（机械制造及其自动化专业论文）制造网格中的资源发现研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 是网格技术在制造业的一个新的应用， 其实质是资源共享和协同工作。资源发现作为制造网格资源共享的前提与基础， 直接决定了制造网格的使用效率与友好程度，并且也为制造网格其他中间件的应 用执行奠定了基础。然而由于制造资源的复杂性、特殊性和分散性，以及制造任 务的多样性，使得制造网格中的资源发现面l 临着诸多挑战。 本论文分析了网格技术的最新技术规范w s r f 以及w e b 服务组合的相关理 论技术。w s r f 规范的推出使得网格社区与w e b 社区迸一步得到融合，标志着 网格商用化时代已经来l 临。根据此种研究思路，本文尝试把w e b 服务组合的理 念引入到制造网格中，提出了基于服务组合的制造网格资源发现系统m g r d s 。 服务组合器和执行引擎是m g - r d s 的核心。服务组合器采用产生式建模的 方式对实现了m g r e s o u r c e 功能的w e b 服务进行建模，根据w e b 服务模型的输 入输出参数建立参数级本体，从而消除了建模过程中存在语义冲突问题。利用无 回溯反向链组合算法( n o n - b a c k t r a c eb a c k w a r dc h a i n i n g ，n b c ) 对服务进行组 合，保证了服务组合的效率。通过直接转换算法w s d c 使组合服务方案自动转 换成可执行的代码b p e i a w s 并且部署在组合服务执行引擎上。 最后，开发和实现了本文的主要研究内容，并通过在机床制造业中的应用， 验证了系统的合理性和实用性，并且为制造网格资源发现系统的进一步完善和推 广实施奠定了坚实的基础。 关键词：制造网格，w s r f ，资源发现，服务组合，b p e i a w s 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) i sp u tf o r w a r da s an e wa p p l i c a t i o no f g r i d t e c h n o l o g yi nm a n u f a c t u r i n gf i e l da n di t se s s e n t i a lf u n c t i o n sa r er 韶o u l c es h a r i n ga n d c o o r d i n a t ew o r k i n g a st h ep r e m i s ea n df o u n d a t i o no fm gr e s o u r c es h a r i n g , t h e p o w e ro fr e s o u r c ed i s c o v e r yd e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c ya n df r i e n d l yd e g r e ed i r e c t l y a n da l s oe s t a b l i s h e st h eb a s ef o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fo t h e rm i d w a r e si nm g h o w e v e r , t h er e s o u r c ed i s c o v e r yi nm gf a c e sw i mm a n yc h a l l e n g e s a st h e c o m p l i c a t e d ，h e t e r o g e n e o u s ，g 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 gr e s o u r c e sa n d t h ev a r i o u sa p p l i c a t i o n sw i t hd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s t h et e c h n o l o g i 髂o fw s r f ( w s r e s o u r c ef r a m e w o r k ) a n dw e bs e r v i c e s c o m p o s i t i o na r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w s r f , t h el a t e s tt e c h n i c a ls t a n d a r d s f o r 鲥dh a sm a d eg r i dc o m m u n i t i e sa n dw e bc o m m u n i t i e si n t e g r a t ef u r t h e r , w h i c h i n d i c a t e st h ec o m i n go ft h ec o m