面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造應(yīng)用模式及關(guān)鍵技術(shù)研究

，，，，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023)

近年來，以云計算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來了新的契機，一種新的制造模式——云制造(Cloud manufacturing, CM)逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究與應(yīng)用的重點和熱點，其借鑒云計算思想[1]，以“制造即服務(wù)”為理念，為制造業(yè)由生產(chǎn)型轉(zhuǎn)型為服務(wù)型提出了一個嶄新模式.現(xiàn)有的研究較多地聚焦于云制造的概念建立和技術(shù)探索，還沒有形成對具體實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義的云制造平臺，這也是今后云制造需要研究的重要內(nèi)容.產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Industry alliance)是指企業(yè)間結(jié)成的互相協(xié)作和資源整合的一種合作模式[2]，它共同尋求新的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品定位和產(chǎn)品協(xié)作，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)部的健康發(fā)展.一般地，聯(lián)盟成員限于某行業(yè)內(nèi)的企業(yè)或是同一產(chǎn)業(yè)鏈各個組成部分的跨行業(yè)企業(yè)，如特種設(shè)備行業(yè)多數(shù)已成立了相關(guān)聯(lián)盟，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟這一模式能以行業(yè)之力降低潛在的風(fēng)險，并有助于實現(xiàn)聯(lián)盟內(nèi)部的資源調(diào)配優(yōu)化，從而成為企業(yè)優(yōu)勢互補、拓展發(fā)展空間、提高行業(yè)競爭力和實現(xiàn)超常規(guī)發(fā)展的重要手段.

云制造基于互聯(lián)網(wǎng)為更有效提升產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)整體制造能力提供了平臺支撐，一方面云制造能夠有效集成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員企業(yè)的各種優(yōu)勢制造資源，在行業(yè)內(nèi)形成共享的資源池；另一方面通過優(yōu)化組合利用這些資源提升企業(yè)自身的競爭優(yōu)勢.為此，以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟作為云制造的應(yīng)用對象不僅具有重要的學(xué)術(shù)價值，同時也有重要的實際意義，將進(jìn)一步有效激發(fā)企業(yè)的積極性，更好地提高我國制造業(yè)水平.筆者針對產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)的特征，提出面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造(Cloud manufacturing for industry alliance, CMIA)的概念，對其含義、框架、制造服務(wù)描述和建模技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了研究，并給出了面向電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造服務(wù)平臺，驗證了CMIA模式的可行性和有效性.

1 相關(guān)研究

設(shè)計適合于制造企業(yè)特點的云制造模式，并在該模式下對制造服務(wù)進(jìn)行描述和建模具有重要意義，不僅能夠界定制造服務(wù)的適用對象、應(yīng)用范圍、建模方法以及資源使用策略，而且也直接影響到云制造平臺的有效性和實用性.

在云制造應(yīng)用模式研究方面，李伯虎等[3-5]提出了公有制造云和私有制造云的概念，并將云制造平臺劃分為物理資源層、虛擬資源層、核心服務(wù)層、應(yīng)用接口層和應(yīng)用層；尹超等[6]提出了一種面向中小企業(yè)的云制造應(yīng)用模式，對相關(guān)共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討；邰德藝等[7]借鑒多功能開放型企業(yè)供需網(wǎng)思想，提出了基于企業(yè)合作的云制造服務(wù)模式，并設(shè)計了基于資源合作的中小企業(yè)云制造平臺；尹翰坤等[8]在針對汽摩零部件新產(chǎn)品研究中，提出了一種汽摩零部件云制造服務(wù)平臺總體框架；顧新建等[9]針對我國模具行業(yè)現(xiàn)存問題和需求，提出了一個模具行業(yè)需求驅(qū)動云制造服務(wù)平臺；戰(zhàn)德臣等[10]在研究集團(tuán)企業(yè)存在資源和能力重復(fù)建設(shè)問題基礎(chǔ)上，提出了面向集團(tuán)企業(yè)的云制造服務(wù)模式；吳曉曉等[11]面向航天領(lǐng)域，提出了基于資源集約、支持集團(tuán)集中管控、面向成員單位的資源共享、面向成員單位研制協(xié)同、對外協(xié)作的云制造應(yīng)用模式；王時龍等[12]提出了面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)體的云制造服務(wù)平臺；Lu等[13]提出了混合云制造，指出其是由兩種或多種云平臺共同組成的，以滿足企業(yè)不同時期不同需求；范文慧等[14-15]針對不同的云制造平臺之間存在異構(gòu)性和不兼容性等問題，提出了基于聯(lián)邦模式的云制造.

