云制造——面向服务的网络化制造新模式（下）

    2.2 云制造系统体系架构

    为实现上述云制造系统，提出如图2所示的云制造系统体系架构。该架构主要包括以下六个层次：

    (1)物理资源层(P—Layer)P—Layer为物理制造资源层，该物理层资源通过嵌入式云终端技术、物联网技术等，将各类物理资源接人到网络中，实现制造物理资源的全面互联，为云制造虚拟资源封装和云制造资源调用提供接口支持。

    (2)云制造虚拟资源层(R-Layer)该层主要是将接入到网络中的各类制造资源汇聚成虚拟制造资源，并通过云制造服务定义工具、虚拟化工具等，将虚拟制造资源封装成云服务，发布到云层中的云制造服务中心。该层提供的主要功能包括云端接人技术、云端服务定义、虚拟化、云端服务发布管理、资源质量管理、资源提供商定价与结算管理和资源分割管理等。

    (3)云制造核心服务层(S-Layer)该层主要面向云制造三类用户(云提供端、云请求端、云服务运行商)，为制造云服务的综合管理提供各种核心服务和功能，包括面向云提供端提供云服务标准化与测试管理、接口管理等服务；面向云服务运行商提供用户管理、系统管理、云服务管理、数据管理、云服务发布管理服务；面向云请求端提供云任务管理、高性能搜索与调度管理等服务。

    (4)应用接口层(A—Iayer)A—Layer为云制造应用接口层，该层主要面向特定制造应用领域，提供不同的专业应用接口以及用户注册、验证等通用管理接口。

    (5)云制造应用层(U—Layer)该层面向制造业的各个领域和行业。不同行业用户只需要通过云制造门户网站、各种用户界面(包括移动终端、PC终端、专用终端等)，就可以访问和使用云制造系统的各类云服务。

图2 云制造系统体系架构

    3 云制造涉及的关键技术

    云制造涉及的关键技术大致可以分为：①模式、体系架构、标准和规范；②云端化技术；③云服务的综合管理技术；④云制造安全技术；⑤云制造业务管理模式与技术。图3给出了云制造涉及的关键技术的分类，以及每个技术大类的含义与主要内容。

    (1)云制造模式、体系架构、相关标准及规范主要是从系统的角度出发，研究云制造系统的结构、组织与运行模式等方面的技术，同时研究支持实施云制造的相关标准和规范。包括：①支持多用户的、商业运行的、面向服务的云制造体系架构；②云制造模式下制造资源的交易、共享、互操作模式；③云制造相关标准、协议、规范等，如云服务接入标准、云服务描述规范、云服务访问协议等。

    (2)云端化技术主要研究云制造服务提供端各类制造资源的嵌入式云终端封装、接入、调用等技术，并研究云制造服务请求端接入云制造平台、访问和调用云制造平台中服务的技术，包括：①支持参与云制造的底层终端物理设备智能嵌入式接入技术、云计算互接入技术等；②云终端资源服务定义封装、发布、虚拟化技术及相应工具的开发；③云请求端接入和访问云制造平台技术，以及支持平台用户使用云制造服务的技术；④物联网实现技术等。

    (3)云服务综合管理技术主要研究和支持云服务运营商对云端服务进行接人、发布、组织与聚合、管理与调度等综合管理操作，包括：①云提供端资源和服务的接入管理，如统一接口定义与管理、认证管理等；②高效、动态的云服务组建、聚合、存储方法；③高效能、智能化云制造服务搜索与动态匹配技术；④云云制造服务搜索与动态匹配技术；④云制造任务动态构建与部署、分解、资源服务协同调度优化配置方法；⑤云制造服务提供模式及推广，云用户(包括云提供端和云请求端)管理、授权机制等。

图3 五制造涉及的主要关键技术

    (4)云制造安全技术主要研究和支持如何实施安全、可靠的云制造技术，包括：①云制造终端嵌入式可信硬件；②云制造终端可信接入、发布技术；③云制造可信网络技术；④云制造可信运营技术等；⑤系统和服务可靠性技术等。

    (5)云制造业务管理模式与技术主要研究云制造模式下企业业务和流程管理的相关技术，包括：①云制造模式下企业业务流程的动态构造、管理与执行技术；②云服务的成本构成、定价、议价和运营策略，以及相应的电子支付技术等；③云制造模式各方(云提供端、云请求端、运行商)的信用管理机制与实现技术等。

    4 初步的研究成果和典型应用

    为验证所提出的云制造模式和理念，笔者在网络化制造、制造网格、仿真网格等相关领域的研究基础上，已初步开发了一个云制造的典型应用，即基于云仿真原型平台(COSIM—CSP)的云设计应用。其中，云仿真原型平台(cOSIM—CSP)的部分界面如图4所示。COSIM—CSP已实现的关键技术在笔者发表的文献中有详细介绍。目前，所研发的CO—SIM—CSP已在多学科虚拟样机协同设计领域开展了初步应用引。

