面向服务的云制造协同设计平台*

张倩 齐德昱

(华南理工大学计算机系统研究所，广东广州510006)

目前，制造服务正成为制造业新的经济增长点.云制造［1］——面向服务的网络化制造新模式，是2010年初科技部提出的设想，它融合了现有信息化制造技术及云计算、物联网、知识服务等技术，为制造业由生产型成功转型为服务型提供了一种新的思路.目前国际上对云制造鲜有研究，在国内，李伯虎等［2-4］对云制造提出的背景、云制造概念、云制造系统和体系架构、实施云制造需要攻克的关键技术等进行了讨论和研究，并初步研发了一个云制造的典型应用——基于云仿真原型平台COSIM-CSP的云仿真应用.李伟平等［5］对云制造的内涵进行分析，给出了云制造的体系架构，并对其中的制造资源描述、关键技术问题等进行讨论.Zhang等［6］以云制造为研究背景，对影响云制造资源服务组合(RSC)生命周期的主要因素进行分析，并在研究RSC柔性定义和分类的基础上，提出云制造RSC柔性管理架构，同时对涉及的关键问题及其相应解决方案进行初步探讨.Cheng等［7］对影响云制造走向实际应用的一个关键问题——资源服务交易进行研究，提出独立决策和集中决策下的云制造资源服务交易综合效益模型，并证明了独立决策下，在资源服务交易链的最优决策中，资源服务供应商和代理之间、代理和资源服务请求者之间存在效益均衡.从这些研究工作可以看出，云制造各方面的研究已陆续展开，但无论在实际应用还是理论研究上，云制造技术仍处于探索阶段，尚无成形标准.协同设计作为网络化制造的关键技术之一，一直得到广泛的研究和应用，而云制造技术的出现，给协同设计的研究带来了新的挑战和机遇.同时，随着面向服务架构(SOA)理论和技术实现手段的逐渐成熟，基于Web服务的面向服务架构越来越得到青睐.目前，协同设计平台的实现多采用SOA架构［8-10］.因此，文中从云制造模式下的协同设计平台研究入手，以SOA理念和Web服务技术为基础，搭建了一个面向服务的云制造协同设计平台框架，并采用五维视图对其进行描述与分析，同时研究了平台涉及的关键技术，并描述了云制造协同设计平台运行模式和虚拟协同设计环境下的协同设计过程，以期更好地理解和研究云制造技术.

1 云制造协同设计平台的特点

云制造［2］作为一种面向服务的、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式，可以通过网络为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的各类制造活动服务.它可以看作是网络化制造、虚拟制造、制造网格、应用服务提供商(ASP)、敏捷制造等先进制造模式在云计算环境下的变异和发展，它继承了各种先进制造模式的优势，同时又结合云计算的特点，弥补了现存的缺陷和不足.协同设计在云制造、网络化制造、网格制造3种典型先进制造模式下的特点对比如表1所示.由表1可见，云制造具有明显的优势.

表1 协同设计在3种先进制造模式下的特点比较Table 1 Characteristic comparison of collaborative design in three typical advanced manufacturing modes

2 体系架构

基于上述分析，云制造模式下的协同设计平台至少需满足两个基本要求:一是提供对访问和集成云制造平台中异构资源的支持，这些资源包括完成协同设计的所有资源;二是提供在虚拟合作伙伴间开展协同工作的支持.因此，协同设计是构建于云制造基础设施之上的.整个协同设计架构在逻辑上表述为一个四层结构，基于SOA的云制造协同设计平台(CMCDP)的总体框架如图1所示.

图1 CMCDP总体架构Fig.1 Overall framework of CMCDP

第1层为资源层，提供协同设计过程中所涉及到的各类资源，并通过采用相关虚拟化技术，将分散的各类异构资源虚拟接入到云制造平台，进行统一管理和调度.第2层为协同支撑层，将各种功能封装为可组合、可重用的服务，以标准的规范发布，并为第3层提供各种规范、约束和支撑.第3层为协同设计服务层，提供各种服务来满足协同设计的需求，并通过标准化的服务接口向用户提供.第4层为门户层(Portal层)，将各种服务和业务过程展示给最终用户，使用户能够通过一个熟悉、便捷的用户界面以一致的操作方式来使用云制造协同设计平台和获取云服务.

由于云制造协同设计系统的复杂性，只从某一角度来描述该支持平台的体系结构难以反映该平台各个方面的特性以及各方面之间的内在有机联系.众多研究成果表明，只有用多视图才能对系统做出整体的描述［11］.文中采用五维视图对云制造协同设计平台进行描述与分析.五维视图分别是:功能视图、组织视图、信息视图、资源视图和过程视图.

