云制造系統(tǒng)中制造資源匹配研究

杜易洲, 李湉, 邱競(jìng)雄, 郭亮

（1.中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，成都610503；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

0 引言

“云制造”以云計(jì)算技術(shù)為支撐的一種新型的網(wǎng)絡(luò)化制造模式[1-4]。它通過(guò)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化制造與服務(wù)技術(shù)進(jìn)行延伸和變革，將各類(lèi)制造資源虛擬化為服務(wù)節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行統(tǒng)一的智能化管理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期過(guò)程提供服務(wù)[2-3]。制造資源虛擬為服務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要對(duì)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力進(jìn)行規(guī)范化描述。只有通過(guò)統(tǒng)一的、規(guī)范化的描述才能對(duì)制造資源進(jìn)行搜索、匹配和管理[5-7]。

1 資源描述語(yǔ)言

RDF（Resource Description on Framework）即資源描述框架[8-9]，是一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)模式，用于表達(dá)關(guān)于萬(wàn)維網(wǎng)上的資源的信息的語(yǔ)言，它專(zhuān)門(mén)用于表達(dá)關(guān)于Web資源的元數(shù)據(jù)。將“Web資源”的概念一般化后，RDF可用于表達(dá)關(guān)于任何可在Web上被標(biāo)識(shí)的事物的信息。云制造系統(tǒng)中，分布式的服務(wù)節(jié)點(diǎn)首先要描述自己的服務(wù)能力，然后將服務(wù)能力發(fā)布到云端?？梢詫⒎?wù)節(jié)點(diǎn)也作為一種“Web資源”，用RDF描述其屬性[10]。

RDF使用XML語(yǔ)法和RDF Schema（RDFS）來(lái)將元數(shù)據(jù)描述成為數(shù)據(jù)模型[11]。對(duì)資源的描述是領(lǐng)域和應(yīng)用相關(guān)的，對(duì)不同資源的描述需要采取不同的詞匯表。因此RDF規(guī)范并沒(méi)有定義描述資源所用的詞匯表，而是定義了一些規(guī)則，這些規(guī)則是各領(lǐng)域和應(yīng)用定義用于描述資源的詞匯表時(shí)必須遵循的。RDF也提供了描述資源時(shí)具有基礎(chǔ)性的詞匯表，可以使用自己的詞匯表描述任何資源。RDF語(yǔ)言這種可拓展的特性，使得它非常適合描述云端中不斷變化的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

由于RDF使用的是結(jié)構(gòu)化的XML數(shù)據(jù)，用其描述服務(wù)節(jié)點(diǎn)使得搜索引擎可以精確地理解服務(wù)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力，從而使基于搜索引擎的任務(wù)匹配變得更為智能和準(zhǔn)確。

2 服務(wù)節(jié)點(diǎn)描述

云制造系統(tǒng)中的服務(wù)節(jié)點(diǎn)包括訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)和制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)兩大類(lèi)。訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)首先對(duì)用戶(hù)提出的需求進(jìn)行描述，然后將其以訂單的形式發(fā)布到云端。制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身的制造能力進(jìn)行描述，并根據(jù)自己的制造能力在云端中選擇合適的訂單進(jìn)行響應(yīng)[12-15]。

2.1 訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)描述

云制造系統(tǒng)為用戶(hù)提供了一個(gè)獲取制造服務(wù)的平臺(tái)，用戶(hù)通過(guò)需求表達(dá)自己希望獲得的制造服務(wù)。云制造系統(tǒng)中用戶(hù)可能提出以下三種需求：

1）設(shè)計(jì)需求。用戶(hù)提供零件的工作條件和性能要求，希望獲得零件的設(shè)計(jì)信息，如加工材料、性能參數(shù)、CAD圖樣、三維模型等。

2）制造需求。用戶(hù)已經(jīng)擁有零件的設(shè)計(jì)信息，希望獲得加工、運(yùn)輸、裝配和檢測(cè)等制造服務(wù)。

3）購(gòu)買(mǎi)需求。用戶(hù)確信某一特定型號(hào)的產(chǎn)品可以滿(mǎn)足自己的要求，希望通過(guò)云制造平臺(tái)獲得相關(guān)的產(chǎn)品購(gòu)買(mǎi)信息。

設(shè)計(jì)需求和購(gòu)買(mǎi)需求的特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)、目的明確，目前已經(jīng)存在大量的專(zhuān)業(yè)平臺(tái)提供這一服務(wù)，所以設(shè)計(jì)服務(wù)和產(chǎn)品交易服務(wù)不是云制造系統(tǒng)的服務(wù)重點(diǎn)。

