基于ASP的网络化制造服务研究_蒋志强

第41卷增刊Ⅱ2013年12月华中科技大学学报(自然科学版)J .Huazhon g Uni v .of Sci .&Tech .(Nat ural Science Editi on )Vol .41Su p .ⅡDec .2013收稿日期2013-07-25.作者简介程臻(1982-),男,博士研究生,E-mail :chen g zhen −hit ＠163.co m.基金项目国家科技支撑计划资助项目(2012BAF12B16);国家自然科学基金资助项目(61273038);山东省自主创新成果转化重大专项资助项目(2012Z H1A0411);山东省科技攻关计划资助项目(2010GZX20126).云制造环境下基于本体的资源虚拟化方法程臻战德臣徐汉川(哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要针对云制造环境下资源的描述及虚拟化问题,分析了现有文献存在的局限性,充分考虑了云制造中制造资源的分类和特点,分析了资源描述及虚拟化需求,提出了基于本体的资源描述及虚拟化方法.在本体开发过程中,通过分析比较现有本体描述语言的优缺点,选用了有较好综合性能的O WL-S ,建立了制造资源本体模型.在此基础上,给出了虚拟资源的定义,并描述了其与制造资源本体的关系.最后,通过一个基于本体描述的虚拟资源查找和调度的应用案例,验证了本文所提的资源描述及虚拟化方法的正确性.关键词云制造;资源描述;虚拟化;本体;O WL-S中图分类号TP311文献标志码A文章编号1671-4512(2013)S2-0106-07Ont ol o gy -based resource virt ualizati on m et hod i n cl oud manufact uri n gChen g ZhenZhan DechenXu Hanchuan(School of Co m p ut er Science and Technol o gy ,Har bi n I nstit ut e of Technol o gy ,Har bi n 150001,Chi na )Abst r actTo deal w it h t he p r obl e m of r esource descri p ti on and virt ualizati on i n cl oud manufact uri n g ,t he li m it ati on of t he existi n g lit er at ur es was anal y zed .Ont ol o gy -based r esource descri p ti on and virt u-alizati on met hod was p r esent ed aft er anal y zed t he r e q uir e ment based on t he t hor ou g h consi der ati on of manufact uri n g r esources cat e g ories and char act eristics .O WL-S w it h excell ent co m p r ehensi ve p er-f or mance was sel ect ed t o buil d manufact uri n g r esource ont ol o gy model t hr ou g h co m p ari n g t he advan-t a g es and disadvant a g es of existi n g ont ol o gy descri p ti on l an g ua g e duri n g t he ont ol o gy devel o p ment p r ocess .Based on t he manufact uri n g r esource ont ol o gy model ,t he defi niti on of virt ual r esource was p r o p osed ,and t he r el ati ons hi p bet