（机械制造及其自动化专业论文）基于ontology的制造数据网格研究.pdf

海人学硕士学位论文 摘要 作为网格技术在传统制造业的应用研究，本论文在研究网格技术和 o n t o l o g y 技术的基础上，以制造网格为基础，提出了基于o n t o l o g y 的制造数据 网格平台，并对平台的设计和实现方法进行了详细的阐述，为解决在制造网格 中虚拟制造企业间和已有异构系统间资源和数据的共享和交换提供了一个解决 方案。 本文首先对制造数据、制造资源的定义和制造数据网格进行了研究，并提 出制造数据网格四层模型；然后，全面研究探索了本体的理论与方法，阐述了 本体的起源、概念、类型和作用，探讨了本体的相关理论和主要技术方法。对 6 种本体构建方法、7 种本体表示语言和3 种常见的本体编辑工具进行了系统的 阐述和比较研究。接着，将o n t o l o g y 这一新技术与网格技术结合引入制造领域， 指出制造数据网格中引入o n t o l o g y 的必要性，并将制造数据网格的本体应用分 为两类( 领域本体、应用本体) ；最后，以s a pr 3 、线束c a d 数据及线束设 备数据采集器封装为例，验证了在制造数据网格机制下异构平台系统按照统一 交换标准进行数据交换的可行性，验证了课题解决方案。并在上述应用中具体 给出本体的应用实例，验证了本体在制造数据网格环境下应用必要性的结论。 本文对原理和具体的实现进行了详细的阐述，验证了0 n t o l o g y 在制造数据 网格中应用的可行性。虽然在某些方面还存在不足，但随着项目的继续发展和 课题组不断深入的研究，将会使系统更加完善。 关键词：制造数据网格、本体、线束、o w l v 海人学聊l 学位论文 a b s t r a c t a sa na p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt r a n d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yw i t h 鲥d t e c h n o l o g y , o nt h eb a s i so fg r i dt e c h n o l o g i e sa n do n t o l o g yt e c h n o l o g i e s ，t h i st h e s i s c o m e su pw i t hm a n u f a c t u r i n gd a t ag r i db a s e do n t o l o g yf o rp r o d u c td a t aa n d e x p a t i a t e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ep l a t f o r m t h ep a p e r sp u r p o s ei s t op r o v i d eas o l u t i o nf o rs h a r i n ga n de x c h a n g eo fh e t e r o g e n o u sr e s o u r c e sa n dd a t u m i nv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa n dh e t e g e n o u ss y s t e m s f i r s t l y , t h ep a p e r w o r k so v e rt h ed e f i n i t i o no fm a n u f a c t u r i n gd a t aa n d m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ea n dt h es t u d yo fm a n u f a c t u r i n gd a t ag r i d ；s e c o n d l y , w e d e s c r i b e dt h eo n t o l o g i c a lt h e o r ya n dm e t h o dd e s c r i b e ds y s t e m a t i c a u yo nt h eb a s i so f i n t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no fl a r g en u m b e ro fd o c u m e n t sa n dw e bp a g e so no n t o l o g y l e a r n i n gi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo r i g i n ，d e f i n i t i o n ，t y p ea n dr o l eo fo n t o l o g yh a v e b e e nd e s c r i b e d t h ec o m p a r i s o n sh a v eb e e nm a d ea m o n gs i xm e t h o d so fb u i l d i n g o n t o l o g y , s e v