專利名稱：一種支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，即一種云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為支撐，以制造資源和制造能力的按需使用和動態(tài)協(xié)同為目的的新的先進制造系統(tǒng)，屬于分布式制造系統(tǒng)信息集成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，制造的服務(wù)化、基于知識的創(chuàng)新能力，以及對各類制造資源的聚合與協(xié)同能力、對環(huán)境的友好性已成為構(gòu)成企業(yè)競爭力的關(guān)鍵要素和制造業(yè)信息化發(fā)展的趨勢。而我國制造業(yè)正面臨從生產(chǎn)型向服務(wù)型、從價值鏈的低端向中高端、從制造大國向制造強國、從中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵歷史時期。因此，為尋找新的發(fā)展機遇、市場空間及提高企業(yè)自身的管理水平，迫使制造企業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展觀念，改變傳統(tǒng)制造模式，提升制造業(yè)信息化水平。便在這種新的市場需求和先進信息技術(shù)驅(qū)動背景下，北京航空航天大學(xué)李伯虎院士、張霖教授及其團隊于2009年6月首次提出了云制造的理念，引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。云制造是網(wǎng)絡(luò)化制造、ASP平臺、制造網(wǎng)格和云計算等概念和技術(shù)的延伸，是一種面向服務(wù)的、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡(luò)化、敏捷化制造新模式。它融合現(xiàn)有信息化制造技術(shù)及云計算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計算等信息技術(shù)，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務(wù)化，構(gòu)成制造資源和制造能力池，并進行統(tǒng)一的、集中的智能化管理和經(jīng)營，實現(xiàn)多方共贏、普適化和高效的共享和協(xié)同，通過網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質(zhì)廉價的服務(wù)。目前，國外發(fā)達國家針對服務(wù)化制造已開展了一些相關(guān)的研究，并已取得了一定的成果。如美國搭建了目前世界上最大的制造能力交易平臺MFG，致力于為全球制造業(yè)伙伴提供更加快捷高效的交易平臺。美國越野賽車制造廠Local-Motors, com通過眾包的方式， 將汽車的全部個性化設(shè)計與制造過程眾包給不同社區(qū)，僅用18個月的時間，就在干洗店大小的微型工廠里實現(xiàn)了汽車從圖紙設(shè)計到上市。此外，歐盟第七框架于2010年8月啟動了制造云項目(ManuCloud，Project-ID J60142)，總投資500多萬歐元，目的是在一套軟件即服務(wù)(software-as-a-service)應(yīng)用支持下為用戶提供可配置制造能力服務(wù)。云制造綜合了敏捷化、服務(wù)化、綠色化、智能化等先進思想，是網(wǎng)絡(luò)化制造的一種新發(fā)展，是面向服務(wù)制造理念的具體體現(xiàn)，云制造將成為先進制造模式發(fā)展下一個時期的典型代表，也是制造業(yè)信息化未來的發(fā)展趨勢。但云制造的相關(guān)研究目前仍處于起步階段， 在模式、技術(shù)及應(yīng)用等各個方面，都還有許多有待深入探討的課題。制造云系統(tǒng)是云制造的核心，是實現(xiàn)云制造的關(guān)鍵，也是云制造理念“落地”的基石，因此，如何構(gòu)建支持制造資源和制造能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，是云制造模式亟待解決的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外尚未有公開的文獻報道制造云系統(tǒng)的具體內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種支持服務(wù)按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠支持制造資源接入的智能感知、制造能力服務(wù)化、服務(wù)全生命周期需求，且支持智能，服務(wù)按需共享，結(jié)構(gòu)靈活、層次清晰，可擴展性強。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，包括云端資源感知子系統(tǒng)、云端資源虛擬接入子系統(tǒng)、虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)、云服務(wù)的部署子系統(tǒng)和云服務(wù)綜合管理子系統(tǒng)，其中云端資源感知子系統(tǒng)對云端資源進行感知和識別，獲得云端資源的靜態(tài)標識信息和動態(tài)活動信息，同時構(gòu)建支持各類云端資源接入的適配器，然后搭建數(shù)據(jù)信息處理中心，實現(xiàn)感知信息和標識信息的預(yù)分析、聚合及預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時接入到制造云平臺中，為資源的虛擬化接入提供條件，為最終實現(xiàn)制造資源和制造能力的共享與協(xié)同提供支持；云端資源虛擬接入子系統(tǒng)根據(jù)云端資源感知子系統(tǒng)感知和識別的各類云端資源，采用虛擬接入方法，對各類云端資源虛擬接入到制造云平臺，形成各類虛擬資源并聚集在虛擬資源池中，所述虛擬資源池是指一個能按需使用虛擬資源的容器，為制造云平臺提供了資源基礎(chǔ)；所述云端資源分為制造資源和制造能力；所述制造資源是指物理存在的、 