面向3D打印云服務平臺的體系架構研究

劉永輝，尹作重，黃雙喜，馬國軍，劉 華

（1.海爾集團技術研發(fā)中心，青島266103；2.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；3.清華大學 自動化系國家CIMS工程技術研究中心，北京 100084）

面向3D打印云服務平臺的體系架構研究

劉永輝1，尹作重2，黃雙喜3，馬國軍1，劉 華1

（1.海爾集團技術研發(fā)中心，青島266103；2.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；3.清華大學 自動化系國家CIMS工程技術研究中心，北京 100084）

在分析互聯(lián)網(wǎng)時代制造業(yè)向大規(guī)模定制方向發(fā)展必然規(guī)律的基礎上，對面向3D打印云服務平臺的體系架構進行了深入研究。對3D打印云服務平臺進行了介紹，分析了3D打印云服務平臺的基本功能，在此基礎上提出了3D打印云服務平臺的體系架構；論述了3D打印云服務平臺研究中涉及的關鍵技術。設計建設了面向高端家電家居產(chǎn)品個性化定制的3D打印云服務平臺—天馬行空網(wǎng)，并對其功能與架構、技術實現(xiàn)方法和商業(yè)模式進行了簡要論述。

3D打印；云服務平臺；大規(guī)模定制；網(wǎng)絡化；社會化制造

0 引言

隨著時代的發(fā)展，消費者對商品的需求逐漸趨向多樣化、個性化和碎片化[1]。與提供同質化產(chǎn)品和服務的大規(guī)模制造相比，大規(guī)模定制化生產(chǎn)能夠提供滿足消費個體需求的產(chǎn)品和服務[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、競爭力和技術現(xiàn)狀等的限制[4]，而依靠現(xiàn)有的技術能夠有效支撐實現(xiàn)大規(guī)模定制的產(chǎn)品范圍較小。其次，企業(yè)要想通過快速響應來供應定制化產(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)技術和復雜系統(tǒng)來快速獲取和響應用戶的個性化需求[5]。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、電子商務和3D打印[6,7]等技術的出現(xiàn)，新定制趨勢正在出現(xiàn)并且逐漸滲透到人們生活的各個方面。首先，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，企業(yè)通過網(wǎng)絡平臺能夠快速獲取和響應人們的個性化需求，導致消費用戶的個性化產(chǎn)品需求在持續(xù)增長。其次，智能制造[8]的趨勢在不斷增長。大數(shù)據(jù)、云計算、3D打印等新興技術的出現(xiàn)為提高生產(chǎn)率、優(yōu)化供應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化制造[9]趨勢，人們既是產(chǎn)品和服務的消費者，又是設計者。生產(chǎn)者和消費者的界限開始變得模糊，并進行融合[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、實現(xiàn)產(chǎn)品無模成形的數(shù)字化制造技術。與傳統(tǒng)的制造技術相比，3D打印能夠直接制造出幾乎任意復雜形狀的產(chǎn)品，因而能夠大幅度減少對復雜制造過程的依賴性。經(jīng)過幾十年技術的發(fā)展特別是新材料的研發(fā)，3D打印技術已經(jīng)成功應用于航空航天、醫(yī)療、汽車、教育等眾多領域[11～13]，為實現(xiàn)產(chǎn)品定制化提供了一種便捷的技術手段和強大的推動力。

當前，眾多3D打印設備逐漸應用到社會生活各個領域，但是大多數(shù)應用仍然為制造新產(chǎn)品研發(fā)過程中的原型樣機。如果將這些分散、閑置的3D打印機特別是工業(yè)級3D打印設備配置到供應鏈系統(tǒng)中，社會化制造的生產(chǎn)力水平將會快速提高[14,15]。近年來，一些新興公司以互聯(lián)網(wǎng)為基礎打造了一個3D打印設備共享平臺，使人們能夠將定制想法快速變成實際產(chǎn)品，例如3DHubs公司。另一個著名的公司是Shapeways，它不僅利用3D打印技術為客戶定制他們自己設計的各種產(chǎn)品，還為客戶提供了銷售其創(chuàng)意產(chǎn)品的網(wǎng)絡平臺。其他著名的3D打印定制化云服務平臺還包括比利時的i.materialise，新西蘭的Ponoko，法國的Sculpteo，中國的叁迪網(wǎng)、意造網(wǎng)，美國的Cubify Cloud和Kraftwurx等。

