基于動(dòng)態(tài)集成框架的云制造服務(wù)過(guò)程追溯與匹配研究

崔曉康，馬 軍，李立偉，王 輝

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

隨著市場(chǎng)化和全球化逐步深入，跨行業(yè)、跨地域的制造企業(yè)及資源相互聯(lián)系，逐步成為一個(gè)大規(guī)模的、復(fù)雜的制造網(wǎng)絡(luò)，以響應(yīng)客戶定制化的生產(chǎn)服務(wù)需求。制造服務(wù)協(xié)同使企業(yè)資源和能力在廣域范圍內(nèi)充分共享，促進(jìn)企業(yè)專業(yè)化和服務(wù)化。云制造服務(wù)是實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)協(xié)同的重要技術(shù)支撐[1]。

云制造基于物聯(lián)網(wǎng)、信息系統(tǒng)、云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)各種軟硬件制造資源進(jìn)行互聯(lián)、感知與獲取，形成一種制造資源按需使用的新型生產(chǎn)服務(wù)環(huán)境[2]。制造資源的服務(wù)能力是云制造領(lǐng)域最重要和最核心的研究?jī)?nèi)容之一，由此，劉士軍等[3]提出了一種基于四叉樹(shù)的云制造資源多維屬性區(qū)間搜索方法。羅永亮等[4]針對(duì)云制造模式下制造能力，構(gòu)建了制造能力多維信息模型。黃沈權(quán)等[5]基于客戶需求分離點(diǎn)將云服務(wù)按需供應(yīng)模式分為按需提供、按需組合、按需設(shè)計(jì)和按需研發(fā)四類模式。為滿足云制造背景下海量數(shù)據(jù)處理的效率要求，張金廣等[6]將語(yǔ)義相似度算法應(yīng)用到云制造背景下的服務(wù)匹配中。魏樂(lè)等[7]提出了一種基于可信評(píng)價(jià)的制造云服務(wù)選擇方法。

然而，上述研究主要圍繞制造任務(wù)展開(kāi)云制造資源的搜索，但如何控制云制造資源虛擬化過(guò)程，并建立有一定普適性的云制造資源服務(wù)能力評(píng)價(jià)機(jī)制，目前還缺乏系統(tǒng)的探討。因此，本文基于制造資源的不同形態(tài)，提出了云制造資源動(dòng)態(tài)集成框架，研究基于RFID的云制造服務(wù)過(guò)程追溯機(jī)制，建立了云制造資源服務(wù)能力多目標(biāo)評(píng)價(jià)體系，并通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)和計(jì)算云制造資源優(yōu)先值，為制造任務(wù)匹配最優(yōu)云制造資源節(jié)點(diǎn)。

1 制造服務(wù)協(xié)同中云制造資源集成

1.1 基于云計(jì)算的云制造資源動(dòng)態(tài)集成模型

云制造資源是企業(yè)完成產(chǎn)品整個(gè)生命周期所有生產(chǎn)活動(dòng)的物理元素的總稱[2]。這些制造資源按照其存在形態(tài)可劃分為硬件資源和軟件資源。硬件資源包括工裝夾具、量具、加工測(cè)量設(shè)備等。軟件資源是指產(chǎn)品制造過(guò)程中所涉及的各種應(yīng)用軟件、產(chǎn)品模型，圖紙、工程數(shù)據(jù)庫(kù)、技術(shù)文件等信息。

目前，云制造資源的組織架構(gòu)包括ASP（Application Service Provider）、Web服務(wù)和制造網(wǎng)格三種。ASP強(qiáng)調(diào)制造資源能自身實(shí)現(xiàn)基于Web的應(yīng)用及集中控制，制造網(wǎng)格（Manufacturing Grid）需要智能調(diào)度算法完成對(duì)分布式資源的配置，而Web服務(wù)多采用接口技術(shù)，以封裝的應(yīng)用服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)虛擬制造資源的集成和共享。因此，需要考慮不同制造資源的形態(tài)提出切實(shí)可行的動(dòng)態(tài)集成技術(shù)。

云制造服務(wù)過(guò)程中包括了云制造資源提供者、云制造資源消費(fèi)者和第三方云制造服務(wù)商三類群體。其中，云制造資源提供者(如外協(xié)企業(yè))本身?yè)碛兄圃熨Y源，希望以出租/轉(zhuǎn)讓制造資源的形式獲取最大化的收益；而云制造資源消費(fèi)者(如核心企業(yè)、委托加工單位)并不擁有特定的制造資源，希望以較低的成本換取資源提供者的資源，在有限的時(shí)間內(nèi)，充分發(fā)揮制造資源的使用效率；第三方云制造服務(wù)商則通過(guò)集成、調(diào)配不同云制造資源提供者的資源，為云制造資源消費(fèi)者提供高質(zhì)量的制造服務(wù)，獲取一定的利潤(rùn)。

