基于制造云平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、制造云平臺(tái)是基于云計(jì)算技術(shù)的制造信息化平臺(tái)。它綜合應(yīng)用云計(jì)算、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持不同地點(diǎn)、不同行業(yè)或不同專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)的設(shè)計(jì)人員的協(xié)同，通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行交互式協(xié)同設(shè)計(jì)。CAD與CAPP等軟件和制造資源被封裝成服務(wù)提供給協(xié)作用戶(hù)，使設(shè)計(jì)過(guò)程可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)異地協(xié)同進(jìn)行、按需動(dòng)態(tài)檢索和獲取所需資源，靈活地完成設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)工作完成后動(dòng)態(tài)的釋放和歸還資源。
　　傳統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)模式強(qiáng)調(diào)“分散的設(shè)計(jì)資源集中使用”，在制造云平臺(tái)環(huán)境

2、下，不只強(qiáng)調(diào)“多對(duì)一”形式，更強(qiáng)調(diào)“多對(duì)多”服務(wù)形式，體現(xiàn)“集中設(shè)計(jì)資源分散服務(wù)”的理念。此外，制造云平臺(tái)在設(shè)計(jì)資源存儲(chǔ)、維護(hù)、安全、傳輸和容錯(cuò)等事務(wù)處理方面也優(yōu)于傳統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。
　　為了克服傳統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)模式的缺陷，探索云計(jì)算技術(shù)在協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法與技術(shù)，本文課題圍繞基于制造云平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　（1）提出了基于制造云平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)由五層組成，

3、其中：平臺(tái)支撐層為平臺(tái)提供基礎(chǔ)的服務(wù)條件和資源,包括服務(wù)器資源、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、軟件資源庫(kù)、存儲(chǔ)資源、安全設(shè)備等資源。虛擬化層負(fù)責(zé)虛擬機(jī)管理、虛擬資源聚合與調(diào)度。云計(jì)算支撐層負(fù)責(zé)云平臺(tái)資源管理與動(dòng)態(tài)調(diào)度、云服務(wù)管理、多租戶(hù)管理、安全信用評(píng)估、知識(shí)聚合和分類(lèi)、制造資源共享支撐、為制造企業(yè)提供軟件等服務(wù)。協(xié)同設(shè)計(jì)中間件層主要負(fù)責(zé)協(xié)同設(shè)計(jì)的語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)、任務(wù)調(diào)度、協(xié)同交互等。表示層為用戶(hù)提供人機(jī)交互界面，用戶(hù)可以在此層提交需求并取得結(jié)果。用戶(hù)也可以

4、在該層發(fā)布空閑服務(wù)資源。
　　在該體系結(jié)構(gòu)的支持下，可有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)服務(wù)的虛擬接入、設(shè)計(jì)服務(wù)需求的匹配、協(xié)同設(shè)計(jì)控制、分散資源的集中服務(wù)；有效支持協(xié)同設(shè)計(jì)中的資源注冊(cè)、SaaS優(yōu)化、動(dòng)態(tài)搜索、運(yùn)行監(jiān)控等多種服務(wù)。
　?。?）提出了基于OWL-S的協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法。該方法先對(duì)初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行聚類(lèi)分析，接著利用奇異值分解得出服務(wù)特征之間的潛在語(yǔ)義相似度，再利用本體概念模型計(jì)算出本體語(yǔ)義相似度。最后通過(guò)調(diào)整變量完成綜合語(yǔ)義相似度的

5、計(jì)算。研究結(jié)果表明，該方法可以提高協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)發(fā)現(xiàn)和匹配水平，從而避免了HTML描述設(shè)計(jì)語(yǔ)義產(chǎn)生的歧義。
　　該方法解決了基于制造云平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)的語(yǔ)義描述和匹配問(wèn)題。匹配的過(guò)程主要是從服務(wù)集合中找到符合用戶(hù)要求的服務(wù)，主要依據(jù)服務(wù)請(qǐng)求合約和制定的匹配算法到集合中匹配服務(wù)，其中以類(lèi)樹(shù)形結(jié)構(gòu)表示協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)與服務(wù)質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需服務(wù)的快速發(fā)現(xiàn)。
　?。?）針對(duì)目前協(xié)同設(shè)計(jì)中業(yè)務(wù)過(guò)程描述能力不足和柔性差等

