一種支持資源跨域共享的制造網格平臺

鄭永猛，李長英，楊成偉

(1.中國聯合網絡通信有限公司 濟寧市分公司，山東 濟寧 272000；2.山東省魯南工程技術研究院 管理中心，山東 濟寧 272000；3.山東財經大學 管理科學與工程學院，山東 濟南 250000；4.山東省軟件工程重點實驗室，山東 濟南 250000；5.中創軟件工程股份有限公司，山東 濟南 250000)

一種支持資源跨域共享的制造網格平臺

鄭永猛1，李長英2，楊成偉3,4,5

(1.中國聯合網絡通信有限公司 濟寧市分公司，山東 濟寧 272000；2.山東省魯南工程技術研究院 管理中心，山東 濟寧 272000；3.山東財經大學 管理科學與工程學院，山東 濟南 250000；4.山東省軟件工程重點實驗室，山東 濟南 250000；5.中創軟件工程股份有限公司，山東 濟南 250000)

由于地區間服務資源的不均衡，如何實現地區間服務資源的共享，為本地和異地企業提供更多、更廉價的服務，日益成為政府需要破解的難題。針對這一問題,文中提出一種支持資源跨域共享的區域制造網格應用平臺。對平臺建立的資源聚集和業務協同環境，提出了一種制造網格體系結構，對平臺的業務模式進行描述，并分析了實現平臺的關鍵使能技術。區域制造網格平臺的建立克服了網絡化制造中的帶寬瓶頸和服務能力不足的缺陷，實現了更高的訪問速度與容錯性，能夠確保地區之間制造資源的共享與分配。從平臺部署實施的應用結果表明，該平臺對中小制造企業間實現制造資源跨區域共享起到了較好的作用。最后，分析了平臺應用中存在的不足，并對下一步的工作進行了展望。

網格；資源共享；門戶；系統集成

0 引 言

制造網格是利用先進的計算機和網絡技術，通過網絡將各個企業的軟硬件資源，包括設備資源、人力資源、技術資源、應用系統資源、服務資源、用戶信息資源、計算資源等其他相關資源，通過封裝和集成的方式聚集起來，為企業提供一種透明的資源使用方式，實現資源的按需供給以支持企業之間動態聯盟的建立和提供工作協同的面向領域的問題求解環境，以達到降低生產經營成本、縮短產品生命周期、快速滿足市場需要的目的[1-4]。制造網格是網絡化制造逐步發展的結果[5]，其內涵有廣義和狹義之分。廣義的制造網格以下一代互聯網技術為基礎，試圖將全世界所有的企業連接成一個有機整體，實現自動采購、協同制造、統一銷售，實現全社會范圍的精確生產模式。最終實現全球制造資源的融合和虛擬化，能夠使資源的獲取像獲取水電一樣透明[6]。狹義制造網格以開放網格體系架構(Open Grid Service Architecture,OGSA)和Web服務資源框架(Web Service Resource Framework,WSRF)技術為最新發展方向，是一定范圍內、針對特定的制造任務建立的網格。包括研究最早的計算網格以及IBM、Sun、Oracle等公司建立的商業網格均屬于這一類。

廣義和狹義制造網格只是在不同范圍和不同發展時期網格的兩種不同表現形式。從現實角度來說，要建立廣義的全球制造網格環境還需要很長的一段時間。但是，在面向區域的網絡化制造應用的成功基礎上進行升級改造，建立特定范圍的狹義網格環境，是制造網格從概念進入應用的最佳時機。平臺作為理論概念到實際應用的橋梁，在網絡化制造到網格化制造的過渡中將繼續發揮重要作用。