e no n t o l o g ys p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e s ，a n d t h r e e t o o l sf o re d i t i n g o n t o l o g y ；t h i r d l y , w ei m p o r t e dt h en e wo n t o l o g yt e c h n o l o g yi n t om a n u f a c t u r i n g d o m a i n ，b r o u g h to u tt h e t h ee s s e n t i a l f o r t h e i m p o r t i n go fo n t o l o g y i n t o m a n u f a c t u r i n gd a t ag i r da n dc l a s s i f i e dt h eo n t o l o g yi n t od o m a i no n t o l o g ya n d a p p l i c a t i o no n t o l o g y ；f i n a l l y , t h ed a t ac o l l e c t i o n so fs a pr 3 ，w i r eh a r n e s sc a d d a t aa n dw i r eh a r n e s se q u i p m e n th a sb e e nf i r s t l yb u i l ti nf e i l oc o m p a n yi no r d e rt o v a l i d a t et h ep o s s i b i l i t yo fd a t ae x c h a n g eb a s e du n i f i c a t i o ne x c h a n g es t a n d a r di n m a n u f a c t u r i n gd a t ag r i da n dv a l i d a t et h es o l u t i o no f o u rr e s e a r c ht e a m t h ea r t i c l et h o r o u g h l yd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n dc o n c r e t er e a l i z a t i o n ，t h e n v a l i d a t e st h ep o s s i b i l i t yo fo n t o l o g y sa p p l i c a t i o ni nm a n u f a c t u r i n gd a t ag r i d a d m i t t e d l y , t h i ss y s t e mh a ss o l - f i ed e f i c i e n c y b u ti nv i r t u eo fc o n t i n u o u sd e v e l o p a n dp r o f o u n dr e s e a r c ho fp r o j e c t ，t h es y s t e mw i l lb e c o m ep e r f e c t k e y w o r d s ：m d g 、o n t o l o g y 、w i r i n gh a r n e s s 、o w l v 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，沦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：盈丛日期： 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，即： 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此规定) 签名：导师签名：期： l 海大学碗 一学位论文 第一章绪论 制造业是国民经济的基础工业部门，关系着一个国家的国计民生，所以从 某种程度上来说，制造业决定着一个国家的经济发展水平，也成为衡量一个国 家技术水平的重要标志之一“1 。时间进入2 l 世纪，随着知识经济的挑战、全 球化浪潮的冲击、高速发展的高科技的推动，全球化的信息基础设施日新月异， 用户化驱动的市场更是变幻莫测，制造业的制造环境正在发生根本性的变化， 在很大程度上突破了陈旧的离散性的生产模式。 1 1 课题研究背景 1 1 1 先进制造技术的发展 在当今整个世界范围内出现了全球信息化和经济全球化的发展态势。全球 信息化的浪潮，正在推动世界从传统的工业社会向现代信息社会发展，信息化 的发展程度已经成为衡量一个国家和地区国际竞争力、现代化程度、综合国力 和经济增长能力的重要标志。同时，经济全球化为我们提供了可以在全球范围 内进行资源最优化配置的条件，要求企业必须按照全球范围内的最低成本、最 佳质量、最好服务、最短时间的标准来经营自己，才能在全球化的竞争中立于 不败之地。