m e r c i a le r ao ft h eg r i d b a s e do nt h i si d e a , t h e s e r v i c ec o m p o s i t i o n - b a s e dm gr e s o u r c ed i s c o v e r ys y s t e m ( m g r d s ) i sp r o p o s e d ， w h i c hc a nm e e tt h er e s o u r c ed i s c o v e r yi nm g t h ef r a m e w o r ko fn o n - b a c k t r a c eb a c k w a r dc h a i n i n gw e bs e r v i c e sd y n a m i c c o m p o s i t i o ni s u s e dt ot h es e r v i c e sc o m p o s i t i o n u n d e rt h i sf r a m e w o r k , ar u l e m o d e l i n gm e t h o di sp r o v i d e dt ot h ew e bs e r v i c e sw h i c hi m p l e m e n tt h ef u n c t i o no f m g r e s o u r c e ，a n dp a r a m e t e r - l e v e lo n t o l o g yf o re l i m i n a t i n gt h ec o m p o s i t i o ns e m a n t i c c o n f l i c t t h e nt h en o n - b a c k t r a c eb a c k w a r dc h a i n i n ga l g o r i t h mi su s e dt oc o m p o s e w e bs e r v i c e s t h ec o m p o s t e dm e t h o di st r a n s l a t e dt ob p e i a w s b yw s d ca l g o r i t h m a n di m p l e m e n t e db yt h ee n g i n e f i n a l l y , s e r v i c ec o m p o s i t i o n - b a s e d m gr e s o u r c e d i s c o v e r ys y s t e m i s d e v e l o p e da n di m p l e m e n t e d i t sf e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yi sv a l i d a t e db yb u i l d i n gu p at e s t - b e d i nm a c h i n et o o li n d u s t r y , t h ee x p e r i e n c eo fw h i c hh a ss e t t l e das o l i d f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h ed i s c o v e r ys y s t e mi nm g k e y w o r d ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ，w s r f , r e s o u r c ed i s c o v e r y , s e r v i c e c o m p o s i t i o n ，b p e l 4 w s n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 盈：堡堕日期2 互丕翌 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，e p ：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守 日期：望! ! 翌 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及来源 1 1 1 制造网格研究背景 人类社会追求进步的脚步刻也没有停止过，从计算机的出现、网络技术的 成熟、国际互联网的建立到万维网的广泛使用，我们深刻感受到新技术给人们生 活带来的巨大变革。但是，国际互联网为我们提供的能力是非常有限的，为了让 计算机和网络设施能更好地服务于人类，需要在国际互连网的基础上建立网格。 网格是一组体化的共享资源，也被称为虚拟超级计算机，是一种利用互联 网或专用网络把地理上广泛分布的各种计算资源互连在一起的技术。网格研究领 域的权威l a n f o y e r 2 0 0 1 年给出的网格的定义为“动态分布式虚拟组织中的资源 共享和协同问题解决”【1 t2 1 。