易安斌，周宏甫

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州　510640)

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云制造環(huán)境下設(shè)備資源服務(wù)化封裝方法研究*

易安斌，周宏甫

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640)

摘要：隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和面向服務(wù)技術(shù)的快速發(fā)展，制造領(lǐng)域出現(xiàn)了一種基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式-云制造。資源服務(wù)化封裝是云制造關(guān)鍵技術(shù)之一，為加快制造設(shè)備資源的封裝過程，提出了一種新的制造設(shè)備資源封裝方法。首先，根據(jù)云環(huán)境下制造資源的特點(diǎn)，對(duì)制造設(shè)備資源進(jìn)行了分類和形式化描述；然后，將描述信息映射為一個(gè)用于虛擬化的類模板，并給出了一種制造設(shè)備資源服務(wù)化封裝方法；最后，通過一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和便捷性。

關(guān)鍵詞：云制造；制造設(shè)備資源；虛擬化；服務(wù)化封裝

0引言

當(dāng)前，制造業(yè)全球化、產(chǎn)品個(gè)性化、綠色制造和低碳制造的趨勢(shì)給生產(chǎn)制造企業(yè)帶來了很大挑戰(zhàn)，制造企業(yè)加強(qiáng)與業(yè)務(wù)伙伴的協(xié)作并有效利用全球的制造資源顯得越來越重要[1]。這就需要建立一種協(xié)作和靈活的基礎(chǔ)設(shè)施，以促進(jìn)不同企業(yè)內(nèi)部和外部制造資源的有效整合，從而促使不同企業(yè)間的無縫合作和資源信息交互共享。為解決這些問題，許多先進(jìn)制造模式和技術(shù)如敏捷制造，虛擬制造，應(yīng)用服務(wù)提供商、制造網(wǎng)格等已被提出來。然而，這些傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式仍存在一些諸如可伸縮性、靈活性、互操作性和安全性等問題，缺乏對(duì)服務(wù)的集中管理和運(yùn)營，缺乏實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)智能的制造資源分配機(jī)制，缺乏企業(yè)間信息系統(tǒng)的交互共享[2]。制造業(yè)的信息化、全球化、服務(wù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放化以及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和面向服務(wù)技術(shù)的快速發(fā)展，為克服制造業(yè)面臨的問題提供了操作模式和技術(shù)，為制造業(yè)的快速發(fā)展提供了新的機(jī)遇，一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式-云制造應(yīng)運(yùn)而生[3]。構(gòu)建一個(gè)龐大的制造資源池是云制造平臺(tái)運(yùn)營的基礎(chǔ)，通過資源的虛擬化和服務(wù)化封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理資源到虛擬資源的映射，將資源封裝成可被發(fā)現(xiàn)和使用的云服務(wù)。

目前國內(nèi)外對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化制造模式下的制造資源服務(wù)化封裝已有較多研究，如文獻(xiàn)[4]提出了一種基于移動(dòng)Agent的制造資源封裝方法，文獻(xiàn)[5]在事件驅(qū)動(dòng)制造環(huán)境下提出了一種基于服務(wù)總線的制造服務(wù)封裝和集成機(jī)制，文獻(xiàn)[6-9]研究了基于WSRF的制造資源封裝。但由于這些研究方法主要是針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化制造模式而展開的，并不能直接運(yùn)用于云制造模式中。

然而，對(duì)云制造環(huán)境下資源服務(wù)化封裝問題的研究近幾年才剛剛開始。文獻(xiàn)[10]提出了云制造資源虛擬化框架并對(duì)其關(guān)鍵組成部分進(jìn)行了研究，分析了云制造資源虛擬化的相關(guān)技術(shù)，為云制造資源封裝提供了理論依據(jù)，但沒有給出資源封裝的具體實(shí)現(xiàn)過程。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于資源云服務(wù)的資源封裝、發(fā)布和發(fā)現(xiàn)模型，實(shí)現(xiàn)了基于.Net平臺(tái)的制造資源封裝，但并不滿足云制造資源跨平臺(tái)共享的要求。文獻(xiàn)[12]建立了一種基于Web服務(wù)的云制造軟資源封裝架構(gòu)，對(duì)軟制造資源的封裝模型進(jìn)行了描述，并給出了軟資源封裝的一般流程，但是并未探討云制造環(huán)境下硬制造資源的服務(wù)化封裝問題。

綜上可知，云制造環(huán)境下資源服務(wù)化封裝問題的研究對(duì)象多以軟制造資源封裝為主，而對(duì)硬制造資源的封裝研究則相對(duì)較少。因此，本文在已有的研究工作基礎(chǔ)上，根據(jù)云制造環(huán)境下硬制造資源的特點(diǎn)，首先對(duì)制造設(shè)備資源進(jìn)行了分類，并給出制造設(shè)備資源的形式化描述，然后提出了一種制造設(shè)備資源服務(wù)化封裝方法，最后以一個(gè)具體實(shí)例分析并說明該方法的可行性和高效性。