随着信息时代的来临、知识经济的挑战、全球化浪潮的冲击、网络 经济的影响、高速发展的高科技的推动、新思想、新技术的不断涌现，现代制 造业正在向如下趋势发展： 1 ) 市场的多样化和个性化。技术革命改变了传统的生产方式和生活方式，主 要表现为市场的多样化、分散化和个性化，产品的内涵从单一的满足发展 到为用户提供全面解决方案。 2 ) 制造业的全球化发展。制造业的资源配置由一国范围扩大到世界范围，制 造业正向生产全球化、销售全球化、融资全球化、服务全球化和研发全球 化方向发展。 3 ) 产业高技术化。制造业向智能化、网络化、虚拟化、敏捷化、清洁化和集 成化等方向发展。 。海人学顾十学位论文 4 ) 制造业的集群化发展。在全球经济中，一国制造欲获得竞争优势，仅靠本 国的企业是不够的，更需要扎根于全球的中小企业集群，集群发展是现代 制造业提升国际竞争力的重要手段。 5 ) 制造业的服务化。今天的制造业所考虑的绝不只是产品设计和制造，而应 包括从市场调研开始到售后服务直到产品报废回收的全过程，体现全方位 为顾客服务。 6 ) 重视发展制造业技术，全面提高基础零部件技术水平。零部件、元器件是 制造业发展的重要领域，没有一个强大的零部件产业的存在，制造业就难 以发展。 7 ) 制造业可持续发展。制造业所提供的产品必须具有全生命周期无污染、资 源低耗及可回收、可重用特征，它涉及到环境、社会、经济综合性等问题。 8 ) 世界制造业调整和转移规模加大。随着经济全球化趋势越来越强劲，发达 国家由于劳动力成本不断上涨，不得不放弃传统产业，专心从事高科技、 金融、服务业发展，而发展中国家利用自己廉价劳动力的优势，接纳发达 国家产业的转移，加快经济的发展。 在这种经济全球化、全球信息化以及我国加入世界贸易组织( w t o ) 的 新形势下，利用信息技术与计算机网络技术，特别是突飞猛进发展的 i n t e m e t e x t r a n e t i n t r a n e t 技术，改造现有的制造模式，已成为各国制造业研究 的主要内容。现代集成制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 、 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 、 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、智能制造( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) 、绿 色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 、网络化制造( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ) 等， 都是在这种时代背景下，为适应不断变化的市场，满足客户日益个性化、多样 化的需求而逐步发展起来的。 对于制造网格而言，其可以看作是网络化制造、虚拟制造、敏捷制造等先 进制造模式在网格技术环境下的变异和发展，制造网格继承了先进制造模式的 优势，同时又结合网格技术的特点，弥补了现存的缺陷和不足。我们认为网络 化制造与制造网格有许多相似的地方，研究的重点都是计算机技术与制造技术 海大学颂一l ：学位论义 的结合，但他们的最大差别并不仅仅是采用了不同的工具，而是在于：在计算 机架构体系与制造架构体系之间，网络化制造强调的是计算机技术怎样满足制 造业复杂的、特殊的需求；而制造网格强调的是先进计算机技术与理念对传统 制造技术与理念的规范化改造。 1 1 2 先进信息技术的发展 在互联网广泛应用于电子商务并经历波澜起伏向前不断发展的今天，在与 高性能计算有关的科学合作领域，正在涌现出另一个具有划时代的新生事物一 网格( g r i d ) 14 1 0 网格的出现，掀起继传统互联n l ( i n t e m e t ) 、万维网( w w w ) 之后 的第三次浪潮，并将为信息产业带来无限商机。 美国阿( a r g o n n e ) 家实验室的资深科学家、美国网格计算项目的领导 人，伊安福斯特( i a nf o s t e r ) 这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴 技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融 为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主 要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多更强，让人 们透明地使用计算、存储等其它资源。由此可见，实际上传统互联网实现了计 算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源 的全面连通。它要把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、 存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源的全面共享。互联网的 第三次浪潮的实质，就是要将万维n ( w o r l dw i d ew e b ) 升华为网格。 