制造服務(wù)的專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、靈活度大，對(duì)平臺(tái)的要求很高，市場(chǎng)上成熟的商業(yè)性制造服務(wù)平臺(tái)還不多見(jiàn)。制造服務(wù)是云制造系統(tǒng)的服務(wù)重點(diǎn)，對(duì)制造需求的進(jìn)行描述具有重要意義。

圖1 制造需求樹(shù)

制造需求可以分為設(shè)備需求和工藝需求兩個(gè)部分。設(shè)備需求是進(jìn)行加工時(shí)所需要的機(jī)床、刀具、夾具、量具等硬件設(shè)備（硬需求）。工藝需求是利用這些硬件設(shè)備進(jìn)行加工的過(guò)程中需要用到的工藝參數(shù)和信息資源，屬于加工中的“軟需求”。圖1是制造需求的樹(shù)圖，從左向右，逐層展開(kāi)。

采用RDF描述制造需求的時(shí)候，將制造需求這一概念作為一個(gè)類(lèi)（class），用戶(hù)提出的特定需求是制造需求類(lèi)的一個(gè)資源，是該類(lèi)的實(shí)例（instances）。在RDF Schema中，一個(gè)類(lèi)是任何具有rdf:type特性、并且該特性的值為rdfs:Class的資源。因此，可以這樣來(lái)描述一個(gè)制造需求類(lèi)：為該類(lèi)指定一個(gè)URIref（ex:ManufactReq）,然后將其描述為一個(gè)具有rdf:type特性、并且特性值為rdfs:Class的資源。特性rdf:type用來(lái)表明一個(gè)資源是某個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

ex:ManufactReq rdf:type rdfs:Class

exthing:Gear rdf:type ex:ManufactReq

ex:DeviceReq rdfs:subClassOf ex:ManufactReq

ex:ProcessReq rdfs:subClassOf ex:ManufactReq

上面的RDF聲明將ex:ManufactReq描述為類(lèi)，exthing:Gear是ManufactReq類(lèi)的一個(gè)實(shí)例，表示存在一個(gè)齒輪的制造需求。rdfs:subClassOf表明類(lèi)DeviceReq和ProcessReq是類(lèi) ManufactReq的子類(lèi)。rdfs:subClassOf特性是可以嵌套的，適用于描述樹(shù)圖的層次關(guān)系?？梢詫⒁陨系腞DF聲明擴(kuò)展為：

限于篇幅，聲明中只描述了一部分類(lèi)與子類(lèi)之間的層次關(guān)系，其余部分與聲明中的部分描述方法基本相同，不再贅述。聲明中的類(lèi)名與圖1中分支名的映射關(guān)系如表1所示。

描述制造需求類(lèi)及其子類(lèi)后，還需要定義刻畫(huà)類(lèi)的特性（properties）。在RDF schema中，特性是用rdf:Property、rdfs:domain、rdfs:range和rdfs：subPropertyOf來(lái)描述的。RDF中的所有特性都被描述為類(lèi)rdf:Property的實(shí)例。因此一個(gè)新特性的描述是通過(guò)為它指派一個(gè)URIref，并使用一個(gè)值為rdf:Property的rdf:type特性來(lái)完成的。以圖1為例，車(chē)床類(lèi)是機(jī)床類(lèi)的一個(gè)子類(lèi)，但車(chē)床的加工精度和加工范圍不能作為車(chē)床的子類(lèi)來(lái)進(jìn)行描述，因?yàn)榧庸ぞ群图庸し秶菣C(jī)床本身的屬性，并不是一個(gè)實(shí)體。在下面的RDF聲明中，用rdfs:range來(lái)定義這兩個(gè)屬性。

表1 類(lèi)名與分支名的映射關(guān)系

制造需求除了設(shè)備需求和工藝需求之外，還對(duì)滿(mǎn)足需求所需的時(shí)間和費(fèi)用有一定的限制。把這種限制以時(shí)間界限分支和價(jià)格范圍分支的形式引入制造需求樹(shù)中并用RDF進(jìn)行描述。時(shí)間界限分支和價(jià)格范圍分支是對(duì)制造需求的一種陳述，故采用主體（subject）， 謂 詞（predicate），客體（object）的三元組對(duì)其進(jìn)行描述。

