面向云制造的生產(chǎn)加工云能力服務(wù)研究

面向云制造的生產(chǎn)加工云能力服務(wù)研究

0云制造定義中國是世界制造的主要國家，但制造要素和制造能力之間的不平衡，資源和資源缺乏，導(dǎo)致勞動(dòng)力不足。隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展,傳統(tǒng)的制造環(huán)境和制造模式也在隨之發(fā)生改變,集成化、協(xié)同化、網(wǎng)絡(luò)化的制造模式在制造業(yè)越來越成為趨勢。在過去十幾年中出現(xiàn)了一些具有代表性的網(wǎng)絡(luò)化制造模式,例如應(yīng)用服務(wù)提供商、敏捷制造、制造網(wǎng)格、全球化制造等。然而由于在服務(wù)模式、制造資源的共享與分配技術(shù)、安全等方面存在的問題和局限性,大大制約了網(wǎng)絡(luò)化制造的發(fā)展。隨著云計(jì)算的推廣和應(yīng)用,李伯虎院士提出了云制造(CloudManufacturing,CMfg)這一制造新模式,并指出云制造是一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化、敏捷化制造新模式和技術(shù)手段,它利用網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái),按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源(制造云),為用戶提供各類按需服務(wù),它將促進(jìn)制造的敏捷化、服務(wù)化、綠色化和智能化。目前,云制造已成為業(yè)界學(xué)者研究的熱點(diǎn),并從不同角度對云制造的內(nèi)涵進(jìn)行了闡述。本文認(rèn)為,云制造是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、物理信息融合系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化制造等高新技術(shù)相互融合的產(chǎn)物,是云計(jì)算服務(wù)模式在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與拓展。云制造面向用戶提供制造云服務(wù),即利用云技術(shù)和虛擬化技術(shù),將分布、異構(gòu)的制造資源、制造能力虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化,通過建立自治、合理、智慧的制造云,為用戶提供按需獲取的動(dòng)態(tài)組合的制造服務(wù),實(shí)現(xiàn)制造資源的共享、優(yōu)化與協(xié)同,達(dá)到降低資源使用成本、提高資源利用效率的目的。面向用戶提供按需、快捷和安全的制造云服務(wù)是云制造的核心,因此如何構(gòu)建制造云是實(shí)現(xiàn)云制造服務(wù)的關(guān)鍵。目前的研究大都處于對云制造概念、框架體系和關(guān)鍵技術(shù)分析方面,對于如何組建制造云,實(shí)現(xiàn)云內(nèi)和云間的安全交互與動(dòng)態(tài)組合,尚缺乏有效的解決手段。因此,本文在詳細(xì)分析云制造環(huán)境下制造資源云能力的屬性、構(gòu)成及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,建立了生產(chǎn)加工云能力的語義描述機(jī)制和模型,重點(diǎn)研究了生產(chǎn)加工云能力服務(wù)的體系架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)加工云能力的智能搜索和自動(dòng)匹配,達(dá)到了生產(chǎn)加工云服務(wù)的自主分解和聚合。1云制造服務(wù)定義按需服務(wù)是云制造的核心,通過提供制造云共享服務(wù),可優(yōu)化各企業(yè)的制造資源,使“分散資源集中使用”和“集中資源分散服務(wù)”。圖1所示為云制造的應(yīng)用服務(wù)模式。在云制造應(yīng)用服務(wù)過程中,基本的角色參與者分為三類,他們通過各種制造云共享實(shí)現(xiàn)制造全生命周期的制造服務(wù)。