面向中小企業(yè)的制造資源云服務(wù)平臺開發(fā)

The development of manufacturing resources cloud service platform for small and medium-sized enterprises

何　麗1,2，孫文磊1,2，王曉斌1，王珧榮1

HE Li1,2, SUN Wen-lei1,2, WANG Xiao-bin1, WANG Yao-rong1

（1.新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué) 機械工程博士后流動站，烏魯木齊 830047）

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面向中小企業(yè)的制造資源云服務(wù)平臺開發(fā)

The development of manufacturing resources cloud service platform for small and medium-sized enterprises

何麗1,2，孫文磊1,2，王曉斌1，王珧榮1

HE Li1,2, SUN Wen-lei1,2, WANG Xiao-bin1, WANG Yao-rong1

（1.新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué) 機械工程博士后流動站，烏魯木齊 830047）

摘 要：在云制造大環(huán)境下，為使中小企業(yè)通過高度共享企業(yè)內(nèi)外部優(yōu)勢制造資源來提升自身產(chǎn)品設(shè)計制造和技術(shù)創(chuàng)新能力，構(gòu)建了面向中小企業(yè)的制造資源云服務(wù)平臺體系架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上研究了云制造資源池的構(gòu)建方法，闡述了制造資源分類及其虛擬化描述模板，給出了制造資源服務(wù)化封裝、接入過程及云服務(wù)的WSDL描述實例，完成了數(shù)據(jù)庫主要數(shù)據(jù)表間的E-R模型設(shè)計；最后基于.NET框架開發(fā)面向中小企業(yè)云服務(wù)平臺以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢制造資源聚集，為廣大中小企業(yè)提供按需使用的優(yōu)質(zhì)制造資源云服務(wù)。

關(guān)鍵詞：制造資源；云服務(wù)；虛擬化；服務(wù)化

0 引言

我國中小型制造企業(yè)量大面廣，在面對激烈的市場競爭時，加強信息化建設(shè)以快速推動技術(shù)創(chuàng)新是中小企業(yè)生存發(fā)展和提高中小企業(yè)整體競爭力的重要舉措之一。但不得不承認的是，廣大中小企業(yè)由于自身技術(shù)力量薄弱，人才缺乏、資金不足等原因造成其信息化應(yīng)用水平仍不高[1]，這也就嚴重阻礙了企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計制造能力和技術(shù)創(chuàng)新能力的提升[2,3]。

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、制造服務(wù)、信息安全等信息技術(shù)與制造技術(shù)不斷融合，云制造模式應(yīng)運而生，它是網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)型制造的一種典型模式。云服務(wù)模式也正契合了中小企業(yè)信息化發(fā)展的迫切需求[4]，通過網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)平臺可隨時獲取、按需使用安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價的制造全生命周期服務(wù)。云服務(wù)平臺的開發(fā)和應(yīng)用也為中小企業(yè)更充分利用和共享企業(yè)內(nèi)外部優(yōu)勢制造資源促自身創(chuàng)新發(fā)展提供了新的手段和依據(jù)。而將各類制造資源進行虛擬化和服務(wù)化，進而構(gòu)成制造資源和制造能力的服務(wù)云池是實現(xiàn)云服務(wù)平臺的關(guān)鍵所在。因此本研究在構(gòu)建了面向中小企業(yè)的制造資源云服務(wù)平臺體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了云制造資源池的構(gòu)建方法，并開發(fā)了原型系統(tǒng)以實現(xiàn)各類制造資源的聚集，為廣大中小企業(yè)提供便捷、高效的制造資源云服務(wù)。這對實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢資源高度共享，快速提升中小企業(yè)信息化水平、產(chǎn)品設(shè)計制造能力等均有著重要實踐意義。

1 云服務(wù)平臺架構(gòu)

云制造環(huán)境下制造資源存在分布性、異構(gòu)性、多樣性和動態(tài)性等多特征，在借鑒典型制造系統(tǒng)六層體系架構(gòu)[5]的基礎(chǔ)上，面向制造全生命周期構(gòu)建了面向中小企業(yè)的制造資源云服務(wù)平臺體系架構(gòu)，如圖1所示，共分為支撐層、資源層、虛擬資源/服務(wù)層、云服務(wù)驅(qū)動層、云終端及用戶界面層共5個層次。

1）支撐層

支撐層為平臺的運行提供環(huán)境支持，包括云服務(wù)器、基礎(chǔ)云平臺（如由微軟公司開發(fā)的Windows Azure云平臺）、云數(shù)據(jù)庫（如SQL Azure）、虛擬機及云網(wǎng)絡(luò)等軟硬件環(huán)境。

2）資源層

資源層包括了物理資源和能力資源這兩大類資源。物理資源層是整個平臺的物理基礎(chǔ)，其按不同目的、不同粒度進行虛擬化和服務(wù)化，并組合能力資源即形成了虛擬資源/服務(wù)層。

