云制造的资源服务应用模式下信息系统开发的研究

云制造的资源服务应用模式下信息系统开发的研究学院：＿＿专业：＿＿班级：＿＿8＿＿学号：＿＿＿学生姓名：＿＿＿＿＿＿指导教师：＿＿＿＿年月日摘要: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。云制造强调各种与产品全生命周期有关的制造资源的服务化应用,通过各种云制造服务的调用来实现海量制造资源的共享。本文在前人研究基础上,重点针对云制造系统中各种资源及其服务化应用模式进行探索和研究。本文完成的主要工作包括：(1)在制造业务需求及资源制造能力分析的基础上,提出云制造平台可以提供的三类云制造服务：生产加工服务知识技能服务、企业信息化服务；(2)建立了云制造资源信息模型和云制造服务的信息化描述模型,探索了资源的封装方法和服务化应用方法；(3)对云制造平台加盟企业主导的生产加工服务和知识技能服务,研究设计了各类服务的发布、交易、实现等规则和流程；(4)对云制造平台运营方主导的平台加盟企业的信息化服务,研究设计了主要应用软件资源的应用共享模式,提出了基于服务器虚拟化及其应用软件虚拟化的两层虚拟化技术方案；(5)在理论方法的研究基础上,开发完善了云制造平台原型系统的性能。【关键词】；云制造云资源云服务服务建模服务匹配服务评价1云制造的提出背景制造的服务化、基于知识的创新能力，以及对各类制造资源的聚合与协同能力、对环境的友好性已成为当前企业竞争力的关键要素和制造业信息化发展的趋势。我国制造业正处于从生产型向服务型、从价值链的低端向中高端，从制造大国向制造强国、从中国制造向中国创造转变的关键历史时期。如何培育新型制造服务模式，满足制造企业最短的上市速度（Time）、最好的质量（Quality）、最低的成本（Cost）、最优的服务（Service）、最清洁的环境（Environment）和基于知识（Knowledge）的创新即TQCSEK的需求，支撑绿色和低碳制造，实现中国创造，进而推动经济增长方式的转变，是未来5-10年我国制造业发展需要解决的重大问题。从“八五”到“十一五”，我国科技部及相关部门支持了以计算机集成制造、并行工程、敏捷制造、虚拟制造、网络化制造、制造网格、敏捷制造等为代表的相关制造业信息化课题，已取得了一系列成果，并在制造业各个领域发挥了重要作用，对推进我国制造业信息化进程做出了巨大贡献。然而，如何在制造过程中整合社会化存量资源，提高资源利用率，降低能源消耗，减少排放，从而实现服务型制造，已成为我国制造业迫切需要解决的瓶颈问题。解决这些问题，需要探索新的制造业发展模式。与此同时，以云计算、物联网、虚拟物理融合系统CPS（Cyber-PhysicalSystems）、虚拟化技术、面向服务技术（如知识服务、服务技术等）、高性能计算等代表的先进技术正迅猛发展，并在各个行业得到应用。2云制造提出的技术基础云计算作为一种新的服务化计算模式，近年来正在产业界兴起并逐步走向成熟[6-7]。云计算是一种基于互联网的计算新模式，通过云计算平台把大量的高度虚拟化的计算资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务，通过互联网上异构、自治的服务形式为个人和企业用户提供按需随时获取的计算服务。云计算的运营模式是由专业计算机和网络公司（即第三方服务运行商）来搭建计算机存储、计算服务中心，把资源虚拟化为“云”后集中存储起来，为用户提供各种服务。不难推论，若将“制造资源”代以“计算资源”,云计算的计算模式和运营模式将可以为制造业信息化所用，为制造业信息化走向服务化、高效低耗提供一种可行的新思路。正是在这样的背景下，“云制造”的理念应运而生。目前国际上对云制造鲜有研究，因此，关于云制造的研究与应用存在着巨大的发展空间。3云制造的研究3.1云制造的定义云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式。