（计算机软件与理论专业论文）制造网格架构与制造资源协同管理技术研究.pdf

摘要 经济全球化使得制造环境发生了根本性的变化，制造业面临全球性的市 场、资源、技术和人才的竞争；制造业的技术进步也始终围绕着如何最优化 配置企业内外部资源，迅速响应市场需求，更快的生产出高质量、低成本的 产品；网格技术的出现，为制造业提供了一个具有集成、开放、虚拟和自主 特征的基础设施，可以有效地解决网络化制造面临的资源共享与协作难题。 制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 正是在这一时代背景下出现的新 的制造环境。它融合了计算机科学、自动化和先进制造等多学科技术，通过 屏蔽资源的异构性和地理分布性，实现不同企业或组织中各类资源的共享， 提供协同工作支持环境，以服务方式为用户透明地提供其所需的与制造相关 的资源，可满足日益增长的企业间协作的迫切需求。 支持制造资源的共享和制造业务的协同是制造网格研究的两个重要出发 点。无论从地理分布性，还是种类繁杂程度等方面，制造网格中的资源管理 和调度都要比其它网格应用复杂的多。因此，如何表示网格中制造资源，支 持资源的共享，是制造网格需要解决的一个基础问题。另外，制造网格中， 资源共享主要是通过将资源进行服务化封装，然后通过服务及组合服务的方 式在制造作业中实现对资源的调度；如何动态、有效地进行服务组合中的流 程规划、服务选择、服务实例绑定等工作，解决制造作业中的资源调度和协 同管理问题，也是制造网格需要研究的一个重要内容。 制造网格实现了一个开放的和松散耦合的系统，其中的资源共享和业务 执行是在跨组织的协同下完成的，资源和服务分属于不同企业或组织，并自 主进行管理，带有明显的自治性和自主性特点；如何构建基于这种自治节点 之上的制造网格系统架构，有效地聚集系统中的制造资源，支撑协同制造， 是实现制造网格需要重点研究的另一基础问题。 本文在对制造企业间协同进行充分地需求调研和分析的基础上，在国家 8 6 3 计划“制造网格与制造资源协同管理技术研究”等科研项目的资助下， 针对制造领域的需求特征，围绕上述几个关键技术问题，重点开展了制造网 格的架构设计，制造资源建模、封装与聚集，制造服务组合等方面的研究， 给出了面向服务的制造作业实现方法，解决了制造网格中的跨组织业务执行 问题，并研发出一个制造网格原型系统。部分研究成果已经在“华夏制造网” 和。龙i = 1 先进制造服务平台”中得到初步应用。 本文主要贡献和创新点如下： 1 提出了基于对等组织的制造网格架构。通过对等组织结构实现资源的 分布式存储，提高了制造网格中资源管理的可扩展性和动态性，支持构 建开放的制造网格系统。 2 提出基于p 2 p 结构的资源聚集节点组织结构和分布式哈希表表空间 分配方法。通过在p 2 p 节点中采用冗余存储的方式来提高索引信息的可 靠性，并结合分布式哈希表实现全局资源索引信息的检索，方便资源组 织，提高检索效率。 3 提出了网格环境下的制造资源表示模型，对资源共享、能力、标识、 关系等多个方面的属性进行表达，并支持资源描述的扩展，可满足制造 网格资源共享的需求。 4 提出了基于p e t r i 网的制造服务组合流程建模方法，并结合基于领域 本体的服务选择机制以及动态绑定服务实例的方法，实现制造服务的动 态组合，增强了服务组合的灵活性。 在上述研究工作的基础上，下一步还需要在面向行业的领域资源本体、 基于语义的服务发现和组合，以及更加可靠的网格信任管理和安全控制等方 面进一步开展工作。 关键词：制造网格；p 2 p 架构：资源建模；服务组合；工作流 a b s t r a c t m a n ya d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gm o d e ss u c ha sa 百l e v i r t u a le n t e r p r i s e , n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g , e - m a n u f a c t u r i n gw e r ed e v e l o p e da l o n gw i t ht h e p r o g r e s so fc o m p u t e ra n di n t e m e tt e c h n o l o g ya n dc o n s e q u e n ta p p l i c a t i o n s i n m a n u f a c t u r i n g , c o l l a b o r a t i n ga n dr e s o u r c es h a r i n ga m o n ge n t e r p r i s e sd i s t r i b u t e d w o r l d w i d ei sg r o w i n gf r e q u e n t l yt o o ，a l lt h e s ee f f o r t sa i ma to p t i m i z a t i o n d e p l o y i n go fr o u r c ea n dp r o d u c i n gh i