張倩 齊德昱
(華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究所,廣東廣州510006)
目前,制造服務(wù)正成為制造業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn).云制造[1]——面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式,是2010年初科技部提出的設(shè)想,它融合了現(xiàn)有信息化制造技術(shù)及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、知識(shí)服務(wù)等技術(shù),為制造業(yè)由生產(chǎn)型成功轉(zhuǎn)型為服務(wù)型提供了一種新的思路.目前國際上對(duì)云制造鮮有研究,在國內(nèi),李伯虎等[2-4]對(duì)云制造提出的背景、云制造概念、云制造系統(tǒng)和體系架構(gòu)、實(shí)施云制造需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了討論和研究,并初步研發(fā)了一個(gè)云制造的典型應(yīng)用——基于云仿真原型平臺(tái)COSIM-CSP的云仿真應(yīng)用.李偉平等[5]對(duì)云制造的內(nèi)涵進(jìn)行分析,給出了云制造的體系架構(gòu),并對(duì)其中的制造資源描述、關(guān)鍵技術(shù)問題等進(jìn)行討論.Zhang等[6]以云制造為研究背景,對(duì)影響云制造資源服務(wù)組合(RSC)生命周期的主要因素進(jìn)行分析,并在研究RSC柔性定義和分類的基礎(chǔ)上,提出云制造RSC柔性管理架構(gòu),同時(shí)對(duì)涉及的關(guān)鍵問題及其相應(yīng)解決方案進(jìn)行初步探討.Cheng等[7]對(duì)影響云制造走向?qū)嶋H應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題——資源服務(wù)交易進(jìn)行研究,提出獨(dú)立決策和集中決策下的云制造資源服務(wù)交易綜合效益模型,并證明了獨(dú)立決策下,在資源服務(wù)交易鏈的最優(yōu)決策中,資源服務(wù)供應(yīng)商和代理之間、代理和資源服務(wù)請(qǐng)求者之間存在效益均衡.從這些研究工作可以看出,云制造各方面的研究已陸續(xù)展開,但無論在實(shí)際應(yīng)用還是理論研究上,云制造技術(shù)仍處于探索階段,尚無成形標(biāo)準(zhǔn).協(xié)同設(shè)計(jì)作為網(wǎng)絡(luò)化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一,一直得到廣泛的研究和應(yīng)用,而云制造技術(shù)的出現(xiàn),給協(xié)同設(shè)計(jì)的研究帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇.同時(shí),隨著面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段的逐漸成熟,基于Web服務(wù)的面向服務(wù)架構(gòu)越來越得到青睞.目前,協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)多采用SOA架構(gòu)[8-10].因此,文中從云制造模式下的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)研究入手,以SOA理念和Web服務(wù)技術(shù)為基礎(chǔ),搭建了一個(gè)面向服務(wù)的云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)框架,并采用五維視圖對(duì)其進(jìn)行描述與分析,同時(shí)研究了平臺(tái)涉及的關(guān)鍵技術(shù),并描述了云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)運(yùn)行模式和虛擬協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(jì)過程,以期更好地理解和研究云制造技術(shù).
云制造[2]作為一種面向服務(wù)的、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式,可以通過網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期過程提供可隨時(shí)獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的各類制造活動(dòng)服務(wù).它可以看作是網(wǎng)絡(luò)化制造、虛擬制造、制造網(wǎng)格、應(yīng)用服務(wù)提供商(ASP)、敏捷制造等先進(jìn)制造模式在云計(jì)算環(huán)境下的變異和發(fā)展,它繼承了各種先進(jìn)制造模式的優(yōu)勢(shì),同時(shí)又結(jié)合云計(jì)算的特點(diǎn),彌補(bǔ)了現(xiàn)存的缺陷和不足.協(xié)同設(shè)計(jì)在云制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、網(wǎng)格制造3種典型先進(jìn)制造模式下的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示.由表1可見,云制造具有明顯的優(yōu)勢(shì).
