云模式下制造資源的服務化描述與虛擬化封裝方法

（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

0 引言

在計算機網(wǎng)絡技術快速發(fā)展的時代背景下，機械、化工、冶金等傳統(tǒng)制造企業(yè)受到互聯(lián)網(wǎng)和信息化的巨大沖擊。如何通過網(wǎng)絡信息技術，充分利用社會資源和服務開展制造活動，已經(jīng)成為當前迫切需要解決的問題。

2010年，云制造的概念應用而生。它將制造資源服務化和虛擬化后，接入網(wǎng)絡服務平臺（云平臺），以信息流的形式為用戶提供制造全生命周期的一系列服務[1]，體現(xiàn)“制造即服務”的思想，達到“分散資源集中使用，集中資源分散服務”的目的[2]。事實上，實現(xiàn)制造資源集成共享和高效利用的前提是建立規(guī)范的、可識別和可擴展的資源描述框架。同時，還需要構建高效、完善的服務化封裝機制，將制造資源封裝于云平臺中，形成云資源或云服務，實現(xiàn)云模式下資源的海量集成、多方位共享和統(tǒng)一管理。

當前，國內外學者對制造資源虛擬化過程展開了初步研究。吳晶晶等對制造服務進行了形式化定義，利用仿真平臺驗證其可用性[3]。薛建勛[4]和李孝斌等[5]以不同的方式建立了制造資源的語義描述模型，并通過實例加以驗證。吳橋等[6]和陳琨等[7]分別對制造資源中硬資源和軟資源的封裝機制作了探討，建立了虛擬化封裝框架。Minguez et al提出了一種基于服務總線的制造服務封裝和集成機制[8]。陳樺等運用XML語言建立機床產(chǎn)品的設計信息文檔，實現(xiàn)了設計資源的瀏覽和交互處理的統(tǒng)一描述[9]。潘有能等對XML文檔的分類過程展開研究，提出了多種語義識別方法[10]。總的來說，大多數(shù)成果對制造資源虛擬化過程的研究還不夠深入，在云模式下制造資源描述框架的構建以及虛擬化封裝機制等方面還需要做進一步探討。

本文在現(xiàn)有研究的基礎上，根據(jù)云制造的特點和目標，在保證制造資源異構性和獨立性的前提下，構建了一種分層次、模塊化的制造資源描述框架，并提出了一種基于Web的服務化封裝方法，通過實例對所提框架和方法進行了驗證，實現(xiàn)了制造資源的服務化描述和虛擬化封裝。

1 制造資源的服務化描述

1.1 制造資源的定義及描述框架

在云模式下，制造資源的含義非常廣泛，是一切能在制造全生命周期中發(fā)揮作用的軟資源、硬資源以及其他諸如人、知識等資源的總稱[11]。以服務的形式對制造資源進行描述，是實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)輸入和輸出的前提條件。構建適合于人機理解的制造資源服務化描述模型，能夠提升云平臺的整體運行能力和人機交互能力，為后期的資源發(fā)布、管理和智能化配置具有重要意義。然而，制造資源具有海量性、異構性及獨立性等特點，難以套用完全統(tǒng)一的描述模型，同時為保證制造資源的充分自治性，需要對制造資源進行分層次、模塊化描述。

根據(jù)制造資源的特點，綜合考慮云模式下制造資源及其相關信息，提出一種制造資源服務化描述框架MS，用集合表示為：

式中，MR表示制造資源；PI表示制造資源提供方；Access表示制造資源相關訪問；Others表示其他擴展內容。

制造資源的服務化描述框架，具有模塊化和分層次的特點。它通過對制造資源、資源提供方、訪問等分別進行形式化描述，建立各部分獨立的模塊化描述模型，保證了各部分模型自身獨特的描述屬性及相應的屬性值，增強了各部分模型間的關聯(lián)性。然后，將各部分描述模型以制造服務的形式分層次統(tǒng)一整合，保證了制造資源的獨立性以及描述內容、相關服務的集成性。云模式下制造資源具體的服務化描述過程如圖1所示。

圖1 制造資源的服務化描述過程

1.2 制造資源描述模型

制造資源是云制造的核心對象，一切云服務都離不開制造資源的支持。對制造資源進行合理分類有利于后期的資源發(fā)現(xiàn)與快速配置。借鑒已有研究成果[12,13]，將制造資源分為軟資源和硬資源兩大類。其中，軟資源指制造活動中的非硬件資源，其功能是在制造全生命周期中保證制造過程正常進行和運轉，如軟件資源、服務資源、人力資源、財務資源等；硬資源指制造活動中所涉及到的所有與制造過程直接關聯(lián)的實體硬件資源，如設備資源、物料資源、零部件資源、物流資源等。建立制造資源本體層次分類樹如圖2所示。制造資源涉及范圍廣，不同類型的資源具有不同的屬性，描述的內容差異較大。針對該問題，結合當前云模式下制造資源優(yōu)化配置時的實際需求，綜合考慮資源本體、功能、任務、評價等內容，構建制造資源描述模型MR，用集合表示為：