g h e rq 眦i i l yp r o d u c t sf a s t e ra tl o w e rc o s t e v e ne x i s t i n gt e c h n o l o g i e sc o n t r i b u t et or e s o u r c es h a r i n gi ns o m ed e g r e e , t h e y c a n ts a t i s f yt h er c q u i r e m a n t ss u c ha sa g i l i t yo fs h a r i n gc o n f i g u r a t i o n , s u p p o r t i n g o fr e s o u r c ek i n d s ，a n dp e r f o r m a n c eo fs h a r i n 吕w h i l et h ed e v e l o p m e n to fg n d t e c h n o l o g yo f f e rn e w s o l u t i o n st ot h e s er e q u i r e m e n t s t h er e a la n ds p e c i f i cp r o b l e mt h a tu n d e r l i e st h eg r i dc o n c e p ti sc o o r d i n a t e d r e s o u r c es h a r i n ga n dp r o b l e ms o l v i n gi nd y n a m i c , m u l t i - h s t i t u t i o n a lv i m m l o r g a n i z a t i o n s g r i dt e c h n o l o g yi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e o fn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m i nr e s o u r c e s h a r i n g , c o o p e r a t i o n , n e t w o r ks e c u r i t y , t r a n s p a r e n to f 砥n 吕a n ds o0 1 1 ，w h i c hm a k et h eb a s eo f n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m t h e t e r m o f m a n u f a c t u r i n g 面d 叫i g ) i s t h e a p p l y i n g o f g n d t e c h n o l o g i e s o nm a n u f a c t u r i n g , w h i c hr e a l l yac o o p e r a t i o np l a t f o r ma n dr 嚣o u r c os h a r i n g s y s t e ma m o n gm a n u f a c t m i n ge n t e r p r i s e s i ns u c hs y s t e m , e n t e r p r i s e sc a n o b t a i n r o s o u r c g sa n ds e r v i c e se n c a p s u l a t e di nm gl i k eu s i n gl o c a lr e s o u r c e s m gi sac o o p e r a t i o np l a f f o r ma n dr e s o u r c es h a r i n gs y s t e ma m o n g m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s s e v e r a l s p e c i a lp r o b l e m s r e l a t e dt om o d e m m a n u f a c t u r i n gt h a tm u s tb ec o n s i d e r e di nm g a r c h i t e c t u r ed e s i g n ：h o wt o m a n a g ed i s t r i b u t e d , h e t e r o g e n e o u sa n da u t o n o m ym a n u f a c t u r i n gr a s o u r t ：e a si na n e t w o r k e d - b a s e dm a n u f a c t u r i n gp a t t e r n ? h o wt oo r g a n i z em a n u f a c t u r i n g r e s o u r 嘲f o re a s i l yf i n d i n ga n di n v o k i n g ? h o wt od y n a m i c a l l yo r g a n i z ea m a n u f a c t u r i n g j o bf r o mm a n u f a c t u r i n gs e r v i c e s 7a i m e d 砒s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s 。 