模具行業(yè)云制造協(xié)同服務模式平臺的研究

章培培 張俊慧

摘 要：通過分析模具零配件生產行業(yè)的特點，指出當前階段由于制造資源得不到共享和協(xié)調，以及制造模式存在的缺陷使得模具行業(yè)難以有更進一步的均衡發(fā)展，針對這一問題，根據當前協(xié)同制造模式及云制造的發(fā)展，提出了模具行業(yè)云制造協(xié)同服務模式平臺，分析了平臺的體系結構、基本原理和關鍵技術，通過案例分析該平臺能夠促進資源的配置更合理、利用率更高，使模具企業(yè)得到專業(yè)的技術性和生產性服務，從而提高模具企業(yè)的競爭力。

關鍵詞：云制造;協(xié)同服務;平臺架構;模具行業(yè)

中圖分類號：TH166? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）02-0023-05

0 引言

“現代工業(yè)模具先行”，模具對制造業(yè)的影響至關重要，首先，模具的質量和水平直接影響最終投放市場的產品質量。其次，模具的應用非常廣泛，在工業(yè)、國防制造業(yè)、醫(yī)療器械等領域都有所應用，模具的發(fā)展從一定程度上體現了制造業(yè)的發(fā)展，也成為衡量技術發(fā)展、創(chuàng)新能力和開發(fā)能力的標志，作為制造業(yè)的支柱產業(yè)，模具工業(yè)被列為重點發(fā)展的產業(yè)[1-3]。

很多城市的工業(yè)園都坐落著不少小型的模具零件加工廠，還有一些大企業(yè)有自己的模具配套車間或模具配套廠，一般規(guī)模小，行業(yè)集中度高，區(qū)域性明顯，這是我國模具制造企業(yè)當前的現狀。技術創(chuàng)新能力弱，信息化水平低，導致廣大模具制造企業(yè)對市場的需求不能快速做出響應，產品的開發(fā)周期長，市場競爭力不夠[4]。

1 模具行業(yè)特征分析

針對當前模具企業(yè)在制造能力方面存在的問題以及運行模式方面的不足，做了以下分析。

1.1 制造能力分析

各行業(yè)和企業(yè)的產品不同，對模具的要求也不同，從而造成模具產品種類特別多，模具零件更是數目繁多，而模具企業(yè)的加工設備和各企業(yè)的制造工藝也不一樣，所以比較難形成模具產業(yè)集群[5]。

由于設備的投資較大，共享性差，然而利用率并不高，導致模具企業(yè)發(fā)展緩慢。另外，模具制造企業(yè)間競爭壓力過大，利潤空間縮小，一些企業(yè)不惜以降低模具質量和壽命來換取市場，這樣既干擾了市場，損害了客戶，也損害了模具行業(yè)，長此以往，模具制造企業(yè)忙于生存，忽視了企業(yè)技術水平的提高和信息化的應用，也就無所謂創(chuàng)新，更難以構筑企業(yè)轉型升級的基礎，難以滿足中高檔產品市場需求。

1.2 模具制造企業(yè)運行模式分析

1.2.1 訂單來源

模具零配件加工企業(yè)是典型的面向訂單的生產型企業(yè)。企業(yè)從接到訂單、簽訂合同到交貨，需要完成設計、工藝準備、物料采購和制造加工等一系列新產品設計制造的全過程;另外每次訂單的重復幾率特別低，生產幾乎是一次性的，而且每一次生產都帶有試制的性質。訂單的偶然性以及交貨期緊迫給模具加工企業(yè)的設計、制造帶來很大的壓力。還有一部分訂單是為母體企業(yè)或上游企業(yè)的新產品開發(fā)服務的，這些是任務訂單或強制性訂單，這樣模具企業(yè)就要花費更多的時間和成本來開發(fā)新模具，導致企業(yè)對市場的響應不夠及時和力不從心。

1.2.2 信息渠道狹窄

大多數中小型模具企業(yè)信息的來源渠道很有限，僅僅依靠銷售員對某一特定行業(yè)模具零配件的需求方進行溝通接單，了解市場的渠道太窄導致企業(yè)對市場的把握不準確。信息化水平不夠，對行業(yè)的技術信息、工藝信息和市場信息的缺乏也會阻礙模具企業(yè)的發(fā)展。閉門造車，被動接受訂單會使企業(yè)越來越缺乏應對市場的活力。