6、問(wèn)題，提出了一種在空間上三維分布的Petri網(wǎng)建模方法。為了表示云工作流數(shù)據(jù)及任務(wù)的方便，該方法首先對(duì)基本Petri網(wǎng)的五元組進(jìn)行了顏色、定時(shí)約束和組合方面的擴(kuò)充，形成了混合Petri網(wǎng)。之后以某系列汽車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)系云工作流模型為對(duì)象，利用馬爾可夫過(guò)程定量描述了其性能指標(biāo)。通過(guò)HPSim軟件對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)各流程流轉(zhuǎn)、工作效率等的分析，驗(yàn)證了模型的可達(dá)性，并從業(yè)務(wù)沖突及模型分解等方面對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。
　　該方法解決了基于制造云平

7、臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中協(xié)同設(shè)計(jì)工作流建模和優(yōu)化問(wèn)題。從業(yè)務(wù)沖突及模型分解等方面提出了協(xié)同設(shè)計(jì)工作流的改進(jìn)方案。通過(guò)參考協(xié)同設(shè)計(jì)工作流模型，使設(shè)計(jì)任務(wù)得到合理地分解和分配。
　　（4）利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)理論的無(wú)損分解思想,提出了一種多租戶(hù)環(huán)境下的隱私保護(hù)模型。該模型根據(jù)分解屬性的特點(diǎn)將最少屬性分類(lèi)，并采取不同的匿名化處理方法，通過(guò)數(shù)據(jù)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的平衡分布，同時(shí)重構(gòu)調(diào)整后的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)的隱私保護(hù)。研究結(jié)果表明，與同類(lèi)隱私保護(hù)方法

8、相比，作者所設(shè)計(jì)的方法可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)保護(hù)和高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)保密，為協(xié)同設(shè)計(jì)中的多租戶(hù)數(shù)據(jù)提供充分保護(hù)，為解決基于制造云平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的多租戶(hù)隱私保護(hù)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）針對(duì)基于制造云平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用戶(hù)敏感的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題，提出了云計(jì)算環(huán)境下多QoS約束的任務(wù)調(diào)度策略。根據(jù)用戶(hù)對(duì)集群服務(wù)的QoS偏好需求，構(gòu)建了免疫優(yōu)化的多維QoS模型。在此基礎(chǔ)上，量化了設(shè)計(jì)公式化的描述和偏好約束條件，給出了優(yōu)化多維QoS的效用函數(shù)。

9、據(jù)此進(jìn)行抗體的免疫操作，提高了預(yù)知評(píng)價(jià)的公平性，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的解得到了定位，最終得出效用值最高的資源分布節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法充分考慮了用戶(hù)多維QoS需求，無(wú)論在平均設(shè)備利用率方面，還是在服務(wù)時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間方面都相比同類(lèi)算法有較大的優(yōu)勢(shì)。此外，改進(jìn)后的任務(wù)分配算法實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的按需分配，解決了制造云平臺(tái)中的協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)管理問(wèn)題。
　　最后，以汽車(chē)模型協(xié)同設(shè)計(jì)為例，研究了協(xié)同設(shè)計(jì)的任務(wù)分解方法，提出了產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)自動(dòng)與交互協(xié)作模

10、型，開(kāi)發(fā)了基于制造云平臺(tái)的汽車(chē)模型協(xié)同設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)。
　　本系統(tǒng)主要由三大模塊組成，其中，租戶(hù)管理器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)租戶(hù)的數(shù)據(jù)保護(hù)；任務(wù)管理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的任務(wù)描述和管理；任務(wù)執(zhí)行中間件負(fù)責(zé)加載執(zhí)行任務(wù)的線(xiàn)程，完成任務(wù)調(diào)度；資源管理器用于管理虛擬機(jī)資源。在協(xié)同自動(dòng)模型中提供了任務(wù)調(diào)度后的作業(yè)執(zhí)行功能；在協(xié)同交互模型中借助協(xié)同設(shè)計(jì)語(yǔ)義和信息平臺(tái)展示了任務(wù)交互界面。該開(kāi)發(fā)工作為進(jìn)一步研究探索制造云平臺(tái)在協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。