云排產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

陳立敏，王中杰，謝璐璐

CHEN Li-min, WANG Zhong-jie, XIE Lu-lu

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

制造業(yè)體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)力水平，是衡量一個(gè)國(guó)家整體發(fā)展?fàn)顩r的重要因素。李伯虎院士指出，21世紀(jì)，制造業(yè)的發(fā)展更加依賴(lài)高新技術(shù)應(yīng)用的推動(dòng)[1]。制造業(yè)信息化是當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，建立一個(gè)功能完善的集成制造系統(tǒng)是制造業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)重大課題。

針對(duì)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，科技部提出“云制造”的設(shè)想。云制造是一種利用網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái)，按用戶(hù)需求組織網(wǎng)上制造資源，為用戶(hù)提供各類(lèi)按需制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[1]。云制造是在云計(jì)算提供的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)基礎(chǔ)上的延伸和發(fā)展，它豐富、拓展了云計(jì)算的資源共享內(nèi)容、服務(wù)模式和技術(shù)。云制造的研究與應(yīng)用將會(huì)加速推進(jìn)我國(guó)制造業(yè)信息化向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化方向發(fā)展[2]。

排產(chǎn)系統(tǒng)一直是制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。一個(gè)性能優(yōu)良的排產(chǎn)系統(tǒng)能夠極大地提高制造過(guò)程的效率，并能幫助企業(yè)制定合理的生產(chǎn)計(jì)劃。目前絕大多數(shù)排產(chǎn)系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，存在著計(jì)算機(jī)資源占用量大、維護(hù)和升級(jí)困難、可移植性差等弊端，并且是以企業(yè)自身的制造資源提供相對(duì)固定的解決方案，缺乏多樣性和合理性。云制造資源共享的服務(wù)理念為解決當(dāng)前排產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展遇到的問(wèn)題提供了新的思路和契機(jī)。本文針對(duì)排產(chǎn)系統(tǒng)目前遇到的困境以及云制造對(duì)排產(chǎn)的特殊需求，重點(diǎn)闡述了實(shí)現(xiàn)云排產(chǎn)系統(tǒng)需要解決的若干關(guān)鍵技術(shù)。

1 云排產(chǎn)及云排產(chǎn)系統(tǒng)

云排產(chǎn)是以先進(jìn)的排產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，借鑒云制造服務(wù)模式提出的新概念。云制造以制造服務(wù)為核心，云排產(chǎn)是將排產(chǎn)功能作為一種服務(wù)提供給各制造企業(yè)。云排產(chǎn)將排產(chǎn)功能建立在大量的分布式服務(wù)器端，而非本地的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。企業(yè)通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)接入方式訪(fǎng)問(wèn)云排產(chǎn)系統(tǒng)即可得到排產(chǎn)服務(wù)。和傳統(tǒng)排產(chǎn)功能實(shí)現(xiàn)方式相比，云排產(chǎn)節(jié)省了企業(yè)自身的計(jì)算資源并提高了執(zhí)行效率。

云排產(chǎn)系統(tǒng)是建立在云排產(chǎn)概念上的排產(chǎn)系統(tǒng)。云排產(chǎn)系統(tǒng)集中了各制造企業(yè)的制造資源(包括軟件、硬件、人力等)并使用虛擬化技術(shù)建立一個(gè)公有制造資源池。云排產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)調(diào)度云端制造資源，為制造企業(yè)提供更合理和更全面的生產(chǎn)制造解決方案，實(shí)現(xiàn)制造資源的最大利用和整體均衡利用。和傳統(tǒng)排產(chǎn)系統(tǒng)相比，云排產(chǎn)系統(tǒng)在資源利用和制造模式上更為合理可靠。

云排產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由四個(gè)部分組成：云排產(chǎn)系統(tǒng)客戶(hù)端、云排產(chǎn)系統(tǒng)管理平臺(tái)、云排產(chǎn)系統(tǒng)功能平臺(tái)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)。

