面向3D打印云服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)研究

劉永輝，尹作重，黃雙喜，馬國(guó)軍，劉 華

（1.海爾集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，青島266103；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；3.清華大學(xué) 自動(dòng)化系國(guó)家CIMS工程技術(shù)研究中心，北京 100084）

面向3D打印云服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)研究

劉永輝1，尹作重2，黃雙喜3，馬國(guó)軍1，劉 華1

（1.海爾集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，青島266103；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；3.清華大學(xué) 自動(dòng)化系國(guó)家CIMS工程技術(shù)研究中心，北京 100084）

在分析互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代制造業(yè)向大規(guī)模定制方向發(fā)展必然規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)面向3D打印云服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)進(jìn)行了深入研究。對(duì)3D打印云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行了介紹，分析了3D打印云服務(wù)平臺(tái)的基本功能，在此基礎(chǔ)上提出了3D打印云服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)；論述了3D打印云服務(wù)平臺(tái)研究中涉及的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)建設(shè)了面向高端家電家居產(chǎn)品個(gè)性化定制的3D打印云服務(wù)平臺(tái)—天馬行空網(wǎng)，并對(duì)其功能與架構(gòu)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和商業(yè)模式進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述。

3D打?。辉品?wù)平臺(tái)；大規(guī)模定制；網(wǎng)絡(luò)化；社會(huì)化制造

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)商品的需求逐漸趨向多樣化、個(gè)性化和碎片化[1]。與提供同質(zhì)化產(chǎn)品和服務(wù)的大規(guī)模制造相比，大規(guī)模定制化生產(chǎn)能夠提供滿足消費(fèi)個(gè)體需求的產(chǎn)品和服務(wù)[2,3]，因而代表了未來的發(fā)展方向。盡管許多企業(yè)正在大力推行大規(guī)模定制戰(zhàn)略，目前仍然面臨許多困難。首先，定制化的程度受到企業(yè)需求、制造能力、競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)現(xiàn)狀等的限制[4]，而依靠現(xiàn)有的技術(shù)能夠有效支撐實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的產(chǎn)品范圍較小。其次，企業(yè)要想通過快速響應(yīng)來供應(yīng)定制化產(chǎn)品，需具備很高的產(chǎn)品交付能力要求，特別是融合需求獲取、加工柔性和物流三者的能力，而現(xiàn)有技術(shù)同樣難以有效支撐。因此，人們呼喚出現(xiàn)一種新的具有高度柔性的生產(chǎn)技術(shù)和復(fù)雜系統(tǒng)來快速獲取和響應(yīng)用戶的個(gè)性化需求[5]。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)和3D打印[6,7]等技術(shù)的出現(xiàn)，新定制趨勢(shì)正在出現(xiàn)并且逐漸滲透到人們生活的各個(gè)方面。首先，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能夠快速獲取和響應(yīng)人們的個(gè)性化需求，導(dǎo)致消費(fèi)用戶的個(gè)性化產(chǎn)品需求在持續(xù)增長(zhǎng)。其次，智能制造[8]的趨勢(shì)在不斷增長(zhǎng)。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、3D打印等新興技術(shù)的出現(xiàn)為提高生產(chǎn)率、優(yōu)化供應(yīng)鏈和降低成本等提供了更加豐富的有效手段。最后，出現(xiàn)了具有低參與門檻的社會(huì)化制造[9]趨勢(shì)，人們既是產(chǎn)品和服務(wù)的消費(fèi)者，又是設(shè)計(jì)者。生產(chǎn)者和消費(fèi)者的界限開始變得模糊，并進(jìn)行融合[10]。

3D打印[6,7]又稱“增材制造”、“快速成形”等，是一種通過材料逐層堆積、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品無模成形的數(shù)字化制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印能夠直接制造出幾乎任意復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，因而能夠大幅度減少對(duì)復(fù)雜制造過程的依賴性。經(jīng)過幾十年技術(shù)的發(fā)展特別是新材料的研發(fā)，3D打印技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車、教育等眾多領(lǐng)域[11～13]，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制化提供了一種便捷的技術(shù)手段和強(qiáng)大的推動(dòng)力。