网格作为下一代的i n t e m e t ，其特点在于：网格的计算环境要求不影响各节 点本地的管理和自主性，不改变原有的操作系统、网络协议和服务，保证用户 和远程节点的安全性，允许远程节点选择加入或退出系统，尽量使用己存在的 标准的技术以便和已有应用兼容，并能提供可靠的容错机制。 综上，在网络化制造快速发展的今天，尤其是制造网格这样一种全新的制 造模式环境下，各个制造网格节点以动态联盟成员的身份进行着频繁的数据交 换，因此必须采用新的数据交换方式，以独立服务的形式提供给制造网格中的 用户使用。 匕海大学硕1 j 学位论文 1 1 3 本体国内外研究现状 上世纪7 0 墙。年代信息科学特别是计算机科学开始了对自然世界认知的形 式化的表示，即是可被计算机表示，解释和利用的知识的形式化的研究，即本 体。目前国外的研究主要有：c y c 是位于美国德州奥斯汀的m c c 公司的研究 项目“”，其目的是通过本体开发为常识推理( c o m m o ns e l l s er e a s o n i n g ) 提供基 础：t o v e ( t o r o n t ov i r t u a le n t e r p r i s e ) 是加拿大多伦多大学的研究项目，其目的 是构造企业本体 4 s l ；k a c t u s 是欧洲e s p r i t 项目。其目的是开发出技术系统 全生命周期的知识重用方法学，以便在设计、诊断、操作、维护、再设计和培 训时使用同一知识库1 4 9 1g u a r i n o 是意大利帕多瓦大学l a d s e b c n r ( i n s t i t u t e f o rs y s t e m s t h e o r ya n d b i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g ) 的高级研究员。他分析总结了本 体及相关概念的含义，提出了“本体层”的概念，研究了表示本体的本体约定， 并探索了本体在物理对象、s t e p 语义方面的应用1 5 0 | 具有重要的参考价值。 国内研究主要有：浙江大学将本体技术应用在制造企业知识管理中15 1 1 浙江工 业大学研究基于本体的机械产品领域智能信息检索方法“：西安交通大学将本 体应用在制造企业产品知识建模研究等 s z l 。综上所述目前对本体的研究主要侧 重理论研究，在制造业的研究较少，并且在制造业的应用主要侧重知识管理与 智能检索，针对跨制造业交叉学科的应用研究较少。将本体引入制造网格领域 的研究几乎还是空白，本论文是将本体引入制造数据网格领域，并初步规划了 线束设备、线束设计c a d 、线束数据规范本体。 1 2 课题来源和本论文研究的目的与意义 1 2 1 课题来源 本论文基于以下三个课题： 上海市科委重点攻关项目“基于s m v p n 的公共技术和服务平台系统 建立及其在快速制造中的应用”。( 2 0 0 2 年) 上海市教委网格e 研究院“上海高校网格制造网格应用及其相关中问 件的研制”项目，项目编号：2 0 0 3 0 2 ；( 2 0 0 3 年) 上海大学与上海飞乐股份有限公司产学研：汽车线束全自动双端压接 f ：海人学硕j ：学位论文 机控制系统开发。( 2 0 0 5 年) 1 2 2 课题研究的目的与意义 当前，产品制造、销售的全球网络正在逐步形成，现代制造业正在向全球 化、标准化、数字化、虚拟化、丌放化的方向发展，网络化制造、虚拟制造、 动态联盟、绿色制造、敏捷制造已成为业界熟知的术语和制造模式。通过分析 不难发现，这些制造模式采用不同的技术，实现相同的功能，达到相同的目的： 以某一市场机遇或需求为驱动，通过不同企业间在技术、设备、人员等方面的 合作，充分利用现有制造资源，达到制造资源的共享和技术资源的优势互补， 实现快速响应市场和降低制造成本的双重目标。 制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) “1 的概念就是在这种时代背景下提出 的，该平台以现有的制造业信息化技术和手段为基础，充分利用网格技术开放 的体系框架、通用的标准和规范、统一的开发平台和工具，致力于为制造业建 立一种通用的、标准的和规范的网络化制造模式。该模式的实现不仅能够达到 资源共享、协同工作、降低制造成本、提高资源利用率、加快产品上市时间的 目的，同时又具有极大的柔性和开放性，可以扩展到世界的每一个角落，覆盖 所有的现代制造资源和制造系统，并最终形成全球制造网格。 本论文研究的意义就在于不仅从理论上分析制造数据网格出现的必然性和 发展前景的广阔性，结合制造网格的特点提出制造数据网格原型，而且提出本 体在制造数据网格领域的应用这一全新课题，因此本课题具有重要的理论意义 和推广应用价值，具体表现在以下几个方面： 1 突破了网格技术的应用领域，将网格技术从以往的大规模科学计算，转而应 用到制造业领域。并在对制造网格分析的基础上，提出制造数据网格的概念， 丰富了制造网格的内涵。 2 提出了制造数据网格原型方案，并且在飞乐公司提出应用建议，来验证制造 数据网格的可行性。并对企业信息化工具e r p ( s a pr 3 ) 、c a d 以及设备 数据采集器进行封装，验证采用统一接口包装制造网格中数据资源可行性。 3 保证了创新性与实用性同步。制造网格技术是一个新生事务，其思想、体系 海人学硕i - 学位论文 结构和工具均处在不断发展完善中，本体技术目前也主要集中在理论研究， 将制造网格技术与本体技术结合起来应用于制造业是一种尝试，为制造业的 发展提供了崭新的思维方式。