具有靜態(tài)傳輸介質(zhì)的一種資源形式，包括計算資源、制造設(shè)備資源、軟件資源和物料資源、 知識資源、人力資源等，如加工設(shè)備、仿真軟件、模型、知識、數(shù)據(jù)文檔等；所述制造能力是指制造企業(yè)為完成某一目標所需要的主觀條件，是一種無形的、動態(tài)的資源形式，是在制造活動中結(jié)合制造資源要素所表現(xiàn)出來的一種能力，包括企業(yè)的設(shè)計能力、仿真試驗?zāi)芰蜕a(chǎn)能力相關(guān)的無形資源；所述虛擬接入方法包括三種方式基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入、映像層次虛擬接入和應(yīng)用層次虛擬接入，所述基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入是針對制造資源中的基礎(chǔ)設(shè)施資源所采用的虛擬接入方式，就是實現(xiàn)硬件級別上的虛擬化；映像層次虛擬接入是針對制造設(shè)備資源和軟件資源的虛擬化接入方式；應(yīng)用層次虛擬接入是針對以提供數(shù)據(jù)信息資源的虛擬化接入方式；虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)結(jié)合云端資源感知子系統(tǒng)中感知和識別的云端資源，對云端資源虛擬接入子系統(tǒng)的虛擬資源池中形成的各類虛擬資源進行服務(wù)化封裝，即對各類虛擬資源進行描述、發(fā)布和注冊操作，最終以云服務(wù)的形式發(fā)布到制造云平臺中；云服務(wù)部署子系統(tǒng)根據(jù)虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)中形成的不同類型云服務(wù)，并結(jié)合云服務(wù)在制造云平臺中運營模式及云服務(wù)提供者的參與情況，實現(xiàn)對云服務(wù)的部署，所述云服務(wù)的部署分為面向完全托管服務(wù)部署和面向半托管服務(wù)部署兩種方式；所述面向完全托管服務(wù)部署指云服務(wù)的運行、管理能夠全部移植到制造云平臺中，由制造云平臺對云服務(wù)運行、調(diào)度和容錯進行管理，云服務(wù)提供者僅需在服務(wù)發(fā)布過程中提交服務(wù)的屬性信息以及虛擬接入時配置該服務(wù)的運行環(huán)境和參數(shù)，并且提供服務(wù)的及時更新，其運營管理等完全由云制造平臺來托管；所述面向部分托管的服務(wù)部署指云服務(wù)僅將部分運行、管理工作移植到制造云平臺中，云端資源的運行管理需由云端資源提供者與制造云平臺共同來完成。所述云端資源感知子系統(tǒng)具體實現(xiàn)過程為
(1)首先進行資源識別，采用射頻識別技術(shù)和傳感技術(shù)通過讀取設(shè)備對云端資源的靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性進行感知，從而獲取資源的靜態(tài)標識信息，包括名稱、規(guī)格、功能及資源的活動狀態(tài)信息，并通過傳感網(wǎng)絡(luò)將各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖镜匦畔⑻幚碇行模?2)構(gòu)建支持各種資源接入的適配器，為最終用戶提供交互使用的功能；(3)在本地信息處理中心進行信息處理，實現(xiàn)各種標識信息、傳感數(shù)據(jù)信息的分析、預(yù)處理和聚合操作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時的接入到制造云平臺中，為資源的虛擬化接入提供條件。所述云端資源虛擬接入子系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入具體實現(xiàn)過程如下(1)通過云端資源感知子系統(tǒng)獲取本地基礎(chǔ)設(shè)施資源，基礎(chǔ)設(shè)施資源包括CPU、存儲器、I/O和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口相關(guān)信息；(2)通過配置適當(dāng)?shù)倪m配器或軟件，實現(xiàn)本地基礎(chǔ)設(shè)備虛擬接入制造云平臺中；(3)通過制造云平臺提供的相關(guān)管理軟件實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施資源的動態(tài)分配與管理。所述映像層次虛擬接入具體實現(xiàn)過程如下(1)將制造設(shè)備資源和軟件資源或適配接口部署到虛擬機中；(2)配置好滿足設(shè)備資源和軟件資源運行需求的虛擬機參數(shù)、變量、適配器驅(qū)動的環(huán)境條件，使得與本地物理機器控制云端設(shè)備具有相同的性能表現(xiàn)，從而實現(xiàn)云端設(shè)備與制造云平臺中虛擬機系統(tǒng)的映射關(guān)系；(3)通過虛擬機管理器(Virtual Machine Monitor, VMM)進行與硬件的通信以及對底層資源的共享與分配，實現(xiàn)對虛擬機映像資源的優(yōu)化配置。所述應(yīng)用層次虛擬接入實現(xiàn)為將數(shù)據(jù)信息，包括傳感信息、數(shù)據(jù)文檔、模型、物料信息和知識提交到制造云平臺中，由制造云平臺來實現(xiàn)對所提交數(shù)據(jù)信息的動態(tài)存儲和管理，資源提供者可以通過門戶來實時的更新已提交的數(shù)據(jù)和文檔資源信息。所述對虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)的虛擬資源池中的各類虛擬資源進行服務(wù)化封裝的具體實現(xiàn)過程為首先需對各類虛擬資源進行建模，構(gòu)建支持語義的資源描述模型 ’然后根據(jù)資源描述模型特點，選取相應(yīng)服務(wù)描述語言實現(xiàn)對資源服務(wù)的形式化描述，然后發(fā)布和注冊操作。感知信息包括資源的靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性，靜態(tài)屬性是指資源的標識信息，如資源名稱、功能、使用情況等靜態(tài)描述信息；動態(tài)屬性指資源的活動狀態(tài)，如資源在運行過程中的安全、可靠性等動態(tài)描述信息。所述運營模式則是指共享資源費用支付形式，如軟件資源的付費，即可以按次或按時間付費，也可以一次性購買永久許可，而硬件資源服務(wù)的使用付費，則主要是以任務(wù)為