1云制造相關(guān)理論

1.1云制造技術(shù)

云制造是在云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上拓展和延伸出來的一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式，它將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)化制造和面向服務(wù)技術(shù)同云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算等技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類制造資源和制造能力的統(tǒng)一、集中、智能化管理和經(jīng)營，進(jìn)而為各類用戶提供及時(shí)、安全、優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的制造云服務(wù)[13]。

資源服務(wù)化封裝技術(shù)是支撐和構(gòu)建云制造平臺(tái)的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)服務(wù)搜索、匹配、評(píng)估、組合等制造服務(wù)管理的基礎(chǔ)。所謂資源服務(wù)化封裝技術(shù)，是指將物理制造資源和軟件等資源轉(zhuǎn)化為邏輯制造資源, 解除制造資源與制造應(yīng)用之間的緊耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)物理資源到虛擬資源的映射，由服務(wù)提供者對(duì)云制造資源進(jìn)行統(tǒng)一描述并將其加入到云制造資源池中，以供服務(wù)使用者通過云制造平臺(tái)查詢并使用云服務(wù)[2-3,14]。

1.2云制造資源的分類

資源分類就是把某些具有共同屬性和特征的資源歸并于一起，是資源描述與建模的前提和基礎(chǔ)，為最終實(shí)現(xiàn)資源的服務(wù)化封裝提供了支持。云制造所共享的資源類型主要包括制造資源和制造能力[15]。其中制造資源可分為硬制造資源、軟制造資源和其他資源。

硬制造資源主要包括生產(chǎn)加工過程中所使用的各種制造設(shè)備資源、計(jì)算設(shè)備資源和物料資源。其中，制造設(shè)備資源是指產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程中所使用到的生產(chǎn)、加工、實(shí)驗(yàn)、仿真等各類物理設(shè)備，如切削設(shè)備、鑄造設(shè)備、鍛壓設(shè)備、焊接設(shè)備、熱處理設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備、生產(chǎn)線、仿真設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，而切削設(shè)備作為制造生產(chǎn)中的主要設(shè)備，可如表1對(duì)其進(jìn)一步細(xì)分；計(jì)算設(shè)備主要是指支持制造企業(yè)和云制造平臺(tái)運(yùn)行的各類存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、服務(wù)器等計(jì)算系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施，如高性能存儲(chǔ)器、高性能服務(wù)器等；物料資源就是生產(chǎn)某類產(chǎn)品所用到的原材料、毛坯和半成品等。

軟制造資源主要是指軟件資源、技術(shù)資源和人力資源。其中，軟件資源是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、分析和加工過程中所涉及到的各類系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，如AutoCAD、SolidWorks、Ansys、Adams等；技術(shù)資源是指產(chǎn)品全生命周期過程中所累積的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、營銷、產(chǎn)品案例庫等資源；人力資源就是在產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程中，具備從事某類操作、技術(shù)應(yīng)用和管理等活動(dòng)的團(tuán)隊(duì)或?qū)I(yè)技術(shù)人員，如操作人員、設(shè)計(jì)專家、管理人員等。

其他資源是指除上述硬制造資源和軟制造資源分類之外的資源集合，例如用于記錄資源提供者和資源使用者的用戶基本信息資源，為云服務(wù)使用者提供各類信息咨詢、培訓(xùn)、物流服務(wù)和售后等服務(wù)的服務(wù)資源，用于根據(jù)用戶提交請(qǐng)求匹配最優(yōu)服務(wù)的業(yè)務(wù)流程服務(wù)管理資源等。

表1　切削設(shè)備分類表

2制造設(shè)備資源虛擬化描述模型

2.1制造設(shè)備資源形式化描述

資源虛擬化描述可以為有關(guān)資源封裝、資源發(fā)現(xiàn)、資源匹配、資源評(píng)估和資源共享等環(huán)節(jié)提供重要信息。在云制造環(huán)境下，直接對(duì)具有自治性、分布性、多樣性、動(dòng)態(tài)性、獨(dú)立性和異構(gòu)性的制造設(shè)備資源進(jìn)行統(tǒng)一建模，工作量大且復(fù)雜。應(yīng)以一種全局的角度去分析并理解制造設(shè)備資源的特點(diǎn)，從而加快對(duì)制造設(shè)備資源統(tǒng)一建模和描述。由于形式化描述方法具有易于理解、分析能力強(qiáng)、與具體細(xì)節(jié)無關(guān)性等特點(diǎn)，本文首先根據(jù)制造設(shè)備資源的本質(zhì)和特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行形式化描述。