在云制造服務(wù)描述研究方面，尹超等[16]提出了一個包含輸入、輸出、約束條件及成功效果組成的四元組云制造服務(wù)定義對制造服務(wù)進(jìn)行描述；尹翰坤等[17]提出了包含云制造服務(wù)相關(guān)信息、提供的功能、服務(wù)效果和狀態(tài)信息的四元集合對制造服務(wù)進(jìn)行描述；朱李楠等[18]提出了制造資源的五元屬性集合(資源云標(biāo)志、基本屬性集合、功能屬性集合、綜合評價信息、資源狀態(tài)屬性)云表述模型；鄭浩等[19]提出了一種包含資源標(biāo)志、基本屬性、功能屬性、使用屬性和物理-虛擬映射的五元組對云制造虛擬資源進(jìn)行形式化描述；任磊等[20]在對云制造資源虛擬化研究中，將虛擬化后的資源抽象形式化描述為包含物理制造資源統(tǒng)一標(biāo)志、基本信息、主要功能、非功能性特征、動態(tài)變化狀態(tài)信息和制造任務(wù)負(fù)荷情況共六個屬性的元組；李慧芳等[21]提出了一個包含基本信息、所屬類別、狀態(tài)信息、功能信息和質(zhì)量的制造云服務(wù)形式化描述五元組模型.

在云制造服務(wù)建模研究方面，黃沈權(quán)等[22]結(jié)合制造云服務(wù)建模需求，提出了支持演化的云服務(wù)元建模框架；鄭浩等[19]提出了一種適宜云制造模式的虛擬資源建模和優(yōu)化組合方法；黃劍等[23]提出了多維度制造資源本體語義建模和制造資源元模型概念；朱李楠等[24]提出了基于云制造體系結(jié)構(gòu)的雙層資源模型對制造服務(wù)進(jìn)行建模.

針對以上應(yīng)用模式的特點及應(yīng)用領(lǐng)域，筆者進(jìn)行了歸納、總結(jié)，如表1所示.

表1 云制造應(yīng)用模式的特點與應(yīng)用領(lǐng)域Table1 Characteristics and application of cloud manufacturing application model

現(xiàn)有的研究針對云制造的應(yīng)用范圍、制造特點提出了不同的云制造應(yīng)用模式；針對廣義云制造服務(wù)描述和建模問題，提出了云制造服務(wù)描述N元組模型和云制造服務(wù)建?？蚣芗跋嚓P(guān)模型.然而，并不能很好地適應(yīng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)的實際需求，其主要原因有：

1) 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不適合采用私有云制造應(yīng)用模式，私有云中主要面向某個大型企業(yè)，其所提供的制造服務(wù)是相對封閉的，而產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)之間是松散的關(guān)系，既有合作也有競爭，通過私有云的方式將導(dǎo)致制造資源和制造能力的過度共享，不利于保護(hù)優(yōu)勢企業(yè)的積極性；產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也不適合采用公有云制造應(yīng)用模式，公有云中的制造服務(wù)是開放的，這意味著云制造服務(wù)主要是通用型的制造服務(wù)，難以集成可靠、完善和個性化的制造服務(wù)，這一特征往往使公有云制造演變?yōu)橐话阋饬x上的信息獲取的平臺，難以有效滿足產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)實際制造需求.

2) 采用N元組模型對云制造服務(wù)描述，雖然保證了服務(wù)的語義化、形式化描述，但無法保證海量的、錯綜復(fù)雜的云制造服務(wù)進(jìn)行高效、快捷和準(zhǔn)確的管理.

3) 現(xiàn)有云制造建模框架及模型并不能保證產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟產(chǎn)品中共性特征的復(fù)用和個性特征定制.

由于產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)已經(jīng)達(dá)成某種制度約束，共同致力于本產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和制造水平的提高，已經(jīng)存在某種產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或制度，而且聯(lián)盟企業(yè)必須要遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，如特種設(shè)備產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，這一潛在的標(biāo)準(zhǔn)或制度約束決定了聯(lián)盟企業(yè)具有共性的制造需求，使得制造服務(wù)更有價值，因此從本質(zhì)上說，面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)的云制造是一種具有契約關(guān)系的基于互聯(lián)網(wǎng)的云服務(wù)平臺，在形式上屬于橫向可擴展的社區(qū)云.通過對云制造服務(wù)進(jìn)行多粒度層次化劃分，可實現(xiàn)云制造服務(wù)的高效管理，通過對產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的特征進(jìn)行分析，構(gòu)建領(lǐng)域模型，可實現(xiàn)產(chǎn)品共性特征的復(fù)用和個性特征的定制過程.

