（机械电子工程专业论文）面向制造网格的制造资源封装机理的研究.pdf

摘要。 网格技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，是一个新出现的概念， 代表了一种先进的技术和基础设施，是继因特网之后又一次重大的科技进步。网 格实际上是继传统因特网、w e b 之后的第三个大浪潮，可以称之为第三代因特网。 它的目标是实现网络虚拟环境下的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛与 资源孤岛。在此基础上提出了制造网格的新概念，它利用网格技术、互联网或专 用网络将地理上广泛分布的各种制造资源互联在一起。 制造网格是以网络化制造为基础，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。网格的要害之处是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，并最终形成全球性的制造网格。由于网格技术在制造业方面的优 越性，工业发达国家迅速调整了科技策略，将制造网格作为重要的研究方向，纷 纷制定了制造技术发展计划，而这些计划最根本的目的首先就是要实现网格化制 造资源的封装。 制造资源描述是制造网格环境下资源协同共享、资源发现、资源存储、资源 的封装和搜索等的基础。本文具体研究目标及内容包括： ( 1 ) 本论文首先分析来自制造企业中的制造资源协同共享的重要性和需求 的迫切性，以及解决资源协同共享的困难及其挑战。 ( 2 ) 分析和学习了网格的体系结构一一五层沙漏结构和开放网格服务体系 结构( o g s a ) ，以及它的相关技术，具体地叙述了o g s a 。并分析了o g s a 两大支 撑技术，即g l o b u s 和w e bs e r v i c e 中的s o a p 、w s d l 、u d d i 技术； ( 3 ) 深刻分析了制造网格中的主要难点及主要的关键技术就是解决如何选 本论文获得国家自然科学基金资助项目( 5 0 4 7 5 0 4 7 ) ：广东省自然科学基金团队项目( 0 5 2 0 0 1 9 7 ) ：广 东省科技攻关项目( 2 0 0 5 a 1 0 4 0 5 0 0 1 ) ；广东工业大学博士基金资助 广东工业大学工学硕士学位论文 取、描述、表达制造网格资源这个问题。在本论文中，根据制造资源的定义、特 点的探讨、制造资源的具体分类模型、属性以及对制造资源描述的要求等提出了 基于s t e p x m l w s d l 的制造网格资源形式化描述来实现制造领域的资源的描 述，并通过一个具体的实例一一制造资源中的应用系统资源中的s o l i d w o r k s 进行 验证。 ( 4 ) 通过研究网格化制造系统的体系结构( g r i d e n a b l e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e ma r c h i t e c t u r e ) ，分析了对企业的制造资源进行网格化封装以形成网格服务， 以及网格服务的注册和发现问题，设计出基于网格服务的资源协同共享系统框架 和制造网格资源封装的实现，为最终解决制造资源最佳配置以及与流程控制等相 关问题奠定理论基础，为提高企业竞争力提供先进的切实可行的实现途径。 关键字：制造网格；开放网格服务体系( o g s a ) ；制造资源；资源描述；资源 封装；w e b 服务； a bs t r a c t g r i dc o m p u t i n g ，a ne m e r g i n gc o n c e p t i o ni sag r o w i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i t r e p r e s e n t sa na d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di n f r a s t r u c t u r e ，a n db e c o m e sa n o t h e rm a j o r s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa f t e ri n t e r n e t i ta i m st oa c h i e v er e s o u r c e s h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i v ew o r k i n gu n d e rt h e v i r t u a le n v i r o n m e n t b ot h a tt h e i n f o r m a t i o na n dr e s o u r c ei s l a n dc a nb ee l i m i n a t e d b a s e do ng r i dc o n c e p t i o n ，t h i s t h e s i sp u tf o r w a r dt h ec o n c e p t i o no fm