云制造环境下生产加工云能力服务

王中杰;杨琛;张新;陈立敏;赵明明

【摘 要】To form feasible and intelligent manufacturing clouds, the semantic description mechanism and model based on ontology were established by analyzing properties, components and features of Production and Processing Clouds （PPC） in cloud manufacturing environment. The architecture of Production and Processing

Manufacturing Clouds Capability Service（PPCCS） was investigated on focus, and intelligent search and automatic matching of PPCCS were realized, thus self-decomposition and service aggregation of Production and Processing Tasks（PPT）was achieved. Experiments proved that the architecture and methods for PPCCS based on ontology was accurate and feasible.%为形成合理、智慧的制造云,在详细分析云制造环境下生产加工云的属性、构成及特点的基础上,建立基于本体的生产加工云语义描述机制和模型,重点研究了生产加工云能力服务的体系架构,实现了生产加工云能力服务的智能搜索和自动匹配,达到了生产加工任务的自主分解和服务聚合。通过实验研究表明,所提的基于本体的生产加工云能力服务体系架构和方法具有准确性和可行性。 【期刊名称】《计算机集成制造系统》 【年(卷),期】2012(018)007 【总页数】8页(P1453-1460)

【关键词】云制造;生产加工云;云能力;本体;语义

【作 者】王中杰;杨琛;张新;陈立敏;赵明明

【作者单位】同济大学电子与信息工程学院,上海201804;同济大学电子与信息工程学院,上海201804／上海海洋大学工程学院,上海201306;同济大学电子与信息工程学院,上海201804;同济大学电子与信息工程学院,上海201804;同济大学电子与信息工程学院,上海201804 【正文语种】中 文 【中图分类】TP391 0 引言

我国是全球制造业大国，但本国制造企业普遍存在制造资源和制造能力不均衡、资源闲置与资源短缺并存、能力过剩与能力不足同在的问题。随着网络经济和经济全球化的发展，传统的制造环境和制造模式也在随之发生改变，集成化、协同化、网络化的制造模式在制造业越来越成为趋势。在过去十几年中出现了一些具有代表性的网络化制造模式，例如应用服务提供商、敏捷制造、制造网格、全球化制造等。然而由于在服务模式、制造资源的共享与分配技术、安全等方面存在的问题和局限性［1］，大大制约了网络化制造的发展。随着云计算的推广和应用，李伯虎院士提出了云制造（Cloud Manufacturing，CMfg）这一制造新模式，并指出云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化、敏捷化制造新模式和技术手段，它利用网络和云制造服务平台，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服务，它将促进制造的敏捷化、服务化、绿色化和智能化［1，2］。 目前，云制造已成为业界学者研究的热点，并从不同角度对云制造的内涵进行了阐述［3－6］。本文认为，云制造是云计算、物联网、物理信息融合系统、嵌入式

系统与网络化制造等高新技术相互融合的产物，是云计算服务模式在制造业领域的应用与拓展。云制造面向用户提供制造云服务，即利用云技术和虚拟化技术，将分布、异构的制造资源、制造能力虚拟化和网络化，通过建立自治、合理、智慧的制造云，为用户提供按需获取的动态组合的制造服务，实现制造资源的共享、优化与协同，达到降低资源使用成本、提高资源利用效率的目的。

面向用户提供按需、快捷和安全的制造云服务是云制造的核心，因此如何构建制造云是实现云制造服务的关键。目前的研究大都处于对云制造概念、框架体系和关键技术分析方面［3－7］，对于如何组建制造云，实现云内和云间的安全交互与动态组合，尚缺乏有效的解决手段。因此，本文在详细分析云制造环境下制造资源云能力的属性、构成及特点的基础上，建立了生产加工云能力的语义描述机制和模型，重点研究了生产加工云能力服务的体系架构，实现了生产加工云能力的智能搜索和自动匹配，达到了生产加工云服务的自主分解和聚合。 1 云制造环境下生产加工云能力服务体系架构

按需服务是云制造的核心，通过提供制造云共享服务，可优化各企业的制造资源，使“分散资源集中使用”和“集中资源分散服务”。图1所示为云制造的应用服务模式。

在云制造应用服务过程中，基本的角色参与者分为三类，他们通过各种制造云共享实现制造全生命周期的制造服务。其中：①云制造服务消费商，即云制造服务的需求者和使用者，通过云制造平台按需获取制造云／云组合服务，如制造加工、产品设计、产品运营等；②云制造服务提供商，提供制造全生命周期（设计、仿真、生产加工、物流）涉及的各种制造资源和制造能力，并将资源和能力抽象、虚拟化后以制造云的形式接入云制造平台，以云服务的形式出现；③云制造服务平台运营商，是云制造平台的管理和运营者，作为第三方接入云制造平台，提供平台运行机制，