當(dāng)前，眾多3D打印設(shè)備逐漸應(yīng)用到社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域，但是大多數(shù)應(yīng)用仍然為制造新產(chǎn)品研發(fā)過程中的原型樣機(jī)。如果將這些分散、閑置的3D打印機(jī)特別是工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備配置到供應(yīng)鏈系統(tǒng)中，社會(huì)化制造的生產(chǎn)力水平將會(huì)快速提高[14,15]。近年來，一些新興公司以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造了一個(gè)3D打印設(shè)備共享平臺(tái)，使人們能夠?qū)⒍ㄖ葡敕焖僮兂蓪?shí)際產(chǎn)品，例如3DHubs公司。另一個(gè)著名的公司是Shapeways，它不僅利用3D打印技術(shù)為客戶定制他們自己設(shè)計(jì)的各種產(chǎn)品，還為客戶提供了銷售其創(chuàng)意產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。其他著名的3D打印定制化云服務(wù)平臺(tái)還包括比利時(shí)的i.materialise，新西蘭的Ponoko，法國(guó)的Sculpteo，中國(guó)的叁迪網(wǎng)、意造網(wǎng)，美國(guó)的Cubify Cloud和Kraftwurx等。

3D打印云服務(wù)平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制提供了技術(shù)支撐。一方面，人們的個(gè)性化需求通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行表達(dá)和快速響應(yīng)；另一方面，分散的3D打印設(shè)備資源被聯(lián)網(wǎng)共享、在平臺(tái)上匯集并且在線調(diào)用，形成一個(gè)全球化、快捷的定制化實(shí)現(xiàn)環(huán)境。盡管目前一些商業(yè)的3D打印云服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)出現(xiàn)并且運(yùn)作良好，但是在相關(guān)理論方面的研究才剛剛起步。本文首先對(duì)3D打印云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行了介紹，分析了3D打印云服務(wù)平臺(tái)的基本功能，在此基礎(chǔ)上提出了3D打印云服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)；重點(diǎn)論述了3D打印云服務(wù)平臺(tái)涉及的關(guān)鍵技術(shù)；最后設(shè)計(jì)建設(shè)了面向高端家電家居產(chǎn)品個(gè)性化定制的3D打印云服務(wù)平臺(tái)—天馬行空網(wǎng)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，平臺(tái)取得了較好的效果。

1 3D打印云服務(wù)平臺(tái)業(yè)務(wù)概述

圖1 3D打印云服務(wù)平臺(tái)個(gè)性化定制流程圖

3D打印云服務(wù)平臺(tái)是利用3D打印技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，來滿足消費(fèi)用戶個(gè)性化定制需求的云服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)上集合了普通消費(fèi)用戶、設(shè)計(jì)師、3D打印生產(chǎn)服務(wù)商等主要利益群體，建成一個(gè)開放的3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈（如圖1所示）。普通消費(fèi)用戶可以直接選擇符合自己需求的已有3D產(chǎn)品模型，或者通過平臺(tái)上提供的易用設(shè)計(jì)軟件完成自己的個(gè)性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)，甚至可以在平臺(tái)網(wǎng)站上找到專業(yè)設(shè)計(jì)師幫助自己實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師可以在平臺(tái)網(wǎng)站上出售自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)并按特定比例提成，也可以與消費(fèi)用戶溝通交流，進(jìn)行創(chuàng)意的更改和完善。3D打印生產(chǎn)服務(wù)商則通過3D打印技術(shù)制造出滿足用戶需求的個(gè)性化商品，并配送到用戶手中。

2 3D打印云服務(wù)平臺(tái)體系架構(gòu)

