面向云制造的服務鏈構建研究

齊偉鋼，彭凝多，黃慧萍

（1.中國電子科技網(wǎng)絡信息安全有限公司，成都 610000；2.西南交通大學 機械工程學院機電測控系，成都 610031）

0 引言

近年來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，總體規(guī)模大幅提升，綜合實力不斷增強，已經躍居世界制造大國。但是，我國制造業(yè)發(fā)展也遇到了不小的挑戰(zhàn)，以前靠簡單模仿、仿制，低成本勞動力、低成本土地、低成本環(huán)境參與國際競爭的時代已經結束了，我國制造業(yè)普遍存在制造資源和制造能力的不均衡，資源限制與資源短缺并存，能力過剩與能力不足同在，信息化需求和信息化建設能力不對稱等問題已經成為制約制造業(yè)大發(fā)展的關鍵因素，迫切需要通過創(chuàng)新邁向中高端水平。

在全球新一輪科技革命和產業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)與各領域的融合發(fā)展具有廣闊前景和無限潛力，已成為不可阻擋的時代潮流，順應世界“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展趨勢，推動互聯(lián)網(wǎng)+制造，探索以“制造即服務”為核心理念的云制造模式，整合制造資源，提供制造服務，能夠有效提升制造業(yè)自主創(chuàng)新能力，調整優(yōu)化制造產業(yè)結構，促進制造業(yè)可持續(xù)良性發(fā)展。李伯虎[1,2]院士首次提出了云制造的概念，為制造全生命周期過程提供隨時獲取的、按需使用的、安全可靠、優(yōu)質廉價的各類制造活動服務，為云制造描繪了未來藍圖。張霖等研究人員[3]描述了制造云服務的含義，對構建云服務涉及的關鍵技術進行了分析，但沒有明確如何整合各類制造云服務滿足不同制造活動階段用戶對制造資源的需求。王正成等人在研究工作[4]中引入了資源服務鏈的概念，提出了基于制造任務鏈驅動的資源服務鏈思想，并給出了構建過程，但僅僅是從制造加工角度對任務進行分解和資源匹配，給出了理論上的描述和仿真，沒有從制造活動全生命周期考慮，提供全生命周期服務鏈。其他研究人員[5～8]則分別從云制造資源的虛擬化、虛擬制造資源調度、虛擬制造資源遠程訪問，以及如何利用云計算實現(xiàn)機械設計、機械制造，如何通過網(wǎng)絡遠程訪問制造云資源等方面展開研究，都是圍繞云制造關鍵技術實現(xiàn)和制造云平臺構建使用角度，但是他們的研究工作沒有從制造全生命周期活動的角度出發(fā)來描述如何構建云制造平臺，面向用戶構建服務鏈，為制造全生命周期活動中涉及的研發(fā)、設計、生產加工、仿真、經營管理、集成等環(huán)節(jié)提供一體化的解決方案，實現(xiàn)制造資源和制造能力的敏捷集成共享，促進制造業(yè)升級轉型。

本文結合云計算、云制造和計算機領域面向服務架構的理念，基于流程編排思路，提出云制造服務鏈的概念，允許用戶根據(jù)自身生產制造需求，創(chuàng)建獨立的虛擬工廠，按需編排虛擬制造資源，構建云制造服務鏈，使得制造活動和制造資源間無縫聯(lián)接，實現(xiàn)制造的服務化、敏捷化。

1 面向制造生命周期的云服務鏈

云制造是在“制造即服務”理念的基礎上，借鑒了云計算思想發(fā)展起來的一個新概念。云制造是先進的信息技術、制造技術以及新興物聯(lián)網(wǎng)技術等交叉融合的產品，是制造即服務理念的體現(xiàn)。采取包括云計算在內的當代信息技術前沿理念，支持制造業(yè)在廣泛的網(wǎng)絡資源環(huán)境下，為產品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務。其基本運行原理如圖1所示。

圖1 云制造運行原理

從圖1可以看出，云制造通過制造云接入由資源提供者提供出來的各類異構的制造能力和制造資源，通過制造云統(tǒng)一整合和適配，以標準化服務的方式提供給資源的使用者。這些制造能力和制造資源涵蓋制造全生命周期，包括設計、生產、運營等階段。制造云的運營者負責管理和運營云化的制造資源，對資源使用進行計量和計費，同時監(jiān)管制造能力和制造資源的運行，對其進行能力評價和服務質量考核，協(xié)調資源的協(xié)同運行，保證服務的交付質量。

