云制造资源服务化方法研究
【摘 要】为实现对制造资源的高利用率、高敏捷性、高可用率，在现有的虚拟化封装后的制造资源研究基础上，对制造资源的服务化封装过程进行阐述，提出采用资源多层次匹配方法及基于角色的访问控制方法，并对其算法和过程进行详细分析研究，在此基础上，结合实际项目进行研究，最终以实现获得资源高利用率并实现节能降耗。
【关键词】云制造；服务化；资源匹配；访问控制
0 引言
随着互联网技术的进一步发展，网络对于各行业的影响也日益变大，我国中小型制造企业发展遇到了一定的瓶颈，首先，普遍面临的是融资困难的问题，导致中小企业想要扩大或者创新也成为了难题，所生产的产品档次较低、质量差、缺乏竞争力，因此，企业受生产资金、生产设备、技术水平、创新等方面因素的制约，造成了行业和产品结构的不均衡；另外，企业还出现了专业人才的缺乏，管理较落后，创新能力差等严重的问题，这对中小型制造企业的成长造成了阻碍。
因此，在这个信息时代，将所流行的云计算、物联技术等新生信息技术与制造技术相结合，形成制造业信息化新的核心技术——云制造（Cloud Manufacturing）技术，它是一种面向服务先进制造模式。
本文将结合“贵州中小企业制造资源服务平台研究”课题，针对小企业云制造资源通过构建各类制造资源的通用描述模板，经过云制造平台对资源虚拟化后，如何将资源封装成服务，根据使用者需要的资源服务，平台对资源服务进行合理匹配等过程进行具体分析。
1 云制造资源虚拟化封装技术
云制造资源虚拟化就是通过物联网、信息物理、计算系统虚拟化等技术，实现物理制造资源的全面互联、感知与反馈控制，并将物理制造资源转化为逻辑制造资源，解除物理制造资源与制造应用之间的紧耦合依赖关系，以支持资源高利用率、高敏捷性、高可靠、高安全、高可用的虚拟云制造服务环境[19-20]。另外，云制造平台也能够通过获取并储存这些资源信息后，各种资源的分配及使用也就更加合理、快速，高效地为用户的需求提供服务。
云制造中的资源虚拟化共享的资源类型比云计算中更加繁多，因此，针对中小企业中生产制造过程的资源特点和重点，本文提出了基于模板的资源虚拟化封装框架，如图1：
图1 基于模板的虚拟化封装框架
2 制造资源的服务化
制造资源的服务化，就是指将资源封装为服务，也就是在此过程中让资源以一系列标准的接口来使它的功能对外界公开，以便用户调用。资源服务化封装主要包括：建立资源描述模板、资源实现类、资源部署到适配器。资源描述模板和实现模板都储存在模板库中，资源服务化封装操作变得规范、简化。
图2 制造资源服务化封装过程
在云制造服务平台中，对于制造装备资源和大型的计算软件资源通常都是在一定的环境下，不能灵活使用共享，则需要采用服务的形式提供出来。按照其接入方式的不同可将硬件制造资源和大型计算机软件资源封装为制造资源的采购服务和租赁服务，而软件资源通常包括模型、数据、信息、知识等，对这些信息资源则采用信息共享的方式进行服务。信息资源以数据或者文档的形式储存在共享空间里，管理员根据服务提供者和共享空间的安全策略，授予信息资源使用者访问权限，信息资源使用者具有对应的查看、修改、更新、上传、下载和版本更新等操作权限。如图3所示：
图3 制造资源封装成服务
3 云制造资源服务化技术
3.1 资源的多层次相似匹配方法研究
资源服务匹配是指从网络制造环境下海量的资源服务中挑选符合制造任务要求的服务，并形成待选的资源服务集[33]。
为了达到海量云制造资源的灵活管理和调度，提高整个网络资源服务的利用率以及任务的满足率，本文采用多层次匹配的方法对资源服务进行匹配。
3.1.1 多层次相似匹配流程
多层次匹配是通过分层多次进行相似度匹配计算，每一层通过设定各层的阈值来过滤掉相似度不够的服务，不满足阈值的服务就不能进入下一层次的相似度匹配，从而达逐步细化求精目的。
根据我省资源的特点以及所建立的通用描述模板，系统将云制造资源匹配分为三个层次：基本信息匹配、功能信息匹配、其它功能信息匹配：
图4 多层次匹配流程图
3.1.2 多层次相似匹配算法
在多层次匹配的前三个个层次中，不同层次上根据该层的特点采用不同的相似度计算方法，同时对每一层引入一个阈值来对需要匹配的服务数量进行控制。
假设X是云制造服务请求，Y是已发布的制造云服务，那么X和Y的的最终匹配度为M（X，Y），将其定义如下：
