云制造環境下設備資源服務化封裝方法研究*
2016-06-16 02:31:53易安斌周宏甫
組合機床與自動化加工技術 2016年5期
易安斌，周宏甫
(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640)
?
云制造環境下設備資源服務化封裝方法研究*
易安斌，周宏甫
(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州510640)
摘要：隨著云計算、物聯網和面向服務技術的快速發展，制造領域出現了一種基于知識的網絡化制造新模式-云制造。資源服務化封裝是云制造關鍵技術之一，為加快制造設備資源的封裝過程，提出了一種新的制造設備資源封裝方法。首先，根據云環境下制造資源的特點，對制造設備資源進行了分類和形式化描述；然后，將描述信息映射為一個用于虛擬化的類模板，并給出了一種制造設備資源服務化封裝方法；最后，通過一個實例驗證了該方法的可行性和便捷性。
關鍵詞：云制造；制造設備資源；虛擬化；服務化封裝
0引言
當前，制造業全球化、產品個性化、綠色制造和低碳制造的趨勢給生產制造企業帶來了很大挑戰，制造企業加強與業務伙伴的協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作和靈活的基礎設施，以促進不同企業內部和外部制造資源的有效整合，從而促使不同企業間的無縫合作和資源信息交互共享。為解決這些問題，許多先進制造模式和技術如敏捷制造，虛擬制造，應用服務提供商、制造網格等已被提出來。然而，這些傳統的生產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，缺乏對服務的集中管理和運營，缺乏實現動態智能的制造資源分配機制，缺乏企業間信息系統的交互共享[2]。制造業的信息化、全球化、服務化、標準化、開放化以及云計算、物聯網和面向服務技術的快速發展，為克服制造業面臨的問題提供了操作模式和技術，為制造業的快速發展提供了新的機遇，一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化制造新模式-云制造應運而生[3]。構建一個龐大的制造資源池是云制造平臺運營的基礎，通過資源的虛擬化和服務化封裝技術可以實現物理資源到虛擬資源的映射，將資源封裝成可被發現和使用的云服務。
目前國內外對傳統網絡化制造模式下的制造資源服務化封裝已有較多研究，如文獻[4]提出了一種基于移動Agent的制造資源封裝方法，文獻[5]在事件驅動制造環境下提出了一種基于服務總線的制造服務封裝和集成機制，文獻[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傳統網絡化制造模式而展開的，并不能直接運用于云制造模式中。
然而，對云制造環境下資源服務化封裝問題的研究近幾年才剛剛開始。文獻[10]提出了云制造資源虛擬化框架并對其關鍵組成部分進行了研究，分析了云制造資源虛擬化的相關技術，為云制造資源封裝提供了理論依據，但沒有給出資源封裝的具體實現過程。文獻[11]提出了一種基于資源云服務的資源封裝、發布和發現模型，實現了基于.Net平臺的制造資源封裝，但并不滿足云制造資源跨平臺共享的要求。文獻[12]建立了一種基于Web服務的云制造軟資源封裝架構，對軟制造資源的封裝模型進行了描述，并給出了軟資源封裝的一般流程，但是并未探討云制造環境下硬制造資源的服務化封裝問題。
綜上可知，云制造環境下資源服務化封裝問題的研究對象多以軟制造資源封裝為主，而對硬制造資源的封裝研究則相對較少。因此，本文在已有的研究工作基礎上，根據云制造環境下硬制造資源的特點，首先對制造設備資源進行了分類，并給出制造設備資源的形式化描述，然后提出了一種制造設備資源服務化封裝方法，最后以一個具體實例分析并說明該方法的可行性和高效性。
1云制造相關理論
1.1云制造技術
云制造是在云計算技術的基礎上拓展和延伸出來的一種面向服務的網絡化制造新模式，它將現有的網絡化制造和面向服務技術同云計算、物聯網、高性能計算等技術融合，實現對各類制造資源和制造能力的統一、集中、智能化管理和經營，進而為各類用戶提供及時、安全、優質廉價的制造云服務[13]。
資源服務化封裝技術是支撐和構建云制造平臺的核心技術之一，是實現服務搜索、匹配、評估、組合等制造服務管理的基礎。所謂資源服務化封裝技術，是指將物理制造資源和軟件等資源轉化為邏輯制造資源, 解除制造資源與制造應用之間的緊耦合關系,實現物理資源到虛擬資源的映射，由服務提供者對云制造資源進行統一描述并將其加入到云制造資源池中，以供服務使用者通過云制造平臺查詢并使用云服務[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，為最終實現資源的服務化封裝提供了支持。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加工過程中所使用的各種制造設備資源、計算設備資源和物料資源。其中，制造設備資源是指產品整個生命周期過程中所使用到的生產、加工、實驗、仿真等各類物理設備，如切削設備、鑄造設備、鍛壓設備、焊接設備、熱處理設備、監測設備、生產線、仿真設備和實驗設備等，而切削設備作為制造生產中的主要設備，可如表1對其進一步細分；計算設備主要是指支持制造企業和云制造平臺運行的各類存儲器、運算器、服務器等計算系統硬件基礎設施，如高性能存儲器、高性能服務器等；物料資源就是生產某類產品所用到的原材料、毛坯和半成品等。