维护和监管平台的整体运作和经营。

定义1 制造云。制造云是云制造服务提供商提供的经过抽象和虚拟封装后的制造资源和制造能力。云制造中的制造资源是广义的概念，涉及制造产品全生命周期的所有软件、硬件，包括制造设备资源、物料资源、计算资源、服务资源、人力资源和设计资源等；制造能力指基于制造资源提供满足某项特定制造任务的能力。制造云类型多样，如生产加工云、设计云、计算云、测试云、软件云和知识云等。 其中，生产加工云是实现云制造的重要环节，本文着重讨论云制造环境下生产加工云能力的服务。

1．1 生产加工云构成及特点

定义2 生产加工云（简称加工云）。加工云是对生产加工过程中涉及的所有制造资源的抽象、聚集和封装，以服务的形式提供虚拟的生产加工制造资源信息的动态实体。加工云涵盖广义的制造资源，其主要构成和属性如图2所示。

由于生产加工资源有涵盖领域广、类型多样、形式各异、粒度区分大等复杂特征，加工云具有以下特点：

（1）分布性 加工云分布在不同的物理地址和网络地址，所对应的制造资源分布在不同地域，生产加工云属于不同的提供商（企业）。

（2）多样性 加工云种类繁多，包含各种各样的制造资源，如机床、加工中心、企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）软件、管理能力、生产加工工艺、生产加工知识等。完成一项产品的生产加工往往涉及诸多工艺，以及多种生产加工设备、人员和制造能力。

（3）异构性 如生产加工资源自身属性的异构、制造能力的异构、虚拟化形式的异构、数据格式的异构等。

（4）自治性 加工云的所有者不同。加工云具有相对独立的运行和管理机制，当云

间交互时需要进行协商。

（5）流动性 加工云是不断“流动”的，包括云的增加、消失、属性变更等。 （6）分解／聚合性 针对某一服务请求，加工云存在服务分解和服务聚合的特性。 由于云制造环境下的加工云具有上述特点，需要一种良好的描述手段、机制和架构来保证加工云能够快速、准确、高效地响应服务请求。本文从云制造服务的模块化出发，引入基于本体的语义描述技术对加工云进行统一描述，提出了基于本体的生产加工云能力服务体系架构，并通过语义推理实现了生产加工云能力服务的动态匹配、分解／组合和优化。 1．2 加工云能力服务体系架构

定义3 生产加工云能力服务（简称加工云能力服务）。加工云能力服务是以生产加工任务为目标，以云能力为核心，通过组织生产加工云为企业按需提供生产加工全生命周期应用的制造服务。加工云能力服务包括车、铣、刨、磨等生产加工设备能力服务、计算服务、装配服务等，在云制造平台上支持加工云能力服务的描述、服务匹配、服务组合、服务调度与优化和服务监控等。

基于上述对加工云和加工云能力服务的讨论，提出了如图3所示的基于语义的加工云能力服务体系架构，包括加工云能力服务封装层、云化层、发现层、优化调度层和监控层。

（1）加工云能力服务封装层

封装层提供统一的形式化描述规则，对即将接入云制造服务平台的生产加工资源和加工云能力服务请求进行标准化的语义描述，实现基于语义的信息封装，这是实现加工云能力服务的基础。 （2）加工云能力服务云化层

云化层是加工云能力服务提供商和消费商按照标准格式对已封装的服务进行注册和发布。加工云能力云化为不同的生产加工云并构成云资源池，支持云制造环境下的

各种生产加工服务。加工云能力服务请求发布到平台成为服务需求。 （3）加工云能力服务发现层

发现层是云制造服务平台根据用户提出的服务请求，利用语义推理规则，在加工云资源池中进行服务搜索、发现与匹配。加工云能力服务发现分为两个阶段：当服务请求任务是原子任务（不可分解任务）时，直接根据服务名查找得到匹配的加工云能力服务；否则为复杂任务，可按推理规则对任务进行分解，利用语义推理完成加工云分解和组合实现加工云能力服务发现。 （4）加工云能力服务优化调度层

当加工云能力服务的解决方案不唯一时，需要根据云服务请求对所有可提供的服务进行优化排序，以使用户可优先选择最好的服务。同时，将服务方案作为生产加工服务知识存入云资源池，以供后续服务应用。 （5）加工云能力服务监控层

监控层实现生产加工服务全过程的质量控制和状态监测，包括加工云服务质量评价、跟踪、监测和服务知识管理。用户可对每个生产加工云的服务质量进行评价，并直接反馈给每个生产加工云，并自动更新其相应的属性值，以便后面的客户选择服务时进行参考。

