基于作業(yè)車(chē)間與調(diào)度算法的云平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

張愷琪+張淑麗+姬長(zhǎng)陣

摘 要：針對(duì)目前制造業(yè)中傳統(tǒng)制造平臺(tái)整體效率低，排產(chǎn)不合理，以及訂單受各種不確定性因素較大的特點(diǎn)，研究和實(shí)現(xiàn)了基于云計(jì)算思想的作業(yè)車(chē)間與調(diào)度算法的云平臺(tái)，該云平臺(tái)通過(guò)將調(diào)度算法的云服務(wù)封裝與虛擬化共享，使制造業(yè)的排產(chǎn)效率得到提高，文章采用基于模板的虛擬化與服務(wù)化的研究方法，建立本體模型，闡述該平臺(tái)整體服務(wù)化流程。最后，通過(guò)哈爾濱電機(jī)廠實(shí)例驗(yàn)證，證明了該平臺(tái)的合理性與高效性。

關(guān)鍵詞：制造業(yè)；調(diào)度算法；虛擬化；服務(wù)化；高效

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0027-02

引言

制造業(yè)作為一門(mén)直接體現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平的產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)全球化的大潮下，其發(fā)展亦是日益更新。目前，我國(guó)正處于由第二世界向第一世界過(guò)渡時(shí)期，制造業(yè)的高速發(fā)展與轉(zhuǎn)型，也是我們要面臨的重要戰(zhàn)略問(wèn)題。云制造即是利用信息技術(shù)與制造技術(shù)并結(jié)合云計(jì)算的思想發(fā)展起來(lái)的一種新型制造技術(shù)，其一直以綠色，環(huán)保，低成本，高效率的優(yōu)勢(shì)在制造業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。在制造業(yè)領(lǐng)域，其加工，排產(chǎn)的信息量劇增，各中小型企業(yè)的需求量也急劇增加，傳統(tǒng)的制造水平在企業(yè)加工排產(chǎn)中出現(xiàn)排產(chǎn)效率低，資源供不應(yīng)求的情況，因此利用信息技術(shù)，基于云計(jì)算的技術(shù)思想對(duì)企業(yè)加工排產(chǎn)線優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)服務(wù)型轉(zhuǎn)型顯得尤為重要。

本文基于云計(jì)算的思想，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于調(diào)度算法的云服務(wù)平臺(tái)。云服務(wù)平臺(tái)的核心是將蟻群算法，遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等虛擬化封裝在云服務(wù)資源池中，通過(guò)云平臺(tái)將調(diào)度算法共享，服務(wù)請(qǐng)求者可通過(guò)服務(wù)請(qǐng)求獲得其高效服務(wù)。通過(guò)匹配相關(guān)算法進(jìn)行作業(yè)排產(chǎn)加工來(lái)提高中小型企業(yè)加工生產(chǎn)中的排產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

1 云制造平臺(tái)概述

在云制造平臺(tái)中，主要有三種角色，分別是云服務(wù)資源提供者，云服務(wù)資源請(qǐng)求者，第三方運(yùn)營(yíng)者。云服務(wù)資源提供者通過(guò)全方位對(duì)云服務(wù)平臺(tái)生命周期的感知，對(duì)于制造業(yè)中的軟資源，通過(guò)利用虛擬化與服務(wù)化技術(shù)，將軟資源感知與接入，并指定相應(yīng)的參數(shù)規(guī)則，利用WSDL與OWL-S等相關(guān)技術(shù)[1]，對(duì)提供資源進(jìn)行規(guī)范描述通過(guò)云制造平臺(tái)的服務(wù)化工

具，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)功能，依此來(lái)將資源提供給第三方運(yùn)營(yíng)者，第三方運(yùn)營(yíng)者主要對(duì)接入資源進(jìn)行管理與發(fā)布，通過(guò)高效的運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)制造資源的共享。通過(guò)云服務(wù)資源請(qǐng)求者對(duì)云服務(wù)平臺(tái)發(fā)布相關(guān)需求服務(wù)描述，第三方運(yùn)營(yíng)者根據(jù)其描述進(jìn)行高效適配，提供給其相應(yīng)服務(wù)。

