摘 要：針對云計算環(huán)境下智能制造集中資源分散服務(wù)過程中存在的數(shù)據(jù)異構(gòu)與資源統(tǒng)一描述問題，在分析現(xiàn)有云制造資源服務(wù)化封裝與發(fā)布技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用張量理論在描述異構(gòu)數(shù)據(jù)上的技術(shù)特點，提出了一種基于張量理論的云資源服務(wù)化封裝與發(fā)布策略。首先將云制造資源進(jìn)行分類，并就不同資源給出封裝方法；其次基于張量理論定義了不同類型的云制造資源的張量模型，根據(jù)不同資源服務(wù)屬性建立低階子張量；然后利用張量擴(kuò)展算子對低階子張量子進(jìn)行融合，將各類屬性信息嵌入至高階張量空間，實現(xiàn)云制造資源的統(tǒng)一表示。給出了制造資源、制造能力、設(shè)計資源的統(tǒng)一封裝模板和形式化描述。最后，給出了云制造資源的服務(wù)化部署及發(fā)布策略，設(shè)計開發(fā)了一個云制造資源服務(wù)化封裝與發(fā)布系統(tǒng)，通過實例驗證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：云制造； 張量； 服務(wù)化封裝； 資源描述

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695（2023）08-029-2429-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.12.0817

Servitization encapsulation and publishing strategy forcloud manufacturing resources based on tensor theory

Li Zhoujian， Guo Yinzhang

（Laboratory of Internet of Things amp; Cloud Computing Technology， Taiyuan University of Science amp; Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract：To address the problem of data heterogeneity and unified resource description in the centralized and dispersed ser-vice process of intelligent manufacturing in cloud computing environments， based on the analysis of the existing cloud manufacturing resource service packaging and publishing technology， this paper proposed a tensor-based cloud resource service encapsulation and publishing strategy by leveraging the technical characteristics of tensor theory in describing heterogeneous data. Firstly， it classified cloud manufacturing resources and providing encapsulation methods for different resources. Next， it defined tensor models for different types of cloud manufacturing resources based on tensor theory， established low-order sub-tensors according to different resource service properties， and used the tensor extension operator to fuse the low-order sub-tensors， embedded various attribute information into the high-order tensor space to achieve unified representation of cloud manufacturing resources. It provided a unified encapsulation template and formal description for manufacturing resources， manufacturing capabilities， and design resources. Finally， it proposed a cloud manufacturing resource service deployment and publi-shing strategy， designed and developed a cloud manufacturing resource service encapsulation and publishing system， and validated the effectiveness of the proposed method through examples.

Key words：cloud manufacturing; tensor; service encapsulation; resource description

0 引言

云計算［1］、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)作為改造升級傳統(tǒng)制造業(yè)的有利工具被廣泛應(yīng)用。新一代信息技術(shù)的發(fā)展為制造企業(yè)資源共享的集中管理和智能化協(xié)同化服務(wù)提供了技術(shù)支持［2］。一種面向服務(wù)且以云計算環(huán)境為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化制造［3］新模式——云制造被提出。

云制造［4，5］是網(wǎng)絡(luò)化制造與云計算技術(shù)相結(jié)合的一種新型現(xiàn)代智能制造服務(wù)化模式［6～8］，通過網(wǎng)絡(luò)通信與云計算服務(wù)平臺，將制造資源提供者（resource service provider，RSP）［9］的制造資源和制造能力通過虛擬化技術(shù)存儲到云服務(wù)提供商（cloud service provider，CSP）中，為制造資源的請求者（resource service demand，RSD）按需提供高效、智能、及時的云制造服務(wù)。通過效用計算、彈性計算、邊緣計算等技術(shù)實現(xiàn)分散資源的集中管理和集中資源的分散服務(wù)。物聯(lián)化、虛擬化、服務(wù)化、協(xié)同化及智能化為目前云制造領(lǐng)域研究的重點方面，本文主要針對服務(wù)化領(lǐng)域的相關(guān)問題進(jìn)行研究。

