張朱玲

（泉州海洋職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362700）

0 引言

全球化的今天，隨著制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化發(fā)展，企業(yè)協(xié)同合作已成為常態(tài)，云制造[1]作為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的一種服務(wù)化的制造新模式應(yīng)運而生。云制造服務(wù)平臺是利用云計算、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將企業(yè)中閑置的物理資源封裝聚集，并虛擬化成對應(yīng)的平臺資源，以對外提供服務(wù)。有資源需求的企業(yè)可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨時隨地，智能便捷地獲得相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)制造資源。建設(shè)云制造服務(wù)平臺是現(xiàn)階段制造業(yè)發(fā)展的需要，能有效支持資源相對有限的中小企業(yè)，以實現(xiàn)制造資源共享，促進制造業(yè)高效智能地發(fā)展。

云制造服務(wù)平臺的特點就是“集中分散的資源，集中的資源再分散服務(wù)”[2]，資源虛擬化是云制造平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，也是資源智能匹配與調(diào)度的基礎(chǔ)。

1 制造資源

1.1 制造資源的分類

制造資源是制造資源和制造能力的集合，在產(chǎn)品的制造生產(chǎn)的整個生命周期中都是必需的。根據(jù)資源的屬性，制造資源可分成設(shè)備資源，物料資源，軟件資源，知識資源，人力資源和其它資源[4]。

（1）設(shè)備資源是用以生產(chǎn)、實驗及辦公的具有制造能力的設(shè)備，如加工機床，模具，檢測設(shè)備，仿真設(shè)備，計算機，辦公設(shè)備。

（2）物料資源指生產(chǎn)過程所需的原材料或半成品。

（3）軟件資源是指設(shè)備中運行的各種類型的設(shè)計軟件、仿真軟件、管理軟件、分析軟件、編程軟件及其它軟件，如 CAD，ERP，CRM。

（4）知識資源是指制定的標(biāo)準(zhǔn)、手冊、規(guī)則、方法、理念和典型案例。

（5）人力資源（簡稱HR），指具有某種技能、經(jīng)驗或管理能力的團隊或者人員，如鉗工、焊接工、設(shè)計師、司機等。

（6）其它資源，如形勢與政策，市場供求信息，客戶信息，產(chǎn)品反饋信息和各類信息數(shù)據(jù)。

1.2 制造資源的特點

云制造環(huán)境下的資源與網(wǎng)格制造等傳統(tǒng)計算領(lǐng)域的資源不同，它更強調(diào)資源的虛擬化與服務(wù)化，以虛擬資源的方式存在，并對外提供服務(wù)。云制造資源具有以下特點：

（1）多樣性。制造業(yè)領(lǐng)域眾多，企業(yè)分布地域廣泛，資源種類多樣。

（2）可用性。云制造服務(wù)平臺根據(jù)用戶需求為其選擇合適的資源或資源組合，及時完成制造流程。

（3）協(xié)同性。為完成特定服務(wù)，通常需要組合多個資源，這些資源的提供者可能來自不同的組織，組織之間協(xié)同完成制造流程。

（4）動態(tài)性。隨著資源被分配給用戶，新資源的加入以及資源組合方式的不同，云制造服務(wù)平臺上的資源隨之動態(tài)變化。

（5）虛擬性。制造企業(yè)將閑置的資源虛擬化處理，以虛擬資源的方式存儲在云制造服務(wù)平臺上，然后再以服務(wù)的方法將它們提供給平臺用戶。

2 云制造資源虛擬化

2.1 制造資源虛擬化過程

在云制造環(huán)境中，物理資源需要以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)封裝成虛擬資源，并以服務(wù)的方式提供給用戶，實現(xiàn)制造業(yè)的集成化、服務(wù)化和智能化發(fā)展。云制造使用云計算、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深度融合制造資源，主要通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、RFID技術(shù)、二維碼、ZigBee技術(shù)以及人工錄入等方式識別種類繁多的物理資源。因此，云制造平臺上的資源虛擬化主要通過以下過程完成：（1）建立資源的類型模板體系；（2）將類型模板實例化為類型；（3）將物理資源通過統(tǒng)一的描述方式接入平臺；（4）為物理資源歸類，建立虛擬資源；（5）按照約定的映射規(guī)則建立物理資源和虛擬資源之間的映射關(guān)系。

