基于SOA的數(shù)控加工廠云制造平臺(tái)架構(gòu)

向 楨，高宏力

XIANG Zhen1, GAO Hong-li2

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽(yáng) 618000；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平直接體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)力水平。伴隨著制造全球化的發(fā)展，如何構(gòu)建一個(gè)可以降低成本、智能安全的企業(yè)動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能靈活運(yùn)營(yíng)運(yùn)作，已成為制造業(yè)企業(yè)亟待解決的問題。

近年來，云計(jì)算正在引導(dǎo)IT產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了資源的動(dòng)態(tài)部署，企業(yè)借助云計(jì)算，可以對(duì)新的業(yè)務(wù)環(huán)境做出快速反應(yīng)，實(shí)時(shí)處理更多的信息，降低管理成本，提高工作效率。作為一種新興的計(jì)算模式，云計(jì)算技術(shù)正在被越來越多的廠商所采用，如亞馬遜憑借存儲(chǔ)服務(wù)（S3）和彈性計(jì)算云（EC2）成為全球最成功的公共云服務(wù)中心之一，我國(guó)中化公司在IBM公司的指導(dǎo)下，搭建了“企業(yè)云計(jì)算平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)的虛擬化和管理[1]。

基于目前制造業(yè)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)[2]提出了一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式——云制造，為制造業(yè)企業(yè)如何應(yīng)對(duì)來自制造全球化的壓力提供了一種思路。本文以數(shù)控加工廠為例，構(gòu)建了基于SOA的云制造平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置，簡(jiǎn)化了設(shè)備的管理，提高了企業(yè)對(duì)新業(yè)務(wù)的快速反應(yīng)能力。這對(duì)提升數(shù)控加工企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，形成差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)企業(yè)的成功轉(zhuǎn)型具有重要意義。

1 云制造與SOA

1.1 云制造

云制造是一種利用網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái)，按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源，為用戶提供各類按需制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[2]。云制造主要面向制造業(yè)企業(yè)，將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所需的分散的資源和能力接入到制造云進(jìn)行整合，用戶通過連接制造云服務(wù)平臺(tái)訂制所需的制造能力和資源。從而實(shí)現(xiàn)制造資源的有效配置，降低生產(chǎn)成本和管理成本，提高企業(yè)效率。

如圖1所示，云制造架構(gòu)主要由三部分組成：

圖1 云制造示意圖

1）制造能力及資源

指產(chǎn)品全生命周期所需的資源的總和，包括制造業(yè)企業(yè)的設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)能力和加工設(shè)備等。

2）制造云

租用服務(wù)提供商的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等硬件設(shè)備搭建制造云的硬件平臺(tái)，通過感知器感知分散的制造能力及資源，將之虛擬接入制造云，最后對(duì)虛擬資源進(jìn)行封裝，形成云服務(wù)。根據(jù)云的部署模式和云的使用范圍，可以將制造云分為制造公云和制造私云[3,7]。

3）用戶

包括企業(yè)用戶和個(gè)人用戶，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)借助云制造平臺(tái)按需訂購(gòu)服務(wù)。

1.2 面向服務(wù)的架構(gòu)——SOA

面向服務(wù)的架構(gòu)（Service Oriented Architecture, SOA）是一種高層的架構(gòu)模型，它將一個(gè)企業(yè)的所有業(yè)務(wù)分為多個(gè)服務(wù)，將這些服務(wù)抽象到一個(gè)統(tǒng)一域，在這個(gè)統(tǒng)一域中使用這些服務(wù)，各個(gè)服務(wù)之間是獨(dú)立的，當(dāng)企業(yè)的業(yè)務(wù)需求改變時(shí)，這些服務(wù)被重新組合，構(gòu)成新的解決方案。在基于SOA架構(gòu)的系統(tǒng)中，應(yīng)用程序的功能是由一些松耦合的服務(wù)組合起來的，SOA為企業(yè)架構(gòu)增添了靈活性，使企業(yè)的IT系統(tǒng)能夠靈活的通過配置層快速適應(yīng)新的業(yè)務(wù)變化，而不是重新開發(fā)IT系統(tǒng)[4,5]。

