（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

0 引言

在計算機網(wǎng)絡技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下，機械、化工、冶金等傳統(tǒng)制造企業(yè)受到互聯(lián)網(wǎng)和信息化的巨大沖擊。如何通過網(wǎng)絡信息技術(shù)，充分利用社會資源和服務開展制造活動，已經(jīng)成為當前迫切需要解決的問題。

2010年，云制造的概念應用而生。它將制造資源服務化和虛擬化后，接入網(wǎng)絡服務平臺（云平臺），以信息流的形式為用戶提供制造全生命周期的一系列服務[1]，體現(xiàn)“制造即服務”的思想，達到“分散資源集中使用，集中資源分散服務”的目的[2]。事實上，實現(xiàn)制造資源集成共享和高效利用的前提是建立規(guī)范的、可識別和可擴展的資源描述框架。同時，還需要構(gòu)建高效、完善的服務化封裝機制，將制造資源封裝于云平臺中，形成云資源或云服務，實現(xiàn)云模式下資源的海量集成、多方位共享和統(tǒng)一管理。

當前，國內(nèi)外學者對制造資源虛擬化過程展開了初步研究。吳晶晶等對制造服務進行了形式化定義，利用仿真平臺驗證其可用性[3]。薛建勛[4]和李孝斌等[5]以不同的方式建立了制造資源的語義描述模型，并通過實例加以驗證。吳橋等[6]和陳琨等[7]分別對制造資源中硬資源和軟資源的封裝機制作了探討，建立了虛擬化封裝框架。Minguez et al提出了一種基于服務總線的制造服務封裝和集成機制[8]。陳樺等運用XML語言建立機床產(chǎn)品的設計信息文檔，實現(xiàn)了設計資源的瀏覽和交互處理的統(tǒng)一描述[9]。潘有能等對XML文檔的分類過程展開研究，提出了多種語義識別方法[10]。總的來說，大多數(shù)成果對制造資源虛擬化過程的研究還不夠深入，在云模式下制造資源描述框架的構(gòu)建以及虛擬化封裝機制等方面還需要做進一步探討。

本文在現(xiàn)有研究的基礎上，根據(jù)云制造的特點和目標，在保證制造資源異構(gòu)性和獨立性的前提下，構(gòu)建了一種分層次、模塊化的制造資源描述框架，并提出了一種基于Web的服務化封裝方法，通過實例對所提框架和方法進行了驗證，實現(xiàn)了制造資源的服務化描述和虛擬化封裝。

1 制造資源的服務化描述

1.1 制造資源的定義及描述框架

在云模式下，制造資源的含義非常廣泛，是一切能在制造全生命周期中發(fā)揮作用的軟資源、硬資源以及其他諸如人、知識等資源的總稱[11]。以服務的形式對制造資源進行描述，是實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)輸入和輸出的前提條件。構(gòu)建適合于人機理解的制造資源服務化描述模型，能夠提升云平臺的整體運行能力和人機交互能力，為后期的資源發(fā)布、管理和智能化配置具有重要意義。然而，制造資源具有海量性、異構(gòu)性及獨立性等特點，難以套用完全統(tǒng)一的描述模型，同時為保證制造資源的充分自治性，需要對制造資源進行分層次、模塊化描述。

根據(jù)制造資源的特點，綜合考慮云模式下制造資源及其相關(guān)信息，提出一種制造資源服務化描述框架MS，用集合表示為：

式中，MR表示制造資源；PI表示制造資源提供方；Access表示制造資源相關(guān)訪問；Others表示其他擴展內(nèi)容。

制造資源的服務化描述框架，具有模塊化和分層次的特點。它通過對制造資源、資源提供方、訪問等分別進行形式化描述，建立各部分獨立的模塊化描述模型，保證了各部分模型自身獨特的描述屬性及相應的屬性值，增強了各部分模型間的關(guān)聯(lián)性。然后，將各部分描述模型以制造服務的形式分層次統(tǒng)一整合，保證了制造資源的獨立性以及描述內(nèi)容、相關(guān)服務的集成性。云模式下制造資源具體的服務化描述過程如圖1所示。