但同时，我们又必须密切结合制造业的实际情 况，通过具体应用( 飞乐制造数据网格设想实例) 确保研究成果的实用价值。 4 推动了相关技术的研究，应用和发展。作为制造业信息化的一个子课题，本 课题的研究成果必将对其它相关研究具有借鉴意义，推动网络化制造、虚拟 制造、绿色制造等制造模式的发展。 1 - 3 本论文的研究内容 本文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 造网格环境下制造数据的管理问题，并充分考虑制造业本身特色及非技术因素 的影响和制约，引入较新的o n t o l o g y 技术，分析制造数据网格引入本体的必要 性，通过实际应用验证系统的合理性和可行性。本文将对以下几方面内容进行 研究： ( 1 ) 分析了现代制造业面临的制造环境和发展趋势，分析了网络化制造研 究现状，将制造网格定位于网络化制造的新发展，说明了本课题研究的 目的意义和内容。 ( 2 ) 建立了必要的标准和规范。制造业信息化的方法、技术、手段之所以 多种多样，不能统一，关键在于缺少标准和规范。制造数据网格要建设 成为一个统一的、开放的数据集成和交换平台，不可避免地要制定能被 业界接受并且乐于采用的标准或规范，如数据格式规范、数据传输规范、 数据转换器规范等等。 ( 3 ) 分析了制造数据、制造资源，提出t n 造数据网格的概念及模型。 ( 4 ) 将制造数据网格原型设想应用在飞乐集团，并对该实例环境下，具有代 表性的三个网格资源节点s a pr 3 、线束c a d 系统和线束设备数据 采集器的封装进行了研究，为整个制造数据网格系统资源封装做出 尝试。根据需求分别创建了资源映射本体、汽车线束本体和线束设 备传输格式规范本体，规范实例中线束数据，使制造数据的处理更 【：海大学硕：七学位论文 方便、更简单。 ( 5 ) 总结本文研究结论，并提出进一步研究方向。 1 4 章节安排 如图1 - 1 所示本文的总体框如下 图1 - 1 论文章节安排 从图中可以看出，本文共分七章： 第一章：分析课题的研究背景，阐述课题研究的目的及意义。 第二章：介绍制造数据、制造资源、制造数据网格的概念，并提出制造数 据网格原型系统平台。 第三章：介绍了o n t o l o g y 相关理论及其建模方法。 第四章：提出制造数据网格引入本体的必要性，对制造数据网格本体进行 分类，并给你具体构建实例。 第五章：结合具体实例，对提出的基于o n t o l o g y 的制造数据网格平台进行 验证。 第六章：总结课题研究的主要成果，并提出进一步研究方向。 1 5 本章小结 本章分析了课题研究的背景和意义，阐述了课题研究的主要内容，并对相 关技术基础进行了介绍。最后，说明了论文的主要研究内容和章节安排。 j ：海人学硕上学位论文 第二章制造资源与制造数据网格 现今企业对于产品数据的集成要求越来越高，企业内部要求数据透明共享， 同时将这种共享的需求扩展至了企业联盟间。传统的刚性的系统结构无法满足 此类动态多变的环境。本章主要介绍有制造数据网格相关的一些概念，随后提 出制造数据网格的原型，最后对制造数据网格四层结构进行详细分析。 2 1 制造数据 一般来说，制造数据指各种与制造活动有关的数据。制造过程是非结构化 的，在制造网格中，为t n 用计算机技术进行制造过程的管理，首先必须将制造数 据结构化，将制造的对象：产品、各种零组件、采购件和外包外协件的属性用 计笋机能够识别的数字、符号来描述。同样，对制造过程和约束制造过程的制 造环境也必须完成这种数字化表达。所有这些描述制造对象和制造过程的数字 和符号的集合就是通常所说的制造数据。这个过程就是通常实施制造信息化数 据准备的第一步数据收集和编码过程。产品和组成它的零组件之间、每个 零组件和它的加工或装配过程之间、制造过程和与其关联的资源之间都存在着 内在的或按有效制造和装配的安排而形成的逻辑关系。“结构”就是用来表达 制造数据相互关系的。没有结构，即组织得不好的数据是无法或难以为信息化 所利用的。因此完整的“制造数据结构”包括： 产品的数字化表达和产品组成之间的相互关系的描述： 制造过程( 步骤) 的数字化表达和每个制造步骤之间的相互关系的描述： 制造环境，包括生产组织、设备、工具及其布置、以及它们与每个制造过 程的关系的数字化描述。 显然，制造数据结构与软件数据库的数据结构并不是一回事，后者是前者 在数据库系统中的实现“”。因为制造数据结构包括制造对象、制造过程和制造 环境及约束等几乎所有的重要数据，使制造数据结构成为设计和实施一切数字 化制造系统的基础。所以实施信息化企业的数据准备不单单是数据的收集和录 入，而构建好的制造数据的结构才是数据准备的关键。好的制造数据结构首先 是由信息系统本身保证的，信息软件提供制造数据结构的框架，如同房屋构架 【海大学颂卜学位论义 一样。信息软件设计在很大程度上决定了制造数据结构的优劣。另外，制造数 据结构也取决与应用企业的数据组织，如同房间内部的装饰和布置。完整、正 确、方便的数据结构最终是与应用企业对制造数据结构的理解、经验直接相关。 2 2 制造资源 2 2 1 网格资源及其分类 网格资源指所有能够通过网格远程使用的实体，它是网格中所有可以被主 体请求使用的实体的总称。网格资源包括计算机软件、计算机硬件、仪器和设 备、人力资源等。