云制造服務平臺系統(tǒng)的設計與開發(fā)

周 灼，苑明海，孫 超，鄧 坤

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213000)

0 引 言

政府工作報告指出：加快發(fā)展大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網應用，把發(fā)展智能制造作為主攻方向，推動《中國制造2025》戰(zhàn)略落地。其中，云制造是實施《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的一種智能制造模式和手段[1]?，F(xiàn)代制造業(yè)競爭日益激烈，各國制造業(yè)紛紛轉型成為以創(chuàng)新能力為核心，能夠實現(xiàn)資源聚合與協(xié)同的低能耗、低排放的服務型制造業(yè)[2-5]。在這種背景下，李伯虎院士提出云制造的概念，并給出云制造的服務模式、技術體系、實施思路、服務平臺的應用模式[6]。其中，服務平臺的構建是實施云制造的重要一環(huán)，服務平臺基于虛擬化技術，具有標準化的基礎資源管理、服務支撐、信息安全保障、運維監(jiān)控保障功能，通過信息技術手段改善產品設計和企業(yè)經營管理，降低制造成本，提高企業(yè)綜合制造能力[7-8]。此外，傳統(tǒng)的制造服務資源管理已經很難滿足云制造服務匹配和交易，不能很好地實現(xiàn)制造資源共享和協(xié)同使用；有效管理缺乏，網絡化制造服務的可靠性和質量難以保證，因此設計開發(fā)一個公共服務平臺管理系統(tǒng)就至關重要[9-10]。

文中結合云制造體系架構、資源服務匹配及調度的相關研究，確定該服務平臺主要包括制造資源和服務需求的發(fā)布，服務需求的匹配，任務的調度配置以及平臺的服務管理等?；谠浦圃熨Y源本體模型和對資源服務進行的統(tǒng)一形式化描述，主要從面向服務的系統(tǒng)體系架構，業(yè)務邏輯，功能模塊設計，系統(tǒng)開發(fā)與驗證等模塊展開，構建一個云制造服務平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)云用戶需求資源與服務平臺閑置資源的自動智能搜索匹配，搜索速度更塊、結果更準確；實現(xiàn)了信息統(tǒng)一規(guī)范化注冊發(fā)布、資源服務實時監(jiān)控；平臺用戶頁面簡單人性，使用戶可以便捷訪問。

1 面向SOA的云制造服務平臺的總體架構和業(yè)務流程

1.1 總體架構

SOA(service-oriented-architecture)是一種面向服務的體系結構，而云制造也是“制造及服務”理念的體現(xiàn)，是云計算等一系列先進技術與制造特征的有效融合，是制造資源在信息共享和服務模式上的拓展和延伸，所以云制造服務平臺的系統(tǒng)架構依然是一種面向服務的體系結構[11-12]?；赟OA體系架構和云制造系統(tǒng)體系結構，文中提出一種面向SOA的云制造服務平臺的體系架構，實現(xiàn)服務平臺系統(tǒng)的搭建，具體如圖1所示。該平臺系統(tǒng)架構主要包括平臺基礎環(huán)境支撐層、制造服務層、應用服務管理層、企業(yè)服務總線(enterprise service bus，ESB)及用戶交互層等。

圖1 面向SOA的云制造服務平臺總體架構

(1)平臺基礎環(huán)境支撐層以云計算技術為基礎，為云制造服務平臺提供存儲、網絡、計算資源的支持，使得云服務平臺能夠實現(xiàn)制造資源虛擬化、服務應用、安全訪問、平臺管理的功能。

(2)制造服務層主要是依據(jù)制造資源不同服務性質，實現(xiàn)資源服務注冊、相關標準接口以及發(fā)布工具的統(tǒng)一標準化，方便平臺的云端資源接入，以此來滿足用戶不同服務需求的搜索發(fā)現(xiàn)、匹配、組合及調度。

