（西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048）

0 引言

在计算机网络技术快速发展的时代背景下，机械、化工、冶金等传统制造企业受到互联网和信息化的巨大冲击。如何通过网络信息技术，充分利用社会资源和服务开展制造活动，已经成为当前迫切需要解决的问题。

2010年，云制造的概念应用而生。它将制造资源服务化和虚拟化后，接入网络服务平台（云平台），以信息流的形式为用户提供制造全生命周期的一系列服务[1]，体现“制造即服务”的思想，达到“分散资源集中使用，集中资源分散服务”的目的[2]。事实上，实现制造资源集成共享和高效利用的前提是建立规范的、可识别和可扩展的资源描述框架。同时，还需要构建高效、完善的服务化封装机制，将制造资源封装于云平台中，形成云资源或云服务，实现云模式下资源的海量集成、多方位共享和统一管理。

当前，国内外学者对制造资源虚拟化过程展开了初步研究。吴晶晶等对制造服务进行了形式化定义，利用仿真平台验证其可用性[3]。薛建勋[4]和李孝斌等[5]以不同的方式建立了制造资源的语义描述模型，并通过实例加以验证。吴桥等[6]和陈琨等[7]分别对制造资源中硬资源和软资源的封装机制作了探讨，建立了虚拟化封装框架。Minguez et al提出了一种基于服务总线的制造服务封装和集成机制[8]。陈桦等运用XML语言建立机床产品的设计信息文档，实现了设计资源的浏览和交互处理的统一描述[9]。潘有能等对XML文档的分类过程展开研究，提出了多种语义识别方法[10]。总的来说，大多数成果对制造资源虚拟化过程的研究还不够深入，在云模式下制造资源描述框架的构建以及虚拟化封装机制等方面还需要做进一步探讨。

本文在现有研究的基础上，根据云制造的特点和目标，在保证制造资源异构性和独立性的前提下，构建了一种分层次、模块化的制造资源描述框架，并提出了一种基于Web的服务化封装方法，通过实例对所提框架和方法进行了验证，实现了制造资源的服务化描述和虚拟化封装。

1 制造资源的服务化描述

1.1 制造资源的定义及描述框架

在云模式下，制造资源的含义非常广泛，是一切能在制造全生命周期中发挥作用的软资源、硬资源以及其他诸如人、知识等资源的总称[11]。以服务的形式对制造资源进行描述，是实现相关数据输入和输出的前提条件。构建适合于人机理解的制造资源服务化描述模型，能够提升云平台的整体运行能力和人机交互能力，为后期的资源发布、管理和智能化配置具有重要意义。然而，制造资源具有海量性、异构性及独立性等特点，难以套用完全统一的描述模型，同时为保证制造资源的充分自治性，需要对制造资源进行分层次、模块化描述。

根据制造资源的特点，综合考虑云模式下制造资源及其相关信息，提出一种制造资源服务化描述框架MS，用集合表示为：

式中，MR表示制造资源；PI表示制造资源提供方；Access表示制造资源相关访问；Others表示其他扩展内容。

制造资源的服务化描述框架，具有模块化和分层次的特点。它通过对制造资源、资源提供方、访问等分别进行形式化描述，建立各部分独立的模块化描述模型，保证了各部分模型自身独特的描述属性及相应的属性值，增强了各部分模型间的关联性。然后，将各部分描述模型以制造服务的形式分层次统一整合，保证了制造资源的独立性以及描述内容、相关服务的集成性。云模式下制造资源具体的服务化描述过程如图1所示。

图1 制造资源的服务化描述过程

1.2 制造资源描述模型

制造资源是云制造的核心对象，一切云服务都离不开制造资源的支持。对制造资源进行合理分类有利于后期的资源发现与快速配置。借鉴已有研究成果[12,13]，将制造资源分为软资源和硬资源两大类。其中，软资源指制造活动中的非硬件资源，其功能是在制造全生命周期中保证制造过程正常进行和运转，如软件资源、服务资源、人力资源、财务资源等；硬资源指制造活动中所涉及到的所有与制造过程直接关联的实体硬件资源，如设备资源、物料资源、零部件资源、物流资源等。建立制造资源本体层次分类树如图2所示。制造资源涉及范围广，不同类型的资源具有不同的属性，描述的内容差异较大。针对该问题，结合当前云模式下制造资源优化配置时的实际需求，综合考虑资源本体、功能、任务、评价等内容，构建制造资源描述模型MR，用集合表示为：