3D打印云服務平臺為實現(xiàn)大規(guī)模定制提供了技術支撐。一方面，人們的個性化需求通過網(wǎng)絡平臺進行表達和快速響應；另一方面，分散的3D打印設備資源被聯(lián)網(wǎng)共享、在平臺上匯集并且在線調用，形成一個全球化、快捷的定制化實現(xiàn)環(huán)境。盡管目前一些商業(yè)的3D打印云服務平臺已經(jīng)出現(xiàn)并且運作良好，但是在相關理論方面的研究才剛剛起步。本文首先對3D打印云服務平臺進行了介紹，分析了3D打印云服務平臺的基本功能，在此基礎上提出了3D打印云服務平臺的體系架構；重點論述了3D打印云服務平臺涉及的關鍵技術；最后設計建設了面向高端家電家居產(chǎn)品個性化定制的3D打印云服務平臺—天馬行空網(wǎng)，經(jīng)實際運行，平臺取得了較好的效果。

1 3D打印云服務平臺業(yè)務概述

圖1 3D打印云服務平臺個性化定制流程圖

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

2 3D打印云服務平臺體系架構

2.1 平臺基本功能

3D打印云服務平臺需具備下述基本功能：

1）用戶管理

用戶管理主要負責維護3D打印云服務平臺中的多種用戶信息，為多方用戶提供一致的人員信息管理；同時，為3D打印云服務平臺的所有用戶提供訪問各種服務的統(tǒng)一訪問入口，實現(xiàn)統(tǒng)一安全的用戶認證和單點登錄。

2）云打印服務

云打印服務是3D打印云服務平臺的核心功能之一。具體實現(xiàn)功能如下：用戶將設計好的3D模型上傳到3D打印云服務平臺，然后選擇打印材料、顏色、數(shù)量、后處理等要求后，系統(tǒng)會自動生成訂單信息，用戶在線付款后完成下單；平臺接收訂單后，通過一定的篩選機制將訂單分配給平臺上的某個3D打印生產(chǎn)服務商；該3D打印生產(chǎn)服務商接收并確認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，在平臺上對產(chǎn)品和服務質量進行評價反饋，該評價反饋計算得出該生產(chǎn)服務商最新的累計口碑評價系數(shù)；云打印服務完成。

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計師進行產(chǎn)品創(chuàng)意設計。創(chuàng)意需求經(jīng)平臺審核成功發(fā)布之后即對所有設計服務資源公開。

4）資源注冊發(fā)布

資源注冊發(fā)布主要實現(xiàn)3D打印設備資源、設計服務資源和3D設計軟件資源等各類資源在平臺的統(tǒng)一標準化描述、注冊和發(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)意服務撮合管理

創(chuàng)意服務撮合管理主要是對注冊發(fā)布成功的服務資源和需求進行集成管理，實現(xiàn)服務需求與服務資源之間的優(yōu)化選擇和智能配置。

6）云平臺交易管理

云平臺交易管理可為云平臺交易過程提供全方位的支持，負責交易實例的創(chuàng)建、運行、監(jiān)控、異常處理及評價記錄；同時具有第三方資金支付監(jiān)管、服務交易的維權和投訴管理等功能，可實現(xiàn)制造服務交易的透明化、公平化監(jiān)控和管理。主要包括服務交易信息管理、服務交易實例管理、支付平臺集成管理、服務交易維權管理和服務投訴舉報管理等功能。

7）業(yè)務信用評估與分析

業(yè)務信用評估與分析功能對平臺的交易主體和業(yè)務建立信用評價指標體系，并利用相關信用反饋機制和評價算法實現(xiàn)對云平臺相關服務業(yè)務的信用評估和分析。