圖1 云排產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

云排產(chǎn)系統(tǒng)的客戶(hù)端組成由PC客戶(hù)端、移動(dòng)終端以及其他可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入的終端組成。云排產(chǎn)系統(tǒng)管理平臺(tái)是針對(duì)系統(tǒng)中通過(guò)虛擬化技術(shù)集中的各制造企業(yè)的制造資源，以及系統(tǒng)的安全體系的管理。云排產(chǎn)系統(tǒng)功能平臺(tái)集中了系統(tǒng)面向用戶(hù)提供的排產(chǎn)相關(guān)服務(wù)，主要功能包括訂單導(dǎo)入排產(chǎn)、任務(wù)計(jì)劃設(shè)定、排產(chǎn)模型設(shè)定、工藝流程設(shè)定、生產(chǎn)資源設(shè)定、優(yōu)化排產(chǎn)方案、排產(chǎn)結(jié)果展示、生產(chǎn)計(jì)劃生成以及排產(chǎn)模型維護(hù)等功能。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的維護(hù)。

2 云排產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

與常規(guī)排產(chǎn)系統(tǒng)相比,云排產(chǎn)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括工藝管理、系統(tǒng)安全、大數(shù)據(jù)并發(fā)處理以及優(yōu)化排產(chǎn)四個(gè)方面，下面分別對(duì)這四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 工藝管理

工藝管理是云排產(chǎn)系統(tǒng)必不可少的組成部分。云排產(chǎn)系統(tǒng)需要定義良好的工藝描述方式。一種有效的方式為通過(guò)OWL(Ontology Web Language)[3]文件對(duì)工藝信息進(jìn)行描述。OWL和其他數(shù)據(jù)描述方式相比不僅關(guān)注信息內(nèi)容的描述，更關(guān)注信息內(nèi)容之間的聯(lián)系性?？梢允褂肞rotégé軟件進(jìn)行OWL工藝文件的創(chuàng)建。下面描述一個(gè)通過(guò)Protégé軟件創(chuàng)建工藝文件并從服務(wù)器端解析獲取工藝的過(guò)程。

在Protégé中創(chuàng)建頂層本體類(lèi)(Ontology Class)“工藝路線(xiàn)”，在“工藝路線(xiàn)”本體類(lèi)下面創(chuàng)建子類(lèi)，這些子類(lèi)是產(chǎn)品的工藝路線(xiàn)必須組成的部分，比如“工序名”、“工序號(hào)”、“工序單位”、“工序順序號(hào)”、“工序類(lèi)型”、“工期”、“能力類(lèi)型”等。創(chuàng)建本體類(lèi)及子類(lèi)后，開(kāi)始創(chuàng)建對(duì)象屬性(Object Property)。

定義對(duì)象屬性時(shí)需要聲明屬性的定義域(Domain)和值域(Range)，表1所示為具體的聲明及定義信息。

表1 對(duì)象屬性詳細(xì)定義

在本體類(lèi)和對(duì)象屬性均創(chuàng)建好之后，開(kāi)始創(chuàng)建各本體類(lèi)的實(shí)例(Individual)。一個(gè)本體類(lèi)可以創(chuàng)建任意多個(gè)實(shí)例。在頂級(jí)本體類(lèi)“工藝路線(xiàn)”下創(chuàng)建永久實(shí)例“工藝流程”，然后將產(chǎn)品的具體制造工藝依次創(chuàng)建為各本體類(lèi)的實(shí)例，實(shí)例的值即是工藝的具體信息。在OWL中，實(shí)例之間的關(guān)系是通過(guò)三元組(Subject-Property-Object)進(jìn)行描述。假定“工藝路線(xiàn)”本體類(lèi)下有實(shí)例“S產(chǎn)品生產(chǎn)”，“工序內(nèi)容”下有實(shí)例“S零件銑加工”，“工序類(lèi)型”下有實(shí)例“銑加工”，則這幾個(gè)實(shí)例之間的關(guān)系如表2中所示。

