云制造資源虛擬化描述模型及集成化智能服務模式研究

湯華茂　郭　鋼

1.重慶工業職業技術學院，重慶，401120　　2.重慶大學，重慶，400030

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云制造資源虛擬化描述模型及集成化智能服務模式研究

湯華茂1郭鋼2

1.重慶工業職業技術學院，重慶，4011202.重慶大學，重慶，400030

針對云制造資源服務模型及其特點，形式化定義了云制造資源及其粒度模型。通過構建制造資源的分布式語義描述模型，屏蔽了各類制造資源粒子在底層數據結構方面的差異，在信息表示的更高層次上實現了制造資源粒子的虛擬化描述。通過構建云制造資源本體對散布在各類網絡環境中的制造資源在邏輯上進行統一管理、語義查詢和智能推理。同時構建了云制造資源的集成化智能服務模型，使制造企業聯盟在資源查詢、資源匹配、資源利用以及資源協同等方面更加高效和便捷。

云制造；資源虛擬化；資源本體；智能化服務

0　引言

云制造是面向服務的網絡化制造新模式，按用戶需求組織網上制造資源(制造云)，為用戶提供各類按需制造服務[1]。云制造融合了云計算、大數據、物聯網等信息技術，將各類企業分散的制造資源聚集起來，進行標準化、虛擬化和服務化。云制造的關鍵是構建制造云，即通過構建云制造資源池，對制造資源進行統一封裝、發布、集中管理和智能化服務。制造云的構建過程就是采用虛擬化等技術將分散的云端制造資源進行封裝，并根據制造需求或特征關聯關系建立制造服務需求與制造信息特征之間的自組織映射關系[2]。

國內外專家學者對制造資源進行了深入的研究，主要有：基于STEP的制造資源模型[3-4]，采用面向對象技術的制造資源建模[5-6]，基于XML技術的制造資源建模[7-8]，基于本體的制造資源建模[9-10]等。

現有研究主要集中在制造資源的底層數據結構和關聯關系，實現制造資源的信息化、結構化和集成化。面對已經存在的和未來將要產生的大量非結構化或半結構化信息，現有模型很難進行虛擬化描述和智能化管理。本文在制造資源信息結構化或半結構化的基礎上，給描述制造資源的詞匯添加人和機器都可以理解的語義信息，為制造資源查詢、資源匹配、資源發現和資源協同等提供更智能化的服務。因此，本文主要基于語義網絡在信息描述的更高層次研究制造資源的虛擬化描述模型及集成化智能服務模式。

1　云制造資源及形式化定義

1.1云制造資源服務模型及資源特點

制造資源是企業完成產品整個生命周期所有生產活動的物理元素的總稱，它包括產品在設計、制造、安裝、維護等相關活動過程中涉及的所有軟硬件元素[11-12]。云制造資源是廣義的制造資源，通過虛擬化技術將物理制造資源轉化為邏輯制造資源，以服務的方式存儲于云端，通過云制造平臺，實現線上交易、線下服務、隨時獲取和按需使用。云制造環境下資源服務模型如圖1所示。

圖1　云制造環境下制造資源服務模型

在云制造環境下制造資源呈現以下新特點：

(1)分布性。在云制造環境中，制造資源不再以物的方式固屬于單個企業，而是以信息的形式廣泛分布在企業的戰略聯盟及產業鏈的網絡環境中。制造資源種類繁多，管理自治，地理分散，制造資源信息大多以結構化或半結構化數據散布于Intranet、Extranet、Internet等各類網絡上。這給制造資源的信息查詢、資料收集、信息交互、數據共享都帶來困難。

(2)異構性。散布于各類網絡上的制造資源信息具有異構性，往往以圖片、文檔、網頁或表格等形式廣泛存在。同類資源在每個企業中的描述方法、表現形式、存儲格式及管理策略都不盡相同。分布式存儲的制造資源信息描述不準確、不完整、不統一，信息存在冗余、矛盾，這給制造資源的優化組合、高效利用帶來困難。