2.1 平臺(tái)基本功能

3D打印云服務(wù)平臺(tái)需具備下述基本功能：

1）用戶管理

用戶管理主要負(fù)責(zé)維護(hù)3D打印云服務(wù)平臺(tái)中的多種用戶信息，為多方用戶提供一致的人員信息管理；同時(shí)，為3D打印云服務(wù)平臺(tái)的所有用戶提供訪問各種服務(wù)的統(tǒng)一訪問入口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一安全的用戶認(rèn)證和單點(diǎn)登錄。

2）云打印服務(wù)

云打印服務(wù)是3D打印云服務(wù)平臺(tái)的核心功能之一。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：用戶將設(shè)計(jì)好的3D模型上傳到3D打印云服務(wù)平臺(tái)，然后選擇打印材料、顏色、數(shù)量、后處理等要求后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成訂單信息，用戶在線付款后完成下單；平臺(tái)接收訂單后，通過一定的篩選機(jī)制將訂單分配給平臺(tái)上的某個(gè)3D打印生產(chǎn)服務(wù)商；該3D打印生產(chǎn)服務(wù)商接收并確認(rèn)訂單信息后開始加工；加工完成后，給用戶發(fā)貨；用戶收到產(chǎn)品，在平臺(tái)上對(duì)產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，該評(píng)價(jià)反饋計(jì)算得出該生產(chǎn)服務(wù)商最新的累計(jì)口碑評(píng)價(jià)系數(shù)；云打印服務(wù)完成。

3）創(chuàng)意需求發(fā)布

創(chuàng)意需求發(fā)布主要為用戶提供在線創(chuàng)意需求發(fā)布功能，幫助他們找到合格的設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)。創(chuàng)意需求經(jīng)平臺(tái)審核成功發(fā)布之后即對(duì)所有設(shè)計(jì)服務(wù)資源公開。

4）資源注冊(cè)發(fā)布

資源注冊(cè)發(fā)布主要實(shí)現(xiàn)3D打印設(shè)備資源、設(shè)計(jì)服務(wù)資源和3D設(shè)計(jì)軟件資源等各類資源在平臺(tái)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化描述、注冊(cè)和發(fā)布，資源成功發(fā)布之后即成為可供選擇的虛擬資源。

5）創(chuàng)意服務(wù)撮合管理

創(chuàng)意服務(wù)撮合管理主要是對(duì)注冊(cè)發(fā)布成功的服務(wù)資源和需求進(jìn)行集成管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)需求與服務(wù)資源之間的優(yōu)化選擇和智能配置。

6）云平臺(tái)交易管理

云平臺(tái)交易管理可為云平臺(tái)交易過程提供全方位的支持，負(fù)責(zé)交易實(shí)例的創(chuàng)建、運(yùn)行、監(jiān)控、異常處理及評(píng)價(jià)記錄；同時(shí)具有第三方資金支付監(jiān)管、服務(wù)交易的維權(quán)和投訴管理等功能，可實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)交易的透明化、公平化監(jiān)控和管理。主要包括服務(wù)交易信息管理、服務(wù)交易實(shí)例管理、支付平臺(tái)集成管理、服務(wù)交易維權(quán)管理和服務(wù)投訴舉報(bào)管理等功能。

7）業(yè)務(wù)信用評(píng)估與分析

業(yè)務(wù)信用評(píng)估與分析功能對(duì)平臺(tái)的交易主體和業(yè)務(wù)建立信用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用相關(guān)信用反饋機(jī)制和評(píng)價(jià)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)云平臺(tái)相關(guān)服務(wù)業(yè)務(wù)的信用評(píng)估和分析。

2.2 平臺(tái)體系架構(gòu)

基于上述對(duì)3D打印云服務(wù)平臺(tái)及其基本功能的論述分析，本文提出了面向3D打印云服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)，如圖2所示。