其中:(1)云制造服務(wù)消費(fèi)商,即云制造服務(wù)的需求者和使用者,通過云制造平臺(tái)按需獲取制造云/云組合服務(wù),如制造加工、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品運(yùn)營等;(2)云制造服務(wù)提供商,提供制造全生命周期(設(shè)計(jì)、仿真、生產(chǎn)加工、物流)涉及的各種制造資源和制造能力,并將資源和能力抽象、虛擬化后以制造云的形式接入云制造平臺(tái),以云服務(wù)的形式出現(xiàn);(3)云制造服務(wù)平臺(tái)運(yùn)營商,是云制造平臺(tái)的管理和運(yùn)營者,作為第三方接入云制造平臺(tái),提供平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制,維護(hù)和監(jiān)管平臺(tái)的整體運(yùn)作和經(jīng)營。定義1制造云。制造云是云制造服務(wù)提供商提供的經(jīng)過抽象和虛擬封裝后的制造資源和制造能力。云制造中的制造資源是廣義的概念,涉及制造產(chǎn)品全生命周期的所有軟件、硬件,包括制造設(shè)備資源、物料資源、計(jì)算資源、服務(wù)資源、人力資源和設(shè)計(jì)資源等;制造能力指基于制造資源提供滿足某項(xiàng)特定制造任務(wù)的能力。制造云類型多樣,如生產(chǎn)加工云、設(shè)計(jì)云、計(jì)算云、測試云、軟件云和知識(shí)云等。其中,生產(chǎn)加工云是實(shí)現(xiàn)云制造的重要環(huán)節(jié),本文著重討論云制造環(huán)境下生產(chǎn)加工云能力的服務(wù)。1.1云制造環(huán)境的特征定義2生產(chǎn)加工云(簡稱加工云)。加工云是對生產(chǎn)加工過程中涉及的所有制造資源的抽象、聚集和封裝,以服務(wù)的形式提供虛擬的生產(chǎn)加工制造資源信息的動(dòng)態(tài)實(shí)體。加工云涵蓋廣義的制造資源,其主要構(gòu)成和屬性如圖2所示。由于生產(chǎn)加工資源有涵蓋領(lǐng)域廣、類型多樣、形式各異、粒度區(qū)分大等復(fù)雜特征,加工云具有以下特點(diǎn):(1)分布性加工云分布在不同的物理地址和網(wǎng)絡(luò)地址,所對應(yīng)的制造資源分布在不同地域,生產(chǎn)加工云屬于不同的提供商(企業(yè))。(2)多樣性加工云種類繁多,包含各種各樣的制造資源,如機(jī)床、加工中心、企業(yè)資源計(jì)劃(EnterpriseResourcePlanning,ERP)軟件、管理能力、生產(chǎn)加工工藝、生產(chǎn)加工知識(shí)等。完成一項(xiàng)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工往往涉及諸多工藝,以及多種生產(chǎn)加工設(shè)備、人員和制造能力。(3)異構(gòu)性如生產(chǎn)加工資源自身屬性的異構(gòu)、制造能力的異構(gòu)、虛擬化形式的異構(gòu)、數(shù)據(jù)格式的異構(gòu)等。(4)自治性加工云的所有者不同。加工云具有相對獨(dú)立的運(yùn)行和管理機(jī)制,當(dāng)云間交互時(shí)需要進(jìn)行協(xié)商。(5)流動(dòng)性加工云是不斷“流動(dòng)”的,包括云的增加、消失、屬性變更等。(6)分解/聚合性針對某一服務(wù)請求,加工云存在服務(wù)分解和服務(wù)聚合的特性。由于云制造環(huán)境下的加工云具有上述特點(diǎn),需要一種良好的描述手段、機(jī)制和架構(gòu)來保證加工云能夠快速、準(zhǔn)確、高效地響應(yīng)服務(wù)請求。本文從云制造服務(wù)的模塊化出發(fā),引入基于本體的語義描述技術(shù)對加工云進(jìn)行統(tǒng)一描述,提出了基于本體的生產(chǎn)加工云能力服務(wù)體系架構(gòu),并通過語義推理實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)加工云能力服務(wù)的動(dòng)態(tài)匹配、分解/組合和優(yōu)化。