a n u f a c t u r i n gg r i dw h i c hc a nu s eg r i d ，i n t e r n e t o rs p e c i a ln e t w o r k st ol i n kt h ew i d e 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 s m a n u f a c t u r i n gg r i d ，w h i c h i sb a s e do nn e t w o r k e n a b l e d m a n u f a c t u r i n g ， a d e q u a t e l y m a d eu s eo ft h eo p e n g r i ds y s t e mf r a m e w o r k - - o p e n g r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ( o g s a ) ，c o m m o n ，s t a n d a r d s ，n o r m a t i v ea n du n i f i e dp l a t f o r ma n dt o o l s ， i no r d e rt ob u i l dag e n e r i c ，n o r m a la n ds t a n d a r dm o d ei nn e t w o r km a n u f a c t u r i n gf o r m a n u f a c t u r i n g g r i dn o to n l yc a na c h i e v er e s o u r c e ss h a r i n g ，c o l l a b o r a t i o n ，l o w e r m a n u f a c t u r i n gc o s t s ，r a i s e t h eu t i l i z a t i o nr a t i oo f r e s o u r c e s ，a n d a c c e l e r a t e t i m e - t o m a r k e t ，b u ta l s oc a np r o v i d eg r e a tf l e x i b i l i t ya n do p e n i n g t h a ti st os a y ，i t c a nb ee x t e n d e dt oe v e r yc o r n e ra l lo v e rt h ew o r l d ，c o v e r i n ga l lm o d e r nm a n u f a c t u r e r e s o u r c e sa n dm a n u f a c t u r es y s t e m ，a n df o r m i n gt h eg l o b a lm a n u f a c t u r en e tf i n a l l y b e c a u s eo fs u p e r i o r i t y ，t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v er a p i d l yr e a d j u a t e dt h e i rs t r a t e g y o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，a n dc o n s i d e rm a n u f a c t u r i n gg r i da sa ni m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o n ，h a sm a d et h ed e v e l o p m e n tp l a no ft h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h e m o s tb a s i cp u r p o s e so ft h e s ep l a n sa r et or e a l i z et h en e t w o r ke n c a p s u l a t i o no f r e s o u r c e sa tf i r a t w i t h i nm a n u f a c t u r i n gg r i de n v i r o n m e n t ，m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ed e s c r i p t i o ni s t h eb a s i so ft h er e s o u r c e ss h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i o n ，r e s o u r c ed i s c o v e r y ，r e s o u r c e s t o r a g e ，e n c a p s u l a t i o na n ds e a r c h ，a n ds oo n i nt h i st h e s i s ，t h em a i no b j e c t i v e sa n d c o n t e n t si n c l u d i n g ： ( 1 ) f i r s t l y ，t h i st h e s i sh a sa n a l y z e dt h ei m p o r t a n c ea n dt h eu r g e n td e m a n df r o m ! 