人力资源包括人的知识、能力等多种因素，是网格上最具有 伸缩性的资源。资源所有者可能向其他使用资源的人收费。资源可共享或独占。 资源可被清晰地定义，或用参数描述。网格资源的种类很多，功能差异也很大。 可以从不同的角度将网格资源分成不同的类别，笔者认为网格资源至少可以分 为一下几类： l 、根据资源能否移动的特性可将资源分为可移动资源和不可移动资源。可 移动资源包括数据、程序、代码等，它们可以从网格中的一个位置移动到另一 个位置。不可移动资源是硬件、设备等不使用机械力量，仅仅使用网格的命令、 操作等无法移动的资源。 2 、根据资源是否可重复使用的特性可将资源分为可重复使用的资源和不可 重复使用的资源。可以被多次使用的资源是可重复使用的资源，如内存、存储 介质等是可重复使用的资源，一个用户使用之后别人还可以继续使用它们。不 可重复使用的资源是计算周期、通信带宽等资源，这种资源一旦被一个用户使 用，将会消耗掉它，别人不能再使用了。 3 、根据资源是否可复制的特性可将网格资源分为可复制资源和不可复制 资源，可复制资源可以通过指令或服务请求，把一份资源变成多份，用同一个 名字或相同的属性访问该类资源，可以找到多个相同的物理实体。网格上的数 据、应用程序、服务等是可复制资源。不可复制资源不能通过指令或服务请求 产生副本，设备、仪器属于不可复制资源。 网格允许一个应用程序或用户根据自己的需要使用网格资源，而不需要知 海人学坝i ：学位论文 道所用资源的物理位置。网格内的资源由不同的组织、团体、个人所拥有，不 同的节点使用不同的资源管理系统，使用相同管理系统的节点之间也可能因为 配置的不同而存在很大差异。网格上的应用遍及所有的研究和生活领域，不同 应用都有自己的特点，网格资源管理策略必须支持不同网格应用具有不同特点 这一特性。有的应用需要联合使用网格内多个节点的资源，需要网格具有资源 聚合能力。 2 2 2 制造资源的含义 制造是人类按照所需目的、运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可 以利用的客观物质工具，采用有效的方法，将原材料转化为最终物质产品、并 投放市场的全过程。因此，制造不是指单纯的加工过程，而要包括市场调研和 预测、产品设计、选材和工艺设计、生产加工、质量保证、生产过程管理、营 销、售后服务等产品生命周期内的一系列相互联系的活动。而制造资源是企业 完成产品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称，贯穿产品生产全过程。 对制造资源的定义和分类分为广义制造资源和狭义制造资源“”。从广义上 讲，制造资源是对企业中的设备、材料、人员、以及产品生命周期所涉及的硬 件、软件的总称。根据企业层次管理的结构形式，制造资源可抽象为工厂层、 车间层、制造单元层和设备层等，如图2 1 所示，每个层次所代表的制造资源 都具有一定的属性和功能。企业层完成企业经营决策和生产管理；车间层执行 生产任务调配和任务协调；单元层完成单元任务调度与监控：工作站层完成设 备控制与动作协调；设备层执行加工、传输和测量。 狭义制造资源是指加工一个零件所需要的物质元素，是面向c i m s 、c a p p 、 图2 - 1 广义制造资源图2 - 2 狭义制造资源 卜海大学硕l 学位论文 n c 等系统所需的底层制造资源，即车间层以及车间内设备层的制造资源，主 要包括机床、刀具、夹具、量具和材料等，如图2 2 所示。 如上所述，广义制造资源是面向更高层次应用的制造资源，即是面向虚拟 制造和敏捷制造的信息要求的，而狭义制造资源是广义制造资源的子类。在制 造网格环境下，指广义制造资源，除制造产能资源外，包括全部与大制造有关的制 造要素。即，无论是企业、车问、设备、软件、信息还是人员，只要能提供一 定的功能，实现一定的制造要求，都可以作为一个资源节点参与到制造网格中。 2 2 3 制造资源的分类 狭义的制造指加工工艺过程，在制造网格环境下，指大制造，它包括企业生 产经营的一切活动，所以制造资源贯穿产品生产的全过程。对制造资源的分类， 因为考虑的角度不同而存在不同的分类方法，下面简要介绍一些常见分类方法： ( 1 ) 将制造资源分为标准资源、设备资源、软件资源j i l l 。 ( 2 ) 将制造资源分为企业组织生产所必须的原材料、机床、刀具、夹具、 量具和切削环境等t t ? l o ( 3 ) 将制造资源分为企业资源、产品资源、基础数据、协调策略与知识、 商务信息、专业知识、其它资源“”。 ( 4 ) 将制造资源分为广义制造资源和广义制造资源。其中广义制造资源是 指：完成产品设计、制造和服务的整个产品生命周期中各种活动的物理抽象； 狭义制造资源是指制造产能资源。 ( 5 ) 将制造资源分为信息资源、服务资源“”。其中信息资源主要包括供应 商数据库、零部件库、设计软件库、硬件资源库、各种标准件库和工艺数据库 等；服务资源包括企业资源计划( e r p ) 、c a d c a m c a p p 、产品数据管理 ( p d m ) 、供应链管理( s c m ) 和客户关系管理( c r m ) 等制造业应用软件工 具和系统。 ( 6 ) 制造资源主要包括企业基本信息、产品信息、人才资源、技术资源( 、 设备资源、企业软硬件资源。 ( 7 ) 制造资源是指企业的设备、材料、人员与产品生命周期所涉及的硬件 l ：海大学颂十学位论文 和软件的总和。 ( 8 ) 制造业中资源按其需求可分为两部分：产品制造资源、企业服务资源。 其中产品制造信息包括产品资源和工艺资源。 ( 9 ) 将制造资源分为企业基本信息、产品信息、人才资源、技术资源、设 备资源、企业软硬件资源。 ( 1 0 ) 制造资源数据是企业各种制造资源的数字化描述，包括材料、机床设 备、工艺装备资源、工艺标准资源以及图文档资料等各种数字化信息是c a d 、 c a p p 、c a m 等多种系统的基础数据。 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， 制造资源贯穿产品生产全过程。随着计算机在制造业应用的深入，计算机集成 制造系统( e l m s ) 、并行工程( c e ) 、虚拟制造技术( v m t ) 、敏捷制造( a g ) 和制造 网格( m g ) 等技术的不断发展，制造资源的组织、管理、计划和控制以及制造 资源自身的约束等，都影响着生产规划、产品设计、过程设计和制造控制等环 节。在传统的制造模式下，企业制造资源模型是根据产品生产过程的各个阶段、 各个部门和各个计算机应用子系统对制造资源信息的需求而制定的，为各个子 系统所设计的制造资源数据库相互独立。其主要缺点表现在：缺乏统一、完整 的制造资源定义和表达，造成大量数据冗余：数据表示的不一致性导致系统之 间无法进行信息交换：制造数据多处存储，很费大量存储资源，且导致数据维 护与更新的困难。要获得企业生产过程的全局优化方案，必须建立起面向生产 全过程的集成化动态制造资源数据模型，以满足生产的各个阶段、各个企业、 各个部门和各个计算机应用子系统对制造资源信息的需求。 2 3 制造网格 2 3 1 制造网格的定义 网格技术是借鉴于电力网( p o w e rg r i d ) 的概念发展起来的，其最终目的是 希望用户在使用网格资源时，就如同现在使用电力一样方便，即只要你能够接 触到网格，就呵以根据自己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不 l 海人学硕l 学位论文 必关心资源与服务所在的具体位置“”。 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方面的工作；第二阶 段是一些早期的试验，时间大概从9 0 年代中期到晚期，出现了一些比较重要的 开刨性和奠基性的研究项目，比如i - w a y ，g l o b u s ，l e g i o n 等；从网格的定义 中可以看出，网格概念的核心是“资源( 包括服务) ”以及对“资源的使用”， 通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源”之上的种种限制，为使用 者提供一种前所未有的“高级服务”。这包括如下几个方面的含义“”：资源 的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理位置的用户都可以 通过网格利用该资源：资源的规范化，即通过将资源封装为服务，屏蔽了资 源的多样性和异构性，各种资源对用户都是透明的；资源的相互协调，即对 任何网格资源，在开放网格服务架构( o p e n g r i d s e r v i c e a r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 提供的一定规则的约束和管理下，都可以实现相互协作；资源的动态融合， 因为单个资源往往不能满足用户的要求，这时可以通过网格，将众多的资源集 中起来，动态形成虚拟组织，形成具有超级能力的虚拟资源。 制造网格是运用网格计算的标准和通用的协议，结合制造业的业务规则和 标准，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 同企业和社会群体( 包括高校、研究院所、专家、中介服务机构) 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( 这里的制造是指大 制造，包括企业生产经营的一切活动) ，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 封装在制造网络中的所有资源，实现各类资源的集成和优化运行，并为构建面 向企业协同制造特定需求的制造网络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，使基于制造网络支 撑环境运行的制造企业群体能够以低的成本和短的开发周期，制造出符合市场 需求的高质量产品。 海大学倾l 学位论文 2 3 2 制造网格提出的必然性与意义 制造企业通过彼此合作与竞争而形成的协同机制作为制造系统内部动力的 关键序参量，是制造系统沿正确轨道发展的根本保障“1 。然而，企业毕竟是独 立的个体，具有个体行为理性，以追求自身利益最大化为目标，因此，企业之 间不可避免地存在着多种博弈，并以不同形式的合作或竞争表现出来。同时， 由于企业的机会主义倾向，其总在自觉或不自觉地寻找一切机会或漏洞，采取 欺诈、违约或偷窃的方式以获得更多的利益。这些现象的存在在一定程度上阻 碍了制造系统自组织的发展进程。 制造网格的概念就是在这种时代背景下提出的。制造网格在制造业承担了 提供技术和服务平台的角色，为企业之间竞争与合作提供了良好的环境，在最 大程度上弥补了制造业现存的缺陷和不足，为制造系统自组织进化铺平了道路。 