SOA作為一個(gè)成熟的體系結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)樵浦圃煲氤墒斓墓ぷ髁鞒蘙6,8]。一個(gè)基于SOA的系統(tǒng)中，所有的功能都被定義為服務(wù)，所有的服務(wù)都是獨(dú)立的，云制造平臺(tái)利用SOA將企業(yè)的制造能力與資源以服務(wù)的形式提供給用戶，利用SOA架構(gòu)和虛擬化技術(shù)，整合制造能力和資源，借助網(wǎng)絡(luò)上租用的服務(wù)器群強(qiáng)大的處理能力，為用戶提供方便快捷的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的有序管理。

2 數(shù)控加工廠云制造平臺(tái)體系架構(gòu)

數(shù)控加工廠云制造平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示，云制造平臺(tái)由數(shù)控加工廠、制造云和用戶三部分組成。數(shù)控加工廠采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)模式，利用制造公云成本低的優(yōu)勢(shì)，將對(duì)用戶開放的應(yīng)用服務(wù)運(yùn)行在制造公云上，將安全要求高的關(guān)鍵性應(yīng)用服務(wù)運(yùn)行在制造私云上，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)到制造云的服務(wù)延伸。用戶可通過終端與制造云進(jìn)行信息交互，訂購(gòu)自己需要的服務(wù)。

圖2 云制造平臺(tái)架構(gòu)

2.1 數(shù)控加工廠SOA架構(gòu)

數(shù)控加工廠SOA架構(gòu)如圖3所示，所有程序和功能封裝在一個(gè)個(gè)服務(wù)中，數(shù)控廠通過總線的方式將這些服務(wù)組合起來，構(gòu)成需要的系統(tǒng)。數(shù)控加工廠的SOA架構(gòu)主要包括以下八類服務(wù)：

1）智能保障類服務(wù)

主要指智能保障機(jī)床正常運(yùn)行的服務(wù)，包括機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)、信號(hào)處理服務(wù)、機(jī)床故障預(yù)警服務(wù)、機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估服務(wù)等。智能保障類服務(wù)是融合云制造的數(shù)控加工廠SOA的核心組成部分。

2）工藝優(yōu)化類服務(wù)

主要指工藝優(yōu)化過程中涉及的相關(guān)服務(wù)，包括零件加工工藝分析服務(wù)、數(shù)控加工仿真服務(wù)、工藝決策專家系統(tǒng)服務(wù)、快速數(shù)控編程服務(wù)等。工藝優(yōu)化類服務(wù)是融合云制造的數(shù)控加工廠SOA的關(guān)鍵組成部分。

3）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理類服務(wù)

主要指整合現(xiàn)有資源，制定高效合理的生產(chǎn)計(jì)劃及與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的服務(wù)，包括智能化生產(chǎn)計(jì)劃管理及動(dòng)態(tài)調(diào)度服務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)工藝更改服務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)服務(wù)、加工原材料管理服務(wù)、刀具配套管理服務(wù)、工裝夾具管理服務(wù)、設(shè)備維修滾動(dòng)計(jì)劃及派工服務(wù)、機(jī)床精度檢測(cè)及點(diǎn)檢服務(wù)等。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理類服務(wù)是融合云制造的數(shù)控加工廠SOA的重要組成部分。

4）軟件開發(fā)類服務(wù)

主要指與軟件開發(fā)相關(guān)的服務(wù)，特別是關(guān)鍵核心算法的軟件開發(fā)服務(wù)，包括絲杠壽命預(yù)測(cè)算法開發(fā)服務(wù)、導(dǎo)軌壽命預(yù)測(cè)算法開發(fā)服務(wù)、主軸壽命預(yù)測(cè)算法開發(fā)服務(wù)、絲杠性能評(píng)估算法開發(fā)服務(wù)、導(dǎo)軌性能評(píng)估算法開發(fā)服務(wù)、主軸性能評(píng)估算法開發(fā)服務(wù)、工藝優(yōu)化算法開發(fā)服務(wù)等。

5）企業(yè)內(nèi)部信息管理類服務(wù)

主要指企業(yè)內(nèi)部運(yùn)作管理相關(guān)的服務(wù)，包括財(cái)務(wù)管理服務(wù)等。

6）企業(yè)日常管理類服務(wù)

主要指企業(yè)日常提供給用戶的服務(wù)，包括門戶網(wǎng)站建設(shè)服務(wù)、人事招聘服務(wù)和企業(yè)郵箱服務(wù)等。

圖3 數(shù)控加工廠SOA架構(gòu)