利用一個(gè)五元組對(duì)制造設(shè)備資源進(jìn)行形式化描述，可表示為：CloudMachine=。

基本屬性(ResBasic)用于描述制造設(shè)備資源的基本信息，可形式化描述為ResBasic=。其中，ResID為制造設(shè)備資源的唯一標(biāo)識(shí)；ResUserID為制造設(shè)備資源提供者的唯一標(biāo)識(shí)；ResName為制造設(shè)備資源名稱；ResType為制造設(shè)備資源類型；ResMainfunction為制造設(shè)備資源主要功能；ResManufacturer為制造設(shè)備資源生產(chǎn)廠家；ResProvider為制造設(shè)備資源提供者；ResLocation為制造設(shè)備資源所在地；ResContact為制造設(shè)備資源的聯(lián)系方式；ResUseMode為制造設(shè)備資源使用方式，主要包括租賃、購買。

功能屬性(ResFunction)用于描述制造設(shè)備資源的主要功能，可形式化描述為ResFunction=。其中ResMainpp為制造設(shè)備資源主加工參數(shù)；ResSecondpp為制造設(shè)備資源第二主參數(shù) ； ResAxesnumber為制造設(shè)備資源坐標(biāo)軸數(shù)；ResSpindletravel為制造設(shè)備資源主軸行程；ResTablesize為制造設(shè)備資源工作臺(tái)尺寸；ResTabletravel為制造設(shè)備資源工作行程；ResCstype為制造設(shè)備資源控制系統(tǒng)類型；ResMachiningaccuracy為制造設(shè)備資源加工精度；ResSurfaceroughness為制造設(shè)備資源可達(dá)到的表面粗糙度。

使用屬性(ResApplication)用于描述資源使用特征相關(guān)信息，可形式化描述為ResApplication=。其中ResValidtime為制造設(shè)備資源可用時(shí)間；ResCost為制造設(shè)備資源價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)；ResUsdegree為制造設(shè)備資源用戶滿意度。

狀態(tài)屬性(ResState)描述資源在整個(gè)云制造中運(yùn)行的生命周期情況，可形式化描述為ResState=。其中，ResCurrentstate為制造設(shè)備資源當(dāng)前狀態(tài)屬性，主要包括維修、空閑、未滿負(fù)荷、滿負(fù)荷、超負(fù)荷和失效；ResCompletedtask為制造設(shè)備資源已經(jīng)完成的任務(wù)；ResQueuetask為制造設(shè)備資源排隊(duì)等待的加工任務(wù)。

質(zhì)量信息(ResQuality)描述資源提供服務(wù)的能力，可形式化描述為ResQuality=< ResQRate，ResDescompliance，ResTimeliness >。其中ResQRate為制造設(shè)備資源產(chǎn)品加工合格率；ResDescompliance為制造設(shè)備資源服務(wù)描述符合度，ResTimeliness 為制造設(shè)備資源服務(wù)及時(shí)性。

2.2制造設(shè)備資源描述實(shí)例

根據(jù)上述給出的描述模型，下面利用XML(Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語言)對(duì)一個(gè)可供外協(xié)加工的ZK5150型號(hào)的立式數(shù)控鉆床進(jìn)行具體描述，代碼如下：

0.02

3.2

3制造設(shè)備資源的服務(wù)化封裝

3.1開發(fā)平臺(tái)和工具的選擇

目前，用于Web服務(wù)開發(fā)的主流平臺(tái)有J2EE平臺(tái)和Microsoft.NET平臺(tái)兩種。由于J2EE平臺(tái)具有可伸縮性、靈活性、易維護(hù)性和開源性好的特點(diǎn)，本文選用開源軟件豐富的J2EE平臺(tái)產(chǎn)品Eclipse來構(gòu)建云制造服務(wù)。

JAX-WS的全稱是Java API for XML-Based Web Service，用于開發(fā)和構(gòu)建Web服務(wù)。該技術(shù)提供了較為完整的Web服務(wù)堆棧，可減少開發(fā)與部署Web服務(wù)的工作量。在利用JAX-WS開發(fā)Web服務(wù)時(shí)，開發(fā)者可通過Java程序定義遠(yuǎn)程調(diào)用所需要的服務(wù)端點(diǎn)接口 SEI (Service Endpoint Interface)，然后提供相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)即可方便地開發(fā) Web 服務(wù)。用戶在開發(fā)客戶端時(shí)，可利用JAX-WS的應(yīng)用程序編程接口來構(gòu)建代理并調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)器端[16]。

