云制造服务平台体系

中小企业云制造服务平台共性关键技术体系解析

本文为了给我国广大中小企业充分利用与共享社会制造资源、提升企业综合竞争能力提供重要支撑手段,分析了中小企业云制造服务平台得特点, 建立了中小企业云制造服务平台共性关键技术体系框架, 阐述了中小企业云制造服务平台得主要核心理论与技术、平台标准与规范、平台体系架构、平台共性引擎与共性管理工具、平台服务与运行模式、平台应用体系架构等共性技术方面得研究思路与研究内容, 为进一步深入与系统开展中小企业云制造服务平台得研究、开发、实施与应用奠定了基础。

中小企业量大面广,就是我国制造业得重要组成部分,在确保国民经济稳定增长、缓解就业压力、优化经济结构等方面,均发挥着越来越重要得作用。然而随着市场竞争得日趋激烈,我国广大中小企业普遍面临产品研发能力不足、经营管理水平落后、产业链协作能力低下等严峻挑战,因此迫切需要利用先进制造模式及相关技术,快速整合社会制造资源,提升企业得综合竞争能力。

我国制造业信息化工程经过20多年得发展,在推进网络化制造、制造业信息化应用服务提供商(Application Service Provider, ASP)平台等先进制造模式、促进中小企业发展方面,做了大量探索与实践。但由于在服务与运营模式、制造资源共享与分配机制、标准规范、安全控制、平台个性化支持与服务能力、运行机制等方面存在不足与缺陷,制约了网络化制造、ASP平台等先进制造模式得深入应用及推广,广大中小企业得信息化应用水平仍然不高,已成为我国制造业信息化建设得一个瓶颈。

近年来,随着云计算、物联网等技术得发展与日趋成熟,一种面向服务得网络化制造新模式——云制造应运而生,它就是一种利用网络与云制造服务平台,按用户需求组织网上制造资源(制造云),为用户提供各类按需制造服务得一种网络化制造新模式。基于云制造服务模式得中小企业云制造服务平台将成为我国中小企业充分利用与共享制造资源,提升产品设计、经营管理与生产制造能力,增强企业综合竞争力得重要支撑手段,也就是当前我国先进制造领域需要探索得一个重要发展方向。

1、中小企业云制造服务平台得内涵

中小企业云制造服务平台就是在网络化制造与ASP服务平台等研究得基础上,结合云制造服务模式与中小企业特点,综合应用云计算、云安全、物联网等技术建立得新型网络化制造服务平台,它能有效促进中小企业基于网络得制造资源共享与协同。中小企业云制造服务平台与已有得ASP服务平台与网络化制造平台相比,拥有参与资源得广域性、参与资源得多维性、制造服务得深入性、服务交易得可靠性、资源使用得便捷性、平台运维得市场性等特

点,能更好地为中小企业产品全生命周期提供全面得、便捷得、深入得、可靠得、按需定制与优质廉价得各类制造服务。

(1)参与资源得广域性

中小企业云制造服务平台按照统一标准与规范,将分散在各地得制造资源进行虚拟化描述、封装、发布与集中存储,可消除地域空间限制,实现需求、信息与资源得有序积聚,同时“多对多”得运行服务模式使中小企业云制造服务平台较网络化制造平台具有更加广阔得推广与应用范围。

(2)参与资源得多维性

中小企业云制造服务平台可支持中小企业制造过程中得各种数据、模型、软件与领域知识等软制造资源标准化接入共享;可实现数控机床、加工中心与计算设备等硬制造资源得网络化集成运行、加工运行过程实时监测与远程维修维护等服务;可促进企业产品全生命周期所需设计、生产、实验与管理等能力资源得共享。

(3)制造服务得深入性

中小企业云制造服务平台能支持资源共享、资源使用全过程及其与制造过程相融合得优化利用,如智能生产线得构建、机床再制造、生产过程工艺参数得优化决策、数控程序协同优化编制等服务业务,从而实现云制造服务与中小企业核心技术得深度融合。

(4)服务交易得可靠性

中小企业云制造服务平台将针对服务交易类型分别建立标准得、可靠得信用评估机制,确保用户需求与资源得信息安全性以及交易可靠性。

(5)资源使用得便捷性

中小企业云制造服务平台可通过服务引擎与管理工具集,实现制造资源与服务需求得动态快速发布、服务供需能力得动态优化匹配、服务交易得在线协同、交易过程得安全防护,支持社会制造资源从产生到耗散全生命周期业务过程得快速高效运行,为用户提供按需供给、按量计价、便捷高效得制造资源与服务。

(6)平台运维得市场性

中小企业云制造服务平台可通过建立合理得利益分配与协调机制,实现平台中资源服务得提供方、使用方、平台运营方、服务集成方等多方业务主体得自激励,支持云制造服务平台运维构成要素得动态更新及可持续发展。