2.2 平臺體系架構

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

2.3 層次功能描述

3D打印云服務平臺體系架構包括以下八層結構：

圖2 3D打印云服務平臺體系架構圖

1）資源層

該層通過匯聚3D打印生產(chǎn)服務商、設計師、3D軟件、金融服務、物流配送等各類資源到3D打印云服務平臺，提供相關資源支持，覆蓋從需求—創(chuàng)意設計—專業(yè)設計—打印制造—物流配送等整個服務過程。

2）基礎支撐層

基礎支撐層是3D打印云服務平臺位于硬件層之上的基礎層。3D打印云服務平臺需運用IaaS（基礎設施即服務）的設備管理模式，為云平臺提供運行基礎支撐環(huán)境，包括：

（1）數(shù)據(jù)存儲資源：3D打印云服務平臺提供平臺正常運行所需的各類數(shù)據(jù)存儲資源并對其進行描述，包括云服務器、云數(shù)據(jù)庫和其他云存儲介質等。其中云服務器需具備性能的可擴展性，云數(shù)據(jù)庫不僅需要能夠滿足在多個云服務器上的分組，還需要能夠應用于以下三種運行模式：1）獨立數(shù)據(jù)庫；2）共享數(shù)據(jù)庫、隔離數(shù)據(jù)架構；3）共享數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)架構。

（2）網(wǎng)絡資源：3D打印云服務平臺提供平臺正常運行所需的網(wǎng)絡資源并對其進行描述，詳細包括Internet、Intranet、Extranet和無線網(wǎng)絡等所搭建形成的云服務網(wǎng)絡及其拓撲結構、使用節(jié)點數(shù)和數(shù)據(jù)吞吐量等信息。

3）平臺集成運行環(huán)境層

平臺集成運行環(huán)境層是提高平臺運行效率與安全的關鍵層。3D打印云服務平臺具備對服務平臺集成運行環(huán)境進行監(jiān)控管理的基本工具集，具體實現(xiàn)功能包括：

（1）QoS（服務質量）：QoS能夠支持FIFO、PQ、CQ、FQ、WFQ、CBWFQ、LLQ等排隊策略，支持RSVP資源預留協(xié)議，支持CAR、SPD，支持WRED擁塞避免，支持流量整形，從而解決服務網(wǎng)絡延遲和阻塞等問題。

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

（3）運行監(jiān)控：3D打印云服務平臺對平臺整體運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并對異常事件進行提前預警，主要監(jiān)控對象包括平臺數(shù)據(jù)流量、并發(fā)用戶數(shù)量、業(yè)務響應速率等。

4）持久化服務層

持久化服務層是位于數(shù)據(jù)庫與模型對象間的中間層。3D打印云服務平臺需設計并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的持久化服務，采用持久化中間件等方式對數(shù)據(jù)、服務、流程邏輯進行持久化存儲，對存儲在數(shù)據(jù)庫中的業(yè)務對象提供編程接口，執(zhí)行相關操作，例如讀、寫或修改一個或多個持久性數(shù)據(jù)。

5）引擎層

3D打印云服務平臺需開發(fā)一系列引擎，為云平臺管理工具的研發(fā)提供基層支持。各引擎的劃分原則及設計原則秉承引擎內高內聚、引擎間低耦合的特性，并充分考慮云平臺的特性（包括云計算和云存儲等），能夠以服務集的方式為上層提供便捷的集成支持。包括3D互動設計、產(chǎn)品在線瀏覽、模型智能檢測與修復、創(chuàng)意交易撮合、交易結算、負載均衡、任務管理資源調度、模型數(shù)據(jù)保護和平臺主體信用評估等引擎。

6）工具層

3D打印云服務平臺方為平臺用戶提供友好人機交互應用服務，實現(xiàn)平臺的易操作性和功能的便捷性，支持資源與需求的方便注冊、發(fā)布、搜索匹配、交易，以及業(yè)務管理、買賣雙方信用評價和交互社區(qū)創(chuàng)建等，包括在線創(chuàng)意設計工具、云打印工具、創(chuàng)意需求發(fā)布工具、創(chuàng)意出售工具、商城選購工具等。

