周 灼，苑明海，孫 超，鄧 坤

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引 言

政府工作報(bào)告指出：加快發(fā)展大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，把發(fā)展智能制造作為主攻方向，推動(dòng)《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略落地。其中，云制造是實(shí)施《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的一種智能制造模式和手段[1]。現(xiàn)代制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，各國(guó)制造業(yè)紛紛轉(zhuǎn)型成為以創(chuàng)新能力為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)資源聚合與協(xié)同的低能耗、低排放的服務(wù)型制造業(yè)[2-5]。在這種背景下，李伯虎院士提出云制造的概念，并給出云制造的服務(wù)模式、技術(shù)體系、實(shí)施思路、服務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用模式[6]。其中，服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建是實(shí)施云制造的重要一環(huán)，服務(wù)平臺(tái)基于虛擬化技術(shù)，具有標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)資源管理、服務(wù)支撐、信息安全保障、運(yùn)維監(jiān)控保障功能，通過信息技術(shù)手段改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)和企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理，降低制造成本，提高企業(yè)綜合制造能力[7-8]。此外，傳統(tǒng)的制造服務(wù)資源管理已經(jīng)很難滿足云制造服務(wù)匹配和交易，不能很好地實(shí)現(xiàn)制造資源共享和協(xié)同使用；有效管理缺乏，網(wǎng)絡(luò)化制造服務(wù)的可靠性和質(zhì)量難以保證，因此設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)公共服務(wù)平臺(tái)管理系統(tǒng)就至關(guān)重要[9-10]。

文中結(jié)合云制造體系架構(gòu)、資源服務(wù)匹配及調(diào)度的相關(guān)研究，確定該服務(wù)平臺(tái)主要包括制造資源和服務(wù)需求的發(fā)布，服務(wù)需求的匹配，任務(wù)的調(diào)度配置以及平臺(tái)的服務(wù)管理等?；谠浦圃熨Y源本體模型和對(duì)資源服務(wù)進(jìn)行的統(tǒng)一形式化描述，主要從面向服務(wù)的系統(tǒng)體系架構(gòu)，業(yè)務(wù)邏輯，功能模塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)開發(fā)與驗(yàn)證等模塊展開，構(gòu)建一個(gè)云制造服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)云用戶需求資源與服務(wù)平臺(tái)閑置資源的自動(dòng)智能搜索匹配，搜索速度更塊、結(jié)果更準(zhǔn)確；實(shí)現(xiàn)了信息統(tǒng)一規(guī)范化注冊(cè)發(fā)布、資源服務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；平臺(tái)用戶頁面簡(jiǎn)單人性，使用戶可以便捷訪問。

1 面向SOA的云制造服務(wù)平臺(tái)的總體架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程

1.1 總體架構(gòu)

SOA(service-oriented-architecture)是一種面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，而云制造也是“制造及服務(wù)”理念的體現(xiàn)，是云計(jì)算等一系列先進(jìn)技術(shù)與制造特征的有效融合，是制造資源在信息共享和服務(wù)模式上的拓展和延伸，所以云制造服務(wù)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)依然是一種面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)[11-12]?；赟OA體系架構(gòu)和云制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，文中提出一種面向SOA的云制造服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的搭建，具體如圖1所示。該平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)主要包括平臺(tái)基礎(chǔ)環(huán)境支撐層、制造服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)管理層、企業(yè)服務(wù)總線(enterprise service bus，ESB)及用戶交互層等。

圖1 面向SOA的云制造服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)

(1)平臺(tái)基礎(chǔ)環(huán)境支撐層以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，為云制造服務(wù)平臺(tái)提供存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源的支持，使得云服務(wù)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)制造資源虛擬化、服務(wù)應(yīng)用、安全訪問、平臺(tái)管理的功能。