网格的核心思想是实现资源的共享，通过自由地将 资源封装为服务，打破了传统网络对资源的各种限制，为用户提供了前所未有的 共享资源的机会，将网格技术引进制造业必将带来制造业历史的又一次质的飞跃 【3 】。 制造网格( m a n u f a c t u r i n gg f i d ) 的出现也是制造业信息化水平发展到一定程 度的必然产物，是对传统制造模式( 从产品设计手段、制造方式到运作模式与经 营理念) 的扬弃与创新。目前，全球最大网格组织g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 倡导 的开放网格体系结构侧重点正从科技领域迅速转向工程和商业应用领域。国际数 据公司( i d c ) 认为，未来网格给制造业带来的机遇将排在其他各个行业之首【4 】。 制造网格是实现企业和社会资源共享和集成、支持企业群体协同运作和管理 的集成支撑环境，它基于网格和相关先进的计算机与信息技术，通过网络将分散 在不周企业和社会群体中的设计、制造、管理、信息、技术、智力和软件资源， 通过封装和集成，屏蔽资源的异构性和地理分布性，以透明的方式为用户提供各 类制造服务，使企业或者经营个体能够以请求服务的方式方便地获得所有与制造 相关的服务，能够像使用本地资源一样方便地使用封装在制造网格中的所有资 源，实现各类资源的集成和优化运行，并为构建面向企业的制造网格应用系统提 供协同工作支持环境，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，使基于制造网格支撑环境运行的制造企业群体能够以较低的成本和较短 的开发周期，制造出符合市场需求的高质量产品【5 1 。 网格技术只是将分散在不同地理位置的各种计算机组织成一台“虚拟的超级 上海大学硕士学位论文 计算机”。目前，网格主要注重在高性能计算方面，它的资源特征一般表现为具 有一定计算能力，如c p u 、存储资源、数据库资源等。其次，网格中信息的传 输是同质的，具有单一性。最后，网格的资源都是通过在线的方式进行交换的， 如同电线有电才能被使用者使用一样。制造网格不是网格技术的简单照抄照搬， 而是有它独有的特点： 业务的多样性。由网络化制造和制造网格的目的可知，资源的共享和协同是 研究的核心。各个企业里的业务资源通过封装为服务的形式提供给使用者使 用，而各个企业提供的业务服务可能涉及到设计业务、制造业务、销售和物 流的业务等。较大的业务又可以分解从而将某一部分封装为服务的形式提供 给其它业务来使用。不同的资源提供者可能提供的共享业务有很大的区别。 单个企业可以作为制造网格中的一个业务节点，企业中的某个业务也可以作 为制造网格中的节点，所以，不同的企业提供的业务具有多样性的特点，就 需要有合理的规范来指导企业对业务的封装。 层次的复杂性。制造企业是二维的结构，其横向是一个梯形的结构，包括企 业级、工厂级、车间级、设备级【6 1 。各个层次的关系因不同的企业而错综复 杂、参差不齐，资源的共享模式和程度也不尽相同。因此，合理地分配、协 调和调度各个级别的资源服务对制造网格来说显得尤为重要。 服务的在线或离线性。产品从设计、制造、销售的整个生命周期中既有在线 的资源又有离线的资源1 7 1 。如设计资源、管理资源和销售资源等这些资源完 全可以数字化为计算机可以处理的信息，形同于计算网格中的计算资源，属 于在线的资源。而制造中的物流就属于离线的资源，如采购、制造、供应、 运输等。特别是运输资源具有时间和空间上的差异，计算网格是无法处理这 类资源服务的，而制造网格就要兼顾这些资源。 为了实现制造网格的资源共享与融合，需要许多技术的支撑，资源发现就是 其中之一。它主要解决如何根据用户资源请求来发现相应的资源问题。资源发现 问题的有效解决是制造网格资源实现共享与融合的前提，同时为制造网格系统其 它中间件的应用执行奠定了基础，如资源监控、资源分配、资源调度等【8 _ 9 l 。因 此，资源发现机制的研究与实现是网格计算与制造网格领域的一个重要的研究课 题。 1 1 2 资源发现的研究背景 资源发现是根据资源请求者的资源请求描述，为请求者找到满足要求的合适 资源的过程。资源发现可以形式化地攒述为一个函数： r r e s = f ( r r e q ) 2 上海大学硕士学位论文 该函数的输入变量r r e q 是资源需求，输出变量r r e s 是返回的查询结果。函 数f 是资源发现功能的表示。 信息时代的来临，迫使制造业面临全球性的资源、技术和人员的竞争。基于 信息技术的现代制造业拥有的制造资源种类复杂多样，不但包括传统的人力资源 和硬件资源，而且包括软件资源、信息资源、服务资源等，竞争的加剧将促使企 业利用一切可以利用的资源，主动积极地寻求市场机遇，灵敏地响应和适应客户 多样化的消费需求，高质量地为全球顾客服务，从而获得规模经济，促进企业的 发展与壮大【l o 】。然而，通过对制造业的研究我们发现，大多数制造企业都存在 着资源使用不均衡的问题，比如一些高精密、超大型高附加值设施建设所需要的 关键设备，特别是重大生产线中所需要的设备共享利用率低下。而资源共享的前 提即找到资源，即资源发现，因此，如何有效地发现和查找资源已经成为信息时 代制造业的一个重要任务。 