2 CMIA應(yīng)用模式

2.1 CMIA的概念

以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)為應(yīng)用對象，根據(jù)聯(lián)盟企業(yè)間既競爭又協(xié)作的特點，提出面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造CMIA的概念，為聯(lián)盟企業(yè)提供共性制造服務(wù)和個性化制造服務(wù)，以提升聯(lián)盟企業(yè)整體制造水平，其定義如下：

定義1面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造(CMIA)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的以服務(wù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)為主旨的制造模式，它基于領(lǐng)域思想規(guī)劃和制造服務(wù)建模，在提供優(yōu)質(zhì)共性制造服務(wù)的同時，又能夠提供個性化制造服務(wù)，從而提升聯(lián)盟企業(yè)的整體制造水平.

CMIA的目標(biāo)是為產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)建立一個制造服務(wù)發(fā)布、制造服務(wù)獲取、制造服務(wù)組合和制造服務(wù)使用并且能夠?qū)χ圃旆?wù)監(jiān)管的公共服務(wù)平臺，不僅可以方便地獲取共性制造服務(wù)，而且也可以獲取適合企業(yè)特點的個性化制造服務(wù).CMIA使用角色主要可以歸納為4種：

1) 云制造平臺運營者.是CMIA的第三方，負(fù)責(zé)平臺維護(hù)和技術(shù)服務(wù)，監(jiān)管制造服務(wù)的真實性和有效性，為成員提供信譽評價.

2) 制造服務(wù)提供者.聯(lián)盟企業(yè)擁有的制造服務(wù)在經(jīng)過審核后可以注冊接入制造服務(wù)資源池中，并根據(jù)制造服務(wù)的價值和使用次數(shù)獲取相應(yīng)的收益.

3) 制造服務(wù)使用者.注冊審核通過的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)可以通過平臺提供的功能使用其中的共性制造服務(wù)，也可以根據(jù)本企業(yè)需求定制個性化制造服務(wù)，并按需為提供者支付一定的費用.

4) 監(jiān)管部門.負(fù)有產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)監(jiān)管職責(zé)的部門，實現(xiàn)對聯(lián)盟企業(yè)的監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)制訂、聯(lián)盟組織討論等，可以通過云制造平臺獲得聯(lián)盟企業(yè)規(guī)定公開的產(chǎn)品審核數(shù)據(jù).

根據(jù)以上成員角色，CMIA的概念模型如圖1所示.

圖1 CMIA概念模型Fig.1 CMIA conceptual model

2.2 CMIA的框架

CMIA的框架包括5層架構(gòu)，即資源虛擬化層、服務(wù)資源層、服務(wù)管理層、服務(wù)引擎層和企業(yè)用戶層，同時支持這5層運行的有相應(yīng)的支撐環(huán)境，其框架如圖2所示.

1) 資源虛擬化層.該層涵蓋了分布在不同地理位置的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)全生命周期所涉及到的制造服務(wù)硬件和軟件資源、人力資源、信息資源、服務(wù)資源、知識資源及其他資源，并通過2G/3G/4G、有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳感器、條形碼、二維碼、RFID和攝像頭等技術(shù)和設(shè)備對資源進(jìn)行感知和描述；運用分布式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬終端技術(shù)等中間件，將感知的制造相關(guān)資源云端化虛擬接入CMIA平臺中，實現(xiàn)制造資源物理的互聯(lián)和互操作.

2) 服務(wù)資源層.從服務(wù)的類別看，制造服務(wù)包括與產(chǎn)品制造全生命周期相關(guān)的所有服務(wù)，如產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)、產(chǎn)品分析服務(wù)、產(chǎn)品加工服務(wù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)服務(wù)等.該層存儲了與本產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟企業(yè)相關(guān)的制造服務(wù)，這些制造服務(wù)包括共性的制造服務(wù)，以及個性化制造服務(wù)，如產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)、有限元分析服務(wù)、零部件加工服務(wù)、裝配服務(wù)、仿真服務(wù)、工藝設(shè)計服務(wù)和成本預(yù)算服務(wù)等，以及監(jiān)管部門所提供的檢測服務(wù)、標(biāo)庫管理服務(wù)和審核認(rèn)證服務(wù)等.

3) 服務(wù)管理層.該層主要針對制造服務(wù)進(jìn)行管理，包括服務(wù)建模、服務(wù)開發(fā)、服務(wù)描述、服務(wù)訪問控制策略和服務(wù)組合策略等功能.

4) 服務(wù)引擎層.該層主要針對服務(wù)的使用，包括服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)注冊、服務(wù)匹配、服務(wù)演化、服務(wù)組合、服務(wù)部署、服務(wù)交易和服務(wù)評估等功能.

5) 用戶層.該層為聯(lián)盟企業(yè)、監(jiān)管部門和平臺運營者等，提供統(tǒng)一、高效和安全的UI接口，通過可視化操作界面，可以透明地使用已經(jīng)訂購的制造服務(wù)，也可以將制造服務(wù)注冊到服務(wù)資源庫中，同時還可以發(fā)布需求、投標(biāo)招標(biāo)和云社區(qū)互動等；監(jiān)管部門通過該平臺對產(chǎn)品進(jìn)行檢測、實驗、認(rèn)證和反饋等.