綜上所述，在采用RDF描述訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要描述用戶(hù)提出的制造需求。用子類(lèi)的形式描述制造需求類(lèi)的實(shí)體分支（硬需求），用屬性的形式表述類(lèi)的特性（軟需求），用陳述的方式描述制造需求的限制條件。

2.2 制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)描述

制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)與訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)是相互對(duì)應(yīng)的，訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)向云端提出需要何種制造服務(wù)，而制造服務(wù)結(jié)點(diǎn)向云端表明能夠提供何種服務(wù)。在描述制造服務(wù)結(jié)點(diǎn)時(shí)，比照對(duì)訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)的描述，重點(diǎn)在于對(duì)制造能力的描述。為了方便制造能力和制造需求的匹配，用相同的規(guī)范描述兩者。

如圖2所示，制造能力樹(shù)的結(jié)構(gòu)與制造需求樹(shù)的結(jié)構(gòu)基本一致，通過(guò)設(shè)備能力、附加條件和工藝能力三方面對(duì)制造能力進(jìn)行描述。其中設(shè)備能力和工藝能力是與設(shè)備需求和工藝需求相對(duì)應(yīng)的，但在附加條件上略有不同。制造需求對(duì)任務(wù)完成時(shí)間和所需費(fèi)用提出要求，制造能力通過(guò)價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)做出回應(yīng)。由于制造問(wèn)題的復(fù)雜性，價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)該是動(dòng)態(tài)變化的。同時(shí)，由于設(shè)備不是隨時(shí)可用的，所以還需要對(duì)設(shè)備可用時(shí)間進(jìn)行描述。這也是云制造的特點(diǎn)之一，即最大限度地利用設(shè)備的空閑加工能力。描述制造能力與描述制造需求的方法類(lèi)似，這里就不再重復(fù)介紹。

圖2 制造能力樹(shù)

3 資源匹配

在使用RDF對(duì)制造需求和制造能力進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上，還需要將制造能力與制造需求進(jìn)行匹配，匹配的過(guò)程是根據(jù)對(duì)訂單服務(wù)結(jié)點(diǎn)的描述，在云端尋找具有合適制造能力節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。

用戶(hù)如果希望獲得制造服務(wù)，可以登錄云制造平臺(tái)的需求客戶(hù)端軟件并提交自己的制造需求。用戶(hù)提出的制造需求一般是用自然語(yǔ)言描述的，用戶(hù)端軟件需要將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為RDF語(yǔ)言，然后發(fā)送到云制造平臺(tái)（云端）。制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)要獲得訂單，首先需要通過(guò)制造客戶(hù)端軟件與云端連接起來(lái)，然后將描述自身制造能力的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，等待云端反饋回合適的匹配結(jié)果。

當(dāng)云端接收到用RDF語(yǔ)言描述的制造需求后，云端根據(jù)對(duì)需求的描述在云端搜索已連接的制造服務(wù)結(jié)點(diǎn)，并將制造需求與制造能力進(jìn)行匹配。匹配成功后，云端將匹配信息發(fā)送給符合要求的制造服務(wù)結(jié)點(diǎn)，并等待結(jié)點(diǎn)的應(yīng)答。如果返回肯定的應(yīng)答，則表示一個(gè)潛在的訂單已經(jīng)生成，反之則表示匹配失敗，匹配過(guò)程如圖3所示。

由于制造工藝的多樣性，對(duì)于同一個(gè)制造需求，可能存在多個(gè)加工路線(xiàn)，即存在多個(gè)潛在訂單。此時(shí)云端就需要根據(jù)可行的加工路線(xiàn)，列出匹配成功的制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)用戶(hù)的要求（比如加工工費(fèi)用最少或加工時(shí)間最短）對(duì)其進(jìn)行排列。將排列結(jié)果反饋給用戶(hù)做最后的選擇，待用戶(hù)做出選擇后，向被選擇的制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送訂單。訂單的成功發(fā)送標(biāo)志著資源匹配過(guò)程的結(jié)束。

圖3 資源匹配示意圖

4 結(jié)論

RDF是結(jié)構(gòu)化的XML數(shù)據(jù)，具有XML易于網(wǎng)絡(luò)傳輸和可擴(kuò)展的特性。云制造系統(tǒng)中存在分布式的訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)和制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)，它們與云端相連，構(gòu)成云制造平臺(tái)的主要組成部分。采用RDF語(yǔ)言描述云端中訂單服務(wù)節(jié)點(diǎn)的制造需求和制造服務(wù)節(jié)點(diǎn)的制造能力，使得制造需求和制造能力可以方便的在云端中進(jìn)行傳輸和匹配。

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