面向云計(jì)算的船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)建設(shè)

臧麗娜，鄭艷娟，張宇敬

(河北金融學(xué)院，河北 保定071000)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展，造船業(yè)迅速發(fā)展。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)造船業(yè)相對(duì)落后，在技術(shù)模式創(chuàng)新、新型造船技術(shù)應(yīng)用、管理理念等方面都存在著一定的問(wèn)題，如船舶設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng);生產(chǎn)過(guò)程中，材料物資浪費(fèi)嚴(yán)重，利用率低;管理理念與方法落后等［1-2］。為此，本文對(duì)船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行研究，目的在于利用科學(xué)化、數(shù)字化、信息化的新型管理模式，對(duì)船舶生產(chǎn)制造進(jìn)行平臺(tái)化、可視化、一體化的管理。通過(guò)運(yùn)用云計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)資源管理能力，建立船舶制造生產(chǎn)的知識(shí)工程體系，通過(guò)基于知識(shí)工程［3］的船舶制造與管理模型構(gòu)建船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)，從而提高船舶制造業(yè)的生產(chǎn)管理水平，降低船舶生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。本文首先對(duì)船舶生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析，運(yùn)用知識(shí)工程理論構(gòu)建船舶制造與管理模型;然后在云計(jì)算框架下建設(shè)船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)。最后對(duì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境、平臺(tái)安全、安全及費(fèi)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析與評(píng)估。

1 基于知識(shí)工程的船舶制造與控制模型

知識(shí)工程最早由美國(guó)人工智能專家E. A. 費(fèi)根鮑姆提出，其研究?jī)?nèi)容主要包括知識(shí)的獲取、知識(shí)的表示、以及知識(shí)的運(yùn)用和處理等方面。知識(shí)工程的基本思想是要找出不同類(lèi)型知識(shí)的記錄方法，將這些知識(shí)以易理解、易重用、易查詢、易維護(hù)的方式來(lái)為企業(yè)服務(wù)。它具有如下特點(diǎn):

1)運(yùn)用大量的領(lǐng)域知識(shí)、公共知識(shí)(如哲學(xué)思想、思維方法)、數(shù)學(xué)知識(shí)解決特定領(lǐng)域的具體問(wèn)題，不但具備處理核心問(wèn)題的能力，同時(shí)具有解決細(xì)節(jié)問(wèn)題的能力。

2)采用啟發(fā)式或者試探性的解題方法，對(duì)于一些本身很難用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述的問(wèn)題，往往不能只借助一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的固定程式或算法來(lái)解決他們，必需采用不確定的、試探性的解題方法。

3)不使用特定的、單一的數(shù)學(xué)模型描述問(wèn)題，而是運(yùn)用歸納、抽象、演繹等方法創(chuàng)立新概念，推出新知識(shí)，使知識(shí)逐步深化。

4)利用外部工具或建立自身的知識(shí)存儲(chǔ)與分類(lèi)機(jī)制，以便實(shí)現(xiàn)特定領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)積累、更新和繼承。

在知識(shí)工程的系統(tǒng)知識(shí)體系中，知識(shí)內(nèi)容包括知識(shí)的獲取、存儲(chǔ)、共享、應(yīng)用和創(chuàng)新等5 個(gè)部分。知識(shí)管理過(guò)程體系如圖1 所示。

圖1 知識(shí)管理過(guò)程循環(huán)圖Fig.1 The cycle chart of knowledge management process

船舶本身的復(fù)雜性決定了其生產(chǎn)制造是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要多部門(mén)進(jìn)行協(xié)同工作。船舶制造基本流程［4］如圖2 所示。

圖2 船舶制造基本流程Fig.2 The process for shipbuilding

目前我國(guó)船舶生產(chǎn)信息化存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)系統(tǒng)間信息共享化程度低，無(wú)法發(fā)揮信息共享的管理效應(yīng)。