計量單位。所述的服務(wù)提供者參與情況是指在資源服務(wù)使用和維護過程中，資源提供者所扮演的角色，如部分資源提供者只負責(zé)資源服務(wù)的定時更，運營交易交由平臺管理，另外的資源提供者則完全復(fù)雜資源服務(wù)的維護、運行等工作。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明的資源感知子系統(tǒng)中結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)anternet of things, IoT)、信息物理系統(tǒng)(Cyber physical systems,CPS)等技術(shù)，針對制造資源的特點和企業(yè)對云制造服
6務(wù)平臺的實際需求，按照云服務(wù)全生命周期生命線，對制造云系統(tǒng)中的制造資源和制造能力進行智能感知、虛擬接入、虛擬資源服務(wù)化、云服務(wù)的部署、云服務(wù)綜合管理等5個子系統(tǒng)進行了設(shè)計，從而滿足制造資源和制造能力的按需使用和動態(tài)協(xié)同的需求，具有支持制造資源接入的智能感知、制造能力服務(wù)化、服務(wù)全生命周期需求，系統(tǒng)支持智能，服務(wù)按需共享，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、層次清晰，可擴展性強等優(yōu)點。(2)本發(fā)明給出了資源虛擬接入的三種方式，根據(jù)不同類型的資源，將采用不同虛擬化方式，實現(xiàn)了分散資源到虛擬資源的映射過程，豐富了制造云平臺的虛擬資源池。(3)本發(fā)明的虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)中，首次給出了云制造模式下制造能力的定義，提出了制造能力服務(wù)化的思想，實現(xiàn)制造能力以服務(wù)的形式在制造云中進行流通和交易，并給了制造能力服務(wù)化的方法，豐富了傳統(tǒng)先進制造模式的資源共享范圍，如敏捷制造 (Agile Manufacturing, AM)、網(wǎng)絡(luò)化制造(Networked Manufacturing, NM)、面向月艮務(wù)的制造(Service Oriented Manufacturing, S0M)等。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖2為本發(fā)明的云端資源感知子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的云端資源虛擬化接入子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的制造能力的服務(wù)化描述模型圖；圖5為本發(fā)明的知識管理工具結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括云端資源感知子系統(tǒng)、云端資源虛擬化接入子系統(tǒng)、虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)、云服務(wù)部署子系統(tǒng)和云服務(wù)綜合管理子系統(tǒng)。云端資源感知子系統(tǒng)。根據(jù)云端資源的特點及分類，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、CPS等信息技術(shù)， 針對不同類型的資源，將采用不同感知技術(shù)，可分為硬資源感知、軟資源感知兩種。以實現(xiàn)對資源靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性的識別、活動傳感信息的采集、分析以及接入到平臺的各種適配器的構(gòu)造，并通過構(gòu)建數(shù)據(jù)信息處理中心，實現(xiàn)對海量感知信息及資源標識信息的分析、 預(yù)處理、聚合等操作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時的接入到制造云平臺中，為資源的虛擬化接入提供條件，為最終實現(xiàn)制造資源和制造能力的共享與協(xié)同提供支持；云端資源虛擬接入子系統(tǒng)。在通過資源感知系統(tǒng)獲取資源的感知信息后，結(jié)合資源的不同類型和特點，對于不同的資源采取不同的虛擬接入方法，主要包括三種方式基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入、映像層次虛擬接入和應(yīng)用層次虛擬接入。通過資源的虛擬接入，進而形成虛擬資源，并最終聚集在制造云虛擬資源池中，能夠?qū)崿F(xiàn)由平臺對虛擬資源自動的調(diào)度、 配置等管理，為支持產(chǎn)品全生命周期應(yīng)用提供資源基礎(chǔ)；虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)。完成資源的虛擬接入后，便實現(xiàn)了分散云端資源與虛擬資源的映射，此時，還需將虛擬資源池中的各類虛擬資源依據(jù)相關(guān)的資源描述規(guī)范，并選取合適的服務(wù)描述語言，進行統(tǒng)一的封裝，最終以云服務(wù)的形式發(fā)布到制造云平臺中。