表2 實(shí)例關(guān)系描述

在本體類(lèi)、對(duì)象屬性以及實(shí)例均創(chuàng)建好之后，生成OWL文件，通過(guò)云排產(chǎn)系統(tǒng)工藝文件輸入接口上傳到云端制造資源池中。如果云排產(chǎn)系統(tǒng)服務(wù)器端需要使用“S部件生產(chǎn)”工藝，可以在系統(tǒng)中創(chuàng)建SPARQL語(yǔ)句，并通過(guò)Jena的API將OWL文件轉(zhuǎn)換成本體樹(shù)模型進(jìn)行查詢(xún)，一個(gè)具體的流程如圖2中所示。

圖2 工藝查詢(xún)流程

查詢(xún)結(jié)束之后，“S部件生產(chǎn)”的詳細(xì)工藝信息記錄在ResultSet中。這種查詢(xún)方式是通過(guò)將上傳的OWL工藝文件轉(zhuǎn)換成工藝本體樹(shù)，利用Jena提供的API在本體數(shù)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行查詢(xún)，其查詢(xún)效率和速度要優(yōu)于直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取。

2.2 安全體系

如何保證云排產(chǎn)系統(tǒng)的安全性是構(gòu)建云排產(chǎn)系統(tǒng)的重要因素。云排產(chǎn)系統(tǒng)集中了企業(yè)和制造單位大量的工藝信息和制造資源信息，這些信息是大部分企業(yè)的核心機(jī)密，所以保證這些數(shù)據(jù)的安全是極為重要的。圖3所示為云排產(chǎn)系統(tǒng)的安全架構(gòu)。云排產(chǎn)系統(tǒng)的安全架構(gòu)主要由安全連接層、安全管理層和安全存儲(chǔ)層組成。

安全連接層是確保云端訪(fǎng)問(wèn)層用戶(hù)和系統(tǒng)交互過(guò)程中的安全性。用戶(hù)在進(jìn)入系統(tǒng)之前首先要進(jìn)行用戶(hù)認(rèn)證。用戶(hù)認(rèn)證是云排產(chǎn)系統(tǒng)安全性的初級(jí)保障，云排產(chǎn)系統(tǒng)采用密碼認(rèn)證技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)云端訪(fǎng)問(wèn)層用戶(hù)身份的確認(rèn)。由于使用明文傳輸用戶(hù)名和密碼的安全隱患較大，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中我們將密碼認(rèn)證技術(shù)和加密技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)安全的密碼認(rèn)證。用戶(hù)身份確認(rèn)合法后，系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)施權(quán)限控制。權(quán)限控制即是系統(tǒng)根據(jù)不同云端訪(fǎng)問(wèn)層用戶(hù)的身份授予相應(yīng)的操作權(quán)限，在設(shè)定的訪(fǎng)問(wèn)控制策略下實(shí)現(xiàn)用戶(hù)授權(quán)。授權(quán)結(jié)束后，用戶(hù)和系統(tǒng)之間開(kāi)始建立安全連接。云排產(chǎn)系統(tǒng)使用SSL安全傳輸協(xié)議建立安全交互通道。建立好安全連接后，用戶(hù)可以正常訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)，但每一次操作都要經(jīng)過(guò)行為鑒定。行為鑒定是對(duì)用戶(hù)的操作合法性進(jìn)行檢測(cè)，判定用戶(hù)的行為是否在系統(tǒng)授予的權(quán)限范圍內(nèi)，以防止有黑客或不法牟利者侵入系統(tǒng)進(jìn)行非法操作。系統(tǒng)一旦檢測(cè)到用戶(hù)有越權(quán)或非常規(guī)行為，立即記錄用戶(hù)IP、身份等信息，列入警示黑名單中，并斷開(kāi)與用戶(hù)之間的網(wǎng)絡(luò)連接。