(3)共享性。在激烈的市場競爭中，企業共享各自的優勢制造資源，協同完成產品的生產制造，以降低制造成本、提高產品質量、縮短產品開發周期、提高產品競爭力。這就要求制造企業不但能夠共享制造資源，還需要對制造資源進行集中管理、調度和控制，使其能夠快速、有效地配置給需求企業。

(4)服務性。在云制造環境中，制造資源以服務的方式在網絡上存在，制造任務以需求的方式通過網絡發布。通過需求與服務的匹配，實現制造資源的優化和重組。制造企業通過云制造平臺實現OTO服務模式，即線上交易、線下服務。

(5)結構性。云制造資源不僅具有靜態屬性(資源名稱、資源類型、資源特征等)和動態屬性(資源能力、資源狀態等)，還具有結構特征，如：資源的整體與部分之間關系，資源之間的約束關系、資源的層次關系、資源網絡分布關系等。

1.2云制造資源形式化定義

定義1云制造資源云制造資源是一個三元組(X,f,T)，其中：

X是問題的論域，表示某制造領域內產品全生命過程中所涉及的資源總和，如：設備資源、人力資源、客戶資源、軟件資源、材料資源、零部件資源以及場所資源等虛擬制造資源。

f是屬性函數，既可是單值函數，也可以是多值函數，表示資源的靜態和動態屬性，可用函數f：X→Y表示，其中Y可以是n維空間Rn中的集合。

T是論域的結構，即制造資源之間的相互關系，如：結構關系、約束關系、供應關系、需求關系等。結構的描述可以用歐氏空間中的歐氏距離、拓撲空間中的拓撲、網絡中的圖以及邏輯推理等。

定義2云制造資源分類給定云制造資源(X,f,T)，指定X的一個等價關系R，由R產生的商集[X]為對應等價關系R的商集，[X]=X/R；[f]為商集[X]的屬性函數，[f]:[X]→Y；設T是拓撲，則定義商拓撲[T]:|{u|p-1(u)∈T,u∈[X]},p:X→[X]是自然投影。

稱([X],[f],[T])為云制造資源(X,f,T)的商空間，等價關系R為云資源的一個分類。

資源粒度模型就是將制造資源對象劃分為一系列粒子，其中每一個粒子是基于不可分辨關系、結構相似性、功能相近性等得到的一個對象的集合。資源粒度模型是云制造資源虛擬化描述的基礎和前提。

d(G)=∮Gx=Card(G)=|G|

即資源粒子所含個體的總數。

定義5粒子的粗細設R為給定制造資源X上全體等價關系，R1,R2∈R，若?x,y∈X，xR1y?xR2y，則稱R1比R2細，簡記R2

若資源粒子劃分過大，資源調度和管理過粗，則資源優化重組和高效配置困難；而資源粒子劃分過小，資源調度和管理過細，又需要更多的成本。

2　云制造資源的虛擬化描述模型

2.1基于語義網絡的虛擬化描述框架

要實現云制造資源的基于語義的智能查詢，制造資源的虛擬化描述不僅要描述制造資源的靜態屬性、動態屬性和結構屬性，信息描述還應具有簡單的語義，便于實現基于語義的推理。

定義6制造資源粒子描述框架制造資源粒子描述框架是一個基于語義網絡的陳述(圖2)，陳述一個資源粒子具有什么樣的屬性及屬性具有什么樣的值 ，用三元組(M,A,V)表示，其中：M是X的子集，是散布于Internet等網絡環境中的制造資源粒子，它是Web上被命名并且具有URI引用的對象；A是M的屬性集，它包括資源粒子名稱、資源類型、資源能力、資源狀態等特征屬性，以及資源的結構關系、供應關系、約束關系等結構屬性；V是A的值集，既包括數據類型值(描述特征屬性)，也包括對象類型值(描述結構屬性)。

