中小企业云制造服务平台的资源虚拟化实现

张朱玲

（泉州海洋职业学院，福建 泉州 362700）

0 引言

全球化的今天，随着制造业网络化、服务化发展，企业协同合作已成为常态，云制造[1]作为网络环境下的一种服务化的制造新模式应运而生。云制造服务平台是利用云计算、移动互联、物联网等技术将企业中闲置的物理资源封装聚集，并虚拟化成对应的平台资源，以对外提供服务。有资源需求的企业可以根据生产需要随时随地，智能便捷地获得相应的优质制造资源。建设云制造服务平台是现阶段制造业发展的需要，能有效支持资源相对有限的中小企业，以实现制造资源共享，促进制造业高效智能地发展。

云制造服务平台的特点就是“集中分散的资源，集中的资源再分散服务”[2]，资源虚拟化是云制造平台实现的关键技术之一[3]，也是资源智能匹配与调度的基础。

1 制造资源

1.1 制造资源的分类

制造资源是制造资源和制造能力的集合，在产品的制造生产的整个生命周期中都是必需的。根据资源的属性，制造资源可分成设备资源，物料资源，软件资源，知识资源，人力资源和其它资源[4]。

（1）设备资源是用以生产、实验及办公的具有制造能力的设备，如加工机床，模具，检测设备，仿真设备，计算机，办公设备。

（2）物料资源指生产过程所需的原材料或半成品。

（3）软件资源是指设备中运行的各种类型的设计软件、仿真软件、管理软件、分析软件、编程软件及其它软件，如 CAD，ERP，CRM。

（4）知识资源是指制定的标准、手册、规则、方法、理念和典型案例。

（5）人力资源（简称HR），指具有某种技能、经验或管理能力的团队或者人员，如钳工、焊接工、设计师、司机等。

（6）其它资源，如形势与政策，市场供求信息，客户信息，产品反馈信息和各类信息数据。

1.2 制造资源的特点

云制造环境下的资源与网格制造等传统计算领域的资源不同，它更强调资源的虚拟化与服务化，以虚拟资源的方式存在，并对外提供服务。云制造资源具有以下特点：

（1）多样性。制造业领域众多，企业分布地域广泛，资源种类多样。

（2）可用性。云制造服务平台根据用户需求为其选择合适的资源或资源组合，及时完成制造流程。

（3）协同性。为完成特定服务，通常需要组合多个资源，这些资源的提供者可能来自不同的组织，组织之间协同完成制造流程。

（4）动态性。随着资源被分配给用户，新资源的加入以及资源组合方式的不同，云制造服务平台上的资源随之动态变化。

（5）虚拟性。制造企业将闲置的资源虚拟化处理，以虚拟资源的方式存储在云制造服务平台上，然后再以服务的方法将它们提供给平台用户。

2 云制造资源虚拟化

2.1 制造资源虚拟化过程

在云制造环境中，物理资源需要以统一的标准封装成虚拟资源，并以服务的方式提供给用户，实现制造业的集成化、服务化和智能化发展。云制造使用云计算、移动互联、物联网等技术深度融合制造资源，主要通过传感器、数据采集卡、RFID技术、二维码、ZigBee技术以及人工录入等方式识别种类繁多的物理资源。因此，云制造平台上的资源虚拟化主要通过以下过程完成：（1）建立资源的类型模板体系；（2）将类型模板实例化为类型；（3）将物理资源通过统一的描述方式接入平台；（4）为物理资源归类，建立虚拟资源；（5）按照约定的映射规则建立物理资源和虚拟资源之间的映射关系。

2.2 资源类型模板建立与描述

制造业中有许多子行业，不同行业的资源属性差异很大。使用模板的方式对资源类型进行统一建模与描述，资源类型模板应满足通用性、简单易用、可扩展性的基本原则[5]。使用模板可屏蔽部分技术细节，方便企业使用。云制造服务平台资源类型模板必须是可维护，并且可以根据需要添加、删除和修改，而资源类型和虚拟资源随类型模板更改而更改。当资源提供者发布资源信息时，可以定制与企业资源特征匹配的类型属性，以完成实例化过程，形成企业自己的资源类型描述，并进行自动资源归类。资源需求者根据自己的需要，以类型属性作为查询条件，查询相应类型的虚拟资源。

资源类型模板(RTT，Resource Type Template)，形式化描述为：RTT=(RId，RType，TypeAtrriInfo)。RId为类型模板ID，RType是类别，TypeAtrriInfo是抽象的类型属性。

2.3 物理资源描述

物理资源是指存在于现实制造企业中的资源，本文采用元模型[6]描述物理资源，物理资源(PR，Physical Resource)，可形式化描述表示为：PR=(PId，PBasicInfo，SubmitInfo，ProviderInfo，AtrriInfo)。其中PId是物理资源编号，PBasicInfo为资源基本信息，SubmitInfo为资源提交人信息，ProviderInfo为资源提供商信息，AtrriInfo为物理资源的相关属性。