上述5層是CMIA的核心功能，為支撐CMIA的運行，需要配置相應(yīng)的支撐環(huán)境，包括硬件環(huán)境、軟件環(huán)境、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟協(xié)議和安全協(xié)議等.

圖2 CMIA平臺的框架架構(gòu)Fig.2 CMIA platform framework

2.3 CMIA運行模式

CMIA平臺的運行模式如圖3所示.一方面，首先對用戶的需求訂單進(jìn)行分析與研究，并根據(jù)其制定任務(wù)方案和抽象建模；然后由聯(lián)盟專家組通過云制造服務(wù)平臺中的相關(guān)構(gòu)件對產(chǎn)品設(shè)計計算領(lǐng)域模型進(jìn)行構(gòu)建，接著將領(lǐng)域模型封裝成設(shè)計計算服務(wù)，并基于粒度思想將制造服務(wù)劃分為原子服務(wù)、復(fù)合服務(wù)和產(chǎn)品服務(wù)，最后注冊到產(chǎn)品設(shè)計計算服務(wù)庫中.

圖3 CMIA運行模式Fig.3 CMIA platform product manufacturing activities of the operating mode

另一方面，按照產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品從物料生產(chǎn)到產(chǎn)品零件、部件和產(chǎn)品組裝等各個制造過程環(huán)節(jié)，分別封裝為對應(yīng)的原子服務(wù)、復(fù)合服務(wù)和產(chǎn)品服務(wù)三個粒度的制造服務(wù)，最后注冊到產(chǎn)品加工制造服務(wù)庫中.接著將以上兩個服務(wù)庫聚合到云制造平臺服務(wù)庫中，由平臺相關(guān)構(gòu)件對產(chǎn)品服務(wù)進(jìn)行匹配、組合和調(diào)用等配置，得到制造計劃和制造方案流程，據(jù)此由聯(lián)盟企業(yè)或外協(xié)企業(yè)對產(chǎn)品進(jìn)行加工制造、組裝，最后在監(jiān)管部門對產(chǎn)品的檢測認(rèn)證合格后，進(jìn)行批量生產(chǎn)并投入市場.

3 多粒度層次化制造服務(wù)描述技術(shù)

3.1 制造服務(wù)粒度劃分

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中的企業(yè)分布在不同地理位置上，制造活動涉及的環(huán)節(jié)很多，貫穿于產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期的制造服務(wù)具有較大的異構(gòu)性，這就要求CMIA中的制造服務(wù)具有靈活的可組合特征，從而為企業(yè)靈活選擇和組合服務(wù)提供基礎(chǔ)，提高資源的利用率，實現(xiàn)“集中資源分散服務(wù)，分散資源集中使用”的目的.

基于粒度思想提出了一種多粒度層次化制造服務(wù)劃分方法.根據(jù)制造服務(wù)的基本功能，將其劃分為不同粒度的制造服務(wù).將粒度值為1的服務(wù)稱為原子服務(wù)，它表示功能是不可再分的；將粒度值為2的服務(wù)稱為復(fù)合服務(wù)，它表示是由若干原子服務(wù)通過組合而成的；將粒度值為3的服務(wù)稱為產(chǎn)品服務(wù)，這些服務(wù)是由原子服務(wù)和復(fù)合服務(wù)組合而成，且可以直接使用的服務(wù).粒度值從一個側(cè)面表征了服務(wù)的復(fù)雜程度和可使用特征.根據(jù)該思想，將制造服務(wù)劃分為3類：

1) 原子服務(wù).粒度值等于1，實現(xiàn)一定功能的且不可再分的制造服務(wù).如電梯導(dǎo)軌部件的彎矩設(shè)計服務(wù).

2) 復(fù)合服務(wù).粒度等于2，由若干原子服務(wù)組成，能獨立完成某一部件的設(shè)計或制造的制造服務(wù).如電梯導(dǎo)軌部件的設(shè)計服務(wù).

3) 產(chǎn)品服務(wù).粒度等于3，由若干原子服務(wù)或復(fù)合服務(wù)組成，能獨立完成某一產(chǎn)品設(shè)計或制造的制造服務(wù)，如乘客電梯設(shè)計服務(wù).

以上3類服務(wù)之間通過服務(wù)的“組合關(guān)系”相互映射，復(fù)合服務(wù)通過組合多個原子服務(wù)的功能完成較為復(fù)雜的部件制造，且多個復(fù)合服務(wù)可以共享一個原子服務(wù)；產(chǎn)品服務(wù)通過組合多個復(fù)合服務(wù)完成某一產(chǎn)品的制造，該服務(wù)根據(jù)聯(lián)盟企業(yè)實際需求可被共享，單制造過程相互隔離，相互透明.這3類服務(wù)自底向上構(gòu)成了一個金字塔的形狀，如圖4所示.