制造資源粒子描述框架不是讓機器理解每個描述資源粒子的詞匯的精確語義，而是讓機器能夠理解并處理詞匯之間的相互關系，從而為我們提供智能化的服務。圖3所示為某摩托車前大燈協同制造資源的語義網絡描述模型。通過語義網絡搜索可以實現基于語義的智能查詢和簡單推理，如供應商智能選擇、產品自動配置等。

圖3　云制造資源語義網絡描述模型

2.2基于描述邏輯的語義元數據

要實現制造資源智能管理和自動匹配，描述制造資源粒子及其關系的概念或術語需要采用人和機器都能理解的語義信息。描述邏輯是一階謂詞邏輯的可判定子集，具有基于邏輯的語義和很強的表達能力，它以結構化和易于理解的形式來表示知識[13]。語義是對概念描述內容的語義解釋，解釋一個二元組I=(ΔI,·I)，它將每個A∈NC映射為ΔI的子集，將每個關系R∈NR映射為ΔI×ΔI的子集[14]。

TI=ΔI, ⊥I=?

(C∩D)I=CI∩DI

(C∪D)I=CI∪DI

(?R.C)I={x|?y.(x,y)∈RI→y∈CI}

(?R.C)I={x|?y.(x,y)∈RI∧y∈CI}

令Source為表示制造資源的原子概念，Object為具有結構和形狀的實體對象，對制造資源領域類的元數據進行定義如下。

定義7產品產品是制造資源的子概念，具有功能、結構以及特征屬性，其形式化語義描述如下：

Product?Source

Product≡Object∩?hasFunc.Function

∩?hasPart.Parts

∩?hasProperty.Property

…

定義8零部件零部件是組成產品的制造資源，也具有功能、性能以及特征屬性，其形式化語義描述如下：

Parts?Source

Parts≡Object∩?hasFunc.Function

∩?partOf.Product

∩?hasProperty.Property

…

定義9屬性關系屬性關系是資源的特征屬性，是描述資源的特征信息，如產品的型號、顏色、尺寸等，其形式化語義描述如下：

hasProperty≡propertyOf-

T??hasProperty.D

?hasProperty.T?Object

定義10組成關系組成關系描述資源的整體與部分之間的關系，其形式化語義描述如下：

partOf?hasPart-, Tr(partOf)

T??partOf.Product

?partOf.T?Parts

定義11實例關系實例關系是類和對象之間的關系，實例關系用instanceOf表示,其定義如下：

a：C或C(a)，表示a是C的實例。

因此，某發動機參數的形式化描述如下：

發動機型式?hasProperty

T≤1發動機型式

T??發動機型式.D

?發動機型式.T?Parts

氣缸數目?hasProperty

T≤1氣缸數目

T??氣缸數目.(XSD:int)

?氣缸數目.T?Parts

…

3　云制造資源智能化服務模型

3.1基于本體的制造資源集成模型

云制造資源是將物理上分布的制造資源在邏輯上集中起來，為制造任務提供智能化服務。云制造資源本體是描述云制造領域內共享資源的類型、屬性、狀態、能力以及資源之間關系的概念或術語的集合，構建制造資源共享本體庫能夠實現制造資源的虛擬化集成描述。

定義12云制造資源本體云制造資源本體是一個六元組O=(C,R,H,F,X,I)，其中：C是制造資源領域內的產品、零部件、設備以及人力資源等概念或術語的集合；R是制造資源領域中產品與零部件、零部件與設備等之間的關系集合，R?C×C；H是制造資源之間的層次關系，描述蘊含的關系和等價關系；F是函數的集合；X是公理集；I是實例集。

基于本體的云制造資源虛擬化集成模型分為四層，如圖4所示。

圖4　基于本體的云制造資源虛擬化模型

(1)云制造資源數據層。云制造資源以文檔、圖片、語音、視頻等結構化或非結構化數據的形式廣泛散布于Internet、Intranet等各類網絡環境中，數據之間缺乏聯系，數據冗余且不完整，信息難以查詢和有效利用。