1.2.3 開發(fā)及制造能力不足

根據調研情況，由于中小模具零配件加工企業(yè)人員素質、軟件及設備的欠缺，模具的開發(fā)也是一項耗時的工作，花費一兩個月的時間才能開發(fā)出一款結構普通的模具，如果是復雜模具要花費半年甚至更長的時間，所以模具企業(yè)在開發(fā)能力方面如果不依靠他方幫助而僅僅依靠自身則很難快速準確的把握住市場機遇[5]。大部分模具企業(yè)自主研發(fā)能力不足，缺少高精尖加工設備和測量設備，企業(yè)管理能力欠缺等，在互聯(lián)網+思維下，在云制造的技術支持下，如何在制造過程中利用先進制造技術，整合富余資源，減少資源重復投資，提高資源利用率，降低能源消耗，減少排放，從而實現資源共享和協(xié)作管理[6]，已成為我國制造業(yè)迫切需要解決的關鍵問題，也就是要探索出一種優(yōu)質、高效，低耗的中小模具零配件加工企業(yè)發(fā)展模式。

2 云制造模式的研究及應用現狀

2010年1月李伯虎等[7]第一次明確提出了云制造的概念，分析了云制造的運營模式，將云制造平臺架構分為物理資源層、虛擬資源層、核心服務層、應用接口層和應用層，并對其關鍵技術進行了相關研究。張霖等[8，9]提出了云制造系統(tǒng)的層次結構，并將云制造與敏捷制造、網絡化制造和面向服務制造等幾種制造模進行了比較，總結了云制造的特點;尹勝等[10]等針對外協(xié)加工資源在云制造環(huán)境的集成模式進行研究;臺德藝等[11]提出了基于階段合作的云制造實現模式;WANG X V等[12]分析了云制造的服務過程以及需求模型和云管理器邏輯流，提出了支持互操作的云制造系統(tǒng)架構。楊晨等[13]提出了云仿真資源管理的應用過程模型;李強、徐巖等[14，15]提出模具行業(yè)使用云制造的模式和技術;但昭學等[16]針對模具云制造平臺的組織架構和角色描述及其關鍵技術進行了深入研究;李波等[17]分析了模具行業(yè)云制造平臺的資源能力以及平臺的信用評估等相關技術;肖剛等[18]提出了一種面向產業(yè)聯(lián)盟的云制造（CMIA）應用模式。

本文通過分析模具行業(yè)的現狀和云制造平臺的應用研究，依據應用服務提供商服務模式[19]的思想，提出一個基于CMIA的模具零配件加工企業(yè)云制造協(xié)同制造模式的全局服務方案，如圖1所示。以CMIA為系統(tǒng)開發(fā)的基礎，減少了對制造服務粒度的分析，降低了云制造應用系統(tǒng)開發(fā)及維護的難度;使系統(tǒng)能夠更好地滿足復雜多變的市場環(huán)境，從而也提高了系統(tǒng)的靈活性;能夠將成員企業(yè)加入動態(tài)聯(lián)盟的相關服務資源信息準確快速的整合成信息網絡，從而各成員企業(yè)之間的有效服務資源也就在網絡環(huán)境下得到了有效集成，這樣更有利于各種資源的合理配置。云制造協(xié)同服務模式應用系統(tǒng)采用的是策略驅動Agent，根據不同的云服務請求，利用相應的資源匹配算法分配不同的服務資源，提高資源利用率和模具企業(yè)的運行效率，從而推動模具企業(yè)靈活發(fā)展，提升面對市場的響應活力。

3 支持協(xié)同服務的模具云制造模式

建立基于產業(yè)聯(lián)盟的云制造的中小模具零配件加工企業(yè)協(xié)同制造服務平臺，不僅可以整合各種服務資源，還可以根據模具生命周期全過程的需要把資源信息封裝在一起，使模具資源的使用突破地域性的限制，建立模具專用服務資源數據庫。這樣可以使得不同區(qū)域的模具企業(yè)，無論規(guī)模如何，都可以借助云制造協(xié)同服務平臺來共享數據庫中的服務資源，當有新的市場機遇時，及時在平臺進行服務發(fā)布，這樣就可以最快的速度形成最具優(yōu)勢的服務資源集合體，各服務資源提供者進行優(yōu)勢互補，強強聯(lián)合，從而積極響應市場需求，實現高效、優(yōu)質、低成本服務市場的目的，也能給各提供服務資源的模具企業(yè)帶來收益，及促進企業(yè)進一步發(fā)展的效果[20]。支持協(xié)同服務的模具云制造模式除了能夠整合模具制造能力資源，提高模具制造效率，縮短模具開發(fā)周期，還可以為模具企業(yè)提供企業(yè)門戶、網絡化制造及電子商務等服務。與網絡化制造和服務技術、云計算等相互融合，完成封裝、智能化、集中管理各類制造服務資源，根據模具制造過程中及后續(xù)再制造過程中的設計活動、生產活動等過程中的需求提供安全可靠、穩(wěn)定有效的服務。系統(tǒng)中各聯(lián)盟企業(yè)可以完成服務發(fā)布、服務獲取、甚至服務監(jiān)管，既可以有共性服務的滿足，個性化的制造服務也可以在平臺中被滿足。對于模具企業(yè)而言，這種基于領域思想規(guī)劃和制造服務的模式，能夠提升自身的模具開發(fā)制造水平和技術水平，信息互通得以實現，也能及時掌握市場方向，對正確把握市場，占領市場，獲取收益有積極推動作用，也能進一步提升模具聯(lián)盟企業(yè)的整體技術水平[21]。

