基于制造云平臺的協(xié)同設計關鍵技術研究.pdf

1、制造云平臺是基于云計算技術的制造信息化平臺。它綜合應用云計算、分布式數(shù)據(jù)庫管理和計算機網(wǎng)絡技術，支持不同地點、不同行業(yè)或不同專業(yè)特長的設計人員的協(xié)同，通過云平臺進行交互式協(xié)同設計。CAD與CAPP等軟件和制造資源被封裝成服務提供給協(xié)作用戶，使設計過程可以通過計算機網(wǎng)絡異地協(xié)同進行、按需動態(tài)檢索和獲取所需資源，靈活地完成設計，在設計工作完成后動態(tài)的釋放和歸還資源。
　　傳統(tǒng)協(xié)同設計模式強調(diào)“分散的設計資源集中使用”，在制造云平臺環(huán)境

2、下，不只強調(diào)“多對一”形式，更強調(diào)“多對多”服務形式，體現(xiàn)“集中設計資源分散服務”的理念。此外，制造云平臺在設計資源存儲、維護、安全、傳輸和容錯等事務處理方面也優(yōu)于傳統(tǒng)協(xié)同設計環(huán)境。
　　為了克服傳統(tǒng)協(xié)同設計模式的缺陷，探索云計算技術在協(xié)同設計中的應用方法與技術，本文課題圍繞基于制造云平臺的協(xié)同設計關鍵技術進行了深入研究，主要研究工作及創(chuàng)新點如下：
　?。?）提出了基于制造云平臺的協(xié)同設計系統(tǒng)體系結構。該體系結構由五層組成，

3、其中：平臺支撐層為平臺提供基礎的服務條件和資源,包括服務器資源、網(wǎng)絡基礎設施、軟件資源庫、存儲資源、安全設備等資源。虛擬化層負責虛擬機管理、虛擬資源聚合與調(diào)度。云計算支撐層負責云平臺資源管理與動態(tài)調(diào)度、云服務管理、多租戶管理、安全信用評估、知識聚合和分類、制造資源共享支撐、為制造企業(yè)提供軟件等服務。協(xié)同設計中間件層主要負責協(xié)同設計的語義實現(xiàn)、任務調(diào)度、協(xié)同交互等。表示層為用戶提供人機交互界面，用戶可以在此層提交需求并取得結果。用戶也可以

4、在該層發(fā)布空閑服務資源。
　　在該體系結構的支持下，可有效實現(xiàn)設計服務的虛擬接入、設計服務需求的匹配、協(xié)同設計控制、分散資源的集中服務；有效支持協(xié)同設計中的資源注冊、SaaS優(yōu)化、動態(tài)搜索、運行監(jiān)控等多種服務。
　?。?）提出了基于OWL-S的協(xié)同設計服務發(fā)現(xiàn)方法。該方法先對初始數(shù)據(jù)集進行聚類分析，接著利用奇異值分解得出服務特征之間的潛在語義相似度，再利用本體概念模型計算出本體語義相似度。最后通過調(diào)整變量完成綜合語義相似度的

5、計算。研究結果表明，該方法可以提高協(xié)同設計服務發(fā)現(xiàn)和匹配水平，從而避免了HTML描述設計語義產(chǎn)生的歧義。
　　該方法解決了基于制造云平臺的協(xié)同設計系統(tǒng)中協(xié)同設計服務的語義描述和匹配問題。匹配的過程主要是從服務集合中找到符合用戶要求的服務，主要依據(jù)服務請求合約和制定的匹配算法到集合中匹配服務，其中以類樹形結構表示協(xié)同設計服務與服務質(zhì)量，可以實現(xiàn)用戶所需服務的快速發(fā)現(xiàn)。
　?。?）針對目前協(xié)同設計中業(yè)務過程描述能力不足和柔性差等

6、問題，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)及任務的方便，該方法首先對基本Petri網(wǎng)的五元組進行了顏色、定時約束和組合方面的擴充，形成了混合Petri網(wǎng)。之后以某系列汽車底盤傳動系云工作流模型為對象，利用馬爾可夫過程定量描述了其性能指標。通過HPSim軟件對協(xié)同設計各流程流轉(zhuǎn)、工作效率等的分析，驗證了模型的可達性，并從業(yè)務沖突及模型分解等方面對協(xié)同設計過程進行了優(yōu)化。
　　該方法解決了基于制造云平

7、臺的協(xié)同設計系統(tǒng)中協(xié)同設計工作流建模和優(yōu)化問題。從業(yè)務沖突及模型分解等方面提出了協(xié)同設計工作流的改進方案。通過參考協(xié)同設計工作流模型，使設計任務得到合理地分解和分配。
　?。?）利用關系數(shù)據(jù)庫理論的無損分解思想,提出了一種多租戶環(huán)境下的隱私保護模型。該模型根據(jù)分解屬性的特點將最少屬性分類，并采取不同的匿名化處理方法，通過數(shù)據(jù)擾動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的平衡分布，同時重構調(diào)整后的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問時的隱私保護。研究結果表明，與同類隱私保護方法

8、相比，作者所設計的方法可實現(xiàn)可擴展的數(shù)據(jù)保護和高強度的數(shù)據(jù)保密，為協(xié)同設計中的多租戶數(shù)據(jù)提供充分保護，為解決基于制造云平臺的協(xié)同設計系統(tǒng)的多租戶隱私保護問題奠定了基礎。
　　（5）針對基于制造云平臺的協(xié)同設計系統(tǒng)中用戶敏感的服務質(zhì)量問題，提出了云計算環(huán)境下多QoS約束的任務調(diào)度策略。根據(jù)用戶對集群服務的QoS偏好需求，構建了免疫優(yōu)化的多維QoS模型。在此基礎上，量化了設計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)此進行抗體的免疫操作，提高了預知評價的公平性，多目標優(yōu)化問題的解得到了定位，最終得出效用值最高的資源分布節(jié)點。實驗結果表明，該方法充分考慮了用戶多維QoS需求，無論在平均設備利用率方面，還是在服務時間和響應時間方面都相比同類算法有較大的優(yōu)勢。此外，改進后的任務分配算法實現(xiàn)了任務的按需分配，解決了制造云平臺中的協(xié)同設計任務管理問題。
　　最后，以汽車模型協(xié)同設計為例，研究了協(xié)同設計的任務分解方法，提出了產(chǎn)品協(xié)同設計自動與交互協(xié)作模

10、型，開發(fā)了基于制造云平臺的汽車模型協(xié)同設計原型系統(tǒng)。
　　本系統(tǒng)主要由三大模塊組成，其中，租戶管理器用于實現(xiàn)對租戶的數(shù)據(jù)保護；任務管理器負責系統(tǒng)中的任務描述和管理；任務執(zhí)行中間件負責加載執(zhí)行任務的線程，完成任務調(diào)度；資源管理器用于管理虛擬機資源。在協(xié)同自動模型中提供了任務調(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)同設計語義和信息平臺展示了任務交互界面。該開發(fā)工作為進一步研究探索制造云平臺在協(xié)同設計中的應用奠定了技術基礎。