1、中小企業云制造服務平臺共性關鍵技術體系解析 本文為了給我國廣大中小企業充分利用和共享社會制造資源、提升企業綜合競爭能力提供重要支撐手段,分析了中小企業云制造服務平臺的特點, 建立了中小企業云制造服務平臺共性關鍵技術體系框架, 闡述了中小企業云制造服務平臺的主要核心理論和技術、平臺標準和規范、平臺體系架構、平臺共性引擎和共性管理工具、平臺服務和運行模式、平臺應用體系架構等共性技術方面的研究思路和研究內容, 為進一步深入和系統開展中小企業云制造服務平臺的研究、開發、實施和應用奠定了基礎。 中小企業量大面廣,是我國制造業的重要組成部分,在確保國民經濟穩定增長、緩解就業壓力、優化經濟結構等方面,均發揮

2、著越來越重要的作用。然而隨著市場競爭的日趨激烈,我國廣大中小企業普遍面臨產品研發能力不足、經營管理水平落后、產業鏈協作能力低下等嚴峻挑戰,因此迫切需要利用先進制造模式及相關技術,快速整合社會制造資源,提升企業的綜合競爭能力。我國制造業信息化工程經過20多年的發展,在推進網絡化制造、制造業信息化應用服務提供商(Application Service Provider, ASP)平臺等先進制造模式、促進中小企業發展方面,做了大量探索和實踐。但由于在服務和運營模式、制造資源共享與分配機制、標準規范、安全控制、平臺個性化支持和服務能力、運行機制等方面存在不足和缺陷,制約了網絡化制造、ASP平臺等先進制

3、造模式的深入應用及推廣,廣大中小企業的信息化應用水平仍然不高,已成為我國制造業信息化建設的一個瓶頸。近年來,隨著云計算、物聯網等技術的發展和日趨成熟,一種面向服務的網絡化制造新模式云制造應運而生,它是一種利用網絡和云制造服務平臺,按用戶需求組織網上制造資源(制造云),為用戶提供各類按需制造服務的一種網絡化制造新模式。基于云制造服務模式的中小企業云制造服務平臺將成為我國中小企業充分利用和共享制造資源,提升產品設計、經營管理和生產制造能力,增強企業綜合競爭力的重要支撐手段,也是當前我國先進制造領域需要探索的一個重要發展方向。1、中小企業云制造服務平臺的內涵中小企業云制造服務平臺是在網絡化制造和AS

4、P服務平臺等研究的基礎上,結合云制造服務模式和中小企業特點,綜合應用云計算、云安全、物聯網等技術建立的新型網絡化制造服務平臺,它能有效促進中小企業基于網絡的制造資源共享和協同。中小企業云制造服務平臺與已有的ASP服務平臺和網絡化制造平臺相比,擁有參與資源的廣域性、參與資源的多維性、制造服務的深入性、服務交易的可靠性、資源使用的便捷性、平臺運維的市場性等特點,能更好地為中小企業產品全生命周期提供全面的、便捷的、深入的、可靠的、按需定制和優質廉價的各類制造服務。(1)參與資源的廣域性中小企業云制造服務平臺按照統一標準和規范,將分散在各地的制造資源進行虛擬化描述、封裝、發布和集中存儲,可消除地域空間

5、限制,實現需求、信息和資源的有序積聚,同時“多對多”的運行服務模式使中小企業云制造服務平臺較網絡化制造平臺具有更加廣闊的推廣和應用范圍。(2)參與資源的多維性中小企業云制造服務平臺可支持中小企業制造過程中的各種數據、模型、軟件和領域知識等軟制造資源標準化接入共享;可實現數控機床、加工中心和計算設備等硬制造資源的網絡化集成運行、加工運行過程實時監測和遠程維修維護等服務;可促進企業產品全生命周期所需設計、生產、實驗和管理等能力資源的共享。(3)制造服務的深入性中小企業云制造服務平臺能支持資源共享、資源使用全過程及其與制造過程相融合的優化利用,如智能生產線的構建、機床再制造、生產過程工藝參數的優化決

6、策、數控程序協同優化編制等服務業務,從而實現云制造服務與中小企業核心技術的深度融合。(4)服務交易的可靠性中小企業云制造服務平臺將針對服務交易類型分別建立標準的、可靠的信用評估機制,確保用戶需求和資源的信息安全性以及交易可靠性。(5)資源使用的便捷性中小企業云制造服務平臺可通過服務引擎與管理工具集,實現制造資源與服務需求的動態快速發布、服務供需能力的動態優化匹配、服務交易的在線協同、交易過程的安全防護,支持社會制造資源從產生到耗散全生命周期業務過程的快速高效運行,為用戶提供按需供給、按量計價、便捷高效的制造資源與服務。(6)平臺運維的市場性中小企業云制造服務平臺可通過建立合理的利益分配與協調機

