支持跨企业协作的网格制造概念及核心结构研究

计算机集成制造系统

ComputerIntegratedManufacturingSystems

Vol.13No.4Apr.2007

文章编号:1006-5911(2007)04-0711-05

支持跨企业协作的网格制造概念及核心结构研究

刘 琼1,石涌江2,邵新宇1,崔首领1

(1.华中科技大学机械科学与工程学院,湖北 武汉 430074;2.英国剑桥大学工程系制造研究院,剑桥 英国 CB21RX)

摘 要:为了满足跨企业协作对动态、异构、分布资源共享的需求,给出了网格制造的内涵、定义与试图解决的问题。论述了网格制造与传统的支持跨企业协作的相关技术(如电子商务、网络化制造、WebServices)的区别与联系,分析了传统的支持跨企业协作技术的局限性,得出网格制造在处理动态瞬时制造资源共享方面具有其他技术不可比拟的优势的结论。提出了一个基于Web服务资源框架的网格制造结构体系,指出网格制造的研究主要集中在该结构体系中的资源层和应用层,详细讨论了资源层的制造资源建模与封装,以及应用层的数据共享、设备共享和协同问题的求解,归纳了相关的技术。

关键词:网格制造;网格计算;网络化制造;网络服务中图分类号:TP393;TH166

文献标识码:A

Concepts&architectureofgridmanufacturingsupportingcross-enterprisescollaboration

LIUQiong,SHIYong-jiang,SHAOXin-yu,CUIShou-ling

1

2

1

1

(1.Sch.ofMech.Sci.&Eng.,HuazhongUniv.ofS&T,Wuhan 430074,China;

2.Inst.forManu.,Univ.ofCambridge,Cambridge CB21RX,UK)

Abstract:Tomeetthedemandsofcross-enterprisescollaborationincludingsharingofdynamic,heterogeneousanddistributedmanufacturingresources,themeaning,definition,connotationsandproblemsneededtobesolvedingridmanufacturingweresubmitted.Thedifferencesandrelationshipsbetweengridmanufacturingandotherrelatedtech-nologiestosupportcross-enterprisescollaborationlikee-commerce,networkedmanufacturingandWebServices(WS)wereoutlined.Limitationsoftraditionaltechnologiesoncross-enterprisescollaborationwereyielded.Thestudyrevealedthatgridmanufacturingwasabletoprovidetransientservicetosharedynamicandtransientmanufac-turingresourcesanddistinguisheditselffromotherWebtechnologies.AnarchitectureofgridmanufacturingbasedonWS-ResourceFramework(WSRF)wasproposedandthecoreresearchissuesshouldbefocusedonresourcelayerandapplicationlayer.Manufacturingresourcesmodelingandencapsulatingonresourcelayerandsolutionstoprob-lemsofdatesharing,equipmentsharingandcollaborativeinapplicationlayerwerediscussedindetail,andrelatedtechnologieswerealsosummarized.

Keywords:gridmanufacturing;gridcomputing;networkedmanufacturing;Webservices

0 引言

当前,单个企业很难依靠自己仅有的资源和能

力独自满足顾客的需求,越来越多的企业希望通过Internet实现信息共享和资源共享,以求达到快速

响应市场需求、降低成本、提高质量等目的。传统的

收稿日期:2006-02-06;修订日期:2006-06-08。Received06Feb.2006;accepted08June2006.

基金项目:国家973计划资助项目(2005CB724100)。Foundationitem:ProjectsupportedbytheNationalBasicResearchProgram,China(No.

2005CB724100).

作者简介:刘 琼(1965-),女,重庆人,华中科技大学机械科学与工程学院副教授,博士,主要从事网络协同设计/制造、逆向物流网格等的研

究。E-mail:qiongliuq@sina.com。712

计算机集成制造系统第13卷

网络化制造系统由于其固有的弱点,如预先定义分布数据库之间的关系以及客户机/服务器的固定编程关系[1],使其不能处理动态变化的环境,特别是不能实现瞬时资源的共享。而网格技术提供的手段和功能,能够很好地满足制造企业实施协同的网络化制造的需求[2],从根本上满足和实现了合作企业间的动态资源共享和问题求解等需求。

本文从网格制造的概念和核心技术入手,阐明网格制造的优势及其与其他相关技术的区别与联系,提出一个基于Web服务资源框架(WebServ-icesResourceFramework,WSRF)的网格制造结构体系,详细讨论了制造资源建模与封装、数据共享、设备共享、协同问题求解等问题,并归纳了相关的技术。