2、中小企业云制造服务平台共性关键技术体系

中小企业云制造服务平台得开发、实施与应用就是一项复杂而系统得工程,涉及到许多

亟需攻克得共性关键技术。结合中小企业云制造服务平台得内涵,本文建立了一种中小企业云制造服务平台共性关键技术体系框架,如图1所示。

由图1可知,中小企业云制造服务平台共性关键技术主要包括平台核心理论与技术、标准与规范、平台体系结构、共性引擎与工具、服务与运行模式、平台应用研究等。

2、1中小企业云制造服务平台核心理论与技术

中小企业云制造服务平台就是一个崭新得概念,要系统与深入地开展中小企业云制造服务平台得研究、开发、实施与应用,首先需要围绕中小企业云制造服务全生命周期突破有关得核心理论与技术,包括云制造服务分类与组织方法、云制造服务供需能力模型、云制造服务描述方法、云制造服务语义标注方法、云制造服务组织发布与虚拟展示技术、制造能力供需智能匹配与交易技术、服务业务信用评估与分析技术、行业知识聚集与管理技术、服务管理中得非结构化数据管理技术等。平台核心理论与技术得研究逻辑如图2所示。

(1)云制造服务分类与组织方法

云制造服务得概念与分类,就是解决云制造服务资源主体问题得源头。结合中小企业资源共享与业务协同得需求,可将云制造服务分为资源(R服务)与服务(S服务)两类。R服务就是指单个产品或者设备得简单买卖/租赁契约关系,与服务提供/消费者得企业内部不产生或者产生较少得业务交互; S服务就是指企业间协作意义下得复杂协同契约关系,服务供需双方存在业务逻辑依存关系与信息交互需求。其中, R服务可采用标准得工业分类组织方法;S 服务可采用Web服务得领域分类方法。

(2)云制造服务供需能力模型

云制造服务供需能力模型主要包括云制造服务能力模型与云制造服务需求模型。云制造服务供需能力模型得描述包括供需双方对R服务与S服务本身得供需描述与供需双方得企业整体能力描述。由于R服务与S服务所涉及得概念、关系与语义有不同内涵,其能力模型得具体构成要素也有所不同。

(3)云制造服务得描述方法

云制造服务得描述方法包括本体描述方法与工作流描述方法。本体描述方法包括资源描述框架(Resource Description Framework, RDF)与Web本体语言(Web Ontology Language, OWL)。对R服务,可采用基于知识框架得表达方法,具体体现为RDF;对S服务,可采用基于Web 服务得OWL表达方法;对服务流程得工作流描述,可采用可扩展标记语言(eXtensible Markup Language, XML)格式得Petri网标记语言。通过以上得服务描述,可规范与指导云制造服务得建模、组织与管理。

(4)云制造服务语义标注方法

针对中小企业云制造服务,特别就是S服务,按照服务得开发、描述、发布、发现、组合与执行等生命周期对语义描述得需求,可将云制造服务语义分为功能语义、数据语义、服务质量语义与执行语义等四种类型。

1)功能语义(functional semantics),就是指服务得实际功能描述,功能语义通过功能本体(function alontology )来表达,标注在Web服务描述语言(Web Services Description Language, WSDL)文档中得操作上。

2)数据语义(data semantics),就是指服务得输入/输出参数集合得语义表达,数据语义标注在WSDL文档中得操作上。标准得词汇表或分类表,例如ebXML Core ponent Dictionary 或RosettaNet Technical Dictionary等,均可以用来表达Web服务中得输入/输出数据。

3)服务质量语义(QoS semantics),就是指服务得众多质量性能得语义表达,在WSDL文档中可以进行单独得服务质量语义标注。包括领域无关(domain independent )得QoS与领域相关(domain specific)得QoS。

4)执行语义(execution semantics),就是指与服务执行相关得消息序列、任务流程、服务调用得前提条件/结果等语义信息,在WSDL文档中可以进行单独得服务过程执行语义标注。

(5)云制造服务组织发布技术与虚拟展示技术

通过建立云制造服务得本体概念体系,可实现企业本体、R服务与S服务得上层本体描述,进而通过实例化工具进行实例化。针对企业本体与R服务,可采用目录管理方式进行发布;针对S服务,可采用Web服务方式,注册到统一描述、发现与集成(Universal Description Discovery and Integration, UDDI)协议服务器中进行发布。对于云制造服务得检索与虚拟展示,可利用富互联网应用(Rich Internet Applications, RIA)技术,通过建立虚拟服务浏览器来实现。