as e r v i c eo r i e n t e dm a n u f a c t u r i n gg r i di sp r e s e n t e di nt h ep a p e r , w h i c hb a s e do n a p e e r - t o - p e e rs t r u c t u r e t h er e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u | i n gi sm u c hm o 他c o m p l i c a t e di nm g i l l t h a ni no t h e rg r i da p p l i c a t i o nd u et ot h eg e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e , w h i c hr a n g ef r o mc a d , c a p e , c a ea n dc a m t ov a r i o u sk i n d so f m a c h i n et o o l s t h e r e b y , r e s e a r c ho n ar e s o u r c em o d e ls u p p o r t sc o h e r e n t l y r e s o u r e o e x p r e s s i n g , f i n d i n ga n ds c h e d u l i n go fr e s o u r g o i nm gb e c o m e s i m p o r t a n ta n de x i g e n t f o rt h eb a s i cu n i t si ns e r v i c eo r i e n t e dm a n u f a c t u r i n gg r i da r em a n u f a c t u r i n g s e r v i c e s am a n u f a c t u r i n gj o bi nm gi si m p l e m e n t e db yas e r i e so fs e r v i c e s i n v o k e di nas p e c i c yr o u t i n e ，w l f i c hi n t e g r a t eb u s i n e s sp r o c e s s e sa c r o s se n t e r p r i s e b o t m d a r i e s t h i sw o r kc a l lb ed o n eb ys e r v i c ec o n l p o 西d o i l ，b u ts e v e r a lp r o b l e m s m u s tb ec o n s i d e r e d , s u c ha st h em a n u f a c t u r i n gs e r v i c e sa f eh e t e r o g e n e o u si n e x p r e s s i n g , t h es e r v i c e sd e p l o y e di nm g a r ei n d e p e n d e n ta n da u t o n o m o u s ，a n d h o wt oa p e c i f yt h ew o r k f l o wc o m p o s i t i o n e x e c u t i o no p t i m i z a t i o nc r i t e r i a a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sf r o mt h eu s e r t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y 五n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s p e c i a lr e q u i r e m e n t s o f m a n u f a c t u r i n g p u t f o r w a r dap 2 p 枷t e c t i l r eo fs e r v i c eo r i e n t e d m a n u f a c t u r i n gg r i d , w h i c hs u p p o r t st h es e a l