軟制造資源主要是指軟件資源、技術資源和人力資源。其中，軟件資源是指產品設計、仿真、分析和加工過程中所涉及到的各類系統軟件和應用軟件，如AutoCAD、SolidWorks、Ansys、Adams等；技術資源是指產品全生命周期過程中所累積的設計標準、工藝規范、經驗模型、營銷、產品案例庫等資源；人力資源就是在產品整個生命周期過程中，具備從事某類操作、技術應用和管理等活動的團隊或專業技術人員，如操作人員、設計專家、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，為云服務使用者提供各類信息咨詢、培訓、物流服務和售后等服務的服務資源，用于根據用戶提交請求匹配最優服務的業務流程服務管理資源等。
表1 切削設備分類表
2制造設備資源虛擬化描述模型
2.1制造設備資源形式化描述
資源虛擬化描述可以為有關資源封裝、資源發現、資源匹配、資源評估和資源共享等環節提供重要信息。在云制造環境下，直接對具有自治性、分布性、多樣性、動態性、獨立性和異構性的制造設備資源進行統一建模，工作量大且復雜。應以一種全局的角度去分析并理解制造設備資源的特點，從而加快對制造設備資源統一建模和描述。由于形式化描述方法具有易于理解、分析能力強、與具體細節無關性等特點，本文首先根據制造設備資源的本質和特點對其進行形式化描述。
利用一個五元組對制造設備資源進行形式化描述，可表示為：CloudMachine=
基本屬性(ResBasic)用于描述制造設備資源的基本信息，可形式化描述為ResBasic=
功能屬性(ResFunction)用于描述制造設備資源的主要功能，可形式化描述為ResFunction=
使用屬性(ResApplication)用于描述資源使用特征相關信息，可形式化描述為ResApplication=
狀態屬性(ResState)描述資源在整個云制造中運行的生命周期情況，可形式化描述為ResState=
質量信息(ResQuality)描述資源提供服務的能力，可形式化描述為ResQuality=< ResQRate，ResDescompliance，ResTimeliness >。其中ResQRate為制造設備資源產品加工合格率；ResDescompliance為制造設備資源服務描述符合度，ResTimeliness 為制造設備資源服務及時性。
2.2制造設備資源描述實例
根據上述給出的描述模型，下面利用XML(Extensible Markup Language，可擴展標記語言)對一個可供外協加工的ZK5150型號的立式數控鉆床進行具體描述，代碼如下：
3制造設備資源的服務化封裝
3.1開發平臺和工具的選擇
目前，用于Web服務開發的主流平臺有J2EE平臺和Microsoft.NET平臺兩種。由于J2EE平臺具有可伸縮性、靈活性、易維護性和開源性好的特點，本文選用開源軟件豐富的J2EE平臺產品Eclipse來構建云制造服務。
JAX-WS的全稱是Java API for XML-Based Web Service，用于開發和構建Web服務。該技術提供了較為完整的Web服務堆棧，可減少開發與部署Web服務的工作量。在利用JAX-WS開發Web服務時，開發者可通過Java程序定義遠程調用所需要的服務端點接口 SEI (Service Endpoint Interface)，然后提供相應的實現即可方便地開發 Web 服務。用戶在開發客戶端時，可利用JAX-WS的應用程序編程接口來構建代理并調用遠程服務器端[16]。
JAX-WS帶來的益處很多，可以很方便地用于開發、發布和訪問Web服務。因此，本文利用Web服務技術來實現制造設備資源的服務化封裝，通過JAX-WS來開發Web服務，采用WSDL(Web Services Description Language)對Web服務進行描述，并編寫相應的客戶端調用Web服務。
3.2制造設備資源服務化封裝方法
首先，將前述制造設備資源形式化描述信息映射為一個類模板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類模板對制造設備資源進行虛擬化，并利用JAX-WS開發Web服務并對制造設備資源進行服務化封裝，具體實現過程如圖2所示。
圖2 服務化封裝過程實現步驟圖
3.3制造設備資源服務化封裝實例
例如，一個零件需要進行鉆削以完成成品加工。首先，可利用VirtualMachine類模板對一個可對外提供鉆削服務的鉆床資源進行虛擬化，得到CloudDrilling。然后,通過JAX-WS的Annotations添加相應標注，并利用JDK(Java Development Kit)的wsgen工具執行相關命令生成服務器端的輔助類。最后,編寫服務器端啟動程序并利用Endpoint的publish方法即可將鉆削加工服務發布到注冊中心。如圖3所示，當服務發布成功后會顯示提示信息和發布到注冊中心的云服務查看地址。
Web服務以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，如圖4所示。
圖3 云服務發布結果
圖4 云服務查看結果
開發服務器端并成功發布Web服務后，就可以通過JDK的wsimport工具執行相關命令生成WSDL對應服務地址的客戶端輔助類，然后編寫相應的客戶端測試類即可訪問并調用Web服務。調用結果如圖5所示。
圖5 云服務調用結果
4結束語
本文討論了云制造資源的分類，對制造設備資源進行了形式化描述，然后將形式化描述信息映射為一個用于虛擬化的類模板，以一個可對外提供鉆削服務的鉆床資源為例，利用JAX-WS工具實現了制造設備資源服務化封裝并驗證了該方法的快速性和便捷性。下一步將對云制造環境下設備資源的發現、選擇和分配進行研究。
[參考文獻]
[1] Ren L, Zhang L, Tao F, et al. Cloud manufacturing: from concept to practice [J]. Enterprise Information Systems, 2015, 9(2): 186-209.