资源发现是关系到广域分布式环境中资源共享和协同工作的关键，因此不论 在网络化制造还是在网格技术中，都对其有深入研究。许多网格项目提出了资源 发现的方法和策略，下面是当前国内外一些典型的网格项目： 1 、g l o b u s 是一个由美国的一些大学、科研院所、政府机构和i b m 、m i c r o s o f t 以及c i s c o 发起，由美国a r g o n n e 国家实验室进行实施的研究项目。m o n i t o r i n g a n d d i s c o v e r ys y s t e m ( m d s ) 1 1 - 1 2 是g l o b u st o o l k i t 的信息服务组件，它提供了有 关网格资源的状态信息。m d s 是由为网格信息服务提供的资源和客户端工具组 成的，它包括以下3 个组件： w sm d si n d e xs e r v i c e ：该服务搜集网格资源的状态信息，并将其存入 一个存储单元。通常来说，虚拟组织会部署一个或多个索引服务，这些 服务随后搜集该虚拟组织中所有可用的网格资源的数据。 w sm d st r i g g e rs e r v i c e ：该服务按照管理员的指示，从网格资源中搜 集数据，并将这些数据传递给适当的程序，从而根据事件执行各种操作。 例如，当一个计算资源的队列长度达到一个特定的阈值时，系统就可能 给管理员发送一封电子邮件。 w sm d sa g g r e g a t o r ：这是另外两个服务构建于其上的软件框架。 a g g r e g a t o r 框架负责对a g g r e g a t o r 源中的数据进行搜集、管理和编索引， 并将这些数据发送给一个a g g r e g a t o r 接收器进行处理。 2 、c o n d o r 的m a t c h m a k i n g 1 3 】不依赖全局资源命名，它是一种集中式的依靠 资源属性进行匹配的资源共享系统，它将资源和用户请求匹配过程和建立联系过 程分开。请求者和提供者按照分类广告( c l a s s a d s ) 公开他们各自的特点和请求。 匹配服务将满足条件的资源和请求进行匹配，并通知双方。匹配双方直接建立联 上海大学硕士学位论文 系，也可进一步地协商。这种资源发现方式缺乏灵活性，集中式的模式会成为系 统扩展的瓶颈。 3 、b o n d 项目是美国p u d u e 大学探索基于证券市场的经济方法建立网格环境 的一个项目，项目的主要思想是大量代理间的相互作用能产生智能的资源管理行 为1 1 4 】。b o n d 为分布式计算创建了一个面向对象和代理的世界，它将系统资源( 包 括处理器、通信联接、传感器以及数据库和服务等软件资源) 封装成一个称为元 对象的特殊对象类，与这些对象的通信使得软件对象能够找到合适的资源。 4 、w a r w i c k 大学开发的a 4 ( 灵活的结构和自治的代理) 可被用于网格计算 的资源管理，该系统由一组a g e n t 的树型结构组成，每一个代理能与其他的代理 合作提供服务的发现和广播，从而调度使用网格资源的应用【”1 。 5 、x e n o s e a r c h 1 6 是x e n o s e a r c h 项目组建立的一个用于在分布式环境中执行 资源发现的机制，它提出了服务元数据，例如它们的位置和设备以及多维空间中 的点，并在这些节点之上执行查询请求。每一个x e n o s e a r c h 节点都拥有这个空 间中的一个部分。而所有的x e n o s e a r c h 节点之问的通信则是建立在p e e r - p e e r 路 由基础之上。这种方法实现简单，但往往需要大的目录服务器的支持，并且系统 的健壮性不好。 6 、我国最典型的网格项目是中科院的“织女星网格”，该网格系统的资源发 现机制采用分层的虚拟机模型，自顶向下依次由用户层、资源路由器层和资源层 3 个层次组成。在虚拟机体系结构基础上，资源发现机制主要通过两个技术来解 决资源发现的问题：基于资源信息路由转发的资源定位模型和3 层资源表示模 型。资源定位模型主要在资源路由器上实现，是资源发现的核心。3 层资源表示 模型试图满足资源发现机制的各个层次对资源表示的不同需求，它包含了各个层 次上资源的表示方法和层次之阅的映射。但由于为保持资源路由器的一致性，需 要频繁地互通信息，当机器全互联状态时，容易宕机。此外，面对网格环境下资 源的动态变化，该模型不能保证资源信息在所有结点上的一致性【l 刀。 与网格环境中的资源相比，制造网格中的资源更具有高度复杂性、特殊性和 分散性的特点，而且目前对于资源发现的研究大多集中在网格计算领域，所以建 立一种有效的制造网格资源发现机制进而应用于制造业中就显得犹为重要。本文 就是以此背景来展开，致力于解决制造网格环境中的资源发现问题。 1 1 3 课题的来源 本课题来源于上海市技术科学委员会2 0 0 4 年项目“行业性制造资源发现和 评估系统”。 4 上海大学硕士学位论文 1 2 课题的研究现状和发展趋势 1 2 1 网格技术的最新发展 2 0 0 2 年7 月，全球网格研究的领军人物、美国阿岗( a r g o n n e ) 国家实验室 的资深科学家、美国g l o b u s 项目的领导人l a n f o s t e r 在文献fz s e p ，认为网格必 须同时满足三个条件：( 1 ) 在非集中控制的环境中协同使用资源；( 2 ) 使用标准的、 开放的和通用的协议和接口；( 3 ) 提供非平凡的服务。 