2.2 資源類型模板建立與描述

制造業(yè)中有許多子行業(yè)，不同行業(yè)的資源屬性差異很大。使用模板的方式對資源類型進行統(tǒng)一建模與描述，資源類型模板應(yīng)滿足通用性、簡單易用、可擴展性的基本原則[5]。使用模板可屏蔽部分技術(shù)細節(jié)，方便企業(yè)使用。云制造服務(wù)平臺資源類型模板必須是可維護，并且可以根據(jù)需要添加、刪除和修改，而資源類型和虛擬資源隨類型模板更改而更改。當(dāng)資源提供者發(fā)布資源信息時，可以定制與企業(yè)資源特征匹配的類型屬性，以完成實例化過程，形成企業(yè)自己的資源類型描述，并進行自動資源歸類。資源需求者根據(jù)自己的需要，以類型屬性作為查詢條件，查詢相應(yīng)類型的虛擬資源。

資源類型模板(RTT，Resource Type Template)，形式化描述為：RTT=(RId，RType，TypeAtrriInfo)。RId為類型模板ID，RType是類別，TypeAtrriInfo是抽象的類型屬性。

2.3 物理資源描述

物理資源是指存在于現(xiàn)實制造企業(yè)中的資源，本文采用元模型[6]描述物理資源，物理資源(PR，Physical Resource)，可形式化描述表示為：PR=(PId，PBasicInfo，SubmitInfo，ProviderInfo，AtrriInfo)。其中PId是物理資源編號，PBasicInfo為資源基本信息，SubmitInfo為資源提交人信息，ProviderInfo為資源提供商信息，AtrriInfo為物理資源的相關(guān)屬性。

2.4 物理資源與虛擬資源的映射規(guī)則

對物理資源進行統(tǒng)一描述后，制定物理資源與虛擬資源的映射規(guī)則顯得尤為重要，再依據(jù)映射規(guī)則建立二者之間的映射關(guān)系，為物理資源封裝成虛擬資源及將虛擬資源實例化為物理資源做鋪墊。從制造資源或資源組合的功能入手，可以提出四種類型映射規(guī)則：1∶1(一對一映射)，1∶n(一對多映射)，n∶1(多對一映射)和m∶n(多對多映射)。

（1）1∶1。僅具備一種制造能力的物理資源被映射為一種虛擬資源。如寶輪電腦繡花機對應(yīng)電腦繡花機。

（2）1∶n。具有多個制造能力的物理資源被映射成多種不同的虛擬資源。復(fù)合型人才具備多種工作能力，如一個技術(shù)工人會焊接、組裝、維修，就可以映射多個虛擬資源。

（3）n∶1。需要組合多種物理資源才能滿足一個需求，將該資源組合映射為一種虛擬資源。如組合司機與車輛等資源，協(xié)同完成物流服務(wù)。

（4）m∶n。組合多種物理資源，該資源組合也能完成多種需求，就將該資源組合映射為多種虛擬資源。如3D打印機和瓷土組合可以打印出如碗、花瓶、杯子等不同種類的產(chǎn)品。

2.5 虛擬資源描述

虛擬資源(VR，Virtual Resource)是物理資源的抽象化表示。虛擬資源形式化描述為：VR =(VId，VBasicInfo，RTT，Mapping，Usage，SC)。

（1）VId為虛擬資源唯一標(biāo)識；

（2）VBasicInfo是指虛擬資源的基本信息，可將它 形 式 化 為：VBasicInfo=(VName，Type，Unit，Price，Total，Description)，其 中，VName 表 示 虛擬資源名稱，Type是資源所屬類別，Unit指單位，Price為租用單位資源的價格，Total為總數(shù)量，Description是對虛擬資源的描述；