各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)或單位間的信息共享程度不高，信息交互不流暢，上道工序生產(chǎn)部門(mén)與下道工序生產(chǎn)部門(mén)，以及與相關(guān)職能管理部門(mén)之間相對(duì)封閉。

2)信息化對(duì)部分業(yè)務(wù)的發(fā)展支撐不足。

如生產(chǎn)技術(shù)制定、物流與采購(gòu)、設(shè)備物資管理等業(yè)務(wù)缺乏信息系統(tǒng)的支持，雖然各個(gè)業(yè)務(wù)執(zhí)行部門(mén)都采用相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，但是所采用的系統(tǒng)并不能夠成體系，往往只是簡(jiǎn)單的工具，并且由于數(shù)據(jù)源類(lèi)型繁多，重復(fù)錄入嚴(yán)重，這些都是影響工作效率的重要因素。

通過(guò)對(duì)船舶制造流程及存在問(wèn)題的分析，本門(mén)運(yùn)用知識(shí)工程相關(guān)理論，構(gòu)建的船舶制造與管理模型如圖3 所示。

1)船舶生產(chǎn)計(jì)劃與管理

船舶生產(chǎn)計(jì)劃與管理源于知識(shí)庫(kù)與知識(shí)推理機(jī)制，知識(shí)庫(kù)中主要包括船舶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、物流需求清單、船舶生產(chǎn)計(jì)劃與管理成熟案例、生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的工藝要求與標(biāo)準(zhǔn)以及專家經(jīng)驗(yàn)。

2)主生產(chǎn)計(jì)劃

主生產(chǎn)計(jì)劃用于規(guī)劃產(chǎn)品交付日期、生產(chǎn)規(guī)模與數(shù)量等，在整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中起著承上啟下的作用。主生產(chǎn)計(jì)劃面對(duì)的對(duì)象為各通用設(shè)備及零部件，主要包括零部件欲投計(jì)劃、零部件追加計(jì)劃、粗能力計(jì)劃以及產(chǎn)品裝配計(jì)劃等。

圖3 船舶制造與管理模型Fig.3 The model for manufacturing and management

3)物料需求計(jì)劃

在主生產(chǎn)確定產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量之后，物料需求計(jì)劃開(kāi)始制定需要采購(gòu)和加工的原材料、零部件的種類(lèi)與數(shù)量，并制定相關(guān)物資管理規(guī)定。在船舶生產(chǎn)過(guò)程中，物料的使用占總成本的60%，因此明確、清晰的物料計(jì)劃與管理直接影響到船舶制造的進(jìn)度。

4)車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃

船舶生產(chǎn)車(chē)間主要有船體車(chē)間、電裝車(chē)間、輪機(jī)車(chē)間以及舾裝車(chē)間等。各個(gè)生產(chǎn)車(chē)間在得到主生產(chǎn)計(jì)劃與物料計(jì)劃后，根據(jù)各自車(chē)間承擔(dān)的工作任務(wù)及實(shí)際生產(chǎn)能力，協(xié)調(diào)與平衡各車(chē)間的作業(yè)計(jì)劃，主要包括生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、裝配進(jìn)度計(jì)劃、車(chē)間任務(wù)分配、零件工序臺(tái)帳等。

5)車(chē)間生產(chǎn)進(jìn)度控制

主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)督、工序調(diào)度、任務(wù)轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)與管理、成本核算等。

2 云框架下的船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)

目前，信息管理平臺(tái)主要采用3 種模式，分別為基于C/S 模式、基于B/S 模式、基于云計(jì)算模式。其中，C/S 模式包含服務(wù)器端和客戶端，能夠?yàn)橛脩籼峁┯押玫慕换ソ缑妫哂泻芎玫撵`活性和適應(yīng)性，但是在升級(jí)維護(hù)時(shí)，需要消耗的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用較大。B/S 模式下，用戶通過(guò)瀏覽器經(jīng)由Internet 訪問(wèn)服務(wù)器，該模式簡(jiǎn)化了客戶端，將開(kāi)發(fā)和維護(hù)集中到服務(wù)器端，但需要解決響應(yīng)速度、網(wǎng)絡(luò)堵塞等問(wèn)題。針對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于知識(shí)工程的船舶制造與管理模型，需要對(duì)大數(shù)據(jù)量的“知識(shí)”進(jìn)行獲取、分析、應(yīng)用、存儲(chǔ)的特點(diǎn)，采用云架構(gòu)，利用其海量數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)與管理技術(shù)、云平臺(tái)管理技術(shù)，搭建船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)。