表1 協(xié)同設(shè)計(jì)在3種先進(jìn)制造模式下的特點(diǎn)比較Table 1 Characteristic comparison of collaborative design in three typical advanced manufacturing modes
基于上述分析,云制造模式下的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)至少需滿足兩個(gè)基本要求:一是提供對(duì)訪問和集成云制造平臺(tái)中異構(gòu)資源的支持,這些資源包括完成協(xié)同設(shè)計(jì)的所有資源;二是提供在虛擬合作伙伴間開展協(xié)同工作的支持.因此,協(xié)同設(shè)計(jì)是構(gòu)建于云制造基礎(chǔ)設(shè)施之上的.整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)在邏輯上表述為一個(gè)四層結(jié)構(gòu),基于SOA的云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)(CMCDP)的總體框架如圖1所示.
圖1 CMCDP總體架構(gòu)Fig.1 Overall framework of CMCDP
第1層為資源層,提供協(xié)同設(shè)計(jì)過程中所涉及到的各類資源,并通過采用相關(guān)虛擬化技術(shù),將分散的各類異構(gòu)資源虛擬接入到云制造平臺(tái),進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度.第2層為協(xié)同支撐層,將各種功能封裝為可組合、可重用的服務(wù),以標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范發(fā)布,并為第3層提供各種規(guī)范、約束和支撐.第3層為協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)層,提供各種服務(wù)來滿足協(xié)同設(shè)計(jì)的需求,并通過標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口向用戶提供.第4層為門戶層(Portal層),將各種服務(wù)和業(yè)務(wù)過程展示給最終用戶,使用戶能夠通過一個(gè)熟悉、便捷的用戶界面以一致的操作方式來使用云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和獲取云服務(wù).
由于云制造協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜性,只從某一角度來描述該支持平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)難以反映該平臺(tái)各個(gè)方面的特性以及各方面之間的內(nèi)在有機(jī)聯(lián)系.眾多研究成果表明,只有用多視圖才能對(duì)系統(tǒng)做出整體的描述[11].文中采用五維視圖對(duì)云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行描述與分析.五維視圖分別是:功能視圖、組織視圖、信息視圖、資源視圖和過程視圖.
1)功能視圖
結(jié)合平臺(tái)總體結(jié)構(gòu),云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的功能主要包括:(1)資源服務(wù)管理,負(fù)責(zé)對(duì)各種異構(gòu)資源進(jìn)行管理,如資源的發(fā)布、封裝、檢索、組合優(yōu)化、監(jiān)控以及服務(wù)質(zhì)量(QoS)管理等;(2)協(xié)同工作管理,負(fù)責(zé)協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)的分解、流程建模、調(diào)度以及對(duì)參與設(shè)計(jì)的人員進(jìn)行管理;(3)協(xié)同設(shè)計(jì)過程管理,對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)過程進(jìn)行監(jiān)控,及時(shí)檢測(cè)出協(xié)同設(shè)計(jì)過程中的各類沖突,并提交到?jīng)_突消解模塊進(jìn)行消解;(4)沖突消解管理,對(duì)各類沖突利用相應(yīng)的消解算法進(jìn)行沖突消解,保證協(xié)同設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行;(5)協(xié)同工具管理,提供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(xié)商和交流的通信手段,確保設(shè)計(jì)人員之間及時(shí)有效的信息交流;(6)知識(shí)管理,對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中涉及的各類知識(shí)進(jìn)行管理,如實(shí)例類知識(shí)、規(guī)范類知識(shí)、設(shè)計(jì)原理類知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)類知識(shí)等.這些功能模塊結(jié)合在一起、相互作用,一個(gè)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)能帶動(dòng)其關(guān)聯(lián)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn),并提供相應(yīng)的服務(wù)和支持,增強(qiáng)了協(xié)同效果.