[2] 李伯虎, 張霖, 王時龍. 云制造-面向服務的網絡化制造新模式 [J]. 計算機集成制造系統, 2010, 16(1): 1-7.
[3] 李伯虎, 張霖, 柴旭東. 云制造概論[J]. 中興通訊技術, 2010 (4): 5-8.
[4] 周光輝, 江平宇. 基于移動 Agent 的網絡化制造資源的封裝和集成[J]. 計算機集成制造系統, 2002, 8(9): 728-732.
[5] Minguez J, Ruthardt F, Riffelmacher P, et al. Service-based integration in event-driven manufacturing environments[C]//Web Information Systems Engineering WISE 2010 Workshops. Springer Berlin Heidelberg, 2011: 295-308.
[6] Kumar R S, Yang Z, Zhang J B, et al.Virtualization for manufacturing Web services: a WS-RF approach [J]. Nanyang Technological University, School of Electrical and Electronic Engineering, 2005.
[7] 沈彬,劉麗蘭,俞濤.制造網格中基于WSRF的制造資源封裝技術的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2006(2):12-15.
[8] 井浩,張璟,李軍懷.基于WSRF的網絡化制造資源Web服務封裝的研究[J].計算機工程與應用,2007,43(15): 22-25.
[9] 武蕾,孟祥旭,劉士軍.制造網格中資源服務化封裝方法研究[J].計算機集成制造系統,2008,14(9):1837-1844.
[10] 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, 2011, 17(3): 511-518.
[11] 朱李楠,趙燕偉,王萬良.基于RVCS 的云制造資源封裝,發布和發現模型[J].計算機集成制造系統,2012,18(8):1829-1838.
[12] 陳琨, 王東勃, 王穎慧, 等. 云制造軟資源封裝研究[J]. 中國制造業信息化: 學術版, 2012 (3): 58-63.
[13] 李伯虎, 張霖, 任磊, 等. 再論云制造[J]. 計算機集成制造系統, 2011, 17(3): 449-457.
[14] 姚錫凡, 金鴻, 徐川, 等. 云制造資源的虛擬化與服務化[J]. 華南理工大學學報: 自然科學版, 2013, 41(3): 1-7.
[15] 張霖, 羅永亮, 陶飛, 等. 制造云構建關鍵技術研究 [J]. 計算機集成制造系統, 2010, 16(11): 2510-2520.
[16] 劉中兵.Java Web系統設計與架構[M].北京:電子工業出版社,2009.
[17] 姚錫凡, 練肇通, 李永湘, 等. 面向云制造服務架構及集成開發環境[J]. 計算機集成制造系統, 2012, 18(10): 2312-2322.
[18] 王東成,何衛平,王軍強.基于XML的制造設備描述方法研究與應用[J].機床與液壓,2006(11): 31-34.
(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：1001-2265(2016)05-0151-04
DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.041
收稿日期：2015-06-16
*基金項目：國家自然科學基金項目(51175187)；東莞市科技計劃項目(2012108102010)
作者簡介：易安斌(1990-)，男，湖北廣水人，華南理工大學碩士研究生，研究方向為數字制造及計算機控制、云制造，(E-mail) yanb9102@163.com；通訊作者：周宏甫(1958—)，男，湖北漢川人，華南理工大學教授，博士，研究領域為制造系統計算機控制，(E-mail) mehfzhou@scut.edu.cn。
中圖分類號：TH164;TG506
文獻標識碼：A