國外在制造網格方面展開了深入研究。如牛津大學在“基于只能代理的復雜動態網絡研究”中對制造網格所涉及的相關問題(技術、社會、基礎設施、物流、信息流等)展開研究；劍橋大學面向商務的Grid Manufacturing[7]，能夠動態生成制造資源；利物浦大學在“商務網格和智能供應鏈研究”中提出按需、普適訪問制造資源的問題；德國希根綜合大學面向中小企業的E-Grid主要目的是簡化企業接入使用網格服務的難度。國內對制造網格尚處于概念和內涵的理解階段。如清華大學范玉順教授認為，制造網格是在網絡化制造基礎上利用基于先進的網格和計算機技術以實現異構資源封裝、集成，提供協同工作環境和各種制造服務[1]。王愛民等認為制造網格就是建立在計算網格基礎上的一種應用網格，計算網格為其提供了基本的支撐[8]。劉麗蘭等提出自組織制造網格和快速制造網格的概念[9]。梁英等在AmGrid基礎上，提出了業務共同體技術和基于策略、事件驅動的應用動態聯盟構造方法以解決資源在聯盟中的共享問題[4]。王國慶等提出改變傳統一對多ASP服務模型，構建了網格多對多服務模型，提高最大吞吐率，減輕了帶寬瓶頸[10]。

綜上，國內外在制造網格方面主要研究異構制造資源的封裝和共享、在虛擬組織內進行協同問題求解。對于實際的資源跨域共享的區域制造網格應用并未涉及。

1 相關技術

1.1 網格平臺構建技術

基于Portlet技術的網格門戶是近年流行的網格門戶構建技術。其中有必要明確三個概念：Portal(門戶)、Portlet和Portlet容器及其關系。在JSR168規范[6]中定義為：

Portal是基于Web的應用，提供了個性化、單點登陸、內容聚集能力。它將不同來源的交互內容集成在一個頁面內。Portal提供用戶的個性化定制內容，一個頁面可以由來自不同用戶創建的不同的Portlet構成。

Portlet是基于Web組件的Java技術，由Portlet容器來管理，處理請求并動態生成內容。Portlet在Portal中作為可插入用戶接口，為信息系統提供表示層組件。Portlet在門戶中生成的內容根據用戶不同的需求進行定制。Portlet容器提供Portlets運行的環境并管理Portlets運行的生命周期。它從Portal接收請求并在Portlet中執行請求。

它們之間的關系如圖1所示。Portlet是一個按照

圖1 Portal、Portlet和Portlet容器間的關系

組件思想進行劃分和封裝的Web組件，這些Web組件通過聚集形成完整的Web頁面，這些頁面聚合成一個門戶(Portal)。

從用戶的角度看，Portlet是在Web頁面上顯示出來的工作區域，每個Portlet管理瀏覽器屏幕的一小部分，每個Portlet可以獨立與數據庫交互，將信息獨立顯示在Portlet窗口上。由于門戶頁面中的各個區域的內容是獨立的，每個區域都可以是一個特定的Portlet程序，通過一些XML配置后，一個Portal就可以根據需要顯示特定的信息。如SDMSP首頁中的“熱點新聞”Portlet收集、檢索和列出每日地區最新咨詢信息的功能；“SBM系統”Portlet封裝了遠程供應商管理系統，并將該系統的門戶頁面和一些業務數據按照預定方式顯示在SDMSP系統Portlet內。

1.2 網格平臺架構技術

當前主流的網格平臺架構有歐盟基金會GridLab項目下的GridSphere；被廣泛用于高等教育機構構建Web門戶的uPortal；適于企業門戶開發的LifeRay Portal；目前最為符合JSR-168 Spec的portal實現的JPortal；OpenPortal；具有國際化與商業化的jCharon；代表了完整的J2EE應用，使用了Web、EJB以及JMS等技術，特別是其前臺界面部分使用Struts框架技術，基于XML的Portlet配置文件可以自由地動態擴展，使用了Web Services來支持一些遠程信息的獲取，使用Apahce Lucene實現全文檢索功能。