圖1 制造資源的服務化描述過程

1.2 制造資源描述模型

制造資源是云制造的核心對象，一切云服務都離不開制造資源的支持。對制造資源進行合理分類有利于后期的資源發(fā)現(xiàn)與快速配置。借鑒已有研究成果[12,13]，將制造資源分為軟資源和硬資源兩大類。其中，軟資源指制造活動中的非硬件資源，其功能是在制造全生命周期中保證制造過程正常進行和運轉(zhuǎn)，如軟件資源、服務資源、人力資源、財務資源等；硬資源指制造活動中所涉及到的所有與制造過程直接關(guān)聯(lián)的實體硬件資源，如設備資源、物料資源、零部件資源、物流資源等。建立制造資源本體層次分類樹如圖2所示。制造資源涉及范圍廣，不同類型的資源具有不同的屬性，描述的內(nèi)容差異較大。針對該問題，結(jié)合當前云模式下制造資源優(yōu)化配置時的實際需求，綜合考慮資源本體、功能、任務、評價等內(nèi)容，構(gòu)建制造資源描述模型MR，用集合表示為：

圖2 制造資源本體層次分類樹

其中：RltRsrc為資源本體描述模型；RltFunc為資源功能描述模型；RltTask為資源任務描述模型；RltEval為資源評價描述模型；Others為其他擴展模型。

加工中心（Machining Center，MC）是制造領(lǐng)域的一種高性能的自動加工設備。下面以某型號加工中心為例，闡述制造資源的描述方法。

1）加工中心本體描述模型

加工中心本體的描述模型RltRsrc(MC)，用集合表示為：

其中：BasicInfo為基本信息屬性集，包括資源編號MrId、服務編號MsId、名稱Nm、型號Mdl、制造商Mfr、品牌Brnd、當前狀態(tài)State等。MrId為制造資源的唯一標識。

BasicParm為基本參數(shù)屬性集，包括資源類型Type、主軸轉(zhuǎn)速Spd、外形尺寸CnfgD、最大載荷MaxL、工作臺尺寸WbD、刀具尺寸TD等。ProcCap為加工能力屬性集，包括定位精度PAc、鉆孔能力DCap、控制軸數(shù)AxisA、加工行程MacTrvl、換刀時間TcT等。MainCfg為主要配置屬性集，包括刀庫類型ToolT、潤滑系統(tǒng)LubS、數(shù)控系統(tǒng)CNC等。

某型號加工中心的本體可描述為：

{(MrId：MC001，MsId：MS01，Nm：立式加工中心，Mdl：TD500，Mfr：西安云端機械廠，Brnd：西格瑪，State：空閑)，(Type：加工中心，Spd：10000r/min，CnfgD：1600×1530×2090mm，MaxL：250kg，WbD：620*420mm，TD：16*16mm)，(PAc：±0.004/300mm，DCap：φ15，AxisA：3，MacTrvl:(X：500mm；Y：300mm；Z：300mm)，TCT：1.2Sec),(ToolT：盤式刀庫，Lubs：河谷，CNC：西門子)}。

2）加工中心功能描述模型

加工中心功能的描述模型RltFunc（MC），用集合表示為：

其中：FuncId為功能編號，是資源相關(guān)功能的唯一標識；FuncType為功能類型；Input為輸入；Output為輸出；Prem為前提條件；Exp為預期結(jié)果。

加工中心的某項功能可描述為：

{FuncId：Func01，MrId：MC001，Type：鉆孔，Input：待加工件，Output：加工后工件，Prem：需求方提供加工件和工藝參數(shù)，Exp：完成需求方相關(guān)工藝要求}。

3）加工中心任務描述模型

加工中心任務的描述模型RltTask（MC），用集合表示為：

其中：BasInfo為任務基本信息屬性集，包括任務編號TastId、資源編號MrId、具體任務類型TaskType、任務描述TaskDesc、開始時間Start、預定結(jié)束時間ExpEnd、結(jié)束時間End、進度記錄ProcRcd、提交方編號SPId等。其中，TastId為制造資源所對應任務的唯一標識。Cstr為任務的相關(guān)約束屬性集，包括工藝方法Tech、規(guī)格要求Spcf等。

加工中心的某項任務可描述為：

{TastId：T01，MrId：MC001,TaskType：切削，TaskDesc：特殊板料切削，Start：2017-01-16，ExpEnd：2017-02-01，End：2017-02-06}。

4）加工中心評價描述模型

加工中心評價描述模型RltEval(MC)，用集合表示為：

其中：TastId和MrId的含義同前；TechEval為工藝水平評價屬性；ProcEval為任務進度評價屬性；AgileEval為敏捷評價屬性；Others為其他擴展評價屬性。