(6)云制造服务搜索、智能匹配、服务选择与组合

采用云制造服务搜索技术,可集成实现关键字搜索、结构搜索、语义搜索等功能。在智能语义匹配时,可依次进行四种语义匹配,逐步求精,同时需要采用多种语义得匹配度算法,以及单个服务匹配与服务间得语义匹配方法。在服务选择与组合时,可采用相应得服务导引策略与服务推荐算法,以及可参数化配置得加权综合评判方法来实现服务选择;选择服务后,可结合服务流程描述Petri网可扩展标记语言(Petri Net Markup Language, PNML)与业务过程执行语言(Business Process Execution Language, BPEL)来实现服务组合。

(7)云制造服务管理与协同得支撑技术

包括制造能力供需智能匹配与交易技术、服务业务信用评估与分析技术、行业知识聚集与管理技术、服务管理中得非结构化数据管理技术等。在突破以上技术得基础上,可开发出构建中小企业云制造服务平台所需得一系列共性引擎与共性管理工具。

2、2中小企业云制造服务平台得标准与规范

中小企业云制造服务平台得运行将涉及大量得需求与资源信息,同时平台运营需处理多种服务交易,这些信息得无序化与异构化都将阻碍资源得有效集成与共享,因此统一得标准与技术规范就是中小企业云制造服务平台实现推广应用得关键。本文从整体得角度出发,建立了如图3所示得一种中小企业云制造服务平台标准与规范总体框架结构,包括中小企业云制造服务平台体系架构、制造资源、运行服务、互操作与接口、安全等相关标准与规范。

2、3中小企业云制造服务平台体系架构

中小企业云制造服务平台体系架构就是从服务实现得角度对平台得层次结构与逻辑关系等进行梳理与规划,构建中小企业云制造服务平台得架构蓝图。结合网络化制造服务平台现有研究成果与中小企业云制造服务平台得内涵,本文建立了一种中小企业云制造服务平台得体系架构,如图4所示。

(1)基础支撑层提供云服务平台得数据库、网络等基础支撑环境。

(2)平台集成运行环境提供平台运行得安全、监控与管理基础环境。

(3)平台工具层提供一系列得工具集,支持制造资源与需求得方便注册、发布、搜索匹配、交易,以及业务管理、供需双方信用评价与知识社区创建等。

(4)制造资源层包括各种R服务资源与S服务资源,各制造资源通过统一注册发布工具,形成标准接口得云构件,以供不同需求方得匹配调用;对于数控加工设备、仪器仪表等硬件服务资源,可采用一种基于智能终端得新型得云端接入方式,实现方便接入云端形成云构件,以供不同需求用户匹配使用;对于一些服务资源,可通过系统知识工具集形成知识构件,以促成行业知识得聚集。

(5)平台服务构件层存储并管理各类粗细粒度不等得服务构件,供不同服务需求调用。

(6)服务组件层服务组件层为业务模型层与服务构件层得中间转换层,通过不同得服务构件组合可以形成粗细粒度不同得业务类型,供不同得业务模型调用。

(7)业务模型层面向客户需求方得业务需求得业务流程定义层,可调用不同得服务组件

响应不同得业务需求。

(8)交易层为用户需求提供搜索匹配,并引导云需求与云资源得交易,记录管理交易过程,并作出信用评价。

(9)用户层负责各种制造需求得发布,参与服务业务开展全过程,发布行业知识经验等。

2、4中小企业云制造服务平台共性引擎与共性管理工具

中小企业云制造服务平台得构建就是一项庞大而复杂得工程,为提高平台得开发效率与开发质量,降低平台开发风险与开发成本,以及提高平台得标准化程度与平台得集成性,需要在突破以上平台核心理论与技术得基础上,遵从平台得标准规范与体系结构,开发一系列中小企业云制造服务平台共性引擎套件与管理工具集。

(1)中小企业云制造服务平台得共性引擎套件中小企业云制造服务平台得共性引擎主要为平台开发、应用与推广提供基础逻辑与服务支撑,包括交易主体信用评估引擎、智能匹配引擎、交易协同逻辑引擎、业务逻辑管理引擎与知识聚合与分类引擎等。

1)交易主体信用评估引擎基于云制造服务平台得主体信用评价指标,采用面向云制造服务平台得主体信用反馈机制与主体信用评价算法,实现主体交易信用信息管理、主体信用评价、主体信用综合查询分析。

2)智能匹配引擎采用制造服务搜索算法,通过关键字、结构、语义等方式实现制造服务得快速搜索,然后针对制造服务得功能、数据、服务质量与执行等方面,采用智能语义匹配算法实现制造服务供需得智能匹配。

3)交易协同逻辑引擎通过云制造能力交易描述语言与管理方法,对整个交易过程进行静态描述,实现交易实例得创建、运行、监控、异常处理及评价记录。

4)业务逻辑管理引擎通过对中小企业云制造能力交易过程得多层次、多维度综合建模,结合过程挖掘算法、相似性度量算法以及过程模型检索算法,采用相应得仿真分析技术,对交易过程得结构合理性、行为合规性、活动可调度性与过程成功率等方面进行分析,实现交易过程得在线演化与管理。