圖3 云排產(chǎn)系統(tǒng)安全架構(gòu)圖

安全管理層是對(duì)安全連接層實(shí)現(xiàn)技術(shù)的管理和維護(hù)。用戶(hù)管理是對(duì)云端訪(fǎng)問(wèn)層用戶(hù)的信息以及用戶(hù)認(rèn)證方式的管理?？刂撇呗怨芾硎窃O(shè)定系統(tǒng)的訪(fǎng)問(wèn)控制模型，以及劃分系統(tǒng)用戶(hù)的權(quán)限等。行為規(guī)則管理的主要對(duì)象是用戶(hù)行為規(guī)則庫(kù)。系統(tǒng)通過(guò)建立用戶(hù)行為規(guī)則庫(kù)存儲(chǔ)每個(gè)用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)規(guī)則，以方便系統(tǒng)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)規(guī)則檢測(cè)用戶(hù)有無(wú)非法操作。數(shù)據(jù)加密管理是針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密協(xié)議的管理。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程、數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)過(guò)程中均涉及到不同的加密協(xié)議，如何有效識(shí)別并管理不同的加密協(xié)議是云排產(chǎn)系統(tǒng)功能性和安全性的重要保障。數(shù)據(jù)隔離[4]管理是保證系統(tǒng)不同用戶(hù)之間數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)的私密性。

安全存儲(chǔ)層是整個(gè)云排產(chǎn)系統(tǒng)安全體系十分重要的部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層直接存儲(chǔ)著用戶(hù)的信息和數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)的控制策略模型和用戶(hù)行為規(guī)則等和安全管理息息相關(guān)的數(shù)據(jù)。這里我們采取的策略是存儲(chǔ)加密和數(shù)據(jù)備份。存儲(chǔ)加密是指將用戶(hù)的信息和數(shù)據(jù)加密后存儲(chǔ)，以保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私性。數(shù)據(jù)備份則是定期保存用戶(hù)的數(shù)據(jù)，防止因?yàn)槲锢砉收蟻G失用戶(hù)數(shù)據(jù)時(shí)能及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

云排產(chǎn)系統(tǒng)的安全體系實(shí)現(xiàn)了從前端到后臺(tái)完整的安全保護(hù)措施，充分考慮了數(shù)據(jù)的傳輸安全、存儲(chǔ)安全并保障了數(shù)據(jù)的完整性和私密性，能有效地避免非法用戶(hù)進(jìn)入系統(tǒng)并對(duì)惡意攻擊等破壞行為有很好的檢測(cè)和防護(hù)措施。

2.3 大數(shù)據(jù)并發(fā)處理

作為一個(gè)云端服務(wù)系統(tǒng)，必須要考慮當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。云排產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，云排產(chǎn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)高峰也將會(huì)是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的業(yè)務(wù)高峰。隨著同一時(shí)間段云端訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)的增加，數(shù)據(jù)庫(kù)的IO吞吐量以及創(chuàng)建連接、執(zhí)行查詢(xún)等操作花費(fèi)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)將成為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的瓶頸。云排產(chǎn)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)緩存[5]技術(shù)來(lái)減少對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)。在系統(tǒng)的前端使用頁(yè)面緩存技術(shù)，以減少前端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)。在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)系統(tǒng)將一些數(shù)據(jù)庫(kù)中經(jīng)常被訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)緩沖池進(jìn)行保存。另外，在服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)之間建立一個(gè)連接緩沖池，每當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)連接請(qǐng)求時(shí)，優(yōu)先從連接池中獲取空閑連接，以減少創(chuàng)建連接的次數(shù)。同時(shí)建立分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的配置屬性，提高查詢(xún)效率和多事務(wù)處理能力。圖4所示為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)圖。通過(guò)這些措施，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)瓶頸問(wèn)題能得到有效解決，數(shù)據(jù)處理能力也有了很大的提高。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)圖