加工中心的某項任務的評價可描述為：

{TastId：T01，MrId：MC001，TechEval：良好，ProcEval：一般，AgileEval：優(yōu)秀}。

1.3 資源提供方描述模型

制造資源提供方是制造服務描述框架中最基本的組分，具體的描述內(nèi)容可依據(jù)實際應用情況進行適當選取。針對資源提供方的重要屬性建立描述模型PI，用集合表示為：

其中：MsId為制造服務編號，是識別云制造服務的唯一標識，具有極強的關(guān)聯(lián)性特征；Name為相關(guān)制造資源所屬法人或單位機構(gòu)的名稱；Desc為提供方以及其他知識能力的相關(guān)描述；Loc為提供方所在地；Tel為聯(lián)系方式；Url為相關(guān)網(wǎng)址鏈接；Others為其他擴展描述屬性。

某制造資源的提供方可描述為：

{MsId：MS01，Name：上海云端機械廠，Desc：上海云端機床是專業(yè)生產(chǎn)數(shù)控車床的廠家，引進…，Loc：上海市松江區(qū)，Tel：400-055-6655，Url：http://www.YunDuancnc.com/}。

1.4 資源訪問描述模型

訪問是云制造在網(wǎng)絡化進程中的特性，是溝通制造服務與云制造服務平臺之間的橋梁，內(nèi)容包括訪問協(xié)議AcsPrtcl、傳輸協(xié)議TfrPrtcl、接口Intfc等，用集合表示為：

某制造服務的訪問可描述為：

{MsId: MS01, AcsPrtcl: SOAP, TfrPrtcl: HTTP, Intfc:WSDL}。

2 制造服務的虛擬化封裝

2.1 虛擬化封裝的意義

按照云制造模式的運行機理，對制造資源進行服務化描述，實現(xiàn)了制造資源的規(guī)范化表達，但此時的制造資源僅在概念上具有制造服務的意義，與“云”并無直接關(guān)系。虛擬化封裝是實現(xiàn)制造資源從物理資源到云資源的抽象和映射過程。它通過云平臺，對僅具有制造服務概念意義的制造資源進行虛擬化封裝，以數(shù)據(jù)的形式發(fā)布、存儲在平臺資源庫中，形成云資源或云服務。這里提出一種基于Web的服務化封裝方法。

2.2 結(jié)構(gòu)及語義驗證機制

從語義和結(jié)構(gòu)兩個方面，驗證云資源池中制造資源數(shù)據(jù)的正確性和規(guī)范性，是制造服務虛擬化封裝過程的重要內(nèi)容。XML（Extendable Markup Language，可擴展標記語言）用于對數(shù)據(jù)信息進行標準的結(jié)構(gòu)化描述，具有強大的拓展性、子描述性、跨平臺性及異構(gòu)兼容能力，非常適合對制造資源及相關(guān)制造服務進行結(jié)構(gòu)及語義的描述與驗證。下面以加工中心為例，運用XML語言進行結(jié)構(gòu)描述，如圖3所示。

圖3 加工中心的XML描述文檔

運用XML技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲和交互，并且保證XML文檔都符合一個固定的結(jié)構(gòu)模型，即結(jié)構(gòu)化定義。運用XML Schema模式對所描述的制造資源XML文檔進行驗證，生成相應的XSD（XML Schemas Definition）文檔，部分代碼如圖4所示。

XML Schema模式可嚴格地對所驗證的XML文檔對象進行結(jié)構(gòu)和語義的深約束，強化了XML自身的結(jié)構(gòu)功能，保證了制造資源描述內(nèi)容的規(guī)范性、一致性和正確性。同時，由于XML Schema自身就是一種XML語言，可對XML實現(xiàn)更好的兼容性和可操性，方便后期對云平臺中制造資源虛擬化封裝模塊的開發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計

云制造服務平臺的資源庫是存儲制造資源相關(guān)服務信息的最終載體，又被稱為云制造資源池。合理縝密的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不僅能為云模式下資源信息的各項操作提供極大的便利，同時也能進一步提高云平臺的整體運行效率。

圖4 XML Schema文檔部分核心代碼

結(jié)合制造資源服務化描述模型，以某型號加工中心為例設計相關(guān)數(shù)據(jù)庫，得到數(shù)據(jù)表之間關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 制造資源數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)表依照資源描述內(nèi)容進行合理劃分，且各表之間通過主鍵（如MsId、MrId、TastId、FuncId等）進行相互關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)約束，保證了封裝過程中制造服務的整體性，便于對資源動態(tài)數(shù)據(jù)的快速檢索和更新。同時，對部分常用外鍵建立相關(guān)索引、事務以及存儲過程，進一步提高了對相關(guān)資源數(shù)據(jù)的檢索效率。