服務(wù)化封裝包括對資源的描述、存儲、發(fā)布、搜索、匹配以及組合，資源的建模與描述是資源服務(wù)化封裝的核心，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一描述是資源分散服務(wù)的前提和基礎(chǔ)，資源描述的目的就是將各種異構(gòu)數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的模板進(jìn)行信息表示，從而使數(shù)據(jù)之間的差異對用戶透明化，用戶通過提供的操作界面便可對異構(gòu)資源進(jìn)行直接使用。以往針對資源描述的研究大多采用基于本體或語義的描述方法，文獻(xiàn)［10］用元描述模型對制造能力進(jìn)行描述，為實現(xiàn)高效、智能的云制造系統(tǒng)提供了支持。文獻(xiàn)［11］針對生產(chǎn)制造過程中制造資源的需求，對網(wǎng)絡(luò)化制造建立新的資源模型，并利用可擴(kuò)展標(biāo)記語言進(jìn)行信息集成。文獻(xiàn)［12］從面向服務(wù)的角度研究了軟件資源的服務(wù)問題，建立了基于Web語義的資源描述模型，完成了對資源的服務(wù)部署，并將結(jié)果注冊到注冊表中，供服務(wù)使用者進(jìn)行調(diào)用，但并未說明云制造硬資源的服務(wù)化封裝問題。文獻(xiàn)［13］根據(jù)不同粒度建立了云制造資源模型，為了削減異構(gòu)資源帶來的問題，將服務(wù)信息以更細(xì)粒度來描述。文獻(xiàn)［14］提出以模塊化對云資源進(jìn)行重新組織，將資源按使用組成劃分，并采用OWL-S［15］對資源信息描述，再利用服務(wù)映射器，完成資源的封裝、注冊及發(fā)布。

從目前的研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前的資源描述多是對離散的個體資源進(jìn)行定性建模描述，基于語義的描述方法通常需要花費大量的工作定義同一資源的不同使用途徑以及辨別不同名稱的同一資源，復(fù)雜的描述過程增加了查詢工作的難度；基于本體的描述往往需要在領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c下先構(gòu)建全局本體和局域本體，再通過構(gòu)建的映射規(guī)則實現(xiàn)信息與底層數(shù)據(jù)的交互，該方法針對不同的異構(gòu)資源需要構(gòu)建不同的本體模型以及定義新的映射關(guān)系，其普適性較差，對信息復(fù)雜度較高的資源描述深度不夠，且在服務(wù)查詢過程中，要利用本體映射關(guān)系實現(xiàn)全局查詢分解和結(jié)果集成，這些煩瑣的過程會降低服務(wù)效率，而且大多僅反映資源自身能力，對于由多種資源構(gòu)成的企業(yè)制造能力表達(dá)比較欠缺。在云制造領(lǐng)域，如果直接基于各企業(yè)內(nèi)部離散的個體制造資源進(jìn)行優(yōu)化配置［16～18］，將會使云制造的實施變得非常復(fù)雜、難以協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)化。針對目前云制造資源服務(wù)化存在的數(shù)據(jù)異構(gòu)、資源類型復(fù)雜、封裝模板難以統(tǒng)一等問題，本文提出一種基于張量理論的云制造資源封裝與發(fā)布方法。張量作為一種高維數(shù)組模型在計算機(jī)視覺、數(shù)據(jù)挖掘方面有著較為廣泛的應(yīng)用，利用其對大數(shù)據(jù)的處理特征，將非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立低階子張量空間。通過張量擴(kuò)展算子對張量子空間進(jìn)行融合，從而實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)在高階張量空間中的統(tǒng)一表示。然后可通過數(shù)據(jù)降維的方式去掉冗余數(shù)據(jù)，不僅能夠節(jié)省存儲空間而且在服務(wù)搜索過程縮短響應(yīng)時間，從而提高服務(wù)化效率?；趶埩坷碚摰馁Y源服務(wù)化方法能有效對異構(gòu)資源進(jìn)行形式化描述，實現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表示。