它融合现有信息化制造、云计算、物联网、语义Web、高性能计算等技术，通过对现有网络化制造与服务技术[13-14]进行延伸和变革，将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，并进行统一、集中的智能化管理和经营，实现智能化、多方共赢、普适化和高效的共享和协同，通过网络为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用、安全可靠、优质廉价的服务。制造全生命周期过程包括制造前阶段（如论证、设计、加工、销售等）、制造中阶段（如使用、管理、维护等）和制造后阶段（如拆解、报废、回收等）。3.2云制造的特征（1）面向服务和需求的制造云制造一改制造长期以来面向设备、面向资源、面向订单、面向生产等的形态，从而转而真正面向服务、面向需求。在云制造中，一切能封装和虚拟化的都作为制造云服务（包括制造资源作为服务、制造能力作为服务、制造知识作为服务等）这种大转变是作为实现生产型企业向服务型企业转变、实现制造即服务（Manufacturing-as-a-Service,MFGaaS）的基础。（2）不确定性制造云制造中，云服务对制造需求的满足不存在唯一的最佳解，而是到目前为止用现有技术和方法能得到的满意解或非劣解，这既是云制造的不确定性制造能力，包括云制造任务的描述、任务与云服务的映射匹配、云服务选取与绑定、云服务组合选取、制造结果评价等环节中的不确定性。（3）用户参与的制造云制造强调把计算资源、能力、知识嵌入到网络、环境中去，使得制造企业关注的中心转移或回归到用户需求本身。云制造致力于构建一个制造企业、客户、中间方等可以充分沟通的公用制造环境。在云制造模式下，用户参与度不仅限于传统的用户需求提出和用户评价，而是渗透到制造全生命周期的每一个环节。云制造模式下，客户或用户的身份不具备唯一性，即一个用户即是云服务的消费者，也是云服务的提供者或开发者，体现的是一种用户参与的制造，包括人机交互、机人交互、机机交互、以及人人交互等。（4）透明和集成的制造云制造把所有制造资源、能力、知识等尽可能高度抽象和虚拟化为用户可见和容易调用的“电源接线板”，即制造云服务，而其它东西对用户透明。用户在使用云服务开展各类制造活动时，这些服务的调用是透明的，即所有制造实现操作细节可以向用户“隐藏”起来，使用户将云制造系统看成是一个完成无缝的集成系统。云制造的透明性可以体现在位置透明性、注册透明性和使用透明性等方面。（5）主动制造现有制造模式中，如果企业没有生产订单或自己的设备等资源闲置时，则无法开展制造或享受资源收益，即体现的是一种被动的制造模式。而在云制造中，制造活动和云服务具有主动性，即用户根据第三方构建的云制造服务平台，在知识、语义、数据挖掘、机器学习、统计推理等技术的支持下，订单可以主动寻找制造方，而云服务可以主动智能寻租，从而体现一种智能化的主动制造模式。（6）支持多用户的制造传统网络化制造模式（如ASP、制造网格等）研究重点是如何使分散的制造资源能够通过网络连接起来，从而形成虚拟的集中资源，并将一个复杂制造任务分解成若干简单任务，通过调度机制使得这些简单任务并行运行在不同制造资源节点上，最后汇集执行结果，体现的是一种“分散资源集中使用”的思想。而云制造不仅体现“分散资源集中使用”的思想，还有效实现“集中资源分散服务”的思想，即将分散在不同地理位置的制造资源通过大型服务器集中起来，形成物理上的服务中心，进而为分布在不同地理位置的多用户提供服务调用、资源租赁等。（7）支持按需使用和付费的制造云制造是一种需求驱动、按需付费的面向服务的制造新模式。云制造模式下用户采用一种需求驱动、用户主导、按需付费的方式来利用制造云服务中心的云服务。用户根据自身的需要来调用或组合调用已有的云服务并支付相应的费用，而且户不需要过多关注制造资源服务提供者的自身信息，用户和制造资源提供者是一种即用即组合、即用即付、用完即解散的关系。（8）低门槛、众包式制造传统制造企业必须拥有自己的厂房、设备、物料、信息化设施、技术人员等全套制造条件，同时必须具备相应的设计、制造、管理、销售等能力。而云制造模式下，企业不需要拥有所有这些条件和能力，对企业没有的制造资源或能力可以通过“外包”的形式来达到，即通过调用或租用云制造系统中的资源、能力、云服务来完成本企业的生产任务。