張倩 齊德昱

(華南理工大學計算機系統(tǒng)研究所，廣東廣州510006)

目前，制造服務正成為制造業(yè)新的經(jīng)濟增長點.云制造［1］——面向服務的網(wǎng)絡化制造新模式，是2010年初科技部提出的設想，它融合了現(xiàn)有信息化制造技術(shù)及云計算、物聯(lián)網(wǎng)、知識服務等技術(shù)，為制造業(yè)由生產(chǎn)型成功轉(zhuǎn)型為服務型提供了一種新的思路.目前國際上對云制造鮮有研究，在國內(nèi)，李伯虎等［2-4］對云制造提出的背景、云制造概念、云制造系統(tǒng)和體系架構(gòu)、實施云制造需要攻克的關鍵技術(shù)等進行了討論和研究，并初步研發(fā)了一個云制造的典型應用——基于云仿真原型平臺COSIM-CSP的云仿真應用.李偉平等［5］對云制造的內(nèi)涵進行分析，給出了云制造的體系架構(gòu)，并對其中的制造資源描述、關鍵技術(shù)問題等進行討論.Zhang等［6］以云制造為研究背景，對影響云制造資源服務組合(RSC)生命周期的主要因素進行分析，并在研究RSC柔性定義和分類的基礎上，提出云制造RSC柔性管理架構(gòu)，同時對涉及的關鍵問題及其相應解決方案進行初步探討.Cheng等［7］對影響云制造走向?qū)嶋H應用的一個關鍵問題——資源服務交易進行研究，提出獨立決策和集中決策下的云制造資源服務交易綜合效益模型，并證明了獨立決策下，在資源服務交易鏈的最優(yōu)決策中，資源服務供應商和代理之間、代理和資源服務請求者之間存在效益均衡.從這些研究工作可以看出，云制造各方面的研究已陸續(xù)展開，但無論在實際應用還是理論研究上，云制造技術(shù)仍處于探索階段，尚無成形標準.協(xié)同設計作為網(wǎng)絡化制造的關鍵技術(shù)之一，一直得到廣泛的研究和應用，而云制造技術(shù)的出現(xiàn)，給協(xié)同設計的研究帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇.同時，隨著面向服務架構(gòu)(SOA)理論和技術(shù)實現(xiàn)手段的逐漸成熟，基于Web服務的面向服務架構(gòu)越來越得到青睞.目前，協(xié)同設計平臺的實現(xiàn)多采用SOA架構(gòu)［8-10］.因此，文中從云制造模式下的協(xié)同設計平臺研究入手，以SOA理念和Web服務技術(shù)為基礎，搭建了一個面向服務的云制造協(xié)同設計平臺框架，并采用五維視圖對其進行描述與分析，同時研究了平臺涉及的關鍵技術(shù)，并描述了云制造協(xié)同設計平臺運行模式和虛擬協(xié)同設計環(huán)境下的協(xié)同設計過程，以期更好地理解和研究云制造技術(shù).

1 云制造協(xié)同設計平臺的特點

云制造［2］作為一種面向服務的、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡化智能制造新模式，可以通過網(wǎng)絡為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質(zhì)廉價的各類制造活動服務.它可以看作是網(wǎng)絡化制造、虛擬制造、制造網(wǎng)格、應用服務提供商(ASP)、敏捷制造等先進制造模式在云計算環(huán)境下的變異和發(fā)展，它繼承了各種先進制造模式的優(yōu)勢，同時又結(jié)合云計算的特點，彌補了現(xiàn)存的缺陷和不足.協(xié)同設計在云制造、網(wǎng)絡化制造、網(wǎng)格制造3種典型先進制造模式下的特點對比如表1所示.由表1可見，云制造具有明顯的優(yōu)勢.

表1 協(xié)同設計在3種先進制造模式下的特點比較Table 1 Characteristic comparison of collaborative design in three typical advanced manufacturing modes

2 體系架構(gòu)

基于上述分析，云制造模式下的協(xié)同設計平臺至少需滿足兩個基本要求:一是提供對訪問和集成云制造平臺中異構(gòu)資源的支持，這些資源包括完成協(xié)同設計的所有資源;二是提供在虛擬合作伙伴間開展協(xié)同工作的支持.因此，協(xié)同設計是構(gòu)建于云制造基礎設施之上的.整個協(xié)同設計架構(gòu)在邏輯上表述為一個四層結(jié)構(gòu)，基于SOA的云制造協(xié)同設計平臺(CMCDP)的總體框架如圖1所示.