3.1 模具云制造協(xié)同服務模式體系架構

以模具加盟企業(yè)為主導，以云制造協(xié)同服務平臺為媒介，以數據庫系統(tǒng)和網絡系統(tǒng)為系統(tǒng)支撐，以服務資源云端為基礎構建成了模具云制造協(xié)同服務模式。服務資源云端即可向平臺提供優(yōu)質的制造服務資源、現代化的設計服務資源、完備的分析服務資源、先進的技術服務資源、現代管理服務資源和較強的銷售服務資源;也可以通過平臺發(fā)布服務請求，平臺根據客戶提交的服務請求，通過平臺內招標或智能選用在聯(lián)盟模具企業(yè)中為客戶端尋找匹配的服務資源，為服務請求提供及時響應的按需服務。模具云制造協(xié)同服務模式體系架構如圖2所示。

這種以模具聯(lián)盟企業(yè)為主導，把模具開發(fā)、研制、生產過程中所需要的所有服務資源集成為云制造的協(xié)同服務模式，首先，它與現在相對已經比較成熟的網絡化制造不太一樣，平臺內已聯(lián)盟的所有模具企業(yè)都可以發(fā)出服務需求，這個需求可以是經過市場調研的成熟的市場機遇，即模具全生命周期內的所有活動，也可以是一些階段性活動，比如模具設計、模具試驗、模具制造、技術指導或是模具企業(yè)先進管理理念等。不管何種服務資源需求，平臺都會利用自身知識庫和數據庫進行智能化的檢索、匹配和推薦服務，高效、優(yōu)質、透明的將匹配服務資源提供給發(fā)出服務請求者，能夠滿足整體的或階段性的服務。

此協(xié)同服務模式類似于分散資源集中使用，但是又不完全一樣，因為它不僅把分散的服務資源信息集中了，更是明確了在執(zhí)行過程中如何把集中的服務資源分散化的思想，所以協(xié)同服務模式也就更靈活了，能夠做到哪里有需求服務，哪里就有服務資源提供，“一對多”“多對一”和“多對多”都是協(xié)同服務模式的服務形式，這就是全局服務的思想，首先對分散的服務資源進行有效集成，再為多個服務需求提供服務資源。

3.2 模具企業(yè)云制造協(xié)同服務模式全局服務思想基本原理

云制造協(xié)同服務模式強調把資源、能力、知識嵌入到網絡環(huán)境中去，致力于構建一個制造企業(yè)、客戶、中間方等可以充分溝通的公用制造環(huán)境。云制造協(xié)同模式下的用戶參與也不僅限于傳統(tǒng)的用戶需求提出和用戶評價，而是滲透到產品制造全生命周期的每一個環(huán)節(jié)。而且用戶的身份不是唯一的，一個用戶可以即是云制造的服務資源需求者，又是云制造的服務資源提供者或開發(fā)者，體現的是一種用戶參與的服務制造。

用戶描述自身的服務需求，需求也可以轉化成一些定量描述或期望輸出描述，進行嚴謹的信息輸入;協(xié)同服務平臺會對輸入的需求信息進行分析和推理，并梳理出滿足需求的各類服務資源集合，以及推薦平臺識別的最匹配服務資源信息組，服務需求用戶可以采用平臺推薦的匹配資源組，也可以根據自身的具體需求篩選平臺提供的服務資源集合和各維度的資源信息，自主選擇合適的服務資源并反饋給平臺，平臺進一步的根據用戶選擇構建資源服務組合，并適當地給出智能化建議，如此，推薦、選擇、反饋、組合及建議然后再推薦，如此循環(huán)進行，迭代出滿足多方服務需求的優(yōu)化服務資源集合就出現了。