a b i l i wo f m g 2 t h er e s o u r c e a g g r e g a t i n g n o d e s r e s p o n s i b l e f o r a g g r e g a t i n g m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sb yd i s t r i b u t e dh a s ht 幻l e ( 0 8 1 3a p p r o a c h ，w i t ha s p e c i a ld h td e s i g n i n f o r m a t i o ns t o r e di nt h e p 2 ps t r u c t u r eg a i nr e l i a b i l i t yb y r e d u n d a n c ys t o r a g e a n dt h ee f f i c i e n c yo fr e t r i e v i n gi sh i g hw i t l lt h eh e l po f d h tm e t h o & 3 a i m e da tt h eh e t e r o g e n o u sa n dc o m p l e xo fm a n u f a c l u r i n gr e s o u r c e ， r e s e a r c ho nt h er e s o u r c em o d e l i n go fm a n u f a c t u r i n gg r l dam a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ee x p r e s s i n gm o d e l ，b ye x t e n d i n gf r o mt h er e s o u r c em e t a d a t aa n db y d e f i n i n gt h er e s o u r c el l i e f 盯c i l y r e s o u r c er e l a t i o n , a n dr e s o u r c ev i e w , a l l i n t e g r a t e dr e s o u r c ed e s c r i p t i o ni sf o r m e d aw s r e s o u r c e - b a s e dr e s o u r e o e n c a p s u l a t i o nm e t h o di s 咖e n ，t ov i r t u a l i z et h er e s o u r c e 缸l ow e bs e r v i c e w i t ht h eh e l po f r e s o u r c ee n c a p s u l a t i o nt e m p l a t e sa n dr e s o u r c ec o n t a i n e r 4 aw o r k f l o wm o d e lb a s e do nt h ee x t e n d e dt i m ei n t e r v a lp e t r in e tw i t hf i r e d m a r ki sp r e s e n t e d , w h i c hs a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to ft h ed y n a m i ct r e a t m e n t o fw o r k f l o w sa tt h ee x e c u t i o np h a s e t o g e t h e rw i t ha8 1 1o n t o l o g y - b a s e d s e r v i c es e l e c t i n gm e c h a n i s mp u tf o r w a r di nt h ep a p e rp r e s e n t saf e a s i b l e m e t h o df o ra c c u r a l es e r v i c es e l e c t i n gi ns p e c i f i cd o m a i ns u c ha s m a n u f a c t u r i n g ，a n d ad y n a m i cb i n d i n gm e t h o db a s e do nc o m p o s i t i v e e v a l u a t i n gi sd i s c u s s e dw h i c he n h a r l c e st h ef l e x i b i l i t yo f s e r v i c ec o m p o s i t i o n i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lt h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fm