2 0 0 4 年1 月2 0 日，g l o b u s 联盟、i b m 、h p 等联合发布了网格的新标准 w s r f ( w e bs e r v i c e sr e s o u r c ef r a m e w o r k ) 1 1 9 1 草案。w s r f 的提出，是网格 发展史上的一个重要转折点，它重新组织了o g s i 的概念，采用了能易于使用商 业网格服务工具的陈述，标志着网格不再局限于学术的殿堂，而已经与商业化的 w e b 服务技术彻底地融为一体了，如图1 - 1 所示。 w s r f t h ed e f i n i t i o no fw s r fm e a n st h a tg r i da n dw e b c o m m u n i t i e sc a nm o v ef o f w a r do n ac o m m o nb a s e 图1 1w s r f 的提出 目前国内外在网格计算方面的研究十分活跃，研究范围跨度很大，呈现以下 趋势： 网格计算标准化的呼声越来越高，目的就是为了规范和统一现在大量的网格 计算研究，g l o b u s 在一定程度上成为事实的标准。 专业网格的研究与开发成为个重要的方向，因为网格是面向具体问题的应 用，而专用网格在这一方面具有独特的优势，可以为通用网格技术提出最直 接最具体的需求。 开发的面向w e bs e r v i c e 的框架结构和与工商业界应用的结合是网格技术研 究的一个重要趋势，原来的网格计算主要集中在科学计算等学术领域，而目 前正在走向实用并与市场结合，直接服务于生产和各种商业活动。 总之，未来的网格计算将在行业应用的引导下，以标准化向更广域、多学科 5 上海大学硕士学位论文 渗透，网格的切对外功能都将以网格服务来体现；技术将进一步融合，且将逐 渐从高性能计算走向商业应用，从前沿技术走向实用化、大众化【捌。 1 2 2 制造网格国内外发展现状及趋势 自从2 0 0 2 年6 月上海大学首次提出“制造网格- - m a n u f a c t u r i n gg r i d ”的概 念，到现在已经取得一定的研究成果和发表相当数量的学术论文。上海大学以本 校分散在异地的快速制造资源为例，实现了装备资源互联。每台设备和每套软件 都作为一个资源节点，通过相应的管理系统和网格接口加入到网格中。并且将服 务质量的理念引入制造网格，建立了基于q o s 的资源管理系统，实现了资源的 分布式动态管理，任务的实时分析与处理，同时还为满足用户特定需要提供了有 效保证【2 l 】；长沙理工大学提出了网格在e r p 系统中的应用，提出了协同制造网 格的概念】；武汉理工大学对开放式网格服务结构( o g s a ) 进行了剖析，研究 了虚拟组织的构建方法及其在制造资源共享中的作用，并采用s t e p 国际标准， 基于o g s a 虚拟组织模式，提出了一种适合产品全生命周期制造资源共享的接 口模型，将广泛异构的制造资源放在网格环境中进行共享控制，实现将分散在不 同地理位置的制造企业有机结合( 2 ，】。其他具有代表性的研究主要有上海交通大 学的协同制造网格c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n gg r i d ，由申德软件集成技术联合实 验室研制的先进制造网格平台a m g d d ( a d v a n e e dm a n u f a c t u r i n gg r i d ) t 2 4 l ，西北理 工大学提出的基于g l o b u s t o o l k i t 和j x t a j 2 s ep l a t f o r m 的制造网格框架结构【2 5 】 以及广东工业大学的特许连锁模式下的模具制造网格系统架构瞄】等等。 国外没有针对制造网格而单独进行的研究，多是在研究网格的综合项目中使 所研究的网格内容可以解决制造业领域内的问题。典型的项目有美国的n a s a 和n s f 联合开发的i p g ，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的异地协同。他们以飞行器的多团队仿 真问题为背景，重点解决由不同研究小组开发的单元仿真器之间的资源和应用集 成问题；波音公司在f - 1 8 e f 的设计中，利用网格技术联合组织多家研究中心协 作进行全机流场c f d 模拟，最终找出了中等攻角经常发生单侧机翼突然失速的 原因，并基于网格计算研究航天器形状的多学科优化，对飞行器外形优化得到的 第5 0 0 代和第3 0 0 0 代的形状进行了比较，获得了很好的计算结果。