奎三! 生兰三耋堡圭兰竺兰銮 m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i a le n t e r p r i s e so n c o l l a b o r a t i o na n dm a n u f a c t u r er e s o u r c e s h a r i n g i nm a n u f a c t u r ei n d u s t r y ，t h em a i nd i f f i c u l t i e sa n dc h a l l e n g e st os o l v e c o l l a b o r a t i o na n ds h a r i n go fr e s o u r c ew a si d e n t i f i e d ( 2 ) i no r d e rt oe s t a b l i s hap r a c t i c a lp r o t o t y p ef o rt h em a n u f a c t u r i n gg r i d t w o k i n d so ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r e sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e so fc o m p u t i n gg r i d ( t h e s t r u c t u r eo ff i v el a y e r ss a n d g l a s sa n do p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) w e r ei nd e p t h a n a l y s e da n ds t u d i e d ，a sw e l la st h er e l a t e dt e c h n o l o g i e ss u c ha ss o a p 、w s d l 、 u d d it e c h n o l o g yi ng l o b u sa n dw e bs e r v i c e ( 3 ) t h em a i nc h a l l e n g ew i t h i nt h em a n u f a c t u r i n gg r i dh a sb e e ni nd e p t ha n a l y z e d o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yi nm a n u f a c t u r i n gg r i di sh o wt oe x t r a c ta n dd e s c r i b ea n d e x p r e s st h em a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c e s i nt h i st h e s i s ，a nn e wa p p r o a c hw a s p r o p o s e d t o d e s c r i b e t h e m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e sw h i c hi sb a s e d0 1 1 s t e p x m l w s d la c c o r d i n gt ot h ea t t r i b u t eo fm a n u f a c t u r er e s o u r c ea n dd e f i n i t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c s ，c l a s s i f i c a t i o nm o d e l ，e t c m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ed e s c r i p t i o nf o r m a n u f a c t u r i n gg r i dw a sp r o p o s e da n dv a l i d a t e dw i t ha ne x a m p l ea b o u ts o l i d w o r k so f a p p l y i n gs y s t e mr e s o u r c e ( 4 ) a f t e rt h