7）訪問層

訪問層是用戶與平臺交互操作的終端接入層。3D打印云服務平臺支持多種不同終端的接入，實現(xiàn)對不同終端的動態(tài)響應性兼容，終端類型可能包括傳統(tǒng)PC終端，智能移動終端，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于用戶的關鍵層。3D打印云服務平臺提供方需設計并實現(xiàn)用戶層的功能，用戶層是為用戶提供訪問和瀏覽服務的交互界面、提供用戶需求注冊發(fā)布服務，是用戶與系統(tǒng)間信息交互的窗口。

3 3D打印云服務平臺涉及的關鍵技術

3.1 基于3D打印的個性化定制服務模式

如何針對消費者在文化創(chuàng)意、智能家居、工業(yè)產(chǎn)品等不同領域的個性化需求，研究基于3D打印的個性化定制服務模式[16]是3D打印云服務平臺需要首先解決的一個關鍵技術問題。該模式需要支持在產(chǎn)品個性化定制不同階段、不同角色之間的協(xié)同工作，需要有良好的運營服務模式和盈利模式，需要支持從需求獲取—創(chuàng)意設計—專業(yè)設計—3D打印制造及裝配—物流配送等服務全過程，探索建立“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”的創(chuàng)新服務模式。

3.2 基于Web的交互式3D創(chuàng)意設計技術

實現(xiàn)支持用戶基于Web交互式創(chuàng)意設計的3D設計引擎是3D打印云服務平臺的一個技術難點。在線交互式3D設計引擎需要支持互聯(lián)網(wǎng)、移動終端等多種接入形式，能夠在線實現(xiàn)外觀形狀設計、材料材質選取、色彩/紋理/圖案設計、環(huán)境建模，支持用戶在線開展協(xié)作式虛擬設計、產(chǎn)品效果瀏覽與展示，實現(xiàn)將需求與創(chuàng)意轉化成為工業(yè)設計作品。

3.3 3D模型知識產(chǎn)權自動保護技術

3D打印云服務平臺能夠基于互聯(lián)網(wǎng)技術選擇3D打印生產(chǎn)服務商來實現(xiàn)遠程3D打印，但目前的3D打印云服務平臺缺乏知識產(chǎn)權保護機制[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散和被竊取，給設計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)服務商后，也存在被3D打印生產(chǎn)服務商非法打印或擴散的風險。3D模型知識產(chǎn)權自動保護技術需要研究面向3D打印的模型數(shù)據(jù)保護技術，建立模型數(shù)據(jù)全流程主動保護機制，從而保護和激發(fā)設計師和普通大眾的創(chuàng)新熱情。

3.4 基于大數(shù)據(jù)的創(chuàng)意交易管理技術

互聯(lián)網(wǎng)、3D打印制造等技術將極大地激發(fā)與釋放人們的創(chuàng)新激情，3D打印產(chǎn)品創(chuàng)意呈現(xiàn)海量増長趨勢[18]。如何從海量創(chuàng)意中優(yōu)化存儲和檢索，從數(shù)據(jù)分析獲得更多更有用的數(shù)據(jù)信息，并將結果反饋給用戶；以及如何針對海量創(chuàng)意數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型和工業(yè)設計產(chǎn)品進行綜合評估、定價議價和供需交易等，都是基于大數(shù)據(jù)的創(chuàng)意交易管理技術研究的重點內容。

3.5 分布式3D打印云制造服務技術

3D打印云服務平臺將社會上分散、閑置的3D打印設備資源聯(lián)網(wǎng)共享、聚集并且在線調用，形成一個全球化的、快速響應的分布式3D打印定制化生產(chǎn)環(huán)境，從而實現(xiàn)社會化制造[9,14,15]或者泛在制造。分布式3D打印云制造服務技術就是研究如何對分布式3D打印制造服務實現(xiàn)有效和智能化的管理和調用等，具體包括3D打印設備云端接入、3D云打印制造服務描述、動態(tài)監(jiān)測、服務匹配和智能排產(chǎn)等關鍵技術。