a n u f a c t u r i n gg r i da r e d i s c u s s e da n ds o l v e d ，ap r o t o t y p ei si m p l e m e n t e da n dp a r to fr e s u l t sh a sb e e n a p p l i e di n “c h i l i am a n u f a c t u r i n gs e r v i c en e t a n d a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g s e r v i c ep l a t f o r mo f l o n g k o u h o w e v e r , r e s e a r c h i n go nm a n u f a c t u r i n g 鲥di sf a r f r o mm a t u r ew i t hl o t so fp r o b l e m sl e f tt os t u d ys u c ha sb u i l d i n go n t o l o g yf o r s p e c i f i cd o m a i n ，a u t o m a t i cs e r v i f m d i n ga n da s s e m b l i n gw i t h t h eh e l po f s e m a n t i cw e ba n dk n o w l e d g e ，m o r es e c u r i t ya n dt r u s tc o n t r o li i lm a n u f a c t u r i n g a p p l i c a t i o n b u tu n d o u b t e d l y , 鲥dc o u l db r i n gs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e st o t h e i n d u s t r yb yb e t t e ru s i n go f e x i s t i n gm a n u f a c t u r i n gc a p a c i t ya n dc a p a b i l i t i e s k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ：p 2 pa r c h i t e c t u r e ；r e s o u r c em o d e l i n g ； s e r v i c ec o m p o s i t i o n ；w o r k f l o w v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主j 兰军 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主止三军一导师签名：啦日 期：趁丛2 1 1 制造网格的提出和发展 第1 章绪论 制造活动和制造技术与人类自身的形成和进步相辅相成，并在满足人类 物质文明需求的过程中不断发展，它是人类生存、生活和生产活动中一个不 变的主题。现代意义上的“制造”概念形成于1 8 世纪第一次工业革命之后， 它是指通过机器进行制作或生产产品，特别是大批量地制作或生产产品【”。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着经济全球化的发展，制造环境发生了根本性 的变化，制造业面临全球性的市场、资源、技术和人员的竞争；制造业的技 术进步也始终围绕着如何最优化配置企业内外部资源，迅速响应市场需求， 更快的生产出高质量、低成本的产品。 面对这种制造业环境的实际需求，许多先进制造模式应运而生 z - 9 1 ，它们 虽然各有侧重，但是都强调网络化、协同与资源共享。其中，1 9 9 1 年美国学 者提出的敏捷制造 4 1 ，就是通过把动态灵活的虚拟企业( 或动态联盟) 、先进 的柔性生产技术和高素质的人员全面集成，从而使企业能从容应付快捷变化 和不可预测的市场需求，获得企业的长期经济效益，这是一种提高群体竞争 能力的全新制造组织模式。 作为敏捷制造的一种实现形式，网络化制造是指在利用网络技术、制造 技术和其他技术构建的网络化制造系统支持下，突破空间地域对企业生产经 营范围和方式的约束，开展产品设计、制造、销售、采购、管理等一系列制 造活动；其目的是实现产品设计、制造、供应链和商务的协同，实现社会资 源的共享与集成，高速度、高质量、低成本的为市场提供所需的产品和服务 1 0 1 。 但是，在当前制造环境中，企业内部及企业之间要么存在着信息孤岛， 要么依赖于紧耦合的方式实现资源的共享与企业间协作，所以急需研究和建 立开放的系统结构，支持企业透明地获取资源，实现企业间的协作。网格技 术的出现，为制造业提供了一个具有集成、开放、虚拟和自主特征的基础设 施，可以有效地解决网络化制造面临的资源共享与协作难题。 