图4 COSIM-CSP部分界回

    笔者团队的初步研究成果可应用于云制造服务平台，包括：①普适化门户技术；②复杂产品项目管理技术；③支持语义的资源服务匹配技术；④资源服务智能化优选技术；⑤资源服务信任评估技术；⑥资源服务质量(Qualityof Service，QoS)管理技术；⑦资源服务自动组合技术；⑧容错管理技术等。简要介绍如下：

    (1)普适化门户技术为摆脱目前“以计算机为中心”的访问模式和基于“桌面计算”的使用模式，为云制造提供更加普适的访问和使用模式，结合普适计算研究成果，综合运用上下文感知、智能Agent、语义网等技术，研究提出了蕴涵式服务访问框架，初步实现了服务访问过程的智能化、自动化管理，并在COSIM—CSP中得到了应用。

    (2)复杂产品项目管理技术目前的项目管理工具很难满足复杂项目管理的需求，因此在云制造平台原型中将其作为一项关键技术，研究了复杂项目管理生命周期中涉及到的项目规划建模技术、调度建模和分析技术、调度仿真和优化技术等，并在COSIM—CSP中进行了应用验证。

    (3)支持语义的资源服务匹配技术针对资源服务数字化描述特点，将资源服务描述信息分为文字概念、句子、数值、实体四类，分别提出了资源服务文字概念相似度匹配算法、句子相似度匹配算法、数值相似度匹配算法、实体类概念相似度匹配算法。在此基础上提出了基于基本匹配、输入输出匹配、Qos匹配、综合匹配的四步骤资源服务匹配与搜索机制与实现算法。

    (4)资源服务智能化优选技术为解决资源服务优选问题，在分析当前对资源服务非功能QoS评估没有考虑用户感受和经验、时间衰退、专家对QoS属性重要程度评估的语义差异性等不足后，结合直觉模糊集(Intuitionistie Fuzzy Sets，IFS)理论及其相应运算法则，研究提出了基于直觉模糊集的资源服务非功能Qos评估方法和资源服务优选算法口。此外，针对多目标资源服务调度问题，研究提出了基于改进粒子群优化(ParticleSwarmOpti—mization，PSO)和量子多智能体进化算法(Quantum MultiAgent Evolutionary Algorithm，QMAEA)的资源服务组合优选算法。

    (5)资源服务信任评估技术针对当前制造系统中资源管理和调度与资源服务信任相分离的缺陷，阐述了资源服务Trust—QoS概念，分析了资源供需双方在进行资源服务交易时存在的信任问题。建立了包括域内和域问资源服务Trust—QoS评估的两层结构的资源服务Trust—QoS评估模型，并提出了该模型中Trust—QoS评估的具体实现量化算法、信任值的实时动态更新算法，设计了基于Trust—QoS的资源服务调度机制。

    (6)资源服务QoS管理技术为了给用户和系统选择最佳资源服务提供量化的参考依据，研究建立了包括通用QoS评价指标、特有评价指标、个性化评价指标的资源服务评估指标体系。从QoS全生命周期管理、资源服务QoS属性参数等角度对资源服务QoS进行了分类和建模，并设计了相应的QoS评估模型。此外，还设计了QoSExtraction，QoSSearch，QoSEvaluation，QoSComparison，QoSMointor，QoSUpdating等QoS管理核心服务。

    (7)资源服务自动组合技术为实现制造服务的增值，研究提出了支持全生命周期的资源服务组合实现框架，对资源服务组合全生命周期涉及到的任务描述、任务分鳃／需求解析、功能需求匹配、流程需求匹配、服务聚合、服务质量综合处理、组合服务优选、组合资源服务执行引擎等关键技术进行了研究口。

    (8)容错管理技术针对资源服务调度过程中可能出现的故障，研究了相应的容错管理机制、各类故障的检测方法、基于ECA(event—condition—ac—tion)的故障消解策略盟，以及任务迁移技术，并应用在COSIM—CSP中。

    5 结束语

    鉴于当前网络化制造存在的种种问题，本文提出了将现有网络化制造及服务技术与云计算、云安全、高性能计算、物联网等技术融合的一种面向服务的网络化制造新模式一一云制造。围绕云制造提出的背景、云制造概念、云制造系统和体系架构、实施云制造需要攻克的关键技术等问题，进行了初步探讨和研究。云制造技术的实现还需在应用需求牵引及相关技术的推动下开展大量的工作。但是，云制造技术的研究和应用将进一步促进制造业向“网络化、智能化、服务化”方向发展，从而将制造业信息化程度提高到一个新的水平。

    致谢

    本文相关内容由北京航空航天大学、北京仿真中心、重庆大学、清华大学、北京慧点科技开发有限公司共同研讨完成。除所列作者外，北京慧点科技开发有限公司的戴宇升博士、王双博士，重庆大学机械工程学院的康玲博士，北京航空航天大学自动化学院的罗永亮博士生、李潭博士生也参与了讨论，在此一并表示感谢。