比較上述門戶技術，最終選擇GridSphere作為地區網格門戶架構出自下面的考慮：

(1)它是基于Portlet的網格門戶,符合當前發展趨勢；

(2)它是專門針對于網格開發的Portlet,易于同網格技術結合；

(3)它是完全開源的軟件,便于學習和研究；

(4)它是兼容Portlet標準的(JSR-168),易于實現互操作。

在實際制造網格平臺構建中,其他網格門戶構建的方式和技術也是值得研究和借鑒的。

2 區域制造網格構建

2.1 體系結構

與網絡化制造平臺不同，制造網格平臺是一種網格應用系統，它必需首先具有網格系統的特征。一個典型的網格系統應該具有虛擬組織管理服務(Virtual Organization Management Service)、資源發現和管理服務(Resource Discovery and Management Service)、作業管理服務(Job Management Service)三個必需的組件，其他還可能包含安全服務、數據管理服務等組件實現[11]。制造網格是網格計算在制造行業(企業)的一種應用。相比普通網格(計算網格、數據網格)制造資源種類繁多且異構程度大，制造過程更加復雜、更具靈活性與不確定性，實現的難度要大得多。網格技術權威IanFoster將網格體系結構定義為“劃分系統基本組件，指定系統組件的目的與功能，說明組件之間如何相互作用的技術”[12]。因此，為了更好地實現制造網格，有必要研究制造網格的體系結構，并結合需求，確定制造網格系統的組成模塊，以及它們之間的組合關系，如圖2所示。

圖2 制造網格的體系結構

(1)應用層：制造網格中面向領域的問題求解環境是一種基于網絡的、面向特定應用領域、支持共享和協同易用的共性能求解環境。在制造網格環境下，通過為不同領域定制訪問門戶，為用戶提供基于Web的、統一安全的用戶界面，通過用戶界面提交任務或直接或間接使用網格平臺中的資源。

(2)工具層：擴展和補充服務層的功能。針對制造網格中任務的特殊需要，開發相關的補充工具，如工作流管理工具、制造任務建模工具、制造任務管理工具、制造資源管理工具、服務評估與性能檢測工具等。

(3)服務層：利用了計算網格基于OGSA的GT4實現制造網格中所需要的計算、存儲方面的服務及有關協議內容，具體包括:資源管理、安全管理、數據管理、信息管理、作業管理。還包括與制造網格相關的一些管理內容，如計費管理和服務質量管理等。

(4)資源構造層：通過將各種異構、分布制造資源描述和封裝成服務，實現對地區制造資源的共享。地區節點作為一個獨立的門戶系統服務于當地的生產企業，同時聚集了大量豐富的制造網格資源。地區節點之間的資源共享與服務協同是通過網格接口接入制造網格環境實現的。

2.2 業務模式

地區節點業務模式主要由10個基本服務支撐，分別是服務注冊、注冊審批、服務發布、服務檢索、服務申請、服務使用、服務管理、信息總匯和監控管理，平臺的業務流程如圖3所示。

圖3 平臺的業務流程

①地區節點合法的服務提供商想發布遠程Portlet Web服務，首先要發布適當的UDDI目錄入口，說明該Portlet對應的WSDL位置，該WSDL描述了所發布的遠程Portlet Web服務接口。之后，上傳按jsr168 Portlet標準封裝的Portlets組件包到地區平臺資源庫內。最后，在平臺上注冊此服務的主要信息(服務名、服務描述、服務應用組和服務管理組等)以供檢索和查找。為簡化操作流程，該過程以向導方式完成。

②地區節點的平臺系統管理員，對該服務提供商的資格和服務進行審核，然后以“在線審批”的方式審批服務。

③地區平臺管理員部署服務到平臺上，并進一步與服務提供商取得聯系商議服務的細節問題，如是否提供試用期限，服務使用方式(下載、租用)，計費方式(計次、計時)，維護分工等細節問題。這些將通過管理選項來設置。

④服務Portlet發布成功后，此服務注冊信息及UDDI信息在本地區節點內生效?？偪毓濣c內的超級管理員利用管理工具搜索UDDI目錄，查找到遠程Portlet Web服務接口(Remote Portlet Web Service Interface)實現的服務，將相匹配的Portlet Web服務注冊在地區服務注冊表中，并設置服務發現權限，使服務對不同地區提供不同可見性。

