云制造资源虚拟化描述模型及集成化智能服务模式研究
2016-09-08汤华茂
汤华茂 郭 钢
1.重庆工业职业技术学院，重庆，401120 2.重庆大学，重庆，400030
云制造资源虚拟化描述模型及集成化智能服务模式研究
汤华茂1郭钢2
1.重庆工业职业技术学院，重庆，4011202.重庆大学，重庆，400030
针对云制造资源服务模型及其特点，形式化定义了云制造资源及其粒度模型。通过构建制造资源的分布式语义描述模型，屏蔽了各类制造资源粒子在底层数据结构方面的差异，在信息表示的更高层次上实现了制造资源粒子的虚拟化描述。通过构建云制造资源本体对散布在各类网络环境中的制造资源在逻辑上进行统一管理、语义查询和智能推理。同时构建了云制造资源的集成化智能服务模型，使制造企业联盟在资源查询、资源匹配、资源利用以及资源协同等方面更加高效和便捷。
云制造；资源虚拟化；资源本体；智能化服务
0 引言
云制造是面向服务的网络化制造新模式，按用户需求组织网上制造资源(制造云)，为用户提供各类按需制造服务[1]。云制造融合了云计算、大数据、物联网等信息技术，将各类企业分散的制造资源聚集起来，进行标准化、虚拟化和服务化。云制造的关键是构建制造云，即通过构建云制造资源池，对制造资源进行统一封装、发布、集中管理和智能化服务。制造云的构建过程就是采用虚拟化等技术将分散的云端制造资源进行封装，并根据制造需求或特征关联关系建立制造服务需求与制造信息特征之间的自组织映射关系[2]。
国内外专家学者对制造资源进行了深入的研究，主要有：基于STEP的制造资源模型[3-4]，采用面向对象技术的制造资源建模[5-6]，基于XML技术的制造资源建模[7-8]，基于本体的制造资源建模[9-10]等。
现有研究主要集中在制造资源的底层数据结构和关联关系，实现制造资源的信息化、结构化和集成化。面对已经存在的和未来将要产生的大量非结构化或半结构化信息，现有模型很难进行虚拟化描述和智能化管理。本文在制造资源信息结构化或半结构化的基础上，给描述制造资源的词汇添加人和机器都可以理解的语义信息，为制造资源查询、资源匹配、资源发现和资源协同等提供更智能化的服务。因此，本文主要基于语义网络在信息描述的更高层次研究制造资源的虚拟化描述模型及集成化智能服务模式。
1 云制造资源及形式化定义
1.1云制造资源服务模型及资源特点
制造资源是企业完成产品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称，它包括产品在设计、制造、安装、维护等相关活动过程中涉及的所有软硬件元素[11-12]。云制造资源是广义的制造资源，通过虚拟化技术将物理制造资源转化为逻辑制造资源，以服务的方式存储于云端，通过云制造平台，实现线上交易、线下服务、随时获取和按需使用。云制造环境下资源服务模型如图1所示。
图1 云制造环境下制造资源服务模型
在云制造环境下制造资源呈现以下新特点：
(1)分布性。在云制造环境中，制造资源不再以物的方式固属于单个企业，而是以信息的形式广泛分布在企业的战略联盟及产业链的网络环境中。制造资源种类繁多，管理自治，地理分散，制造资源信息大多以结构化或半结构化数据散布于Intranet、Extranet、Internet等各类网络上。这给制造资源的信息查询、资料收集、信息交互、数据共享都带来困难。
(2)异构性。散布于各类网络上的制造资源信息具有异构性，往往以图片、文档、网页或表格等形式广泛存在。同类资源在每个企业中的描述方法、表现形式、存储格式及管理策略都不尽相同。分布式存储的制造资源信息描述不准确、不完整、不统一，信息存在冗余、矛盾，这给制造资源的优化组合、高效利用带来困难。
(3)共享性。在激烈的市场竞争中，企业共享各自的优势制造资源，协同完成产品的生产制造，以降低制造成本、提高产品质量、缩短产品开发周期、提高产品竞争力。这就要求制造企业不但能够共享制造资源，还需要对制造资源进行集中管理、调度和控制，使其能够快速、有效地配置给需求企业。
(4)服务性。在云制造环境中，制造资源以服务的方式在网络上存在，制造任务以需求的方式通过网络发布。通过需求与服务的匹配，实现制造资源的优化和重组。制造企业通过云制造平台实现OTO服务模式，即线上交易、线下服务。