M（X，Y）= ∏（MB（X，Y），MF（X，Y），MQ（X，Y）） （1）
其中，MB表示基本匹配的匹配度，MF表示功能性匹配的匹配度，MQ表示其它功能信息的匹配度，∏（）表示将集成MB、MF、MQ这三层计算的匹配度并生成综合匹配度。
1）基本匹配
基本匹配层主要是对制造云服务的一些基本信息，如：资源服务名ResourceName、资源服务基本描述ResourceDescription的相似度匹配。我们通常都是用词语和句子来描述ResourceName和ResourceDescription的，那么，这一层就需要使用对关键词和句子的相似度匹配算法来计算基本匹配层匹配度。计算公式如：
MB（X，Y）= ω1 SimWord （X. ResourceName，Y. ResourceName）
+ω2 SimSentence （X. ResourceDescription，Y. ResourceDescription）
其中，ω1和ω2表示计算ResourceName和ResourceDescription匹配度的权重，0≤ω1，ω2≤1且ω1 +ω2=1。设 X. MCRP.basic表示制造资源服务请求X的基本描述信息集合，包括X的ResourceName及ResourceDescription。Y. MCS.basic表示制造云服务Y的基本描述信息集合，包括X的ResourceName及ResourceDescription。θb是系统给服务请求者所设定的阈值。
2）功能信息匹配
功能性匹配针对的是制造云服务的功能性信息，包括服务的输入、输出、前置条件和结果。这一层需要使用词和数值参量的相似度匹配算法来计算功能性的匹配度。设X表示资源服务功能信息描述的数值参量的集合，Y表示资源服务功能信息描述的概念词集合，功能信息匹配层匹配度的计算公式如：
MF（X，Y）=■？棕■Sim■（X.n■，Y.n■）+■？棕■Sim■（X.w■，Y.w■）
ni （ni∈N ）表示N中有i （i =1，2，3，…，n）个参量，wj（wj∈W）表示W中有j（j= 1，2，3，…，w ）个概念词。ωni和ωwj 代表ni和wj的权重，0≤ωni ，ωwj≤1 且∑ωni + ∑ωwj =1。
设 X.MCRP.fun表示制造资源服务请求X的功能性信息集合，包括X的输入、输入、输出、前置条件和结果属性。X.MCRP.fun中所有参数根据类型分为数值参量集合NX和概念词集合WX。Y.MCS.fun表示制造云服务Y的功能性信息集合，包括Y的输入、输入、输出、前置条件和结果属性。Y.MCS.fun中所有参数根据类型分为数值参量集合NY和概念词集合WY。θf是系统给服务请求者规定的阈值。
3）其他功能信息匹配
非功能性匹配主要是针对的是制造资源云服务的服务质量信息QoS（Quality of Service），包括服务的时间、花费、可靠性、灵活性和信誉度等。本文中Qos信息主要由数值参量来描述。这一层需要使用数值参量相似度匹配算法来计算非功能性匹配层匹配度，计算公式如：
MQ（X，Y）=■？棕■SimN■（X.Q■，Y.Q■）
其中，i=1，2，3，…，n 且 0 ωQi≤1， ∑■■ωQi=1。ωQi代表第i个Qos分量的权重，n是代表Qos分量的数目。设X.Qos 表示制造服务请求X的Qos参量集合。Y.Qos表示已发布的制造云服务Y的Qos参量集合。θq为服务请求者这一层的阈值。
3.2 资源访问控制技术
云制造服务平台中，需要通过明确的操作许可和细粒度的访问规则才能对信息资源进行访问控制。
平台不会对硬制造资源直接进行访问，而是把硬件资源代理作为访问控制对象，也就是说，对硬资源的访问控制实际上就是对其代理的行为控制，若这个代理的行为明确，普通访问控制模型就可以执行对此代理的访问控制了。对于计算型软资源的访问控制与对硬资源的访问控制类似。而对一些交大型的制造资源访问控制就比较复杂，因为它本身就已经具备独立的访问控制体系，有其自带的用户、角色和功能权限，这使得这类软件资源一方面需要确保其内部访问控制系统能够正常运转，另一方面，又需要确保作为的资源实体不游离在云制造服务平台的访问控制体系之外。