7）企業(yè)制造能力及資源訂制類服務(wù)

主要指用戶可訂制企業(yè)制造能力及資源類的服務(wù)，包括空閑設(shè)計(jì)能力訂制服務(wù)、空閑生產(chǎn)能力訂制服務(wù)和空閑加工設(shè)備訂制服務(wù)等。8）銷售及售后管理類服務(wù)

主要指負(fù)責(zé)產(chǎn)品銷售及售后，形成銷售業(yè)務(wù)解決方案類的服務(wù)，包括庫(kù)存服務(wù)、訂貨服務(wù)、發(fā)貨服務(wù)、客戶信息管理服務(wù)、退換貨管理服務(wù)等。

圖4 制造云架構(gòu)

2.2 制造云

數(shù)控加工廠的制造云架構(gòu)如圖4所示，主要包括基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層、平臺(tái)即服務(wù)層、軟件即服務(wù)層、服務(wù)管理層和用戶訪問層五個(gè)部分。制造云的本質(zhì)是通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供服務(wù)，基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層、平臺(tái)即服務(wù)層、軟件即服務(wù)層是制造云提供的不同層次的服務(wù)。根據(jù)服務(wù)的部署方式和服務(wù)的對(duì)象范圍，還可將制造云分為制造公云和制造私云。

1）基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）層

指基礎(chǔ)架構(gòu)層面的制造云服務(wù)，利用虛擬化技術(shù)，隱藏了復(fù)雜的物理資源?；A(chǔ)即架構(gòu)層包括硬件資源、服務(wù)器服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和存儲(chǔ)服務(wù)等，硬件資源指支撐制造云服務(wù)的各種物理設(shè)備，服務(wù)器服務(wù)提供給用戶虛擬的服務(wù)器環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供給用戶網(wǎng)絡(luò)處理的能力，存儲(chǔ)服務(wù)提供給用戶存儲(chǔ)能力，用戶可以利用基礎(chǔ)架構(gòu)層提供的各種服務(wù)靈活的搭建自己的應(yīng)用?；A(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的模型，集中對(duì)硬件資源進(jìn)行管理，降低了硬件維護(hù)費(fèi)用，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2）平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）層

平臺(tái)即服務(wù)層通過對(duì)基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)層的服務(wù)進(jìn)行封裝來提供更高級(jí)的服務(wù)，如中間件服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和軟件開發(fā)等，用戶可以利用這些高級(jí)服務(wù)搭建自己的應(yīng)用。平臺(tái)即服務(wù)能夠靈活的擴(kuò)展和調(diào)配資源，加快軟件開發(fā)速度，降低軟件開發(fā)成本。

3）軟件即服務(wù)（SaaS）層

軟件即服務(wù)層為用戶提供軟件應(yīng)用服務(wù)。包括智能保障系統(tǒng)、工藝優(yōu)化系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部信息管理系統(tǒng)、企業(yè)日常管理系統(tǒng)、銷售及售后管理系統(tǒng)和企業(yè)制造能力及資源訂制系統(tǒng)等。數(shù)控廠將應(yīng)用軟件部署在服務(wù)器上，免除了數(shù)控廠和客戶的終端服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全等軟硬件的升級(jí)維護(hù)工作，數(shù)控廠無需配備專門的IT管理人員和維護(hù)人員，客戶通過用戶終端和互聯(lián)網(wǎng)即可訂購(gòu)需要的服務(wù)。

4）服務(wù)管理層

服務(wù)管理層提供對(duì)制造云服務(wù)的管理功能。服務(wù)管理主要分為業(yè)務(wù)層面和IT層面，在業(yè)務(wù)層，系統(tǒng)需要提供業(yè)務(wù)正常運(yùn)作所需的各種功能，在IT層，系統(tǒng)對(duì)提供給用戶的各種IT服務(wù)的生命周期進(jìn)行統(tǒng)一管理[1]。

5）用戶訪問層

用戶訪問層是方便用戶使用制造云服務(wù)所需的各種支撐服務(wù)，包括服務(wù)訪問、訂閱管理和服務(wù)目錄等。服務(wù)訪問為各種層次的制造云服務(wù)提供訪問接口，訂閱管理提供對(duì)服務(wù)的管理功能，服務(wù)目錄是服務(wù)的列表，用戶可以根據(jù)需要從中選擇需要使用的制造云服務(wù)[1]。