圖1 CMCDP總體架構(gòu)Fig.1 Overall framework of CMCDP

第1層為資源層，提供協(xié)同設計過程中所涉及到的各類資源，并通過采用相關虛擬化技術(shù)，將分散的各類異構(gòu)資源虛擬接入到云制造平臺，進行統(tǒng)一管理和調(diào)度.第2層為協(xié)同支撐層，將各種功能封裝為可組合、可重用的服務，以標準的規(guī)范發(fā)布，并為第3層提供各種規(guī)范、約束和支撐.第3層為協(xié)同設計服務層，提供各種服務來滿足協(xié)同設計的需求，并通過標準化的服務接口向用戶提供.第4層為門戶層(Portal層)，將各種服務和業(yè)務過程展示給最終用戶，使用戶能夠通過一個熟悉、便捷的用戶界面以一致的操作方式來使用云制造協(xié)同設計平臺和獲取云服務.

由于云制造協(xié)同設計系統(tǒng)的復雜性，只從某一角度來描述該支持平臺的體系結(jié)構(gòu)難以反映該平臺各個方面的特性以及各方面之間的內(nèi)在有機聯(lián)系.眾多研究成果表明，只有用多視圖才能對系統(tǒng)做出整體的描述［11］.文中采用五維視圖對云制造協(xié)同設計平臺進行描述與分析.五維視圖分別是:功能視圖、組織視圖、信息視圖、資源視圖和過程視圖.

1)功能視圖

結(jié)合平臺總體結(jié)構(gòu)，云制造協(xié)同設計平臺的功能主要包括:(1)資源服務管理，負責對各種異構(gòu)資源進行管理，如資源的發(fā)布、封裝、檢索、組合優(yōu)化、監(jiān)控以及服務質(zhì)量(QoS)管理等;(2)協(xié)同工作管理，負責協(xié)同設計任務的分解、流程建模、調(diào)度以及對參與設計的人員進行管理;(3)協(xié)同設計過程管理，對協(xié)同設計過程進行監(jiān)控，及時檢測出協(xié)同設計過程中的各類沖突，并提交到?jīng)_突消解模塊進行消解;(4)沖突消解管理，對各類沖突利用相應的消解算法進行沖突消解，保證協(xié)同設計的順利進行;(5)協(xié)同工具管理，提供設計人員進行協(xié)商和交流的通信手段，確保設計人員之間及時有效的信息交流;(6)知識管理，對協(xié)同設計過程中涉及的各類知識進行管理，如實例類知識、規(guī)范類知識、設計原理類知識、經(jīng)驗類知識等.這些功能模塊結(jié)合在一起、相互作用，一個模塊的運轉(zhuǎn)能帶動其關聯(lián)模塊的運轉(zhuǎn)，并提供相應的服務和支持，增強了協(xié)同效果.

2)組織視圖

通過云制造協(xié)同設計平臺將所需的分布在各地的各類組織資源(包括各類管理機構(gòu)、制造企業(yè)、高校、研究院所、經(jīng)銷代理商、原材料供應商、全球客戶等)聯(lián)系在一起，形成完整的組織體系.平臺組織結(jié)構(gòu)視圖如圖2所示.

圖2 CMCDP的組織視圖Fig.2 Organization view of CMCDP

3)信息視圖

云制造協(xié)同設計平臺的信息涉及內(nèi)容多，范圍廣，結(jié)構(gòu)復雜，包括企業(yè)信息、產(chǎn)品信息、技術(shù)信息、物資供求信息、人才信息、協(xié)同設計信息、評價信息、平臺各類服務信息，以及其它信息等.文中對產(chǎn)品協(xié)同設計過程中產(chǎn)生的各類信息進行分析，給出平臺信息視圖(圖3).

圖3 CMCDP的信息視圖Fig.3 Information view of CMCDP

4)資源視圖

目前針對資源的分類有多種方式，文中將平臺涉及的資源分為物能資源(包括各種設備資源、物料資源、軟件資源、網(wǎng)絡設備資源等)、信息資源(包括各種市場信息、客戶資料、技術(shù)信息、企業(yè)信息、協(xié)同工作信息等)、人力資源(包括各類管理人員、技術(shù)人員、專家等)、知識資源(包括各種實例類知識、規(guī)范類知識、設計原理類知識、經(jīng)驗類知識等)、制造能力資源(包括各種設計能力、仿真實驗能力、生產(chǎn)能力、管理能力、維護能力等)、其它資源(如資金資源等)等六大方面.

5)過程視圖

過程視圖將上述4個視圖結(jié)合成一個有機的整體，描述了各種資源、組織的交互過程，以及各個功能模塊信息的流動過程.云制造協(xié)同設計平臺的總體運行流程如圖4所示.