1 云制造資源分類及封裝框架

1.1 云制造資源

由于云制造面向廣導(dǎo)致其服務(wù)資源繁雜，不僅要解決異構(gòu)共享問題，而且服務(wù)過程中資源間如何相互合作也是一大難題。為了完成制造資源和能力的虛擬化與服務(wù)化，首先須將繁雜的云制造資源按其特性進(jìn)行分類和描述，以便提供良好的信息支持，最終實現(xiàn)不同類型資源的虛擬化接入及服務(wù)化封裝。云制造模式下的企業(yè)資源分為設(shè)計資源、制造資源和制造能力［19］。

設(shè)計資源主要是指軟件、技術(shù)和人力資源。軟件資源是指生產(chǎn)加工過程中各類系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，如Alias；技術(shù)資源是指各種經(jīng)驗、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、案例等；人力資源就是參與生產(chǎn)活動的人員，如提供設(shè)計方案的專家、指令執(zhí)行人員等。

制造資源是指制造過程中的設(shè)備資源、計算設(shè)備和物料。設(shè)備資源指生產(chǎn)加工過程中的一切機(jī)械設(shè)備，如加工設(shè)備、檢測設(shè)備等；計算設(shè)備主要指的是各類存儲器、服務(wù)器、計算器等系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施；物料就是用于生產(chǎn)過程中的一切原材料。

制造能力指基于制造資源提供滿足某項特定制造任務(wù)的能力，是制造單位在相應(yīng)領(lǐng)域知識的支持下將制造資源應(yīng)用于制造活動過程中所展現(xiàn)出來的解決問題的能力，如生產(chǎn)、仿真等能力，是人的智力外化形態(tài)的一種無形資源。

1.2 封裝方法

不同資源因所處環(huán)境和服務(wù)方式的不同，其服務(wù)化封裝方法選擇也不同，因此本文提出三種不同的封裝方法：強封裝、適度封裝以及弱封裝。強封裝指服務(wù)化封裝后的云資源可以直接被租用方使用。該方法適合具有虛擬屬性的云資源，如設(shè)計資源。將其封裝成服務(wù)使用者可直接調(diào)用的虛擬軟件，人力資源和技術(shù)資源的服務(wù)方式則以信息共享為主，服務(wù)使用者可以對存儲信息的數(shù)據(jù)或文檔執(zhí)行查看或下載操作，從而獲取服務(wù)。適度封裝指服務(wù)化封裝后的云資源需要服務(wù)提供者或第三方執(zhí)行命令，而非服務(wù)租賃者直接使用。該方法適合需要一定程度交互操作的云資源，如制造能力。服務(wù)提供者將涉及到的資源以及人的操作整理進(jìn)行描述，最終發(fā)布成制造能力說明書提供給服務(wù)使用者。弱封裝指制造平臺將資源實時信息和操作通過技術(shù)感知［20］對外公布服務(wù)，該方法適合自動化或需要一定交互操作的云資源，如制造資源。服務(wù)提供商先將資源虛擬化，然后在云平臺對資源進(jìn)行描述并對外發(fā)布成相應(yīng)的采購服務(wù)和租賃服務(wù)［21］。

1.3 制造資源服務(wù)化封裝框架

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息物理系統(tǒng)技術(shù)（cyber-physical system，CPS）對云資源（制造資源、設(shè)計資源和制造能力）進(jìn)行接入、識別和感知，獲得的信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫?，然后云服?wù)提供商在通用描述模板的支持下再根據(jù)自身資源屬性對資源進(jìn)行描述，描述完成后根據(jù)不同的封裝方法對資源封裝注冊并將描述信息存入數(shù)據(jù)庫中，最后將資源發(fā)布為單一服務(wù)或組合服務(wù)。資源服務(wù)化封裝框架如圖1所示。

