網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下制造資源的共享系統(tǒng)研究

摘 要：為實(shí)現(xiàn)制造資源平等共享和充分利用，依據(jù)P2P思想和Chord協(xié)議，提出了一種制造資源的共享系統(tǒng)模型，按資源類型構(gòu)造資源邏輯子環(huán)；超級(jí)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成邏輯主環(huán)。通過(guò)超級(jí)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)資源環(huán)之間的中繼和不同類型資源面向應(yīng)用的匯聚。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；制造資源；共享系統(tǒng)

1 概述

隨著全球制造業(yè)從傳統(tǒng)的生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型，隨著現(xiàn)代先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)、物理信息融合技術(shù)的出現(xiàn)，制造者趨向于探尋制造資源的充分共享與合理分配的方法。為此，面向網(wǎng)絡(luò)化制造，各企業(yè)作為資源的承載點(diǎn)，彼此展開(kāi)了不同層次的合作，共同分擔(dān)制造應(yīng)用任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)資源的匯聚和制造過(guò)程的集成。這種松散的協(xié)作，建立在互聯(lián)網(wǎng)中資源共享的思想之上，需要開(kāi)放的、新型的信息模型和資源搜索架構(gòu)支持。

集中式的資源共享結(jié)構(gòu)已較成熟，它強(qiáng)調(diào)資源的精確檢索與推理，通過(guò)構(gòu)建多層次智能發(fā)現(xiàn)檢索模型，可以支持制造資源的精確檢索、模糊檢索、語(yǔ)義檢索以及智能推理等[1]。但是這種模式也暴露若干問(wèn)題，比如風(fēng)險(xiǎn)集中，故障冗余能力差；集中存儲(chǔ)管理成本高，共享數(shù)據(jù)一致性管理困難；企業(yè)對(duì)自身的資源沒(méi)有獨(dú)立的管理權(quán)力等等[2]。相比而言，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式（P2P）強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的平等地位，網(wǎng)絡(luò)中資源存儲(chǔ)利用靈活，而且具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，更適合制造資源的匯聚模式。

結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)采用分布式哈希表（DHT）的查詢機(jī)制，查詢效率高，可擴(kuò)展性極好[3]。網(wǎng)絡(luò)化制造中，制造資源節(jié)點(diǎn)希望能隨機(jī)的接入與退出，這就要求資源共享網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性強(qiáng)。文章給出了面向應(yīng)用匯聚的兩層DHT覆蓋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了制造資源共享系統(tǒng)的框架模型。

2 共享的制造資源系統(tǒng)

文章構(gòu)造的制造資源共享系統(tǒng)分為四層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)中的資源擁有企業(yè)和使用資源的用戶分別定義為資源的提供者和資源的消費(fèi)者。制造資源共享的過(guò)程是：在分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，資源消費(fèi)方和資源提供方之間實(shí)現(xiàn)資源注冊(cè)、資源搜索啟動(dòng)、資源定位、優(yōu)化配置和信息獲取的會(huì)話過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)層為資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層，資源提供方組成制造資源節(jié)點(diǎn)，這里我們稱為物理節(jié)點(diǎn)（Physical Nodes，簡(jiǎn)稱PN），各物理節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，即物理節(jié)點(diǎn)為加入到系統(tǒng)的擁有獨(dú)立的對(duì)的節(jié)點(diǎn)。為了系統(tǒng)中的分布式制造資源松散的組織，采用結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建制造資源網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用Chord協(xié)議[4]作為結(jié)構(gòu)化P2P的DHT資源查找算法，并對(duì)其進(jìn)行層次化擴(kuò)展為兩層類Chord環(huán)，組成一個(gè)基于資源分類的兩層多環(huán)的Chord改進(jìn)模型。索引層在兩層Chord環(huán)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單可用的分布式哈希表，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)保存哈希表的一部分。在資源共享系統(tǒng)中，索引層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和索引關(guān)鍵詞的存取，即存儲(chǔ)一條數(shù)據(jù)到映射節(jié)點(diǎn)并能從映射節(jié)點(diǎn)取得該條數(shù)據(jù)。同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)成索引庫(kù)。

數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)制造資源的描述和存儲(chǔ)，以及資源元數(shù)據(jù)的描述。元數(shù)據(jù)用于描述要素和數(shù)據(jù)集等信息，在制造資源共享系統(tǒng)中，用元數(shù)據(jù)來(lái)描述制造資源的重要屬性。元數(shù)據(jù)被應(yīng)用在許多的領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域指的是關(guān)于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)。每種類型的制造資源利用不同的元數(shù)據(jù)來(lái)描述，我們也稱該類資源的元數(shù)據(jù)模型，比如龍門(mén)鏜銑床，其元數(shù)據(jù)模型是指加工范圍參數(shù)，主軸參數(shù)，精度參數(shù)和刀具約束參數(shù)這樣一個(gè)屬性集，而這樣的集合作為搜索關(guān)鍵字可以使搜索具有語(yǔ)義。