es t u d yo ft h eg r i d - e n a b l e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h e t h e s i sh a sa n a l y s e dt h ee n c a p s u l a t i o no fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e si n e n t e r p r i s e si n o r d e rt op r o v i d et h eg r i d e n a b l e ds e r v i c e s ，r e g i s t r a t i o na n dd i s c o v e ro fg r i ds e r v i c e s t h es y s t e mf r a m e w o r ko fr e s o u r c ec o l l a b o r a t i v es h a r i n gw a sd e v i s e da n dt h er e s o u r c e e n c a p s u l a t i o no fm a n u f a c t u r i n gg r i d b a s e dg r i ds e r v i c ew a si m p l e m e n t e d t h i s c o n s i s t so ft h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nr o a d m a pf o rt h e o p t i m a la l l o c a t i o no f m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sa n dp r o c e s sc o n t r o la sw e l la sr e l a t e di s s u e s ，o f f e r e d a d v a n c e dp r a c t i c a lw a yt oi m p r o v e dt h ec o m p e t i t i v ea d v a n t a g eo f e n t e r p r i s e s 。 k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ；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 ) ； m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s ；r e s o u r c ed e s c r i p t i o n ；r e s o u r c e se n c a p s u l a t i o n ；w e b s e r v i c e ； i v ：奎苫：生兰三兰璧圭兰垡兰 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 粕蝴签利矿 论文作者签字： 6 0 量艳厕 2 0 0 7 年5 月2 7 日 第章绪论 1 1 课题提出的背景 1 1 1 协同共享的重要性 第一章绪论 协同共享是一个永恒的目标，永恒的主题。 模块化设计就是一种共享方法，它是指在对一定范围内不同功能或相同功能 不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，创建并设计出一系列功能模 块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法【l 】。 但是这种方法在功能的独立性方面是很难做到的，有时甚至是不可能。 面向对象程序设计方法，它是一种支持模块化程序设计和软件重用的实际可 行的编程方法。它把程序设计的主要活动限定为建立对象和对象之间的联系( 或通 信) 。面向对象方法描述的对象都是被动的( p a s s i v e ) ，与主动机制存在矛盾，还 不能很好地定义分布式主动数据库中对象的功能和特性。由于方法的调用对于描 述交互的类型又是一个过于简单的机制，而且类和模块不便表达启发式知识，因 此面向对象方法还不能提供充分的概念和机制对复杂系统建模。 a g e n t ，即“代理”或“智能代理”，它是人工智能技术( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a i ) 和网络技术发展与交融的产物。a g e n t 是一个充分自治的、具有独立决策和行 为控制能力的软、硬件系统或其它系统2 】【”，目前己被广泛地应用到许多领域【4 4 1 。 作为a g e n t 系统的一种，多代理系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 是分布式人工 智能( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 领域的一个关键系统模式，其关键技术 是探索出一种方法，以便能利用一组拥有分布式知识、且通过网络互联的a g e n t 来协调各自知识、意图、策略、规划和行为，进行互相协商与协作，实现以协同 的方式完成共同的任务【1 0 】。