JAX-WS帶來的益處很多，可以很方便地用于開發(fā)、發(fā)布和訪問Web服務(wù)。因此，本文利用Web服務(wù)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備資源的服務(wù)化封裝，通過JAX-WS來開發(fā)Web服務(wù)，采用WSDL(Web Services Description Language)對(duì)Web服務(wù)進(jìn)行描述，并編寫相應(yīng)的客戶端調(diào)用Web服務(wù)。

3.2制造設(shè)備資源服務(wù)化封裝方法

首先，將前述制造設(shè)備資源形式化描述信息映射為一個(gè)類模板VirtualMachine，其類圖如圖1所示。

圖1　 虛擬化類模板VirtualMachine的類圖

然后，利用VirtualMachine類模板對(duì)制造設(shè)備資源進(jìn)行虛擬化，并利用JAX-WS開發(fā)Web服務(wù)并對(duì)制造設(shè)備資源進(jìn)行服務(wù)化封裝，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2　服務(wù)化封裝過程實(shí)現(xiàn)步驟圖

3.3制造設(shè)備資源服務(wù)化封裝實(shí)例

例如，一個(gè)零件需要進(jìn)行鉆削以完成成品加工。首先，可利用VirtualMachine類模板對(duì)一個(gè)可對(duì)外提供鉆削服務(wù)的鉆床資源進(jìn)行虛擬化，得到CloudDrilling。然后,通過JAX-WS的Annotations添加相應(yīng)標(biāo)注，并利用JDK(Java Development Kit)的wsgen工具執(zhí)行相關(guān)命令生成服務(wù)器端的輔助類。最后,編寫服務(wù)器端啟動(dòng)程序并利用Endpoint的publish方法即可將鉆削加工服務(wù)發(fā)布到注冊(cè)中心。如圖3所示，當(dāng)服務(wù)發(fā)布成功后會(huì)顯示提示信息和發(fā)布到注冊(cè)中心的云服務(wù)查看地址。

Web服務(wù)以WSDL形式被描述，因此可以在瀏覽器中輸入http://localhost:8086/CloudDrillingService?wsdl來查看云服務(wù)，如圖4所示。

圖3　云服務(wù)發(fā)布結(jié)果

圖4　云服務(wù)查看結(jié)果

開發(fā)服務(wù)器端并成功發(fā)布Web服務(wù)后，就可以通過JDK的wsimport工具執(zhí)行相關(guān)命令生成WSDL對(duì)應(yīng)服務(wù)地址的客戶端輔助類，然后編寫相應(yīng)的客戶端測(cè)試類即可訪問并調(diào)用Web服務(wù)。調(diào)用結(jié)果如圖5所示。

圖5　云服務(wù)調(diào)用結(jié)果

4結(jié)束語

本文討論了云制造資源的分類，對(duì)制造設(shè)備資源進(jìn)行了形式化描述，然后將形式化描述信息映射為一個(gè)用于虛擬化的類模板，以一個(gè)可對(duì)外提供鉆削服務(wù)的鉆床資源為例，利用JAX-WS工具實(shí)現(xiàn)了制造設(shè)備資源服務(wù)化封裝并驗(yàn)證了該方法的快速性和便捷性。下一步將對(duì)云制造環(huán)境下設(shè)備資源的發(fā)現(xiàn)、選擇和分配進(jìn)行研究。

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(編輯趙蓉)

Service Encapsulation Method of Equipment Resources in Cloud Manufacturing Environment

YI An-bin, ZHOU Hong-fu

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract：With the development of cloud computing, internet of things, service-oriented technology, a new knowledge-based networked manufacturing model called cloud manufacturing, is emerging in the manufacturing area. Service encapsulation of manufacturing resources is one of the key technologies in cloud manufacturing. To accelerate the encapsulation process of manufacturing equipment resources, a new encapsulation method of manufacturing equipment resources was proposed. Firstly, the manufacturing equipment resources were classified and a formal description of which was given on the basis of the characteristics of manufacturing resources in cloud environment. Then the description information was mapped to a class template for virtualization, and a service encapsulation method of manufacturing equipment resources was presented. Finally, an example was used to verify the feasibility and convenience of this method.

Key words：cloud manufacturing; manufacturing equipment resources; virtualization; service encapsulation

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0151-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.041

收稿日期：2015-06-16

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175187)；東莞市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012108102010)

作者簡介：易安斌(1990-)，男，湖北廣水人，華南理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字制造及計(jì)算機(jī)控制、云制造，(E-mail) yanb9102@163.com；通訊作者：周宏甫(1958—)，男，湖北漢川人，華南理工大學(xué)教授，博士，研究領(lǐng)域?yàn)橹圃煜到y(tǒng)計(jì)算機(jī)控制，(E-mail) mehfzhou@scut.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TH164;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A