2.3 層次功能描述

3D打印云服務(wù)平臺(tái)體系架構(gòu)包括以下八層結(jié)構(gòu)：

圖2 3D打印云服務(wù)平臺(tái)體系架構(gòu)圖

1）資源層

該層通過匯聚3D打印生產(chǎn)服務(wù)商、設(shè)計(jì)師、3D軟件、金融服務(wù)、物流配送等各類資源到3D打印云服務(wù)平臺(tái)，提供相關(guān)資源支持，覆蓋從需求—?jiǎng)?chuàng)意設(shè)計(jì)—專業(yè)設(shè)計(jì)—打印制造—物流配送等整個(gè)服務(wù)過程。

2）基礎(chǔ)支撐層

基礎(chǔ)支撐層是3D打印云服務(wù)平臺(tái)位于硬件層之上的基礎(chǔ)層。3D打印云服務(wù)平臺(tái)需運(yùn)用IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）的設(shè)備管理模式，為云平臺(tái)提供運(yùn)行基礎(chǔ)支撐環(huán)境，包括：

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源：3D打印云服務(wù)平臺(tái)提供平臺(tái)正常運(yùn)行所需的各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源并對(duì)其進(jìn)行描述，包括云服務(wù)器、云數(shù)據(jù)庫(kù)和其他云存儲(chǔ)介質(zhì)等。其中云服務(wù)器需具備性能的可擴(kuò)展性，云數(shù)據(jù)庫(kù)不僅需要能夠滿足在多個(gè)云服務(wù)器上的分組，還需要能夠應(yīng)用于以下三種運(yùn)行模式：1）獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)；2）共享數(shù)據(jù)庫(kù)、隔離數(shù)據(jù)架構(gòu)；3）共享數(shù)據(jù)庫(kù)、共享數(shù)據(jù)架構(gòu)。

（2）網(wǎng)絡(luò)資源：3D打印云服務(wù)平臺(tái)提供平臺(tái)正常運(yùn)行所需的網(wǎng)絡(luò)資源并對(duì)其進(jìn)行描述，詳細(xì)包括Internet、Intranet、Extranet和無線網(wǎng)絡(luò)等所搭建形成的云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、使用節(jié)點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)吞吐量等信息。

3）平臺(tái)集成運(yùn)行環(huán)境層

平臺(tái)集成運(yùn)行環(huán)境層是提高平臺(tái)運(yùn)行效率與安全的關(guān)鍵層。3D打印云服務(wù)平臺(tái)具備對(duì)服務(wù)平臺(tái)集成運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控管理的基本工具集，具體實(shí)現(xiàn)功能包括：

（1）QoS（服務(wù)質(zhì)量）：QoS能夠支持FIFO、PQ、CQ、FQ、WFQ、CBWFQ、LLQ等排隊(duì)策略，支持RSVP資源預(yù)留協(xié)議，支持CAR、SPD，支持WRED擁塞避免，支持流量整形，從而解決服務(wù)網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題。

（2）安全管理：3D打印云服務(wù)平臺(tái)提供統(tǒng)一的安全服務(wù)，主要包括硬件安全、網(wǎng)絡(luò)安全，以及完善的數(shù)據(jù)存取安全策略、用戶權(quán)限認(rèn)證體系、系統(tǒng)日志記錄等。

（3）運(yùn)行監(jiān)控：3D打印云服務(wù)平臺(tái)對(duì)平臺(tái)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)異常事件進(jìn)行提前預(yù)警，主要監(jiān)控對(duì)象包括平臺(tái)數(shù)據(jù)流量、并發(fā)用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)響應(yīng)速率等。

4）持久化服務(wù)層

持久化服務(wù)層是位于數(shù)據(jù)庫(kù)與模型對(duì)象間的中間層。3D打印云服務(wù)平臺(tái)需設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的持久化服務(wù)，采用持久化中間件等方式對(duì)數(shù)據(jù)、服務(wù)、流程邏輯進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的業(yè)務(wù)對(duì)象提供編程接口，執(zhí)行相關(guān)操作，例如讀、寫或修改一個(gè)或多個(gè)持久性數(shù)據(jù)。