7、制,實現平臺中資源服務的提供方、使用方、平臺運營方、服務集成方等多方業務主體的自激勵,支持云制造服務平臺運維構成要素的動態更新及可持續發展。2、中小企業云制造服務平臺共性關鍵技術體系中小企業云制造服務平臺的開發、實施和應用是一項復雜而系統的工程,涉及到許多亟需攻克的共性關鍵技術。結合中小企業云制造服務平臺的內涵,本文建立了一種中小企業云制造服務平臺共性關鍵技術體系框架,如圖1所示。 由圖1可知,中小企業云制造服務平臺共性關鍵技術主要包括平臺核心理論和技術、標準與規范、平臺體系結構、共性引擎和工具、服務和運行模式、平臺應用研究等。2.1中小企業云制造服務平臺核心理論和技術中小企業云制造服務平臺是

8、一個嶄新的概念,要系統和深入地開展中小企業云制造服務平臺的研究、開發、實施和應用,首先需要圍繞中小企業云制造服務全生命周期突破有關的核心理論和技術,包括云制造服務分類與組織方法、云制造服務供需能力模型、云制造服務描述方法、云制造服務語義標注方法、云制造服務組織發布和虛擬展示技術、制造能力供需智能匹配與交易技術、服務業務信用評估與分析技術、行業知識聚集與管理技術、服務管理中的非結構化數據管理技術等。平臺核心理論和技術的研究邏輯如圖2所示。 (1)云制造服務分類與組織方法云制造服務的概念和分類,是解決云制造服務資源主體問題的源頭。結合中小企業資源共享和業務協同的需求,可將云制造服務分為資源(R服務

9、)和服務(S服務)兩類。R服務是指單個產品或者設備的簡單買賣/租賃契約關系,與服務提供/消費者的企業內部不產生或者產生較少的業務交互; S服務是指企業間協作意義下的復雜協同契約關系,服務供需雙方存在業務邏輯依存關系和信息交互需求。其中, R服務可采用標準的工業分類組織方法;S服務可采用Web服務的領域分類方法。 (2)云制造服務供需能力模型云制造服務供需能力模型主要包括云制造服務能力模型和云制造服務需求模型。云制造服務供需能力模型的描述包括供需雙方對R服務和S服務本身的供需描述和供需雙方的企業整體能力描述。由于R服務和S服務所涉及的概念、關系和語義有不同內涵,其能力模型的具體構成要素也有所不同

10、。(3)云制造服務的描述方法云制造服務的描述方法包括本體描述方法和工作流描述方法。本體描述方法包括資源描述框架(Resource Description Framework, RDF)和Web本體語言(Web Ontology Language, OWL)。對R服務,可采用基于知識框架的表達方法,具體體現為RDF;對S服務,可采用基于Web服務的OWL表達方法;對服務流程的工作流描述,可采用可擴展標記語言(eXtensible Markup Language, XML)格式的Petri網標記語言。通過以上的服務描述,可規范和指導云制造服務的建模、組織和管理。(4)云制造服務語義標注方法針對中小

11、企業云制造服務,特別是S服務,按照服務的開發、描述、發布、發現、組合與執行等生命周期對語義描述的需求,可將云制造服務語義分為功能語義、數據語義、服務質量語義和執行語義等四種類型。1)功能語義(functional semantics),是指服務的實際功能描述,功能語義通過功能本體(function alontology )來表達,標注在Web服務描述語言(Web Services Description Language, WSDL)文檔中的操作上。2)數據語義(data semantics),是指服務的輸入/輸出參數集合的語義表達,數據語義標注在WSDL文檔中的操作上。標準的詞匯表或分類表,

12、例如ebXML Core Component Dictionary或RosettaNet Technical Dictionary等,均可以用來表達Web服務中的輸入/輸出數據。3)服務質量語義(QoS semantics),是指服務的眾多質量性能的語義表達,在WSDL文檔中可以進行單獨的服務質量語義標注。包括領域無關(domain independent )的QoS和領域相關(domain specific)的QoS。4)執行語義(execution semantics),是指與服務執行相關的消息序列、任務流程、服務調用的前提條件/結果等語義信息,在WSDL文檔中可以進行單獨的服務過程執行語