基于上述分析，如圖1所示，云制造資源動(dòng)態(tài)集成框架可基于云計(jì)算架構(gòu)，結(jié)合ASP、WEB服務(wù)和制造網(wǎng)格的思想，為每個(gè)云制造資源提供者提供一個(gè)云端接口，維護(hù)各自的制造資源(這些資源被虛擬化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，分別存儲(chǔ)在云端的不同位置)。對(duì)于云制造資源提供者的遺留系統(tǒng)，將其中的應(yīng)用模塊封裝為服務(wù)，整合到制造云中。在此基礎(chǔ)上，提供一組支撐云服務(wù)，作為制造資源優(yōu)化調(diào)度與組合的基礎(chǔ)。圖1描述了實(shí)現(xiàn)制造資源配置的云服務(wù)過(guò)程：

1) 客戶、第三方云制造服務(wù)商或制造企業(yè)在云制造資源服務(wù)平臺(tái)上進(jìn)行注冊(cè)，得到服務(wù)標(biāo)識(shí)，并描述服務(wù)需求，如訂單號(hào)、時(shí)間、周期、地點(diǎn)等。

圖1 云制造資源動(dòng)態(tài)集成模型

2) 建立云制造服務(wù)認(rèn)證庫(kù)，讓云制造在一個(gè)服務(wù)進(jìn)程的生命周期中完成。云制造服務(wù)認(rèn)證包括的信息有：(1) 云制造資源提供商身份；(2) 云制造資源提供企業(yè)服務(wù)能力；(3) 制造資源登記；(4)當(dāng)前制造記錄；(5) 生產(chǎn)計(jì)劃庫(kù)更新信息。

3) 初始化云制造服務(wù)生命周期，按云制造服務(wù)生命周期協(xié)議進(jìn)行云制造資源提供商與第三方云制造服務(wù)商的協(xié)商匹配，注冊(cè)服務(wù)返回滿足客戶需求的服務(wù)句柄。

4) 基于云服務(wù)生命周期協(xié)議進(jìn)行客戶需求和云服務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商，創(chuàng)建服務(wù)實(shí)例，同

時(shí)賦予訂單記錄、企業(yè)認(rèn)證記錄和服務(wù)協(xié)同記錄等屬性以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5) 第三方云制造服務(wù)商創(chuàng)建云制造服務(wù)，并查詢各云服務(wù)節(jié)點(diǎn)，并按云服務(wù)生命周期協(xié)議進(jìn)行各種制造資源查詢及遠(yuǎn)程調(diào)配。

6) 將服務(wù)狀態(tài)返回客戶，顯示在線激活信息來(lái)保持資源節(jié)點(diǎn)的服務(wù)。

1.2 基于RFID的云制造資源追溯

顯然，由于其軟硬件制造資源物理特性不同，其虛擬化過(guò)程存在明顯的差異。從制造資源集成機(jī)制來(lái)看，對(duì)于軟件制造資源，基于Agent、CORBA和Web服務(wù)技術(shù)和統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(如STEP標(biāo)準(zhǔn))，可以進(jìn)行較深層次的資源共享，實(shí)現(xiàn)云制造操作。但對(duì)于測(cè)試儀器、加工設(shè)備等硬件制造資源，由于技術(shù)和管理原因，互操作難度較大。因此，在云制造過(guò)程中，如圖2所示，針對(duì)硬件制造資源所提供的信息，可通過(guò)RFID設(shè)備的配置與監(jiān)控，獲取產(chǎn)品制造過(guò)程中的RFID數(shù)據(jù)，并進(jìn)行產(chǎn)品制造RFID數(shù)據(jù)的過(guò)濾和整合，然后根據(jù)制造工藝指令，將產(chǎn)品制造RFID數(shù)據(jù)封裝為RFID事件。RFID事件檢測(cè)組件負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)大量并發(fā)的RFID事件，并將其轉(zhuǎn)入待處理云制造事件緩存(buffer)池中。

圖2 基于RFID的云制造服務(wù)過(guò)程追溯

RFID事件調(diào)度組件查詢工藝規(guī)則庫(kù)中的工藝處理規(guī)則或條件，對(duì)所有待處理事件進(jìn)行加權(quán)優(yōu)先級(jí)處理和調(diào)度，生成事件處理優(yōu)先隊(duì)列。根據(jù)事件處理優(yōu)先隊(duì)列，RFID復(fù)雜事件處理組件依次將RFID事件與企業(yè)的制造任務(wù)單進(jìn)行自動(dòng)匹配，完成RFID應(yīng)用的業(yè)務(wù)操作或錯(cuò)誤報(bào)警提示。同時(shí)將產(chǎn)品制造過(guò)程的RFID事件上傳并存儲(chǔ)到RFID業(yè)務(wù)事件數(shù)據(jù)庫(kù)，提供云制造全過(guò)程的狀態(tài)追溯。