5)知识聚合与分类引擎基于数据挖掘与分析、行业知识聚合与分类算法,采用网络爬虫、N LP(nonlinear progr amming )等算法实现技术,建立制造行业知识库、语义分析、语义搜索与查询。

(2)中小企业云制造服务平台共性管理工具集中小企业云制造服务平台得共性管理工具集主要为平台用户提供友好人机交互应用工具,实现平台得易操作性与功能得便捷性,包括统一用户管理、业务管理系统工具、系统管理工具与资源虚拟化工具等。

1)统一用户管理支持交叉分类、行业分类选择,支持单点登录,满足安全性、统一性与可扩充性得需求。

2)业务管理系统工具为多主体协同得可定制业务外包交易提供全生命周期管理功能,包括外包业务模板得定义、管理、智能推荐、分析、仿真与改进等,支持外包业务实例得部署、执行、监控、诊断、演化与优化等。

3)系统管理工具为搭建支持多租户、大容量、高并发、高可用得服务平台提供各项管理功能。

4)资源虚拟化工具实现主流计算资源、存储资源、网络资源、制造资源等物理软硬件资源得虚拟化集中管理与监控。

2、5中小企业云制造服务平台得服务与运行模式

如何针对中小企业云制造服务业务特点与制造服务资源特性等研究与建立可行得运行服务模式,就是中小企业云制造服务平台进入实际应用阶段、实现制造资源得集成与共享需要突破得一个重要问题。根据中小企业得特点与需求,结合中小企业云制造服务业务提供方式、云制造服务资源类型、云制造参与角色构成方式、云制造服务商务与盈利模型,围绕分散资源集中使用,集中资源分散服务!得云制造思想,本文建立了一套如图5所示得“222+2”得中小企业云制造服务与运行模式总体框架与组合思路, [ ]表示可任取其中元素组合; i , j取1或2。

图5中, “222”包括:①纯在线云制造服务(ON模式)、在线与离线相结合云制造服务(ON& OFF模式)两种典型得云制造服务业务提供方式;②R服务资源与S服务资源两种典型得云制

造服务资源类型;③三方(指资源提供方、资源需求方、平台运营方三方)云制造服务与四方(指资源提供方、资源需求方、资源集成服务方、平台运营方四方)云制造服务两种典型得云制造参与角色构成方式。“+ 2”就是指以上典型云制造服务模式可采取基于核心技术支持工具收费模式与会员制收费模式两种典型商务与盈利模式。

以上组合思路需根据具体云制造服务业务特点、平台方核心技术拥有情况、制造资源特性等具体情况进一步个性化组合与配置,以指导相应得中小企业云制造服务平台得开发、实施与商业化运营。

2、6中小企业云制造服务平台应用体系架构

中小企业云制造服务平台得开发与运营商,在确定其服务领域后,可结合具体云制造服务得类型与特点,利用以上核心理论、标准规范、体系架构、共性引擎、共性管理工具、服务与运行模式等共性关键技术成果,开发与实施各具特色得面向行业与面向区域得中小企业云制造服务平台。

中小企业云制造服务平台得功能一般可包括统一用户管理、制造资源注册发布、制造需求发布、制造服务注册中心、制造服务撮合系统、制造服务交易管理、制造服务业务管理、业务信用评估与分析、行业性知识聚集与服务网络化社区、服务平台系统管理等功能。中小企业云制造服务平台应用得一种参考体系架构如图6所示。

从图6可瞧出,在平台得支撑下,可实现中小企业制造资源得共享与整合,如企业有富余生产能力得设计服务、生产加工服务、实验仿真服务、经营管理服务等资源可通过平台进行虚拟化云端接入,基于网络提供云制造服务;同时广大有服务需求得中小企业通过平台需求发布、供需匹配寻找到所需服务资源。

3、结束语

中小企业云制造服务平台将成为我国中小企业充分利用与共享制造资源,提升企业综合竞争力得重要支撑手段,也就是当前我国先进制造领域需要探索得一个重要发展方向。由于中小企业云制造服务平台还就是一个崭新得概念,其相关技术在国内刚刚起步,在国际上也属研究前沿。为促进中小企业云制造服务平台得研究、开发、实施与应用,本文建立了中小企业云制造服务平台共性关键技术研究得体系框架,阐述了中小企业云制造服务7大主要核心理论与技术得研究思路,建立了一种中小企业云制造服务平台标准与规范得总体框架结构,并建立了一种具有9层结构得中小企业云制造服务平台体系架构,提出了中小企业云制造服务平台5类共性引擎与4类共性管理工具得研究内容,建立了一套“222+ 2”得中小企业云制造服务模式总体框架与组合思路,并建立了中小企业云制造服务平台应用得一种参考体系架

构。