网格( g r i d ) 一词最早提出于1 9 9 0 年代中期，是从电力网( p o w e rg r i d ) 概念借鉴而来的、构筑在i n t e m e t 上的一项新兴技术，被称为是下一代的 i n t e m e t 1 1 1 0 其通过高速的共享网络连接地理上广泛分布的异构资源( 包括高 速连接的异构计算机、数据库、科学仪器、文件和超级计算系统等) ，以此来 协同解决那些通常需要许多c p u 或存储器处理、访问的单个问题f 1 2 1 。 网格的发展经历了三个阶段：第一阶段是网格的萌芽阶段，开始于1 9 9 0 年代早期，研究内容是关于千兆网试验床以及一些元计算呻1 方面的工作：第 二阶段是一些早期的试验，时间从1 9 9 0 年代中期到晚期，出现了一些比较重 要的开创性的研究项目，比如i w a y l l 4 ，g l o b u s 1 5 1 ，l e g i o n t l 6 等；目前是网 格计算的迅速发展阶段，出现了影响很大的组织全球网格论坛g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) f 1 7 l ，特别是网格正在向开放网格体系结构( 0 g s a ) 进化 【”j ，允许跨异构动态虚拟组织的服务集成【1 9 1 。同时网格计算也不再仅仅局限 于科学研究，工业界与学术界联盟，正致力于使网格计算在更广泛的领域得 到推广和应用：网格所提供的计算、模拟仿真能力可以大大加强传统产业的 产品设计、试制、测试的能力，缩短产品更新换代的周期，提高企业的竞争 力。 网格概念的核心是资源共享和虚拟组织中的协同问题求解例。在网格技 术基础之上建立虚拟制造组织，更广泛的共享资源和进行协同制造，已经逐 渐发展为网络环境下的一种新的制造模式。清华大学范玉顺教授指出，制造 网格基于先进的网格和计算机技术，通过网络将分散在不同企业和组织中的 各种异构资源通过封装和集成，提供协同工作支持环境，为用户提供各类制 造服务，实现企业间的商务、设计、制造和供应链的协同m 1 1 2 2 1 。 由于制造网格及其应用系统对制造企业的支持空间从单个企业扩展到整 个社会，其自身具有地域上的分布性、组织上的动态性、管理上的统一性和 自治性等特点，它是现代集成制造哲理和敏捷制造模式在网络化经济环境下 的一种具体物化形式瞄】。目前，对制造网格的研究围绕着两个方面，一个是 研究企业计算网格，为企业中的计算应用提供网格计算的基础设施；另一个 是研究虚拟组织形态的制造网格，支持制造资源的共享与协同工作。 2 企业计算网格的研究开展得较早。制造领域的第一个网格研究项目是美 国国家航空航天局( n a s a ) 和自然基金委员会支持的i n f o r m a t i o np o w e r g r i d 佃略) 项目，其目的是建立一个完全分布式的计算资源和数据资源的管理环 境，以支持大型科学和工程问题求解中的异地协同【硎。欧洲的g e o d i s ep r o j e c t 是一个e p s r c 资助的一个研究计划，其目标是为工业界提供和扩展设计优 化技术、计算流体力学( c f d ) 、网格计算、知识管理以及本体的解决示范瞄】。 欧盟的s i m d a t 研究计划是一个以数据和仿真服务为核心的制造网格应用， 旨在建立一个将数值模拟和知识发现用于过程和产品开发的数据网格， s i m d a t 目前关注三个工业界的应用：汽车、飞机和制药行业的产品开发， 为大型跨国制造企业中的技术人员提供对设计数据的无缝访问等 2 6 1 。我国国 家8 6 3 计划网格专项应用之一的航空制造网格，用网格技术整合航空二集团 计算机资源，形成虚拟计算中心，提供统一的计算资源服务，并根据型号任 务对硬件资源进行合理的调度与管理，缩短研制周期，降低企业成本嘲。 国外很多大的r r 公司如o r a c l e 、s u n 、h p 于2 0 0 4 年4 月，成立了企业 网格联盟( e n t e r p r i s eg r i d a u i 锄c e ，e g a ) ，提出企业网格的概念，利用网格 计算将大量的计算机、存储器和网络连接在一起，使企业可以根据不断变化 的商业需求动态地分配资源，以适应商业需要瞄l ；2 0 0 6 年2 月6 日，两大网 格组织g g f 与e g a 宣布合并，标志着企业网格应用得到更广泛的关注。 在应用方面，航天、汽车等需要大规模计算和海量存储的企业已经在尝 试使用网格计算进行复杂产品的设计与仿真，网格的数据搜集分析功能也被 用在制造 2 9 1 、石油加工、货物运输、甚至零售业。如通用汽车公司部署了一 个网格，用于车辆的空气动力学 3 0 l 、流体动力学、可视化、碰撞等仿真计算， 以确保安全和燃油经济性p ”。 虚拟组织形态的制造网格更多地强调虚拟组织观点，将各种异构的制造 资源看作是构成制造网格的基础，利用网格提供的虚拟组织形式，在资源共 享基础上开展广泛的协同，完成制造业务，呈现出一种新的制造模式 3 2 - 3 5 1 。 其中，欧盟第五框架的g r a s p ( g r i db a s e d a s p ) 利用w e b 服务技术和网格 技术所提供的灵活性，改善企业应用服务提供( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i s i o n , a s p ) 模式，以支持动态资源分配，动态服务实例的生命周期管理，资源集成 和有效的分布式计算等，为实现一种基于a s p 和虚拟组织的新型创新业务提 3 供先进的系统结构嗍。