3 云制造平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著我國(guó)制造業(yè)水平的提升，數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)械加工領(lǐng)域的重要設(shè)備，企業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的依賴程度也越來越高。下面圍繞數(shù)控機(jī)床，對(duì)構(gòu)建的數(shù)控加工廠云制造平臺(tái)的核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入闡述，主要包括數(shù)控機(jī)床智能保障系統(tǒng)、工藝優(yōu)化系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用管理系統(tǒng)等。

圖5 云制造平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)系示意圖

云制造平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)之間的關(guān)系如圖5所示，智能保障系統(tǒng)、工藝優(yōu)化系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用程序獨(dú)立于數(shù)據(jù)的邏輯表示與存儲(chǔ)，減少了數(shù)據(jù)的冗余，保證了數(shù)據(jù)的完整和安全，縮短了用戶開發(fā)應(yīng)用程序的時(shí)間。

3.1 數(shù)控機(jī)床智能保障系統(tǒng)

企業(yè)生產(chǎn)過程中，隨著數(shù)控機(jī)床性能的退化，機(jī)床故障率逐漸升高，增加了企業(yè)的維護(hù)成本，影響企業(yè)生產(chǎn)效率。為保證數(shù)控機(jī)床安全可靠的連續(xù)運(yùn)行，盡量減少故障停機(jī)時(shí)間并延長(zhǎng)機(jī)床的工作周期，本文架構(gòu)的數(shù)控加工廠云制造平臺(tái)引入了數(shù)控機(jī)床智能保障系統(tǒng)。

如圖6所示，數(shù)控機(jī)床智能保障系統(tǒng)由信號(hào)處理模塊、機(jī)床故障預(yù)警模塊、機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。信號(hào)處理模塊提取的信號(hào)敏感特征輸入到機(jī)床故障預(yù)警模塊，機(jī)床故障預(yù)警模塊提前預(yù)警機(jī)床的故障，機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估模塊實(shí)時(shí)評(píng)估機(jī)床狀態(tài)，為機(jī)床的維修維護(hù)提供參考。

3.2 工藝優(yōu)化系統(tǒng)

工藝優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，工藝分析結(jié)果和仿真結(jié)果輸入到專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)決策出最優(yōu)工藝，數(shù)控編程模塊根據(jù)決策出的最優(yōu)工藝生成相應(yīng)的加工代碼。各個(gè)模塊的輸出結(jié)果交由數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理，同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)為各個(gè)模塊提供必要的數(shù)據(jù)支持。

圖6 智能保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 工藝優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)

圖8 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖8所示，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)管理系統(tǒng)由生產(chǎn)計(jì)劃制定及作業(yè)調(diào)度模塊、資源保障模塊、設(shè)備維修與維護(hù)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。其中，生產(chǎn)計(jì)劃制定及作業(yè)調(diào)度模塊主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)劃的管理及調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)工藝的更改、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)等工作；資源保障模塊主要負(fù)責(zé)原材料、刀具、工裝夾具等資源的管理工作；設(shè)備維修與維護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)備的滾動(dòng)維修、機(jī)床精度檢測(cè)、點(diǎn)檢等工作。

4 結(jié)束語

云制造體系架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)的靈活運(yùn)營(yíng)運(yùn)作提供了新的思路和解決方案，基于SOA的云制造平臺(tái)作為企業(yè)服務(wù)型制造實(shí)施的重要支撐手段，也是當(dāng)前服務(wù)型制造領(lǐng)域需要探索的重要方向。目前主要是從不同的側(cè)面和程度對(duì)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作平臺(tái)進(jìn)行了概念模型的研究，關(guān)于云制造還有很多實(shí)際問題亟待解決。本文以數(shù)控加工廠為例建立的基于SOA的數(shù)控加工廠云制造平臺(tái)架構(gòu)，抓住了云制造面向服務(wù)這一本質(zhì)，企業(yè)可在整合內(nèi)部資源的同時(shí)將具有不同優(yōu)勢(shì)的生產(chǎn)性服務(wù)企業(yè)和服務(wù)性生產(chǎn)企業(yè)組織起來，為顧客提供產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)，滿足客戶日益增長(zhǎng)的個(gè)性化和多樣化需求，是對(duì)云制造體系研究的有益探索。

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