因此， 首先需對各類異構(gòu)虛擬資源進行建模，構(gòu)建支持語義的資源描述模型；然后根據(jù)資源描述模型特點，選取相應(yīng)服務(wù)描述語言實現(xiàn)對資源服務(wù)的形式化描述，常用的服務(wù)描述語言如SHOE、DAML+OIL、OffL等，但由于制造資源和制造能力復(fù)雜、多樣及不確定性等特點，這里將結(jié)合服務(wù)化需求過對現(xiàn)有的描述語言進行擴充和改進，如0WL-SP，作為云制造模式下資源服務(wù)的描述語言，并能實現(xiàn)對服務(wù)描述信息進行有效分類、存儲及信息的推理融合，最終實現(xiàn)對云服務(wù)的高效管理及優(yōu)化配置等操作提供支持。云服務(wù)的部署子系統(tǒng)。在虛擬資源服務(wù)化后，需要一個可伸縮性強的云服務(wù)部署平臺，來實現(xiàn)對制造云中的云服務(wù)進行集中、高效的管理。這里將根據(jù)云服務(wù)在平臺中運營模式及云服務(wù)提供者的參與情況，將對云服務(wù)的部署分為面向完全托管的部署、面向部分托管的部署。面向完全托管的服務(wù)部署指云服務(wù)的運行、管理能夠全部移植到制造云平臺中，由制造云平臺對其運行、調(diào)度、容錯等進行管理，云服務(wù)提供者僅需在服務(wù)發(fā)布過程中提交服務(wù)的屬性信息以及虛擬接入時配置該服務(wù)的運行環(huán)境、參數(shù)等，并且提供服務(wù)的及時更新等，其運營管理等完全由平臺來托管。面向部分托管的服務(wù)部署指云服務(wù)僅將部分運行、管理工作移植到制造云平臺中，資源的運行管理需由資源提供者與平臺共同來完成；云服務(wù)綜合管理子系統(tǒng)。為支持用戶能夠從制造云平臺中的按需使用云服務(wù)，需要提供面向云服務(wù)的綜合管理工具集。該工具集主要包括能根據(jù)用需求實現(xiàn)對云服務(wù)的智能匹配和評估工具，服務(wù)組合工具，知識管理工具、云服務(wù)交易控制規(guī)范工具等。在圖1中，結(jié)合上述功能系統(tǒng)模塊，詳細描述了制造云平臺構(gòu)建過程，及構(gòu)建過程中各功能模塊所起到的作用，其中云端資源感知子系統(tǒng)及虛擬接入子系統(tǒng)為制造云平臺形成提供了資源基礎(chǔ)，服務(wù)化子系統(tǒng)、云服務(wù)部署子系統(tǒng)及云服務(wù)管理子系統(tǒng)則為制造云平臺對云服務(wù)的高效管理提供了功能支撐。上述具體實現(xiàn)如下(1)云端資源感知子系統(tǒng)。在圖2中，對云端資源進行智能的感知、識別、信息的采集及接口適配等操作，并通過搭建數(shù)據(jù)信息處理中心，實現(xiàn)感知信息和標識信息的預(yù)分析、 聚合及預(yù)處理。首先進行資源識別。主要采用射頻識別技術(shù)(RFID、CRFID)、傳感技術(shù)通過讀取設(shè)備對云端資源的靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性進行感知，從而獲取資源的靜態(tài)標識信息，如名稱、規(guī)格、功能等及資源的活動狀態(tài)信息，并通過傳感網(wǎng)絡(luò)將各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖镜財?shù)據(jù)中心。然后是接口適配。由于資源的多樣性，標準的不統(tǒng)一，使得設(shè)備、軟件等資源的接口也有很大的差異，因此，如使各種資源無縫透明地接入到制造云平臺中，為最終用戶提供交互使用的功能，便需構(gòu)建支持各種資源接入的適配器，如接口適配器、模型適配器、傳感適配器等。其次是信息處理。這是資源感知系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要是實現(xiàn)各種標識信息、傳感數(shù)據(jù)信息的分析、預(yù)處理、聚合等操作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時的接入到制造云平臺中，為資源的虛擬化接入提供條件。如針對嵌入式控制加工設(shè)備，其感知過程主要如下首先需根據(jù)加工設(shè)備的特征屬性，進行傳感器的部署，傳感器主要分為兩種一種是內(nèi)置傳感器，即傳感器需要與設(shè)備做接口，如監(jiān)測各種實時加工數(shù)據(jù)等，另外一種是外置傳感器，主要針對設(shè)備的運行狀況進行監(jiān)測，如溫度、濕度等。然后對加工設(shè)備中的控制接口，以及數(shù)據(jù)傳輸接口做適配轉(zhuǎn)換，使得能夠在通用物理機器(PC機)上來控制該設(shè)備，最終將各種傳感器(包括無線、有線)接入到本地信息處理中心，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種傳感數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，進而為本地信息處理中心對海量感知數(shù)據(jù)的分析、預(yù)處理提供支持。