2 基于本体的加工云能力服务语义描述

企业对生产加工资源、能力和相应的服务需求在描述上通常是模糊和不完备的，在加工云抽象和虚拟化的过程中也常常因为抽象标准、描述语言及主体对象不同，造成相同术语用于不同概念或不同术语却指同一实体的问题。为消除歧义，解决生产加工云的异构问题，本文利用本体技术构建加工云，实现基于语义的加工云能力服务。本体包括加工云领域本体和加工云服务本体两部分，下面分别进行阐述。 2．1 加工云领域本体

2．1．1 加工云领域本体类

加工云领域本体是对生产加工制造资源及生产加工能力的抽象和规范化说明，依据生产加工制造资源基本分类知识，并结合专家意见，通过建立领域本体类等本体元素，实现加工云领域本体。在领域本体中包括五个基本类：

（1）生产加工能力类（MC＿Capability） 描述生产加工企业所能提供的生产加工能力。由于在生产加工服务提供过程中，企业更注重提供产品加工参数，在该类中以生产加工零件和成品进行子类划分。

（2）生产加工能力资源类（MC＿Resource） 这是企业所拥有的生产加工制造资源，用于提供相应的生产加工制造能力。

（3）生产加工过程类（MC＿Process） 指一系列蕴含大量知识和经验的生产加工活动和生产加工工艺，属于动态类集合。

（4）生产加工能力指标类（MC＿Indicator） 用于描述生产加工制造云能力性能、服务质量、交易形式和对云服务需求的指标。

（5）生产加工企业类（MC＿Enterprise） 描述生产加工企业的基本情况。 上述五个基本类以生产加工能力类为中心，生产加工企业类提供加工能力，生产加工能力资源类是实现能力的硬件基础，生产加工能力指标是对生产加工能力的状态、服务质量（Quality of Service，QoS）和关键信息的描述，生产加工工艺类是提供生产加工能力服务的工艺流程和知识依据。企业在提供生产加工能力时可以是整体提供，也可以依据生产加工工艺类对加工服务的分解提供部分和组合的生产加工能力服务。

2．1．2 加工云领域本体类属性

加工云领域本体中的类的层次关系复杂，语义关系丰富，在加工云领域本体中定义了abilityResource＿Ability，abilityResource＿Indicator，ability－Resource＿Node，ability＿Enterprise，manufacturing－Node，process＿Ability，

process＿Resource和process＿Process八个类属性，每个类属性还包括不同的子属性。通过属性的定义实现了本体类与类间的相互约束和联系，如类属性 Resource＿Node｛hasResource，resourceBelongTo｝定义生产加工能力资源类与生产加工企业类的关系，resource＿Ability｛ability＿is，implemented＿by｝定义生产加工资源类与生产加工能力类间的关系。通过该属性可以明确某个生产加工企业能够提供哪些生产加工资源，并且能够提供何种加工云能力服务。 2．2 加工云能力服务本体

本文对Web服务本体描述语言（Web Ontology Language for Service，OWL－S）中的Service类在云制造环境下进行了拓展，构建了加工云能力服务本体。 定义4 任一加工云能力服务定义为一个MC＿Service上层本体，其本体模型为 MC＿Service｛MC＿ServiceProfile，MC＿Service－Model，MC＿ServiceGrounding｝。

（1）MC＿ServiceProfile 描述加工云能力服务功能。服务提供商和消费商都可以通过MC＿ServiceProfile来描述生产加工服务基本信息，包括IOPE（Input，Output，Precondition，Effect）、QoS等本体类。加工云能力服务发现模型通过该类实现服务匹配，寻找到满足服务请求者需求的MC＿Service。

（2）MC＿ServiceModel 描述加工云能力服务流程，即服务的具体实现细节。OWL－S中定义了原子过程、简单过程和组合过程三种类型服务过程。原子过程是不能再分解的最小服务；组合过程由原子过程或粒度更小的组合过程组成，每个过程的分解与组合利用控制结构实现；简单过程是虚拟服务形式，不可调用。在加工云能力服务本体中采用两个可调用过程对应生产加工中的原子服务和组合服务，即生产加工服务中的简单零件加工和复杂产品加工。在服务发现过程中基于生产加工工艺和产品结构，依据顺序控制策略来实现生产加工云能力服务的分解和组合。 （3）MC＿ServiceGrounding 描述如何获得加工云能力服务，即加工云能力提

供者的访问地址、获取方式、通信形式等。

通过服务本体与领域本体的融合，实现了加工云能力服务的本体描述，其结构如图4所示。

3 基于本体的生产加工云能力服务发现

加工云能力服务本体和领域本体是加工云在网络上的虚拟表现形式，为加工云能力服务的发现、匹配和组合提供了语义基础。加工云种类多样，生产加工需求也复杂，因此向云服务需求者提供合适的生产加工云服务是一个较为复杂的过程。云制造中的资源节点和制造网格不同，其并非完全自治，即针对用户的服务请求，可利用制造云的动态分解和动态组合，按需提供不同粒度的组合服务。因此，在加工云能力服务平台上，本文提出基于本体的生产加工云能力服务发现模型，如图5所示。发现模型中，基于语义推理规则进行加工云能力服务搜索，并在不改变原有服务组件的基础上，实现生产加工云的动态分解和组合，产生新的加工云能力服务，能够为系统带来更大的灵活性和稳定性。 （1）加工云能力服务需求语义拓展

