尹翰坤，尹 超，王 偉，王明遠

（重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

0 引言

我國是世界加工制造大國，擁有數(shù)量龐大、種類繁多的制造資源，但在制造業(yè)的國際分工中，我國始終處于“微笑曲線”的底部，即獲利最少的分工區(qū)間。為實現(xiàn)我國從產(chǎn)品生產(chǎn)型向生產(chǎn)＋服務型的轉(zhuǎn)變，從價值鏈低端走向中高端，從制造大國發(fā)展成為制造強國，一些專家學者結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、面向服務的結(jié)構(gòu)（Service Oriented Achitecture，SOA）等新概念和技術，提出了云制造的模式，設想制造需求用戶能像使用水、電、煤、氣一樣按需使用廣義上的制造資源，目前已經(jīng)成為我國制造業(yè)信息化的一個重要研究方向［1］。

云制造的核心思想是“分散資源集中使用，集中資源分散服務”，其中“資源”即制造資源，指企業(yè)完成產(chǎn)品生命周期所有生產(chǎn)活動的物理元素的總稱，“服務”指一切制造資源都以制造服務的形式共享［2］。因此，如何實現(xiàn)制造資源的服務化封裝，就成為云制造需要解決的一個基本問題。而云制造環(huán)境下的制造資源種類繁雜，分屬于不同的企業(yè)，存在地理分布性、形態(tài)多樣性和管理自主性等特點［3］，且可服務化封裝的程度參差不齊，與應用服務提供商（Application Service Provider，ASP）、制造網(wǎng)格等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡化制造模式相比，云制造環(huán)境的業(yè)務協(xié)作更為復雜、運行環(huán)境更為多變、應用領域更為廣泛［1-3］，制造資源的云服務化封裝顯得更為困難。

目前，國內(nèi)外對傳統(tǒng)網(wǎng)絡化制造模式下的制造資源服務化封裝研究較多，如在ASP 環(huán)境下，戴建華等研究了以網(wǎng)絡化構(gòu)件形式存在的大量應用服務的集成和管理［4］；在制造網(wǎng)格環(huán)境下，武蕾等提出一種基于Web 服務資源框架（Web Service Rsource Fmework，WSRF）的制造資源服務化封裝方法［5］；Minguez Jorge等在事件驅(qū)動型制造環(huán)境下，提出一種基于服務總線的制造服務封裝和集成機制［6］；而對云制造環(huán)境下的資源服務化封裝研究還剛剛開始，主要包括：朱李楠等提出一種資源云封裝、發(fā)布和發(fā)現(xiàn)模型，實現(xiàn)了基于Web服務資源框架的制造資源封裝［7］；姚錫凡等通過擴展開源軟件CloudSim的Java類給出了制造設備類資源的虛擬化模板，再利用Tuscany SCA 工具對已虛擬化的制造設備資源進一步服務化，形成云服務［8］。

綜上所述，現(xiàn)有制造資源服務化封裝的研究能很好地實現(xiàn)物理制造資源到虛擬制造資源、再到制造服務的虛擬映射過程，但每當服務涉及的制造資源組合改變或者制造資源特征屬性變化時，需要重新進行封裝，對封裝過程的控制、協(xié)同和知識重用等方面的研究還不夠深入。因此，本文擬通過分布、自治的Agent 間互相協(xié)調(diào)工作，組成易于管理的Multi-Agent系統(tǒng)，用以解決制造資源服務化封裝過程中資源感知、控制、協(xié)同等各方面的問題，同時強調(diào)知識重用在資源服務化封裝中的作用，從而提高制造資源服務化封裝的效率和準確性。

1 制造資源云服務化封裝模式分析

制造資源復雜多樣，已有很多對制造資源分類方面大同小異的研究，本文根據(jù)已有研究［9］，將其分為硬制造資源和軟制造資源，硬制造資源又可細分為制造設備、計算設備和物料等，軟制造資源可細分為各種軟件、模型、知識和數(shù)據(jù)等。

不同的資源種類、制造環(huán)境和業(yè)務模式，都會導致制造資源的可服務化封裝程度不同，例如設計軟件、數(shù)控機床和原材料封裝形成的云制造服務不同，在制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）或者直接數(shù)字控制（Direct Numerical Control，DNC）環(huán)境下工作的數(shù)控機床和在沒有信息化系統(tǒng)支撐的數(shù)控機床封裝形成的云制造服務也不同，原始設備制造商（Original Equipment Manufacture，OEM）和原始設計制造商（Original Design Manufacturer，ODM）模式提供的云制造服務也不同。而除了特征屬性外，云服務化封裝的主要影響因素便是對制造資源的信息感知和行為控制。據(jù)此，本文將云制造資源服務化封裝分為高度封裝、部分封裝和近零封裝三種模式，如圖1所示。