圖4 CMCDP的總體運行流程Fig.4 Overall running process of CMCDP

3 關鍵技術(shù)

3.1 面向服務架構(gòu)

SOA是一種IT架構(gòu)設計模式，它將應用程序的不同功能單元拆分為多個服務，并通過定義良好的接口和契約將這些服務連接起來，實現(xiàn)了網(wǎng)絡環(huán)境下多個系統(tǒng)或應用程序間的松散耦合和跨平臺交互.通過這種架構(gòu)設計模式，用戶的業(yè)務可以被直接轉(zhuǎn)換成可操作的、基于標準的、能被重新組合的、并能夠通過網(wǎng)絡訪問的一組相互連接的服務模塊.面向服務架構(gòu)還可以為用戶屏蔽掉運行平臺及數(shù)據(jù)來源上的差異，從而使得IT系統(tǒng)能夠以一種一致的方式提供服務.將SOA技術(shù)引入云制造協(xié)同設計平臺中，系統(tǒng)能打破異構(gòu)平臺的限制，具備可移植性、開放性和可擴展性，實現(xiàn)松散耦合的協(xié)同設計.

3.2 資源管理

資源管理一直是制造業(yè)信息化建設中的關鍵點和難點［12］.從本質(zhì)上講，云制造是一個集成制造資源和能力的環(huán)境，其中包含了許多異構(gòu)的資源.針對資源的有效管理可從3個方面展開:(1)研究制造資源的描述模型，能夠給出制造資源統(tǒng)一、完整的定義，消除遺留資源和資源間的語義沖突;能夠涵蓋不同種類的制造資源，解決制造資源種類繁多、形態(tài)各異的問題;能夠充分考慮資源發(fā)現(xiàn)、融合和匹配的需求.(2)研究制造資源的封裝和虛擬服務化方法，對大量物理類制造資源，以恰當?shù)男问竭M行封裝，屏蔽資源的異構(gòu)性和地理分布性，使其成為網(wǎng)絡上可統(tǒng)一訪問的資源.(3)研究支持海量資源高度共享、快速搜索和易于更新的資源發(fā)現(xiàn)模型.

3.3 資源服務智能匹配與組合

在云制造中，資源服務的調(diào)用具有周期長、復雜性高、可靠性高的特征，這使得已有的服務組合方法不適合解決云制造中的資源服務組合，因此有必要研究適合云制造模式的、高度自動化的資源服務組合和動態(tài)優(yōu)化方法.可從以下幾個方面開展研究:研究云制造模式下資源服務的特點，基于QoS建立有效的資源服務評價機制;研究支持服務組合的高效的資源服務優(yōu)化選擇算法;分析影響資源服務組合全生命周期中的各種相關因素，建立高可靠的、可重用的資源服務組合模型.由于云制造環(huán)境下制造資源服務是分布的、自治的和動態(tài)的，資源服務的狀態(tài)和性能也是可變的，在執(zhí)行組合服務時，有些服務可能會因為已撤銷、被占用或網(wǎng)絡通信故障等情況而變得不可用.因此，研究組合資源服務的動態(tài)綁定策略，即研究如何將具體的綁定在組合服務執(zhí)行時動態(tài)完成;研究資源服務組合運行狀態(tài)監(jiān)測和執(zhí)行控制方法，及相應的容錯處理策略(服務重試、服務替換和服務重構(gòu))，以確保組合服務正確、高效運行.

3.4 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)可以將物理資源等底層架構(gòu)進行抽象，使得設備的差異性和兼容性對上層應用透明.因此，可采用虛擬化技術(shù)將云制造模式下的制造設備、仿真設備、計算系統(tǒng)、軟件等資源進行抽象.由于同一類型資源的不同虛擬化方法可能存在很大的差異，并且，資源虛擬化程度也可能對資源管理產(chǎn)生影響.在資源的虛擬化過程中，可針對資源不同虛擬化方法的性能開銷進行分析，并根據(jù)業(yè)務邏輯和服務接口的需要，采取合適的虛擬化方法，將資源抽象成適當?shù)牧６群蛯哟?，并提供統(tǒng)一的管理邏輯和接口.

3.5 動態(tài)監(jiān)測

云制造協(xié)同設計服務平臺的動態(tài)監(jiān)測主要包括3個方面:資源的動態(tài)監(jiān)測、協(xié)同設計過程監(jiān)測和平臺故障監(jiān)測.

(1)資源的動態(tài)監(jiān)測

在統(tǒng)一的云制造平臺上，注冊、管理著大量異構(gòu)資源，如何對它們進行有效的動態(tài)監(jiān)測以及管理、控制，是實現(xiàn)高質(zhì)量服務的保障.該部分涉及的關鍵問題包括:研究便于擴展的監(jiān)測支持架構(gòu)，以滿足不同種類資源的監(jiān)測需求;研究高效且靈活的資源監(jiān)測策略，以盡量少的資源開銷實現(xiàn)有效的資源監(jiān)控與狀態(tài)預測;研究資源狀態(tài)的智能管理技術(shù)，有效地主動監(jiān)測資源的狀態(tài)，并及時發(fā)現(xiàn)、診斷資源的故障.

