務鏈構(gòu)建示意圖

圖10 算例模具云制造基于時間成本最優(yōu)資源服務鏈構(gòu)建示意圖（α＝β＝0.5）

本文在對云制造相關(guān)研究工作進行分析的基礎上，深刻把握云制造資源集成共享與優(yōu)化配置本質(zhì)——時序關(guān)聯(lián)任務驅(qū)動云制造資源服務鏈構(gòu)建，以云制造資源服務鏈構(gòu)建為研究視角，系統(tǒng)深入地分析云制造資源集成共享所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出了相應的解決方案，如云制造資源共享過程模型、云制造資源與任務建模及資源服務化封裝、云制造任務分解及原子任務鏈構(gòu)建、云制造資源服務檢索及資源服務鏈構(gòu)建等，并通過仿真算例證明了相關(guān)研究成果的有效性與可行性。

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