3）虛擬資源/服務(wù)層

虛擬資源/服務(wù)層包括兩個方面：一是制造資源的簡單買賣或租賃服務(wù)；二是服務(wù)提供者在制造活動中結(jié)合主觀能力和制造資源要素為制造企業(yè)提供制造全生命周期服務(wù)[6]，如產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)、仿真分析服務(wù)、生產(chǎn)加工服務(wù)、實驗驗證服務(wù)等。

4）云服務(wù)驅(qū)動層

云服務(wù)驅(qū)動層實現(xiàn)云服務(wù)供需的合理、動態(tài)匹配，提供多種管理工具集，包括資源虛擬化及接入、接出管理工具，服務(wù)資源整合、服務(wù)智能匹配與推送、資源調(diào)度等引擎，使云制造環(huán)境下開展過制造活動，實現(xiàn)各類制造資源聚集和共享成為可能。

5）云終端及用戶界面層

該層為云服務(wù)平臺的三類用戶（云用戶、云服務(wù)提供商和云平臺運營商）提供了人機交互接口。不同用戶通過云終端設(shè)備（如PC機、智能手機、平板電腦等）訪問云服務(wù)平臺與之權(quán)限一致的用戶界面即可實現(xiàn)云服務(wù)的應(yīng)用和管理。

圖1　制造資源云服務(wù)平臺架構(gòu)

2 云制造資源池的構(gòu)建

2.1 制造資源分類及虛擬化描述

根據(jù)制造資源的存在形式及使用方式的不同，可將其分為物理資源和能力資源兩大類[7,8]。其中：物理資源是指物理存在的、具有靜態(tài)傳輸介質(zhì)的一種資源形式，又可以分為設(shè)備資源、軟件資源、知識資源和其他相關(guān)資源（如技術(shù)人才、計算資源等）[9]。能力資源則是一種無形的、動態(tài)的資源形式，是在相關(guān)技術(shù)人才參與下為完成某一目標活動所需要的主觀條件，是結(jié)合物理資源要素經(jīng)服務(wù)化所表現(xiàn)出來的一種能力，如圍繞產(chǎn)品制造生命周期所需的產(chǎn)品設(shè)計能力、仿真分析能力、生產(chǎn)加工能力、實驗驗證能力等。

制造資源虛擬化描述是制造資源發(fā)現(xiàn)與匹配、優(yōu)化組合與調(diào)度等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，不同類型資源因包含信息差別大，其虛擬化描述方法也就不盡相同。本文采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢⒅圃熨Y源實體看成是對象，對象的屬性則看成制造資源的特性，主要包括基本屬性、功能屬性、使用屬性和狀態(tài)屬性這四類抽象屬性。在對各類資源進行具體化描述時，還需從同一類資源包含的信息中抽取其共同屬性和本質(zhì)屬性以統(tǒng)一化和規(guī)范化該類資源的虛擬化描述。如針對仿真設(shè)計軟件資源的虛擬化描述模板如圖2所示。

圖2　仿真設(shè)計軟件資源虛擬化模板

2.2 制造資源服務(wù)化封裝及接入

采用Web服務(wù)技術(shù)來抽象和封裝虛擬資源是制造資源服務(wù)化的重要手段之一[10]。服務(wù)封裝是將虛擬資源所具有的操作功能封裝成Web Service，以服務(wù)接口的形式接入云服務(wù)平臺，從而實現(xiàn)在平臺上發(fā)布服務(wù)的目的。在Web服務(wù)封裝過程中一般需要借助于可視化工具進行，如Microsoft Visual Studio平臺能直接創(chuàng)建一個完全符合WSDL規(guī)范的Web Service應(yīng)用，而關(guān)鍵在于完成服務(wù)接口操作功能的設(shè)計。該服務(wù)封裝工具的體系結(jié)構(gòu)主要由接口信息采集器、代碼生成器、代碼轉(zhuǎn)換器、服務(wù)組件生成器和服務(wù)封裝器五大模塊組成，實現(xiàn)過程如圖3所示。其中：

接口信息采集器：負責提取待封裝資源要轉(zhuǎn)換為服務(wù)的功能模塊，生成相應(yīng)的服務(wù)接口描述信息WSDL文件；

服務(wù)組件生成器：是整個體系架構(gòu)的核心模塊，其根據(jù)接口信息采集器按模板采集而來的信息自動生成Web Service類的服務(wù)組件；

代碼生成器：可以根據(jù)描述模板自動生成代碼，確保服務(wù)封裝的代碼質(zhì)量和規(guī)范性；

代碼轉(zhuǎn)換器：將不同軟件系統(tǒng)開發(fā)的模板轉(zhuǎn)換為符合C#的調(diào)用規(guī)范格式，從而實現(xiàn)在.NET環(huán)境下的Web Service封裝；

服務(wù)封裝器：負責類代碼的編譯和配置操作，最終完成整個封裝過程。

圖3　服務(wù)封裝序列

例如，云制造資源提供者應(yīng)用上述服務(wù)封裝方法完成知識資源——零件三維CAD模型資源庫的Web服務(wù)封裝，以提供獲取零件資源目錄等服務(wù)，其WSDL描述片段如圖4所示。

