基于云制造的電加工工藝智能云平臺(tái)

袁春梅，楊曉冬，陳　濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

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基于云制造的電加工工藝智能云平臺(tái)

袁春梅，楊曉冬，陳濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：面對(duì)全球正在孕育興起的新一輪工業(yè)革命及“中國制造2025”的實(shí)行，分析了我國電加工行業(yè)存在的問題和需求，并將云制造思想應(yīng)用到電加工領(lǐng)域，提出了電加工的云制造模式。在此基礎(chǔ)上，研究了基于云制造的電加工云平臺(tái)的體系構(gòu)架、運(yùn)行原理、電加工知識(shí)表示方法及云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：電加工；云制造；云平臺(tái)；知識(shí)表示

當(dāng)前，全球正處于以信息技術(shù)為核心的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合成為制造業(yè)革命的突出特征。2012年2月，美國提出了“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”，其重心可概括為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展。德國于2013年4月推出了“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略，旨在掀起一場基于虛擬網(wǎng)絡(luò)-實(shí)體物理系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）的革命，它對(duì)制造業(yè)的發(fā)展構(gòu)想是企業(yè)建立全球網(wǎng)絡(luò)，將各種制造資源進(jìn)行整合，融入到CPS中，實(shí)現(xiàn)各種資源信息的自由交換、觸發(fā)調(diào)動(dòng)，從根本上改變傳統(tǒng)的制造過程，實(shí)現(xiàn)制造智能化［1］。

我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展存在著“信息化”過量、“工業(yè)化”不足的弊端，在當(dāng)前全球背景下，我國也順應(yīng)時(shí)代要求，努力轉(zhuǎn)變制造業(yè)發(fā)展模式，提出了“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略。在繼續(xù)大力發(fā)展先進(jìn)工業(yè)技術(shù)的同時(shí)，緊盯新的信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)向，實(shí)現(xiàn)二者共同進(jìn)步，推進(jìn)二者的深度融合［2］。

作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，電加工方法已成為模具制造業(yè)的主要加工方法，推動(dòng)了模具行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但在如今的制造業(yè)背景下，電加工行業(yè)也必須充分融入“中國制造2025”，致力于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和發(fā)展，否則就會(huì)被淘汰［3］。目前我國電加工技術(shù)發(fā)展非常迅速、企業(yè)眾多，卻處于一種多而不強(qiáng)的尷尬境遇，而造成這種局面的原因在于電加工企業(yè)大多面臨著以下難題：

（1）電加工主要應(yīng)用于模具制造領(lǐng)域，而我國的模具制造企業(yè)多以中小企業(yè)為主，存在著機(jī)床設(shè)備資源低端且類型單一、資金短缺的問題，企業(yè)難以滿足模具加工精度要求不斷提高的需求。

（2）電加工過程復(fù)雜，大多數(shù)中小企業(yè)的電加工工藝數(shù)據(jù)庫貧乏，使用戶在生產(chǎn)過程中需不斷地摸索和試驗(yàn)，加大了加工成本。

（3）電加工工藝知識(shí)復(fù)雜，設(shè)計(jì)人才匱乏，缺乏專門的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化團(tuán)隊(duì)，導(dǎo)致企業(yè)加工工藝落后、產(chǎn)品合格率低及原材料浪費(fèi)。

（4）電加工企業(yè)與科研院所間缺少相互交流合作的平臺(tái)，不能實(shí)現(xiàn)電加工信息及資源的互通有無和優(yōu)勢互補(bǔ)，造成了資源浪費(fèi)。

（5）電加工企業(yè)之間、企業(yè)和消費(fèi)者之間沒有信息交互平臺(tái)，導(dǎo)致不能很好地滿足市場需求。存在有些企業(yè)有富余的電加工機(jī)床、閑置的加工能力，卻沒有加工訂單，而消費(fèi)者有產(chǎn)品加工需求，卻沒有找到合適生產(chǎn)廠家的情況。

針對(duì)上述問題，有必要搭建一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，快速對(duì)社會(huì)上的電加工資源進(jìn)行整合，在人才、技術(shù)和制造等方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)?！肮I(yè)4.0”所提倡的智能化制造及吸引中小企業(yè)的思想對(duì)解決我國電加工企業(yè)的難題具有很大的借鑒意義。而“工業(yè)4.0”的核心思想與云制造技術(shù)不謀而合，云制造是基于“制造即服務(wù)”的理念、在云計(jì)算思想的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式［4］。云制造模式的提出為解決電加工行業(yè)目前所面臨的上述問題提供了一種可行的思路［5］。本文根據(jù)國內(nèi)電加工企業(yè)存在的問題，結(jié)合云制造的思想，構(gòu)建了電加工云平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，并做了相關(guān)研究與討論，其目的是實(shí)現(xiàn)電加工企業(yè)及用戶之間的信息化合作，促進(jìn)電加工行業(yè)的發(fā)展。