門(mén)戶層也是資源共享系統(tǒng)的界面交互層，為資源提供方和消費(fèi)方提供用戶登記、注冊(cè)等管理功能，為資源提供方提供資源封裝、發(fā)布、維護(hù)和管理交互功能，為資源消費(fèi)方提供資源的查詢、搜索和協(xié)同支持的交互接口。

每個(gè)資源提供者登錄的時(shí)候，根據(jù)自身攜帶的資源類型加入到資源共享系統(tǒng)，數(shù)據(jù)層提取各個(gè)共享資源的屬性信息并按著其重要程度順序構(gòu)造索引關(guān)鍵詞組，然后將關(guān)鍵詞組分發(fā)到系統(tǒng)中的指定節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)層和索引層實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵詞組和索引信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，之后資源消費(fèi)方通過(guò)搜索界面搜索相應(yīng)的資源。

3 兩層多環(huán)的Chord改進(jìn)結(jié)構(gòu)

兩層多環(huán)Chord模型是一個(gè)基于資源分類的Chord改進(jìn)模型，是一個(gè)兩層邏輯結(jié)構(gòu)。第一層是由超級(jí)節(jié)點(diǎn)（Super Node，簡(jiǎn)稱SN）組成的一個(gè)類Chord結(jié)構(gòu)，稱為超級(jí)環(huán)，是模型中的主環(huán)，主要負(fù)責(zé)子環(huán)之間的通信；第二層是由擁有同類制造資源的邏輯節(jié)點(diǎn)（Logical Node，簡(jiǎn)稱LN）組成的資源環(huán)，也稱資源子環(huán)。它同樣也是一個(gè)類Chord結(jié)構(gòu)，是通過(guò)節(jié)點(diǎn)帶有的資源類型進(jìn)行分類的。將帶有某類資源的節(jié)點(diǎn)歸為一類加入到同一資源環(huán)上組成一個(gè)類Chord結(jié)構(gòu)。一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)PN可以擁有多種資源，即物理節(jié)點(diǎn)可以按著其所擁有的資源的類別加入不同的邏輯環(huán)，成為不同邏輯環(huán)上的LN。

每個(gè)環(huán)都需要前驅(qū)結(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)這兩個(gè)數(shù)據(jù)雙向連接起來(lái)構(gòu)成環(huán)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)finger表來(lái)實(shí)現(xiàn)路由查找。前驅(qū)與后繼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為succ[]與pred[]。SN是資源環(huán)的入口節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是資源環(huán)上的節(jié)點(diǎn)。它至少具有兩個(gè)finger表，一個(gè)用來(lái)維護(hù)超級(jí)環(huán)，一個(gè)用來(lái)維護(hù)資源環(huán)。通過(guò)前后繼與finger表組成一個(gè)類Chord結(jié)構(gòu)。根據(jù)上層制造任務(wù)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)制造資源的聚類，同類資源歸為一個(gè)資源的邏輯子環(huán)內(nèi)。每一資源環(huán)上的LN都維護(hù)著環(huán)上入口SN的后繼節(jié)點(diǎn)信息，即資源類型的后繼節(jié)點(diǎn)鏈表S_succ_list[]，通過(guò)它來(lái)找到超級(jí)環(huán)中的入口SN節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，由于入口節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)入口節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能達(dá)成一致。

4 原型實(shí)例

在上述研究的基礎(chǔ)上，選取數(shù)控機(jī)床設(shè)備，開(kāi)發(fā)了分布式機(jī)加工設(shè)備的匯聚與共享仿真系統(tǒng)。輸入的搜索信息與資源元數(shù)據(jù)中的KTP匹配，任務(wù)需求與元數(shù)據(jù)模型UI直接對(duì)應(yīng)，從名稱到基本信息，再到技術(shù)參數(shù)依次構(gòu)建關(guān)鍵詞集合。通過(guò)名稱和基本信息屬性，實(shí)現(xiàn)資源直接搜索，再以技術(shù)參數(shù)為輔助參照。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于兩層類Chord結(jié)構(gòu)的制造資源共享平臺(tái)，共享模型一定程度上實(shí)現(xiàn)了底層資源與上層應(yīng)用之間的相互獨(dú)立和松散耦合。但是，資源共享的激勵(lì)機(jī)制和兩層類Chord結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)越性需進(jìn)一步的研究。今后，隨著云制造的提出和云計(jì)算技術(shù)的逐漸完善，如何將共享模型融入到云制造中，提高資源匯聚共享效率有待深入研究。

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