图2 制造资源本体层次分类树

其中：RltRsrc为资源本体描述模型；RltFunc为资源功能描述模型；RltTask为资源任务描述模型；RltEval为资源评价描述模型；Others为其他扩展模型。

加工中心（Machining Center，MC）是制造领域的一种高性能的自动加工设备。下面以某型号加工中心为例，阐述制造资源的描述方法。

1）加工中心本体描述模型

加工中心本体的描述模型RltRsrc(MC)，用集合表示为：

其中：BasicInfo为基本信息属性集，包括资源编号MrId、服务编号MsId、名称Nm、型号Mdl、制造商Mfr、品牌Brnd、当前状态State等。MrId为制造资源的唯一标识。

BasicParm为基本参数属性集，包括资源类型Type、主轴转速Spd、外形尺寸CnfgD、最大载荷MaxL、工作台尺寸WbD、刀具尺寸TD等。ProcCap为加工能力属性集，包括定位精度PAc、钻孔能力DCap、控制轴数AxisA、加工行程MacTrvl、换刀时间TcT等。MainCfg为主要配置属性集，包括刀库类型ToolT、润滑系统LubS、数控系统CNC等。

某型号加工中心的本体可描述为：

{(MrId：MC001，MsId：MS01，Nm：立式加工中心，Mdl：TD500，Mfr：西安云端机械厂，Brnd：西格玛，State：空闲)，(Type：加工中心，Spd：10000r/min，CnfgD：1600×1530×2090mm，MaxL：250kg，WbD：620*420mm，TD：16*16mm)，(PAc：±0.004/300mm，DCap：φ15，AxisA：3，MacTrvl:(X：500mm；Y：300mm；Z：300mm)，TCT：1.2Sec),(ToolT：盘式刀库，Lubs：河谷，CNC：西门子)}。

2）加工中心功能描述模型

加工中心功能的描述模型RltFunc（MC），用集合表示为：

其中：FuncId为功能编号，是资源相关功能的唯一标识；FuncType为功能类型；Input为输入；Output为输出；Prem为前提条件；Exp为预期结果。

加工中心的某项功能可描述为：

{FuncId：Func01，MrId：MC001，Type：钻孔，Input：待加工件，Output：加工后工件，Prem：需求方提供加工件和工艺参数，Exp：完成需求方相关工艺要求}。

3）加工中心任务描述模型

加工中心任务的描述模型RltTask（MC），用集合表示为：

其中：BasInfo为任务基本信息属性集，包括任务编号TastId、资源编号MrId、具体任务类型TaskType、任务描述TaskDesc、开始时间Start、预定结束时间ExpEnd、结束时间End、进度记录ProcRcd、提交方编号SPId等。其中，TastId为制造资源所对应任务的唯一标识。Cstr为任务的相关约束属性集，包括工艺方法Tech、规格要求Spcf等。

加工中心的某项任务可描述为：

{TastId：T01，MrId：MC001,TaskType：切削，TaskDesc：特殊板料切削，Start：2017-01-16，ExpEnd：2017-02-01，End：2017-02-06}。

4）加工中心评价描述模型

加工中心评价描述模型RltEval(MC)，用集合表示为：

其中：TastId和MrId的含义同前；TechEval为工艺水平评价属性；ProcEval为任务进度评价属性；AgileEval为敏捷评价属性；Others为其他扩展评价属性。

加工中心的某项任务的评价可描述为：

{TastId：T01，MrId：MC001，TechEval：良好，ProcEval：一般，AgileEval：优秀}。

1.3 资源提供方描述模型

制造资源提供方是制造服务描述框架中最基本的组分，具体的描述内容可依据实际应用情况进行适当选取。针对资源提供方的重要属性建立描述模型PI，用集合表示为：

其中：MsId为制造服务编号，是识别云制造服务的唯一标识，具有极强的关联性特征；Name为相关制造资源所属法人或单位机构的名称；Desc为提供方以及其他知识能力的相关描述；Loc为提供方所在地；Tel为联系方式；Url为相关网址链接；Others为其他扩展描述属性。

某制造资源的提供方可描述为：

{MsId：MS01，Name：上海云端机械厂，Desc：上海云端机床是专业生产数控车床的厂家，引进…，Loc：上海市松江区，Tel：400-055-6655，Url：http://www.YunDuancnc.com/}。

1.4 资源访问描述模型

访问是云制造在网络化进程中的特性，是沟通制造服务与云制造服务平台之间的桥梁，内容包括访问协议AcsPrtcl、传输协议TfrPrtcl、接口Intfc等，用集合表示为：

