制造资源和能力的虚拟化与服务化技术

主要研究内容包括异构制造资源和多领域制造能力的统一描述（张霖等，2013）、广域网环境下异构制造资源和多领域制造能力的虚拟化、多主体异构制造资源和多领域制造能力的服务化。

1.云制造资源和能力虚拟化技术

云制造的目标是为用户提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的制造全生命周期服务，而实现这一目标的前提是构建规模巨大的虚拟制造资源池。支撑这一目标的核心技术是制造资源虚拟化技术。简单来说，制造资源虚拟化就是通过物联网、信息物理系统（CPS）、计算系统虚拟化等技术，实现物理制造资源（硬制造资源和软制造资源）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（Ren et al.，2013a，2013b）。

具体来讲，云制造资源虚拟化使得云制造具有以下优势：

1）资源的全面共享。支持各种软、硬制造资源的感知和接入。

2）资源按需透明使用和节能降耗。服务环境的构建与运行均根据资源需求动态调度和增减资源，以达到高利用率。

3）高敏捷性与可伸缩性。虚拟资源与物理资源的松耦合以及模板映射机制，使虚拟资源池的规模能够随云业务量需求的变化敏捷伸缩，内容灵活变更。

4）高可靠性。通过容错技术，使单点故障发生时任务环境可动态迁移至其他物理资源继续运行，确保多主体协同运行不受影响。

5）高安全性。支持对物理制造资源的多层次多粒度安全隔离，一旦遭受攻击也能够保证任务迁移至其他物理资源继续运行。

6）高可用性与普适化。支持对制造全生命周期各种用户按需定制个性化的终端设备、运行环境、界面内容、交互方式。

如图14.11所示是支持云制造系统的虚拟化技术。各项关键技术主要为虚拟化云制造服务环境的六方面目标提供支持，即资源全面共享、环境敏捷构建、资源优化使用、高可靠协同、用户高可用、安全可信等（任磊等，2011）。

图14.11　云制造资源和能力虚拟化技术(www.xing528.com)

2.云制造资源和能力服务化技术

在云制造模式下，资源是指产品全生命周期（制造初期、制造中期、制造末期）所涉及的资源要素的总和。根据资源的存在形式及使用方式的不同，又可分为制造资源和制造能力。

制造资源是指物理存在的、具有静态传输介质的一种资源形式，如加工设备、仿真软件、模型、知识、数据文档等客观存在的物理资源。制造资源按其存在形式及使用方式，可分为软资源、硬资源、其他相关资源。软资源主要是以软件、数据、模型、算法、知识为主的制造资源；硬资源主要是指产品全生命周期过程中的计算资源、制造设备、物料资源等；其他相关资源主要指除硬资源、软资源之外的制造资源集合，如人力资源、用户信息资源、各种服务培训、信息咨询，以及仓库、运输工具等。

关于制造能力目前并没有统一的定义。综合现有各种关于制造能力的解释和分析，在云制造环境下，我们将制造能力理解为：在某一具体活动过程中产生，体现了一种对制造资源配置和整合的能力，反映了制造企业或制造实体完成某一任务及预期目标的水平，包含了制造全生命周期过程中的各类能力，如设计能力、仿真能力、生产加工能力等（Ren et al.，2013a，2013b）。其中所述制造资源是指前述各类软硬资源，是制造能力形成的基础。云制造模式下资源的分类见图14.12。

图14.12　云制造模式下资源分类

基于上文对资源的分类，制造资源构成了一棵以云端资源为根节点，多层次、动态、分布异构的制造资源分类树。在上述分类的基础上，这里结合面向对象的思想把资源分为如下几类：软资源类、硬资源类和其他相关资源类。软资源类包括人力资源类、软件资源类和知识资源类等子类，硬资源类包括制造设备资源类、计算资源类和物料资源类等子类。云制造环境下，对复杂多变的制造资源建模的好坏直接影响到制造资源的描述、封装、存储、发布和检索的性能（见图14.13）（Ren et al.，2013a，2013b）。

图14.13　UML描述的云制造资源类

云制造资源服务化封装主要包括云制造资源的建模与描述、云制造资源实现类的开发、部署资源到虚拟资源池中3部分。模板库提供了资源描述模板和实现模板，以简化、规范资源服务化封装操作。资源服务化封装过程描述如下：

步骤1：描述制造资源。根据资源种类选择相应的资源描述模板，根据模板要求填写相应的资源属性，形成XML格式的资源属性文档。

步骤2：制造资源实现类。由于即使同一种类的制造资源功能，实现方式也可能不相同，因此，查到资源实现模板后，需要考察是否适合自己的要求，并可能进行一些改动，打包形成资源实现类。

步骤3：部署资源到云服务池。把描述好的资源部署到资源封装模块中。资源封装模块获得资源实现类的相关信息，完成资源的服务化封装。在具体调用执行资源时，资源封装模块自动加载资源实现类，与具体的资源交互，完成调用过程。