(2)制造服務(wù)層主要是依據(jù)制造資源不同服務(wù)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源服務(wù)注冊(cè)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)接口以及發(fā)布工具的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，方便平臺(tái)的云端資源接入，以此來滿足用戶不同服務(wù)需求的搜索發(fā)現(xiàn)、匹配、組合及調(diào)度。

(3)應(yīng)用服務(wù)管理層主要是為服務(wù)平臺(tái)提供不同的Web服務(wù)組件和相應(yīng)的SOA業(yè)務(wù)規(guī)則，從而滿足多樣化和個(gè)性化的制造云服務(wù)要求。

(4)ESB主要是依據(jù)不同的需求服務(wù)和相關(guān)業(yè)務(wù)流程為平臺(tái)提供多樣的應(yīng)用集成方案。同時(shí)，應(yīng)用服務(wù)管理層中經(jīng)過任務(wù)規(guī)劃引擎和在語義推理演繹支持下確定的服務(wù)及后續(xù)的服務(wù)集中規(guī)劃調(diào)度所生成的流程描述，都要轉(zhuǎn)交ESB處理和反饋。

(5)用戶交互層作為系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)的終端，各方參與者基于Web Service在平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)的服務(wù)操作，實(shí)現(xiàn)服務(wù)全過程的友好交互。

1.2 總體業(yè)務(wù)流程

云制造服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建完成后，用戶只有授權(quán)后才能夠通過平臺(tái)提供的專用接口進(jìn)行相應(yīng)的服務(wù)請(qǐng)求，處理及調(diào)用等相關(guān)操作。平臺(tái)對(duì)服務(wù)知識(shí)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，將資源需求者和資源發(fā)布者的服務(wù)資源集中到云服務(wù)池中，用以滿足更多的服務(wù)需求。針對(duì)云用戶的制造任務(wù)需求，利用云服務(wù)實(shí)例庫和知識(shí)庫進(jìn)行任務(wù)需求解析與業(yè)務(wù)規(guī)劃，平臺(tái)根據(jù)已設(shè)計(jì)好的智能匹配算法進(jìn)行主動(dòng)服務(wù)搜索，將相匹配的服務(wù)優(yōu)選集提供給用戶。用戶選定資源服務(wù)后，平臺(tái)的執(zhí)行引擎將按照?qǐng)?zhí)行路徑對(duì)所選服務(wù)進(jìn)行綁定，企業(yè)通過總線集中處理服務(wù)請(qǐng)求，合理規(guī)劃資源調(diào)度與配置，并按照服務(wù)路徑順序進(jìn)行服務(wù)調(diào)用與執(zhí)行，最后用戶根據(jù)企業(yè)的反饋進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。綜上所述，云制造服務(wù)平臺(tái)總體業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 云制造服務(wù)平臺(tái)的總業(yè)務(wù)流程

2 云制造服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境及工具介紹

該系統(tǒng)采用B/S(browser/server)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合XML與Web Services等相關(guān)技術(shù)，通過可視化界面，讓用戶更快更好地獲得所需資源或服務(wù)，并通過個(gè)性化的技術(shù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)制造資源的網(wǎng)絡(luò)信息化共享[13-14]。主要開發(fā)工具：軟件程序設(shè)計(jì)開發(fā)語言及其開發(fā)環(huán)境配置；本體編輯工具等。

(1)本體編輯工具。

為實(shí)現(xiàn)云制造資源服務(wù)及任務(wù)需求規(guī)范統(tǒng)一的形式化描述，以及平臺(tái)的資源服務(wù)語義邏輯功能，系統(tǒng)采用本體語言開發(fā)工具Protégé進(jìn)行資源本體的創(chuàng)建、編輯、存儲(chǔ)以及邏輯定義等。