多a g e n t 的基本特点体现在每个a g e n t 的自主能力和 多a g e n t 间的协同能力。在实际应用中采用该策略进行制造资源的网络化改造在 系统实现层面上仍然存在以下两点不足：封装系统缺乏柔性和一致维护性差。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 制造业中对资源协同共享的需求 在市场竞争日益激烈的今天，制造业必须以最短的周期( t ) 、最好的质量( q ) 、 最低的成本( c ) 和最佳的服务( s ) 开发出最新产品。如何快速响应市场，以最短的 时间开发出用户接受的新产品，在竞争中求生存谋发展，已成为企业共同追求的目 标。我国制造业大多举步为艰，其症结在于市场响应能力差，缺乏敏捷应变能力。 我国企业现在普遍面临的基本问题是： ( 1 ) 资源的不完整性( n o n i n t e g r a l i t y ) 和分散性( d i s t r i b u t i o n ) 通过对很多企业的资源调查和统计，发现大部分的中小企业，由于资金、人 力、设备以及技术方面的力量相对薄弱，资源残缺不全，其主要的特点就是资源 的不完整性( n o n i n t e g r a l i t y ) 和分散性( d i s t r i b u t i o n ) 。 ( 2 ) 资源供需错位现象 目前的一些中小企业的现状是：一方面是一些实力不强、知名度不高的中小 企业经常接不到加工订单，企业的设备、人才资源经常空闲和闲置，出现令人痛 心的浪费，这些中小企业经常面临“找活干”、“等活干”的问题。而另一方面 却是一些实力较强、知名度和信誉较好的企业手中经常积压大量的加工订单，出 现企业间资源供需严重错位。 ( 3 ) 企业问合作效率低 由于企业本身的资源不全、设备资源、加工能力不够或交货时间紧限制，他 们需要将一些不太重要的订单外包，但却苦于找不到合适的合作伙伴。企业常用 的办法就是靠熟人、找关系，求助于过去有业务来往的相知相好的合作企业。 如果相知相好没有该加工设备或时间紧无法满足要求，则该相知相好只 能再介绍给其另一个相知相好企业。如此周转和传递，不仅浪费寻找时间， 而且寻找伙伴的范围也仅局限在一些彼此相互熟悉的、有限的圈子内。如果某企 业外部的客户要想共享另一家企业的某些资源，最通常的途径就是通过面对面的 协商与谈判，并签订一系列的商务、经济约束合同等。企业伙伴问的相互协商和 沟通一般都是通过频繁的电话、传真、电子邮件和频繁地驱车往返、召开一系列 的会议。这种资源共享的模式不仅造成终极产品的交易成本高，而且产品的交货 期难以实时跟踪和监控、质量也难以保证。 2 第一章绪论 ( 4 ) 资源的重复建设和资源的“储备”现象 现在企业中普遍存在一种怪圈就是重复购置，从而导致资源空置、空闲、人 力物力财力的浪费，真是令人触目惊心。具体表现为企业如果没有某种关键设备 ( 即某种加工能力) ，往往就无法承接到较大的订单：而如果为了完成这个较大 的订单企业花费资金添置了某些关键设备，却又面临的问题就是开工率不足。 ( 5 ) 资源共享的困难 资源是社会进步、国家崛起、企业扩张和发展的主要基础之一。资源分为有 形和无形这两类资源，有形的资源，就是通常提到的人力、物力、财力；无形的 资源包括信息、知识、技术、品牌、声誉，甚至包括人际关系。有形的和无形的 资源构成了一家企业的所有资源。企业就是依靠这些资源来发展企业核心竞争力， 所展现出来的就是企业的竞争优势。图1 - 1 表示了竞争优势、能力、资源之间的 相互关系。 图1 - 1 竞争优势一能力一资源的关系 f i g u r e l - 1t h er e l a t i o no fc o m p e t i t i v ea d v a n t a g e ，a b i l i t ya n dr e s o u r c e s 一家企业的资源能否被另家企业使用或共享，并不完全取决于其地理上障 碍( 分散性) 、异构性和动态性等障碍，其最大壁垒在于企业资源的经济属性一 即经济利益或获取经济利益的权利。资源是企业的私有财产，是企业在市场竞争 的武器和“谋生”的工具，不能给资源的所有者带来经济利益或某种经济权利的资 源共享是不可能发生。试想：为什么两家生产同样产品、仅有“一墙之隔”的企业， 也难以合作、共享资源? ( 如图卜2 所示) 。 3 广东工业大学工学硕士学位论文 图卜2 企业之间资源共享的障碍和壁垒1 1 1 j f i g u r e l 2t h eo b s t a c l e sa n db a r r i e r so fr e s o u r c es h a r i n gb e t w e e ne n t e r p r i s e s 正是因为以上这些原因，目前许多企业已经实施了或部分实施了企业内部信 息化管理，从而导致的这样一个严重的后果就是企业在管理理念上画地为牢、各 自为战、分散化经营，设备资源及制造信息、知识等等重要资源，都被当作企业 的核心竞争力掌握在各自企业手中，各部门、行业与单位之间的资源、信息封锁 和壁垒十分严重。