13、義標注。(5)云制造服務組織發布技術和虛擬展示技術通過建立云制造服務的本體概念體系,可實現企業本體、R服務和S服務的上層本體描述,進而通過實例化工具進行實例化。針對企業本體和R服務,可采用目錄管理方式進行發布;針對S服務,可采用Web服務方式,注冊到統一描述、發現和集成(Universal Description Discovery and Integration, UDDI)協議服務器中進行發布。對于云制造服務的檢索和虛擬展示,可利用富互聯網應用(Rich Internet Applications, RIA)技術,通過建立虛擬服務瀏覽器來實現。(6)云制造服務搜索、智能匹配、服務選擇與組合

14、采用云制造服務搜索技術,可集成實現關鍵字搜索、結構搜索、語義搜索等功能。在智能語義匹配時,可依次進行四種語義匹配,逐步求精,同時需要采用多種語義的匹配度算法,以及單個服務匹配和服務間的語義匹配方法。在服務選擇與組合時,可采用相應的服務導引策略和服務推薦算法,以及可參數化配置的加權綜合評判方法來實現服務選擇;選擇服務后,可結合服務流程描述Petri網可擴展標記語言(Petri Net Markup Language, PNML)和業務過程執行語言(Business Process Execution Language, BPEL)來實現服務組合。(7)云制造服務管理與協同的支撐技術包括制造能力供

15、需智能匹配與交易技術、服務業務信用評估與分析技術、行業知識聚集與管理技術、服務管理中的非結構化數據管理技術等。在突破以上技術的基礎上,可開發出構建中小企業云制造服務平臺所需的一系列共性引擎和共性管理工具。2.2中小企業云制造服務平臺的標準與規范中小企業云制造服務平臺的運行將涉及大量的需求和資源信息,同時平臺運營需處理多種服務交易,這些信息的無序化和異構化都將阻礙資源的有效集成和共享,因此統一的標準和技術規范是中小企業云制造服務平臺實現推廣應用的關鍵。本文從整體的角度出發,建立了如圖3所示的一種中小企業云制造服務平臺標準和規范總體框架結構,包括中小企業云制造服務平臺體系架構、制造資源、運行服務、

16、互操作和接口、安全等相關標準和規范。 2.3中小企業云制造服務平臺體系架構中小企業云制造服務平臺體系架構是從服務實現的角度對平臺的層次結構和邏輯關系等進行梳理和規劃,構建中小企業云制造服務平臺的架構藍圖。結合網絡化制造服務平臺現有研究成果和中小企業云制造服務平臺的內涵,本文建立了一種中小企業云制造服務平臺的體系架構,如圖4所示。 (1)基礎支撐層 提供云服務平臺的數據庫、網絡等基礎支撐環境。(2)平臺集成運行環境 提供平臺運行的安全、監控與管理基礎環境。(3)平臺工具層 提供一系列的工具集,支持制造資源與需求的方便注冊、發布、搜索匹配、交易,以及業務管理、供需雙方信用評價和知識社區創建等。(4

17、)制造資源層 包括各種R服務資源和S服務資源,各制造資源通過統一注冊發布工具,形成標準接口的云構件,以供不同需求方的匹配調用;對于數控加工設備、儀器儀表等硬件服務資源,可采用一種基于智能終端的新型的云端接入方式,實現方便接入云端形成云構件,以供不同需求用戶匹配使用;對于一些服務資源,可通過系統知識工具集形成知識構件,以促成行業知識的聚集。(5)平臺服務構件層 存儲并管理各類粗細粒度不等的服務構件,供不同服務需求調用。(6)服務組件層 服務組件層為業務模型層與服務構件層的中間轉換層,通過不同的服務構件組合可以形成粗細粒度不同的業務類型,供不同的業務模型調用。(7)業務模型層 面向客戶需求方的業務

18、需求的業務流程定義層,可調用不同的服務組件響應不同的業務需求。(8)交易層 為用戶需求提供搜索匹配,并引導云需求與云資源的交易,記錄管理交易過程,并作出信用評價。(9)用戶層 負責各種制造需求的發布,參與服務業務開展全過程,發布行業知識經驗等。2.4中小企業云制造服務平臺共性引擎和共性管理工具中小企業云制造服務平臺的構建是一項龐大而復雜的工程,為提高平臺的開發效率和開發質量,降低平臺開發風險和開發成本,以及提高平臺的標準化程度和平臺的集成性,需要在突破以上平臺核心理論和技術的基礎上,遵從平臺的標準規范和體系結構,開發一系列中小企業云制造服務平臺共性引擎套件和管理工具集。(1)中小企業云制造服務