(2)程序設(shè)計(jì)開發(fā)語言及開發(fā)環(huán)境配置。

.NET是Web服務(wù)平臺(tái)強(qiáng)大的開發(fā)工具，具有很好的跨平臺(tái)特性，是實(shí)現(xiàn)XML，Web Services，SOA和敏捷性的技術(shù)，同時(shí)具有很多開源項(xiàng)目的支持。該系統(tǒng)前臺(tái)采用HTML，CSS樣式表，內(nèi)容頁，JavaScript函數(shù)等網(wǎng)頁前端技術(shù)，后臺(tái)選用Visual C#.NET為程序設(shè)計(jì)語言，Visual Studio2010 .NET為系統(tǒng)開發(fā)集成平臺(tái)，相應(yīng)的配置：Web ASP.NET服務(wù)開發(fā)和應(yīng)用程序模板，ADO.NET數(shù)據(jù)庫的訪問方式等。

(3)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與開發(fā)。

系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與開發(fā)。Microsoft SQL Server 2008提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和基于Web分析功能，支持XML和OLEDB的多種查詢方式以及分布式的分區(qū)視圖功能。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)體系架構(gòu)與所要實(shí)現(xiàn)的功能，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括云制造用戶信息管理、云制造資源服務(wù)管理以及云制造業(yè)務(wù)管理三個(gè)功能模塊。對(duì)于整個(gè)服務(wù)平臺(tái)而言，還有一些輔助支撐模塊，包括用戶注冊(cè)與登錄管理、知識(shí)庫管理、系統(tǒng)配置等。

2.2.1 云制造用戶信息管理

該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)云制造服務(wù)平臺(tái)需求方的服務(wù)需求進(jìn)行集中管理，主要包括需求方的任務(wù)發(fā)布，制造任務(wù)的搜索匹配與優(yōu)選等功能。

(1)需求任務(wù)發(fā)布：針對(duì)云制造服務(wù)平臺(tái)授權(quán)的用戶開放，用戶可以通過系統(tǒng)用戶接口(操作界面)向平臺(tái)發(fā)布服務(wù)需求。結(jié)合已建立的資源服務(wù)描述模型，按照其統(tǒng)一規(guī)范化的信息標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行注冊(cè)發(fā)布。

(2)搜索匹配與優(yōu)選：基于用戶任務(wù)要求和約束信息，采用已建立的多層次語義匹配算法篩選得到符合條件的服務(wù)集合。用戶根據(jù)具體的實(shí)際需要對(duì)滿足條件的服務(wù)資源進(jìn)行優(yōu)選配置，同時(shí)還可以查看資源服務(wù)相關(guān)的具體信息，以此來確定是否選定該服務(wù)。

2.2.2 云制造資源服務(wù)管理

該功能模塊主要負(fù)責(zé)云制造資源服務(wù)管理，通過操作界面(操作接口)為資源服務(wù)提供方提供服務(wù)資源的注冊(cè)、修改等功能，同時(shí)也負(fù)責(zé)對(duì)其信息真實(shí)可信性進(jìn)行評(píng)估審核與確認(rèn)，以及對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

(1)服務(wù)注冊(cè)：面向云制造服務(wù)平臺(tái)的授權(quán)用戶開放，提供方通過系統(tǒng)用戶接口(操作界面)將盈余服務(wù)資源注冊(cè)發(fā)布到平臺(tái)中，構(gòu)成云服務(wù)。同樣，過程中需結(jié)合已建的云制造資源服務(wù)描述機(jī)制，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化的信息接入。

(2)服務(wù)變更與審核：系統(tǒng)平臺(tái)中，云制造資源服務(wù)是動(dòng)態(tài)變化的，為了使用戶獲取最新的服務(wù)信息，云制造服務(wù)平臺(tái)必須及時(shí)更新產(chǎn)生變化的服務(wù)。對(duì)于這些產(chǎn)生變化的服務(wù)，閑置的則必須重新審核，正在執(zhí)行的，則不允許變更。審核時(shí)必須依據(jù)該資源服務(wù)的具體信息，功能指標(biāo)以及相應(yīng)的約束標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核定，從而保證其真實(shí)性。