（1）高度封裝 本封裝模式屬于強感知且強控制，其中強感知指云制造資源可以通過各種傳感技術、虛擬化技術和信息集成技術等，被云制造平臺感知并識別；強控制指服務化封裝后的云制造資源可以直接被服務使用者遠程調(diào)用，不必通過服務提供者進行中間操作。本模式適合可以高度虛擬化且不需要復雜交互操作的云制造資源，如軟件（CAD、CAM）、計算設備（高性能計算機）、自動檢測設備（自動光學檢測設備等）等，或者可保存在云制造網(wǎng)絡上的云制造資源，如設計模型庫、數(shù)據(jù)和文檔等。

（2）部分封裝 本封裝模式屬于強感知但弱控制，其中弱控制指服務化封裝后的云制造資源不能直接被服務使用者遠程調(diào)用，必須通過服務提供者進行中間操作。本模式適合自動化或信息化程度較高但需要一定程度交互操作的云制造資源，如制造設備中的數(shù)控制造設備、專家知識庫等。

（3）近零封裝 本封裝模式屬于弱感知且弱控制，在本模式下，云制造平臺幾乎不能從技術上對資源進行信息感知和行為控制，服務效果完全依賴于服務提供者對資源及其操作過程的準確性描述。本模式適合自動化或信息化程度低且需要復雜交互操作的云制造資源，如制造設備中的普通機床、原材料等。

不管屬于哪種封裝模式，制造資源都必須通過封裝成云服務后才能為云制造服務平臺所使用。因此，需要采用一種有效的方法，不僅能屏蔽制造服務實現(xiàn)的具體方法和機制，還能考慮到不同封裝模式帶來的影響。

2 基于Multi-Agent的制造資源云服務化封裝適配器設計

2.1 Agent和Multi-Agent

Agent可以定義成一個能適應某些特定環(huán)境、能自主采取一些行為來滿足設計目的的計算系統(tǒng)。一個Agent的基本結(jié)構(gòu)一般包括目標模塊、感知器、信息處理器、效應器和通訊機制等。通訊管理器接受來自其他Agent的消息與請求，感應器感應外界環(huán)境和自身狀態(tài)，由信息處理器根據(jù)這些消息、請求和Agent的狀態(tài)，進行分析、理解和推理，然后根據(jù)目標模塊形成相應的指令，交給效應器執(zhí)行相關的動作，進而形成新的Agent狀態(tài)。Multi-Agent通常將多個Agent組織起來，在多個Agent之間以及Agent與環(huán)境之間，通過通信、協(xié)商和協(xié)作共同完成單個Agent不能完成的工作［10-12］。

2.2 制造資源云服務化封裝適配器的結(jié)構(gòu)模型

本文利用Multi-Agent技術設計了一種基于Multi-Agent技術的制造資源云服務化封裝適配器（簡稱為云適配器），主要包括：①連接各種制造資源，形成各種制造云服務接口，對外提供給云制造平臺和其他協(xié)作云適配器；②提供對云適配器內(nèi)部資源的管理功能，如資源的加入、刪除、查詢和修改等。其主要結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

（1）感知Agent 對制造資源的運行環(huán)境信息、運行過程信息和執(zhí)行效應信息進行采集，可用集合μ=｛μ0，μ1，μ2，…｝表示。

（2）描述Agent 不管采取哪種服務封裝模式，除感知Agent能夠獲取的制造資源信息外，有必要加上一些必要的特征屬性描述，其特征描述信息可用集合ε=｛ε0，ε1，ε2，…｝表示。

（3）集成Agent 云制造的參與企業(yè)或多或少地都擁有自己的一些信息系統(tǒng)，如企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Process，ERP）、MES 等，云制造資源所處的信息環(huán)境也會顯著影響云制造資源的注冊信息和控制，從這些信息系統(tǒng)中集成得到的信息可用集合η=｛η0，η1，η2，…｝表示。

（4）管理Agent 負責云制造服務在云制造平臺的加入與退出，管理云制造服務的各種狀態(tài)，其實時狀態(tài)可用δ表示，δ∈｛忙，閑，故障，退出，…｝。

（5）控制Agent 處理適配器下達給云制造資源的各種任務信息，包括正執(zhí)行任務、待執(zhí)行任務、任務排程和執(zhí)行控制等，其任務列表信息可用集合φ=｛φ0，φ1，φ2，…｝表示。

