面向個(gè)性化LED照明設(shè)備定制的云制造應(yīng)用研究

李 強(qiáng) 曹 越 彭道虎

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展速度在度過(guò)了由人口紅利帶來(lái)的超高速發(fā)展期后，進(jìn)入了平穩(wěn)增長(zhǎng)的高速發(fā)展期，伴隨著發(fā)展速度的下降，制造業(yè)發(fā)展的方向變得更加多元化以尋求新的超高速發(fā)展機(jī)會(huì)。同時(shí)，人們生活水平的提升帶來(lái)了人們對(duì)于差異化的需求，個(gè)性化定制也就適時(shí)而生并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

個(gè)性化定制應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)：個(gè)性化定制具有降低產(chǎn)品研發(fā)周期、壓縮產(chǎn)品成本以及提升競(jìng)爭(zhēng)力等諸多優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)涉及大部分制造行業(yè)。在LED照明設(shè)備制造業(yè)中，LED照明設(shè)備制造企業(yè)為了更好地滿足用戶的需求，大多數(shù)都將推出個(gè)性化定制的運(yùn)營(yíng)模式作為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提升的主要手段。由于個(gè)性化定制具有差異性、復(fù)雜性和不確定性的特點(diǎn)，所以使得企業(yè)在實(shí)施個(gè)性化生產(chǎn)時(shí)存在研發(fā)、制造加工困難、信息化水平不足和經(jīng)營(yíng)管理落后等問(wèn)題[1]，嚴(yán)重影響著企業(yè)的運(yùn)營(yíng)戰(zhàn)略。特別是中小型LED照明設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在個(gè)性化LED照明設(shè)備定制生產(chǎn)方面存在的問(wèn)題更加突出。

現(xiàn)階段LED照明設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在具體實(shí)施個(gè)性化生產(chǎn)時(shí)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：生產(chǎn)成本無(wú)法精確把控、交貨時(shí)間難以預(yù)期;定制后的產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)與用戶定制需求貼合度低的情況；定制產(chǎn)品的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品質(zhì)量控制沒(méi)有固定的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保障。本文依托云制造技術(shù)和LED照明設(shè)備制造業(yè)，具有創(chuàng)新性地將云制造技術(shù)應(yīng)用于LED照明設(shè)備制造行業(yè)中，提出LED照明設(shè)備制造云模式，將云制造技術(shù)與手LED照明設(shè)備制造業(yè)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)搭建LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)，將LED照明設(shè)備的制造資源和技術(shù)資源整合到云平臺(tái)上，彌補(bǔ)了企業(yè)生產(chǎn)能力上各個(gè)方面的問(wèn)題，也將在很大程度上滿足用戶的個(gè)性化需要。

1 云制造的應(yīng)用及發(fā)展

李伯虎等[2]針對(duì)應(yīng)用服務(wù)ASP(Application Service Provider)、制造網(wǎng)絡(luò)、敏捷制造以及全球化制造網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化的制造模式在推廣中所存在的問(wèn)題，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)化制造和服務(wù)技術(shù)同云計(jì)算、云安全、高性能計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合，提出了一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式，即云制造模式。目前，云制造從提出到開(kāi)展研究已經(jīng)近十年，云制造技術(shù)使用的領(lǐng)域始終在擴(kuò)充；同時(shí)，在學(xué)術(shù)研究[3]以及工業(yè)應(yīng)用[4]等方面取得大量的成果。LED照明設(shè)備制造屬于制造業(yè)的一部分，LED照明設(shè)備的用戶也在自身需求引導(dǎo)下尋找類似的產(chǎn)品，所以將云制造用于LED照明設(shè)備制造生產(chǎn)可以很好地滿足用戶的需求，并為企業(yè)開(kāi)啟新的盈利模式。目前，云制造在其他制造行業(yè)已有理論、應(yīng)用提出，大到船舶、起重機(jī)等[5-6]，小到手機(jī)、門(mén)窗等[7-8]，所以，云制造也將在LED照明設(shè)備制造業(yè)散發(fā)出獨(dú)特的光彩。

2 LED照明設(shè)備制造云模式

2.1 云制造服務(wù)平臺(tái)

LED照明設(shè)備制造云指基于云制造理念的個(gè)性化LED照明設(shè)備定制，如圖1所示為L(zhǎng)ED照明設(shè)備云制造示意圖，通過(guò)引入LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)來(lái)解決目前個(gè)性化LED照明設(shè)備定制存在的問(wèn)題，并利用云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物理信息融合技術(shù)[9]對(duì)分布在不同區(qū)域的制造技術(shù)資源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化整合；再通過(guò)云制造平臺(tái)統(tǒng)一管控和優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明設(shè)備定制的合理化處理，達(dá)到制造資源和技術(shù)的最優(yōu)利用，從而促進(jìn)定制企業(yè)更好地降低成本、提高效率進(jìn)而形成生產(chǎn)速度更快的個(gè)性化定制生產(chǎn)方式。