(3)應用服務管理層主要是為服務平臺提供不同的Web服務組件和相應的SOA業(yè)務規(guī)則，從而滿足多樣化和個性化的制造云服務要求。

(4)ESB主要是依據(jù)不同的需求服務和相關業(yè)務流程為平臺提供多樣的應用集成方案。同時，應用服務管理層中經過任務規(guī)劃引擎和在語義推理演繹支持下確定的服務及后續(xù)的服務集中規(guī)劃調度所生成的流程描述，都要轉交ESB處理和反饋。

(5)用戶交互層作為系統(tǒng)服務平臺的終端，各方參與者基于Web Service在平臺上進行相應的服務操作，實現(xiàn)服務全過程的友好交互。

1.2 總體業(yè)務流程

云制造服務平臺構建完成后，用戶只有授權后才能夠通過平臺提供的專用接口進行相應的服務請求，處理及調用等相關操作。平臺對服務知識庫進行實時更新，將資源需求者和資源發(fā)布者的服務資源集中到云服務池中，用以滿足更多的服務需求。針對云用戶的制造任務需求，利用云服務實例庫和知識庫進行任務需求解析與業(yè)務規(guī)劃，平臺根據(jù)已設計好的智能匹配算法進行主動服務搜索，將相匹配的服務優(yōu)選集提供給用戶。用戶選定資源服務后，平臺的執(zhí)行引擎將按照執(zhí)行路徑對所選服務進行綁定，企業(yè)通過總線集中處理服務請求，合理規(guī)劃資源調度與配置，并按照服務路徑順序進行服務調用與執(zhí)行，最后用戶根據(jù)企業(yè)的反饋進行相應的評價。綜上所述，云制造服務平臺總體業(yè)務流程如圖2所示。

圖2 云制造服務平臺的總業(yè)務流程

2 云制造服務平臺系統(tǒng)的設計

2.1 開發(fā)環(huán)境及工具介紹

該系統(tǒng)采用B/S(browser/server)體系結構，結合XML與Web Services等相關技術，通過可視化界面，讓用戶更快更好地獲得所需資源或服務，并通過個性化的技術服務實現(xiàn)制造資源的網絡信息化共享[13-14]。主要開發(fā)工具：軟件程序設計開發(fā)語言及其開發(fā)環(huán)境配置；本體編輯工具等。

(1)本體編輯工具。

為實現(xiàn)云制造資源服務及任務需求規(guī)范統(tǒng)一的形式化描述，以及平臺的資源服務語義邏輯功能，系統(tǒng)采用本體語言開發(fā)工具Protégé進行資源本體的創(chuàng)建、編輯、存儲以及邏輯定義等。

(2)程序設計開發(fā)語言及開發(fā)環(huán)境配置。

.NET是Web服務平臺強大的開發(fā)工具，具有很好的跨平臺特性，是實現(xiàn)XML，Web Services，SOA和敏捷性的技術，同時具有很多開源項目的支持。該系統(tǒng)前臺采用HTML，CSS樣式表，內容頁，JavaScript函數(shù)等網頁前端技術，后臺選用Visual C#.NET為程序設計語言，Visual Studio2010 .NET為系統(tǒng)開發(fā)集成平臺，相應的配置：Web ASP.NET服務開發(fā)和應用程序模板，ADO.NET數(shù)據(jù)庫的訪問方式等。

(3)數(shù)據(jù)庫設計與開發(fā)。

系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008進行數(shù)據(jù)庫的設計與開發(fā)。Microsoft SQL Server 2008提供強大的數(shù)據(jù)存儲和基于Web分析功能，支持XML和OLEDB的多種查詢方式以及分布式的分區(qū)視圖功能。

2.2 功能模塊設計

根據(jù)系統(tǒng)體系架構與所要實現(xiàn)的功能，文中設計的系統(tǒng)主要包括云制造用戶信息管理、云制造資源服務管理以及云制造業(yè)務管理三個功能模塊。對于整個服務平臺而言，還有一些輔助支撐模塊，包括用戶注冊與登錄管理、知識庫管理、系統(tǒng)配置等。