圖4 多粒度層次化制造服務(wù)間的映射關(guān)系Fig.4 Mapping relationship between multi-granularity manufacturing service

多粒度層次化服務(wù)在提高服務(wù)靈活性的同時，為快速響應(yīng)用戶需求提供了一種有效途徑.在根據(jù)用戶需求組合服務(wù)時，可采用自頂向下的組合思路，先看是否有產(chǎn)品級的服務(wù)能夠滿足需求；如果沒有，則可以先組合復(fù)合服務(wù)；最后再組合原子服務(wù).這樣能夠提高服務(wù)組合的效率，減少服務(wù)組合的成本.而且多粒度層次化制造服務(wù)也為服務(wù)演化提供了快速求解方法，能夠根據(jù)已有的組合方案快速地演化出所需要服務(wù).

圖5 電梯多粒度層次化制造服務(wù)Fig.5 Multi-level hierarchical manufacturing services for elevator

圖5給出了一個電梯特種設(shè)備設(shè)計計算服務(wù)實例，將電梯特種設(shè)備的設(shè)計服務(wù)劃分為原子制造服務(wù)、復(fù)合制造服務(wù)和產(chǎn)品制造服務(wù)，這三種不同粒度的制造服務(wù)具有清晰的映射關(guān)系，即能夠提高制造服務(wù)的靈活性，又能夠提高制造服務(wù)的復(fù)用程度.同時這種層次關(guān)系也能夠快速地為聯(lián)盟企業(yè)定制出個性化的制造服務(wù)，提高制造服務(wù)的組合效率.

與已有的研究[16-21]相比，本方法將制造活動過程的所有服務(wù)按照其功能屬性或服務(wù)對象結(jié)構(gòu)劃分為3個不同粒度，在服務(wù)查詢、服務(wù)匹配、服務(wù)組合和服務(wù)調(diào)用等云制造服務(wù)管理操作中，能夠更加層次化、清晰、快速和準(zhǔn)確地響應(yīng)用戶的需求，實現(xiàn)云制造服務(wù)的高效管理.

3.2 基于本體的制造服務(wù)描述

CMIA利用本體技術(shù)對制造服務(wù)進(jìn)行描述，以實現(xiàn)智能化的服務(wù)查詢、服務(wù)組合.本體是客觀存在的一個系統(tǒng)的解釋和說明，是對共享概念模型的明確、形式化的規(guī)范說明[25].常用的Web服務(wù)本體描述語言是OWL-S，它包含服務(wù)配置文件(Service profile)、服務(wù)基礎(chǔ)(Service grounding)和服務(wù)模型(Service model)三大組件，其中Service profile和Service model的主要功能是通過對Web服務(wù)的抽象描述來為服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與組合做技術(shù)支撐，而Service grounding 則主要是用于怎樣來描述服務(wù)及訪問服務(wù).

Service profile類描述了云制造服務(wù)的基本信息、功能屬性和非功能屬性.通過Service profile類對云制造服務(wù)的描述，可以快速準(zhǔn)確響應(yīng)制造服務(wù)使用者與制造服務(wù)提供者之間的語義匹配.基于制造服務(wù)?；乃枷?，采用三大組件中的Service profile描述類對CMIA制造服務(wù)資源進(jìn)行描述，其對CMIA制造服務(wù)的定義如下：

定義2CMIA制造服務(wù)是一個八元組WS=，其中：ID表示制造服務(wù)的標(biāo)識；Name表示制造服務(wù)的名稱；Input表示制造服務(wù)的輸入?yún)?shù)；Output表示制造服務(wù)的輸出參數(shù)；Granularity表示制造服務(wù)的粒度，取值為{1，2，3}；Provider表示制造服務(wù)的提供者；Profile表示制造服務(wù)的功能；QoS表示制造服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量.

以圖5中給出的電梯設(shè)計中的曳引機選型計算服務(wù)為例，按照上述定義的制造服務(wù)給出的OWL-S描述方法部分描述代碼如下：

…

000022

cfTractionMachineMS

xiolift

1

This service is used to select the model of traction machine. It includes five modules for calculation of traction machine: 1) performance calculation；2) torque calculation；3) velocity calculation；4) spindle load calculation；5) turning force calculation.

The user evaluation

Q=2 000；V=0.75；η=0.88；α=0.475；

…

Pe=12 kw；T=686 Nm；v=1.748 m/s

….

該代碼給出了曳引機選型計算服務(wù)的ID，Name，Provider，Granularity，Profile，QoS以及服務(wù)的輸入、輸出等屬性與屬性值，其中制造服務(wù)的Granularity粒度屬性應(yīng)按照3.1節(jié)提出的方法對制造服務(wù)進(jìn)行粒化，從而可以方便地對服務(wù)進(jìn)行查詢、組合等操作.