云排產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)高并發(fā)處理平臺(tái)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)處理服務(wù)器集群來(lái)滿(mǎn)足高并發(fā)多任務(wù)的大數(shù)據(jù)處理需求。這里的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)為如何建立有效的集群調(diào)度策略。云排產(chǎn)系統(tǒng)為云端所有待排產(chǎn)任務(wù)建立一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，然后通過(guò)任務(wù)的級(jí)別、等待時(shí)間和重要性來(lái)計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)通過(guò)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的CPU信息、內(nèi)存信息和任務(wù)處理率來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的負(fù)荷率。云排產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)器的負(fù)荷率選擇合適的節(jié)點(diǎn)處理用戶(hù)的排產(chǎn)請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)線(xiàn)程進(jìn)行排產(chǎn)任務(wù)處理，基本的處理流程如圖5所示。通過(guò)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)和服務(wù)器集群技術(shù)，云排產(chǎn)系統(tǒng)有效地提升了并發(fā)大數(shù)據(jù)的處理能力。

圖5 云排產(chǎn)系統(tǒng)集群數(shù)據(jù)處理流程圖

2.4 優(yōu)化排產(chǎn)

任務(wù)排產(chǎn)是云排產(chǎn)系統(tǒng)提供的核心服務(wù)。和普通排產(chǎn)系統(tǒng)相比，云排產(chǎn)系統(tǒng)擁有更豐富的制造資源和先進(jìn)的排產(chǎn)技術(shù)。在用戶(hù)出現(xiàn)排產(chǎn)結(jié)果不滿(mǎn)意，比如生產(chǎn)資源出現(xiàn)超負(fù)荷工作狀態(tài)，資源利用不均衡等，如何采取有效的策略使排產(chǎn)結(jié)果得到優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)云排產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。一個(gè)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的參考模型如圖6所示。假定排產(chǎn)過(guò)程結(jié)束后，某些生產(chǎn)資源出現(xiàn)了負(fù)荷飽滿(mǎn)狀態(tài)，用戶(hù)可以通過(guò)從系統(tǒng)的排產(chǎn)模型庫(kù)中選擇其他的排產(chǎn)模型進(jìn)行一次重排產(chǎn)，以解決超負(fù)荷問(wèn)題。另一種方式為系統(tǒng)在云端制造資源池中為用戶(hù)尋找可替代的制造資源，生成推薦方案。用戶(hù)如果使用系統(tǒng)提供的推薦方案，那么系統(tǒng)將會(huì)向可替代制造資源所屬的用戶(hù)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求。如果請(qǐng)求成功，那么超負(fù)荷問(wèn)題即可得到解決。如果請(qǐng)求失敗，系統(tǒng)會(huì)為用戶(hù)尋找其他可替代制造資源。通過(guò)這樣的舉措，既有效地優(yōu)化了排產(chǎn)結(jié)果，又能使云端制造資源得到均衡利用，充分展示了云排產(chǎn)模式的可靠性和社會(huì)價(jià)值。

圖6 云排產(chǎn)系統(tǒng)排產(chǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了四項(xiàng)構(gòu)建云排產(chǎn)系統(tǒng)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施和改進(jìn)將能極大地提升云排產(chǎn)系統(tǒng)的功能性、可靠性。目前，課題組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于語(yǔ)義的動(dòng)態(tài)工藝定義和識(shí)別技術(shù)，并基于現(xiàn)有的各項(xiàng)云制造工藝流程，對(duì)常見(jiàn)的云制造排產(chǎn)服務(wù)進(jìn)行了智能化建模，實(shí)現(xiàn)了基于多模型的分布式資源調(diào)度與排產(chǎn)優(yōu)化服務(wù)，日后將進(jìn)一步完善系統(tǒng)的安全體系構(gòu)建，提高系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜海量排產(chǎn)任務(wù)的大數(shù)據(jù)并發(fā)處理和分析能力，優(yōu)化云排產(chǎn)系統(tǒng)的性能。隨著制造業(yè)信息化的不斷推進(jìn)和云制造技術(shù)的不斷發(fā)展，云排產(chǎn)系統(tǒng)將會(huì)是排產(chǎn)系統(tǒng)未來(lái)的重大發(fā)展趨勢(shì)之一。

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