从而降低了企业的入门门槛，使生产和企业组织方式更加灵活、多元化。（9）敏捷化制造云制造模式下，企业只需要重点关注本企业的核心服务，而其它相关业务或服务则可以通过调用云制造中的云服务来完成，其生产方式非常灵活，体现了一种敏捷化的制造思想。（10）专业化制造云制造通过第三方构建的平台，将所有制造资源、能力、知识虚拟化成云滴（即制造云服务），最后聚合形成不同类型的专业制造云（如设计云、仿真云、管理云、实验云等），体现了规模化、集约化、专业化的特点。（11）基于能力共享与交易的制造与传统网络化制造相比，云制造共享的不仅仅是制造资源，还有制造能力。在相应知识库、数据库、模型库等的支持下，实现基于知识的制造资源和能力虚拟化封装、描述、发布与调用，从而真正实现制造资源和能力的全面共享与交易，提高利用率。3.3云制造运行模式及关键技术云制造体系包括制造资源/制造能力、制造云、制造全生命周期应用三大组成部分。此外，它的运行还包括一个核心支持（知识）、两个过程（接入、接出）和三种用户（制造资源提供者、制造云运营者、制造资源使用者）。云制造的运行原理如图1所示。首先，需要将各种制造资源与制造能力封装为云服务，这一过程可称为制造资源的“接入”。根据不同的制造需求，云服务能够聚集形成制造云。制造云是云服务的主要载体，面向制造全生命周期应用提供各种服务，这一过程称为“接出”。在整个云制造体系的运转过程中，知识起到了核心支撑的作用。知识能够在制造资源和制造能力的接入过程中，为智能化嵌入和虚拟化封装提供支持；在制造云管理过程中，为云服务的智能查找等功能提供支持；在制造全生命周期应用中，为云服务的智能协作提供支持。由此可见，云制造体系能够实现基于知识的制造全生命周期集成，提供了一种面向服务的、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式。云制造应用模式如图1所示。首先，相关行业的用户通过云制造平台提出具体的使用请求。云制造平台是负责制造云管理、运行、维护以及云服务的接入接出等任务的软件平台。它会对用户请求进行分析、分解，并在制造云里自动寻找最为匹配的云服务，通过调度、优化、组合等一系列操作，向用户返回解决方案。用户无需直接和各个服务节点打交道，也无需了解各服务节点的具体位置和情况。通过云制造平台，用户能够像使用水、电、煤、气一样使用制造资源和制造能力。3.4云制造体系架构（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、RFID技术、物联网等，从而使得各类物理资源能接入到网络中，实现物理资源的全面互联，从而形成云制造虚拟资源，进而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）资源层（R-Layer）：R-Layer为云制造虚拟资源层，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，从而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：云端接入技术、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、资源分割管理等。（3）云制造服务层（C-Layer）：C-Layer为云制造服务中心层，该层主要汇集资源层发布的各类资源服务，从而形成各类云制造服务数据中心。（4）核心服务层（S-Layer）：S-Layer为云制造核心服务层，该层主要面向云制造三类用户（CSP、CSD、云服务运行商）对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CSP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CSD提供云任务管理、高性能搜索与调度管理服务等。（5）应用接口层（P-Layer）：P-Layer为云制造应用接口层，该层主要是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。（6）用户层（U-Layer）：U-Lay