汽车制造商 亦可利用网格进行模型的模拟测试，从而取代原来的电路测试和风洞试验，降低 了产品的设计成本；i b m 电子商务随需应交战略、惠普公司的适应性企业战略， 日本i o z u om u t o 研究了使用x m l 系统集成各种设备，福特公司用网格技术构 造了一个可配置虚拟现实的应用框架；新加坡国立大学的g a r yt a n 等人提出了 将网格技术应用到分布式供应链( d s c ) 仿真；德国f a l l 【n e u b a u e r 等人研究了 网格服务中工作流管理；英国沃里克大学高性能系统实验室的j u n w e ic a o 研究 6 上海大学硕士学位论文 了a 4 ( a g i l ea r c h i t e c t u r ea n da u t o n o m o u sa g e n t s ) 来管理计算网格的资源。除些之 外，爱立信、日立、宝马等也都开始构造和试用内部网格【2 他引。 为了使制造网格进一步标准化、规范化、和商业化，还有许多工作需要进一 步完善，比如制造网格环境中资源信息的有序化，加强制造网格资源库的建设， 知识产权保护技术和法律的完善也要跟上网格技术的飞速发展。另外，在制造网 格应用于企业过程中，必须建立合理的动态清算系统，既要满足企业合作需求， 又能保证企业核心能力的安全。 1 2 3 网格资源管理的相关研究 资源管理是网格系统的核心，目的是屏蔽底层资源的异构性和复杂性，把网 格中分散的各种各样的网格资源管理起来，提高资源的利用率；为网格作业分配 合理的网格资源，实现负载平衡【2 9 】。其任务包括系统中的资源管理、接受用户 提出的任务请求、将用户的任务请求与可用共享资源之间进行比较匹配、并调度 用户任务到相关的资源的执行。资源管理是一项非常复杂的任务，而资源发现作 为网格中问件之一，为资源匹配、资源调度、资源监控等其他网格中间件提供了 工作数据来源，在资源管理中占据非常重要的地位。随着信息技术的发展，未来 网格系统将要处理更多类型的资源和服务，面向更多要求的任务请求，因此资源 管理一直是网格系统研究中的重点。当前网格技术的研究中，针对资源管理的研 究主要集中在以下几个方面【3 0 】： 认证( a u t h e n t i c a t i o n ) ：由于资源的异构性和分布性，当前很多基于网络的 系统在不同的资源共享时，需要进行多次认证。而对于网格系统，用户应该 面对的是一个“透明的”系统整体，网格用户只需要经过一次认证，就可以 访问并共享系统中的所有资源。 资源描述( s p e c i f y ) ：网格系统中存在着不同类型的共享资源，需要以统一 的方式对这些异构的资源进行描述，使得网格系统能够适应不断增加的网格 资源类型。 资源发现( d i s c o v e r y ) ：在异构、动态、地域广大的网格系统环境中，及时、 有效地发现符合用户任务请求的共享资源，为用户提供有效的服务。 协商授权( n e g o t i a t ea u t h o r i z a t i o n ) ：针对用户提出的任务请求，需要在用户 请求和网格资源能力之间进行协商，使得用户请求和资源的使用要求都得到 合理的满足。 任务调度( s c h e d u l e ) ：用于解决如何将用户任务分派到满足任务要求的资源 上执行。当有多个资源满足用户任务要求时，需要根据任务完成时间、资源 7 上海大学硕士学位论文 单位使用开销等多项参数，在多个资源中选择一项资源分配给任务；与此同 时，当任务执行过程中资源出现失效等异常情况时，需要重新将任务分配给 满足要求的资源。 目前网格资源管理的形式主要集中在以下几个方面： 1 、g l o b u s 工具包中的网格资源分配管理器g r a m ( g r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o n m a n a g e r ) c 3 1 】代表了第一代网格资源管理系统。g r a m 采用了等级命名空间，分 层的资源管理框架，使用资源描述语言r s l 的可扩展模板，提供软件q o s ，使 用l d a p 网格目录存储，分布式查询的资源发现，并使用周期性推广模式进行 广播：在资源调度上采用分级调度，通过与本地资源管理交互完成资源分配。 2 ，基于代理的网格资源管理方法中，允许代理来控制查询机制，使资源发 现决策基于它自己的内部逻辑，而不是依赖于固定功能的查询引擎。文献【3 2 】提 出一种基于移动代理的网格计算资源管理模型，系统包括元计算目录服务模块、 网格资源动态分配模块和网格资源自适应监控三大模块。 3 、基于经济学的方案是将经济学的概念引入到资源管理中，强调以市场竞 争为基础的资源管理和分配，利用供求关系对资源所有者和使用者进行调节，以 保证双方都获得最大利益。文献【3 3 提出了基于经济学的资源管理模型，如图l - 2 所示： 叵 至 至口 图卜2 基于经济的资源管理模型 其中网格服务提供者g s p ( g r i ds e r v i c e p r o v i d e r s ) 和网格资源代理g r b ( g r i d r e s o u r c eb r o k e r ) 是市场经济模型中的两个关键角色，g s p 相当于传统资源管理 模型中的生产者，g r b 相当于消费者。消费者通过和自己的g r b 交互进行管理 和调度；g s p 通过运行诸如g l o b u s 、l e g i o n 之间的中间件提供资源，并通过g t s ( g r i dt r a d i n gs e r v i c e s ) 进行资源交易和执行消费者通过g r b 传递来的资源请 求。