5）引擎層

3D打印云服務(wù)平臺(tái)需開發(fā)一系列引擎，為云平臺(tái)管理工具的研發(fā)提供基層支持。各引擎的劃分原則及設(shè)計(jì)原則秉承引擎內(nèi)高內(nèi)聚、引擎間低耦合的特性，并充分考慮云平臺(tái)的特性（包括云計(jì)算和云存儲(chǔ)等），能夠以服務(wù)集的方式為上層提供便捷的集成支持。包括3D互動(dòng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品在線瀏覽、模型智能檢測(cè)與修復(fù)、創(chuàng)意交易撮合、交易結(jié)算、負(fù)載均衡、任務(wù)管理資源調(diào)度、模型數(shù)據(jù)保護(hù)和平臺(tái)主體信用評(píng)估等引擎。

6）工具層

3D打印云服務(wù)平臺(tái)方為平臺(tái)用戶提供友好人機(jī)交互應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的易操作性和功能的便捷性，支持資源與需求的方便注冊(cè)、發(fā)布、搜索匹配、交易，以及業(yè)務(wù)管理、買賣雙方信用評(píng)價(jià)和交互社區(qū)創(chuàng)建等，包括在線創(chuàng)意設(shè)計(jì)工具、云打印工具、創(chuàng)意需求發(fā)布工具、創(chuàng)意出售工具、商城選購(gòu)工具等。

7）訪問層

訪問層是用戶與平臺(tái)交互操作的終端接入層。3D打印云服務(wù)平臺(tái)支持多種不同終端的接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同終端的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性兼容，終端類型可能包括傳統(tǒng)PC終端，智能移動(dòng)終端，專用終端及其他終端。

8）用戶層

用戶層是直接面向用戶并服務(wù)于用戶的關(guān)鍵層。3D打印云服務(wù)平臺(tái)提供方需設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)用戶層的功能，用戶層是為用戶提供訪問和瀏覽服務(wù)的交互界面、提供用戶需求注冊(cè)發(fā)布服務(wù)，是用戶與系統(tǒng)間信息交互的窗口。

3 3D打印云服務(wù)平臺(tái)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于3D打印的個(gè)性化定制服務(wù)模式

如何針對(duì)消費(fèi)者在文化創(chuàng)意、智能家居、工業(yè)產(chǎn)品等不同領(lǐng)域的個(gè)性化需求，研究基于3D打印的個(gè)性化定制服務(wù)模式[16]是3D打印云服務(wù)平臺(tái)需要首先解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。該模式需要支持在產(chǎn)品個(gè)性化定制不同階段、不同角色之間的協(xié)同工作，需要有良好的運(yùn)營(yíng)服務(wù)模式和盈利模式，需要支持從需求獲取—?jiǎng)?chuàng)意設(shè)計(jì)—專業(yè)設(shè)計(jì)—3D打印制造及裝配—物流配送等服務(wù)全過程，探索建立“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”的創(chuàng)新服務(wù)模式。

3.2 基于Web的交互式3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)支持用戶基于Web交互式創(chuàng)意設(shè)計(jì)的3D設(shè)計(jì)引擎是3D打印云服務(wù)平臺(tái)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。在線交互式3D設(shè)計(jì)引擎需要支持互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端等多種接入形式，能夠在線實(shí)現(xiàn)外觀形狀設(shè)計(jì)、材料材質(zhì)選取、色彩/紋理/圖案設(shè)計(jì)、環(huán)境建模，支持用戶在線開展協(xié)作式虛擬設(shè)計(jì)、產(chǎn)品效果瀏覽與展示，實(shí)現(xiàn)將需求與創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成為工業(yè)設(shè)計(jì)作品。

3.3 3D模型知識(shí)產(chǎn)權(quán)自動(dòng)保護(hù)技術(shù)