通過此方法對海量、錯綜復(fù)雜的云平臺資源池中制造服務(wù)進(jìn)行完備、準(zhǔn)確和高效地描述，有效地提高了用戶對制造服務(wù)查找匹配、組合和調(diào)用等配置的效率，并能夠準(zhǔn)確、快速和層次化地響應(yīng)用戶發(fā)布的制造需求，使得用戶能夠獲取廉價優(yōu)質(zhì)的制造服務(wù)，從而大大縮短了用戶的制造周期，減小了生產(chǎn)成本.

4 領(lǐng)域驅(qū)動的制造服務(wù)建模技術(shù)

4.1 制造服務(wù)領(lǐng)域模型

為更好地為支持聯(lián)盟企業(yè)的制造活動，CMIA中的制造服務(wù)庫應(yīng)該具有較強系統(tǒng)性、內(nèi)聚性和可復(fù)用性.CMIA采用領(lǐng)域工程思想對制造服務(wù)進(jìn)行建模，構(gòu)建一個面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的產(chǎn)品領(lǐng)域模型，該領(lǐng)域模型能夠?qū)Ξa(chǎn)品的制造過程進(jìn)行完整建模，兼顧共性制造需求和個性化制造需求，然后根據(jù)產(chǎn)品領(lǐng)域模型開發(fā)制造服務(wù)，提高制造服務(wù)的針對性、可用性和有效性.

領(lǐng)域工程是為一組相似或相近系統(tǒng)的應(yīng)用工程建立基本能力和必備基礎(chǔ)的過程[26-27]，它覆蓋了建立可復(fù)用資源的所有活動，是目前可復(fù)用資源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要技術(shù)手段.圖6給出了CMIA領(lǐng)域驅(qū)動的制造服務(wù)建模過程，從領(lǐng)域工程的角度，整個過程包括領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)，從服務(wù)建模的角度，整個過程包括領(lǐng)域模型、制造服務(wù)抽取和制造服務(wù)開發(fā)，領(lǐng)域工程階段的輸出是服務(wù)建模階段的輸入；在此基礎(chǔ)上，假如需求發(fā)生變更，在需求演化分析驅(qū)動下使得制造服務(wù)建模過程成為一個閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，能夠根據(jù)制造需求的變化動態(tài)調(diào)整CMIA中的制造服務(wù)，從而更好地支持聯(lián)盟企業(yè)的制造活動.

圖6 領(lǐng)域驅(qū)動的制造服務(wù)建模過程Fig.6 Domain-driven manufacturing service modeling process

以電梯整機設(shè)計計算為例，圖7給出了面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的電梯設(shè)計計算領(lǐng)域模型.該領(lǐng)域模型對電梯實際計算過程進(jìn)行建模，包括選型與配置、機房受力計算、井道結(jié)構(gòu)受力計算和曳引機選型計算等15個關(guān)鍵步驟，并對每個步驟進(jìn)行細(xì)分，抽象出原子設(shè)計計算服務(wù)，比如鋼絲繩設(shè)計計算步驟包括：滑輪等效數(shù)量計算、安全系數(shù)計算、鋼絲繩受力計算、鋼絲繩質(zhì)量計算、鋼絲繩根數(shù)校核計算和鋼絲繩兩側(cè)張力計算等6個原子設(shè)計計算服務(wù).共性的設(shè)計計算服務(wù)的實現(xiàn)遵循電梯國家標(biāo)準(zhǔn)，個性化的設(shè)計計算服務(wù)根據(jù)企業(yè)實際需求.

在建立領(lǐng)域模型時，需要考慮以下幾個主要問題：

1) 統(tǒng)籌設(shè)計共性服務(wù)與定制服務(wù)：一般地，制造服務(wù)是以國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的，但是企業(yè)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗往往有助于產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，因此在構(gòu)建共性服務(wù)的同時，也需要考慮個性化服務(wù)，這些制造服務(wù)應(yīng)能夠方便地與共性制造服務(wù)相融合，如電梯制造服務(wù)中的地面受力計算服務(wù)提供了個性化設(shè)計計算服務(wù)以適合不同企業(yè)的設(shè)計需求.

2) 制造服務(wù)的依賴關(guān)系：制造服務(wù)往往不是相互獨立的，彼此間存在一定的依賴關(guān)系，即一個制造服務(wù)的輸出可能是另外一個制造服務(wù)的輸入，為此在制造服務(wù)建模時，需要考慮制造服務(wù)的這種內(nèi)在的依賴關(guān)系，圖7中虛線表示了制造服務(wù)間的依賴關(guān)系，如曳引輪相關(guān)計算服務(wù)依賴于曳引條件計算服務(wù).