2 調(diào)度算法資源的共享過(guò)程

2.1 算法資源的接入與適配

算法接入與適配主要針對(duì)算法資源提供者。調(diào)度算法屬于制造業(yè)資源中的制造軟資源，軟資源的共享主要有兩種方式，一個(gè)是利用虛擬化的技術(shù)，另一個(gè)是使用服務(wù)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，云服務(wù)平臺(tái)就是利用虛擬化的技術(shù)，首先在云端構(gòu)建虛擬的云服務(wù)資源池，將資源接入到云服務(wù)資源池，然后利用統(tǒng)一適配方式進(jìn)行存儲(chǔ)與通信[2]，由于算法資源與云服務(wù)資源的使用者交互性不高的特點(diǎn)，所以，該算法資源的需要遠(yuǎn)程調(diào)用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，將其存儲(chǔ)于物理服務(wù)器或者虛擬服務(wù)器上，并且提供遠(yuǎn)程調(diào)用的接口，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要利用Web Service技術(shù)[3]。

在Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)上利用了它的三個(gè)要素：簡(jiǎn)單對(duì)象協(xié)議（SOAP），網(wǎng)頁(yè)服務(wù)描述語(yǔ)言（WSDL），UDDI[4]。

其中SOAP主要用來(lái)傳遞算法信息的格式，由于它可以和HTTP，SMTP，MIME等因特網(wǎng)協(xié)議結(jié)合使用利用XML通過(guò)因特網(wǎng)訪問(wèn)，從而保證了算法資源在傳輸中的可靠性。

在算法提供者方面，主要利用WSDL訪問(wèn)其資源接口，這樣就可以為算法提供者提供詳細(xì)接口說(shuō)明書(shū)。

對(duì)于Web Service的封裝，算法資源信息的注冊(cè)則是由UDDI來(lái)完成，由于UDDI可以實(shí)現(xiàn)可公開(kāi)訪問(wèn)的接口，所以，通過(guò)使用這些接口，資源提供者可以向算法云服務(wù)資源池注冊(cè)其算法資源信息，資源請(qǐng)求者也獲得云端信息，從而達(dá)到資源共享的目的。

2.2 算法資源的監(jiān)督管理

算法資源的監(jiān)督組件與管理主要是跟蹤算法云服務(wù)的執(zhí)行過(guò)程與狀態(tài)，監(jiān)控其算法運(yùn)行的穩(wěn)定性與響應(yīng)時(shí)間，對(duì)已執(zhí)行算法收集其執(zhí)行效率與用戶對(duì)所選取算法滿意度，對(duì)之后的算法選取決策提供一定的依據(jù)。

2.3 調(diào)度算法的檢索與匹配

2.3.1 云服務(wù)平臺(tái)的檢索與匹配執(zhí)行機(jī)制

調(diào)度算法的檢索與匹配由第三方運(yùn)營(yíng)者來(lái)完成。首先由云服務(wù)算法請(qǐng)求者向算法云服務(wù)資源池發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，通過(guò)語(yǔ)義描述，生成需求文檔，同時(shí)服務(wù)資源也經(jīng)過(guò)適配環(huán)節(jié)生成算法文檔，第三方運(yùn)營(yíng)者依照云服務(wù)解析器的參數(shù)和需求，對(duì)其進(jìn)行功能解析，數(shù)據(jù)解析以及性能解析。依據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)動(dòng)智能匹配組件，利用高效智能搜索算法，由于請(qǐng)求的信息復(fù)雜多樣，云服務(wù)平臺(tái)需要根據(jù)其請(qǐng)求在本體資源庫(kù)中設(shè)置算法參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)制定合適的計(jì)算方式，根據(jù)資源請(qǐng)求者的需求規(guī)劃算法權(quán)值，從而根據(jù)請(qǐng)求參數(shù)確定算法匹配程序，進(jìn)而得出最佳匹配算法，返回結(jié)果[6]。如圖1所示。

2.3.2云服務(wù)平臺(tái)的匹配模式

云服務(wù)平臺(tái)支持匹配方式有兩種，分別是語(yǔ)法匹配和語(yǔ)義匹配。

某些用戶常常是用關(guān)鍵詞的形式來(lái)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，云服務(wù)平臺(tái)針對(duì)注冊(cè)信息，進(jìn)行語(yǔ)法匹配，云服務(wù)平臺(tái)通過(guò)對(duì)用戶注冊(cè)服務(wù)信息的檢索，利用關(guān)鍵詞的提取來(lái)發(fā)現(xiàn)服務(wù)。云平臺(tái)通過(guò)利用用戶提交的關(guān)鍵詞和各種服務(wù)類(lèi)型進(jìn)行語(yǔ)法級(jí)別的匹配。然后將匹配上的服務(wù)結(jié)果返回給用戶。語(yǔ)法匹配實(shí)現(xiàn)上比較方便，而且匹配效率也高。但是由于是利用關(guān)鍵詞匹配，故得到結(jié)果也過(guò)于密集，針對(duì)一些特殊請(qǐng)求，卻難以實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)特殊領(lǐng)域的需求，當(dāng)語(yǔ)法匹配不能夠識(shí)別用戶提供的服務(wù)需求時(shí)，云服務(wù)平臺(tái)將執(zhí)行語(yǔ)義匹配的匹配模式，語(yǔ)義匹配是利用云平臺(tái)本身對(duì)相關(guān)服務(wù)的行為，功能進(jìn)行語(yǔ)義描述，并在語(yǔ)義分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行服務(wù)的匹配。這是一種基于OWL-S的服務(wù)匹配模式算法，語(yǔ)義匹配依賴(lài)于邏輯演繹與推理[5]，其匹配精度也相對(duì)較高。