根据以上的资源访问控制需求的分析，结合本文的资源特点，提出使用RBAC（Role-Based Access Control）模型，即基于角色的访问控制模型[34]。RBAC的核心思想就是将访问权限与角色相联系，通过把适合的角色分配给用户，将访问权限封装在角色里面，用户就可以通过被赋予的角色间接地访问系统资源，让用户与访问权限相联系。云制造服务平台聚集了海量不同类型的制造资源，各类制造资源的访问控制需求也都是不相同的，平台对资源进行统一集中管理与访问控制，除此之外，制造服务的执行环境还需要对资源严格的访问控制。因此，构建基于角色的云制造服务平台访问控制模型，如图5：
图5 基于角色的云制造服务访问控制模型
4 实例
本文是基于贵州中小企业制造资源公共服务平台的研究，图6是系统实现的效果图，本系统实现了虚拟化封装后资源的服务化过程。
资源检索与匹配模块的实现。用户登陆平台系统之后，资源服务会以列表的形式分类显示在左侧。用户单击左侧服务列表中某一项服务，右侧窗口会显示相应的服务属性。用户还可以点击搜索，根据自己的需求检索所需要的资源服务信息，系统则会对资源库中的服务进行匹配，包括基本信息和功能信息及其他信息的匹配，最（下转第137页）（上接第48页）后将匹配结果反馈到界面给用户。如图6：
图6 资源服务发布模块实现
5 结束语
本文在已有的相关研究工作基础上，根据云制造的目标和特征， 首先对云制造的虚拟化过程进行的简单的阐述；其次，对资源的服务化封装进行了详细的描述，根据云制造环境下制造资源虚拟化封装框架，并对云制造资源服务化技术，包括资源的匹配技术及访问控制技术进行详细研究分析，实现制造资源的服务化需求，也对之前的理论基础、设计构建增加了有力的说服力。
目前，云制造资源虚拟化的研究仍然处于起步阶段，还面临着许多问题，在相关理论、方法、技术和应用方面都有待进一步深入研究和实践。下一步将结合社会生产实际的需求对云制造进行探索，让云制造的研究和应用带动制造业信息化的发展进入一个新的时代。
【参考文献】
[1]毛艳，毛康民.计算机集成制造系统在机械制造业的应用[J].新课程·教研，2011，07：85-86.
[2]单寒梅.网络化制造ASP平台的研究与实现[J].数字技术与应用，2010，07：13-15.
[3]唐兵.制造网格资源共享的关键技术及其应用研究[D].武汉理工大学，2010.
[4]颜波，黄必清，等.网格研究现状及其在制造业中的应用[J].计算机集成制造系统，2004，10（9）：1021-1030
[5]李伯虎，张霖，柴旭东.云制造概论[J].中兴通讯技术，2010，04：5-8.
[6]李伯虎，张霖，任磊等.再论云制造[J].计算机集成制造系统，2011，03：449-457.
[7]杨海成.云制造是一种制造服务[J].中国制造业信息化，2010，06：22-23.
[8]马刚.云制的体系结构及平台实现技术研究[D].重庆大学，2013.
[9]杨男.面向中小企业的云制造平台关键技术研究[D].南京理工大学，2013
[10]张倩.云制造若干关键技术及其应用研究[D].华南理工大学，2013
[11]柴晓路，梁宇奇.web service技术、架构和应用[M].北京：电子工业出版社，2003
[12]黄沈权.制造云服务按需供应模式、关键技术及应用研究[D].浙江大学，2013.
[13]李伯虎，张霖，任磊，等.云制造典型特征、关键技术与应用[J].计算机集成制造系统，2012，07：1345-1356.
[14]战德臣，赵曦滨，王顺强，等.面向制造及管理的集团企业云制造服务平台[J]. 计算机集成制造系统，2011，03：487-494
[15]冀阿强，段晓峰.面向云制造的制造资源模型研究[J].中国制造业信息化，2012，17：5-8.
[16]潘盛贵，李捍东.贵州省“十一五”制造业信息化现状及人才培养战略综述[J]. 中国管理信息化，2010，05：83-85.
[17]陶飞，张霖，郭华，等.云制造特征及云服务组合关键问题研究[J].计算机集成制造系统，2011，03：477-486.
[18]尹超，张云，钟婷.面向新产品开发的云制造服务资源组合优选模型[J].计算机集成制造系统，2012，07：1368-1378.
[19]夏卿.新产品开发云制造服务语义匹配方法研究及应用[D].重庆大学，2013
[20]谢先文.云制造环境下服务资源的共享与优化配置研究[D].浙江理工大学，2013.
[责任编辑：邓丽丽]