1.2企業(yè)云能力服務(wù)定義3生產(chǎn)加工云能力服務(wù)(簡稱加工云能力服務(wù))。加工云能力服務(wù)是以生產(chǎn)加工任務(wù)為目標(biāo),以云能力為核心,通過組織生產(chǎn)加工云為企業(yè)按需提供生產(chǎn)加工全生命周期應(yīng)用的制造服務(wù)。加工云能力服務(wù)包括車、銑、刨、磨等生產(chǎn)加工設(shè)備能力服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、裝配服務(wù)等,在云制造平臺(tái)上支持加工云能力服務(wù)的描述、服務(wù)匹配、服務(wù)組合、服務(wù)調(diào)度與優(yōu)化和服務(wù)監(jiān)控等。基于上述對加工云和加工云能力服務(wù)的討論,提出了如圖3所示的基于語義的加工云能力服務(wù)體系架構(gòu),包括加工云能力服務(wù)封裝層、云化層、發(fā)現(xiàn)層、優(yōu)化調(diào)度層和監(jiān)控層。(1)標(biāo)準(zhǔn)化的語義描述封裝層提供統(tǒng)一的形式化描述規(guī)則,對即將接入云制造服務(wù)平臺(tái)的生產(chǎn)加工資源和加工云能力服務(wù)請求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的語義描述,實(shí)現(xiàn)基于語義的信息封裝,這是實(shí)現(xiàn)加工云能力服務(wù)的基礎(chǔ)。(2)生產(chǎn)加工服務(wù)云化層是加工云能力服務(wù)提供商和消費(fèi)商按照標(biāo)準(zhǔn)格式對已封裝的服務(wù)進(jìn)行注冊和發(fā)布。加工云能力云化為不同的生產(chǎn)加工云并構(gòu)成云資源池,支持云制造環(huán)境下的各種生產(chǎn)加工服務(wù)。加工云能力服務(wù)請求發(fā)布到平臺(tái)成為服務(wù)需求。(3)搜索、發(fā)現(xiàn)與匹配發(fā)現(xiàn)層是云制造服務(wù)平臺(tái)根據(jù)用戶提出的服務(wù)請求,利用語義推理規(guī)則,在加工云資源池中進(jìn)行服務(wù)搜索、發(fā)現(xiàn)與匹配。加工云能力服務(wù)發(fā)現(xiàn)分為兩個(gè)階段:當(dāng)服務(wù)請求任務(wù)是原子任務(wù)(不可分解任務(wù))時(shí),直接根據(jù)服務(wù)名查找得到匹配的加工云能力服務(wù);否則為復(fù)雜任務(wù),可按推理規(guī)則對任務(wù)進(jìn)行分解,利用語義推理完成加工云分解和組合實(shí)現(xiàn)加工云能力服務(wù)發(fā)現(xiàn)。(4)優(yōu)化服務(wù)請求當(dāng)加工云能力服務(wù)的解決方案不唯一時(shí),需要根據(jù)云服務(wù)請求對所有可提供的服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化排序,以使用戶可優(yōu)先選擇最好的服務(wù)。同時(shí),將服務(wù)方案作為生產(chǎn)加工服務(wù)知識(shí)存入云資源池,以供后續(xù)服務(wù)應(yīng)用。(5)服務(wù)質(zhì)量評價(jià)監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工服務(wù)全過程的質(zhì)量控制和狀態(tài)監(jiān)測,包括加工云服務(wù)質(zhì)量評價(jià)、跟蹤、監(jiān)測和服務(wù)知識(shí)管理。用戶可對每個(gè)生產(chǎn)加工云的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),并直接反饋給每個(gè)生產(chǎn)加工云,并自動(dòng)更新其相應(yīng)的屬性值,以便后面的客戶選擇服務(wù)時(shí)進(jìn)行參考。2基于語義的加工云設(shè)計(jì)企業(yè)對生產(chǎn)加工資源、能力和相應(yīng)的服務(wù)需求在描述上通常是模糊和不完備的,在加工云抽象和虛擬化的過程中也常常因?yàn)槌橄髽?biāo)準(zhǔn)、描述語言及主體對象不同,造成相同術(shù)語用于不同概念或不同術(shù)語卻指同一實(shí)體的問題。