圖2 制造資源本體層次分類樹

其中：RltRsrc為資源本體描述模型；RltFunc為資源功能描述模型；RltTask為資源任務描述模型；RltEval為資源評價描述模型；Others為其他擴展模型。

加工中心（Machining Center，MC）是制造領域的一種高性能的自動加工設備。下面以某型號加工中心為例，闡述制造資源的描述方法。

1）加工中心本體描述模型

加工中心本體的描述模型RltRsrc(MC)，用集合表示為：

其中：BasicInfo為基本信息屬性集，包括資源編號MrId、服務編號MsId、名稱Nm、型號Mdl、制造商Mfr、品牌Brnd、當前狀態(tài)State等。MrId為制造資源的唯一標識。

BasicParm為基本參數(shù)屬性集，包括資源類型Type、主軸轉速Spd、外形尺寸CnfgD、最大載荷MaxL、工作臺尺寸WbD、刀具尺寸TD等。ProcCap為加工能力屬性集，包括定位精度PAc、鉆孔能力DCap、控制軸數(shù)AxisA、加工行程MacTrvl、換刀時間TcT等。MainCfg為主要配置屬性集，包括刀庫類型ToolT、潤滑系統(tǒng)LubS、數(shù)控系統(tǒng)CNC等。

某型號加工中心的本體可描述為：

{(MrId：MC001，MsId：MS01，Nm：立式加工中心，Mdl：TD500，Mfr：西安云端機械廠，Brnd：西格瑪，State：空閑)，(Type：加工中心，Spd：10000r/min，CnfgD：1600×1530×2090mm，MaxL：250kg，WbD：620*420mm，TD：16*16mm)，(PAc：±0.004/300mm，DCap：φ15，AxisA：3，MacTrvl:(X：500mm；Y：300mm；Z：300mm)，TCT：1.2Sec),(ToolT：盤式刀庫，Lubs：河谷，CNC：西門子)}。

2）加工中心功能描述模型

加工中心功能的描述模型RltFunc（MC），用集合表示為：

其中：FuncId為功能編號，是資源相關功能的唯一標識；FuncType為功能類型；Input為輸入；Output為輸出；Prem為前提條件；Exp為預期結果。

加工中心的某項功能可描述為：

{FuncId：Func01，MrId：MC001，Type：鉆孔，Input：待加工件，Output：加工后工件，Prem：需求方提供加工件和工藝參數(shù)，Exp：完成需求方相關工藝要求}。

3）加工中心任務描述模型

加工中心任務的描述模型RltTask（MC），用集合表示為：

其中：BasInfo為任務基本信息屬性集，包括任務編號TastId、資源編號MrId、具體任務類型TaskType、任務描述TaskDesc、開始時間Start、預定結束時間ExpEnd、結束時間End、進度記錄ProcRcd、提交方編號SPId等。其中，TastId為制造資源所對應任務的唯一標識。Cstr為任務的相關約束屬性集，包括工藝方法Tech、規(guī)格要求Spcf等。

加工中心的某項任務可描述為：

{TastId：T01，MrId：MC001,TaskType：切削，TaskDesc：特殊板料切削，Start：2017-01-16，ExpEnd：2017-02-01，End：2017-02-06}。

4）加工中心評價描述模型

加工中心評價描述模型RltEval(MC)，用集合表示為：

其中：TastId和MrId的含義同前；TechEval為工藝水平評價屬性；ProcEval為任務進度評價屬性；AgileEval為敏捷評價屬性；Others為其他擴展評價屬性。

加工中心的某項任務的評價可描述為：

{TastId：T01，MrId：MC001，TechEval：良好，ProcEval：一般，AgileEval：優(yōu)秀}。

1.3 資源提供方描述模型

制造資源提供方是制造服務描述框架中最基本的組分，具體的描述內容可依據(jù)實際應用情況進行適當選取。針對資源提供方的重要屬性建立描述模型PI，用集合表示為：

其中：MsId為制造服務編號，是識別云制造服務的唯一標識，具有極強的關聯(lián)性特征；Name為相關制造資源所屬法人或單位機構的名稱；Desc為提供方以及其他知識能力的相關描述；Loc為提供方所在地；Tel為聯(lián)系方式；Url為相關網(wǎng)址鏈接；Others為其他擴展描述屬性。

某制造資源的提供方可描述為：

{MsId：MS01，Name：上海云端機械廠，Desc：上海云端機床是專業(yè)生產(chǎn)數(shù)控車床的廠家，引進…，Loc：上海市松江區(qū)，Tel：400-055-6655，Url：http://www.YunDuancnc.com/}。

1.4 資源訪問描述模型

訪問是云制造在網(wǎng)絡化進程中的特性，是溝通制造服務與云制造服務平臺之間的橋梁，內容包括訪問協(xié)議AcsPrtcl、傳輸協(xié)議TfrPrtcl、接口Intfc等，用集合表示為：