（3）RTT為對應(yīng)的虛擬資源類型描述；

（4）Mapping是指物理資源與虛擬資源之間的映射關(guān)系，形式化描述為：Mapping=(MId，PRSet，MType，PRLogic，Constraint)，Mid 為 映 射 ID，PRSet表示參與映射的物理資源集合，MType是二者的映射規(guī)則，PRLogic是物理資源的邏輯描述，而Constraint是映射過程中的相互約束條件；

（5）Usage指虛擬資源的使用狀況，可表示為：

Condition=(UseNum，RemainNum，State)。UseNum是已使用的資源數(shù)，RemainNum是剩余資源數(shù)量，State指的是資源的當(dāng)前使用狀態(tài)，如running、idle、waiting。

（6）SC為資源的服務(wù)能力[7]。資源的服務(wù)能力屬性可以根據(jù)具體資源而定，主要包括需要的時間、成本、好評率和效益等幾個指標(biāo)[8]。

3 實例分析

筆者將本文所提方案應(yīng)用于某中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺進行實例分析，對應(yīng)的云制造資源虛擬化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云制造資源虛擬化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of cloud manufacturing resource virtualization structure

步驟1-2：參照制造資源的分類，對物理資源進行抽象和聚集，建立資源類型模板，資源提供者自定義類型屬性以形成企業(yè)A的資源類型描述，并完成類型模板實例化過程。然后，平臺聚合相同類型模板的類型屬性，以形成模板的類型庫。

步驟3：采用元模型的方式對物理資源進行描述，通過對物理資源基本信息的描述，將物理資源集成到平臺中。由于物理資源之間存在多樣性和差異性，物理資源還需要提供自定義的描述，使得資源提供者可以更好更具體地描述物理資源。

圖2 資源映射維護Fig.2 resource mapping maintenance

步驟4-5：結(jié)合資源分類和映射規(guī)則，使用資源虛擬化工具將物理資源虛擬化為虛擬資源，平臺上虛擬資源的描述只需要體現(xiàn)資源基本的屬性，比如名稱、類型、單位、單價等。

步驟6：將審核的虛擬資源發(fā)布到虛擬資源池。

步驟7：當(dāng)有資源需求時，資源需求者在平臺上定義資源的需求條件并選擇需要的資源分配策略。如電腦繡花機，選擇服務(wù)能力最優(yōu)策略。

步驟8：平臺會根據(jù)資源分配策略對虛擬資源進行智能地查找和匹配，分配虛擬資源。

步驟9-10：根據(jù)資源分配結(jié)果，搜索映射關(guān)系，訪問物理資源。如寶輪電腦繡花機資源的提供者、繡花機數(shù)量、使用價格、地址等詳細信息。

步驟11：隨著資源的被使用，資源使用狀態(tài)也隨之改變，云制造服務(wù)平臺上資源數(shù)也相應(yīng)減少。最后相關(guān)企業(yè)在線下完成互相之間的協(xié)同合作以保證制造生產(chǎn)的順利完成[9]。

基于中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺資源虛擬化的實現(xiàn)驗證了本文提出的資源虛擬化方案的可行性，在實際應(yīng)用中也能夠滿足企業(yè)需求。圖2為平臺其中一個效果圖－資源映射維護。

4 結(jié)論

本文結(jié)合資源分類和云制造環(huán)境中各種資源的特點，提出了資源虛擬化方案。該方案通過資源描述及資源類型建模、物理資源與虛擬資源映射規(guī)則的方式實現(xiàn)。方案已應(yīng)用于中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺進行實例驗證。本文只是對資源的虛擬化方案進行了一定的探討和研究，對于整個云制造服務(wù)平臺的探究和實現(xiàn)還需要進行更為深入的學(xué)習(xí)和研究[10]。