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(2)云端資源虛擬接入子系統(tǒng)。在圖3中，針對不同類型的云端資源，采取不同的虛擬化接入方式，實現(xiàn)云端分散資源到虛擬資源的映射，并將虛擬資源聚集在虛擬資源池中，為制造云提供資源基礎(chǔ)。接入方式主要有以下三種基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入主要針對制造資源中的計算資源所采用的虛擬接入方法，就是實現(xiàn)硬件級別上的虛擬化。主要分為以下幾個步驟(a)通過資源感知系統(tǒng)獲取計算資源(如存儲器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)的接口等信息；(b)通過配置適當(dāng)?shù)倪m配器或軟件，實現(xiàn)本地計算資源虛擬接入制造云平臺中；(c)通過制造云平臺提供的相關(guān)管理軟件實現(xiàn)對計算資源(CPU、存儲、I/O、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)的動態(tài)分配與管理。映像層次虛擬接入針對云制造模式下制造設(shè)備資源(如生產(chǎn)、加工、鑄造等設(shè)備)和軟件資源(如分析、設(shè)計、仿真等軟件)虛擬化接入的主要方式。(a)將設(shè)備資源、軟件資源或傳感適配接口部署到虛擬機中；(b)配置好滿足資源(如軟件)運行需求的虛擬機參數(shù)、變量、適配器驅(qū)動等環(huán)境條件，使得與資源設(shè)備控制系統(tǒng)控制云端設(shè)備具有相同的性能表現(xiàn)，從而實現(xiàn)云端設(shè)備與制造云平臺中虛擬機系統(tǒng)的映射。(c)通過虛擬機管理器(Virtual Machine Monitor, VMM)進行與硬件的通信以及對底層資源的共享與分配，實現(xiàn)對虛擬機映像資源的優(yōu)化配置，如能夠根據(jù)任務(wù)運行過程的需求，如內(nèi)存、CPU等資源，來動態(tài)調(diào)配虛擬機運行環(huán)節(jié)。虛擬機管理器的主要功能包括 虛擬機模板生成、虛擬機動態(tài)監(jiān)控及遷移、虛擬機的實時備份機容錯、計算資源運行監(jiān)控及分割等。應(yīng)用層次虛擬接入主要針對與制造云實時交互性要求比較低，并且以提供信息數(shù)據(jù)為主的各類資源，如知識、物料及制造能力等資源。主要是通過制造云應(yīng)用門戶來實現(xiàn)資源的虛擬接入，將資源相關(guān)的數(shù)據(jù)信息(如資源傳感信息、數(shù)據(jù)文檔、物料信息等)提交到制造云平臺中，由平臺來實現(xiàn)對所提交數(shù)據(jù)信息的動態(tài)存儲和管理，資源提供者可以通過門戶來實時的更新已提交的數(shù)據(jù)、文檔等資源信息。(3)虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)。為構(gòu)建基于服務(wù)的、智能高效的云制造服務(wù)平臺，還需將各類虛擬制造資源進行服務(wù)化封裝，最終以云服務(wù)的形式發(fā)布到制造云平臺中，實現(xiàn)步驟(a)首先根據(jù)資源分類，對不同類型的資源的構(gòu)成要素性進行分析歸納，抽象提取出不同類型資源的構(gòu)成要素模板，該模板需能充分反映某一類制造資源和制造能力的特性，進而對各類資源模板再進行抽象歸納，依次形成樹形結(jié)構(gòu)的資源描述模型；然后為支持資源描述的語義特性，還需構(gòu)建各資源構(gòu)成要素的本體文檔，該本體文檔主要包括各要素的描述方法(定性或定量)、語言表達方式(同義詞、近義詞等)。(b)根據(jù)資源描述模型特點，選取相應(yīng)服務(wù)本體描述語言實現(xiàn)對資源服務(wù)的數(shù)字化描述。如OWL描述語言是在DAML+0IL本體語言的基礎(chǔ)上改進的，吸引了 DAML+0IL的設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗，用以描述實體類和各類之間的關(guān)系，以便支持描述Web環(huán)境中文件和應(yīng)用的語義。(c)對服務(wù)本體進行有效分類、存儲及融合。在得到服務(wù)的形式化描述之后，便形成了不同的服務(wù)本體，為便于云服務(wù)管理系統(tǒng)對服務(wù)高效管理，需對服務(wù)本體按一定的方式進行分類，如根據(jù)類型、功能相近、需求相似等特性。因此，將通過服務(wù)本體間各屬性相似度匹配及語義轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)服務(wù)本體的分類、融合。在虛擬資源中，關(guān)于制造能力服務(wù)化是資源服務(wù)化的關(guān)鍵。由于制造能力是一種無形的資源，如設(shè)計能力、生產(chǎn)能力、管理能力等，并且能力本身具有一定的模糊性和不確定性，難以用精確的數(shù)值來衡量，因此，根據(jù)制造能力的特點及定義，這里將制造能力元描述模型 DMMC(Description Model of Manufacturing Capability)用四元組 TRPK 來抽象表不DMMC = (Task, Resource, Participator, Knowledge)上述元描述模型中，Task指制造任務(wù)，即某一制造活動所需實現(xiàn)的目標; Resource指制造過程中所需要的制造資源要素，如硬資源(制造設(shè)備、物料)、軟件等； Participator指制造過程中的參與者，即為制造資源要素中的人力資源，如個人、組織等; Knowledge指資源要素所具備的知識及制造過程中積累的各種經(jīng)驗知識，如生產(chǎn)能力對應(yīng)的知識便為生產(chǎn)過程中制造資源要素及參與者所具備的知識、生產(chǎn)過程所積累的各種經(jīng)驗知識(如生產(chǎn)流程、配料方案等)的集合。圖4中，制造能力的元描述模型采用了基于本體的“自上而下”層次描述框架，位于頂層的是制造能力本體描述，主要是包括制造能力的四個部分制造任務(wù)、制造資源要素、參與者、制造知識。中間層本體則是對頂層本體的細化，如制造任務(wù)的本體描述，包括任務(wù)目標、任務(wù)說明等；資源的本體描述，包括資源類型、資源說明等；參與者的本體描述，包括參與者角色、人數(shù)規(guī)模等信息；知識的本體描述，包括知識類型(模型、數(shù)據(jù)文檔等)、使用方式等信息。底層本體又是對中間層本體的細化，如資源類型本體主要描述具體資源類型(計算資源、制造設(shè)備資源、軟件資源等)以及其它的信息。