ween t he m was descri bed .At l ast ,t he p r o p osed met hod was veri-fied b y a case of ont ol o gy -based virt ual r esource fi ndi n g and scheduli n g .Ke y wor ds cl oud manufact uri n g ;r esource descri p ti on ;virt ualizati on ;ont ol o gy ;O WL-S云制造是服务型制造的一种典型模式[1],其核心理念是融合云计算、物联网等技术,将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化,形成制造资源云池,进而为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的各类制造活动服务,最终能够实现客户、制造企业以及提供者三方价值的共同增值[2-3].在云制造服务体系中,虚拟化是一项重要的核心关键技术[4],是云制造中实现"重要集中资源分散服务,分散资源集中使用"的基础,也是实现聚集化需求的资源匹配和优化调度的基础.利用虚拟化技术,云制造企业能够更加合理地配置企业内部资源,充分地利用外部的虚拟资源,使得企业能够透明、高效、可订制地按需获取并使用虚拟资源,从而能够满足客户多变的个性化需求.资源虚拟化是指将现实资源的内部属性、结构以及其功能实现机制进行封装,将其功能以某种特定的形式表现在虚拟空间中[5].在虚拟空间中,虚拟化的资源为用户或应用提供了通用的调用接口.这种机制就使得资源的使用无须紧密地DOI ：CNKI:42-1658/N.20140126.1002.021 网络出版时间：2014-01-26 10:02网络出版地址：/kcms/detail/42.1658.N.20140126.1002.021.html绑定到物理资源上,可根据资源的状态、能力等信息动态、实时地绑定物理资源.资源建模是资源虚拟化的重要过程之一.目前国内外学术界针对资源建模开展了大量的研究,比较有影响力的是基于C I M-OSI的企业资源建模,通过资源在制造过程中所定义的角色进行建模,采用状态图进行资源状态的描述[6].文献[7-8]则将代理机制引入到了资源建模当中,实现了资源的自动化调度和响应机制.在国内,大多数方法都是采用面向对象的方法进行资源建模,其中文献[9]是针对生产制造过程对制造资源的需求,采用X ML技术建立了制造单元的资源信息模型.文献[10]给出了广义制造资源的概念,从资源全生命周期的角度去分析,提出了制造资源的层次模型,从资源的静态属性和动态属性两方面对制造资源进行建模.在面向对象的基础上,众多研究者也加入了大量的语义来进行资源建模,如采用本体的建模方法[11],基于知识的建模方法[12]等,运用这些带有语义的资源信息,即可实现资源与任务的自动匹配以及资源的组合等.分析上述国内外已有研究可以发现:现有研究大多采用面向对象的方法对离散的个体制造资源进行定性建模描述,信息的复杂度高、描述深度不够,而且大多仅反映资源自身能力,对于由多种资源构成的企业制造能力表达比较欠缺.在云制造领域,如果直接基于各企业内部离散的个体制造资源进行优化配置,将会使云制造的实施变得非常复杂、难以协调和标准化.当前,随着物联网技术和云计算等先进技术的发展,使用服务来抽象和封装资源是资源虚拟化的重要手段之一,且以虚拟化、服务化封装为基础的系统架构已经成为云制造的主要架构.1制造资源分类及虚拟化需求1.1制造资源分类及特点不同于传统计算领域的针对计算资源及网络资源的虚拟化,在云制造领域,更重要的是对制造资源进行虚拟化.随着先进制造技术以及新型生产模式的产生,制造资源的组织形式、提供方式、使用方式、管理方式等均发生了变化.依据制造资源的自身属性信息,本文将资源划分为以下六大类别:a.人力资源,如设计人员、工人;b.设备资源,如加工设备、办公设备;c.物料资源,如物料、产品;d.知识资源,如标准、模型;e.软件资源,如仿真软件和E RP;f.其他资源,如数据.在云制造中,制造资源呈现出以下特点.a.离散分布性:从逻辑上来看,云制造服务平台中的资源是统一的集中管理,然而实际上,资源确是离散的分布在各个提供者中.b.