中小企业提供软件或存储资源的共享,但是这些应

用仅局限于一些固定的公司或有限的服务,不能动态地实现企业间的任意资源共享。而网格制造致力于解决跨组织动态制造资源共享问题,采用先进的网格技术克服了电子商务、ASP/SSP存在的静态配置的局限性,而且包括了电子商务和ASP/SSP所能提供的功能。

1 网格制造与其他相关技术的区别与联系

网格制造是一种新的制造模式,可将分散在不同区域、不同企业、组织和个体中的各类制造资源有

效地组织起来,形成各种制造网格,使企业合作伙伴和客户能够获得各种制造服务,从而实现企业间的商务协同、设计协同、制造协同和供应链协同等。制造网格为企业间的协作与管理提供了基础的支撑环境[4],通过开发各种制造网格,集成和封装分散在不同企业的动态信息与资源,隐藏资源的细节,并将其以可互操作的形式呈现给用户。文献[5]给出了网格制造的定义:网格制造就是为了满足一个或多个企业需求而动态地利用重要的、异构的制造能力和资源。按照文献[6]中网格评判的3个准则,网格制造也是一种网格形式,具有网格的共性和特点。根据文献[7]对网格的定义,网格的核心问题是在动态、多机构的虚拟组织中协调资源共享和问题求解。这里的共享不是简单的文件交换,而是更直接地访问计算机、软件、数据和其他装置。

[3]

111 网格制造与电子商务、应用服务提供商/存

储服务提供商

电子商务作为一种基本的企业间协作方式,允许公司或客户通过Internet进行商务交易,这种交易主要依靠信息共享来实现,但是在通常的B2B情形下,信息共享是基于服务器的,这种模式很难实现公司间动态设备资源的共享。应用服务提供商(Ap-plicationServiceProvider,ASP)以及存储服务提供商(StorageServiceProvider,SSP)通过Internet为112 网格制造与网络化制造

网格制造与网络化制造的目的都是将分散在不同区域、不同企业、组织和个体中的各类资源有效地

[3,8]

组织起来,形成制造网格或制造网络,但目前网络化制造一般采用诸如Web技术,包括网络标记语言(Webmark-uplanguages),如超文本标记语言(HyperTextMarkupLanguage,HTML)、动态超文本标记语言(DynamicHyperTextMarkupLan-guage,DHTML)和可扩展标记语言(eXtensibleMarkupLanguage,XML);基于Web的客户机/服务器编程工具,如动态服务器网页(ActiveServerPages,ASP)和Javaservlet;分布式对象建模方法,如分布式组件对象建模(DistributedComponentObjectModel,DCOM)、远程方法调用(RemoteMethodInvocation,RMI)、公共对象请求代理结构(CommonObjectRequestBrokerArthitecture,CORBA)和.NET等技术[1]。这些技术有其固有的弱点,如预先定义分布数据库之间的关系以及客户机/服务器的固定编程关系,从而造成末端用户不能添加新的数据库、删除现有的数据库或者修改数据库间的关系;不能完全实现合作伙伴间异构系统、数据和软件的互操作,使得网络化制造系统(如基于Web的协同设计与制造系统)不能处理动态变化的环境。因此,网络化制造在实践中至今没有显示出应有的重要性和有效性。网格制造的核心技术是网格技术,网格制造试图利用网格计算的研究成果,解决目前网络化制造系统中诸如合作伙伴间关系固定,以及不能实现动态瞬时资源共享等问题,网格计算的研究成果使跨组织间的动态制造资源共享成为可能。可以说,网格制造是新一代网络化制造。113 网格制造与Webservices

在网格制造模式下,每个资源都被看作是一种可以由其拥有者随时在网格中添加或删除的可用服务,这些服务可分为持久性服务(persistentserv-ices)和瞬时性服务(transientservices)。持久性的服务是指其实例是事先创建好的且持续时间较长,第4期刘 琼等:支持跨企业协作的网格制造概念及核心结构研究

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这时合作伙伴间的关系是固定的。瞬时性服务指实例的创建和删除都是动态的,而且仅生存在一个较短的时间内。例如,某个计算机数字控制(Comput-erNumericalControl,CNC)机床拥有者在设备空闲时,通过注册成为网格上的有效服务,供其他需求者使用,设备所有者在自己需要使用时,随时可从网格中删除该设备服务,从而使制造资源服务在网格上呈现出动态和瞬时特点。