由于多樣化和個性化市場需求的推動，各用戶對不同維度的服務資源要求的權重就不一樣，而云制造協(xié)同服務平臺中的服務資源種類又特別多，不同服務資源各參數的設置也不一樣，所以對于各服務的優(yōu)先級、匹配權重及過濾閾值[22]也都不盡相同，這也給資源組合帶來一定的難題，所以，平臺就根據不同的服務需求制定了不同的參數優(yōu)化設置，比如，若是產品設計類的服務需求，平臺就會推薦設計能力權重高的參數配置;若是技術需求類的服務需求，就會推薦技術先進性權重高的參數配置;若是加工制造類的服務需求，就會推薦制造資源權重高的參數配置。當然，用戶輸入的需求信息增多，優(yōu)化配置也會發(fā)生變化，平臺會根據服務需求及各維度資源的權重進行詳細的數據分析，以完成對服務需求的最優(yōu)資源配置并提供給用戶。如圖3所示為云服務的資源檢索和匹配框架圖。

服務需求（N）和服務資源（Sj）的最佳匹配的輸出，需要過濾閾值來進行界定，根據公式（1）來計算，把匹配度大于過濾閾值的服務資源輸出，并且按照大小順序排列，由平臺反饋給服務需求用戶。

M（N，Sj）=wiP_M（N，Sj）wi ？坌Mi（N，Sj）≥？著iFail? ? ? ? ？堝Mi（N，Sj）<？著i

式中N為服務需求，Sj為服務資源，P_M（N，Sj）為服務需求和服務資源的匹配度排序，wi為不同維度所考慮的權重，？著i為不同維度的閾值，n為根據需求服務設置的維度數量。

4 應用分析

模具云制造協(xié)同模式使生產和企業(yè)組織方式更加靈活，更能適應復雜多變的市場環(huán)境，特別是對中小模具企業(yè)，在設計或制造方面有欠缺的可以通過調用或租用云制造系統(tǒng)中的資源、能力、云服務來完成本企業(yè)的設計及生產任務，從而降低了企業(yè)的設計制造難度，為企業(yè)帶來更大收益。下面通過一個案例來探討云制造協(xié)同服務模式下，模具開發(fā)設計制造的思路及其實施技術，如圖4所示，是其協(xié)同服務模式工作過程圖。

某半導體公司要在現有產品的基礎上創(chuàng)新開發(fā)新產品，需要進行相應的模具設計與制造，通過模具云制造協(xié)同服務平臺發(fā)布用戶服務需求后，經過匹配、選擇、優(yōu)化組合以后由以M公司為核心的服務資源小組接收服務需求，并簽署合同。再由M公司根據服務需求及小組內的服務資源進行任務分解和分配，在云制造協(xié)同服務平臺的引導下可由高校的模具技術中心和小組內模具研發(fā)技術中心共同進行半導體模具的改進設計，并在高校實驗室內進行材料成型分析及仿真分析，小組內的模具制造企業(yè)和高校模具技術中心會接到設計數據，進行模具的工藝零件和結構零件的協(xié)同制造。而模具所需要的標準件則由標準件供應商提供，全部模具零件經過嚴格的檢驗合格后統(tǒng)一協(xié)調運送到M公司，由M公司進行裝配，調試并試模，全部工作完成后將模具交付給半導體公司，并由云制造協(xié)同服務平臺確認合同執(zhí)行完畢。

本案例中，模具設計與分析服務資源在M公司模具中心和高校，機加設備和特種加工、高速加工制造資源在模具制造企業(yè)和高校。在模具設計、制造過程中分散的服務資源經由云制造協(xié)同服務平臺得以集中使用，完成同一個服務需求，展現了平臺的“多對一”的工作模式，本平臺也可以實現“一對多”及“多對多”的工作模式。

5 結語

本文通過模具企業(yè)云制造協(xié)同服務平臺進行模具的分布式異地協(xié)同設計制造，一方面可以使模具行業(yè)已有的制造資源得到充分利用，提高資源的利用率;另一方面能夠縮短模具的制造周期，加快模具開發(fā)制造進程，帶來較大收益;第三個方面，可以增進模具企業(yè)間的技術交流與指導，促進模具制造業(yè)進一步發(fā)展。系統(tǒng)的運行機制還需要進一步研究，全面啟動商業(yè)模式還有很長的路要走。

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