在国内，清华大学、中科院等单位也开展了一系列制 造网格方面的研究9 1 1 。 综观这些制造网格的理论研究与应用，可以看到，目前的制造网格研究 仍然处于一个相对初级的研究阶段，还没有形成非常成熟的理论体系，在应 用上也处于早期的探讨和试验阶段，很多研究还是把它作为计算网格的一项 扩展应用；有待进一步针对制造业本身的特点和复杂应用环境的需求，在资 源共享与封装、制造业中的协同工作支持等方面开展深入的研究。 1 2 制造网格相关技术研究 制造网格利用网格及相关的先进计算机与信息技术，来实现制造业中的 资源共享和协同问题求解。要实现这一目标，需要在网格计算研究基础上， 充分考虑制造业的特征，研究和解决针对制造业务特点的关键技术，设计适 合制造资源共享和制造业务协同的网格架构，开发面向制造领域的应用中间 件，构建满足制造业务需求特点的制造网格系统。其中，需要考虑制造领域 如下的一些特征： 1 制造领域的资源特征 制造资源是包括物能资源、信息资源、技术资源、人力资源、资金资源 等在内的综合资源，它们在存在形式、管理方式、共享方式、使用途径、交 易方式等方面具有不同于计算资源的特点，而且不同制造资源种类间也有各 自不同的特点，体现出形态异构性、资源自主性、地理分布性等特点。 2 制造领域的协作特征 制造业广泛应用协同制造模式是大势所趋，通过计算机网络组织和协调 分布在多个企业中的人力、设备和信息资源，以虚拟企业的形式迅速而高效 地形成制造出产品的能力，缩短产品的开发和生产周期，才能应对日益激烈 的市场竞争。如对于复杂产品( 如飞机、汽车) ，其设计、制造、装配，分析、 试验和工艺等过程通常由不同工程领域和企业部门的、地理上分布的多个小 组协作完成。 3 制造领域的应用特征 制造领域的应用中，具体的业务逻辑差别很大，有很强的定制特点；而 4 由于制造业务是由一个个的制造企业执行的，具有自主性和自组织性的特点； 业务过程往往又是长周期的事务，有时一件产品的制造过程可以长达半年以 上；同时，制造网格支持的应用还需要与企业现有业务系统( e r p p d m k m e s 等) 进行数据和业务的关联。 针对这些特征，围绕资源共享和协同工作两大主题，制造网格的研究需 要解决下面这样一些关键技术问题。 1 2 i 制造网格架构 网格技术经过若干年的研究与实践，体系结构已经日渐成熟。在抽象层 次结构中，最重要最有代表性的就是五层沙漏结构 2 0 i ；2 0 0 2 年，g g f 提出 了开放网格服务体系结构( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 1 4 2 1 1 4 3 ， 在o g s a 框架中，将一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设 备等，这种观念，有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格f 4 5 l 。 但传统的计算网格或一般的服务网格架构尚不能完全胜任制造网格的需 求，首先，制造资源分散，交互复杂，而且其操作并不总是自动化的，这使 得建立支持制造服务的网格更加复杂和富于挑战性郾1 ；其二，传统的计算网 格侧重于解决大规模计算问题，其作业提交往往是较为单纯的计算任务，而 制造网格中还有很多具体的非计算的复杂业务处理，具有长周期性、复杂性、 灵活性以及跨组织协同等特点；第三，制造网格的节点组织结构复杂，设计 中要考虑充分考虑节点的自治、自组织性，适应网格的构建、扩展和业务运 行的需要。 国内外研究中提出的很多各具特色的制造网格系统，多数基于分层结构 的软件架构。如文献【2 3 】中提出一个多层结构制造网格体系结构，包括基础 网络层、单元与基础协议层、资源封装层、网格中间件层、制造网格使能层、 制造网格应用层、制造网格入口层、企业协同层、制造网格运行管理系统等。 在o g s a 的出现之后，又提出了一些遵循o g s a 的制造网格架构模式， 国外的如欧盟的g r a s p 项目 4 6 1 ，s i m d a t t 2 6 1 ，m m 公司提出的服务域( s e r v i c e d o m a i n ) 和o d s g l 4 7 1 等，国内研究组织也在各自的研究和实现中提出了许多 制造网格架构1 2 2 1 1 3 4 3 7 1 1 4 8 1 嗍这些制造网格架构体现出这样三方面的特点： 首先作为网格核心的核心服务层一般都采用现有的网格中间件如g l o b u s 软件包【，0 1 作为整体框架实现的平台，提供网格安全基础设施( g s i ) 、资源分 配管理器( g r a m ) 、网格文件传输协议但t p ) 服务、元计算目录服务( m d s ) 和资源描述语言l ) 等，以保证制造网格整体框架安全、有效地实现p l l ； 这样做的好处是可以简化开发工作，同时采用成熟的技术可以降低技术风险； 与此同时，通用的网格中间件工具不能满足制造领域的需要，因此一般都要 在应用中间件层开发若干面向领域的服务，而这些服务因应用的差异而有所 不同，如g r a s p 架构中所开发的服务中间件主要是针对a s p 业务模式的l 蚓。 