(2)云制造資源描述層。采用RDF描述邏輯等為語義基礎的本體描述語言對制造資源進行描述，在不需大量修改原有數據結構和表示形式的基礎上，使制造資源信息具有簡單的語義并能進行推理。

(3)云制造資源本體層。采用本體技術對云制造領域內的共享資源進行組織和分類，使空間上分離的制造資源實現跨平臺、跨語言、跨數據結構的信息集成。

(4)云制造資源服務層。通過本體的智能查詢和自動推理等語義操作，為網絡化協同制造各企業提供資源查詢、資源組合以及資源匹配等服務。

3.2基于本體的云制造資源平臺服務模型

制造資源是為制造任務服務的。針對云制造環境中制造任務與制造資源數量巨大，任務與資源之間的匹配難度大，制造任務分解與資源配置脫節，云制造資源的智能推理與匹配難以實現等問題，構建了基于本體的云制造資源平臺服務模型(圖5)。

圖5　基于本體的云制造資源平臺服務模型

核心企業通過云制造資源服務平臺創建項目計劃，分解和發布產品開發任務，通過任務本體與資源本體之間的本體映射、本體查詢和智能推理實現智能匹配，從而快速有效地找到所需的資源、合作伙伴或供應商。

(1)客戶需求轉換。通過客戶需求本體將客戶對產品的功能需求或性能需求轉換為產品的功能參數、性能參數等特征參數。

(2)網絡化產品配置。將產品需求的功能參數及性能參數映射為產品的功能模塊，即通過產品資源本體的智能查詢及語義推理，查找與需求參數相匹配的產品功能模塊實例，進行產品配置設計。

(3)網絡化任務規劃。根據產品配置BOM制定產品開發計劃，通過產品項目本體的智能查詢分解開發任務、定義開發任務的內容和目標。

(4)云制造資源配置。通過云制造平臺為每一個開發任務配置制造資源，即通過項目任務本體的智能查詢和匹配，選擇合適的供應商及合作伙伴，選擇合適的產品開發團隊和資源。

(5)網絡化協同設計。核心企業通過協同設計平臺與合作伙伴或供應商建立緊密的協作關系，對設計過程、設計周期及設計文檔進行管理和監控，提高設計效率及設計質量。

(6)網絡化協同制造。核心企業通過協同制造平臺管理和監控協同制造任務，對工藝過程、工藝文檔、產品質量進行管理，提高協同制造效率、降低制造成本、提高產品質量。

4　案例驗證

4.1服務模式驗證

依據以上服務模型，我們搭建了區域內網絡化協同設計云服務平臺(以下簡稱網絡化協同平臺)，選擇了區域內某主機廠和部分供應商通過網絡化協同平臺參與協同設計，對網絡化協同平臺的服務模式和關鍵技術進行了驗證。網絡化協同平臺采用Java的EJB技術，以Weblogic為中間件，使用Oracle數據庫，以三層體系技術架構實現；采用Protégé本體構建工具，以OWL作為本體描述語言，通過OntoMat對設計信息或資源進行語義標注，通過Pellet推理機實現智能推理，其工作原理如圖6所示。

網絡化協同平臺的主要工作流程如下：

(1)主機廠在網絡化協同平臺上創建產品開發項目，制定產品開發計劃。

(2)主機廠通過查詢產品族資源本體以及零部件資源本體完成產品配置設計。

(3)主機廠通過項目資源本體分解協同設計項目任務，發布零部件設計任務。

(4)供應商通過網絡化協同平臺確認、接受和協商協同設計任務，提交設計結果。

(5)協同設計各方在網絡化協同平臺上實時交流和溝通，完成零部件的詳細設計。

圖6　網絡化協同平臺的實現原理

4.2關鍵技術實現

4.2.1基于Protégé的制造資源本體建模

通過Protégé構建產品族本體、零部件本體、設計任務本體等制造資源本體，對網絡化協同平臺的制造資源進行語義描述和標注，使制造資源之間、產品與任務之間、任務與資源之間的協同關系明確化，提高資源的智能化查詢效率。