加工云能力服务请求进行查询之前必须完成语义拓展，获得服务请求文本，并基于加工云能力服务本体生产扩展后的规范服务请求文本。由于消费商通常不是领域专家，对于生产加工服务的描述不明确或不规范，需要根据加工云领域本体对其进行概念的标准化，建立统一的表现形式，从而便于加工云能力服务消费者以标准的云服务本体语言对云服务查询请求进行描述。 （2）加工云能力服务解析器

标准化的加工云能力服务请求本体需要通过服务解析器解析出用户的服务语义，包括服务目标解析、服务过程解析和服务质量需求解析。利用服务的三个上层本体类（MC＿ServiceProfile，MC＿ServiceModel，MC＿ServiceGrounding），解

析出服务的具体需求，解析生产加工云能力服务请求的生产加工对象、目标、质量需求、加工工艺等信息并提取存放，为下一步服务匹配所用。

（3）加工云能力服务推理机

加工云能力服务推理机通过本体上下文和语义逻辑，对服务请求解析文本进行服务推理。针对复杂服务请求，可以依据控制结构、生产加工工艺进行分解，分解后可以形成粒度更小的复杂服务或原子服务请求，形成小粒度的生产加工云能力服务，从而实现加工云分解。 （4）加工云能力服务匹配器

在匹配规则、领域本体和服务本体的支持下，由匹配器对推理后的加工云服务和小粒度的分解云进行语义匹配。匹配过程包括加工云能力服务的服务基本匹配、服务目标匹配、服务过程匹配和QoS匹配。 （5）加工云能力服务组合

服务匹配后获取的多个加工云服务通过加工云组合器实现加工云的动态组合，并将组合加工云按照匹配度提供给用户，以供服务消费者择优选择。同时，获得的加工云组合作为生产加工服务配方，实时更新生产加工知识云。 4 实例应用

基于上述研究成果，本文基于Liferay平台开发了面向某集团企业的复杂产品云制造原型系统。该系统基于Protégé4＋OWLPlugin建立了复合生产加工云本体，提供包括基于制造云的加工云能力服务本体建模、注册、发布和本体更新；同时利用语义推理工具Jena进行加工云服务语义推理，完成加工云服务智能发现、匹配和动态组合等。原型系统的测试验证了本文提出的生产加工云能力服务思想和技术能有效地实现生产加工资源和能力的共享与协作。系统验证使用过程如图6所示，其主要步骤如下：

（1）加工云能力服务的提供商通过系统平台提供的标准注册界面进行加工云能力服务注册，利用领域本体和服务本体建立模型，自动生成新的本体并自动更新。新的云服务将发布到系统平台，供加工云能力服务搜索发现。

（2）加工云能力服务消费商通过系统平台提供的服务查询界面进行加工云能力服务需求注册发布。例如，航空某所注册了飞机舱体加工的服务请求，该请求注册后需经过语义扩展，以标准的服务请求文本形式发布到系统平台。

（3）服务请求发布后，利用上述加工云能力服务发现模式，在平台上对云服务启动搜索发现、匹配和动态组合过程。当申请服务的任务比较简单、一个服务提供商就可以满足要求时，称其为原子任务，否则称为复杂任务。根据任务性质的不同，生产加工云能力服务分为两种情况进行：①对于原子任务请求，首先通过系统平台在所有可提供的生产加工云能力中进行任务名（如舱体）的发现匹配，搜索到相同或相似的云服务后，再根据QoS（如加工数量、加工时间、加工等级、价格等）对所有搜索到的结果进行匹配度高低的排序，供消费商进行选择，同时将订单返回到服务提供商以确认形成有效的加工订单；②对于复杂的任务请求，首先需要根据工艺、结构等对生产加工的云服务请求进行任务分解，获得完成该生产加工任务的各原子任务，找到能提供相应原子任务服务的生产加工能力本体，再进行QoS的匹配，最终获得能够满足消费商需求的生产加工云组合服务，并将该服务请求和组合返回给消费商和提供商确认。 5 结束语

本文重点研究了云制造环境下的生产加工云能力的封装及制造云服务具体实现的问题。在服务发现模型中基于语义推理，采用制造云动态分解和动态组合策略，完成了生产加工云能力服务的搜索和匹配，体现了云制造服务的灵活性。开发了原型系统，进一步验证了本文所提出的生产加工云能力服务思想和技术的有效性。

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