云制造环境下设备资源服务化封装方法研究*

易安斌，周宏甫

(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州　510640)



云制造环境下设备资源服务化封装方法研究*

易安斌，周宏甫

(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州510640)

摘要：随着云计算、物联网和面向服务技术的快速发展，制造领域出现了一种基于知识的网络化制造新模式-云制造。资源服务化封装是云制造关键技术之一，为加快制造设备资源的封装过程，提出了一种新的制造设备资源封装方法。首先，根据云环境下制造资源的特点，对制造设备资源进行了分类和形式化描述；然后，将描述信息映射为一个用于虚拟化的类模板，并给出了一种制造设备资源服务化封装方法；最后，通过一个实例验证了该方法的可行性和便捷性。

关键词：云制造；制造设备资源；虚拟化；服务化封装

0引言

当前，制造业全球化、产品个性化、绿色制造和低碳制造的趋势给生产制造企业带来了很大挑战，制造企业加强与业务伙伴的协作并有效利用全球的制造资源显得越来越重要[1]。这就需要建立一种协作和灵活的基础设施，以促进不同企业内部和外部制造资源的有效整合，从而促使不同企业间的无缝合作和资源信息交互共享。为解决这些问题，许多先进制造模式和技术如敏捷制造，虚拟制造，应用服务提供商、制造网格等已被提出来。然而，这些传统的生产模式仍存在一些诸如可伸缩性、灵活性、互操作性和安全性等问题，缺乏对服务的集中管理和运营，缺乏实现动态智能的制造资源分配机制，缺乏企业间信息系统的交互共享[2]。制造业的信息化、全球化、服务化、标准化、开放化以及云计算、物联网和面向服务技术的快速发展，为克服制造业面临的问题提供了操作模式和技术，为制造业的快速发展提供了新的机遇，一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化制造新模式-云制造应运而生[3]。构建一个庞大的制造资源池是云制造平台运营的基础，通过资源的虚拟化和服务化封装技术可以实现物理资源到虚拟资源的映射，将资源封装成可被发现和使用的云服务。

目前国内外对传统网络化制造模式下的制造资源服务化封装已有较多研究，如文献[4]提出了一种基于移动Agent的制造资源封装方法，文献[5]在事件驱动制造环境下提出了一种基于服务总线的制造服务封装和集成机制，文献[6-9]研究了基于WSRF的制造资源封装。但由于这些研究方法主要是针对传统网络化制造模式而展开的，并不能直接运用于云制造模式中。

然而，对云制造环境下资源服务化封装问题的研究近几年才刚刚开始。文献[10]提出了云制造资源虚拟化框架并对其关键组成部分进行了研究，分析了云制造资源虚拟化的相关技术，为云制造资源封装提供了理论依据，但没有给出资源封装的具体实现过程。文献[11]提出了一种基于资源云服务的资源封装、发布和发现模型，实现了基于.Net平台的制造资源封装，但并不满足云制造资源跨平台共享的要求。文献[12]建立了一种基于Web服务的云制造软资源封装架构，对软制造资源的封装模型进行了描述，并给出了软资源封装的一般流程，但是并未探讨云制造环境下硬制造资源的服务化封装问题。

综上可知，云制造环境下资源服务化封装问题的研究对象多以软制造资源封装为主，而对硬制造资源的封装研究则相对较少。因此，本文在已有的研究工作基础上，根据云制造环境下硬制造资源的特点，首先对制造设备资源进行了分类，并给出制造设备资源的形式化描述，然后提出了一种制造设备资源服务化封装方法，最后以一个具体实例分析并说明该方法的可行性和高效性。

1云制造相关理论

1.1云制造技术

云制造是在云计算技术的基础上拓展和延伸出来的一种面向服务的网络化制造新模式，它将现有的网络化制造和面向服务技术同云计算、物联网、高性能计算等技术融合，实现对各类制造资源和制造能力的统一、集中、智能化管理和经营，进而为各类用户提供及时、安全、优质廉价的制造云服务[13]。

资源服务化封装技术是支撑和构建云制造平台的核心技术之一，是实现服务搜索、匹配、评估、组合等制造服务管理的基础。所谓资源服务化封装技术，是指将物理制造资源和软件等资源转化为逻辑制造资源, 解除制造资源与制造应用之间的紧耦合关系,实现物理资源到虚拟资源的映射，由服务提供者对云制造资源进行统一描述并将其加入到云制造资源池中，以供服务使用者通过云制造平台查询并使用云服务[2-3,14]。

1.2云制造资源的分类

资源分类就是把某些具有共同属性和特征的资源归并于一起，是资源描述与建模的前提和基础，为最终实现资源的服务化封装提供了支持。云制造所共享的资源类型主要包括制造资源和制造能力[15]。其中制造资源可分为硬制造资源、软制造资源和其他资源。