(3)資源服務(wù)監(jiān)控：主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和實(shí)時(shí)反映各資源服務(wù)的具體狀態(tài)，包括新服務(wù)的注冊(cè)，變更，是否出現(xiàn)故障等，從而更有效地服務(wù)于用戶。

2.2.3 云制造業(yè)務(wù)管理

該功能模塊負(fù)責(zé)服務(wù)供需雙方的集中管理，整個(gè)過程包括訂單的調(diào)配生產(chǎn)，服務(wù)條款的簽訂和服務(wù)金額支付，服務(wù)執(zhí)行和結(jié)果驗(yàn)收，服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)等情況。

(1)訂單的調(diào)配生產(chǎn)：企業(yè)通過服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)獲取產(chǎn)品訂單信息以及各約束信息，結(jié)合自身的制造能力，對(duì)訂單進(jìn)行重新規(guī)劃，保證在規(guī)定的生產(chǎn)期內(nèi)完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。

(2)服務(wù)條款的簽訂和服務(wù)金額支付：為保證訂購的服務(wù)能夠按計(jì)劃期進(jìn)行，保證雙方的利益，所以要簽訂相應(yīng)的服務(wù)條款。而對(duì)于需預(yù)先支付金額的，則要求在規(guī)定期內(nèi)付費(fèi)，否則終止交易。過程中需要變更相關(guān)信息的，需要經(jīng)雙方同意并提出申請(qǐng)經(jīng)系統(tǒng)核定。

(3)服務(wù)執(zhí)行和結(jié)果驗(yàn)收：訂單在執(zhí)行過程中，需按照各計(jì)劃期節(jié)點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)，服務(wù)執(zhí)行結(jié)果需回執(zhí)，以保證供需雙方交易的正常和合法化。

(4)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)：訂單成功驗(yàn)收后，需求方需要對(duì)供求方的執(zhí)行結(jié)果做出客觀的評(píng)價(jià)，包括執(zhí)行時(shí)間，價(jià)格，滿意度和可靠性等。

2.2.4 其他功能

主要包括用戶注冊(cè)與登錄管理，知識(shí)庫管理，日志管理和權(quán)重計(jì)算工具等。注冊(cè)與登錄管理包括平臺(tái)用戶注冊(cè)，審核和授權(quán)激活等。知識(shí)庫管理主要是為系統(tǒng)中的個(gè)性化，智能化服務(wù)提供支撐，如語義庫，服務(wù)案例管理等。日志管理主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)的運(yùn)行監(jiān)管，以及對(duì)用戶行為進(jìn)行跟蹤及分析管理。權(quán)重計(jì)算主要是針對(duì)云制造資源服務(wù)綜合匹配過程中對(duì)各信息所占比重進(jìn)行科學(xué)的評(píng)定和定量計(jì)算等。綜上所述，系統(tǒng)的綜合功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了直觀地展示該服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的業(yè)務(wù)與功能，結(jié)合實(shí)例對(duì)該服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。以“用戶資源服務(wù)需求→服務(wù)資源發(fā)布→資源服務(wù)搜索匹配→服務(wù)綁定→訂單調(diào)配生產(chǎn)”為主線對(duì)提出的模型、方法以及算法進(jìn)行分析驗(yàn)證。