2)組織視圖
通過云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)將所需的分布在各地的各類組織資源(包括各類管理機(jī)構(gòu)、制造企業(yè)、高校、研究院所、經(jīng)銷代理商、原材料供應(yīng)商、全球客戶等)聯(lián)系在一起,形成完整的組織體系.平臺(tái)組織結(jié)構(gòu)視圖如圖2所示.
圖2 CMCDP的組織視圖Fig.2 Organization view of CMCDP
3)信息視圖
云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的信息涉及內(nèi)容多,范圍廣,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括企業(yè)信息、產(chǎn)品信息、技術(shù)信息、物資供求信息、人才信息、協(xié)同設(shè)計(jì)信息、評(píng)價(jià)信息、平臺(tái)各類服務(wù)信息,以及其它信息等.文中對(duì)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的各類信息進(jìn)行分析,給出平臺(tái)信息視圖(圖3).
圖3 CMCDP的信息視圖Fig.3 Information view of CMCDP
4)資源視圖
目前針對(duì)資源的分類有多種方式,文中將平臺(tái)涉及的資源分為物能資源(包括各種設(shè)備資源、物料資源、軟件資源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源等)、信息資源(包括各種市場(chǎng)信息、客戶資料、技術(shù)信息、企業(yè)信息、協(xié)同工作信息等)、人力資源(包括各類管理人員、技術(shù)人員、專家等)、知識(shí)資源(包括各種實(shí)例類知識(shí)、規(guī)范類知識(shí)、設(shè)計(jì)原理類知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)類知識(shí)等)、制造能力資源(包括各種設(shè)計(jì)能力、仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、生產(chǎn)能力、管理能力、維護(hù)能力等)、其它資源(如資金資源等)等六大方面.
5)過程視圖
過程視圖將上述4個(gè)視圖結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體,描述了各種資源、組織的交互過程,以及各個(gè)功能模塊信息的流動(dòng)過程.云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的總體運(yùn)行流程如圖4所示.
圖4 CMCDP的總體運(yùn)行流程Fig.4 Overall running process of CMCDP
SOA是一種IT架構(gòu)設(shè)計(jì)模式,它將應(yīng)用程序的不同功能單元拆分為多個(gè)服務(wù),并通過定義良好的接口和契約將這些服務(wù)連接起來,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多個(gè)系統(tǒng)或應(yīng)用程序間的松散耦合和跨平臺(tái)交互.通過這種架構(gòu)設(shè)計(jì)模式,用戶的業(yè)務(wù)可以被直接轉(zhuǎn)換成可操作的、基于標(biāo)準(zhǔn)的、能被重新組合的、并能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問的一組相互連接的服務(wù)模塊.面向服務(wù)架構(gòu)還可以為用戶屏蔽掉運(yùn)行平臺(tái)及數(shù)據(jù)來源上的差異,從而使得IT系統(tǒng)能夠以一種一致的方式提供服務(wù).將SOA技術(shù)引入云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中,系統(tǒng)能打破異構(gòu)平臺(tái)的限制,具備可移植性、開放性和可擴(kuò)展性,實(shí)現(xiàn)松散耦合的協(xié)同設(shè)計(jì).
資源管理一直是制造業(yè)信息化建設(shè)中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)[12].從本質(zhì)上講,云制造是一個(gè)集成制造資源和能力的環(huán)境,其中包含了許多異構(gòu)的資源.針對(duì)資源的有效管理可從3個(gè)方面展開:(1)研究制造資源的描述模型,能夠給出制造資源統(tǒng)一、完整的定義,消除遺留資源和資源間的語義沖突;能夠涵蓋不同種類的制造資源,解決制造資源種類繁多、形態(tài)各異的問題;能夠充分考慮資源發(fā)現(xiàn)、融合和匹配的需求.(2)研究制造資源的封裝和虛擬服務(wù)化方法,對(duì)大量物理類制造資源,以恰當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行封裝,屏蔽資源的異構(gòu)性和地理分布性,使其成為網(wǎng)絡(luò)上可統(tǒng)一訪問的資源.(3)研究支持海量資源高度共享、快速搜索和易于更新的資源發(fā)現(xiàn)模型.