2 云制造資源服務(wù)化封裝與形式化表示

2.1 張量理論

云制造資源服務(wù)化信息是由大量非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成的集合，這些數(shù)據(jù)具有動態(tài)性、多樣性、異構(gòu)型、分布性、抽象性、相似性等特征，數(shù)據(jù)源的多樣化極大增加了數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示的難度，眾多學(xué)者對云資源的分類和屬性特征進(jìn)行了全面的研究，其核心問題是：如何構(gòu)建一個簡單統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模型準(zhǔn)確地表示各種類型的數(shù)據(jù)?；趶埩坷碚摚?2，23］構(gòu)建數(shù)據(jù)模型是一種有效的大數(shù)據(jù)表示方法，張量模型能夠?qū)⒉煌M成形式的數(shù)據(jù)集成和表示，因此本文提出采用張量模型對云制造資源服務(wù)信息進(jìn)行統(tǒng)一描述。接下來先介紹基于張量理論的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示模型。該模型主要由兩部分構(gòu)成，所有數(shù)據(jù)共有的固定部分以及個別數(shù)據(jù)獨有的可擴(kuò)展部分，數(shù)據(jù)通過量化處理便可集成到該模型，統(tǒng)一張量模型的定義如下：

2.2 云制造資源的封裝與描述

云制造環(huán)境下，對資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的描述是云制造得以運行和推廣的前提和基礎(chǔ)，歸總各類資源所包含的信息，提取其中的共同之處，為不同資源定義統(tǒng)一信息描述模板，并用計算機(jī)可以處理的格式表示出來，是實現(xiàn)資源封裝的基礎(chǔ)，資源描述模板能對云資源的各種信息進(jìn)行全面描述。

2.2.1 制造資源的封裝與形式化描述

在現(xiàn)代制造業(yè)中，制造資源（manufacturing resource，MR）是制造業(yè)中非常重要的一類資源，絕大多數(shù)生產(chǎn)任務(wù)最終都需要由制造資源來完成。企業(yè)內(nèi)部的制造資源因其物理特性被鎖定在固定的環(huán)境下，共享方式復(fù)雜，因此需以服務(wù)的形式提供出來，下面針對該類資源介紹相應(yīng)的封裝模板。制造資源可從五種屬性來進(jìn)行規(guī)范描述，統(tǒng)一描述模板如下所示。

2.2.2 設(shè)計資源封裝與形式化描述

2.2.3 制造能力封裝與形式化描述

3 云制造資源服務(wù)化的部署與發(fā)布

3.1 開發(fā)平臺和工具選擇

3.3 云制造資源部署和發(fā)布

云制造資源的部署和發(fā)布是服務(wù)提供者將其服務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)注冊成一種云資源需求者在遠(yuǎn)端或網(wǎng)絡(luò)中可直接租用的狀態(tài)，服務(wù)提供者通過開發(fā)的云平臺界面將自己閑置的資源對外提供服務(wù)只需要根據(jù)資源屬性進(jìn)行簡單的信息錄入，系統(tǒng)會生成對應(yīng)的服務(wù)描述文檔，存放至服務(wù)庫中。

云制造資源的部署簡單來說就是將資源虛擬到云端，針對不同類別的資源應(yīng)采取不同的部署策略，就制造資源而言由于其特殊的物理性質(zhì)，需要利用總線技術(shù)對資源進(jìn)行監(jiān)控，以保證用戶得到服務(wù)信息的時效性，并且租戶可通過接口對其進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用；關(guān)于設(shè)計資源，根據(jù)其自身特性可封裝為軟件或描述成知識，然后放置到云端供用戶使用或查看；對于制造能力采用組合部屬方式，將能力服務(wù)中使用到的資源分別進(jìn)行部署，然后提供通信接口，用戶可通過與服務(wù)提供方交流獲取服務(wù)。

云制造資源的服務(wù)發(fā)布實際上是指將資源封裝并對外提供租用接口，資源服務(wù)信息被提供者錄入后，系統(tǒng)還要對這些信息進(jìn)行處理，以便計算機(jī)能夠識別并進(jìn)行存取，利用知識庫對服務(wù)信息進(jìn)一步完善后存入數(shù)據(jù)庫供系統(tǒng)調(diào)用，同時在平臺界面向云租戶呈現(xiàn)所發(fā)布的服務(wù)。云制造資源服務(wù)部署與發(fā)布如圖3所示。