1)功能视图

结合平台总体结构，云制造协同设计平台的功能主要包括:(1)资源服务管理，负责对各种异构资源进行管理，如资源的发布、封装、检索、组合优化、监控以及服务质量(QoS)管理等;(2)协同工作管理，负责协同设计任务的分解、流程建模、调度以及对参与设计的人员进行管理;(3)协同设计过程管理，对协同设计过程进行监控，及时检测出协同设计过程中的各类冲突，并提交到冲突消解模块进行消解;(4)冲突消解管理，对各类冲突利用相应的消解算法进行冲突消解，保证协同设计的顺利进行;(5)协同工具管理，提供设计人员进行协商和交流的通信手段，确保设计人员之间及时有效的信息交流;(6)知识管理，对协同设计过程中涉及的各类知识进行管理，如实例类知识、规范类知识、设计原理类知识、经验类知识等.这些功能模块结合在一起、相互作用，一个模块的运转能带动其关联模块的运转，并提供相应的服务和支持，增强了协同效果.

2)组织视图

通过云制造协同设计平台将所需的分布在各地的各类组织资源(包括各类管理机构、制造企业、高校、研究院所、经销代理商、原材料供应商、全球客户等)联系在一起，形成完整的组织体系.平台组织结构视图如图2所示.

图2 CMCDP的组织视图Fig.2 Organization view of CMCDP

3)信息视图

云制造协同设计平台的信息涉及内容多，范围广，结构复杂，包括企业信息、产品信息、技术信息、物资供求信息、人才信息、协同设计信息、评价信息、平台各类服务信息，以及其它信息等.文中对产品协同设计过程中产生的各类信息进行分析，给出平台信息视图(图3).

图3 CMCDP的信息视图Fig.3 Information view of CMCDP

4)资源视图

目前针对资源的分类有多种方式，文中将平台涉及的资源分为物能资源(包括各种设备资源、物料资源、软件资源、网络设备资源等)、信息资源(包括各种市场信息、客户资料、技术信息、企业信息、协同工作信息等)、人力资源(包括各类管理人员、技术人员、专家等)、知识资源(包括各种实例类知识、规范类知识、设计原理类知识、经验类知识等)、制造能力资源(包括各种设计能力、仿真实验能力、生产能力、管理能力、维护能力等)、其它资源(如资金资源等)等六大方面.

5)过程视图

过程视图将上述4个视图结合成一个有机的整体，描述了各种资源、组织的交互过程，以及各个功能模块信息的流动过程.云制造协同设计平台的总体运行流程如图4所示.

图4 CMCDP的总体运行流程Fig.4 Overall running process of CMCDP

3 关键技术

3.1 面向服务架构

SOA是一种IT架构设计模式，它将应用程序的不同功能单元拆分为多个服务，并通过定义良好的接口和契约将这些服务连接起来，实现了网络环境下多个系统或应用程序间的松散耦合和跨平台交互.通过这种架构设计模式，用户的业务可以被直接转换成可操作的、基于标准的、能被重新组合的、并能够通过网络访问的一组相互连接的服务模块.面向服务架构还可以为用户屏蔽掉运行平台及数据来源上的差异，从而使得IT系统能够以一种一致的方式提供服务.将SOA技术引入云制造协同设计平台中，系统能打破异构平台的限制，具备可移植性、开放性和可扩展性，实现松散耦合的协同设计.

3.2 资源管理

资源管理一直是制造业信息化建设中的关键点和难点［12］.从本质上讲，云制造是一个集成制造资源和能力的环境，其中包含了许多异构的资源.针对资源的有效管理可从3个方面展开:(1)研究制造资源的描述模型，能够给出制造资源统一、完整的定义，消除遗留资源和资源间的语义冲突;能够涵盖不同种类的制造资源，解决制造资源种类繁多、形态各异的问题;能够充分考虑资源发现、融合和匹配的需求.(2)研究制造资源的封装和虚拟服务化方法，对大量物理类制造资源，以恰当的形式进行封装，屏蔽资源的异构性和地理分布性，使其成为网络上可统一访问的资源.(3)研究支持海量资源高度共享、快速搜索和易于更新的资源发现模型.

3.3 资源服务智能匹配与组合

在云制造中，资源服务的调用具有周期长、复杂性高、可靠性高的特征，这使得已有的服务组合方法不适合解决云制造中的资源服务组合，因此有必要研究适合云制造模式的、高度自动化的资源服务组合和动态优化方法.可从以下几个方面开展研究:研究云制造模式下资源服务的特点，基于QoS建立有效的资源服务评价机制;研究支持服务组合的高效的资源服务优化选择算法;分析影响资源服务组合全生命周期中的各种相关因素，建立高可靠的、可重用的资源服务组合模型.由于云制造环境下制造资源服务是分布的、自治的和动态的，资源服务的状态和性能也是可变的，在执行组合服务时，有些服务可能会因为已撤销、被占用或网络通信故障等情况而变得不可用.因此，研究组合资源服务的动态绑定策略，即研究如何将具体的绑定在组合服务执行时动态完成;研究资源服务组合运行状态监测和执行控制方法，及相应的容错处理策略(服务重试、服务替换和服务重构)，以确保组合服务正确、高效运行.