為消除歧義,解決生產(chǎn)加工云的異構(gòu)問題,本文利用本體技術(shù)構(gòu)建加工云,實(shí)現(xiàn)基于語義的加工云能力服務(wù)。本體包括加工云領(lǐng)域本體和加工云服務(wù)本體兩部分,下面分別進(jìn)行闡述。2.1加工云領(lǐng)域的全部2.1.1企業(yè)生產(chǎn)加工企業(yè)類mcindictorizaract加工云領(lǐng)域本體是對生產(chǎn)加工制造資源及生產(chǎn)加工能力的抽象和規(guī)范化說明,依據(jù)生產(chǎn)加工制造資源基本分類知識(shí),并結(jié)合專家意見,通過建立領(lǐng)域本體類等本體元素,實(shí)現(xiàn)加工云領(lǐng)域本體。在領(lǐng)域本體中包括五個(gè)基本類:(1)生產(chǎn)加工能力類(MC_Capability)描述生產(chǎn)加工企業(yè)所能提供的生產(chǎn)加工能力。由于在生產(chǎn)加工服務(wù)提供過程中,企業(yè)更注重提供產(chǎn)品加工參數(shù),在該類中以生產(chǎn)加工零件和成品進(jìn)行子類劃分。(2)生產(chǎn)加工能力資源類(MC_Resource)這是企業(yè)所擁有的生產(chǎn)加工制造資源,用于提供相應(yīng)的生產(chǎn)加工制造能力。(3)生產(chǎn)加工過程類(MC_Process)指一系列蘊(yùn)含大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)加工活動(dòng)和生產(chǎn)加工工藝,屬于動(dòng)態(tài)類集合。(4)生產(chǎn)加工能力指標(biāo)類(MC_Indicator)用于描述生產(chǎn)加工制造云能力性能、服務(wù)質(zhì)量、交易形式和對云服務(wù)需求的指標(biāo)。(5)生產(chǎn)加工企業(yè)類(MC_Enterprise)描述生產(chǎn)加工企業(yè)的基本情況。上述五個(gè)基本類以生產(chǎn)加工能力類為中心,生產(chǎn)加工企業(yè)類提供加工能力,生產(chǎn)加工能力資源類是實(shí)現(xiàn)能力的硬件基礎(chǔ),生產(chǎn)加工能力指標(biāo)是對生產(chǎn)加工能力的狀態(tài)、服務(wù)質(zhì)量(QualityofService,QoS)和關(guān)鍵信息的描述,生產(chǎn)加工工藝類是提供生產(chǎn)加工能力服務(wù)的工藝流程和知識(shí)依據(jù)。企業(yè)在提供生產(chǎn)加工能力時(shí)可以是整體提供,也可以依據(jù)生產(chǎn)加工工藝類對加工服務(wù)的分解提供部分和組合的生產(chǎn)加工能力服務(wù)。2.1.2生產(chǎn)加工資源類與生產(chǎn)加工企業(yè)類間關(guān)系加工云領(lǐng)域本體中的類的層次關(guān)系復(fù)雜,語義關(guān)系豐富,在加工云領(lǐng)域本體中定義了abilityResource_Ability,abilityResource_Indicator,abilityResource_Node,ability_Enterprise,manufacturingNode,process_Ability,process_Resource和process_Process八個(gè)類屬性,每個(gè)類屬性還包括不同的子屬性。通過屬性的定義實(shí)現(xiàn)了本體類與類間的相互約束和聯(lián)系,如類屬性Resource_Node{hasResource,resourceBelongTo}定義生產(chǎn)加工能力資源類與生產(chǎn)加工企業(yè)類的關(guān)系,resource_Ability{ability_is,implemented_by}定義生產(chǎn)加工資源類與生產(chǎn)加工能力類間的關(guān)系。通過該屬性可以明確某個(gè)生產(chǎn)加工企業(yè)能夠提供哪些生產(chǎn)加工資源,并且能夠提供何種加工云能力服務(wù)。