3) 制造服務(wù)的演化特性：由于新的需求、新的標(biāo)準(zhǔn)、新的材料以及新的技術(shù)都將影響產(chǎn)品的制造，因此需要根據(jù)這些變化對制造服務(wù)進(jìn)行演化，確保制造服務(wù)的實時性和先進(jìn)性.

領(lǐng)域模型由產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中的產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)＜医?，為建立CMIA制造服務(wù)提供依據(jù)，確保制造服務(wù)的系統(tǒng)性、有效性、可用性和正確性.

4.2 面向領(lǐng)域的制造服務(wù)開發(fā)過程

制造服務(wù)的開發(fā)涉及領(lǐng)域?qū)＜?、?lián)盟企業(yè)和服務(wù)開發(fā)者，圖8給出了CMIA中原子服務(wù)、復(fù)合服務(wù)和產(chǎn)品制造服務(wù)的開發(fā)過程.首先領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)制造需求建立產(chǎn)品領(lǐng)域模型；服務(wù)開發(fā)者根據(jù)產(chǎn)品領(lǐng)域模型抽取出制造服務(wù)，并進(jìn)行實現(xiàn)、封裝和注冊；CMIA平臺根據(jù)制造需求首先對產(chǎn)品服務(wù)進(jìn)行查詢，若查詢失敗，則繼續(xù)查詢復(fù)合服務(wù)，基于查詢結(jié)果進(jìn)行服務(wù)匹配、組合與裝配和部署等；若查詢復(fù)合服務(wù)仍失敗，則繼續(xù)查詢原子服務(wù)，重復(fù)以上步驟，直到完成整個服務(wù)庫的迭代查詢.如果沒有滿足需求的服務(wù)，則對制造需求進(jìn)行重新分析與建模、進(jìn)入開發(fā)新原子服務(wù)過程.

a—參數(shù)依賴(額定載重量、轎廂自重、曳引比、曳引輪直徑)；b—參數(shù)依賴(截面面積導(dǎo)軌距離)；c—參數(shù)引用(額定載重量)；d—參數(shù)依賴(切口角度靜拉力)；規(guī)范1—GB 50199—1994；規(guī)范2—GB 7588—2003;規(guī)范3—GB 24478—2009;規(guī)范4—GB 8903—2005;規(guī)范5—GB 16899—2011圖7 電梯設(shè)計計算領(lǐng)域數(shù)據(jù)模型Fig.7 Domain data model of elevator design and computing

圖8 面向領(lǐng)域驅(qū)動的制造服務(wù)開發(fā)過程Fig.8 The domain-driven manufacturing service development process

進(jìn)一步分析開發(fā)發(fā)現(xiàn)，圖8的制造服務(wù)開發(fā)過程包含三個閉環(huán)循環(huán)：第一個循環(huán)是根據(jù)制造需求，查詢復(fù)合服務(wù)庫，組合裝配出新產(chǎn)品制造服務(wù)，該循環(huán)周期較短，成本較低；第二個循環(huán)是根據(jù)制造需求，查詢原子服務(wù)，組合出新的復(fù)合服務(wù)，該循環(huán)完全可以自動實現(xiàn)，周期最短，成本更低；第三個循環(huán)是根據(jù)新的制造需求，通過領(lǐng)域分析、開發(fā)新的原子服務(wù)、組合新復(fù)合服務(wù)和裝配新產(chǎn)品制造服務(wù)，該循環(huán)包含前面兩個閉循環(huán)，其完成的周期最長，成本也最高.

CMIA通過三個制造服務(wù)閉環(huán)循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)的變更，滿足新的制造需求.與現(xiàn)有研究[22-24]相比，該方法有效的實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟產(chǎn)品共性技術(shù)的復(fù)用和個性定制過程；同時，具有三個閉環(huán)循環(huán)的云制造服務(wù)開發(fā)過程，不僅將云制造服務(wù)進(jìn)行粒化，而且還將服務(wù)開發(fā)過程進(jìn)行?；行У慕鉀Q了云制造服務(wù)開發(fā)過程中搜索匹配周期長，服務(wù)層次雜亂、服務(wù)之間關(guān)系混亂等問題.

5 應(yīng)用實例

電梯作為一類重要的特種設(shè)備，關(guān)系到人們的生命與財產(chǎn)安全.為提高電梯的制造水平，許多省份都成立了電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，例如浙江省是較早成立電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的省份.然而由于大多數(shù)電梯企業(yè)屬于中小型企業(yè)，在電梯設(shè)計制造過程中普遍存在制造水平不高、設(shè)計驗證時間較長以及制造資源無法共享等問題.在此背景下，課題組開發(fā)了面向電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造平臺.