为顺应制造系统自组织发展趋势，有效防范企业的机会主义心理，促进良 性合作与竞争循环的形成，制造网格不仅充分体现制造业的现状，延续制造系 统的外部环境和演化途径，正确反映企业之间的关系，并以此为基础，实现了 企业间的资源共享和协同工作： 1 ) 制造网格尊重制造业的复杂性和多样性。组成制造网格的资源节点不仅可 以是独立的企业，或企业的某台设备，甚至还可以是企业的某种技术或管 理人员，是一种复杂的巨系统，其形成具有自下而上和自组织的特点。 2 ) 制造网格延续制造系统的演化方程。制造网格中也包括管理、技术、组织、 j f 资源和信息等子系统，也可表示为：竺刍= 一k e + a ( m ，t ，s ，r ，d + _ p ( f ) 3 1 0 口r 3 ) 制造网格是一种分布式扁平结构，资源节点之间的关系是平等的，如图1 l 一3 所示。这种分布式结构更符合制造业现状，正确反映企业之间的关系，适 应制造业自组织的发展趋势。 海大学硕i ：学位论文 图1 3 分布式结构 4 ) 制造网格更强调v o 的概念，资源之间的合作是临时的、动态的。在一定 时期，为赢得某种市场机遇，资源会建立v o 进行合作，任务完成后，v o 即告解体，而在其它时间，资源之间更多是一种竞争关系。 5 ) 制造网格更注重信息的透明性和公开性。在一种信息闭塞、信息不对称、 投机取巧的环境中，协同合作不可能实现。因此，制造网格提供多种信息 管理方式，促进分散信息的有序化，保证资源的高度自治和资源共享，使 资源之间形成平等的竞争关系。 6 ) 制造网格更重视制定宏观规则或规范。由于企业的独立性和自主性，企业 之间的合作不是行政命令的产物，而是通过共同遵守设计好的一系列共同 的、平等的“游戏规则”，并明确表示每个资源的“自身利益”和行为策 略来实现的。这些规则和规范又反过来催化、推动企业的竞争与合作，规 范企业在互动过程中的行为，使其朝着有利于自组织的方向发展。 网络化制造环境中的资源具有异构性、分布式的特点，虚拟企业是为赢得 某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，而动态集成不同组织或企业间的 优势资源，综合成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体。由此可见，网络 化制造是典型的网格问题，网格平台可以为网络化制造提供一个高效率的通用 协作平台。 与其它网络化制造平台相比，制造网格具有如下优点： 制造平台的标准化、模块化 网格中间件平台是采用系统的、开放的、标准的技术进行建设的，因此， 以o g s a 为建设思想，以网格中间件为核心建设的制造网格平台同样具有标准 化、模块化的特点，有良好的开放性、灵活性和扩展性。 制造过程的自动化、规范化 l 海大学硕卜学位论文 网络化制造虽然已经取得了一定的成果，但同时也存在着一定的缺陷和不 足，如没有通用的模式和体系结构作支撑，没有公认的标准和规范，而且采用 专用实现技术。以开放和标准的w e bs e r v i c e 为技术基础的制造网格，继承了 g l o b u s 的工作流调度机制，规范了网络化制造的过程和方法。 资源管理的虚拟化、动态化 资源管理一直是制造业信息化建设中的关键点和难点。在制造网格中，将 各种制造资源虚拟化“服务”，使得各种资源对用户是透明的。同时，与资源相 关的各种信自、和数据均保存在本地，仅将其g s hfg r i ds e r v i c eh a n d l e ) 注册 到信息服务中，可以动态增加或删除，实现了资源的分布式动态管理。 我们认为网络化制造与制造网格有许多相似的地方，研究的重点都是计算 机技术与制造技术的结合，但他们的最大差别并不仅仅是采用了不同的工具， 而是在于：在计算机架构体系与制造架构体系之间，网络化制造强调的是计算机 技术怎样满足制造业复杂的、特殊的需求；而制造网格强调的是先进计算机技 术与理念对传统制造技术与理念的规范化改造。 综上所述，网络化制造与制造网格即有联系又有区别，制造网格能够为网 络化制造提供一个通用平台，将形成网络化制造过程的标准或方法论。 2 4 制造数据网格 2 4 1 制造数据网格的定义 从上文分析中我们可以知道，制造网格需要有一个统一的体系结构从宏观 上将制造过程中所产生的各种数据进行统一管理与控制以支持制造网格的正常 运行，需要采用先进的信息管理手段支持团队的异地协作，保证制造数据的安 全、可控，并跟踪产品开发进度及适应数据的频繁修改等。 仅仅原始的点对点的网状交换模式应用于制造网格虚拟企业节点信息交换 是不能满足需求的。在制造网格的生产活动过程中，动态的，重复的，大量的 交换极需简化为简单的计算机操作，所以我们需要提供一种更高层次的交换机 制、交换模型和交换方法，以满足在新的环境中对于交换的更高的需求。 从实现的角度，简单的一个”制造网格”概念难以承担制造领域浩繁的复杂 内容，为此，我们进一步提出制造网格的划分设想，我们观点，制造网格( 如 卜海大学硕 ：学位论文 图2 4 所示) 至少可以分为制造服务网格、制造数据网格( m a n u f a t u r i n g d a t a g r i d ， 以下简称m d g ) 、制造知识网格三部分，本文重点是讨论m d g 部分。 我们提出m d g 的定义是：以现有的制造业信息化技术和手段