2.4 虛擬化封裝方法

制造服務虛擬化封裝的重點內(nèi)容是將物理制造服務以數(shù)據(jù)的形式封裝于云平臺資源池中，并保證其結(jié)構(gòu)和語義的正確性。云平臺是完成制造服務虛擬化封裝的重要載體，具體的虛擬化封裝流程如圖6所示。

圖6 制造服務虛擬化封裝流程

在虛擬化封裝的過程中，對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和語義進行驗證是重點工作。采用三層結(jié)構(gòu)的方式對服務數(shù)據(jù)進行驗證，具體步驟如下：

1）通過平臺前端對制造資源進行數(shù)據(jù)錄入，并對部分數(shù)據(jù)進行初步的邏輯和語義驗證。

2）將相關(guān)數(shù)據(jù)傳入后臺邏輯層進行邏輯驗證。

3）生成XML文檔，運用XML Schema模式生成相關(guān)XSD文檔，進行結(jié)構(gòu)和語義驗證。

4）采用DOM的方式對XML進行解析，將經(jīng)過結(jié)構(gòu)和語義驗證的數(shù)據(jù)存入后臺數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)制造資源的虛擬化封裝。

2.5 虛擬化封裝實例

以某型號加工中心為研究對象進行形式化描述和虛擬化封裝，通過云制造服務平臺對其進行上傳和發(fā)布，并以數(shù)據(jù)的形式存儲于后臺資源庫中，實現(xiàn)制造服務“云端化”。具體虛擬化封裝的過程如圖7所示。

圖7 制造資源虛擬化封裝過程

3 結(jié)束語

對制造資源進行服務化描述和虛擬化封裝是云模式下實現(xiàn)制造資源集成共享和高效利用的前提條件。本文根據(jù)制造資源的海量性、異構(gòu)性及獨立性等特點，構(gòu)建了一種分層次、模塊化的制造資源服務化描述框架，分別提出了制造資源、資源提供方以及資源相關(guān)訪問的具體描述模型。在分析制造服務虛擬化封裝意義的基礎上，提出了一種基于Web的制造服務虛擬化封裝方法，給出了制造服務的結(jié)構(gòu)與語義驗證機制以及虛擬化封裝的流程和步驟。最后結(jié)合實例驗證了本文所提模型和方法的可行性和有效性。后續(xù)將重點圍繞制造服務的供需優(yōu)化配置進行深入研究。

[1]李伯虎,張霖,王時龍,等.云制造—面向服務的網(wǎng)絡化制造新模式[J].計算機集成制造系統(tǒng),2010,16(1):1-7.

[2]任磊,張霖,張雅彬,等.云制造資源虛擬化研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2011,17(3):511-518.

[3]吳晶晶,孔慶華,徐克林.面向語義的制造服務構(gòu)建技術(shù)[J].同濟大學學報,2012,40(1):102-108.

[4]薛建勛.云制造資源語義描述與建模[J].機械設計與制造,2013,(1):248-249.

[5]李孝斌,尹超,尹勝.云制造環(huán)境下機床裝備資源特性分析與語義描述方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2014,20(9):2164-2171.

[6]吳嬌,李少波.云制造中硬資源虛擬化封裝研究[J].機械設計與制造,2014,(7):112-115.

[7]陳琨,王東勃,王穎慧,等.云制造軟資源封裝研究[J].機械設計與制造工程,2012,41(5):58-63.

[8]Minguez J, Ruthardt F, Riffelmacher P, et al. Service-based integration in event-driven manufacturing environments [J].Lecture Notes in Computer Science, 2010, 6724: 295-308.

[9]陳樺,張鵬偉,陳景霞.機床協(xié)同設計中產(chǎn)品信息XML描述模型的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2005,2:13-15.

[10]潘有能,丁楠.基于標記樹的XML文檔自動分類研究[J].情報學報,2007,26(3):350-355.

[11]陶飛,張霖,郭華,等.云制造特征及云服務組合關(guān)鍵問題研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2011,17(3):477-486.

[12]鄭立斌,顧寄南,代亞榮.基于本體的制造資源建模[J].機械設計與研究,2009,25(5):61-63.

[13]魏軍英,欒倩,楊正波.網(wǎng)絡化制造資源共享系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤礦機械,2010,31(6):57-59.