圖1 LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)示意圖

2.2 個(gè)性化定制模式

根據(jù)個(gè)性化定制的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及LED照明設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合云制造的理念，提出了LED照明設(shè)備制造云模式。其基本理念是針對(duì)LED照明設(shè)備企業(yè)對(duì)于無(wú)法準(zhǔn)確地獲得用戶定制需求和對(duì)于定制產(chǎn)品生產(chǎn)力達(dá)不到要求的問(wèn)題。一方面，利用LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)能將用戶、定制企業(yè)以及第三方企業(yè)(即為定制生產(chǎn)服務(wù)的其它生產(chǎn)性服務(wù)企業(yè))聚集起來(lái)即時(shí)地進(jìn)行溝通和交流。另一方面，LED照明設(shè)備定制企業(yè)能夠從平臺(tái)上更加便利地獲取到定制生產(chǎn)需要的各類資源;第三方企業(yè)能夠參與芯片的供應(yīng)、各類元器件的生產(chǎn)以及在制造過(guò)程中與LED照明設(shè)備定制企業(yè)合作，通過(guò)與合作伙伴合作形成的規(guī)模范圍經(jīng)濟(jì)效應(yīng)能更好地支持定制產(chǎn)品的生產(chǎn)成本下降和服務(wù)需求。圖2為L(zhǎng)ED照明設(shè)備制造云的定制模式。

圖2 LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云模式

3 LED照明設(shè)備制造云定制模式的實(shí)現(xiàn)

3.1 云制造平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的云制造體系構(gòu)架的文獻(xiàn)的研究，結(jié)合LED照明設(shè)備定制發(fā)展和未來(lái)LED照明設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，本文借鑒了文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了LED照明設(shè)備個(gè)性化定制平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

LED照明設(shè)備個(gè)性化定制平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)主要包括以下五個(gè)層次，即LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)層、資源層、中間管理層、定制服務(wù)層和用戶界面層。

LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)層由管理云、供應(yīng)云、制造云、研發(fā)云等組成，是LED照明設(shè)備個(gè)性化定制平臺(tái)運(yùn)作的支柱。

資源層的作用是為中間管理層提供對(duì)接口。資源層的主要功能是將各種云服務(wù)資源集中，從而形成云制造資源池，為L(zhǎng)ED照明設(shè)備制造云平臺(tái)的運(yùn)作提供各種資源支持。

中間管理層是用戶使用云平臺(tái)資源層資源的應(yīng)用服務(wù)的對(duì)接口。中間管理層主要由各類服務(wù)工具組成，為平臺(tái)內(nèi)的各個(gè)功能活動(dòng)提供工具。

定制服務(wù)層是LED照明設(shè)備個(gè)性化定制平臺(tái)的核心功能層，包括用戶需求分析層、產(chǎn)品生產(chǎn)制造層、產(chǎn)品供應(yīng)層和物流服務(wù)層。其中用戶需求分析層對(duì)用戶的個(gè)性化定制需求的確定有著決定性的作用。使用智能交互系統(tǒng)可以將用戶的定制需求分為創(chuàng)新性需求、穩(wěn)定性需求、功能性需求、智能性需求以及易用性需求。在用戶需求分析層中，用戶登錄平臺(tái)后輸入自身的需求信息，智能交互系統(tǒng)可以初步確定用戶的定制需求和定制LED照明設(shè)備的版式；用戶將與企業(yè)在交互平臺(tái)上交流、協(xié)商以確定最終定制需求；之前的定制需求對(duì)應(yīng)的定制資源如果不能完全滿足用戶對(duì)定制產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，就需要返回交互平臺(tái)再對(duì)定制需求進(jìn)行調(diào)整。重復(fù)上述循環(huán)，直至調(diào)配出滿足用戶定制需求的模型，同時(shí)適合企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。產(chǎn)品生產(chǎn)制造層、產(chǎn)品供應(yīng)層和物流服務(wù)層總體包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、協(xié)同加工、產(chǎn)品裝配、供應(yīng)、物流配送和售后服務(wù)等系統(tǒng)模塊，主要為用戶及企業(yè)提供定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工、配送、物料采買(mǎi)及產(chǎn)品維修等服務(wù)。