制造云服務：標準化的制造資源和制造能力，包括IaaS、PaaS和SaaS三類。其中，IaaS類資源又分為IT基礎設施資源和制造生產設備資源。IT基礎設施資源通常以虛擬機形式提供給用戶，用戶可以按需申請?zhí)摂M機硬件配置，比如CPU、內存、存儲、外設等，制造生產設備資源包括各類智能機械加工設備，比如數(shù)控車床、銑鏜床、磨齒機、磨削機床、鉆床，以及仿真設備、裝配設備等。PaaS類資源主要是各類設計開發(fā)庫資源，支持用戶在此基礎上快速完成設計開發(fā)，包括沖壓模具標準件庫、軸系零部件參數(shù)化設計中間件、RFID中間件等。SaaS類資源包括各類軟件資源，比如AutoCAD、SolidWorks、Pro/E等設計軟件，ANSYS、ANSOFT等分析仿真軟件。

制造云服務鏈：制造云通過將各類制造資源使用標準化接口通過網(wǎng)絡向用戶提供服務。制造生命周期流程由用戶自定義，制造活動依據(jù)流程在各個云服務之間自動或者手動流轉，形成制造云服務鏈，如圖2所示。云服務按照制造生命周期進行分類，用戶可以依據(jù)產品設計、制造的流程按需選擇所需的所有云服務資源。每個用戶擁有獨立的云服務鏈，云服務資源相互之間隔離，這樣一方面可以避免用戶隱私數(shù)據(jù)的泄露，另一方面可以避免用戶共同操作設備引起的安全隱患，此外還便于對用戶使用資源進行計量和計費。

2 云制造平臺總體架構

云制造平臺系統(tǒng)結構如圖3所示。整體設計是將各類異構的制造資源通過虛擬化和服務化轉換成虛擬的可編排的標準化的資源池，然后再通過異構資源適配層屏蔽底層異構資源間的差異，對上提供統(tǒng)一的服務，對外提供云服務鏈編排服務。用戶可以根據(jù)自己的需求編排云服務，按需使用各類資源，支撐用戶敏捷快速的完成產品開發(fā)、生產、仿真、發(fā)布等目標。

1）制造資源層：平臺支持三類資源，包括IT基礎設施類、制造軟硬件類和制造能力類，制造硬件設備需要通過改造以接入物聯(lián)網(wǎng)，進而納入統(tǒng)一的資源管理。其中IT基礎設施包括計算、存儲和網(wǎng)絡資源，是各類軟件資源的運行載體和硬件資源的控制載體；制造軟硬件資源包含各類加工設備和輔助加工的傳感設備等；制造能力類資源是指需要結合人力和知識的資源，比如產品設計能力、產品生產，用戶可以將需求外包給相應的制造能力資源提供者，不再關注具體過程，只需要關注結果即可。各類資源之間通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)相互連接，接受訪問和管理。

圖2 制造云服務鏈

圖3 制造云平臺系統(tǒng)結構

2）資源接入層：實現(xiàn)資源的感知、虛擬化和服務化。IT基礎設施利用成熟的計算、存儲和網(wǎng)絡全虛擬化技術實現(xiàn)，比如KVM、SDN、VirtualSAN等，為上層提供標準化的IT基礎服務；制造類硬件資源通過云服務建模將制造資源描述成符合制造行業(yè)特征的規(guī)范化、語義化的描述，作為資源服務注冊和調度的基礎；制造能力類資源同制造硬件資源，通過云服務統(tǒng)一建模，描述成可注冊和調度的標準化云服務。

3）資源管理層：對下層虛擬資源池的資源進行統(tǒng)一管理和調度，包括異構資源適配、資源服務管理、安全管理和運營管理，以及云服務鏈編排。其中，異構資源適配是對各類不同提供商提供的資源池所進行的歸一化管理，云服務鏈編排提供制造生命周期流程管理功能，允許用戶依據(jù)需要來編排云服務和云服務之間的鏈接關系，以便于各個制造環(huán)節(jié)之間的無縫對接。

云制造平臺的功能結構如圖4所示。依據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)分層的思路將系統(tǒng)抽象成三層：資源總線層、控制總線層和服務引擎層。