⑤考慮到平臺運營的需要，用戶獲得理想服務內容后，并不能直接使用該服務,而是需要申請平臺賬號，并提出具體服務的使用申請，經由本地區域管理員審批。

⑥申請服務的用戶獲得使用權限，同時也建立了自己的賬戶，依據事先約定，計次或計時從賬戶中扣除一定的使用費。

⑦在服務使用中，賬號中的費用被消耗。當賬戶資金不足時，用戶服務將被停用，用戶可到指定機構(或網上銀行)對所屬賬號進行充值。

⑧服務管理由服務提供商和地區管理員一同進行。從權限能力比較，地區管理員不僅擁有對服務本身的管理(如啟動、停用、重新加載、刪除等)，而且擁有對服務用戶的管理(如查詢、添加、修改等)。

⑨目前總控節點主要匯總三類信息:地區人員(管理員、用戶、服務提供商)基本信息，地區服務基本信息，地區新聞資訊信息。將信息資源匯總到總控節點，除了達到對地區節點重要數據進行備份，防止地區節點崩潰造成不可逆轉損失外，也為網格環境下的資源監控與調度、服務發現與管理提供保障。

⑩監控管理分為兩部分，地區節點的監控管理功能提供了本地資源的使用情況，如用戶申請情況、在線情況、服務申請使用情況，以及硬件資源的利用率等。這些監控信息是為了保證地區管理員有效了解本地資源利用情況、維護好地區平臺?？偪毓濣c收集地區節點的資源監控信息，進行數據挖掘、信息表示，即時獲取并分析地區節點的使用情況，為資源的跨域調度、共享提供最佳策略。

3 區域制造網格使能技術

3.1 資源分類

制造網格中的資源劃分沒有統一的標準，可以囊括制造業中的各種服務資源。為了方便進行制造資源的封裝與集成，有必要對這些資源進行抽象劃分。

·設備資源類：包含制造活動中具有某種功能的物理設備，如機床、夾具、量具等；

·人力資源類：在制造活動中具有某種操作、管理和技術能力的人；

·技術資源類：制造活動中所需要的技術性資源，如設計圖紙、設計流程、工藝流程、管理流程、營銷流程的集合；

·物料資源類：制造活動中所需要的物理材料、半成品和成品，如零部件、原材料等；

·應用系統資源類：制造過程中所用到的所有軟件資源的集合，可細分為設計軟件、分析軟件、仿真建模軟件和管理軟件四類；

·服務資源類：為資源使用者提供各種信息的咨詢、培訓以及各種國家、行業、企業標準等；

·用戶信息資源類：記錄資源提供者和資源使用者的基本信息，為資源評估、發現和調度提供依據；

·計算資源類：在制造環境問題求解過程提供保障的計算機CPU、存儲、帶寬等資源；

·其他資源類：如記賬、公共信息等資源。

3.2 資源封裝

制造網格環境中的資源是獨立的、分散的和異構的，企業發布資源是自主進行的，因此對資源的封裝，對于互聯網環境下對資源的分類、選擇、搜索、調度、優化、集成、組合以及資源的虛擬化，實現資源的自治管理起著關鍵作用。

對資源良好封裝的意義還在于，首先要提供統一的、開放的技術，對資源或者接口進行一致的封裝，便于資源的發現、集成和共享。資源的封裝是實現資源虛擬化的基礎，通過屏蔽資源的異構性、復雜性，實現用戶透明使用資源。資源的封裝為資源的調度、優化、質量、性能監控提供保證。計算網格研究中心提供計算、存儲的能力，資源集中在計算資源、存儲資源管理上。制造網格關注的是整個制造生命周期全過程，因此涉及的資源種類比計算網格要豐富得多也復雜得多。一般包含3.1節中提到的9種資源類型。

將制造資源進行網格化利用是制造網格重要的研究內容。制造網格門戶平臺的目標是提供對網格資源訪問的入口，同時為用戶提供統一的界面、統一的業務流程、統一的工作協同環境。文中采用模板方法對資源進行封裝實現對網格資源的有效集成?；谀０宓闹圃熨Y源服務化封裝過程，步驟如下：