用戶界面層是用戶及企業(yè)進(jìn)入LED照明設(shè)備個(gè)性化定制平臺(tái)的端口，為用戶及企業(yè)提供注冊(cè)、登錄以及資源需求發(fā)布、自身信息管理等功能。

3.2 云制造平臺(tái)的工作流程

通過(guò)分析個(gè)性化LED照明設(shè)備生產(chǎn)的需求，以云制造平臺(tái)為核心，設(shè)計(jì)個(gè)性化LED照明設(shè)備定制云制造平臺(tái)工作流程，如圖4所示。

圖4 LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云平臺(tái)工作流程

用戶通過(guò)LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)登錄并發(fā)布需求信息，使用云計(jì)算技術(shù)在云制造資源池中進(jìn)行搜索和匹配，找到最適合的LED照明設(shè)備定制企業(yè)。

首先，用戶與定制企業(yè)通過(guò)交互平臺(tái)組合出適合用戶需求的產(chǎn)品概念，定制企業(yè)使用LED照明設(shè)備定制系統(tǒng)對(duì)得出的產(chǎn)品概念進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)化成定制產(chǎn)品的功能參數(shù)及服務(wù)需求；定制設(shè)計(jì)人員使用產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的方案論證和方案設(shè)計(jì)等功能開(kāi)始進(jìn)行定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì);而服務(wù)需求則是以售后服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)準(zhǔn)備的各類服務(wù)資源來(lái)為用戶提供服務(wù)。

其次，定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，LED照明設(shè)備定制企業(yè)會(huì)根據(jù)用戶需求和資源能力等情況以及定制產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)BOM[11]進(jìn)行該產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和成本分析，確定適合用戶的定制需求的生產(chǎn)方式，然后給定制企業(yè)生成訂單；利用專家系統(tǒng)連接知識(shí)庫(kù)對(duì)用戶訂單進(jìn)行分析，制定并確立主生產(chǎn)計(jì)劃MPS(Master Production Schedule)[12]，然后通過(guò)定制LED照明設(shè)備產(chǎn)品的參數(shù)和工藝條件對(duì)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行劃分；依照定制企業(yè)對(duì)元器件的加工能力和加工成本分析，決定是否將定制任務(wù)外包，有外包任務(wù)則發(fā)布到LED照明設(shè)備定制云制造平臺(tái)上，找到滿足外包要求的第三方企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。另外，可以通過(guò)協(xié)同加工以及物料采購(gòu)系統(tǒng)使定制企業(yè)能夠更好地選擇合作者完成定制產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)。

最后，定制LED照明設(shè)備通過(guò)定制產(chǎn)品審核后，通過(guò)物流系統(tǒng)將定制完成的產(chǎn)品交付給用戶。綜上，LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化LED照明設(shè)備定制全生命周期的生產(chǎn)，極大地提升LED照明設(shè)備制造企業(yè)滿足用戶各方面需求的能力。

3.3 云制造平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到國(guó)內(nèi)LED照明設(shè)備制造企業(yè)以中小企業(yè)占大多數(shù)，為了減輕LED照明設(shè)備定制云制造平臺(tái)的維護(hù)壓力同時(shí)，使平臺(tái)有更好的延展性以方便用戶大規(guī)模進(jìn)駐，使用MVVM框架搭建LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云制造平臺(tái)。

MVVM框架被分成視圖模塊、模型模塊、視圖模型模塊三個(gè)部分。視圖模塊是與用戶的對(duì)接口，負(fù)責(zé)用戶界面的顯示及交互；視圖模型模塊是對(duì)用戶在視圖模塊輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯及狀態(tài)控制；模型模塊負(fù)責(zé)提供與業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)象[13]。LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，用戶在網(wǎng)頁(yè)輸入需求，視圖模塊接收到用戶需求后將需求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)并傳遞給視圖模型模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，視圖模型模塊將需求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成邏輯模型，接著通過(guò)模型模塊存入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型數(shù)據(jù)可以被模型模塊讀取，經(jīng)過(guò)視圖模型模塊和視圖模塊處理，最后把數(shù)據(jù)以視圖形式呈現(xiàn)給用戶。