Webservices被广泛认为是分布式软件服务的一种结构化交互方法,为运行在各种平台和/或框架上的不同应用软件提供标准的互操作方法。它有一个用机器可处理的格式描述(特别是Web服务定义语言(WebServicesDefinitionLanguage,WSDL))接口,其他系统用简单对象访问协议(SimpleObjectAccessProtocol,SOAP)消息描述方式与Webservices相互作用,SOAP消息通常采用具有XML序列的HTTP转化而与其他Web相关的标准协议交互。每个提供SOAP应用程序接口(ApplicationPro-gramInterface,API)的Homenetwork能够很容易地被集成到整个系统中,而不必考虑特殊实现细节。基于Web服务技术构建网格系统,有助于提高网格系统的可扩展性和互操作能力

[10]

[9]

2 基于Web服务资源框架的网格制造结构

体系以及相应的研究问题

图1是一个基于WSRF的网格制造系统结构图。

。然而,由于应用软件需要重

制造资源层的企业将各种制造资源,包括数据、信息、软件、设备等,通过建模、封装,根据统一的资源模型向网格系统注册。基于服务的构造与封装层实现各类资源的封装、共享、分配和管理,分布异构的制造资源通过封装集成到网格上,成为可共享的全球资源,管理系统负责对封装资源进行控制和管理,支持基本的网格服务管理机制,如资源注册管理、服务管理、安全机制、服务质量(QualityofServ-ices,QoS)、信息协议、基本管理协议和生命周期管理等。资源分配管理器(resourceallocationmanag-er)为用户提供一个使用远程资源的简单接口,负责远程应用的资源请求、远程任务调度、远程任务管理等工作。通过网格资源分配管理器对资源进行描述,提供资源的状态监控、系统容错、信息服务、性能管理等服务。通过资源代理,提供任务分解策略、资源调度和优化机制等。使能工具层为网格应用提供编程模型、调试和仿真工具、监控/管理工具和工作流建模工具,以及相应的API。为简化网格应用系新编译,Webservices只能发现和触发持久性的服

务。传统的Web服务是无状态的,不能保留中间结果,多个客户端共享一个Web服务的实例。虽然Web服务使用XML传输文本数据获得了高可移植性,但与传输二进制数据的技术相比又失去了高效率性,所以不能将Web服务技术应用于实时系统中。

网格制造有别于传统的Web技术的实质在于对动态资源的处理,网格技术采用的网格服务(gridservices)是在Web服务的基础上发展而来,是一种特殊的Web服务,它包括持久服务和瞬时服务,可以共享持久性资源和瞬时资源,同时加入了状态信息,可随时获得设备所处的状态信息,这就从根本上解决了动态制造资源的共享问题。随着网格技术以及Webservices技术的不断发展,特别WSRF的推出,加速了网格技术与Web服务的融合。文献[11]预测:网格技术与Webservices最终将走向一致。

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计算机集成制造系统第13卷

统的开发、部署、调试和管理提供的使能工具,通常包括资源规划、数据访问、工作流管理和远程过程管理等。网格应用层主要根据协作企业的需要,在Web服务基础之上开发专门的网格应用系统,如协同设计、远程设备共享与操作、故障诊断、物流服务、电子商务、供应链管理等系统。具有不同应用需求的制造企业通过制造网格门户访问应用层的应用服务系统,企业需求可以表达并分解成多个子任务,资源发现与匹配服务能够针对给定的任务,通过对比执行任务需要的资源和网格中登记的有效资源信息,动态发现能够满足任务需求的候选节点,根据制造任务模型中任务之间的约束关系,做出任务的调度序列,制定任务规划并优化问题求解。任务管理的目的是为了能够有效地对企业需求进行动态调度和分配,并管理任务执行的状态,实现优化的资源配置。网格制造的基本结构框架、标准与协议可以借鉴网格计算的研究成果,主要的网格开发工具有Globus

[12]

享、设备共享和协同问题求解。

21211 数据共享

制造网格中有大量的数据,为了实现协作,必须隐藏数据间的差异并实现互操作,动态数据共享成为网格制造应用的一个基本问题,因此,需要研究基于产品模型数据交换标准(STandardforExchangeofProductmodeldata,STEP)/XML标准的数据资源的封装、接口以及封装数据在网格上的注册与调用。当一个企业需要在网格上共享数据时,可以很方便地将数据封装成标准格式并在网格上注册,其他用户在网格上搜索已注册的数据,可以获得有关数据的信息,如数据是否可以免费使用、使用所需的费用与条件,一旦用户获准使用这些数据,计算机就可以直接读取它,而不管用户使用什么软件、硬件系统。21212 设备共享