在建立交易价格期间，g r b 和g s p 之间的交互通过g m d ( g r i dm a r k e t d i r e c t o r y ) 仲裁。 4 、基于w s r f 的网格资源管理系统。如图1 3 所示为制造网格资源管理系 统( m g r m s ) 结构酬蚓。系统包括制造网格信息服务( m gi n f o r m a t i o ns e r v i c e ， m g i s ) 、资源管理b r o k e r ( r e s o u r c em a n a g e m e n tb r o k e r ) 和制造网格资源 ( m g r e s o u r c e ) - - - 个模块，制造网格资源是将物理的制造资源封装在制造网格中 上海大学硕士学位论文 的模型，它具有标准的结构与调用规范。制造网格信息服务负责在制造网格中获 取、发送、索引、存档和其他与资源属性状态信息相关的处理，实现y $ t j 造网 格中资源信息的动态聚合与发布。资源管理b r o k e r 负责控制整个协同制造过程 的进行，它是用户在制造网格中的“代理人”，负责监控其提交的制造任务的执 行过程。 囤匣囤 i 竺塑竺ll 竺兰翌l 竺兰垂 图卜3 基于w s r f 的网格资源管理系统 通过对网格资源管理的研究不难发现，由于网格环境中所使用的资源往往是 动态的，因而资源发现是资源管理需要解决的一个重要问题，资源发现需要使用 服务提供方提供的资源共享信息和服务使用方的需求信息，而动态地收集处理各 种资源的状态信息是资源管理的基础。 1 3 课题的研究目的及意义 制造网格的应用为最终实现网络虚拟环境上的资源广泛共享和协同工作， 为产品全生命周期内各个阶段相关设计制造资源和智力知识等信息的集成提供 了有效的思路，为企业实施先进制造技术提供了开放的、易维护的、可重构的应 用开发与系统运行的集成支持服务平台。而要实现资源共享的前提条件就是要找 到资源，亦即资源发现，资源发现不但对于制造网格本身来说具有非常重要的意 义，而且也是制造资源管理的重要内容。其功能的强弱直接决定了制造网格的使 用效率和友好程度。 资源发现机制是关系到广域分布式环境中资源共享和协同工作效率的关键， 在网格技术、w e b 服务和p 2 p 技术中，都在对这个问题进行深入研究。与网格 环境中的资源相比，制造网格中的资源更具有高度复杂性、特殊性和分散性，以 及制造任务的多样性，由于目前对于资源发现的研究大多集中在网格计算领域， 而且普遍存在着资源发现效率不高，不支持语义，以及缺乏灵活性等特点。作者 9 上海大学硕士学位论文 在国内外相关文献充分研究和分析的基础上，提出一种。基于服务组合的制造网 格资源发现系统”，目的在于利用网格开放的思想和理念，以及w e b 服务社区的 最新研究成果，为共享的分布、异构的制造网格资源寻求一种有效的资源发现策 略，为制造网格平台提供相应的功能和服务。 1 4 论文的主要研究内容 随着网络化制造和制造业信息化的不断深入，以及网格技术的不断发展和完 善，尤其是随着g r i ds e r v i c e 与w e bs e r v i c e d 相互融合向w s r f 方向的发展，网 格在制造业的应用制造网格的研究已经越来越得到广泛的关注，并且已经取 得了一些重大的成果。 本文研究内容就是在这种时代背景下产生的。研究的主要目的是解决阻碍网 格技术在制造业应用的瓶颈问题，即：制造资源的发现问题。具体内容包括以下 几个方面： 分析了网格技术的最新技术规范w s r f 的服务机制、w e b 服务组合领域以及 资源发现的相关理论技术发展。w s r f 规范的推出使得网格社区与w e b 社区 进一步得到融合，根据此种研究思路，本文尝试把w e b 服务组合的理念应用 在制造网格领域中，提出了基于服务组合的制造网格资源发现框架。 一 服务组合器和组合服务的执行引擎是本文的重点研究内容，在服务组合器 中，提出了制造业中的类本体和属性本体，采用参数级本体构造的模式对实 现了m g r e s o u r c e 的w e b 服务进行建模，从而消除了建模过程中存在的语 义冲突问题。利用无回溯反向链组合算法对服务进行组合，保证了服务组合 的效率。通过自动转换算法w t o p 使组合服务方案自动转换成可执行的代码 b p e l 4 w s 并且部署在组合服务执行引擎上。 最后，本文对基于服务组合的制造网格资源发现系统进行了开发和实现，并 将其应用机床制造业领域，通过实际应用验证系统的合理性和可行性。 1 0 上海大学硕士学位论文 第二章制造网格资源发现系统框架 制造网格中的资源发现系统是一个基于网格技术的、与平台无关的软件系 统，它以最新发布的开放式网格框架w s r e s o u r c e 框架( w s r f ) 为基础，以服务 组合等资源发现方法为手段，在整个制造网格范围内实现了制造资源的共享，能 够满足在整个制造网格中进行协同制造时对制造资源的发现需求。 本章首先分析了资源发现在制造网格中的作用以及资源发现的必要性，介绍 了相关理论技术，并在此基础上提出了制造网格资源发现系统框架。 