第二，针对制造资源的特点，在网格架构设计中需要着重考虑了资源封 装和表示问题，如a m g r i d 中的资源服务化工作叨，这方面的工作还有很多 4 8 1 5 。 第三，考虑协同制造业务的特殊需要，特别是涉及到复杂业务的建模， 这些网格架构中还考虑了制造业务建模、服务协同等问题。 制造网格是一个实在的、开放的系统，应该立足于现有的制造资源系统 和网络化制造系统，经过扩展与互联，逐步建立起来；然而，上述许多架构 研究工作还主要侧重于对构造制造网格软件的层次结构研究，对构成制造网 格的节点组织结构与互操作的问题研究尚不充分；需要从网格构建的角度分 析制造网格的宏观体系结构，研究制造网格的节点组织结构，提出适合制造 领域的新的架构模型，以支持制造网格系统的构建，尤其需要解决节点间的 互操作性以及分散在不同节点和组织结构中的制造资源的高效聚集；同时， 网格支撑软件层次结构的研究和设计也需要针对应用进一步细化。这也是本 文着力解决的问题。 1 2 2 制造资源建模与封装 网格的一个重要特征就是资源共享，现有的网格系统主要应用于科学计 算和数据处理，处理的资源主要是计算能力、存储能力和网络能力等。 然而，制造网格要处理的资源要复杂得多。所谓制造资源是企业完成产 品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称 7 1 ；制造资源所涉及的范围 更加广泛，是包括物能资源、信息资源、技术资源、人力资源、资金资源等 在内的综合资源，如设备、加工工具、大规模应用软件、设计资源库等等； 而且不同种类的资源有不同的信息和共享模式，很难用一种统一的方式去表 6 山东大学博士学位论文 示这些资源；但从抽象角度看，可以由公共的模型表示它们的信息和数据 5 4 1 。 制造资源在存在形式、管理方式、共享方式、使用途径、交易方式等方 面具有不同于计算资源的特点，而且不同制造资源种类间也有各自不同的特 点，体现在：异构性、自主性、分布性、柔性与开放性。正因为制造资源具 有较其他资源更为复杂的特征，使得制造资源建模成为许多研究中都着重考 虑的问题，不同应用背景下对制造资源建模的研究，主要可以归纳为几类： 1 ) 企业建模中的资源建模。在企业建模过程中构造制造系统资源模型 d 6 1 ，支持产品开发、生产过程产生出更加合理的产品模型和相关的过程模型， 以及企业间数据交换堋等。 2 ) 制造资源的标准化工作。典型的如国际标准组织的i s 0 1 0 3 0 3 ( s 1 1 豫 标准) 嗍、i s 0 1 3 5 8 4 ( p l i b 标准) 【5 9 1 、i s 0 1 5 5 3 1 t 6 0 l 以及基于这些标准的一 些扩展工作等【6 1 1 ，这些标准从不同方面提供了制造资源的标准表示方法，对 制造网格环境中的制造资源建模具有指导和规范作用。 3 ) 研究制造资源的表示方法。比较普遍的是以面向对象的方法研究制造 资源表示1 5 6 1 1 6 2 1 ，其按照面向对象的原理，根据企业制造资源的特性，来表示 涵盖产品设计、制造和营销在内的产品生命周期中制造资源及它们之间的关 系。具体实现方法有基于x m l 和d t d 的制造资源的表示1 6 3 ，基于语义网技 术的制造资源表示1 6 4 1 等。 由于所涉及的具体应用的局限性，这些制造资源建模针对具体实现的支 持尚不能满足制造网格中资源共享的需求，如网格中的资源共享需要提供资 源封装的方法，分散的网格应用环境需要提供资源描述的扩展支持，而资源 调度和匹配中也需要更加全面的资源信息。 网格中的资源管理也是网格研究的一项重要工作，如g l o b u s 资源管理 系统包括一个可扩展的资源规范语言，本地资源管理工具接口，和一个 c o a l l o c a t o r ，并与g t o b u s 安全架构( g t o b u ss e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r e ，g s i ) 和监控 与发现服务( m o n i t o r i n ga n dd i s c o v e r ys e r v i c e ，m d s ) 相互作用瞰1 。但g l o b u s 中的资源管理主要是针对计算资源，种类较少，表示和使用也相对较为简单， 还不能适应制造资源表示的需要。 另一方面，制造资源中有大量物理类的资源，它们通过网格进行共享， 需要首先解决虚拟化的问题。所谓资源虚拟化原是指从特定的物理设备中释 7 放出功能性并操纵这些功能，包括很多从软硬件资源的物理实现中消弱那些 架构和用户感知行为的机制和技术1 6 , 6 1 。网格的关键是资源和用户概念的虚拟 化【6 1 ，如网格通过聚集大量的计算资源，并抽象成单一的、统一的资源，按 需提供虚拟计算机的访问。在制造领域，资源的虚拟化也是实现面向服务的 企业集成的基础，可以通过把实体环境中的资源( 仪器、设备、过程和应用 等) 虚拟化为w e b 服务( w e bs e r v i c e t c b 的方式实现