19、平臺的共性引擎套件中小企業云制造服務平臺的共性引擎主要為平臺開發、應用和推廣提供基礎邏輯和服務支撐,包括交易主體信用評估引擎、智能匹配引擎、交易協同邏輯引擎、業務邏輯管理引擎和知識聚合與分類引擎等。1)交易主體信用評估引擎 基于云制造服務平臺的主體信用評價指標,采用面向云制造服務平臺的主體信用反饋機制和主體信用評價算法,實現主體交易信用信息管理、主體信用評價、主體信用綜合查詢分析。2)智能匹配引擎 采用制造服務搜索算法,通過關鍵字、結構、語義等方式實現制造服務的快速搜索,然后針對制造服務的功能、數據、服務質量和執行等方面,采用智能語義匹配算法實現制造服務供需的智能匹配。3)交易協同邏輯引擎 通

20、過云制造能力交易描述語言和管理方法,對整個交易過程進行靜態描述,實現交易實例的創建、運行、監控、異常處理及評價記錄。4)業務邏輯管理引擎 通過對中小企業云制造能力交易過程的多層次、多維度綜合建模,結合過程挖掘算法、相似性度量算法以及過程模型檢索算法,采用相應的仿真分析技術,對交易過程的結構合理性、行為合規性、活動可調度性和過程成功率等方面進行分析,實現交易過程的在線演化和管理。5)知識聚合與分類引擎 基于數據挖掘和分析、行業知識聚合與分類算法,采用網絡爬蟲、N LP(nonlinear progr amming )等算法實現技術,建立制造行業知識庫、語義分析、語義搜索和查詢。(2)中小企業云制

21、造服務平臺共性管理工具集中小企業云制造服務平臺的共性管理工具集主要為平臺用戶提供友好人機交互應用工具,實現平臺的易操作性和功能的便捷性,包括統一用戶管理、業務管理系統工具、系統管理工具和資源虛擬化工具等。1)統一用戶管理 支持交叉分類、行業分類選擇,支持單點登錄,滿足安全性、統一性和可擴充性的需求。2)業務管理系統工具 為多主體協同的可定制業務外包交易提供全生命周期管理功能,包括外包業務模板的定義、管理、智能推薦、分析、仿真和改進等,支持外包業務實例的部署、執行、監控、診斷、演化和優化等。3)系統管理工具 為搭建支持多租戶、大容量、高并發、高可用的服務平臺提供各項管理功能。 4)資源虛擬化工具

22、 實現主流計算資源、存儲資源、網絡資源、制造資源等物理軟硬件資源的虛擬化集中管理和監控。2.5中小企業云制造服務平臺的服務和運行模式如何針對中小企業云制造服務業務特點和制造服務資源特性等研究和建立可行的運行服務模式,是中小企業云制造服務平臺進入實際應用階段、實現制造資源的集成和共享需要突破的一個重要問題。根據中小企業的特點和需求,結合中小企業云制造服務業務提供方式、云制造服務資源類型、云制造參與角色構成方式、云制造服務商務和盈利模型,圍繞 分散資源集中使用,集中資源分散服務!的云制造思想,本文建立了一套如圖5所示的“222+2”的中小企業云制造服務和運行模式總體框架和組合思路, 表示可任取其中

23、元素組合; i , j取1或2。 圖5中, “222”包括:純在線云制造服務(ON模式)、在線和離線相結合云制造服務(ON& OFF模式)兩種典型的云制造服務業務提供方式; R服務資源和S服務資源兩種典型的云制造服務資源類型; 三方(指資源提供方、資源需求方、平臺運營方三方)云制造服務和四方(指資源提供方、資源需求方、資源集成服務方、平臺運營方四方)云制造服務兩種典型的云制造參與角色構成方式。 “+ 2”是指以上典型云制造服務模式可采取基于核心技術支持工具收費模式和會員制收費模式兩種典型商務和盈利模式。以上組合思路需根據具體云制造服務業務特點、平臺方核心技術擁有情況、制造資源特性等具體情況進一步個性化組合和配置,以指導相應的中小企業云制造服務平臺的開發、實施和商業化運營。2.6中小企業云制造服務平臺應用體系架構中小