2.4 物理资源与虚拟资源的映射规则

对物理资源进行统一描述后，制定物理资源与虚拟资源的映射规则显得尤为重要，再依据映射规则建立二者之间的映射关系，为物理资源封装成虚拟资源及将虚拟资源实例化为物理资源做铺垫。从制造资源或资源组合的功能入手，可以提出四种类型映射规则：1∶1(一对一映射)，1∶n(一对多映射)，n∶1(多对一映射)和m∶n(多对多映射)。

（1）1∶1。仅具备一种制造能力的物理资源被映射为一种虚拟资源。如宝轮电脑绣花机对应电脑绣花机。

（2）1∶n。具有多个制造能力的物理资源被映射成多种不同的虚拟资源。复合型人才具备多种工作能力，如一个技术工人会焊接、组装、维修，就可以映射多个虚拟资源。

（3）n∶1。需要组合多种物理资源才能满足一个需求，将该资源组合映射为一种虚拟资源。如组合司机与车辆等资源，协同完成物流服务。

（4）m∶n。组合多种物理资源，该资源组合也能完成多种需求，就将该资源组合映射为多种虚拟资源。如3D打印机和瓷土组合可以打印出如碗、花瓶、杯子等不同种类的产品。

2.5 虚拟资源描述

虚拟资源(VR，Virtual Resource)是物理资源的抽象化表示。虚拟资源形式化描述为：VR =(VId，VBasicInfo，RTT，Mapping，Usage，SC)。

（1）VId为虚拟资源唯一标识；

（2）VBasicInfo是指虚拟资源的基本信息，可将它 形 式 化 为：VBasicInfo=(VName，Type，Unit，Price，Total，Description)，其 中，VName 表 示 虚拟资源名称，Type是资源所属类别，Unit指单位，Price为租用单位资源的价格，Total为总数量，Description是对虚拟资源的描述；

（3）RTT为对应的虚拟资源类型描述；

（4）Mapping是指物理资源与虚拟资源之间的映射关系，形式化描述为：Mapping=(MId，PRSet，MType，PRLogic，Constraint)，Mid 为 映 射 ID，PRSet表示参与映射的物理资源集合，MType是二者的映射规则，PRLogic是物理资源的逻辑描述，而Constraint是映射过程中的相互约束条件；

（5）Usage指虚拟资源的使用状况，可表示为：

Condition=(UseNum，RemainNum，State)。UseNum是已使用的资源数，RemainNum是剩余资源数量，State指的是资源的当前使用状态，如running、idle、waiting。

（6）SC为资源的服务能力[7]。资源的服务能力属性可以根据具体资源而定，主要包括需要的时间、成本、好评率和效益等几个指标[8]。

3 实例分析

笔者将本文所提方案应用于某中小企业云制造服务平台进行实例分析，对应的云制造资源虚拟化结构如图1所示。

图1 云制造资源虚拟化结构示意图Fig.1 Diagram of cloud manufacturing resource virtualization structure

步骤1-2：参照制造资源的分类，对物理资源进行抽象和聚集，建立资源类型模板，资源提供者自定义类型属性以形成企业A的资源类型描述，并完成类型模板实例化过程。然后，平台聚合相同类型模板的类型属性，以形成模板的类型库。

步骤3：采用元模型的方式对物理资源进行描述，通过对物理资源基本信息的描述，将物理资源集成到平台中。由于物理资源之间存在多样性和差异性，物理资源还需要提供自定义的描述，使得资源提供者可以更好更具体地描述物理资源。

图2 资源映射维护Fig.2 resource mapping maintenance

步骤4-5：结合资源分类和映射规则，使用资源虚拟化工具将物理资源虚拟化为虚拟资源，平台上虚拟资源的描述只需要体现资源基本的属性，比如名称、类型、单位、单价等。

步骤6：将审核的虚拟资源发布到虚拟资源池。

步骤7：当有资源需求时，资源需求者在平台上定义资源的需求条件并选择需要的资源分配策略。如电脑绣花机，选择服务能力最优策略。

步骤8：平台会根据资源分配策略对虚拟资源进行智能地查找和匹配，分配虚拟资源。

步骤9-10：根据资源分配结果，搜索映射关系，访问物理资源。如宝轮电脑绣花机资源的提供者、绣花机数量、使用价格、地址等详细信息。

步骤11：随着资源的被使用，资源使用状态也随之改变，云制造服务平台上资源数也相应减少。最后相关企业在线下完成互相之间的协同合作以保证制造生产的顺利完成[9]。

基于中小企业云制造服务平台资源虚拟化的实现验证了本文提出的资源虚拟化方案的可行性，在实际应用中也能够满足企业需求。图2为平台其中一个效果图－资源映射维护。

4 结论

本文结合资源分类和云制造环境中各种资源的特点，提出了资源虚拟化方案。该方案通过资源描述及资源类型建模、物理资源与虚拟资源映射规则的方式实现。方案已应用于中小企业云制造服务平台进行实例验证。本文只是对资源的虚拟化方案进行了一定的探讨和研究，对于整个云制造服务平台的探究和实现还需要进行更为深入的学习和研究[10]。