面向電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造服務(wù)平臺是CMIA在電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的應(yīng)用和落地，能夠為電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中各企業(yè)提供設(shè)計服務(wù)、制造服務(wù)、裝配服務(wù)和測試服務(wù)等功能服務(wù)，同時集成監(jiān)管部門對電梯產(chǎn)品的遠(yuǎn)程測試、認(rèn)證服務(wù)；實現(xiàn)電梯產(chǎn)品從論證、設(shè)計、加工、仿真、測試認(rèn)證和營銷到報廢回收全生命周期活動中的資源整合，以提高整個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟制造效率.

云平臺的主要界面如圖9所示，包括CMIA首頁面、后臺管理頁面和服務(wù)組合頁面.目前，該平臺具有的功能有制造服務(wù)管理、服務(wù)依賴管理、服務(wù)組合注冊、服務(wù)調(diào)用、服務(wù)可視化組合和服務(wù)部署等主要功能模塊，包含的制造服務(wù)主要是面向電梯整機的設(shè)計計算服務(wù)和關(guān)鍵零部件有限元分析服務(wù)，其中設(shè)計已經(jīng)集成的制造服務(wù)包括電梯整機設(shè)計計算服務(wù)、關(guān)鍵零部件有限元分析服務(wù)等.

圖9 面向電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造服務(wù)平臺Fig.9 Cloud manufacturing service platform for the elevator industry alliance

以設(shè)計計算服務(wù)為例，云制造平臺結(jié)合電梯整機的實際需求，基于領(lǐng)域思想建立了電梯設(shè)計計算領(lǐng)域模型(圖7)，構(gòu)建了原子設(shè)計計算服務(wù)庫，并基于設(shè)計計算服務(wù)庫通過服務(wù)組合方式得到復(fù)合服務(wù)庫.表2列出了部分設(shè)計計算原子服務(wù)、復(fù)合服務(wù)和產(chǎn)品服務(wù)，這些服務(wù)具有組合依賴關(guān)系.

表2 電梯CMIA制造服務(wù)列表Table 2 Elevator CMIA manufacturing service list

在原子服務(wù)庫和復(fù)合服務(wù)庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)聯(lián)盟企業(yè)實際需求，組合裝配出適合企業(yè)的設(shè)計計算服務(wù)系統(tǒng)，圖10(a，b)為某電梯企業(yè)組合裝配的直梯設(shè)計計算服務(wù)系統(tǒng)和自動扶梯設(shè)計計算服務(wù)系統(tǒng)，右側(cè)導(dǎo)航欄給出了垂直梯和扶梯的設(shè)計流程，每一步計算都直接調(diào)用CMIA的制造服務(wù).不同聯(lián)盟企業(yè)可以共享制造服務(wù)資源，同時又可以透明地使用制造服務(wù)，防止企業(yè)敏感數(shù)據(jù)的外泄.

CMIA平臺為特種設(shè)備監(jiān)管部門還提供了接口，方便對聯(lián)盟企業(yè)提交的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行審核和型式實驗，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題并給出審核結(jié)果，不僅提高了監(jiān)管部門的工作效率，而且能夠及時監(jiān)管聯(lián)盟企業(yè)電梯的設(shè)計結(jié)果.

實際應(yīng)用表明：面向電梯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟云制造平臺有助于解決聯(lián)盟企業(yè)的實際制造需求，在提供共性制造服務(wù)的同時，也提供企業(yè)個性化制造服務(wù)，在提高制造水平的同時，降低制造成本，縮短制造周期，提高企業(yè)競爭力.

圖10 基于CMIA的電梯設(shè)計計算服務(wù)系統(tǒng)Fig.10 CMIA-based elevator design and calculation service system

6 結(jié) 論

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是企業(yè)間結(jié)成的互相協(xié)作和資源整合的一種重要合作模式，被廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備行業(yè).在研究產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的行業(yè)特點及現(xiàn)存問題基礎(chǔ)上，提出了一種面向產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的云制造(CMIA)應(yīng)用模式，對CMIA的概念、內(nèi)涵和框架進(jìn)行了研究，并著重對制造服務(wù)的描述和建模技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了多粒度層次化制造服務(wù)描述方法和領(lǐng)域驅(qū)動的制造服務(wù)建模技術(shù)，以提高制造服務(wù)的組合效率、智能化程度，通過提供共性制造服務(wù)和個性化制造服務(wù)滿足聯(lián)盟企業(yè)的制造需求，提升聯(lián)盟企業(yè)制造水平的目標(biāo)，最后給出了一個CMIA應(yīng)用實例，證明了CMIA的可行性和有效性.下一步將基于遠(yuǎn)程有限元的分析服務(wù)、基于遠(yuǎn)程型式試驗的云測試服務(wù)等服務(wù)模塊完善系統(tǒng)原型的功能.

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