异构性:不同的资源,其所描述的属性信息不同,即使对于同一事物,不同的提供者所描述的内容也不尽相同,甚至对于同一资源,不同需求者所关注的内容也不尽相同.c.动态性:资源的属性,随着时间、计划、占用等因素的变化而发生变化.d.自主性:因资源由提供者自身进行管理和维护,相对于资源需求者来说,只须要关注资源的使用即可.e.非实时性:不同于云计算环境中的计算资源或软件资源的在线实时使用,制造资源的使用通常是非实时的,须要依照资源日历、资源状态等进行计划安排.f.可感知性:通过利用物联网、RFI D等感知技术,系统能够实时感知并获取到制造资源的当前属性.g.跨组织可组合性:为完成制造服务流程,通常须要组合资源进行完成,且资源通常是来源于不同的提供者.如某一计划编制任务,需要计划员、计划编制软件以及其他资源(如设备能力信息、BO M、工艺过程等)来共同完成,而这些制造资源可能是归属于不同的提供者的.1.2制造资源虚拟化需求为了能够给资源的浏览、查找、选择、组合提供依据,资源虚拟化至少应该满足以下需求.a.统一方式描述资源的本质信息:针对不同类别的资源,能够做到语法及语义层面用统一的没有冲突的形式化方法描述资源的信息,包括功能、属性、服务级别等信息.b.可扩展性:因为资源的动态性,并且对资源的建模也是逐步实现的,因此虚拟化资源要具备可随时、简单、快速的扩展.c.人机可读性:虚拟资源必须能够被机器可读,以实现资源的自动化操作,同时对于不同的人要做到概念的统一.d.可区分性:虚拟资源要具备个体可区分性,以避免资源的选择及组合的混乱.e.可被集成、被调用:虚拟资源的应用接口应采用统一的方式,可被其他系统、软件、应用集成和调用.f.为资源使用提供信息:虚拟化资源要有足够的信息为资源的浏览、查找、选择、组合、验证服务.由于上述的制造资源的特点以及虚拟化的需求,使得制造资源的描述及虚拟化与传统的计算资源的虚拟化相比更为困难、复杂.而本体(On-・701・增刊Ⅱ程臻,等:云制造环境下基于本体的资源虚拟化方法t ol o gy)是关于存在及本质和规律的学说,其目的是获取领域内的知识,在领域内达到知识或者概念的共同理解,确定领域内词汇的统一,从不同层次形式化、规范化地给出词汇之间关系的明确定义[13].因此,本研究将采用基于本体的资源虚拟化方法.2制造资源虚拟化2.1制造资源本体开发方法由于本体的一个重要特征是概念的共享以及概念之间的层次关系,因此开发方法大致分为自顶向下、自底向上以及两者相结合的方法.其中:自顶向下通常是由领域专家在较高的起点上建立宏观的、抽象的概念体系框架,然后逐步地细化、构造以及改良本体,最后进行评估和分析[14-15];自底向上通常是先对具体的事物进行抽象,并使用通用的本体语言建立起概念模型和形式化描述,然后依据客观事物的关系抽象出概念之间的关系,最后通常须要进行本体的完备性验证[16].两种方法各有优缺点,如前者需要较强的领域知识,后者则需要更强的抽象能力.而两者相结合的方法则有效地避免了两者的缺点,集两者之所长,故本文将采用两者相结合的方法来实施本体开发.采用两者相结合的方法来建立制造资源本体,主要分为以下几个步骤:a.确定本体的领域和范围;b.枚举本体的重要术语;c.定义类、类之间的关系;d.定义类属性及属性约束;e.建立顶层本体(t o p-l evel ont ol o gy)映射规则;f.生成本体描述模型;g.本体验证.其中确定本体的领域和范围主要是划分本体的边界,如本体覆盖范围、用途、须提供的信息以及本体的使用者和建立、维护者.对于本文所要描述的云制造环境下的制造资源来说,本体所覆盖的范围包括整个生产制造过程的所有制造资源;本体的用途则是为资源的描述、浏览、查找、选择、组合以及验证提供统一的概念;须提供相应的信息,包括如资源的属性、功能、状态、使用成本等;本体的使用者和建立、维护者则包括本体开发工程师、应用系统等.在枚举本体的重要术语过程中,要尽可能列举出资源本体的术语,例如类之间层次关系中的is-a和has-a,再如实例的状态信息中的acti ve, avail abl e等.在制造资源本体模型中,本文用到了is-a,has-a,i nst ance-of,Att ri but e-of,Associati on-of等术语,其中Associati on-of可由用户自己定义,如偏序关系等.