然后需要選擇合適的服務(wù)描述語言實現(xiàn)對制造能力元描述模型的數(shù)字化描述，目前，常用的本體描述語言有S0HE、OWL、OffL-S等，這里將結(jié)合云制造模式下資源服務(wù)的特點，將通過對現(xiàn)有的描述語言進行擴充和改進，如0WL-SP，作為云制造模式下資源服務(wù)的描述語言，為實現(xiàn)基于知識的服務(wù)高效管理提供支持。(4)云服務(wù)部署子系統(tǒng)。根據(jù)云服務(wù)在制造云平臺中運營模式及云服務(wù)提供者的參與情況，將對云服務(wù)的部署分為面向完全托管的部署、面向部分托管的部署。面向完全托管的部署指云服務(wù)的運行、管理能夠全部移植到制造云平臺中，由制造云平臺對其運行、調(diào)度、容錯等進行管理，云服務(wù)提供者僅需在服務(wù)發(fā)布過程中提交服務(wù)的屬性信息以及虛擬接入時配置該服務(wù)的運行環(huán)境、參數(shù)等，并且提供服務(wù)的及時更新等， 其運營管理等完全由平臺來托管。適合這種部署方式的資源主要有計算資源、軟件資源、知識資源、人力資源、制造能力等。完全托管的部署根據(jù)托管主體，又可以分為三種方式虛擬設(shè)施部署、映像部署、云存儲。(a)虛擬設(shè)施部署。對于平臺虛擬設(shè)施部署主要是計算資源經(jīng)過虛擬化后，成為制造云平臺虛擬基礎(chǔ)設(shè)施，此時制造云平臺能夠?qū)ζ溥M行的動態(tài)監(jiān)控、管理、負載均衡等操作，如根據(jù)任務(wù)需求來分配任務(wù)執(zhí)行的CPU、存儲器、網(wǎng)絡(luò)等虛擬環(huán)境。這種部署方式主要針對計算資源等的管理。(b)映像部署。虛擬機映像部署方式正在日益成為應(yīng)用程序開發(fā)及有效控制負載的主要機制，是將各種軟件虛擬資源動態(tài)地部署在平臺虛擬機上，通過虛擬機管理器實現(xiàn)對平臺基礎(chǔ)設(shè)施上的虛擬機的監(jiān)控、調(diào)度、遷移等管理，從而獲得了更高的應(yīng)用程序運行效率及基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，降低了能源消耗，提高了制造資源的共享率。該種部署方式主要針對軟件資源等的部署管理。(c)云存儲部署。該種部署方式，就是充分利用平臺的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施——存儲資源，通過制造云存儲管理引擎實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)信息(包括抽象的知識、模型、文檔等)動態(tài)的部署、存儲、智能檢索等管理。該種部署方式主要針對知識資源、制造能力等。面向部分托管的服務(wù)部署指云服務(wù)僅將部分運行、管理工作移植到制造云平臺中，資源的運行管理需由資源提供者與平臺共同來完成。該種部署方式主要針對能夠支持任務(wù)高效協(xié)同、交互執(zhí)行的資源，如制造加工設(shè)備、仿真實驗設(shè)備等資源，在用戶遠程使用云服務(wù)的過程中，制造云平臺主要完成服務(wù)的查詢、匹配、計費、接口的轉(zhuǎn)換、監(jiān)控管理等工作，資源提供者將根據(jù)用戶的任務(wù)需求，保證服務(wù)的正常運行、功能實現(xiàn)等。(5)云服務(wù)的綜合管理子系統(tǒng)。主要指提供面向云服務(wù)的綜合管理工具集。主要如下(a)云服務(wù)智能匹配和評估工具云服務(wù)智能匹配及評估是制造云服務(wù)管理的關(guān)鍵。云服務(wù)智能匹配采用對需求描述和云服務(wù)描述之間采用四步驟的匹配方法，即先進行基本匹配、然后進行hput和 Output匹配和功能匹配，再進行服務(wù)質(zhì)量匹配，最后采用集成匹配。云服務(wù)評估工具的構(gòu)建思路首先建立云服務(wù)綜合評估指標體系，研究建立各評估指標量化評估模型和評估算法， 然后研究建立集中和分散決策多主體的綜合效用模型，并求解出各自相應(yīng)的最大效模對應(yīng)的解；最終研究在分散決策下，多主體之間最大效用的均衡模型；并對相應(yīng)均衡策略及求解方法進行分析。(b)云服務(wù)組合工具采用組合網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)相關(guān)理論知識實現(xiàn)云服務(wù)的動態(tài)組合。首先研究研究分析云服務(wù)可組合關(guān)系并映射表示成相應(yīng)的有向邊，建立可組合云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的基本構(gòu)成元素；然后研究基于可組合關(guān)系的云服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)基本建立規(guī)則；對無標度模型進行加權(quán)和有向的改進和修正，建立相應(yīng)的云服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)及其動態(tài)演化模型；分析云服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)節(jié)點狀態(tài)變化以及各種外力因素對組合網(wǎng)絡(luò)的影響，歸納分析構(gòu)成組合網(wǎng)絡(luò)動態(tài)演化的基本演化操作；研究各個基本演化操作對組合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的影響；對整個云服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)隨時間發(fā)生的動態(tài)演化行為進行綜合建模，并分析相應(yīng)的動力學(xué)特性；最終在服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)特性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析云服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對于蓄意攻擊隨機故障及其它外力因素作用下的魯棒性和脆弱性，研究提高其節(jié)點穩(wěn)定性、調(diào)用率、安全性等的控制策略。