这种面向企业内部的信息化，虽然解决了企业内部自身的资源 共享和协同，但不同企业之间的资源共享和协同依然难以实现：自身的资源不能 直接地被他人使用，他人的资源自己也不能直接地使用和共享，难以协同，更不 可能互操作。 针对我国企业资源和能力的残缺不全和协同共享困难这些基本问题，解决的 思路有以下两种： 一种就是企业内部化思路 ”l ，即企业通过兼并、购买、扩建等方式来获得并 拥有一个完整的资源和能力的制造系统。具体就是通过将市场的一些活动纳入企 业内部来进行，从而企业替代了市场。 4 第章绪论 另一种就是企业外部化，即企业通过租用、外协、外包外委、协同共享【l 3 l 等方式将企业的某种活动交由市场来解决，从而市场替代了企业【1 4 】【l 扪。这样使得 企业在不增加任何制造资源的情况下也能够完成某种复杂的任务。然而企业内部 化模式对那些资金受限制的中小企业是不切实际的，对于实力强的企业又不是很 好的选择，这样是不符合“社会专业化分工”等经济发展规律。日益深化的社会 分工的专业化，使得企业之间的紧密合作和协同成为必然选择和赢得竞争的制胜 的法宝u “。 1 2 国内外技术发展现状 ( 1 ) w e b 技术的现状 现在的因特网( i n t e r n e t ) 技术虽然涉及了电脑之间的通信和信息交换，但它 并不提供集成的方法以协调的方式使用多个网站上的资源。虽然万维网( w o r l d w i d ew e b ) 合并了因特网( i n t e r n e t ) 上的所有的服务并还提供其他更多的服务，似 乎w e b 已经解决了分布式网络计算问题。但实际上，w e b 技术仅仅解决了网页的 互联，阅读文件，并不能做到对设备资源，数据的透明地直接访问。每当企业遇 到有业务需要商谈时，人们还是要借助于电话，传真，或业务人员的直接面对面 的协商。b u s i n e s s t o b u s i n e s s 1 7 1 之间的信息交换必须通过集中服务器( c e n t r a l i z e d s e r v e r s ) 才能实现信息共享。虚拟企业技术也是如此，尽管共享的范围最后可能达 到应用软件层次和物理设备层次。 ( 2 ) 分布式计算( d c e ) 技术 最新出现的分布式计算( d c e ) 公司寻求利用全世界范围内的空闶计算机资 源，但时至今日，只能以高度集中的方式访问这些资源。c o r b a 和企业j a v a 技 术仅能在单个的企业内部( w i t h i nas i n g l eo r g a n i z a t i o n ) 实现资源共享，而不能将 资源及信息的共享延伸至任意的外部的虚拟组织。o p e ng r o u p 的分布式计算环境 c e ) 虽然支持站点问的安全的资源共享，但绝大多数的虚拟组织发现它太繁锁 和不灵活【1 8 】。存储服务提供商和运用服务提供商虽然允许虚拟组织外包存储业务 和计算要求给其它的组织，但只能以某种限定的方式，如通过虚拟私用网( v p n ) 与客户端相连接。 ( 3 ) a s p 技术的现状 s 广东工业大学工学硕士学位论文 应用服务提供商( a s p ) 和存储服务提供商( s s p ) 以及类似的公司都提供具 体业务和工程外包服务，以使得顾客可以通过协商访问特定的硬件和软件资源， 但他们使用的是虚拟私用网( 专用) v p n 技术处理安全问题。从虚拟组织的观点 来看，这些都是低层次的模块技术。虚拟专用网和静态配置使得虚拟组织共享的 多模态难以实现。使用虚拟专用网本身就意味着这样一个基本的事实：虚拟专用 网上的成员都是事先彼此相互信任和熟知的，而不是任意的网格服务提供商。所 以它根本就不是一个动态的、瞬时构成的虚拟组织，它不能动态扩展以涵盖任意 的其它资源，也不能对远程的、彼此陌生的资源提供商进行任何约束和控制，例 如在何时、在什么条件下共享其资源、以及是否允许共享其资源。 ( 4 ) 企业计算系统( e n t e r p r i s ec o m p u t i n gs y s t e m ) 的现状 尽管企业级的开发技术如c o r b a ，e j b ，j 2 e e 和d c o m 等系统都能用来构 造分布式的应用，提供标准的资源接口，远程唤醒机制和发现商务等服务，使得 在一个具体的组织内部实现资源共享非常容易，然而，所有的这些机制不涉及网 格中任何一个虚拟组织的具体要求【l ”。其典型的共享是静态的并且只限于在一个 组织内部。其基本的交互形式就是客户端一服务器，而不是对等的多种资源的协 调使用。 ( 5 ) 网络计算( i n t e r n e t ) 和对等计算( p e e r t o p e e r ) 的现状 对等计算和网络计算是虚拟组织的共享模式和计算结构的更普通的例子，它 超出了w e b 的客户端一服务器模式。正因如此，它们和网格技术也有许多相同之 处。然而该技术只着眼于与时间因数不太相关的领域。一个关键原因是对等计算 和i n t e r n e t 计算的开发者一直将全部注意力集中在垂直集成解决方案上，而不是 寻求定义一种通用的标准的公共协议，它允许底层结构共享和互用性。另一个原 因是针对各式各样的应用所需要的共享形式十分有限，例如，文件共享而没有访 问控制，计算共享却用一个中心的服务器。 ( 6 ) 虚拟企业( v i r t u a le n t e r p r i s e ) 现状 虚拟企业是一种组织管理模式，即当市场出现新机遇时，具有开发某中心产 品所需要的不同知识和技术的不同企业临时组成一个没有围墙，超越空间约束， 依靠计算机网络联系，统一指挥的合作经济实体。然而虚拟企业在实际应用、操 作过程中遇到难以克服的障碍：诸如企业组织不稳定性、合作关系难以管理、协 调控制存在障碍、成员之间很难做到及时有效的沟通、制度短缺、机会主义行为 6 第一章绪论 倾向的存在、外部性问题2 0 i 。虚拟企业的复杂性不仅表现在其成员数目的巨大， 更主要地表现在由人、组织及其关系等所构成( 杨永福，2 0 0 1 ) 的虚拟企业在本 质上的非线性的、离散系统。对此，目前还没有一个系统的科学理论来研究虚拟 企业的复杂性。 综上所述，现在的技术既不能适应资源种类的多种多样，也不能提供建立虚 拟组织所必需的资源共享的灵活性和控制机制。网络环境难于使用，这就是当前 网络制造( d i s t r i b u t e dn e t w o r kc o m p u t i n g ) 的缺陷和局限性。目前的网络化制造存在 以下几点缺陷和不足具体表现为： ( 1 ) 没有通用的模式( 范式) 和体系结构作支撑； ( 2 ) 没有公认的标准和规范作基础； ( 3 ) 采用专用技术实现，如c o r b a 等； ( 4 ) 缺乏必要的柔性和开放性； ( 5 ) 难于集成和推广应用等。 1 3 网格介绍 1 3 1 网格的定义 网格是借鉴于电力网( p o w e rg r i d ) 的概念发展起来的，它的主要目的是使得 用户能够像使用电力一样方便地使用网格资源，也就是在不考虑网格资源以及服 务所在的具体位置，“按需”从网格中获取各种资源和服务。 网格实际上是一个新出现的概念，代表了一种先进的技术和基础设施，是继 因特网之后又一次重大的科技进步。中国科学院计算所所长李国杰院士认为，网 格实际上是继传统因特网、w e b 之后的第三个大浪潮，可以称之为第三代因特网。 1 9 9 8 年，美国a r g o n n e 国家实验室的资深科学家、g l o b u s 项目的负责人i a n f o s t e r 在网格：2 1 世纪信息技术基础设施的蓝图一书中这样描述网格：“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 7 广东工业大学工学硕士学位论文 功能则更多更强，让人们透明地、全面地、直接地使用计算、存储等其他资源， 其中每一台参与的计算机就是网格中一个节点。” 简单地讲，传统因特网实现了计算机硬件的连通。w e b 实现了网页的连通， 而网格试图把整个因特网整合成一台巨大的、超级的虚拟计算机，实现互联网上 所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资 源、知识资源等。 具体来说，网格就是一个集成的计算和资源环境，或者说是一个计算资源池 2 1 l 。网格能充分吸纳各种计算资源，并将这些资源转化成一种随处可得的、可靠 的、标准的同时还是经济的计算能力，从而人们可以透明地、全面地、直接地使 用这些资源。除了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括网络通信能力、数 据资源、仪器设备、甚至是人等各种相关的资源【2 2 1 。 1 3 2 网格的特点 分布性是网格的一个最主要的特点【”1 。网格的分布性是指网格的资源是分布 的，组成网格的计算能力的各种不同的计算机，各种类型的数据库乃至电子图书 馆，以及其它的各种设备与资源，是分布在地理互不相同的多个地方，而不是集 中在一起的。分布的网格一般涉及的资源类型复杂，规模较大，跨越的地理范围 较广。 分形模型有一个非常重要的特征就是自相似性，它在许多自然和社会现象中 大量存在。一些复杂系统都具有这种特征，网格就是这样。网格的局部和整体之 间存在着一定的相似性，局部往往在许多地方具有全局的某种特征，而全局的特 征在局部也有一定的体现。 网格的动态性 2 3 1 。对于网格来说，决不能假设它是一成不变的。原来拥有 的资源或者功能，在下一时刻可能就会出现故障或者不可用：而原来没有的资源， 可能随着时间的推移会不断地加入进来。网格的动态性包括动态增加和动态减少 两个方面的含义。 网格资源的动态变化特点要求网格管理必须充分考虑并解决好这个问题，对 网格资源的动态减少或者资源出现故障的情况，要求网格能够及时采取措施，实 现任务的自动迁移，做到对高层用户透明或者尽可能减少用户的损失。 8 第章绪论 网格资源的动态增加需要提高网格的扩展性问题。也就是说在网格的设计与 实现时，必须考虑到新的资源能否很自然地加入到网格中来，并且可以和原来的 资源融合在一起，共同发挥作用。网格扩展要求体现在规模、能力、兼容性等几 个方面。一开始网格的规模往往不是特别大，不需要也不可能一步到位，但是网 格应该能够允许对它自身进行多种形式的扩展，网格规模扩展后网格的相应管理 软件也应该能够满足扩展性的要求，网格软件的升级要能够向下兼容。 网格资源是异构和多样的【2 3 1 。