在定义类及类之间的关系过程中,可以采用自顶向下(t o p-do wn)和自底向上(bott o m-u p)的方法建立,本文将采用自顶向下与自底向上相结合的方法建立,结合了从通用到特性,从具体到抽象的方式来建立类及其之间的关系.在定义类属性及属性约束关系中,本体的属性通常划分为静态属性和动态属性两大类,每个属性均有相应的属性约束来规范属性的取值范围.依据面向对象的特性可以看出,属性具有继承性,即子类继承父类的属性,实例继承类的属性.当确定顶层本体及建立映射规则时,先要确定使用的顶层本体,确定顶层本体可以复用现有顶层本体中已有的概念,这样本体开发者可以只关注所须开发的领域本体.确定顶层本体后,即可将已定义的类、类关系、类属性、类属性约束对应到顶层本体的通用模式中.依据本体映射规则,可以建立制造资源本体模型.在这个过程当中,本体描述语言的选择起到了关键作用.为支持本体描述语言能够实现本体的搜索、选择、组合、重用等功能,其至少应该满足以下需求:a.较强的表达能力及推理能力,以期能够实现自动发现、智能匹配、自动组合等;b.较强的内在逻辑系统;c.使用统一的方式描述概念和能力;d.与目前的W3C有很好的兼容性,从而保证可扩展性;e.具备X ML语法特性以及基于语义W eb.通过对现有的S H OE,O ML,RDFS, O I L,DA ML+O I L和O WL-S等本体描述语言进行比较[17],发现O I L,DA ML+O I L和O WL-S具有较强的语义表达能力,有着较好的综合性能.其中O WL-S是在DA ML+O I L的基础上发展起来的,同时能够支持逻辑描述和逻辑图例,是W3C 认可的基于语义W eb的标准语言.因此本文将选用O WL-S作为制造资源的本体描述语言.建立本体描述模型之后,须对其进行验证.验证包括语法、语义、功能、说明以及需求满足方面几个方面.验证不通过,则可要从枚举重要术语开发反复执行,直到通过为止.2.2制造资源本体模型在顶层本体O WL-S中,服务主要包含三个部分:服务轮廓(Ser vice Pr ofil e),服务模型(Ser v-ice Model),服务绑定(Ser vice Gr oundi n g).从用途上来看,服务轮廓是为服务的查找提供信息,而服务模型和服务绑定是为服务调用提供信息.作为一个通用的顶层本体,无法直接用来描述虚拟资源,须建立与顶层本体的映射规则,图1所示即・801・华中科技大学学报(自然科学版)第41卷为基于O WL-S 的虚拟资源本体.图1基于O WL-S的虚拟资源本体其中虚拟资源类继承了O WL-S 中的Ser vice 类,是虚拟资源的唯一标识,它由三部分构成:资源轮廓类(Resource Pr ofil e )、资源模型类(Re-source Model )和资源绑定类(Resource Gr ound-i n g ),分别继承了O WL-S 中的服务轮廓类、服务模型类以及服务绑定类.资源轮廓类描述了资源的主要属性信息,包括资源名称、联系信息、文本描述、资源数量、资源能力、功能信息、流程、属性、分类、服务级别、QoS 等信息.其中资源名称、联系信息、文本描述主要是为人识别本体提供信息,其余则是为机器识别及读写提供信息,但也可为人识别提供信息.如图2所示.一个资源一般只包含一个资源名称和一个描图2基于O WL-S 的虚拟资源轮廓述信息,而联系信息则可依据资源提供者的需求添加多个.资源轮廓的一个重要属性Ca p abilit y -I nf o 描述了资源所能够提供的能力信息,因一个资源有可能提供多种能力,故使用Resource ca-p abilit y 对象来描述资源的能力信息;通过Ca p a-bilit y na me 和ca p acit y 详细描述了资源所能提供的不同能力及能力大小;在能力的实现方法上,采用经典的I OP E (I n p ut ,Out p ut ,Pr econditi on ,Effect )方式进行描述;而功能实现的服务质量和服务级别信息分别用QoS 和SL A 对象进行描述.资源的使用过程则采用p r ocess 对象来进行描述.