3D打印云服務(wù)平臺(tái)能夠基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選擇3D打印生產(chǎn)服務(wù)商來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程3D打印，但目前的3D打印云服務(wù)平臺(tái)缺乏知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制[17]。3D模型數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)的傳輸過程中很容易被非法擴(kuò)散和被竊取，給設(shè)計(jì)師或者模型提供者造成損失；同樣，在3D模型數(shù)據(jù)發(fā)送到3D打印生產(chǎn)服務(wù)商后，也存在被3D打印生產(chǎn)服務(wù)商非法打印或擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。3D模型知識(shí)產(chǎn)權(quán)自動(dòng)保護(hù)技術(shù)需要研究面向3D打印的模型數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，建立模型數(shù)據(jù)全流程主動(dòng)保護(hù)機(jī)制，從而保護(hù)和激發(fā)設(shè)計(jì)師和普通大眾的創(chuàng)新熱情。

3.4 基于大數(shù)據(jù)的創(chuàng)意交易管理技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)、3D打印制造等技術(shù)將極大地激發(fā)與釋放人們的創(chuàng)新激情，3D打印產(chǎn)品創(chuàng)意呈現(xiàn)海量増長(zhǎng)趨勢(shì)[18]。如何從海量創(chuàng)意中優(yōu)化存儲(chǔ)和檢索，從數(shù)據(jù)分析獲得更多更有用的數(shù)據(jù)信息，并將結(jié)果反饋給用戶；以及如何針對(duì)海量創(chuàng)意數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型和工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行綜合評(píng)估、定價(jià)議價(jià)和供需交易等，都是基于大數(shù)據(jù)的創(chuàng)意交易管理技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.5 分布式3D打印云制造服務(wù)技術(shù)

3D打印云服務(wù)平臺(tái)將社會(huì)上分散、閑置的3D打印設(shè)備資源聯(lián)網(wǎng)共享、聚集并且在線調(diào)用，形成一個(gè)全球化的、快速響應(yīng)的分布式3D打印定制化生產(chǎn)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造[9,14,15]或者泛在制造。分布式3D打印云制造服務(wù)技術(shù)就是研究如何對(duì)分布式3D打印制造服務(wù)實(shí)現(xiàn)有效和智能化的管理和調(diào)用等，具體包括3D打印設(shè)備云端接入、3D云打印制造服務(wù)描述、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、服務(wù)匹配和智能排產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)。

4 典型應(yīng)用案例

4.1 天馬行空網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)功能與架構(gòu)

圖3 天馬行空網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的部分界面

圖4 天馬行空網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的系統(tǒng)性功能架構(gòu)

天馬行空網(wǎng)（http://www.tmxk3d.com）是海爾集團(tuán)基于上述平臺(tái)體系架構(gòu)理念開發(fā)的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的面向高端家居家電產(chǎn)品個(gè)性化定制的3D打印云服務(wù)平臺(tái)。它構(gòu)建了一個(gè)3D數(shù)據(jù)處理服務(wù)、創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)、展示、制造和銷售為一體的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，可為創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、3D打印生產(chǎn)服務(wù)商、終端消費(fèi)用戶等提供網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化定制和交易服務(wù)，天馬行空網(wǎng)的部分功能界面如圖3所示。其平臺(tái)系統(tǒng)性功能架構(gòu)如圖4所示。

4.2 天馬行空網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)商業(yè)模式與運(yùn)營(yíng)效果

1）應(yīng)用模式

針對(duì)普通用戶，除了方便用戶在線選購(gòu)自己喜歡的創(chuàng)意設(shè)計(jì)產(chǎn)品，還借鑒軟件即服務(wù)（Software as a Service，SAAS）模式，通過提供各類免費(fèi)服務(wù)來吸引更多的個(gè)人用戶：將3D模型數(shù)據(jù)處理軟件重構(gòu)為免費(fèi)的在線數(shù)據(jù)處理服務(wù),為用戶提供基于網(wǎng)絡(luò)的3D云打印服務(wù)；將3D設(shè)計(jì)軟件重構(gòu)為易用的模型在線建構(gòu)服務(wù)，為用戶提供3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)服務(wù)；還搭建了創(chuàng)意需求發(fā)布和撮合平臺(tái)，用戶可以提出自己的創(chuàng)意需求，尋找設(shè)計(jì)師為其量身定制專屬產(chǎn)品。