(5)结构性。云制造资源不仅具有静态属性(资源名称、资源类型、资源特征等)和动态属性(资源能力、资源状态等)，还具有结构特征，如：资源的整体与部分之间关系，资源之间的约束关系、资源的层次关系、资源网络分布关系等。
1.2云制造资源形式化定义
定义1云制造资源云制造资源是一个三元组(X,f,T)，其中：
X是问题的论域，表示某制造领域内产品全生命过程中所涉及的资源总和，如：设备资源、人力资源、客户资源、软件资源、材料资源、零部件资源以及场所资源等虚拟制造资源。
f是属性函数，既可是单值函数，也可以是多值函数，表示资源的静态和动态属性，可用函数f：X→Y表示，其中Y可以是n维空间Rn中的集合。
T是论域的结构，即制造资源之间的相互关系，如：结构关系、约束关系、供应关系、需求关系等。结构的描述可以用欧氏空间中的欧氏距离、拓扑空间中的拓扑、网络中的图以及逻辑推理等。
定义2云制造资源分类给定云制造资源(X,f,T)，指定X的一个等价关系R，由R产生的商集[X]为对应等价关系R的商集，[X]=X/R；[f]为商集[X]的属性函数，[f]:[X]→Y；设T是拓扑，则定义商拓扑[T]:|{u|p-1(u)∈T,u∈[X]},p:X→[X]是自然投影。
称([X],[f],[T])为云制造资源(X,f,T)的商空间，等价关系R为云资源的一个分类。
资源粒度模型就是将制造资源对象划分为一系列粒子，其中每一个粒子是基于不可分辨关系、结构相似性、功能相近性等得到的一个对象的集合。资源粒度模型是云制造资源虚拟化描述的基础和前提。
d(G)=∮Gx=Card(G)=|G|
即资源粒子所含个体的总数。
定义5粒子的粗细设R为给定制造资源X上全体等价关系，R1,R2∈R，若∀x,y∈X，xR1y⟹xR2y，则称R1比R2细，简记R2 若资源粒子划分过大，资源调度和管理过粗，则资源优化重组和高效配置困难；而资源粒子划分过小，资源调度和管理过细，又需要更多的成本。 2.1基于语义网络的虚拟化描述框架 要实现云制造资源的基于语义的智能查询，制造资源的虚拟化描述不仅要描述制造资源的静态属性、动态属性和结构属性，信息描述还应具有简单的语义，便于实现基于语义的推理。 定义6制造资源粒子描述框架制造资源粒子描述框架是一个基于语义网络的陈述(图2)，陈述一个资源粒子具有什么样的属性及属性具有什么样的值 ，用三元组(M,A,V)表示，其中：M是X的子集，是散布于Internet等网络环境中的制造资源粒子，它是Web上被命名并且具有URI引用的对象；A是M的属性集，它包括资源粒子名称、资源类型、资源能力、资源状态等特征属性，以及资源的结构关系、供应关系、约束关系等结构属性；V是A的值集，既包括数据类型值(描述特征属性)，也包括对象类型值(描述结构属性)。 制造资源粒子描述框架不是让机器理解每个描述资源粒子的词汇的精确语义，而是让机器能够理解并处理词汇之间的相互关系，从而为我们提供智能化的服务。图3所示为某摩托车前大灯协同制造资源的语义网络描述模型。通过语义网络搜索可以实现基于语义的智能查询和简单推理，如供应商智能选择、产品自动配置等。 图3 云制造资源语义网络描述模型 2.2基于描述逻辑的语义元数据 要实现制造资源智能管理和自动匹配，描述制造资源粒子及其关系的概念或术语需要采用人和机器都能理解的语义信息。描述逻辑是一阶谓词逻辑的可判定子集，具有基于逻辑的语义和很强的表达能力，它以结构化和易于理解的形式来表示知识[13]。语义是对概念描述内容的语义解释，解释一个二元组I=(ΔI,·I)，它将每个A∈NC映射为ΔI的子集，将每个关系R∈NR映射为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为表示制造资源的原子概念，Object为具有结构和形状的实体对象，对制造资源领域类的元数据进行定义如下。 