圖4　云服務(wù)的WSDL描述片段

圖5　主要數(shù)據(jù)表間的E-R模型圖

經(jīng)服務(wù)化封裝形成的云服務(wù)可通過服務(wù)發(fā)布頁面統(tǒng)一接入/注冊至云服務(wù)平臺，以供平臺或服務(wù)請求者查詢和調(diào)用。上述經(jīng)虛擬化和服務(wù)化的制造資源即可單獨作為云制造環(huán)境下的一種云服務(wù)對象進行應(yīng)用，同時也可作為某一制造活動服務(wù)下的重要支撐資源提供服務(wù)。

2.3制造資源云服務(wù)平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為方便云服務(wù)平臺發(fā)現(xiàn)、調(diào)用、展示和綜合管理制造資源服務(wù)提供者發(fā)布的服務(wù)內(nèi)容，還需將根據(jù)描述模板生成的服務(wù)資源相關(guān)信息導(dǎo)入并存儲到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理和存取。在制造資源云服務(wù)平臺架構(gòu)下對數(shù)據(jù)庫進行設(shè)計，主要數(shù)據(jù)表間的E-R模型圖如圖4所示，各數(shù)據(jù)表主要用于存儲用戶信息（User）、服務(wù)信息（Service）、需求信息（Demand）、訂單信息（Order）和資源分類信息（Type）等。

3　平臺開發(fā)實例

基于.NET框架，利用Microsoft Studio等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)工具及SQL Service數(shù)據(jù)庫，綜合運用Web Service，DIV+CSS布局，jQuery UI等技術(shù)開發(fā)了面向中小企業(yè)的制造制造資源云服務(wù)平臺的ASP.NET應(yīng)用程序。并將其部署到Windows Azure公有云平臺，使其成為云應(yīng)用程序。開發(fā)及應(yīng)用實例如圖6所示。

云服務(wù)平臺應(yīng)用過程主要表現(xiàn)為：1）云服務(wù)需求者（即云用戶）將制造資源/服務(wù)需求通過統(tǒng)一描述模板發(fā)布至平臺；2）云服務(wù)提供者整合現(xiàn)有優(yōu)勢資源，采用Web Service技術(shù)封裝成為云服務(wù)，并利用統(tǒng)一注冊/發(fā)布接口接入至云服務(wù)平臺，構(gòu)建云制造資源池；3）云服務(wù)平臺運營商對云制造資源進行集成管理，并對供需進行匹配和推送，在線對制造資源服務(wù)進行管控，以保障服務(wù)平臺內(nèi)多方用戶之間的利益。

圖6　開發(fā)及應(yīng)用實例

4 結(jié)束語

云制造的的核心理念是以云服務(wù)的形式實現(xiàn)制造資源與制造能力的按需使用與高度共享，進而提高區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢資源的利用率。為實現(xiàn)制造資源聚集并為廣大中小企業(yè)提供便捷、高效的制造資源云服務(wù)，構(gòu)建了面向中小企業(yè)的制造資源云服務(wù)平臺體系架構(gòu)，研究了云制造資源池的構(gòu)建方法，并基于.NET框架開發(fā)出了面向中小企業(yè)云服務(wù)平臺。這對中小企業(yè)通過高度共享企業(yè)內(nèi)外部優(yōu)勢制造資源來提升自身產(chǎn)品設(shè)計制造和技術(shù)創(chuàng)新能力，進而快速提升中小企業(yè)自身綜合實力和市場競爭力等有著重要的意義。后續(xù)將針對制造資源云服務(wù)供需智能搜索與匹配、服務(wù)交易與評價等問題進行更深入研究，進一步推動云服務(wù)的在中小企業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

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表3　庫房管理系統(tǒng)運行前后效果對比

3 對比分析

智能化電能計量器具庫房管理系統(tǒng)投入運行后，從出入庫管理、庫房盤點及查找指定樣表、存放方式等四方面與原有庫房模式進行比較，可以直觀看出其運行效果對比情況，如表3所示。

4 結(jié)束語

該智能化電能計量器具庫房管理系統(tǒng)投入使用后，已經(jīng)存放了從2010年第五批招標至今的留樣單相表562只，三相表160只，采集終端1582只。樣表庫房的整體化、集約化作業(yè)模式，從根本上提高了作業(yè)效率，為電能計量器具的管理又提供了一個新規(guī)范化模式。該智能化電能計量器具庫房管理系統(tǒng)從根本上降低了樣表查找方式的復(fù)雜性和提升了樣表存放的安全性，它的投入對實現(xiàn)人、物的集約化有重要意義。

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作者簡介：何麗（1986 -），女，湖南益陽人，講師，博士，研究方向為網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化設(shè)計與制造研究。

基金項目：新疆大學(xué)博士畢業(yè)生科研啟動基金（BS130121）；新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏媱濏椖浚╔JEDU2014S008）；新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃重大專項（201130110）

收稿日期：2015-09-17

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0004-04