3 算法資源的本體建模

3.1 算法資源描述模型

云制造資源的描述是制造資源的共享，為需求者服務(wù)中重要的一步，由于制造資源種類(lèi)繁多，不同的制造資源所包含的信息量也極具龐大，為了簡(jiǎn)化，規(guī)范制造資源本身的描述，則采取分析制造資源的信息類(lèi)型，從而總結(jié)出其共性，為同類(lèi)型資源定義一個(gè)信息模板，來(lái)規(guī)范其信息的描述[10]。

資源服務(wù)化模板封裝過(guò)程算法如下：

Step1：從海量模板庫(kù)選擇合適模板，如果找到模板，轉(zhuǎn)Step3，否則轉(zhuǎn)Step2。

Step2：根據(jù)需求建立新模板，并將該模板發(fā)布到模板庫(kù)。

Step3：根據(jù)資源的描述封裝到模板，形成XML文檔。

Step4：搜索現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)類(lèi)中是否能夠?qū)崿F(xiàn)該類(lèi)資源，如果可能，轉(zhuǎn)Step6，否則轉(zhuǎn)Step5。

Step5：利用資源實(shí)現(xiàn)模板實(shí)現(xiàn)該資源實(shí)現(xiàn)類(lèi)。

Step6：將該資源接口加入資源適配器。

Step7： 發(fā)布該接口注冊(cè)到UDDI注冊(cè)中心。

Step8：結(jié)束程序。

3.2 算法資源描述模板

為了方便資源的描述，本文抽象出來(lái)算法資源元模板和每一類(lèi)資源的描述模板，算法資源描述的元模板定義了類(lèi)模板應(yīng)遵守的描述規(guī)范[10]。

應(yīng)用XML語(yǔ)言對(duì)資源進(jìn)行規(guī)范化描述，每一類(lèi)資源都對(duì)應(yīng)一個(gè)XML Schema規(guī)范文檔，該文檔定義了算法資源描述時(shí)的屬性項(xiàng)。

3.3 算法資源實(shí)現(xiàn)模板

算法資源實(shí)現(xiàn)的元模板接口文件如下：

Public interface Alg_Resource{

Public static void init（Alg_containerCon con）；

//解析相關(guān)文檔，初始化操作。

Public HashMap getParameter（）；

//用來(lái)獲取參數(shù)信息并返回給客戶端，用戶可根據(jù)個(gè)人需求設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。

Public HashMap Execute（）；

//執(zhí)行任務(wù)。

Public String getResult（）；

//獲取結(jié)果集。}

在執(zhí)行該服務(wù)時(shí)候，首先執(zhí)行init方法，來(lái)讀取與解析相關(guān)文檔，初始化該服務(wù)屬性。然后執(zhí)行g(shù)etParameter方法，將平臺(tái)的參數(shù)信息獲取后，返回給客戶端，用戶結(jié)合自身需求，設(shè)置各類(lèi)算法的相關(guān)參數(shù)信息。接著平臺(tái)會(huì)檢驗(yàn)參數(shù)是否符合規(guī)范，執(zhí)行Execute方法，提交作業(yè)加工。最后將執(zhí)行完畢，調(diào)用getResult返回結(jié)果集[10]。通過(guò)哈爾濱電機(jī)廠實(shí)例驗(yàn)證，該平臺(tái)存在高效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于云計(jì)算思想的作業(yè)車(chē)間調(diào)度算法平臺(tái)，解決了制造業(yè)中單件排產(chǎn)低，排產(chǎn)不合理的問(wèn)題，對(duì)于突變訂單的處理也具有高效處理的特點(diǎn)，保證訂單按時(shí)按需完成，提高了的作業(yè)車(chē)間的生產(chǎn)效率。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該平臺(tái)具有高效性與可行性。

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