針對(duì)設(shè)計(jì)師，可以在天馬行空網(wǎng)免費(fèi)開設(shè)個(gè)人品牌店鋪并出售創(chuàng)意設(shè)計(jì)作品。設(shè)計(jì)作品上傳后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)不同材料的打印成本，然后再加上設(shè)計(jì)師想要獲得的設(shè)計(jì)收益，便是最終的產(chǎn)品銷售價(jià)格；當(dāng)有用戶購(gòu)買這件產(chǎn)品時(shí)，天馬行空網(wǎng)將通過其強(qiáng)大的3D云打印網(wǎng)絡(luò)工廠完成產(chǎn)品生產(chǎn)并配送給用戶；交易完成后，天馬行空網(wǎng)將扣除打印費(fèi)用和少量的交易費(fèi)并向設(shè)計(jì)師支付設(shè)計(jì)收益。針對(duì)3D打印生產(chǎn)服務(wù)商，通過云端接入將傳統(tǒng)的線下打印服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上服務(wù)，圍繞免費(fèi)3D設(shè)計(jì)和3D模型數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)報(bào)價(jià)與能力匹配，擴(kuò)展其服務(wù)能力和服務(wù)范圍。

2）運(yùn)營(yíng)狀況與效益

經(jīng)過兩年時(shí)間的建設(shè)，該平臺(tái)已經(jīng)建立超過50萬件的零部件模型資源庫(kù)，能夠支持基于STL、OBJ文件格式的動(dòng)態(tài)3D預(yù)覽和支持STL，OBJ，3DS，3DM等主流數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；能夠有效支持3D模型數(shù)據(jù)缺陷識(shí)別和智能修復(fù)，模型修復(fù)率經(jīng)測(cè)試可達(dá)90%以上，達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類網(wǎng)站的領(lǐng)先水平。可支持超過1000個(gè)并發(fā)訪問需求，響應(yīng)時(shí)間小于5s，基本滿足產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)者對(duì)于設(shè)計(jì)平臺(tái)的使用需求；已吸納注冊(cè)用戶200萬人，設(shè)計(jì)師15萬名，實(shí)現(xiàn)銷售收入3000萬元以上。

5 結(jié)束語

作為“互聯(lián)網(wǎng)+”與3D打印等先進(jìn)制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，3D打印云服務(wù)平臺(tái)能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的個(gè)性化產(chǎn)品及服務(wù)需求，因而具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。一方面，它使消費(fèi)者享有多種類定制化產(chǎn)品成為現(xiàn)實(shí)，甚至允許他們自己設(shè)計(jì)和創(chuàng)作自己的產(chǎn)品[10]；另一方面，它能夠使企業(yè)或生產(chǎn)商進(jìn)行按需生產(chǎn)來節(jié)約成本和提高利潤(rùn)，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)從大規(guī)模制造向大規(guī)模定制的轉(zhuǎn)型。此外，平臺(tái)能夠吸引各類資源的匯聚，帶動(dòng)相關(guān)創(chuàng)意設(shè)計(jì)、材料、電子商務(wù)、物流等諸多產(chǎn)業(yè)的集群式發(fā)展。今后將通過更深入的理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)3D打印個(gè)性化定制創(chuàng)新商業(yè)模式的應(yīng)用推廣，為我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家提供技術(shù)支撐。

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Study on the architectural structure of 3D printing cloud service platform

LIU Yong-hu1, YIN Zuo-zhong2, HUANG Shuang-xi3, MA Guo-jun1, LIU Hua1

TB391；TH166

：A

1009-0134(2017)06-0145-05

2017-05-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAF04B02）

劉永輝（1978 -），男，山東萊陽人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)?D打印、個(gè)性化定制和智能制造等。