某制造服務的訪問可描述為：

{MsId: MS01, AcsPrtcl: SOAP, TfrPrtcl: HTTP, Intfc:WSDL}。

2 制造服務的虛擬化封裝

2.1 虛擬化封裝的意義

按照云制造模式的運行機理，對制造資源進行服務化描述，實現(xiàn)了制造資源的規(guī)范化表達，但此時的制造資源僅在概念上具有制造服務的意義，與“云”并無直接關系。虛擬化封裝是實現(xiàn)制造資源從物理資源到云資源的抽象和映射過程。它通過云平臺，對僅具有制造服務概念意義的制造資源進行虛擬化封裝，以數(shù)據(jù)的形式發(fā)布、存儲在平臺資源庫中，形成云資源或云服務。這里提出一種基于Web的服務化封裝方法。

2.2 結構及語義驗證機制

從語義和結構兩個方面，驗證云資源池中制造資源數(shù)據(jù)的正確性和規(guī)范性，是制造服務虛擬化封裝過程的重要內容。XML（Extendable Markup Language，可擴展標記語言）用于對數(shù)據(jù)信息進行標準的結構化描述，具有強大的拓展性、子描述性、跨平臺性及異構兼容能力，非常適合對制造資源及相關制造服務進行結構及語義的描述與驗證。下面以加工中心為例，運用XML語言進行結構描述，如圖3所示。

圖3 加工中心的XML描述文檔

運用XML技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲和交互，并且保證XML文檔都符合一個固定的結構模型，即結構化定義。運用XML Schema模式對所描述的制造資源XML文檔進行驗證，生成相應的XSD（XML Schemas Definition）文檔，部分代碼如圖4所示。

XML Schema模式可嚴格地對所驗證的XML文檔對象進行結構和語義的深約束，強化了XML自身的結構功能，保證了制造資源描述內容的規(guī)范性、一致性和正確性。同時，由于XML Schema自身就是一種XML語言，可對XML實現(xiàn)更好的兼容性和可操性，方便后期對云平臺中制造資源虛擬化封裝模塊的開發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)庫結構設計

云制造服務平臺的資源庫是存儲制造資源相關服務信息的最終載體，又被稱為云制造資源池。合理縝密的數(shù)據(jù)庫結構不僅能為云模式下資源信息的各項操作提供極大的便利，同時也能進一步提高云平臺的整體運行效率。

圖4 XML Schema文檔部分核心代碼

結合制造資源服務化描述模型，以某型號加工中心為例設計相關數(shù)據(jù)庫，得到數(shù)據(jù)表之間關系結構如圖5所示。

圖5 制造資源數(shù)據(jù)表結構圖

數(shù)據(jù)表依照資源描述內容進行合理劃分，且各表之間通過主鍵（如MsId、MrId、TastId、FuncId等）進行相互關聯(lián)和數(shù)據(jù)約束，保證了封裝過程中制造服務的整體性，便于對資源動態(tài)數(shù)據(jù)的快速檢索和更新。同時，對部分常用外鍵建立相關索引、事務以及存儲過程，進一步提高了對相關資源數(shù)據(jù)的檢索效率。

2.4 虛擬化封裝方法

制造服務虛擬化封裝的重點內容是將物理制造服務以數(shù)據(jù)的形式封裝于云平臺資源池中，并保證其結構和語義的正確性。云平臺是完成制造服務虛擬化封裝的重要載體，具體的虛擬化封裝流程如圖6所示。

圖6 制造服務虛擬化封裝流程

在虛擬化封裝的過程中，對數(shù)據(jù)的結構和語義進行驗證是重點工作。采用三層結構的方式對服務數(shù)據(jù)進行驗證，具體步驟如下：

1）通過平臺前端對制造資源進行數(shù)據(jù)錄入，并對部分數(shù)據(jù)進行初步的邏輯和語義驗證。

2）將相關數(shù)據(jù)傳入后臺邏輯層進行邏輯驗證。

3）生成XML文檔，運用XML Schema模式生成相關XSD文檔，進行結構和語義驗證。

4）采用DOM的方式對XML進行解析，將經(jīng)過結構和語義驗證的數(shù)據(jù)存入后臺數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)制造資源的虛擬化封裝。

2.5 虛擬化封裝實例

以某型號加工中心為研究對象進行形式化描述和虛擬化封裝，通過云制造服務平臺對其進行上傳和發(fā)布，并以數(shù)據(jù)的形式存儲于后臺資源庫中，實現(xiàn)制造服務“云端化”。具體虛擬化封裝的過程如圖7所示。

圖7 制造資源虛擬化封裝過程

3 結束語

對制造資源進行服務化描述和虛擬化封裝是云模式下實現(xiàn)制造資源集成共享和高效利用的前提條件。本文根據(jù)制造資源的海量性、異構性及獨立性等特點，構建了一種分層次、模塊化的制造資源服務化描述框架，分別提出了制造資源、資源提供方以及資源相關訪問的具體描述模型。在分析制造服務虛擬化封裝意義的基礎上，提出了一種基于Web的制造服務虛擬化封裝方法，給出了制造服務的結構與語義驗證機制以及虛擬化封裝的流程和步驟。最后結合實例驗證了本文所提模型和方法的可行性和有效性。后續(xù)將重點圍繞制造服務的供需優(yōu)化配置進行深入研究。

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