4 典型應用案例

4.1 天馬行空網(wǎng)絡平臺功能與架構

圖3 天馬行空網(wǎng)絡平臺的部分界面

圖4 天馬行空網(wǎng)絡平臺的系統(tǒng)性功能架構

天馬行空網(wǎng)（http://www.tmxk3d.com）是海爾集團基于上述平臺體系架構理念開發(fā)的國內領先的面向高端家居家電產(chǎn)品個性化定制的3D打印云服務平臺。它構建了一個3D數(shù)據(jù)處理服務、創(chuàng)意產(chǎn)品設計、展示、制造和銷售為一體的網(wǎng)絡服務平臺，可為創(chuàng)意產(chǎn)品設計師、3D打印生產(chǎn)服務商、終端消費用戶等提供網(wǎng)絡化、個性化定制和交易服務，天馬行空網(wǎng)的部分功能界面如圖3所示。其平臺系統(tǒng)性功能架構如圖4所示。

4.2 天馬行空網(wǎng)絡平臺商業(yè)模式與運營效果

1）應用模式

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

針對設計師，可以在天馬行空網(wǎng)免費開設個人品牌店鋪并出售創(chuàng)意設計作品。設計作品上傳后，系統(tǒng)會自動計算出對應不同材料的打印成本，然后再加上設計師想要獲得的設計收益，便是最終的產(chǎn)品銷售價格；當有用戶購買這件產(chǎn)品時，天馬行空網(wǎng)將通過其強大的3D云打印網(wǎng)絡工廠完成產(chǎn)品生產(chǎn)并配送給用戶；交易完成后，天馬行空網(wǎng)將扣除打印費用和少量的交易費并向設計師支付設計收益。針對3D打印生產(chǎn)服務商，通過云端接入將傳統(tǒng)的線下打印服務轉變?yōu)榫€上服務，圍繞免費3D設計和3D模型數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)服務報價與能力匹配，擴展其服務能力和服務范圍。

2）運營狀況與效益

經(jīng)過兩年時間的建設，該平臺已經(jīng)建立超過50萬件的零部件模型資源庫，能夠支持基于STL、OBJ文件格式的動態(tài)3D預覽和支持STL，OBJ，3DS，3DM等主流數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)轉換；能夠有效支持3D模型數(shù)據(jù)缺陷識別和智能修復，模型修復率經(jīng)測試可達90%以上，達到國內外同類網(wǎng)站的領先水平。可支持超過1000個并發(fā)訪問需求，響應時間小于5s，基本滿足產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)者對于設計平臺的使用需求；已吸納注冊用戶200萬人，設計師15萬名，實現(xiàn)銷售收入3000萬元以上。

5 結束語

作為“互聯(lián)網(wǎng)+”與3D打印等先進制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，3D打印云服務平臺能夠滿足人們日益增長的個性化產(chǎn)品及服務需求，因而具有廣闊的發(fā)展和應用前景。一方面，它使消費者享有多種類定制化產(chǎn)品成為現(xiàn)實，甚至允許他們自己設計和創(chuàng)作自己的產(chǎn)品[10]；另一方面，它能夠使企業(yè)或生產(chǎn)商進行按需生產(chǎn)來節(jié)約成本和提高利潤，促進傳統(tǒng)制造業(yè)從大規(guī)模制造向大規(guī)模定制的轉型。此外，平臺能夠吸引各類資源的匯聚，帶動相關創(chuàng)意設計、材料、電子商務、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用實踐，實現(xiàn)3D打印個性化定制創(chuàng)新商業(yè)模式的應用推廣，為我國建設創(chuàng)新型國家提供技術支撐。

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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

國家科技支撐計劃資助項目（2015BAF04B02）

劉永輝（1978 -），男，山東萊陽人，高級工程師，博士，研究方向為3D打印、個性化定制和智能制造等。