动态地共享并操作网格上的物理设备,使授权用户可以远程使用,使公司能够快速响应市场需求、充分利用现有设备、节约资金,中小企业不必购买昂贵的加工设备(如CNC机床),一旦需要,可利用其他公司处于空闲状态的设备,同时,设备拥有者可以提高设备利用率。设备共享在企业应用中有两种方式:①用户通过Internet直接访问、操作或控制这些设备,就像使用自己本地设备一样,由设备所有者帮助实现工件安装等操作(具体的商业模式需要进一步研究)。②远程用户提交需求给设备所有者,由设备所有者根据用户需求,代替用户操作其设备,其商业模式类似于目前的原始设备制造商(OriginalE-quipmentManufacture,OEM)。前一种方式,物理设备需要有可供访问的接口,并且在网格上注册,用户通过发现设备服务,并与设备所有者进行通讯获得授权来使用设备,整个过程包括注册、发布有效的服务、认证、授权、激活、操作和管理;后一种方式,设备所有者仅需将设备描述作为一种信息提交到网格上,用户通过与所有者谈判,以传统的商业模式离线地使用设备,这时网格服务起到信息中心的作用,对末端用户来说,与目前的电子商务或网络技术很相似。网格制造的优点在于任何资源的拥有者可以很容易地在网格上发布瞬时服务,而不需要整个系统重新编译,同时任何企业可以访问、使用网格上的服务,网格制造的核心就是处理动态的瞬时资源,以及为地域分布的潜在用户提供服务。涉及的技术包括:开放网格服务架构(OpenGridServicesArch-iToolkit、IBMGridToolbox、OGSI.

NET,大多数的网格制造系统采用GlobusToo-l

kit进行开发。但是,制造资源存在分布性、动态性、多样性、复杂性等特性,与CPU、存储器、数据、软件、分布文件系统等计算资源存在一些差异,使得制造资源的共享不能像共享计算资源那样,只要资源处于空闲状态就可共享,而必须考虑设备资源的型号、功能、加工范围、当前状态等多种信息,一旦设备资源被一个用户使用,就必须严格禁止其他用户使用。网格制造侧重于制造资源的集成和优化配置,以及为企业间的协作提供应用工具,其核心研究主要集中在图1中的资源层和应用层。211 制造资源建模和封装

资源层的制造资源建模与封装是网格制造的基础,需要按照语义网(semanticWeb)进行封装并在网格上惟一表达。资源管理器负责资源的注册、索引和管理,可以动态地识别新资源、在资源列表索引中创建或删除瞬时网格服务。Web本体描述语言(WebOntologyLanguage,OWL)用来定义制造资源的功能,统一描述、发现和集成协议(UniversalDescription,DiscoveryandIntegration,UDDI)用来创建和注册网格服务,通过UDDI注册机制,可以建立一个全球性在线资源目录,为企业提供统一的方式,来描述、查找服务,获取实现服务的软件接口。

212 网格制造应用系统

应用层的各种网格应用系统可以分为数据共第4期刘 琼等:支持跨企业协作的网格制造概念及核心结构研究

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tecture,OGSA),SOAP,WSDL,XML和STEP等。Globus资源分配管理器和动态在线更新请求协调器(dynamically-updatedrequestonlineco-allo-cator)已经在网格计算领域提供了类比技术。21213 协同问题求解

协同问题求解是利用网格上的信息、设备及其他资源,解决制造企业特定问题的各种应用系统。协同设计中,参与者共享产品数据、市场信息和应用软件,在Internet上同步或异步地设计同一产品。物流管理系统中,制造企业与第三方物流服务提供商共享客户信息、市场预测、运输信息等,实现信息集成、方案优化、降低成本等目的。在电子商务中,企业间利用网格上的信息与资源进行商务交往,实现快速信息流与资金流。协同问题求解包括任务分解、信息查询、匹配及优化等过程。当任务提交到制造网格后,搜索引擎查找网格上所有可能的有效资源,根据顾客需求求出最合适的解。由于不同的任务、不同的公司对求解方案有不同的评价标准,因此,协同问题求解是一个复杂的多目标决策问题,需要研究多目标优化算法。

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3 结束语

网格计算技术在制造领域,由于制造资源固有的多样性与复杂性,目前学术界对它的必要性还没有达成共识,网格制造的商业模式有待深入研究。此外,各个公司采用的技术不同,没有统一的标准,

致使网格制造在实际应用中没有显示出应有的效果。本文根据制造资源的特点,讨论了网格制造与现有相关技术的关系,提出了一个基于WSRF的网格制造结构体系,并对其关键内容进行了详细的研究,以解决当前网格制造研究存在的主要问题,使网格制造在企业界得到广泛的应用。参考文献:

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