（6）通訊Agent 負責云資源適配器對云制造平臺和其他適配器之間的通訊。

（7）本地輕量目錄訪問協(xié)議（Lightweight Directory Access Protocol，LDAP）目錄 為通過云適配器接入的制造資源建立本地目錄，以便進行適配器內(nèi)部管理。

（8）云制造知識庫 存儲云適配器完成的云制造任務相關知識，具體的知識表示和積累方法見第3章。

云適配器都以服務的形式對其他適配器或者云制造平臺進行展現(xiàn)、相互協(xié)作或關聯(lián)，對外展現(xiàn)的信息可抽象表示為四元集合

其中：ω為該云制造服務的相關信息，由感知Agent、描述Agent和集成Agent共同提供，可用集合ω=（μ，ε，η）表示；ψ為該云制造服務所能提供的功能，ψ=（θ，σ，λ），θ為云制造服務的前置輸入條件，σ為該云制造服務的操作集合，λ為云制造服務效果；δ為該云制造服務的狀態(tài)信息；φ為該云制造服務的任務列表信息。

2.3 制造資源云服務化封裝適配器的交互機制

完整的云適配器運行流程如圖3所示，每當一個新的云適配器接入云制造平臺中，平臺就會向云適配器發(fā)出一個初始化指令，云適配器通過指令啟動通訊Agent、管理Agent、描述Agent、集成Agent、感知Agent和控制Agent，通訊Agent作為云適配器內(nèi)部的消息傳遞介質(zhì)；管理Agent分別向描述Agent、集成Agent和感知Agent發(fā)出信息獲取請求；描述Agent、集成Agent和感知Agent各自獲取負責的部分服務和資源信息，并傳回管理Agent，近零封裝模式下只能獲取擁有者事先輸入的描述信息，基本獲取不到集成信息和感知信息；控制Agent根據(jù)通訊Agent下達的指令進行操作，并將控制行為的反饋傳達給通訊Agent，只有在高度封裝模式下，控制Agent才能直接對制造資源進行控制，否則只能通過間接的方式對操作者進行一定程度的要求。

云適配器采用智能物理代理基金會（Foundation for Interligent Physical Agents，F(xiàn)IPA）定義的Agent互操作性國際標準指定的通信語言（Agent Communication Language，ACL），定義Agent間通信過程中采用的消息格式，ACL 消息格式中主要包括消息發(fā)送者、消息接收者和消息內(nèi)容，以及消息內(nèi)容用到的語法和本體等一系列內(nèi)容，例如基于使用Agent的receive方法，從Agent消息隊列中得到一條ACL消息的部分代碼，如圖4所示。

3 基于語義有向圖的制造資源云適配器知識表示及積累方法

云制造的目標是提供可隨時獲取的、按需定制的制造全生命周期服務，為實現(xiàn)該目標，即使是同一制造資源，也需要根據(jù)不同的業(yè)務需求，封裝成有所區(qū)別的制造云服務。因此，為實現(xiàn)制造資源云服務化封裝過程知識的重用，如何表示和積累制造資源的服務化封裝知識，成為云適配器面臨的一個重要問題。

語義網(wǎng)絡是知識表示中最重要的方法之一，是通過概念及其語義關系來表示知識的一種網(wǎng)絡圖。一個語義網(wǎng)絡就是一個帶有標識的有向圖，其中：有向圖的節(jié)點表示各種事物、概念、屬性、動作和狀態(tài)等；有向弧表示它所連接的節(jié)點間的某種語義聯(lián)系，每個節(jié)點可以帶有若干屬性，具有靈活、自然、易于實現(xiàn)和善于表示結(jié)構(gòu)性知識等優(yōu)點。一個最簡單的語義網(wǎng)絡形式是一個三元組（節(jié)點A，弧，節(jié)點B），圖5 是一個有向圖的示例，亦被稱為一個基本網(wǎng)元［13］。

本文將上述語義網(wǎng)絡技術應用于云適配器的表示。將某個云制造服務開始前的云制造適配器看作基本網(wǎng)元中的節(jié)點A，其云適配器感知、集成和描述到的信息表示和運行狀態(tài)屬性集合用（ωi，δi）表示，將該云制造服務完成后的云適配器看作基本網(wǎng)元中的節(jié)點B，其適配器感知、集成和描述到的信息表示和運行狀態(tài)屬性集合用（ωj，δj）表示，將該云制造服務帶來的操作集合看作基本網(wǎng)元中的動作，可表示為σk，則基于語義網(wǎng)絡的制造資源云適配器知識表示基本網(wǎng)元如圖6所示。