1）資源總線層：為上層提供異構資源訪問能力，實現(xiàn)底層各類異構資源的調度、尋址、名稱服務、安全保障等。

圖4 云制造平臺功能架構

2）控制總線層：為上層云服務提供資源控制和管理能力，包括資源分配、智能調度、事務控制、運行控制等，通過對資源的調配和運行控制，保證上層云服務的正常供應和QoS。

3）服務引擎層：將底層各類資源和能力通過標準的云服務接口對外提供，支持制造資源的共享，制造能力的標準化運營服務等。

4）資源/能力運營：提供制造相關云服務的發(fā)布、定價、計量和計費等。此外，提供運營管理報表，支撐運營管理。

3 云制造平臺關鍵技術研究

3.1 云制造資源的統(tǒng)一接入

云制造平臺采用面向服務的架構SOA設計，使用統(tǒng)一的服務總線集中管控和接入各類異構的資源，包括云計算資源、制造資源和制造能力等，如圖5所示。

企業(yè)服務總線提供服務管理、服務編排功能，并支持協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)轉換、消息路由和服務編排。能夠靈活支持消息隊列MQ、SOAP、RESTFUL、JDBC、HTTP、TCP等常用協(xié)議，最大化了異構制造資源服務的協(xié)議兼容能力，使得對不同服務商、不同類型數(shù)據(jù)的接口適配更加方便。

各類制造資源使用統(tǒng)一的云服務建模技術進行建模。云服務模型描述了服務的云信息及服務調用接口，能有效隔離異構資源和上層應用，確保云制造平臺架構的松耦合。WebService技術廣泛應用在面向服務計算中，服務的描述、發(fā)現(xiàn)和集成基于一系列標準，XML、SOAP、WSDL、UDDI。本文采用WSDL作為云制造服務的主要描述語言。WSDL是W3C提出的服務，主要用于描述靜態(tài)服務，包括自身的功能及調用方法，無法滿足云制造資源服務評價、服務質量等多種屬性的描述要求。通過XML Schema語法對制造云服務模型進行擴展，使之具備更多的屬性信息，支撐云制造平臺上層對服務信息的需求。針對制造設備資源，描述模型為：

ManufacturingResource={BaseAttr，F(xiàn)unctionAttr，ApplicationAttr，StatAttr}

其中基本屬性描述制造資源的基本信息，包括名稱、型號、廠家、用途、提供商、位置、聯(lián)系方式等；功能屬性描述資源的參數(shù)描述，即設備自身參數(shù)指標，比如加工主參數(shù)、控制系統(tǒng)類型等；應用參數(shù)描述資源使用相關屬性，包括可用時間、價格、服務評價等；狀態(tài)屬性是資源在云制造平臺中狀態(tài)，是否在使用，后續(xù)任務等。

云制造平臺面向各類異構資源，不同的資源提供者有可能使用不同的云服務模型來描述資源，本文系統(tǒng)架構采用異構資源適配層來屏蔽底層異構資源的差異，對上采用上文描述的WSDL擴展語言統(tǒng)一對接入的資源進行重新建模。

3.2 云制造資源的共享服務

平臺通過統(tǒng)一服務建模接入異構的資源并注冊到資源表中，通過資源運營統(tǒng)一對外暴露服務。用戶或者應用通過資源申請來獲取資源，通過認證后由系統(tǒng)進行調度，從資源表中注冊的資源中匹配合適的資源，然后資源路由與目標資源綁定，從而將資源分配給用戶使用，整個資源共享服務流程如圖6所示。

3.3 云制造服務鏈構建

云制造平臺通過云服務鏈編排模塊將各業(yè)務模塊發(fā)布的零散服務集成起來，構造出完整業(yè)務流程，以滿足用戶業(yè)務變化的需求，對外提供業(yè)務流程定義和流程實例化接口。

圖5 面向服務的統(tǒng)一資源接入

圖6 云制造資源共享過程

各類制造資源和制造能力（如制造設備、加工能力等）通過服務總線發(fā)布服務。云制造統(tǒng)一門戶通過調用流程定義接口編排業(yè)務流程，從而構建云服務鏈；調用流程實例化接口啟動流程，按照定義的云服務鏈執(zhí)行。