资源类别信息使用Resource Cat e g or y 对象实现,这种方法可以同时实现资源的多种不同分类方法,例如可以按照前文从资源的自然属性上来划分的六大类资源,也可以依据不同用户需求进行分类.从上述资源轮廓的描述中可以看出:本文涉及的服务轮廓信息可以很好地实现可扩展性,包括资源能力、功能、分类、属性以及服务级别等信息的扩展.资源模型类主要描述了资源如何被使用.依据顶层本体的定义,模型主要通过流程来进行执行,依据资源轮廓的功能描述,流程的主要属性包括流程I D 、名称、参与者、I OP E 等信息.如图3所示.从图3看出,有三种类型的流程:原子流程(At o m p r ocess );简单流程(Si m p l e p r ocess );组合流程(Co m p osit e p r ocess ).其中原子流程对应资源的一个操作或动作,可直接通过传递相应的消息或事件(I n p ut )来调用.简单流程是一组相同或相关原子流程的抽象,不可以直接被调用,可在具体执行时选择相应原子流程实现.而组合流程则是可由原子流程或简单流程通过相应的控制结构组合而成,控制结构就包括顺序、迭代、循环、选择、合并等.资源绑定则主要描述了资源如何接入、如何被调用.主要属性包括传输协议、端口号、数据格式等内容.2.3制造资源虚拟化制造资源本体为制造资源虚拟化提供了概念・901・增刊Ⅱ程臻,等:云制造环境下基于本体的资源虚拟化方法图3基于O WL-S的虚拟资源模型模型以及相应的逻辑基础,下面将给出基于制造资源本体的制造资源虚拟化方法.基于制造资源本体,一个虚拟资源VR(V ir-t ual Resource)可以定义如下.定义1虚拟资源可以描述成一个四元组: VR=(VRI D,VRPr ofil e,VR Model,VR-Gr oundi n g).VRI D为虚拟资源的唯一标识.VRPr ofil e为虚拟资源描述轮廓信息,对应为资源本体模型中的Resource Pr ofil e.另外,VRPr ofil e也是可以用一个八元组标识VRPr ofil e=(st aticPar a met er, D y na m icPar a met er,Ca p abilit y,Functi on,SL A, QoS,Cat e g or y,Cont act),其中:St aticPar a me-t er,D y na m icPar a met er分别描述了虚拟资源的静态属性和动态属性,属性值来源于资源本体模型中Resource Pr ofil e中的Resource Par a met er 类;Ca p abilit y描述了资源的能力,主要用于按照能力基于语义的资源查找和匹配,取值为本体模型中的Resource ca p abilit y类;Functi on描述了资源的功能,主要用于按照功能基于语义的资源查找和匹配,反映了资源的输入与输出,以及过程前后资源状态的变化,取值为本体模型中的I OP E 类;SL A和QoS描述了资源的服务级别以及服务质量信息,主要用于按照非功能基于语义的资源查找和匹配,取值为本体模型中的SL A和QoS 类;Cat e g or y描述了资源的分类信息,取值为本体模型中的Resource Cat e g or y类;Cont act描述了资源的联系信息,取值为本体模型中的Resource cont act属性值.VR Model对应为资源本体模型中的Resource Model,描述了虚拟资源如何被使用以及如何被调用,包括原子流程、简单流程和组合流程.主要的属性包括hasI n p ut,has Out p ut,has Pr econditi on及has Effect,其取值分别来自于资源本体模型中的Resource Model中的I n p ut, Out p ut,Pr econditi on和Effect类.VRGr oundi n g对应为资源本体的Resource Gr oundi n g,描述了虚拟资源如何接入、如何被使用等信息.3案例分析为了验证本文所设计的资源虚拟化方法,给出了一个基于本体描述的虚拟资源查找及调度应用案例进行说明.要实现虚拟资源的查找和调度,先要能够对资源进行管理,建立相应的虚拟资源管理器.本文建立了如图4所示的虚拟资源管理器.图4虚拟资源管理框架虚拟资源管理器主要包括三个层次:虚拟资源层,虚拟资源池层,虚拟资源管理层.