硬制造资源主要包括生产加工过程中所使用的各种制造设备资源、计算设备资源和物料资源。其中，制造设备资源是指产品整个生命周期过程中所使用到的生产、加工、实验、仿真等各类物理设备，如切削设备、铸造设备、锻压设备、焊接设备、热处理设备、监测设备、生产线、仿真设备和实验设备等，而切削设备作为制造生产中的主要设备，可如表1对其进一步细分；计算设备主要是指支持制造企业和云制造平台运行的各类存储器、运算器、服务器等计算系统硬件基础设施，如高性能存储器、高性能服务器等；物料资源就是生产某类产品所用到的原材料、毛坯和半成品等。

软制造资源主要是指软件资源、技术资源和人力资源。其中，软件资源是指产品设计、仿真、分析和加工过程中所涉及到的各类系统软件和应用软件，如AutoCAD、SolidWorks、Ansys、Adams等；技术资源是指产品全生命周期过程中所累积的设计标准、工艺规范、经验模型、营销、产品案例库等资源；人力资源就是在产品整个生命周期过程中，具备从事某类操作、技术应用和管理等活动的团队或专业技术人员，如操作人员、设计专家、管理人员等。

其他资源是指除上述硬制造资源和软制造资源分类之外的资源集合，例如用于记录资源提供者和资源使用者的用户基本信息资源，为云服务使用者提供各类信息咨询、培训、物流服务和售后等服务的服务资源，用于根据用户提交请求匹配最优服务的业务流程服务管理资源等。

表1　切削设备分类表

2制造设备资源虚拟化描述模型

2.1制造设备资源形式化描述

资源虚拟化描述可以为有关资源封装、资源发现、资源匹配、资源评估和资源共享等环节提供重要信息。在云制造环境下，直接对具有自治性、分布性、多样性、动态性、独立性和异构性的制造设备资源进行统一建模，工作量大且复杂。应以一种全局的角度去分析并理解制造设备资源的特点，从而加快对制造设备资源统一建模和描述。由于形式化描述方法具有易于理解、分析能力强、与具体细节无关性等特点，本文首先根据制造设备资源的本质和特点对其进行形式化描述。

利用一个五元组对制造设备资源进行形式化描述，可表示为：CloudMachine=。

基本属性(ResBasic)用于描述制造设备资源的基本信息，可形式化描述为ResBasic=。其中，ResID为制造设备资源的唯一标识；ResUserID为制造设备资源提供者的唯一标识；ResName为制造设备资源名称；ResType为制造设备资源类型；ResMainfunction为制造设备资源主要功能；ResManufacturer为制造设备资源生产厂家；ResProvider为制造设备资源提供者；ResLocation为制造设备资源所在地；ResContact为制造设备资源的联系方式；ResUseMode为制造设备资源使用方式，主要包括租赁、购买。

功能属性(ResFunction)用于描述制造设备资源的主要功能，可形式化描述为ResFunction=。其中ResMainpp为制造设备资源主加工参数；ResSecondpp为制造设备资源第二主参数 ； ResAxesnumber为制造设备资源坐标轴数；ResSpindletravel为制造设备资源主轴行程；ResTablesize为制造设备资源工作台尺寸；ResTabletravel为制造设备资源工作行程；ResCstype为制造设备资源控制系统类型；ResMachiningaccuracy为制造设备资源加工精度；ResSurfaceroughness为制造设备资源可达到的表面粗糙度。

使用属性(ResApplication)用于描述资源使用特征相关信息，可形式化描述为ResApplication=。其中ResValidtime为制造设备资源可用时间；ResCost为制造设备资源价格标准；ResUsdegree为制造设备资源用户满意度。

状态属性(ResState)描述资源在整个云制造中运行的生命周期情况，可形式化描述为ResState=。其中，ResCurrentstate为制造设备资源当前状态属性，主要包括维修、空闲、未满负荷、满负荷、超负荷和失效；ResCompletedtask为制造设备资源已经完成的任务；ResQueuetask为制造设备资源排队等待的加工任务。

质量信息(ResQuality)描述资源提供服务的能力，可形式化描述为ResQuality=< ResQRate，ResDescompliance，ResTimeliness >。其中ResQRate为制造设备资源产品加工合格率；ResDescompliance为制造设备资源服务描述符合度，ResTimeliness 为制造设备资源服务及时性。

2.2制造设备资源描述实例

根据上述给出的描述模型，下面利用XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)对一个可供外协加工的ZK5150型号的立式数控钻床进行具体描述，代码如下：