3.4 終端用戶訪問云制造服務

用戶通過統(tǒng)一服務門戶訪問云制造服務。每個用戶有自己獨立的vFactory（虛擬制造工廠），每個vFactory都是一組虛擬制造資源以及用戶的組合，不同用戶的vFactory之間的虛擬資源相互隔離。

vFactory里面包含虛擬機、虛擬加工設備、設計/仿真軟件等云服務。其中虛擬機作為設計、分析和仿真等軟件的載體，同時也作為各類加工設備、傳感器等資源的訪問控制載體。所有的云服務資源用戶都可以按需申請，并編排成云服務鏈，以滿足產品設計、加工等需求。

用戶可以通過虛擬桌面協(xié)議遠程訪問虛擬機，獲得與普通PC一樣的操作體驗。虛擬桌面將數(shù)據(jù)資源及應用資源部署在后臺服務器中心，用戶可通過任意終端如電腦、智能手機、平板通過瀏覽器或者客戶端訪問到虛擬機[9]。

4 基于云制造平臺的軸系零部件加工

軸類零件是各種機械產品中最常見的零件種類。軸類零件在建模過程中存在零件結構復雜，建模工作重復度高的情況。利用云制造平臺提供的制造生命周期云服務鏈，可以便捷的獲取軸系零件設計、校驗、加工等一條龍資源，快速、高效的完成制造任務。

為了驗證基于云制造平臺提供的制造服務鏈對生產制造帶來的變革，作者研究團隊搭建了一個VMS平臺（Virtualized Manufacturing System），實現(xiàn)了IT基礎設施的虛擬化、面向云的制造業(yè)應用和PaaS服務，以及車床的虛擬化接入，面向用戶以云服務方式提供虛擬化制造資源，實現(xiàn)云端制造。

VMS系統(tǒng)為每個用戶創(chuàng)建一個獨立的虛擬工廠，用戶登錄VMS系統(tǒng)后會進入屬于自己的虛擬工廠。依據(jù)對階梯軸生產活動的分析，創(chuàng)新階梯軸加工云服務鏈，編排設計每階段任務并在線申請?zhí)摂M資源，包括設計所需的虛擬機、設計軟件SolidWorks、參數(shù)化設計中間件、仿真系統(tǒng)，以及加工所需的物料、車床等。編排設計、仿真和加工服務之間的銜接關系，即設計輸出的圖紙，輸入到仿真系統(tǒng)進行設計校驗和仿真加工，將仿真完成后的數(shù)控車床程序輸入到真實的車床設備進行加工，如圖7所示為虛擬工廠中階梯軸加工云服務鏈。

用戶通過虛擬桌面客戶端遠程訪問虛擬機，利用設計軟件和開發(fā)中間件快速完成開發(fā)，并依據(jù)云服務鏈依次完成仿真和加工，工作流程如圖8所示。

整個加工過程，采用遠程視頻實時監(jiān)控，加工程序執(zhí)行邏輯記錄實時反饋呈現(xiàn)。加工完成之后，可以自動發(fā)送郵件和短信，通知車床提供商將加工好的階梯軸發(fā)貨。

圖7 虛擬工廠

圖8 階梯軸服務鏈執(zhí)行過程

利用云制造平臺，用戶生產產品不再需要事先準備各類生產資源，而只需要登錄平臺，按需申請和配置云服務資源即可，利用平臺提供的強大的設計能力和生產能力，大大縮短生產周期，與傳統(tǒng)生產模式相比效率更高。

5 結束語

本文基于對云制造的研究和理解，結合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、信息化制造等技術，致力于構建面向制造的云服務鏈，擴展云計算IaaS、PaaS、SaaS三層服務模式的內涵，探討了云服務鏈的概念、云制造平臺架構和關鍵技術，并以階梯軸制造為應用實例，證實面向制造的云服務鏈能夠在制造生命周期的各階段提供用戶所需的各類服務，實現(xiàn)軟硬件制造資源的彈性共享，并以云化方式提供給終端用戶，支持多租戶大規(guī)模應用。

下一步可利用虛擬化資源在平臺上進行試驗，根據(jù)成本、時間、質量等因素優(yōu)化資源自動調配過程，使得云服務鏈更加高效；此外，還可以集成更多類型的云服務，包括物料供應、物流、更多加工設備等，豐富云服務類型，滿足用戶各類制造活動需求。

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