(1)資源描述：選擇資源描述模板，填寫資源屬性具體描述，該資源屬性文檔保存為XML格式。

(2)資源封裝：根據資源描述模板查找對應的資源實現類，根據資源的特點修改或者直接復用該資源實現模板。

(3)資源部署：將資源的接口加入到資源適配器中。在資源適配器中自動生成Resource，同時獲得資源實現類的相關信息，完成資源的服務化封裝，得到WS-Resource，對外呈現統一的調用接口。

(4)資源調用：在資源調用執行時，資源適配器自動加載資源實現類與具體的資源交互實現資源調用。

3.3 資源匹配

對于不同類型的服務，服務系統采用邏輯服務構建應用，并映射到物理服務實例完成任務的具體執行。假設用戶是根據邏輯服務定義中設定的非功能屬性條目給出相應的約束，那么問題轉化為判斷物理服務的每個非功能屬性是否滿足邏輯服務非功能屬性的需求。

對服務非功能屬性之間的映射問題給出定義：

定義：設PS={ps1,ps2,…,psn}是和邏輯服務ls功能匹配的候選服務集。

定理：物理服務與邏輯服務非功能屬性匹配關系記作RnfmPS.PNF×LS.LNF,對于ps∈PS,ls∈LS,ps.pnf∈PS.PNF,ls.lnf∈LS.LNF,∈Rnfm,當且僅當：

(1)Count(ps.pnf)≥Count(ls.vnf),即物理服務的非功能屬性條目等于或多于邏輯服務的非功能屬性條目。

(2)?ls.lnfi∈ls.lnf,?ps.pnfj∈ps.pnfj, lnfi.name=pnj.name或lnfi.name?pnfj.name，并且ValueMatch(pnf.value,lnf.value)。其中=，?指語義相等和語義包含關系，即對于邏輯服務中的每個非功能屬性條目，總能找到物理服務相應的非功能屬性與之對應，并且滿足值域匹配要求。取值在虛擬服務非功能屬性取值值域之內。對于不同的非功能屬性，ValueMatch()具體匹配策略不同。

算法1：

{

對vs的每個非功能屬性條目vnf{

flag=fslse;

對psi中的每個非功能屬性pnf{

if(vnf.name=pnf.nameandValueMatch(pnf.value,vnf.value))

flag=true;

ifflag=false,returnfalse;

}

returntrue;

}

ValueMatch()的實現由非功能屬性內容決定(如費用、時間、權限、服務提供商等非功能屬性因素。

算法2：

{

if

(lnf.usetime≤UsefulLife.endTimeandlnf.usetime≥UsefulLife.startTime)

returntrue;

else

returnfalse;

}

3.4 資源監控與管理

通過在地區節點服務器上安裝Ganglia的客戶端(gmond)可以將地區服務器節點系統性能信息發送到平臺上，在中心節點服務端(gmetad)對這些信息進行分類和統計得到地區平臺的系統壓力及性能情況。通過Ganglia PHP Web Frontend(基于Web的動態訪問方式)以圖形化方式展現出來。Ganglia監控軟件主要是用來監控系統性能的軟件，如：CPU、MEM、硬盤利用率、I/O負載、網絡流量情況等。通過曲線很容易見到每個節點的工作狀態。通過向Globus配置文件中添加以下內容可以實現與MDS集合，這樣就可以在MDS中調用Ganglia的信息了。

java org.globus. mds. usefulrp. glue. Ganglia ElementProducer

通過以上設置，GangliaElementProducer類就可以向索引服務提供集群范圍的信息了。

另外，原Ganglia工具在大型分布式網絡系統中對其不足進了改進，包括：

(1)監控信息保存：原Ganglia系統采用輪轉數據庫，數據不能長久保存，影響歷史統計。在地區節點將監控信息截取，并保存于本地數據庫中。當中心節點需要時，利用WebService技術提取地區節點數據用于統計。