2.2.1 云制造用戶信息管理

該模塊主要負責對云制造服務平臺需求方的服務需求進行集中管理，主要包括需求方的任務發(fā)布，制造任務的搜索匹配與優(yōu)選等功能。

(1)需求任務發(fā)布：針對云制造服務平臺授權的用戶開放，用戶可以通過系統(tǒng)用戶接口(操作界面)向平臺發(fā)布服務需求。結合已建立的資源服務描述模型，按照其統(tǒng)一規(guī)范化的信息標準進行注冊發(fā)布。

(2)搜索匹配與優(yōu)選：基于用戶任務要求和約束信息，采用已建立的多層次語義匹配算法篩選得到符合條件的服務集合。用戶根據(jù)具體的實際需要對滿足條件的服務資源進行優(yōu)選配置，同時還可以查看資源服務相關的具體信息，以此來確定是否選定該服務。

2.2.2 云制造資源服務管理

該功能模塊主要負責云制造資源服務管理，通過操作界面(操作接口)為資源服務提供方提供服務資源的注冊、修改等功能，同時也負責對其信息真實可信性進行評估審核與確認，以及對當前狀態(tài)進行監(jiān)控。

(1)服務注冊：面向云制造服務平臺的授權用戶開放，提供方通過系統(tǒng)用戶接口(操作界面)將盈余服務資源注冊發(fā)布到平臺中，構成云服務。同樣，過程中需結合已建的云制造資源服務描述機制，進行統(tǒng)一規(guī)范化的信息接入。

(2)服務變更與審核：系統(tǒng)平臺中，云制造資源服務是動態(tài)變化的，為了使用戶獲取最新的服務信息，云制造服務平臺必須及時更新產生變化的服務。對于這些產生變化的服務，閑置的則必須重新審核，正在執(zhí)行的，則不允許變更。審核時必須依據(jù)該資源服務的具體信息，功能指標以及相應的約束標準進行核定，從而保證其真實性。

(3)資源服務監(jiān)控：主要負責監(jiān)控和實時反映各資源服務的具體狀態(tài)，包括新服務的注冊，變更，是否出現(xiàn)故障等，從而更有效地服務于用戶。

2.2.3 云制造業(yè)務管理

該功能模塊負責服務供需雙方的集中管理，整個過程包括訂單的調配生產，服務條款的簽訂和服務金額支付，服務執(zhí)行和結果驗收，服務質量評價等情況。

(1)訂單的調配生產：企業(yè)通過服務平臺系統(tǒng)獲取產品訂單信息以及各約束信息，結合自身的制造能力，對訂單進行重新規(guī)劃，保證在規(guī)定的生產期內完成任務，實現(xiàn)利潤最大化。

(2)服務條款的簽訂和服務金額支付：為保證訂購的服務能夠按計劃期進行，保證雙方的利益，所以要簽訂相應的服務條款。而對于需預先支付金額的，則要求在規(guī)定期內付費，否則終止交易。過程中需要變更相關信息的，需要經雙方同意并提出申請經系統(tǒng)核定。

(3)服務執(zhí)行和結果驗收：訂單在執(zhí)行過程中，需按照各計劃期節(jié)點進行生產，服務執(zhí)行結果需回執(zhí)，以保證供需雙方交易的正常和合法化。

(4)服務質量評價：訂單成功驗收后，需求方需要對供求方的執(zhí)行結果做出客觀的評價，包括執(zhí)行時間，價格，滿意度和可靠性等。

2.2.4 其他功能

主要包括用戶注冊與登錄管理，知識庫管理，日志管理和權重計算工具等。注冊與登錄管理包括平臺用戶注冊，審核和授權激活等。知識庫管理主要是為系統(tǒng)中的個性化，智能化服務提供支撐，如語義庫，服務案例管理等。日志管理主要負責整個系統(tǒng)服務的運行監(jiān)管，以及對用戶行為進行跟蹤及分析管理。權重計算主要是針對云制造資源服務綜合匹配過程中對各信息所占比重進行科學的評定和定量計算等。綜上所述，系統(tǒng)的綜合功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結構