其中虚拟资源层是在现实资源的基础上,利用前述方法实现资源的虚拟化封装,通过本体解析引擎能够对虚拟资源的信息和状态进行更新、感知和查询,并且实时地监控以及动态控制资源.在虚拟资源层之上,即可通过建立相应的模型形成虚拟资源池,・011・华中科技大学学报(自然科学版)第41卷包括虚拟资源抽象模型、虚拟资源组合模型、虚拟资源协商模型以及相应的模型解析引擎.虚拟资源管理层则主要是给虚拟资源的使用者提供相应的功能,包括资源的部署与绑定、资源的注册与发布、资源模型管理、智能搜索与匹配等.在虚拟资源管理器的基础上,即可实现基于本体描述的虚拟资源查找及调度流程,如图5所示.流程主要分为虚拟资源发布流程和虚拟资源查找与调度流程两部分,详细描述如下.图5基于本体描述虚拟资源查找及调度流程步骤1资源提供者按照顶层本体映射规则,将资源描述成资源本体,利用资源注册与发布功能将资源本体提交到虚拟资源管理中.步骤2资源本体随后被系统中的本体解析引擎依据顶层本体映射规则进行解析,此处本文使用O WL-S 解析引擎,解析完成后进入到虚拟资源本体库中.步骤3为了保证能够准确地检索到虚拟资源,解析完成后的本体还会在虚拟资源目录中增加相应的虚拟资源信息,主要包括虚拟资源I D 、名称和属性等基本信息.至此就形成了虚拟资源本体库以及虚拟资源目录,完成了虚拟资源的发布流程,这其中还有相应的审核过程.步骤4虚拟资源使用者按照系统所能解析的格式描述资源的属性、功能以及非功能等使用需求信息,并将使用需求信息提交到虚拟资源管理器中.步骤5-7接收到虚拟资源需求后,虚拟资源管理器会调用智能查找与匹配功能进行资源的查找.智能查找与匹配是虚拟资源管理器的核心功能之一.通过基于本体的相似性将虚拟资源目录中资源的描述信息与需求进行匹配[18],包括基本属性匹配、分类匹配、功能匹配、I OP E 匹配等,相应的匹配算法包括文本匹配算法,模糊函数匹配算法,层次分析匹配算法、结构树匹配算法等.经过相似性比较,得到一个通常只能满足功能性需求的候选虚拟资源列表.然而非功能性需求,如QoS 需求等还没有考虑,因此智能查找与匹配功能进一步将前面的候选虚拟资源列表在进行非功能性匹配.通过将虚拟资源本体库中的虚拟资源的包括QoS 和SL A 等非功能性描述与需求进行比较[19-20],最终得到一个同时满足用户功能性和非功能性需求的候选虚拟资源列表返回给用户.步骤8-9通过系统自动实现智能查找与匹配,得到的候选虚拟资源列表可能不止一个,因此用户除了考虑默认的虚拟资源之外,还可以依据自身情况进行人工选择.确定选取的资源后,从虚拟资源本体库中得到相应的资源绑定信息,将需求或者任务绑定到具体的物理资源上,用以实现需求或者完成任务.步骤10资源绑定完成后,系统将任务或需求信息传递给现实当中的物理资源,由现实中的资源来完成任务.步骤11现实资源接收到资源的需求或任务后,即可以约定的服务级别完成任务.使用过程中,须接受相应的资源监控.资源使用过程中及资源使用后,资源的状态和能力等信息可能会发生变化,那么将变化后的信息重新描述本体信息,更新虚拟资源目录和虚拟资源本体信息.基于本体描述的虚拟资源查找及调度应用案例验证了所提出的资源虚拟化方法是能够满足需求的.本文的工作仅考虑了单个资源虚拟化描述,实际上,在云制造环境中,虚拟资源之间也存在着相应的组合关系,因此如何利用本文提出的本体模型来描述组合之后的虚拟资源,以及如何利用本文的资源模型来实现虚拟资源依据任务特性自动聚集使得虚拟资源的查找和匹配更高效等问题都是下一步要研究的内容.参考文献[1]战德臣,程臻,赵曦滨,等.制造服务及其成熟度模型[J ].计算机集成与制造系统,2012,18(7):1584-1594.[2]李伯虎,张霖,王时龙,等.云制造———面向服务的网络化制造型模式[J ].计算机集成制造系统,2010,16(1):1-7,16.[3]Xu X.Fr o m cl oud co m p uti n g t o cl oud manufact uri n g[J ].Robotics and Co m p ut er-I nt e g rat ed M anufact ur-i n g 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