4.2.2基于OWL的資源虛擬化描述實例

制造資源的智能查詢和智能匹配是通過本體推理實現的，本體語言的推理和查詢往往都轉化為等價的描述邏輯推理[15]。本文采用OWL(web ontology language)作為云制造資源的信息描述語言。通過基于OWL的本體推理實現制造資源的智能查詢、知識發現和資源重用。圖7所示為某摩托車發動機參數的OWL描述實例。

…

圖7基于OWL制造資源信息描述

4.2.3基于語義的智能搜索及推理

基于語義的智能搜索及推理問題主要包括以下幾方面：概念滿足、概念包含、概念相等、概念相離、實例檢查、實例檢索以及一致性問題[14]。在描述邏輯推理機Pellet的支持下，本文采用SPARQL查詢語言來實現云制造資源的智能查詢和語義推理。圖8所示為某摩托車發動機參數的智能匹配查詢實例。

PREFIXrdfs:PREFIXrdf:PREFIXus:PREFIXowl:SELECT?XWHERE{?Xrdf:typeus:發動機 ?Xus:partOf?F ?Frdf:type?C ?Crdfs:subClassOfus:摩托車 ?Xus:冷卻方式?D FILTERregex(?D,"風冷") ?Xus:氣缸數目?M FILTERregex(?M,"1")}

圖8基于SPARQL的語義查詢

5　結語

云制造資源的虛擬化語義描述模型屏蔽了制造資源信息在底層數據結構方面的差異，使異構的制造資源信息實現了基于語義的分布式描述，使空間分離的制造資源在邏輯上集中起來。基于本體的制造資源集成化智能服務模型，使企業聯盟在資源查詢、資源匹配、資源利用以及資源協同等方面更加高效，也便于中國制造業通過“互聯網+”戰略實現智能生產、打造智能企業、構建智能生態。

[1]李伯虎, 張霖, 王時龍, 等. 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.

LiBohu,ZhangLin,WangShilong,etal.CloudManufacturing:aNewService-orientedNetworkedManufacturingModel[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems, 2010, 16(1): 1-7.

[2]郟維強,馮毅雄,譚建榮,等.制造資源混合粒度優化組合方案求解技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報, 2012, 24(3): 281-289.

JiaWeiqiang,FengYixiong,TanJianrong,etal.SchemeSolvingTechnologyforClusteringOptimizationofManufacturingResourceswithHybridGranularities[J].JournalofComputer-aidedDesign&ComputerGraphics, 2012, 24(3): 281-289.

[3]LanCH，LanTS．ACombinatorialManufacturingResourcePlanningModelforLong-termCNCMachiningIndustry[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2005，26(9/10)：1157-1162．

[4]王正成,李澤彪,王世雄. 基于STEP與XML的網絡化制造信息集成[J]. 中國機械工程,2006,17(8):171-175.

WangZhengcheng,LiZebiao,WangShixiong.InformationIntegrationofNetworkManufacturingBasedonSTEPandXML[J].ChinaMechanicalEngineering, 2006, 17(8): 171-175.

[5]梁峰,江志斌,陶俐言. 基于元資源的制造資源建模方法研究[J]. 計算機集成制造系統,2008,14(12): 2306-2311.

LiangFeng,JiangZhibin,TaoLiyan.ModelBuildingApproachofManufacturingResourceBasedonMeta-resource[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems, 2008,14(12): 2306-2311.

[6]SteeleJ,SonYJ,WyskRA．ResourceModelingfortheIntegrationoftheManufacturingEnterprise[J].JournalofManufacturingSystems， 2001，19(6)：407-427．

[7]張大勇，徐曉飛．UML-XML集成的敏捷虛擬企業資源建模方法[J]．中國機械工程，2003，14(5)：395-398．

ZhangDayong,XuXiaofei.AUML-XMLIntegratedMethodforAVEResourceModeling[J].ChinaMechanicalEngineering, 2003, 14(5): 395-398．

[8]盛步云,李永鋒,丁毓峰,等. 制造網格中制造資源的建模[J]. 中國機械工程, 2006, 17(13): 1375-1380.