2 云制造資源服務(wù)的匹配

2.1 云制造資源服務(wù)能力評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

衡量制造任務(wù)與云制造資源之間的匹配度，這需要有一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)云制造資源服務(wù)方案。首先，確定滿足制造任務(wù)需求的云制造資源節(jié)點(diǎn)集合為：

建立評(píng)價(jià)云制造資源服務(wù)能力的指標(biāo)集為

如圖3所示為該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該評(píng)價(jià)體系以云制造資源服務(wù)是否滿足交貨時(shí)間T，產(chǎn)品質(zhì)量Q、制造總成本C和制造服務(wù)水平S為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 制造企業(yè)云制造服務(wù)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，T , Q ,C,S指標(biāo)關(guān)于制造任務(wù)目標(biāo)的重要性是不同的。通過(guò)兩兩比較做出權(quán)重分析，并構(gòu)造各個(gè)指標(biāo)相對(duì)重要性程度的判斷矩陣，其方法如下：

對(duì)上述n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo) V =(V1,V2,…,Vn)，要求它們對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響或權(quán)重，則取兩個(gè)因素 Vk與Vl，用wkl表示 Vk與 Vl對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響之比。wkl可用客觀賦權(quán)法給定評(píng)價(jià)指標(biāo)間的權(quán)值。全部比較結(jié)果用矩陣W=[wkl]表示，則稱W為判斷矩陣。

2.2 云制造資源節(jié)點(diǎn)優(yōu)先值計(jì)算

通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)和計(jì)算各云制造資源服務(wù)節(jié)點(diǎn)Si在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Vj下對(duì)應(yīng)的優(yōu)先值Yij。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)可劃分為極大型和極小型兩類。某些指標(biāo)對(duì)制造服務(wù)能力而言，其值越大越好，稱之為極大型指標(biāo)；而其他某些指標(biāo)其值越小越好，稱之為極小型指標(biāo)。

對(duì)極大型指標(biāo)，令：

對(duì)極小型指標(biāo)，令：

上式中： i =1,2,…,m ，j=1,2,…,n，maxxj，min xj分別為Vj指標(biāo)的最大值和最小值。Xij表示候選云制造資源節(jié)點(diǎn)Si在評(píng)價(jià)指標(biāo)Vj下的重要度，該量可以通過(guò)專家決策打分法決定。

最后，根據(jù)云制造資源節(jié)點(diǎn)在不同目標(biāo)準(zhǔn)則下的優(yōu)先值及該目標(biāo)準(zhǔn)則的權(quán)值，計(jì)算該云制造資源節(jié)點(diǎn)Si總的優(yōu)先值Yi：

3 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證云制造資源服務(wù)匹配與過(guò)程追溯的的可行性和有效性，本文針對(duì)某機(jī)車制造企業(yè)S295柴油機(jī)氣缸體協(xié)同制造過(guò)程進(jìn)行了云改造，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

表1 制造企業(yè)云制造任務(wù)

該汽缸部件制造過(guò)程需要外協(xié)，制造任務(wù)有4個(gè)云制造資源節(jié)點(diǎn) ),,,(4321SSSSS= 可供選擇。根據(jù)專家決策法評(píng)價(jià)各云制造資源節(jié)點(diǎn)在指標(biāo) SCQT ,,,準(zhǔn)則下的重要值，其結(jié)果以矩陣表達(dá)為：

同時(shí)，比較 T , Q ,C,S之間的相對(duì)權(quán)重，并構(gòu)造判斷矩陣W:

求解判斷矩陣W的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，得出T , Q ,C,S準(zhǔn)則的權(quán)值分別為:

通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)和分別計(jì)算各云制造資源服務(wù)節(jié)點(diǎn)Si在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 V = ( T ,Q,C,S)下對(duì)應(yīng)的優(yōu)先值YiT，YiQ，YiC，YiS。顯然，服務(wù)質(zhì)量準(zhǔn)則YiS和產(chǎn)品質(zhì)量YiQ為極大型指標(biāo)，而時(shí)間YiT和成本YiC為極小型指標(biāo)。因此，對(duì)S1的優(yōu)先值Y1有：

針對(duì)對(duì)該企業(yè)所提交的制造任務(wù)，同理計(jì)算其它候選云制造資源節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先值，則分別為:

顯然，有 Y4＞Y1＞Y2＞Y3，因此，對(duì)于該制造任務(wù)選用云制造資源節(jié)點(diǎn) S4為工作節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)活動(dòng)所涉及的各種軟硬件制造資源類型繁多，給云制造的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)很多困難?？紤]不同制造資源的形態(tài)，建立云制造資源動(dòng)態(tài)集成框架，通過(guò)RFID技術(shù)追溯云制造服務(wù)過(guò)程，以評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)和計(jì)算云制造資源優(yōu)先值，可以為制造任務(wù)匹配最優(yōu)云制造資源節(jié)點(diǎn)，并保證制造企業(yè)之間的有效協(xié)同。

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