2.2云能力服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型本文對Web服務(wù)本體描述語言(WebOntologyLanguageforService,OWL-S)中的Service類在云制造環(huán)境下進(jìn)行了拓展,構(gòu)建了加工云能力服務(wù)本體。定義4任一加工云能力服務(wù)定義為一個(gè)MC_Service上層本體,其本體模型為MC_Service{MC_ServiceProfile,MC_ServiceModel,MC_ServiceGrounding}。(1)MC_ServiceProfile描述加工云能力服務(wù)功能。服務(wù)提供商和消費(fèi)商都可以通過MC_ServiceProfile來描述生產(chǎn)加工服務(wù)基本信息,包括IOPE(Input,Output,Precondition,Effect)、QoS等本體類。加工云能力服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型通過該類實(shí)現(xiàn)服務(wù)匹配,尋找到滿足服務(wù)請求者需求的MC_Service。(2)MC_ServiceModel描述加工云能力服務(wù)流程,即服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。OWL-S中定義了原子過程、簡單過程和組合過程三種類型服務(wù)過程。原子過程是不能再分解的最小服務(wù);組合過程由原子過程或粒度更小的組合過程組成,每個(gè)過程的分解與組合利用控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn);簡單過程是虛擬服務(wù)形式,不可調(diào)用。在加工云能力服務(wù)本體中采用兩個(gè)可調(diào)用過程對應(yīng)生產(chǎn)加工中的原子服務(wù)和組合服務(wù),即生產(chǎn)加工服務(wù)中的簡單零件加工和復(fù)雜產(chǎn)品加工。在服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程中基于生產(chǎn)加工工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),依據(jù)順序控制策略來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工云能力服務(wù)的分解和組合。(3)MC_ServiceGrounding描述如何獲得加工云能力服務(wù),即加工云能力提供者的訪問地址、獲取方式、通信形式等。通過服務(wù)本體與領(lǐng)域本體的融合,實(shí)現(xiàn)了加工云能力服務(wù)的本體描述,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。3生產(chǎn)加工云服務(wù)需求加工云能力服務(wù)本體和領(lǐng)域本體是加工云在網(wǎng)絡(luò)上的虛擬表現(xiàn)形式,為加工云能力服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、匹配和組合提供了語義基礎(chǔ)。加工云種類多樣,生產(chǎn)加工需求也復(fù)雜,因此向云服務(wù)需求者提供合適的生產(chǎn)加工云服務(wù)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程。云制造中的資源節(jié)點(diǎn)和制造網(wǎng)格不同,其并非完全自治,即針對用戶的服務(wù)請求,可利用制造云的動(dòng)態(tài)分解和動(dòng)態(tài)組合,按需提供不同粒度的組合服務(wù)。因此,在加工云能力服務(wù)平臺(tái)上,本文提出基于本體的生產(chǎn)加工云能力服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型,如圖5所示。發(fā)現(xiàn)模型中,基于語義推理規(guī)則進(jìn)行加工云能力服務(wù)搜索,并在不改變原有服務(wù)組件的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工云的動(dòng)態(tài)分解和組合,產(chǎn)生新的加工云能力服務(wù),能夠?yàn)橄到y(tǒng)帶來更大的靈活性和穩(wěn)定性。