基于語義有向圖的制造資源云適配器知識表示及積累方法的步驟如下：

步驟1 給某個制造資源云適配器一個初始的信息表示和運行狀態(tài)，用（ω0，δ0）表示。

步驟2 在制造資源云適配器的運行過程中，記錄云制造服務的操作集合σa，σb，…和服務效果（ω1，δ1），（ω2，δ2），…，形成多個基于語義有向圖的制造資源云適配器知識表示基本網(wǎng)元。

步驟3 將得到的制造資源云適配器知識表示基本網(wǎng)元進行組合，得到制造資源云適配器知識表示和積累的語義有向圖，如圖7所示。

通過上述步驟，可以保存云制造資源適配器運行過程中的知識，方便快捷地實現(xiàn)云制造適配器的知識重用，幫助解決云制造服務化封裝中遇到的相同問題。

4 應用驗證

汽車摩托車是重慶市的支柱產(chǎn)業(yè)，汽摩零部件企業(yè)量大面廣，其新產(chǎn)品開發(fā)普遍面臨內(nèi)部資源不足、開發(fā)能力弱等問題，亟需協(xié)同外部資源參與合作。針對以上問題，筆者所在課題組在承擔國家863計劃項目——中小企業(yè)云制造服務平臺共性關鍵技術研究期間，開展了汽摩零部件新產(chǎn)品開發(fā)云制造服務平臺的相關探索和研究?；诒疚牡难芯砍晒?，課題組基于JADE（Java Agent development framework）平臺開發(fā)了一套云適配器，用以實現(xiàn)汽摩零部件新產(chǎn)品開發(fā)核心資源的云服務化封裝，應用過程如圖8所示。

汽摩零部件新產(chǎn)品開發(fā)的核心資源包括三維光學掃描儀、曲面構(gòu)建軟件、改型設計人員、設計軟件、試制設備、試制車間以及新產(chǎn)品開發(fā)過程涉及的各種專家資源和數(shù)據(jù)庫資源，提供的核心服務有三維反求服務、改型設計服務和樣件試制服務。下面以重慶某企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)資源的服務化封裝為例，說明云服務化封裝適配器的應用過程。

該企業(yè)從事汽摩零部件新產(chǎn)品開發(fā)設計方面的研究，擁有ATOS三維光學掃描儀、加工試制機床、Mastercam 曲面構(gòu)建軟件等三維反求資源，并通過多年積累形成了自己獨有的汽摩零部件三維模型庫。云適配器通過以下幾個步驟，將上述新產(chǎn)品開發(fā)資源封裝成為可供使用的云制造服務，如圖9所示。

（1）硬件資源感知 感知Agent通過多種傳感器、無線射頻識別（Radio Frequency Identification Device，RFID）、智能終端等實時感知數(shù)控機床、三維掃描儀等硬件資源信息。

（2）資源描述 描述Agent通過資源屬性描述文檔獲取三維反求資源的描述信息。

（3）汽摩零部件三維模型庫集成 汽摩零部件三維模型庫通過集成Agent，以信息集成的方式進入云適配器管理。

（4）資源控制 控制Agent提供了3 種方式，對封裝成為云制造服務的新產(chǎn)品開發(fā)資源進行控制：①任務控制，直接在云適配器中以任務形式下達給相應的新產(chǎn)品開發(fā)資源；②指令控制，通過智能終端直接對新產(chǎn)品開發(fā)資源操作者下達指令；③遠程控制，對于汽摩零部件三維模型庫、曲面構(gòu)建軟件等可使用網(wǎng)絡遠程操控的軟制造資源，在獲取相應的權(quán)限后可直接遠程調(diào)用和操作。

基于課題組開發(fā)的云服務化封裝適配器，該平臺也實現(xiàn)了重慶大學制造工程研究所、重慶博集公司、重慶海特克公司等十幾家企業(yè)的三維反求資源、改型設計資源以及樣件試制資源的云服務化封裝，支持完成了興國金科車前燈開發(fā)、鑫源摩托車缸體、南方英特車用空調(diào)外殼開發(fā)等數(shù)十個汽摩新產(chǎn)品開發(fā)案例，取得了良好的應用效果。

5 結(jié)束語

本文針對分布、異構(gòu)、條件各異的制造資源服務化封裝的需求，提出一種基于Multi-Agent的制造資源云服務化封裝適配器，設計了該適配器的結(jié)構(gòu)模型和工作交互機制，并研究了基于語義有向圖的適配器知識表示及積累方法；最后，將本文的研究成果進行了具體的應用，驗證了該方法的可行性和有效性。

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