在云制造中,資源服務(wù)的調(diào)用具有周期長、復(fù)雜性高、可靠性高的特征,這使得已有的服務(wù)組合方法不適合解決云制造中的資源服務(wù)組合,因此有必要研究適合云制造模式的、高度自動(dòng)化的資源服務(wù)組合和動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法.可從以下幾個(gè)方面開展研究:研究云制造模式下資源服務(wù)的特點(diǎn),基于QoS建立有效的資源服務(wù)評(píng)價(jià)機(jī)制;研究支持服務(wù)組合的高效的資源服務(wù)優(yōu)化選擇算法;分析影響資源服務(wù)組合全生命周期中的各種相關(guān)因素,建立高可靠的、可重用的資源服務(wù)組合模型.由于云制造環(huán)境下制造資源服務(wù)是分布的、自治的和動(dòng)態(tài)的,資源服務(wù)的狀態(tài)和性能也是可變的,在執(zhí)行組合服務(wù)時(shí),有些服務(wù)可能會(huì)因?yàn)橐殉蜂N、被占用或網(wǎng)絡(luò)通信故障等情況而變得不可用.因此,研究組合資源服務(wù)的動(dòng)態(tài)綁定策略,即研究如何將具體的綁定在組合服務(wù)執(zhí)行時(shí)動(dòng)態(tài)完成;研究資源服務(wù)組合運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和執(zhí)行控制方法,及相應(yīng)的容錯(cuò)處理策略(服務(wù)重試、服務(wù)替換和服務(wù)重構(gòu)),以確保組合服務(wù)正確、高效運(yùn)行.
虛擬化技術(shù)可以將物理資源等底層架構(gòu)進(jìn)行抽象,使得設(shè)備的差異性和兼容性對(duì)上層應(yīng)用透明.因此,可采用虛擬化技術(shù)將云制造模式下的制造設(shè)備、仿真設(shè)備、計(jì)算系統(tǒng)、軟件等資源進(jìn)行抽象.由于同一類型資源的不同虛擬化方法可能存在很大的差異,并且,資源虛擬化程度也可能對(duì)資源管理產(chǎn)生影響.在資源的虛擬化過程中,可針對(duì)資源不同虛擬化方法的性能開銷進(jìn)行分析,并根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯和服務(wù)接口的需要,采取合適的虛擬化方法,將資源抽象成適當(dāng)?shù)牧6群蛯哟?,并提供統(tǒng)一的管理邏輯和接口.
云制造協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括3個(gè)方面:資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、協(xié)同設(shè)計(jì)過程監(jiān)測(cè)和平臺(tái)故障監(jiān)測(cè).
(1)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
在統(tǒng)一的云制造平臺(tái)上,注冊(cè)、管理著大量異構(gòu)資源,如何對(duì)它們進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及管理、控制,是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量服務(wù)的保障.該部分涉及的關(guān)鍵問題包括:研究便于擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)支持架構(gòu),以滿足不同種類資源的監(jiān)測(cè)需求;研究高效且靈活的資源監(jiān)測(cè)策略,以盡量少的資源開銷實(shí)現(xiàn)有效的資源監(jiān)控與狀態(tài)預(yù)測(cè);研究資源狀態(tài)的智能管理技術(shù),有效地主動(dòng)監(jiān)測(cè)資源的狀態(tài),并及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷資源的故障.
(2)協(xié)同設(shè)計(jì)過程監(jiān)測(cè)
該部分主要研究云制造模式下協(xié)同設(shè)計(jì)過程中概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等各個(gè)階段產(chǎn)生沖突的原因、特點(diǎn)及類型,開發(fā)適合新模式下的智能沖突監(jiān)測(cè)模型,及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)過程中的各類沖突.