(2)協(xié)同設計過程監(jiān)測

該部分主要研究云制造模式下協(xié)同設計過程中概念設計、方案設計、詳細設計等各個階段產(chǎn)生沖突的原因、特點及類型，開發(fā)適合新模式下的智能沖突監(jiān)測模型，及時有效地監(jiān)測設計過程中的各類沖突.

(3)平臺故障監(jiān)測

建立多級監(jiān)控模型，研究不同級別的故障檢測方法，實現(xiàn)自動監(jiān)控和判斷各種險情，并對可能發(fā)生的故障進行預警.針對各種不同級別的故障，研究相應的容錯、遷移和恢復策略，及時排除故障，確保平臺的不間斷運行.

3.6 沖突消解

產(chǎn)品設計過程是一項復雜的系統(tǒng)工程［13］，協(xié)同設計過程中不可避免地會產(chǎn)生沖突，并且沖突的種類繁多，在產(chǎn)品的設計中，依靠單一的沖突消解方案不可能全面解決各種復雜的沖突.研究云制造模式下協(xié)同設計中沖突產(chǎn)生的原因、特點和類別，并在當前沖突消解研究現(xiàn)狀的基礎上，開發(fā)適合云制造協(xié)同設計平臺的沖突消解模型，建立完善的沖突管理機制.

4 平臺的應用

在云制造模式下，客戶無需尋找協(xié)同設計環(huán)境服務的提供方，只需要向云制造協(xié)同設計服務平臺提交需求，由服務平臺去組織資源，提供滿足要求的服務，并自動分配相應的資源來完成設計工作.云制造協(xié)同設計平臺資源服務請求運行模式如圖5所示.資源提供商通過網(wǎng)絡，在平臺資源發(fā)布模塊注冊發(fā)布資源、制造服務等，平臺將資源封裝成相應的服務并保存到資源服務中心;資源請求者通過平臺門戶網(wǎng)站描述協(xié)同設計任務，確定任務執(zhí)行需要的資源環(huán)境;平臺對資源請求者提交的任務進行分解、解析、資源服務匹配、資源服務組合優(yōu)化，并將最優(yōu)的資源服務提供給資源請求者.

虛擬機是在軟、硬件之間引入虛擬層，它能屏蔽硬件平臺的分布性和異構(gòu)性，支持硬件資源的共享和復用.虛擬機可以作為一種標準的部署對象，能為應用提供獨立的運行環(huán)境.因此，針對云制造用戶提交的服務請求，云制造平臺通過相應的發(fā)現(xiàn)策略可將找到的符合資源服務請求的資源集合，也就是將滿足請求條件的一組資源服務映射(封裝)到一個或多個虛擬機中，并提供給用戶統(tǒng)一的訪問接口，這樣用戶便可在平臺提供的虛擬協(xié)同設計環(huán)境下進行產(chǎn)品的協(xié)同設計工作.虛擬協(xié)同設計環(huán)境下的協(xié)同設計活動如圖6所示.

圖5 CMCDP資源服務請求運行模式Fig.5 Running mode of resource service request of CMCDP

圖6 虛擬協(xié)同設計環(huán)境下的協(xié)同設計過程Fig.6 Collaborative design process in virtual collaborative design environment

5 結(jié)語

文中探討了云制造的概念以及云制造模式下的協(xié)同設計平臺的特點，基于SOA理念以及Web服務技術(shù)，搭建了一個面向服務的、松散的、開放式的云制造協(xié)同設計平臺框架，并采用五維視圖對其進行描述與分析.另外，還對平臺涉及的關鍵技術(shù)進行分析與研究，并通過云制造協(xié)同設計平臺資源服務請求的運行模式和虛擬協(xié)同設計環(huán)境下的協(xié)同設計過程說明了平臺的應用.

由于云制造是一個新生事物，處于不斷發(fā)展和完善的過程中，目前尚未形成穩(wěn)定的、統(tǒng)一的、易用的和功能完備的云制造平臺，仍存在許多有待于研究和探討的內(nèi)容.因此，文中內(nèi)容尚處于探索研究階段，未推廣應用和實施.下一步將結(jié)合工程實際應用背景，深入研究云制造平臺下協(xié)同設計支撐環(huán)境的相關關鍵技術(shù)，進一步集成、優(yōu)化、完善和驗證平臺功能.

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