某制造服务的访问可描述为：

{MsId: MS01, AcsPrtcl: SOAP, TfrPrtcl: HTTP, Intfc:WSDL}。

2 制造服务的虚拟化封装

2.1 虚拟化封装的意义

按照云制造模式的运行机理，对制造资源进行服务化描述，实现了制造资源的规范化表达，但此时的制造资源仅在概念上具有制造服务的意义，与“云”并无直接关系。虚拟化封装是实现制造资源从物理资源到云资源的抽象和映射过程。它通过云平台，对仅具有制造服务概念意义的制造资源进行虚拟化封装，以数据的形式发布、存储在平台资源库中，形成云资源或云服务。这里提出一种基于Web的服务化封装方法。

2.2 结构及语义验证机制

从语义和结构两个方面，验证云资源池中制造资源数据的正确性和规范性，是制造服务虚拟化封装过程的重要内容。XML（Extendable Markup Language，可扩展标记语言）用于对数据信息进行标准的结构化描述，具有强大的拓展性、子描述性、跨平台性及异构兼容能力，非常适合对制造资源及相关制造服务进行结构及语义的描述与验证。下面以加工中心为例，运用XML语言进行结构描述，如图3所示。

图3 加工中心的XML描述文档

运用XML技术实现了数据的存储和交互，并且保证XML文档都符合一个固定的结构模型，即结构化定义。运用XML Schema模式对所描述的制造资源XML文档进行验证，生成相应的XSD（XML Schemas Definition）文档，部分代码如图4所示。

XML Schema模式可严格地对所验证的XML文档对象进行结构和语义的深约束，强化了XML自身的结构功能，保证了制造资源描述内容的规范性、一致性和正确性。同时，由于XML Schema自身就是一种XML语言，可对XML实现更好的兼容性和可操性，方便后期对云平台中制造资源虚拟化封装模块的开发。

2.3 数据库结构设计

云制造服务平台的资源库是存储制造资源相关服务信息的最终载体，又被称为云制造资源池。合理缜密的数据库结构不仅能为云模式下资源信息的各项操作提供极大的便利，同时也能进一步提高云平台的整体运行效率。

图4 XML Schema文档部分核心代码

结合制造资源服务化描述模型，以某型号加工中心为例设计相关数据库，得到数据表之间关系结构如图5所示。

图5 制造资源数据表结构图

数据表依照资源描述内容进行合理划分，且各表之间通过主键（如MsId、MrId、TastId、FuncId等）进行相互关联和数据约束，保证了封装过程中制造服务的整体性，便于对资源动态数据的快速检索和更新。同时，对部分常用外键建立相关索引、事务以及存储过程，进一步提高了对相关资源数据的检索效率。

2.4 虚拟化封装方法

制造服务虚拟化封装的重点内容是将物理制造服务以数据的形式封装于云平台资源池中，并保证其结构和语义的正确性。云平台是完成制造服务虚拟化封装的重要载体，具体的虚拟化封装流程如图6所示。

图6 制造服务虚拟化封装流程

在虚拟化封装的过程中，对数据的结构和语义进行验证是重点工作。采用三层结构的方式对服务数据进行验证，具体步骤如下：

1）通过平台前端对制造资源进行数据录入，并对部分数据进行初步的逻辑和语义验证。

2）将相关数据传入后台逻辑层进行逻辑验证。

3）生成XML文档，运用XML Schema模式生成相关XSD文档，进行结构和语义验证。

4）采用DOM的方式对XML进行解析，将经过结构和语义验证的数据存入后台数据库中，实现制造资源的虚拟化封装。

2.5 虚拟化封装实例

以某型号加工中心为研究对象进行形式化描述和虚拟化封装，通过云制造服务平台对其进行上传和发布，并以数据的形式存储于后台资源库中，实现制造服务“云端化”。具体虚拟化封装的过程如图7所示。

图7 制造资源虚拟化封装过程

3 结束语

对制造资源进行服务化描述和虚拟化封装是云模式下实现制造资源集成共享和高效利用的前提条件。本文根据制造资源的海量性、异构性及独立性等特点，构建了一种分层次、模块化的制造资源服务化描述框架，分别提出了制造资源、资源提供方以及资源相关访问的具体描述模型。在分析制造服务虚拟化封装意义的基础上，提出了一种基于Web的制造服务虚拟化封装方法，给出了制造服务的结构与语义验证机制以及虚拟化封装的流程和步骤。最后结合实例验证了本文所提模型和方法的可行性和有效性。后续将重点围绕制造服务的供需优化配置进行深入研究。

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