(2)容錯性：隨著平臺地區節點的增加，由于網絡等因素的限制，數據傳送的錯誤難以避免。利用線路冗余容錯方式，即在被檢測的網格系統任何兩個匯集節點之間至少需要有兩條不同的鏈路相連(不必直接連接),使得匯集節點和與之相連的線路都有備份。

(3)預警與診斷能力：在SDMSP這樣的大型網絡分布系統實施中，顯著增強診斷網格系統故障的能力是至關重要的。因此，在節點(中心、地區)網格平臺上增加了警告機制模塊，對重要監控指標(CPU/內存/磁盤/數據流量)設置警告閾值，對網格平臺關鍵性能進行警示，并設置了相應的策略，對故障進行自診斷和自處理。

4 結束語

制造網格環境已基本形成，在平臺運行中需近一步解決的問題如下：

(1)不同廠商之間的Portlet不能相互調用。JSR168(Java Portlet Specification)的出現對統一Portlet起到了關鍵性作用，為Portlet門戶組件之間的互操作定義了公共模式和接口規范。盡管如此，對于一些不熟悉JSR168的服務提供商仍然需要一定的時間改變自己固定的開發方式，開發符合標準的Portlet提交到地區服務平臺上進行集成。

(2)雖然平臺提供了第三方開發商提交Portlet服務的機制，但這種服務提供和發布的方式目前還沒有發揮出最大的優勢。平臺目前的服務仍然以平臺開發方提供的服務為主，需要較長的時間來鼓勵有能力的服務提供商適應這種方式。

(3)盡管Portlet標準已比較完善，這種門戶構建技術日益流行，但是實際的免費發布的Portlet組件還很少能夠見到，以Portlet技術的組件庫目前尚沒有構建，這也在一定程度上阻礙了該技術的迅速普及。

基于Portlet技術的制造網格平臺研究與探索將促進該技術的普及和流行；通過服務的積累來構建起基于Portlet服務組件庫，提高門戶系統的定制速度和實踐組件技術的開發是下一步工作的重點。另外，SDMSP也在積極探索對制造網格各種資源的集成技術和方式，如通過與WSRD、WSRF等服務構建技術的結合集成基于Internet的服務系統，通過OGSA-DAI技術實現對異構數據庫的訪問等。

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A Manufacturing Grid Platform of Supporting Resources Sharing of Cross-domain Region

ZHENG Yong-meng1,LI Chang-ying2,YANG Cheng-wei3,4,5

(1.Jining Branch,China United Network Communications Co.,Ltd.,Jining 272000,China;2.Management Center of Southern Shandong Academy of Engineering Technology,Jining 272000,China;3.College of Management Science and Engineering,Shandong University of Finance and Economic,Jinan 250000,China;4.Shandong Provincial Key Laboratory of Software Engineering,Jinan 250000,China;5.CVIC Software Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250000,China)

Due to unbalanced regional service resources,how to implement the service resources sharing between regions,and to provide more and more cheap service for the local and foreign enterprises,is becoming a problem to be solved by the government.In order to solve this problem,put forward a regional manufacturing grid application platform of supporting cross-domain resources sharing.For the environment of resource aggregation and business collaboration established by this platform,a manufacturing grid system architecture was presented.Describe the business mode for the platform and analyze the key enabling technology.This platform established overcomes the defects of bandwidth bottleneck and insufficient service ability,to achieve the higher access speed and fault tolerance,and to ensure a better quality of service.The experimental results show that the platform can effectively realize sharing resources between regions.At last,the shortcomings of the application of the platform have been analyzed,and the future work is prospected.

grid;resource sharing;portal;system integration

2015-05-18

2015-08-24

時間：2016-01-26

山東省高?？萍加媱澷Y助項目(J14LN19)；山東省自然基金(博士)資助項目(BS2015DX013)作者簡介：鄭永猛(1981-),男,工程師，碩士研究生,研究方向為高級數據庫與系統集成、算法設計與分析等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1520.050.html

TP311

A

1673-629X(2016)02-0199-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.044