云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本

云計(jì)算可以讓所有資源得到充分利用，包括價(jià)格昂貴的服務(wù)器以及各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2)資本支出轉(zhuǎn)移到運(yùn)營(yíng)成本

云計(jì)算使企業(yè)從資本支出轉(zhuǎn)移到運(yùn)營(yíng)開(kāi)支，使得客戶專注與增加在其職權(quán)范圍內(nèi)的核心價(jià)值，如業(yè)務(wù)和流程，而不是建立和維護(hù)IT 基礎(chǔ)設(shè)施。

3)反映迅速準(zhǔn)確

云計(jì)算可以為用戶提供按需實(shí)現(xiàn)的更快的設(shè)置，以及用戶所需要的資源。

4)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性

與大多數(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)(如在交通尖峰，過(guò)度購(gòu)買(mǎi)裝備，以適應(yīng)這些尖峰)相反，許多云服務(wù)能夠順利和有效地處理這些峰值規(guī)模，以更加符合成本效益的支付即用即付模式。

5)簡(jiǎn)化維護(hù)

云計(jì)算在修補(bǔ)程序和升級(jí)正在迅速部署在共享的基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)閿?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)提前備份。

面向云計(jì)算的船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 面向云計(jì)算的船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The architecture for shipbuilding information platform

圖中，船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)屬于基于服務(wù)形式為軟件服務(wù)(SaaS)的云計(jì)算信息管理系統(tǒng)。軟件服務(wù)通常依托面向服務(wù)架構(gòu)和Web service 技術(shù)。在面向服務(wù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展多個(gè)與船舶生產(chǎn)信息有關(guān)的Web 應(yīng)用，這些功能應(yīng)用模塊與界面平臺(tái)、中間件、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)溶浻布毓餐瑯?gòu)建了船舶生產(chǎn)信息管理云。

在本文的設(shè)計(jì)中，采用微軟的Windows Azure，通過(guò)Windows Azure 提供的Web 界面，終端用戶可以方便快捷地訪問(wèn)到云平臺(tái)提供的虛擬高性能計(jì)算基點(diǎn)和大容量存儲(chǔ)空間。Windows Azure 包括SQL、. NET、Live、SharePoint、Dynamics CRM 等 服 務(wù)，由于本文采用基于知識(shí)工程的船舶制造與控制模型，在知識(shí)的管理過(guò)程中，需要數(shù)據(jù)挖起技術(shù)的支持，而Azure ML 代表了分析技術(shù)的未來(lái)。它可以將統(tǒng)計(jì)/數(shù)學(xué)與ML、AI 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫整合。Azure 機(jī)器學(xué)習(xí)無(wú)需安裝任何軟件及復(fù)雜的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)Web 登錄Azure，便可以完成預(yù)測(cè)模型開(kāi)發(fā)與部署。

3 開(kāi)發(fā)工具、安全措施及費(fèi)用分析

3.1 平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具

根據(jù)提供服務(wù)類(lèi)型的不同，主要服務(wù)或產(chǎn)品情況如表1 所示。

表1 產(chǎn)品介紹Tab.1 Product introduction

如微軟公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)Windows Azure Platform 運(yùn)行在微軟數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，通過(guò)公共互聯(lián)網(wǎng)對(duì)外提供服務(wù)。包括Windows Azure， SQL Azure 和 Windows Azure AppFabric。其中，Windows Azure 可以視為一個(gè)云計(jì)算服務(wù)的操作系統(tǒng);SQL Azure 是云中的關(guān)系類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù);Windows Azure AppFabric 是一個(gè)基于Web 的開(kāi)發(fā)服務(wù)，作用是把現(xiàn)有應(yīng)用程序與云平臺(tái)連接，簡(jiǎn)化用戶認(rèn)證和互操作。開(kāi)發(fā)應(yīng)用到的技術(shù)包括ASP. NET，Sliverlight。