在网格环境中可以有不同体系结构的计算机系 统和类别不同的资源，因此网格系统必须能够解决这些不同结构、不同类别资源 之间的通信和互操作问题。正是因为异构性或者说资源的多样性的存在，为网格 软件的设计提出了更大的挑战，只有解决好这个问题，才会使网格更有吸引力。 网格的自治性与管理的多重性。网格的自治性是指网格资源的拥有者对该资 源具有最高级别的管理权限，网格应该允许资源拥有者对他的资源有自主的管理 能力。但是网格资源也必须接受网格的统一管理。因此网格的管理具有多重性， 一方面它允许网格资源的拥有者对网格资源具有自主性的管理，另一方面又要求 网格资源必须接受网格的统一管理。 1 4 网格的发展状况 关于网格技术对国民经济和社会发展的意义，在最近的一次网格战略研讨会 上，国家科技部副部长马颂德研究员陈述了下面的观点：“回顾几千年来人类的文 明史，尤其是近百年来的人类社会科学技术的发展，也许我们可以说，虽然引发 我们社会生活方式与生产方式巨大变化的源头是某个创新产品的发明，比如蒸汽 机、发电机、电话、计算机的发明，但真正巨大的变化必须依靠一批相关产品形 成的网格，或者说网格化的基础设施。计算网格构想的提出和当前全世界正在兴 起的有关计算网格的研究，越来越清楚地使我们感受到一种信息社会的新的基础 设施正在出现。这种新的i n f r a s t r u c t u r e 不仅仅可能带来信息资源的获取、分布、 传输和有效利用的革命性的、结构性的巨大变化，而且将根本改变我们的研究方 式、教育方式、生活方式与生产活动的方式。从美国、欧洲、日本等发达国家到 印度这样的发展中国家，都启动了大型网格研究计划，并得到了产业界的大力支 持。我国“十五”8 6 3 计划的高性能计算专项和软件专项等重大科研项目都与网 9 广东工业大学工学硕士学位论文 格技术相关。”【2 4 】 1 4 1 国外网格研究及应用现状 目前网格技术己经在分布式超级计算、分布式仪器系统、数据密集型计算和 远程沉浸等方面得到了广泛的应用：美国国防部下属的国防先进研究计划d a r p a 资助由加利福尼亚理工学院负责完成的综合军力表示( s fe x p r e s s ：s y n t h e t i c f o r c e se x p r e s s ) ，基于网格模拟了多达十万个战斗单位的战斗场面，曾创造了该 领域的世界纪录；c a c t u s 项目由德国爱因斯坦研究所领衔开发，是最有影响的网格 应用项目之一，利用c a c t u s 并与g l o b u s 结合模拟黑洞，成果相当引人注目，并 获得了g o r d o nb e l l 奖；x p o n 项目由美国能源部d o e 下一代因特网n g i 试验计划 赞助，由印第安纳州大学、a r g o n n e 国家实验室a n l 和劳伦斯市伯克利国家实验 室l b l 共同完成，其目标是要让远程使用科学仪器达到前所未有的方便程度。用 他们的话来说，就是“比到那儿用还方便”：欧洲d a t ag r i d 由c e r n 和几十家研 究机构和工业界共同参与，为大型强子对撞机l h c 提供协同数据处理。 1 4 2 国内网格研究及应用现状 在我国，网格正在成为中国i t 界跟踪世界先进技术潮流的一个主战场【2 5 1 ，已经 完成的网格研究项目主要有两个：一个是清华大学的先进计算基础设施 a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) ，建立了召开网络会议和“虚拟 实验室”的研究环境：另一个是中科院计算所联合十几家科研单位，从1 9 9 9 年底到 2 0 0 1 年初的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n t ) ，该项目建立了一个分布式环境下支持异构平台的计算网格示范系 统，把我国8 q 高性能计算中心通过i n t e r n e t 连接起来，进行统一的资源管理、信 息管理和用户管理。 2 0 0 2 年4 月5 日至6 日，国家科技部在北京召开“网格战略研讨会”，科技部 领导、应用领域专家、8 6 3 专家和国外专家一致强调：我国各行各业已经对网格技 术提出了实际需求，网格的商业应用就在眼前，国内i t 企业要加快步伐，抢占先 机。2 0 0 2 年底，上海市教委宣布将投入两个多亿，建设e - i n s t i t u t e ，其中网格是 第章绪论 重点将把上海大学、上海交大、复旦大学、华东理工大学等多所重点高校用网格 整合起来，共享资源，协同教学科研。 目前正在进行的网格研究项目有：8 6 3 计划支持的“中国网格( c h i n ag r i d ) 建设，有多家单位参加：“上海高校两格”，由多所上海的大学参加：“仿真网格” 的研究，由航天二院和清华大学共同开展：“织女星网格”，由中科院计算所领衔 开发：另外，全国还有几十所大学和研究机构己经开展各种网格研究。可以看出， 网格研究正在我国迅速展开。 1 5 为什么选择网格技术 网格概念的提出将从根本上改变人们对“计算”的看法，因为网格提供的是 与以往根本不同的计算方式。r a n d yb r a m l e y 认为网格概念的核心就是突破了以 往强加在计算资源上的种种限制，使人们可以以一种全新的更自由、更方便的方 式使用计算资源。解决更