1　電加工云平臺(tái)的體系架構(gòu)

云制造是在云計(jì)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其關(guān)鍵是構(gòu)建一個(gè)公共的云制造服務(wù)平臺(tái)，即云平臺(tái)。本文基于云計(jì)算的服務(wù)模式，參照云制造的多層構(gòu)架體系［6］，提出了電加工智能云平臺(tái)的體系架構(gòu)，其總體上包括3層：客戶端、電加工云平臺(tái)和電加工資源層（圖1）。

圖1　電加工云服務(wù)平臺(tái)體系架構(gòu)

（1）資源層又稱基礎(chǔ)設(shè)施層，作為整個(gè)云平臺(tái)的基礎(chǔ)，為云平臺(tái)提供電加工資源。

（2）電加工云平臺(tái)通過物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)虛擬化等技術(shù)將電加工資源接入云平臺(tái)，形成電加工虛擬資源層［7-8］，為用戶提供電加工資源、電加工能力等服務(wù)。虛擬資源層實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電加工資源的簡化抽象和虛擬化處理，將實(shí)體資源轉(zhuǎn)化為信息資源，再將這些資源進(jìn)行封裝發(fā)布，供用戶使用。服務(wù)運(yùn)行工具層由云平臺(tái)運(yùn)營方提供，主要包括資源的注冊發(fā)布、搜索匹配、電加工服務(wù)的組合調(diào)度等模塊，實(shí)現(xiàn)電加工資源提供用戶和需求用戶對(duì)資源和云服務(wù)的便捷使用；另外，由于電加工資源繁多且加工需求復(fù)雜多樣，所以在服務(wù)運(yùn)行工具層加入電加工需求分析模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)需求用戶提出的加工需求的具體分析，初步縮小資源需求的范圍，提高資源搜索匹配的效率和準(zhǔn)確率。電加工應(yīng)用層是電加工云平臺(tái)的核心服務(wù)層，基于智能技術(shù)提供各種電加工工藝決策［9-10］等云服務(wù)。接入云平臺(tái)的電加工資源通過注冊的形式在平臺(tái)上進(jìn)行發(fā)布，形成各類電加工云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)資源的智能搜索匹配和調(diào)用。電加工智能云平臺(tái)在一般云平臺(tái)模式的基礎(chǔ)上還增加了反饋層，主要包括意見反饋、在線溝通及云服務(wù)反饋與評(píng)價(jià)3個(gè)部分。其中，意見反饋是針對(duì)資源需求用戶和資源提供用戶對(duì)云平臺(tái)提出反饋意見的，云平臺(tái)運(yùn)營方在接收到這些意見后，對(duì)其中一些可取的地方進(jìn)行改進(jìn)，保證云平臺(tái)能更好地滿足用戶的需求；在線溝通是為資源需求用戶和資源提供用戶提供另一種更直接的溝通方式，需求用戶在輸入加工需求后，通過在線搜索匹配找到相應(yīng)的資源提供用戶，進(jìn)行在線直接溝通和線下直接交易；由于電加工云平臺(tái)提供的一系列云服務(wù)是通過云平臺(tái)系統(tǒng)的知識(shí)匹配等生成的，與實(shí)際的加工結(jié)果相比可能存在一定的差異，所以加入了云服務(wù)反饋與評(píng)價(jià)的模塊，可在一定程度上提高理論與實(shí)際的結(jié)合，減少這種差異。管理層的主要功能為保障電加工資源服務(wù)的合理部署、電加工云平臺(tái)參與用戶的規(guī)范化操作以及電加工資源和用戶信息的安全性。

（3）客戶端為云服務(wù)平臺(tái)的用戶提供訪問入口，包括各種電加工資源需求者、資源提供者及以云平臺(tái)管理人員為主體的云平臺(tái)運(yùn)營方。

2　電加工云平臺(tái)的運(yùn)行原理

電加工云平臺(tái)的運(yùn)行原理見圖2。電加工資源提供用戶將擁有的電加工制造資源和制造能力通過虛擬化封裝后，注冊發(fā)布到電加工云平臺(tái)資源池中，各種資源集成形成電加工云平臺(tái)的資源庫，電加工云平臺(tái)在資源庫的基礎(chǔ)上提供一系列云服務(wù)。當(dāng)電加工資源需求用戶在電加工整個(gè)生命周期內(nèi)具有某種電加工需求時(shí)，通過云平臺(tái)的注冊發(fā)布工具對(duì)電加工需求進(jìn)行發(fā)布，并通過搜索工具在云平臺(tái)資源庫中匹配合適的電加工資源及電加工云服務(wù)，而匹配結(jié)果將會(huì)反饋給供需雙方，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的在線或線下服務(wù)［11］。另外，資源需求用戶在使用云平臺(tái)提供的資源和云服務(wù)解決加工需求的過程中，可能產(chǎn)生新的工藝知識(shí)、加工資源及加工能力，需求用戶可作為新的資源提供用戶將相應(yīng)的知識(shí)、資源和加工能力發(fā)布到電加工云平臺(tái)中。