(c)知識管理工具知識管理工具為制造云平臺實現(xiàn)語義、智能化提供了技術(shù)支撐。圖5中，首先對異構(gòu)跨學(xué)科領(lǐng)域知識(如領(lǐng)域?qū)＜抑R、文檔、數(shù)據(jù)庫、Web信息等)進行抽取和分析，并按一定的描述方式和存儲規(guī)則將知識進行存儲在知識庫中，主要包括領(lǐng)域本體庫、服務(wù)本體庫、 案例庫等，然后結(jié)合跨學(xué)科領(lǐng)域知識混合推理技術(shù)，以及相關(guān)按需推理機制理論和技術(shù)，研究基于分布式領(lǐng)域本體的跨學(xué)科領(lǐng)域知識融合模型和知識融合技術(shù)與方法；并能夠?qū)崿F(xiàn)對跨學(xué)科領(lǐng)域知識的面向服務(wù)的動態(tài)知識庫進行維護、增量式在線更新和實時學(xué)習(xí)。
(d)云服務(wù)交易控制規(guī)范工具該工具主要為制造云平臺中服務(wù)的按需使用提供商業(yè)保障。首先構(gòu)建支持多用戶的云制造生產(chǎn)控制監(jiān)控體系和云服務(wù)交易過程的監(jiān)督報告體系，然后結(jié)合上述體系約束下，能夠有效耦合用戶業(yè)務(wù)管理和各主體間的協(xié)同交易，從而使得整個資源使用過程及系統(tǒng)運行更加合理、有效。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于包括云端資源感知子系統(tǒng)、云端資源虛擬接入子系統(tǒng)、虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)、云服務(wù)的部署子系統(tǒng)和云服務(wù)綜合管理子系統(tǒng)，其中云端資源感知子系統(tǒng)對云端資源進行感知和識別，獲得云端資源的靜態(tài)標識信息和動態(tài)活動信息，同時構(gòu)建支持各類云端資源接入的適配器，然后搭建數(shù)據(jù)信息處理中心，實現(xiàn)感知信息和標識信息的預(yù)分析、聚合及預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時接入到制造云平臺中，為資源的虛擬化接入提供條件，為最終實現(xiàn)制造資源和制造能力的共享與協(xié)同提供支持；云端資源虛擬接入子系統(tǒng)根據(jù)云端資源感知子系統(tǒng)感知和識別的各類云端資源，采用虛擬接入方法，對各類云端資源虛擬接入到制造云平臺，形成各類虛擬資源并聚集在虛擬資源池中，所述虛擬資源池是指一個能按需使用虛擬資源的容器，為制造云平臺提供了資源基礎(chǔ)；所述云端資源分為制造資源和制造能力；所述制造資源是指物理存在的、具有靜態(tài)傳輸介質(zhì)的一種資源形式，包括計算資源、制造設(shè)備資源、軟件資源、物料資源、知識資源、人力資源；所述制造能力是指制造企業(yè)為完成某一目標所需要的主觀條件，是一種無形的、動態(tài)的資源形式，是在制造活動中結(jié)合制造資源要素所表現(xiàn)出來的一種能力，包括企業(yè)的設(shè)計能力、仿真試驗?zāi)芰?、生產(chǎn)能力、管理能力、維護能力等無形資源；所述虛擬接入方法包括三種方式基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入、映像層次虛擬接入和應(yīng)用層次虛擬接入，所述基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入是針對制造資源中的基礎(chǔ)設(shè)施資源所采用的虛擬接入方式，就是實現(xiàn)硬件級別上的虛擬化；映像層次虛擬接入是針對制造設(shè)備資源和軟件資源的虛擬化接入方式；應(yīng)用層次虛擬接入是針對以提供數(shù)據(jù)信息資源的虛擬化接入方式；虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)結(jié)合云端資源感知子系統(tǒng)中感知和識別的云端資源，對云端資源虛擬接入子系統(tǒng)的虛擬資源池中形成的各類虛擬資源進行服務(wù)化封裝，即對各類虛擬資源進行描述、發(fā)布和注冊操作，最終以云服務(wù)的形式發(fā)布到制造云平臺中；云服務(wù)部署子系統(tǒng)根據(jù)虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)中形成的不同類型云服務(wù)，并結(jié)合云服務(wù)在制造云平臺中運營模式及云服務(wù)提供者的參與情況，實現(xiàn)對云服務(wù)的部署，所述云服務(wù)的部署分為面向完全托管服務(wù)部署和面向半托管服務(wù)部署兩種方式；所述面向完全托管服務(wù)部署指云服務(wù)的運行、管理能夠全部移植到制造云平臺中，由制造云平臺對云服務(wù)運行、調(diào)度和容錯進行管理，云服務(wù)提供者僅需在服務(wù)發(fā)布過程中提交服務(wù)的屬性信息以及虛擬接入時配置該服務(wù)的運行環(huán)境和參數(shù)，并且提供服務(wù)的及時更新，其運營管理等完全由云制造平臺來托管；所述面向部分托管的服務(wù)部署指云服務(wù)僅將部分運行、管理工作移植到制造云平臺中，云端資源的運行管理需由云端資源提供者與制造云平臺共同來完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述云端資源感知子系統(tǒng)具體實現(xiàn)過程為(1)首先進行資源識別，采用射頻識別技術(shù)和傳感技術(shù)通過讀取設(shè)備對云端資源的靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