(1)規(guī)范服務(wù)請求文本加工云能力服務(wù)請求進(jìn)行查詢之前必須完成語義拓展,獲得服務(wù)請求文本,并基于加工云能力服務(wù)本體生產(chǎn)擴(kuò)展后的規(guī)范服務(wù)請求文本。由于消費(fèi)商通常不是領(lǐng)域?qū)＜?對于生產(chǎn)加工服務(wù)的描述不明確或不規(guī)范,需要根據(jù)加工云領(lǐng)域本體對其進(jìn)行概念的標(biāo)準(zhǔn)化,建立統(tǒng)一的表現(xiàn)形式,從而便于加工云能力服務(wù)消費(fèi)者以標(biāo)準(zhǔn)的云服務(wù)本體語言對云服務(wù)查詢請求進(jìn)行描述。(2)服務(wù)質(zhì)量需求解析標(biāo)準(zhǔn)化的加工云能力服務(wù)請求本體需要通過服務(wù)解析器解析出用戶的服務(wù)語義,包括服務(wù)目標(biāo)解析、服務(wù)過程解析和服務(wù)質(zhì)量需求解析。利用服務(wù)的三個(gè)上層本體類(MC_ServiceProfile,MC_ServiceModel,MC_ServiceGrounding),解析出服務(wù)的具體需求,解析生產(chǎn)加工云能力服務(wù)請求的生產(chǎn)加工對象、目標(biāo)、質(zhì)量需求、加工工藝等信息并提取存放,為下一步服務(wù)匹配所用。(3)服務(wù)推理文本分析加工云能力服務(wù)推理機(jī)通過本體上下文和語義邏輯,對服務(wù)請求解析文本進(jìn)行服務(wù)推理。針對復(fù)雜服務(wù)請求,可以依據(jù)控制結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)加工工藝進(jìn)行分解,分解后可以形成粒度更小的復(fù)雜服務(wù)或原子服務(wù)請求,形成小粒度的生產(chǎn)加工云能力服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)加工云分解。(4)語義匹配器在匹配規(guī)則、領(lǐng)域本體和服務(wù)本體的支持下,由匹配器對推理后的加工云服務(wù)和小粒度的分解云進(jìn)行語義匹配。匹配過程包括加工云能力服務(wù)的服務(wù)基本匹配、服務(wù)目標(biāo)匹配、服務(wù)過程匹配和QoS匹配。(5)加工云的動(dòng)態(tài)組合服務(wù)匹配后獲取的多個(gè)加工云服務(wù)通過加工云組合器實(shí)現(xiàn)加工云的動(dòng)態(tài)組合,并將組合加工云按照匹配度提供給用戶,以供服務(wù)消費(fèi)者擇優(yōu)選擇。同時(shí),獲得的加工云組合作為生產(chǎn)加工服務(wù)配方,實(shí)時(shí)更新生產(chǎn)加工知識(shí)云。4系統(tǒng)驗(yàn)證使用過程基于上述研究成果,本文基于Liferay平臺(tái)開發(fā)了面向某集團(tuán)企業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品云制造原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Protégé4+OWLPlugin建立了復(fù)合生產(chǎn)加工云本體,提供包括基于制造云的加工云能力服務(wù)本體建模、注冊、發(fā)布和本體更新;同時(shí)利用語義推理工具Jena進(jìn)行加工云服務(wù)語義推理,完成加工云服務(wù)智能發(fā)現(xiàn)、匹配和動(dòng)態(tài)組合等。原型系統(tǒng)的測試驗(yàn)證了本文提出的生產(chǎn)加工云能力服務(wù)思想和技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工資源和能力的共享與協(xié)作。系統(tǒng)驗(yàn)證使用過程如圖6所示,其主要步驟如下:(1)加工云能力服務(wù)的提供商通過系統(tǒng)平臺(tái)提供的標(biāo)準(zhǔn)注冊界面進(jìn)行加工云能力服務(wù)注冊,利用領(lǐng)域本體和服務(wù)本體建立模型,自動(dòng)生成新