ShengBuyun,LiYongfeng,DingYufeng,etal.ModelingandManagementofManufacturingResourceInformationinManufacturingGrid[J].ChinaMechanicalEngineering, 2006, 17(13): 1375-1380.

[9]LinHK,HardingJA.AManufacturingSystemEngineeringOntologyModelontheSemanticWebforInter-enterpriseCollaboration[J].ComputersinIndustry, 2007, 58(5):428-437.

[10]王正成,黃洋. 面向服務鏈構建的云制造資源集成共享技術研究[J]. 中國機械工程,2012,23(11):1324-1331.

WangZhengcheng,HuangYang.ResearchonIntegrationSharingTechnologyofCloudManufacturingResourceOrientedtoServiceChainConstruction[J].ChinaMechanicalEngineering, 2012,23(11):1324-1331.

[11]SongLG.DesignandImplementationofaVirtualInformationSystemforAgileManufacturing[J].IIETransaction，1997，29(10)：839-857.

[12]馬雪芬,戴旭東,孫樹棟.面向網絡化制造的制造資源優化配置研究[J].計算機集成制造系統, 2004,10(5): 523-527.

MaXuefen,DaiXudong,SunShudong.OptimizationDeploymentofNetworkedManufacturingResources[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems, 2004, 10(5): 523-527.

[13]BaaderF,CalvaneseD,McGuinnessD,etal.TheDescriptionLogicHandbook:Theory,ImplementationandApplications[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress,2003.

[14]郭鋼, 湯華茂, 陳國榮, 等. 基于語義Web的網絡化制造模式研究[J]. 計算機集成制造系統, 2009,15(4):690-697.

GuoGang,TangHuamao,ChenGuorong,etal.ModelofNetworkedManufacturingBasedonSemanticWeb[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems, 2009,15(4):690-697.

[15]HorrocksI,Patel-SchneiderPF.ReducingOWLEntailmenttoDescriptionLogicSatisfiability[J].WebSemantics:Science,ServicesandAgentsontheWorldWideWeb, 2004, 1(4): 345-357.

(編輯王旻玥)

VirtualizationDescriptionsandIntegratedIntelligentServiceModelofCloudManufacturingResources

TangHuamao1GuoGang2

1.ChongqingIndustryPolytechnicCollege,Chongqing, 401120 2.ChongqingUniversity,Chongqing, 400030

Accordingtotheservicemodelofcloudmanufacturingresourcesandthefeatures,thecloudmanufacturingresourceanditsgranularitymodelwereformallydefined.Asemantic-baseddistributeddescriptionmodelofmanufacturingresourceswasconstructed.Thismodelshieldedthedifferencesofallkindsofmanufacturingresourcegranulesinthebasicdatastructures.Itrealizedthevirtualizationdescriptionofthemanufacturingresourcegranulesatahigherlevelintheinformationrepresentation.Avirtualmodelofcloudmanufacturingresourcewasconstructedbasedonontology.Sothemanufacturingresourcesinallkindsofnetworkmightbeconductedunifiedmanagement,semanticqueryandreasoninginlogic.Anintelligentservicemodelofcloudmanufacturingresourceswasalsobuilt.Thismodelmakesthemanufacturingenterprisealliancemoreefficientandconvenientinresourcesearching,resourcematching,resourceutilizationandresourcesynergy.

cloudmanufacturing;resourcevirtualization;resourceontology;intelligentservice

2015-08-28

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF12B09)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ22104)

TP393；TH166

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.008

湯華茂，男，1973年生。重慶工業職業技術學院信息技術學院副教授、博士。主要研究方向為制造業信息技術、協同制造。郭鋼，男，1960年生。重慶大學汽車工程學院教授、博士研究生導師。