(3)平臺(tái)故障監(jiān)測(cè)
建立多級(jí)監(jiān)控模型,研究不同級(jí)別的故障檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控和判斷各種險(xiǎn)情,并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警.針對(duì)各種不同級(jí)別的故障,研究相應(yīng)的容錯(cuò)、遷移和恢復(fù)策略,及時(shí)排除故障,確保平臺(tái)的不間斷運(yùn)行.
產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[13],協(xié)同設(shè)計(jì)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生沖突,并且沖突的種類繁多,在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,依靠單一的沖突消解方案不可能全面解決各種復(fù)雜的沖突.研究云制造模式下協(xié)同設(shè)計(jì)中沖突產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)和類別,并在當(dāng)前沖突消解研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,開發(fā)適合云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的沖突消解模型,建立完善的沖突管理機(jī)制.
在云制造模式下,客戶無需尋找協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境服務(wù)的提供方,只需要向云制造協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)提交需求,由服務(wù)平臺(tái)去組織資源,提供滿足要求的服務(wù),并自動(dòng)分配相應(yīng)的資源來完成設(shè)計(jì)工作.云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)資源服務(wù)請(qǐng)求運(yùn)行模式如圖5所示.資源提供商通過網(wǎng)絡(luò),在平臺(tái)資源發(fā)布模塊注冊(cè)發(fā)布資源、制造服務(wù)等,平臺(tái)將資源封裝成相應(yīng)的服務(wù)并保存到資源服務(wù)中心;資源請(qǐng)求者通過平臺(tái)門戶網(wǎng)站描述協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù),確定任務(wù)執(zhí)行需要的資源環(huán)境;平臺(tái)對(duì)資源請(qǐng)求者提交的任務(wù)進(jìn)行分解、解析、資源服務(wù)匹配、資源服務(wù)組合優(yōu)化,并將最優(yōu)的資源服務(wù)提供給資源請(qǐng)求者.
虛擬機(jī)是在軟、硬件之間引入虛擬層,它能屏蔽硬件平臺(tái)的分布性和異構(gòu)性,支持硬件資源的共享和復(fù)用.虛擬機(jī)可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)的部署對(duì)象,能為應(yīng)用提供獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境.因此,針對(duì)云制造用戶提交的服務(wù)請(qǐng)求,云制造平臺(tái)通過相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)策略可將找到的符合資源服務(wù)請(qǐng)求的資源集合,也就是將滿足請(qǐng)求條件的一組資源服務(wù)映射(封裝)到一個(gè)或多個(gè)虛擬機(jī)中,并提供給用戶統(tǒng)一的訪問接口,這樣用戶便可在平臺(tái)提供的虛擬協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)工作.虛擬協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(jì)活動(dòng)如圖6所示.
圖5 CMCDP資源服務(wù)請(qǐng)求運(yùn)行模式Fig.5 Running mode of resource service request of CMCDP
圖6 虛擬協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(jì)過程Fig.6 Collaborative design process in virtual collaborative design environment
文中探討了云制造的概念以及云制造模式下的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的特點(diǎn),基于SOA理念以及Web服務(wù)技術(shù),搭建了一個(gè)面向服務(wù)的、松散的、開放式的云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)框架,并采用五維視圖對(duì)其進(jìn)行描述與分析.另外,還對(duì)平臺(tái)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與研究,并通過云制造協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)資源服務(wù)請(qǐng)求的運(yùn)行模式和虛擬協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(jì)過程說明了平臺(tái)的應(yīng)用.
由于云制造是一個(gè)新生事物,處于不斷發(fā)展和完善的過程中,目前尚未形成穩(wěn)定的、統(tǒng)一的、易用的和功能完備的云制造平臺(tái),仍存在許多有待于研究和探討的內(nèi)容.因此,文中內(nèi)容尚處于探索研究階段,未推廣應(yīng)用和實(shí)施.下一步將結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用背景,深入研究云制造平臺(tái)下協(xié)同設(shè)計(jì)支撐環(huán)境的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步集成、優(yōu)化、完善和驗(yàn)證平臺(tái)功能.
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