定义7产品产品是制造资源的子概念，具有功能、结构以及特征属性，其形式化语义描述如下： Product⊆Source Product≡Object∩∃hasFunc.Function ∩∃hasPart.Parts ∩∃hasProperty.Property … 定义8零部件零部件是组成产品的制造资源，也具有功能、性能以及特征属性，其形式化语义描述如下： Parts⊆Source Parts≡Object∩∃hasFunc.Function ∩∃partOf.Product ∩∃hasProperty.Property … 定义9属性关系属性关系是资源的特征属性，是描述资源的特征信息，如产品的型号、颜色、尺寸等，其形式化语义描述如下： hasProperty≡propertyOf- T⊆∀hasProperty.D ∃hasProperty.T⊆Object 定义10组成关系组成关系描述资源的整体与部分之间的关系，其形式化语义描述如下： partOf⊆hasPart-, Tr(partOf) T⊆∀partOf.Product ∃partOf.T⊆Parts 定义11实例关系实例关系是类和对象之间的关系，实例关系用instanceOf表示,其定义如下： a：C或C(a)，表示a是C的实例。 因此，某发动机参数的形式化描述如下： 发动机型式⊆hasProperty T≤1发动机型式 T⊆∀发动机型式.D ∃发动机型式.T⊆Parts 气缸数目⊆hasProperty T≤1气缸数目 T⊆∀气缸数目.(XSD:int) ∃气缸数目.T⊆Parts … 3.1基于本体的制造资源集成模型 云制造资源是将物理上分布的制造资源在逻辑上集中起来，为制造任务提供智能化服务。云制造资源本体是描述云制造领域内共享资源的类型、属性、状态、能力以及资源之间关系的概念或术语的集合，构建制造资源共享本体库能够实现制造资源的虚拟化集成描述。 定义12云制造资源本体云制造资源本体是一个六元组O=(C,R,H,F,X,I)，其中：C是制造资源领域内的产品、零部件、设备以及人力资源等概念或术语的集合；R是制造资源领域中产品与零部件、零部件与设备等之间的关系集合，R⊆C×C；H是制造资源之间的层次关系，描述蕴含的关系和等价关系；F是函数的集合；X是公理集；I是实例集。 基于本体的云制造资源虚拟化集成模型分为四层，如图4所示。 图4 基于本体的云制造资源虚拟化模型 (1)云制造资源数据层。云制造资源以文档、图片、语音、视频等结构化或非结构化数据的形式广泛散布于Internet、Intranet等各类网络环境中，数据之间缺乏联系，数据冗余且不完整，信息难以查询和有效利用。 (2)云制造资源描述层。采用RDF描述逻辑等为语义基础的本体描述语言对制造资源进行描述，在不需大量修改原有数据结构和表示形式的基础上，使制造资源信息具有简单的语义并能进行推理。 (3)云制造资源本体层。采用本体技术对云制造领域内的共享资源进行组织和分类，使空间上分离的制造资源实现跨平台、跨语言、跨数据结构的信息集成。 (4)云制造资源服务层。通过本体的智能查询和自动推理等语义操作，为网络化协同制造各企业提供资源查询、资源组合以及资源匹配等服务。 3.2基于本体的云制造资源平台服务模型 制造资源是为制造任务服务的。针对云制造环境中制造任务与制造资源数量巨大，任务与资源之间的匹配难度大，制造任务分解与资源配置脱节，云制造资源的智能推理与匹配难以实现等问题，构建了基于本体的云制造资源平台服务模型(图5)。 图5 基于本体的云制造资源平台服务模型 核心企业通过云制造资源服务平台创建项目计划，分解和发布产品开发任务，通过任务本体与资源本体之间的本体映射、本体查询和智能推理实现智能匹配，从而快速有效地找到所需的资源、合作伙伴或供应商。 (1)客户需求转换。通过客户需求本体将客户对产品的功能需求或性能需求转换为产品的功能参数、性能参数等特征参数。 (2)网络化产品配置。将产品需求的功能参数及性能参数映射为产品的功能模块，即通过产品资源本体的智能查询及语义推理，查找与需求参数相匹配的产品功能模块实例，进行产品配置设计。 (3)网络化任务规划。根据产品配置BOM制定产品开发计划，通过产品项目本体的智能查询分解开发任务、定义开发任务的内容和目标。 (4)云制造资源配置。通过云制造平台为每一个开发任务配置制造资源，即通过项目任务本体的智能查询和匹配，选择合适的供应商及合作伙伴，选择合适的产品开发团队和资源。 (5)网络化协同设计。