3　電加工知識(shí)表示與云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

研究電加工智能云平臺(tái)的主要目的在于實(shí)現(xiàn)電加工領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)的充分交流、促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展，所以知識(shí)是整個(gè)電加工智能云平臺(tái)的基礎(chǔ)和載體。那么，選擇合適的知識(shí)表示方法、將知識(shí)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于電加工智能云平臺(tái)是至關(guān)重要的。現(xiàn)有的知識(shí)表示方法眾多，同一知識(shí)有時(shí)可采取多種方法表示，但與之相應(yīng)的表示效果可能截然不同。此外，電加工工藝知識(shí)等具有復(fù)雜性、模糊性和不確定性的特點(diǎn)，所以如何從眾多知識(shí)表示方法中選擇最合適的方法實(shí)現(xiàn)電加工知識(shí)的有效表示，使智能云平臺(tái)能利用這些知識(shí)提供準(zhǔn)確的云服務(wù)是亟待解決的。

圖2　電加工云平臺(tái)運(yùn)行原理

目前較常用的知識(shí)表示方法主要有：謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示法、框架表示法、面向?qū)ο笾R(shí)表示法、本體表示法等［12］。相對(duì)于其他方法，面向?qū)ο蠓ê捅倔w表示法具有更廣泛的表示范圍、更完備且更具模塊性和結(jié)構(gòu)性的表示能力、計(jì)算效率更高等優(yōu)點(diǎn)。而與本體表示法相比，面向?qū)ο笾R(shí)表示法更易理解且更易實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)于復(fù)雜多樣的電加工知識(shí)，面向?qū)ο笾R(shí)表示法更適用［13］。

而在眾多的面向?qū)ο缶幊陶Z言中，以Java語言與C++語言的使用最為廣泛。與C++語言相比，Java語言簡單易學(xué)，摒棄了C++語言中易混淆的概念。另外，Java語言具有與平臺(tái)無關(guān)的優(yōu)勢，編寫的程序不會(huì)因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)等的變化而出現(xiàn)錯(cuò)誤或無法運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)“一次寫成，處處運(yùn)行”。

電加工智能云平臺(tái)包含的知識(shí)內(nèi)容廣泛、功能模塊豐富、結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，主要包括門戶界面的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與連接和邏輯控制等3個(gè)部分。Java語言的特點(diǎn)使其能很好地滿足電加工智能云平臺(tái)的編程需求。其中，JSP（Java Server Pages）用于門戶界面的編寫；Java Servlet用于控制邏輯的實(shí)現(xiàn)，具體功能是對(duì)客戶端發(fā)送至云平臺(tái)的請求生成響應(yīng)，再通過云平臺(tái)返回給客戶端；JDBC（Java Data Base Connectivity）用于對(duì)云平臺(tái)中各個(gè)數(shù)據(jù)庫的編寫和連接。

4　結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前的制造業(yè)國際背景及電加工企業(yè)所面臨的問題與需求，構(gòu)建了基于云制造的電加工云平臺(tái)的體系構(gòu)架，對(duì)平臺(tái)體系的各層次功能及平臺(tái)的運(yùn)行原理進(jìn)行了分析。同時(shí)，結(jié)合電加工工藝知識(shí)的特點(diǎn)，對(duì)常見的知識(shí)表示方法進(jìn)行了比較，確定了面向?qū)ο笾R(shí)表示方法，并在此基礎(chǔ)上確定了Java語言體系的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式。云制造與電加工相結(jié)合的應(yīng)用模式必將為電加工領(lǐng)域開拓一個(gè)新的發(fā)展空間。

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Electromachining Cloud Platform Based on Cloud Manufacturing

Yuan Chunmei，Yang Xiaodong，Chen Tao
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Abstract：Facing the rise of a new worldwide industrial revolution and the implementation of the " China manufacturing 2025"，the exist problems and demand in China electromachining field are analyzed，then applying the thought of cloud manufacturing to electromachining field，and an electromachining model based on cloud manufacturing is proposed. On this basis，the system architecture，the operating principle，the method of representing EDM knowledge and the platform′s network implementation of EDM cloud platform based on cloud manufacturing are studied.

Key words：electromachining；cloud manufacturing；cloud platform；knowledge representation

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）02－0011-04

收稿日期：2016-02-01

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（ZD2015009）

第一作者簡介：袁春梅，女，1993年生，碩士研究生。