0.02

3.2

3制造设备资源的服务化封装

3.1开发平台和工具的选择

目前，用于Web服务开发的主流平台有J2EE平台和Microsoft.NET平台两种。由于J2EE平台具有可伸缩性、灵活性、易维护性和开源性好的特点，本文选用开源软件丰富的J2EE平台产品Eclipse来构建云制造服务。

JAX-WS的全称是Java API for XML-Based Web Service，用于开发和构建Web服务。该技术提供了较为完整的Web服务堆栈，可减少开发与部署Web服务的工作量。在利用JAX-WS开发Web服务时，开发者可通过Java程序定义远程调用所需要的服务端点接口 SEI (Service Endpoint Interface)，然后提供相应的实现即可方便地开发 Web 服务。用户在开发客户端时，可利用JAX-WS的应用程序编程接口来构建代理并调用远程服务器端[16]。

JAX-WS带来的益处很多，可以很方便地用于开发、发布和访问Web服务。因此，本文利用Web服务技术来实现制造设备资源的服务化封装，通过JAX-WS来开发Web服务，采用WSDL(Web Services Description Language)对Web服务进行描述，并编写相应的客户端调用Web服务。

3.2制造设备资源服务化封装方法

首先，将前述制造设备资源形式化描述信息映射为一个类模板VirtualMachine，其类图如图1所示。

图1　 虚拟化类模板VirtualMachine的类图

然后，利用VirtualMachine类模板对制造设备资源进行虚拟化，并利用JAX-WS开发Web服务并对制造设备资源进行服务化封装，具体实现过程如图2所示。

图2　服务化封装过程实现步骤图

3.3制造设备资源服务化封装实例

例如，一个零件需要进行钻削以完成成品加工。首先，可利用VirtualMachine类模板对一个可对外提供钻削服务的钻床资源进行虚拟化，得到CloudDrilling。然后,通过JAX-WS的Annotations添加相应标注，并利用JDK(Java Development Kit)的wsgen工具执行相关命令生成服务器端的辅助类。最后,编写服务器端启动程序并利用Endpoint的publish方法即可将钻削加工服务发布到注册中心。如图3所示，当服务发布成功后会显示提示信息和发布到注册中心的云服务查看地址。

Web服务以WSDL形式被描述，因此可以在浏览器中输入http://localhost:8086/CloudDrillingService?wsdl来查看云服务，如图4所示。

图3　云服务发布结果

图4　云服务查看结果

开发服务器端并成功发布Web服务后，就可以通过JDK的wsimport工具执行相关命令生成WSDL对应服务地址的客户端辅助类，然后编写相应的客户端测试类即可访问并调用Web服务。调用结果如图5所示。

图5　云服务调用结果

4结束语

本文讨论了云制造资源的分类，对制造设备资源进行了形式化描述，然后将形式化描述信息映射为一个用于虚拟化的类模板，以一个可对外提供钻削服务的钻床资源为例，利用JAX-WS工具实现了制造设备资源服务化封装并验证了该方法的快速性和便捷性。下一步将对云制造环境下设备资源的发现、选择和分配进行研究。

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(编辑赵蓉)

Service Encapsulation Method of Equipment Resources in Cloud Manufacturing Environment

YI An-bin, ZHOU Hong-fu

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract：With the development of cloud computing, internet of things, service-oriented technology, a new knowledge-based networked manufacturing model called cloud manufacturing, is emerging in the manufacturing area. Service encapsulation of manufacturing resources is one of the key technologies in cloud manufacturing. To accelerate the encapsulation process of manufacturing equipment resources, a new encapsulation method of manufacturing equipment resources was proposed. Firstly, the manufacturing equipment resources were classified and a formal description of which was given on the basis of the characteristics of manufacturing resources in cloud environment. Then the description information was mapped to a class template for virtualization, and a service encapsulation method of manufacturing equipment resources was presented. Finally, an example was used to verify the feasibility and convenience of this method.

Key words：cloud manufacturing; manufacturing equipment resources; virtualization; service encapsulation

文章编号：1001-2265(2016)05-0151-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.041

收稿日期：2015-06-16

*基金项目：国家自然科学基金项目(51175187)；东莞市科技计划项目(2012108102010)

作者简介：易安斌(1990-)，男，湖北广水人，华南理工大学硕士研究生，研究方向为数字制造及计算机控制、云制造，(E-mail) yanb9102@163.com；通讯作者：周宏甫(1958—)，男，湖北汉川人，华南理工大学教授，博士，研究领域为制造系统计算机控制，(E-mail) mehfzhou@scut.edu.cn。

中图分类号：TH164;TG506

文献标识码：A