核心企业通过协同设计平台与合作伙伴或供应商建立紧密的协作关系，对设计过程、设计周期及设计文档进行管理和监控，提高设计效率及设计质量。 (6)网络化协同制造。核心企业通过协同制造平台管理和监控协同制造任务，对工艺过程、工艺文档、产品质量进行管理，提高协同制造效率、降低制造成本、提高产品质量。 4.1服务模式验证 依据以上服务模型，我们搭建了区域内网络化协同设计云服务平台(以下简称网络化协同平台)，选择了区域内某主机厂和部分供应商通过网络化协同平台参与协同设计，对网络化协同平台的服务模式和关键技术进行了验证。网络化协同平台采用Java的EJB技术，以Weblogic为中间件，使用Oracle数据库，以三层体系技术架构实现；采用Protégé本体构建工具，以OWL作为本体描述语言，通过OntoMat对设计信息或资源进行语义标注，通过Pellet推理机实现智能推理，其工作原理如图6所示。 网络化协同平台的主要工作流程如下： (1)主机厂在网络化协同平台上创建产品开发项目，制定产品开发计划。 (2)主机厂通过查询产品族资源本体以及零部件资源本体完成产品配置设计。 (3)主机厂通过项目资源本体分解协同设计项目任务，发布零部件设计任务。 (4)供应商通过网络化协同平台确认、接受和协商协同设计任务，提交设计结果。 (5)协同设计各方在网络化协同平台上实时交流和沟通，完成零部件的详细设计。 图6 网络化协同平台的实现原理 4.2关键技术实现 4.2.1基于Protégé的制造资源本体建模 通过Protégé构建产品族本体、零部件本体、设计任务本体等制造资源本体，对网络化协同平台的制造资源进行语义描述和标注，使制造资源之间、产品与任务之间、任务与资源之间的协同关系明确化，提高资源的智能化查询效率。 4.2.2基于OWL的资源虚拟化描述实例 制造资源的智能查询和智能匹配是通过本体推理实现的，本体语言的推理和查询往往都转化为等价的描述逻辑推理[15]。本文采用OWL(web ontology language)作为云制造资源的信息描述语言。通过基于OWL的本体推理实现制造资源的智能查询、知识发现和资源重用。图7所示为某摩托车发动机参数的OWL描述实例。 图7基于OWL制造资源信息描述 4.2.3基于语义的智能搜索及推理 基于语义的智能搜索及推理问题主要包括以下几方面：概念满足、概念包含、概念相等、概念相离、实例检查、实例检索以及一致性问题[14]。在描述逻辑推理机Pellet的支持下，本文采用SPARQL查询语言来实现云制造资源的智能查询和语义推理。图8所示为某摩托车发动机参数的智能匹配查询实例。 PREFIXrdfs: 图8基于SPARQL的语义查询 云制造资源的虚拟化语义描述模型屏蔽了制造资源信息在底层数据结构方面的差异，使异构的制造资源信息实现了基于语义的分布式描述，使空间分离的制造资源在逻辑上集中起来。基于本体的制造资源集成化智能服务模型，使企业联盟在资源查询、资源匹配、资源利用以及资源协同等方面更加高效，也便于中国制造业通过“互联网+”战略实现智能生产、打造智能企业、构建智能生态。 [1]李伯虎, 张霖, 王时龙, 等. 云制造——面向服务的网络化制造新模式[J]. 计算机集成制造系统,2010, 16(1): 1-7. 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(编辑王旻玥) 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 国家科技支撑计划资助项目(2012BAF12B09)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ22104) TP393；TH166 10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.008 汤华茂，男，1973年生。重庆工业职业技术学院信息技术学院副教授、博士。主要研究方向为制造业信息技术、协同制造。郭钢，男，1960年生。重庆大学汽车工程学院教授、博士研究生导师。2 云制造资源的虚拟化描述模型
3 云制造资源智能化服务模型
4 案例验证
5 结语