性進行感知，從而獲取資源的靜態(tài)標識信息，包括名稱、規(guī)格、功能及資源的活動狀態(tài)信息，并通過傳感網(wǎng)絡(luò)將各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖镜匦畔⑻幚碇行模?2)構(gòu)建支持各種資源接入的適配器，為最終用戶提供交互使用的功能；(3)在本地信息處理中心進行信息處理，實現(xiàn)各種標識信息、傳感數(shù)據(jù)信息的分析、預(yù)處理和聚合操作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時的接入到制造云平臺中，為資源的虛擬化接入提供條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述云端資源虛擬接入子系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施層次虛擬接入具體實現(xiàn)過程如下(1)通過云端資源感知子系統(tǒng)獲取本地基礎(chǔ)設(shè)施資源，基礎(chǔ)設(shè)施資源包括CPU、存儲器、I/O和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口相關(guān)信息；(2)通過配置適當(dāng)?shù)倪m配器或軟件，實現(xiàn)本地基礎(chǔ)設(shè)備虛擬接入制造云平臺中；(3)通過制造云平臺提供的相關(guān)管理軟件實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施資源的動態(tài)分配與管理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述映像層次虛擬接入具體實現(xiàn)過程如下(1)將制造設(shè)備資源和軟件資源或適配接口部署到虛擬機中；(2)配置好滿足設(shè)備資源和軟件資源運行需求的虛擬機參數(shù)、變量、適配器驅(qū)動的環(huán)境條件，使得與本地物理機器控制云端設(shè)備具有相同的性能表現(xiàn)，從而實現(xiàn)云端設(shè)備與制造云平臺中虛擬機系統(tǒng)的映射關(guān)系；(3)通過虛擬機管理器(VirtualMachine Monitor, VMM)進行與硬件的通信以及對底層資源的共享與分配，實現(xiàn)對虛擬機映像資源的優(yōu)化配置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述應(yīng)用層次虛擬接入實現(xiàn)為將數(shù)據(jù)信息，包括傳感信息、數(shù)據(jù)文檔、模型、物料信息和知識提交到制造云平臺中，由制造云平臺來實現(xiàn)對所提交數(shù)據(jù)信息的動態(tài)存儲和管理，資源提供者可以通過門戶來實時的更新已提交的數(shù)據(jù)和文檔資源信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述對虛擬資源服務(wù)化子系統(tǒng)的虛擬資源池中的各類虛擬資源進行服務(wù)化封裝的具體實現(xiàn)過程為首先需對各類虛擬資源進行建模，構(gòu)建支持語義的資源描述模型 ’然后根據(jù)資源描述模型特點，選取相應(yīng)服務(wù)描述語言實現(xiàn)對資源服務(wù)的形式化描述，然后發(fā)布和注冊操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于感知信息包括資源的靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性，靜態(tài)屬性是指資源的標識信息，如資源名稱、功能、使用情況等靜態(tài)描述信息；動態(tài)屬性指資源的活動狀態(tài)，如資源在運行過程中的安全、可靠性等動態(tài)描述信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述運營模式則是指共享資源費用支付形式，如軟件資源的付費，即可以按次或按時間付費，也可以一次性購買永久許可，而硬件資源服務(wù)的使用付費，則主要是以任務(wù)為計量單位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，其特征在于所述的服務(wù)提供者參與情況是指在資源服務(wù)使用和維護過程中，資源提供者所扮演的角色，部分資源提供者只負責(zé)資源服務(wù)的定時更，運營交易交由平臺管理，另外的資源提供者則完全復(fù)雜資源服務(wù)的維護、運行工作。
全文摘要
一種支持制造資源和能力按需使用和動態(tài)協(xié)同的制造云系統(tǒng)，解決當(dāng)前我國制造企業(yè)信息化過程中存在的資源利用率低、制造能力的共享不足，以及缺乏有效商業(yè)運營管理措施等問題，針對制造資源的特點和企業(yè)對云制造服務(wù)平臺的實際需求，按照云服務(wù)全生命周期生命線，對制造云系統(tǒng)中的制造資源和制造能力進行智能感知、虛擬接入、虛擬資源服務(wù)化、云服務(wù)的部署、云服務(wù)綜合管理等5個系統(tǒng)模塊進行了設(shè)計和闡述，從而滿足制造資源和制造能力的按需使用和動態(tài)協(xié)同的需求。本發(fā)明具有如下優(yōu)點支持制造資源接入的智能感知、制造能力服務(wù)化、服務(wù)全生命周期需求，系統(tǒng)支持智能，服務(wù)按需共享，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、層次清晰，可擴展性強。
文檔編號H04L29/08GK102176723SQ20111007368
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者任磊, 張霖, 羅永亮, 陶飛 申請人:北京航空航天大學(xué)