圖5 LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云平臺(tái)MVVM框架處理過(guò)程

4 云平臺(tái)搭載及案例分析

4.1 云平臺(tái)搭載

LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)使用P2P[14]及B/S構(gòu)架[15]搭建，集成了資源管理、數(shù)據(jù)共享和信息服務(wù)等功能。通過(guò)VAM管理服務(wù)器、Portal服務(wù)器和資源存儲(chǔ)系統(tǒng)以及PHP為腳本開(kāi)發(fā)語(yǔ)言對(duì)LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源庫(kù)的有效管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的數(shù)據(jù)分布式管理及各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整合和共享[16]。所以，通過(guò)把P2P及B/S技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)在搭建完成后存儲(chǔ)空間不足、任務(wù)管理繁雜混亂、資源訪問(wèn)速度低以及平臺(tái)容易崩潰等問(wèn)題，減輕了平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)。

4.2 案例分析

為了驗(yàn)證用戶及企業(yè)使用LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)的必要性，利用個(gè)性化定制產(chǎn)品質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)法[17]測(cè)評(píng)個(gè)性化定制LED照明產(chǎn)品的質(zhì)量，通過(guò)組織一個(gè)由20位專家組成的測(cè)評(píng)小組分別對(duì)利用LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)定制的一批產(chǎn)品(C1)和通過(guò)中小型LED照明設(shè)備企業(yè)定制的一批產(chǎn)品(C2)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)比較分析，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 C1質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 C2質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

第一步，建立個(gè)性化定制LED照明產(chǎn)品的質(zhì)量因素集Q和質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)集V。選擇4個(gè)質(zhì)量指標(biāo)：個(gè)性化程度(q1)、定制效率(q2)、生產(chǎn)成本(q3)、產(chǎn)品性能(q4)，將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為優(yōu)、良、中、合格、不合格5個(gè)等級(jí)并設(shè)定加權(quán)系數(shù)分別為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。

質(zhì)量因素集Q{q1,q2,q3,q4}

質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)集V{優(yōu),良,中,合格,不合格}

加權(quán)系數(shù)集G{0.9,0.7,0.5,0.3,0.1}

第二步，使用模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)。求出各個(gè)質(zhì)量因素對(duì)于不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，分別得到表1和表2的質(zhì)量因素Q的模糊評(píng)價(jià)矩陣R1和R2：

其中隸屬度：

式中：fij是第i個(gè)因素被評(píng)為第j個(gè)等級(jí)的次數(shù)。

第三步，確定質(zhì)量因素權(quán)重集。對(duì)各質(zhì)量因素的評(píng)價(jià)采用專家評(píng)價(jià)進(jìn)行因素模糊評(píng)價(jià)，得質(zhì)量因素權(quán)重集為：

W=[0.22,0.26,0.24,0.28]。

第四步，根據(jù)模糊評(píng)價(jià)矩陣R和權(quán)重W建立質(zhì)量模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型。

B1=W·R1=[0.774,0.073,0.050,0.049,0.054]

B2=W·R2=[0.549,0.164,0.096,0.074,0.117]

第五步，將加權(quán)系數(shù)集G與質(zhì)量模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型BT相乘得到綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看出通過(guò)LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云平臺(tái)定制的產(chǎn)品質(zhì)量要比一般中小型LED照明設(shè)備定制企業(yè)的評(píng)分高。說(shuō)明利用LED照明設(shè)備制造云平臺(tái)能夠讓中小型LED照明設(shè)備定制企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量有顯著提升，也解決LED照明設(shè)備定制企業(yè)滿足用戶需求難度大的問(wèn)題，將用戶需求滿意度達(dá)到最大化。

5 結(jié) 語(yǔ)

首先，本文結(jié)合云制造以及個(gè)性化定制的概念提出LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云制造模式，并且建立面向個(gè)性化定制LED照明設(shè)備的云制造平臺(tái)架構(gòu)；同時(shí)設(shè)計(jì)了LED照明設(shè)備定制企業(yè)個(gè)性化定制的云制造平臺(tái)的工作流程和軟件框架。

其次，本文開(kāi)拓性地把LED照明設(shè)備個(gè)性化定制生產(chǎn)與云制造技術(shù)相融合，利用云制造平臺(tái)的資源統(tǒng)一管控的優(yōu)勢(shì)，為L(zhǎng)ED照明設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的個(gè)性化定制業(yè)務(wù)并提供最合理的制造資源。

最后，LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云平臺(tái)的建立，可以使科研人員的交流更加便捷，加快技術(shù)革新進(jìn)而影響我國(guó)整個(gè)LED照明行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，為后續(xù)的技術(shù)發(fā)展打造堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)上述分析，說(shuō)明LED照明設(shè)備個(gè)性化定制云平臺(tái)解決個(gè)性化定制生產(chǎn)能力和用戶需求方面的問(wèn)題，促進(jìn)了LED照明設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了制造業(yè)新模式的進(jìn)步。