服務(wù)注冊時，資源服務(wù)信息經(jīng)過發(fā)布的平臺錄入收集，然后利用hugging-face第三方類庫，并加載transformer模型，再使用tokenizer把信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為tensor數(shù)據(jù)文件，然后存入數(shù)據(jù)庫供查詢時調(diào)用。

進(jìn)行Web服務(wù)發(fā)布時，在IDEA中新建一個以資源名稱命名的Web Service Project，并選擇SSM為Web服務(wù)的框架結(jié)構(gòu)，運用maven管理編寫的應(yīng)用，先將整個項目打包成War包，然后將其放入到Tomcat服務(wù)器上。項目在 Tomcat服務(wù)器上運行，進(jìn)行信息的查詢，從服務(wù)器中調(diào)用相應(yīng)的tensor數(shù)據(jù)文件，經(jīng)過解析讀取信息并在平臺將服務(wù)發(fā)布供云租戶選擇。

3.4 資源服務(wù)搜索匹配與組合優(yōu)化

資源服務(wù)化封裝發(fā)布到云端后，用戶便可通過云服務(wù)代理對資源進(jìn)行服務(wù)請求，代理根據(jù)收到的服務(wù)請求對已發(fā)布的資源進(jìn)行檢索，利用張量模型可降維的特點先將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉冗余數(shù)據(jù)后再采用基于語義相似度的服務(wù)搜索和匹配方法，解析服務(wù)請求信息并按資源封裝模板中的不同維度分別展開匹配，過濾掉不滿足服務(wù)請求的資源，篩選出符合條件的所有資源進(jìn)行服務(wù)組合［27，28］，并將最終結(jié)果反饋給用戶供其選擇。

服務(wù)組合優(yōu)化的過程實際上就是基于多目標(biāo)算法［29］解決實際問題的過程，應(yīng)以響應(yīng)時間、誤差、收斂性、敏捷性、智能性、動態(tài)演化性及平穩(wěn)性為參考指標(biāo)，將最優(yōu)的服務(wù)組合結(jié)果提供給用戶。服務(wù)搜索匹配框架如圖4所示。

4 應(yīng)用實例

5 結(jié)束語

作為云制造實現(xiàn)的基礎(chǔ)，資源服務(wù)化封裝尤為重要，本文首先分析異構(gòu)資源并獲取其特點，再根據(jù)這些特征對資源進(jìn)行歸類，對于不同資源提出與之對應(yīng)的封裝方法，在張量理論的基礎(chǔ)上，分別對三類制造資源設(shè)計描述模板，然后利用張量模型給出資源形式化表示，最后用實例驗證了所提方法的有效性。該方法不僅解決了目前基于本體或語義的資源服務(wù)化描述方法存在的問題與不足，而且對資源服務(wù)化描述方法提供了一種新的理論思路，服務(wù)提供商根據(jù)所給出的資源統(tǒng)一模板可直接對資源進(jìn)行描述，無須針對不同領(lǐng)域的制造資源進(jìn)行本體設(shè)計，使封裝過程更加高效。接下來的工作應(yīng)該就資源服務(wù)發(fā)布后，用戶根據(jù)自身需求進(jìn)行服務(wù)獲取過程中的搜索、匹配、發(fā)現(xiàn)以及組合問題進(jìn)行研究，利用張量理論對數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示后可降維得到核心數(shù)據(jù)的方法展開討論，進(jìn)一步加強資源描述與服務(wù)搜索研究的相關(guān)性。隨著服務(wù)資源復(fù)雜度與用戶需求日益劇增等問題的出現(xiàn)，如何選取最優(yōu)性能服務(wù)的同時將這些服務(wù)組合成一個滿足用戶需求的復(fù)合服務(wù)也是接下來研究工作的重點。

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