3 系統(tǒng)驗證

為了直觀地展示該服務系統(tǒng)平臺的業(yè)務與功能，結合實例對該服務系統(tǒng)平臺的應用進行驗證。以“用戶資源服務需求→服務資源發(fā)布→資源服務搜索匹配→服務綁定→訂單調配生產”為主線對提出的模型、方法以及算法進行分析驗證。

為了保證數(shù)據(jù)的信息安全和個性化存儲，設計了“用戶名+密碼+用戶權限”的登錄形式，同時也為用戶開設了注冊成為系統(tǒng)用戶的功能模塊，便于后續(xù)的推廣與使用。當成功登錄系統(tǒng)后，進入到系統(tǒng)的主界面，為了操作過程中的方便簡潔，采用“左導航右內容”的框架形式。系統(tǒng)菜單主要包括系統(tǒng)管理、業(yè)務管理、用戶信息管理、資源服務管理等應用模塊。針對云制造資源服務管理，提供了服務注冊，服務變更與審核和資源服務監(jiān)控子應用模塊，平臺運營者要核定注冊的服務資源。文中利用Apache的開源協(xié)議Tuscany SCA (service component architecture)進行資源服務化的封裝。如圖4所示，根據(jù)對云制造資源服務的形式化描述，構建了服務注冊界面，云制造資源服務注冊的信息主要包括資源的基本信息、功能信息、狀態(tài)信息、約束信息和制造能力信息，以及服務訪問與調用接口等其他信息。整個注冊過程中，使用者可以根據(jù)需要進行自定義QoS信息的添加，同時利用SCA創(chuàng)建的服務實體，通過WSDL文檔進行描述，過程涉及到服務調用接口以及對應的Port和Operation信息。

圖4 服務注冊

云制造服務活動主要針對用戶制造任務需求展開，系統(tǒng)主要對需求任務發(fā)布，任務規(guī)劃分類，服務搜索匹配與優(yōu)選等進行系列的管理。圖5是需求任務發(fā)布界面，由需求者創(chuàng)建靜態(tài)信息，主要包括任務需求者的基本信息，任務的基本信息，功能和QoS要求等。為把最優(yōu)質的服務資源提供給用戶，該系統(tǒng)采用了可以實現(xiàn)快速有效服務匹配的多層次匹配算法，為科學衡量各信息所占的權重，設計了權重計算的功能模塊，同時開發(fā)了單因素匹配搜索和綜合匹配搜索的模式，具體如圖6所示。用戶可以根據(jù)需求輸入各權重值和設定閾值，系統(tǒng)會自動搜索匹配，以語義相似度的大小依次排列，提供最優(yōu)的資源服務選集。用戶選定匹配服務后，進入到服務綁定模塊，該模塊中用戶需要上傳有效憑證，以待核定。后續(xù)的交易等業(yè)務功能，在此不贅述。

圖5 需求任務發(fā)布

圖6 服務搜索與優(yōu)選

對于企業(yè)聯(lián)盟來說，訂單的有效分配是其產品生產過程中的關鍵環(huán)節(jié)之一。用戶提交訂單，聯(lián)盟獲取訂單信息后，基于各企業(yè)具體的生產能力和各訂單產品的生產約束，設置優(yōu)化模型和輸入產品種類及參與的企業(yè)數(shù)，進行優(yōu)化求解，確定最終分配方案，然后進行算法的參數(shù)設置及求解，依次輸入種群規(guī)模、代溝、交叉概率、變異概率和最大迭代代數(shù)值，以及訂單資源調配模型的提前/拖期懲罰系數(shù)的設定值。 執(zhí)行遺傳操作，得到模型算法的搜索過程和對應產品訂單的調配方案，以及加工甘特圖。

4 結束語

文中開發(fā)了一款云制造服務平臺系統(tǒng)，設計了系統(tǒng)的組織架構和業(yè)務流程，其主要組成部分包括資源服務管理、用戶信息管理、業(yè)務管理和系統(tǒng)管理等模塊，并闡述了服務注冊，需求任務發(fā)布，服務搜索匹配和訂單調配生產的操作步驟和應用結果，通過實例驗證了提出的理論模型及算法設計的有效性。