3.4 虚拟化技术

虚拟化技术可以将物理资源等底层架构进行抽象，使得设备的差异性和兼容性对上层应用透明.因此，可采用虚拟化技术将云制造模式下的制造设备、仿真设备、计算系统、软件等资源进行抽象.由于同一类型资源的不同虚拟化方法可能存在很大的差异，并且，资源虚拟化程度也可能对资源管理产生影响.在资源的虚拟化过程中，可针对资源不同虚拟化方法的性能开销进行分析，并根据业务逻辑和服务接口的需要，采取合适的虚拟化方法，将资源抽象成适当的粒度和层次，并提供统一的管理逻辑和接口.

3.5 动态监测

云制造协同设计服务平台的动态监测主要包括3个方面:资源的动态监测、协同设计过程监测和平台故障监测.

(1)资源的动态监测

在统一的云制造平台上，注册、管理着大量异构资源，如何对它们进行有效的动态监测以及管理、控制，是实现高质量服务的保障.该部分涉及的关键问题包括:研究便于扩展的监测支持架构，以满足不同种类资源的监测需求;研究高效且灵活的资源监测策略，以尽量少的资源开销实现有效的资源监控与状态预测;研究资源状态的智能管理技术，有效地主动监测资源的状态，并及时发现、诊断资源的故障.

(2)协同设计过程监测

该部分主要研究云制造模式下协同设计过程中概念设计、方案设计、详细设计等各个阶段产生冲突的原因、特点及类型，开发适合新模式下的智能冲突监测模型，及时有效地监测设计过程中的各类冲突.

(3)平台故障监测

建立多级监控模型，研究不同级别的故障检测方法，实现自动监控和判断各种险情，并对可能发生的故障进行预警.针对各种不同级别的故障，研究相应的容错、迁移和恢复策略，及时排除故障，确保平台的不间断运行.

3.6 冲突消解

产品设计过程是一项复杂的系统工程［13］，协同设计过程中不可避免地会产生冲突，并且冲突的种类繁多，在产品的设计中，依靠单一的冲突消解方案不可能全面解决各种复杂的冲突.研究云制造模式下协同设计中冲突产生的原因、特点和类别，并在当前冲突消解研究现状的基础上，开发适合云制造协同设计平台的冲突消解模型，建立完善的冲突管理机制.

4 平台的应用

在云制造模式下，客户无需寻找协同设计环境服务的提供方，只需要向云制造协同设计服务平台提交需求，由服务平台去组织资源，提供满足要求的服务，并自动分配相应的资源来完成设计工作.云制造协同设计平台资源服务请求运行模式如图5所示.资源提供商通过网络，在平台资源发布模块注册发布资源、制造服务等，平台将资源封装成相应的服务并保存到资源服务中心;资源请求者通过平台门户网站描述协同设计任务，确定任务执行需要的资源环境;平台对资源请求者提交的任务进行分解、解析、资源服务匹配、资源服务组合优化，并将最优的资源服务提供给资源请求者.

虚拟机是在软、硬件之间引入虚拟层，它能屏蔽硬件平台的分布性和异构性，支持硬件资源的共享和复用.虚拟机可以作为一种标准的部署对象，能为应用提供独立的运行环境.因此，针对云制造用户提交的服务请求，云制造平台通过相应的发现策略可将找到的符合资源服务请求的资源集合，也就是将满足请求条件的一组资源服务映射(封装)到一个或多个虚拟机中，并提供给用户统一的访问接口，这样用户便可在平台提供的虚拟协同设计环境下进行产品的协同设计工作.虚拟协同设计环境下的协同设计活动如图6所示.

图5 CMCDP资源服务请求运行模式Fig.5 Running mode of resource service request of CMCDP

图6 虚拟协同设计环境下的协同设计过程Fig.6 Collaborative design process in virtual collaborative design environment

5 结语

文中探讨了云制造的概念以及云制造模式下的协同设计平台的特点，基于SOA理念以及Web服务技术，搭建了一个面向服务的、松散的、开放式的云制造协同设计平台框架，并采用五维视图对其进行描述与分析.另外，还对平台涉及的关键技术进行分析与研究，并通过云制造协同设计平台资源服务请求的运行模式和虚拟协同设计环境下的协同设计过程说明了平台的应用.

由于云制造是一个新生事物，处于不断发展和完善的过程中，目前尚未形成稳定的、统一的、易用的和功能完备的云制造平台，仍存在许多有待于研究和探讨的内容.因此，文中内容尚处于探索研究阶段，未推广应用和实施.下一步将结合工程实际应用背景，深入研究云制造平台下协同设计支撑环境的相关关键技术，进一步集成、优化、完善和验证平台功能.

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