2 1 资源发现在制造网格中的作用 资源发现是资源管理系统的重要组成之一。资源管理是m g 的核心问题， 它包括资源的建模、调度、发现、分配、认证以及准备所需资源的其它活动。资 源管理提供了管理的功能和概念，系统管理员根据预先定义好的标准通过资源管 理软件确保资源的合理分配和使用，以最终达到资源共享的目的。在资源管理中， 面l 临着有认证、授权、资源访问、资源发现及资源调度等挑战。 如图2 - 1 所示为制造网格中基于q o s 的资源管理结构【”l ，从图中可以看出 制造网格管理系统由五部分组成： 图2 1 基于0 0 s 的资源管理结构 制造网格全局资源管理器( g r mb r o k e r ) ：接收用户提交的任务，将任务根 据其特点和要求进行宏观分析、分解和规划，将整个制造任务分解成若干个 上海大学硕士学位论文 子任务或活动，并在系统能力平衡的基础上，确定完成各个活动的资源节点。 同时，利用制造网格服务质量管理( m g o o s ) 对选定的资源进行预留，并 将形成的工作流提交给m g 工作流管理器。 制造网格服务质量管理( m g q o s ) ：主要包括服务等级协议s l a 的管理， 资源预留，以及提供q o s 策略的管理。 制造网格信息服务( m g i s ) ：m g i s 作为制造网格的注册中心，其主要功能 是提供资源搜索发现、资源状态查询、资源权限控制等功能，包括资源的注 册、索引、聚集、订阅、监控、查询和显示。 制造网格工作流管理器：建立一系列的业务规则，实现业务流程的自动化， 在适当的时间将适当的文档、信息或任务发送给适当的资源节点，并协调、 监控任务的实际运行过程。 局部资源管理器：主要处理局部资源节点的任务管理、信息管理、安全管理 和通知机制。将平台中的任务转换为本地资源需要的任务类型，将任务的完 成情况提交或通知工作流管理器，周期更新m g i s 中有关该资源的信息，同 时进行用户的权限控制。 m g 的目标是实现资源的共享和协同工作，为了实现这一目标，需要多个制 造网格中间件的相互配合，包括资源发现、资源匹配、资源监控、任务调度等机 制。如图2 2 所示为制造网格中任务协同中的作用【3 5 1 。 崾傩寸拜7l 7 雌勰酲瑕 图2 - 2 资源发现在任务协同中的作用 制造网格全局管理器( g r mb r o k e r ) 中包括任务分解与规划器、制造网格 资源调度器以及容错处理器。由任务分解与规划器接收用户提交的任务，对任务 进行分析和分解，将任务分解为一系列并行或串行的简单、基本和功能单一的子 上海大学硕士学位论文 任务活动，并确定各活动需要的资源类型和相互之间的关系；然后以活动的类 型、时序关系和约束值为边界条件，以m g i s 中注册的该资源为候选集，以某种 资源发现机制搜索到匹配符合活动要求条件的资源，并根据资源的动态信息进行 初步的筛选，获得资源列表；考虑到资源信息的动态变化以及资源信息某些时候 不能同步更新，由资源发现所得到的资源集合并不能确定为最终进行了协同完成 用户任务的资源，因此还需要对获得的资源列表进行进一步选择和匹配，从列表 中选择最优或近优的资源；通过相应的资源匹配后，最终结果提交给制造网格资 源调度器进行任务协同。 为了及时响应并处理资源运行过程中出现的异常状况，确保用户的任务按 时，按质，按量完成，容错处理器需要实时接收工作流中关于资源工作状态的信 息，并对资源的异常状况进行分析和处理，一旦需要更换资源，则记录当前的所 有信息，包括资源本身的信息和在资源上运行的任务进度、完成情况等，并提交 给m g i s ，选择新的资源。在资源完成任务过程中，局部管理器实时监控资源的 运行状态，根据要求反馈任务完成状况，如发生异常，则会把信息提交给制造网 格工作流管理器。容错处理器以及资源监控的正常动作同样需要资源发现机制提 供的资源信息。 m g - q o s 模块提供了制造网格资源预留功能，资源预留用来实现对资源的保 证存取或对多个资源的并发存取。请求翻译器把预留请求传递给维护资源预置数 据库的预留功能构件，一般的资源预留模式都使用应用主动寻找资源信息的机 制，即资源发现。 综上所述，资源发现作为m g 中间件之一，为资源匹配、资源调度、资源 监控等其他中间件提供了工作数据来源，在整个m g 工作过程中担任了非常重 要的角色。 2 2 相关理论技术 2 2 1w s r f 与m g - r e s o u r c e l 、w s r f 2 0 0 4 年初提出的w s r f t 3 6 1 ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ) 结构，是表 示有状态资源和w e b 服务之间关系的一种新方法，是网格技术与w e b 服务相 结合的具体体现，也是网格技术发展史上的一座里程碑。 传统的网格体系结构是基于o g s a o g s i 来实现的，但是o g s i 自身存在着 若干缺点和不足，对网格技术的进一步发展形成了一定程度的阻碍，其主要缺点 上海大学硕士学位论文 表现在： o g s i 的规范和说明相当繁琐，定义中规定了太多的混杂材料，没有清晰的功 能划分，以支持后期的扩充和发展。 o g s i 在使用上和现有的w 曲