3.2 平臺(tái)安全措施

云平臺(tái)的安全性是用戶關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，要解決船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)的安全問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:

1)物理備份法

船舶生產(chǎn)信息是企業(yè)的重要資源信息，為避免因物理?yè)p壞、操作失誤等意外因素而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，可以建立多個(gè)服務(wù)器，進(jìn)行物理備份。

2)身份驗(yàn)證和訪問(wèn)管理

身份驗(yàn)證和方位管理包括SMAPI 認(rèn)證、最小權(quán)限用戶程序、證書(shū)和私鑰管理、基于SSL 相互驗(yàn)證的內(nèi)部流量控制等，確保只有通過(guò)身份驗(yàn)證的實(shí)體才能被許可訪問(wèn)。

3)信息加密

信息加密技術(shù)是利用數(shù)學(xué)或物理手段，對(duì)電子信息在傳輸過(guò)程中和存儲(chǔ)體內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，以防止泄漏的技術(shù)［6］。軟件保護(hù)主要方式包括序列號(hào)保護(hù)、時(shí)間限制、Key File 保護(hù)、CD -check、軟件狗、軟件與機(jī)器硬件結(jié)合等。

4)數(shù)據(jù)隔離

對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離，如根據(jù)操作系統(tǒng)和客戶虛擬機(jī)的隔離、Fabric 控制器的隔離、包過(guò)濾、VLAN 等的隔離，在物理上、邏輯上保證數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。

3.3 費(fèi)用評(píng)估

本文以Windows Azure 為例，對(duì)平臺(tái)費(fèi)用進(jìn)行評(píng)估。

1)計(jì)算實(shí)例時(shí)間，

以服務(wù)小時(shí)來(lái)度量，不足1 小時(shí)按1 小時(shí)，計(jì)費(fèi)情況如表2 所示。

表2 計(jì)費(fèi)情況Tab.2 Cost

2)數(shù)據(jù)庫(kù)

以SQL Azure DB 為例，分為網(wǎng)絡(luò)版和商業(yè)版。計(jì)費(fèi)情況如表3 所示。

表3 計(jì)費(fèi)情況Tab.3 Cost

3)虛擬機(jī)

Windows Azure 虛擬機(jī)定價(jià)模式與計(jì)算實(shí)例相同，虛擬機(jī)的費(fèi)用包含Windows Server 的許可費(fèi)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將知識(shí)工程理論、云計(jì)算引入到船舶生產(chǎn)信息管理當(dāng)中，提出了具有可操作性和實(shí)用性的船舶制造與管理模型及云架構(gòu)下的船舶生產(chǎn)信息平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該生產(chǎn)信息平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同工作、科學(xué)合理管理。

［1］蔣薇薇，潘燕華，莊西鳳，等.船舶制造企業(yè)基于BOM 的質(zhì)量信息集成模型研究［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2009(2):12 -15 +159.

［2］劉偉，薛學(xué)富，王韡.基于業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)的企業(yè)IT 整體架構(gòu)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011(4):15 -16.

［3］李躍新，胡婕，秦麗，等.知識(shí)工程技術(shù)與應(yīng)用案例［M］.北京:科學(xué)出版社，2006:1 -180.

［4］楊興林，嚴(yán)新發(fā)，趙良才.面向MC 的船舶敏捷制造系統(tǒng)特征及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.造船技術(shù)，2005(6):9 -13.

［5］方偉國(guó)，Bill Liu. 詳解微軟Windows Azure 云計(jì)算平臺(tái)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［6］信息加密技術(shù)［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/191185.htm