為了保證數(shù)據(jù)的信息安全和個(gè)性化存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)了“用戶名+密碼+用戶權(quán)限”的登錄形式，同時(shí)也為用戶開設(shè)了注冊(cè)成為系統(tǒng)用戶的功能模塊，便于后續(xù)的推廣與使用。當(dāng)成功登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入到系統(tǒng)的主界面，為了操作過程中的方便簡(jiǎn)潔，采用“左導(dǎo)航右內(nèi)容”的框架形式。系統(tǒng)菜單主要包括系統(tǒng)管理、業(yè)務(wù)管理、用戶信息管理、資源服務(wù)管理等應(yīng)用模塊。針對(duì)云制造資源服務(wù)管理，提供了服務(wù)注冊(cè)，服務(wù)變更與審核和資源服務(wù)監(jiān)控子應(yīng)用模塊，平臺(tái)運(yùn)營(yíng)者要核定注冊(cè)的服務(wù)資源。文中利用Apache的開源協(xié)議Tuscany SCA (service component architecture)進(jìn)行資源服務(wù)化的封裝。如圖4所示，根據(jù)對(duì)云制造資源服務(wù)的形式化描述，構(gòu)建了服務(wù)注冊(cè)界面，云制造資源服務(wù)注冊(cè)的信息主要包括資源的基本信息、功能信息、狀態(tài)信息、約束信息和制造能力信息，以及服務(wù)訪問與調(diào)用接口等其他信息。整個(gè)注冊(cè)過程中，使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行自定義QoS信息的添加，同時(shí)利用SCA創(chuàng)建的服務(wù)實(shí)體，通過WSDL文檔進(jìn)行描述，過程涉及到服務(wù)調(diào)用接口以及對(duì)應(yīng)的Port和Operation信息。

圖4 服務(wù)注冊(cè)

云制造服務(wù)活動(dòng)主要針對(duì)用戶制造任務(wù)需求展開，系統(tǒng)主要對(duì)需求任務(wù)發(fā)布，任務(wù)規(guī)劃分類，服務(wù)搜索匹配與優(yōu)選等進(jìn)行系列的管理。圖5是需求任務(wù)發(fā)布界面，由需求者創(chuàng)建靜態(tài)信息，主要包括任務(wù)需求者的基本信息，任務(wù)的基本信息，功能和QoS要求等。為把最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)資源提供給用戶，該系統(tǒng)采用了可以實(shí)現(xiàn)快速有效服務(wù)匹配的多層次匹配算法，為科學(xué)衡量各信息所占的權(quán)重，設(shè)計(jì)了權(quán)重計(jì)算的功能模塊，同時(shí)開發(fā)了單因素匹配搜索和綜合匹配搜索的模式，具體如圖6所示。用戶可以根據(jù)需求輸入各權(quán)重值和設(shè)定閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)搜索匹配，以語義相似度的大小依次排列，提供最優(yōu)的資源服務(wù)選集。用戶選定匹配服務(wù)后，進(jìn)入到服務(wù)綁定模塊，該模塊中用戶需要上傳有效憑證，以待核定。后續(xù)的交易等業(yè)務(wù)功能，在此不贅述。

圖5 需求任務(wù)發(fā)布

圖6 服務(wù)搜索與優(yōu)選

對(duì)于企業(yè)聯(lián)盟來說，訂單的有效分配是其產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。用戶提交訂單，聯(lián)盟獲取訂單信息后，基于各企業(yè)具體的生產(chǎn)能力和各訂單產(chǎn)品的生產(chǎn)約束，設(shè)置優(yōu)化模型和輸入產(chǎn)品種類及參與的企業(yè)數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化求解，確定最終分配方案，然后進(jìn)行算法的參數(shù)設(shè)置及求解，依次輸入種群規(guī)模、代溝、交叉概率、變異概率和最大迭代代數(shù)值，以及訂單資源調(diào)配模型的提前/拖期懲罰系數(shù)的設(shè)定值。 執(zhí)行遺傳操作，得到模型算法的搜索過程和對(duì)應(yīng)產(chǎn)品訂單的調(diào)配方案，以及加工甘特圖。

4 結(jié)束語

文中開發(fā)了一款云制造服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的組織架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，其主要組成部分包括資源服務(wù)管理、用戶信息管理、業(yè)務(wù)管理和系統(tǒng)管理等模塊，并闡述了服務(wù)注冊(cè)，需求任務(wù)發(fā)布，服務(wù)搜索匹配和訂單調(diào)配生產(chǎn)的操作步驟和應(yīng)用結(jié)果，通過實(shí)例驗(yàn)證了提出的理論模型及算法設(shè)計(jì)的有效性。