面向個性化LED照明設備定制的云制造應用研究

李 強 曹 越 彭道虎

(內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

當前，我國的制造業(yè)發(fā)展速度在度過了由人口紅利帶來的超高速發(fā)展期后，進入了平穩(wěn)增長的高速發(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)展機會。同時，人們生活水平的提升帶來了人們對于差異化的需求，個性化定制也就適時而生并且應用越來越廣泛。

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

現(xiàn)階段LED照明設備生產(chǎn)企業(yè)在具體實施個性化生產(chǎn)時時常會出現(xiàn)以下問題：生產(chǎn)成本無法精確把控、交貨時間難以預期;定制后的產(chǎn)品會出現(xiàn)與用戶定制需求貼合度低的情況；定制產(chǎn)品的生產(chǎn)標準及產(chǎn)品質(zhì)量控制沒有固定的評測標準導致產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。本文依托云制造技術(shù)和LED照明設備制造業(yè)，具有創(chuàng)新性地將云制造技術(shù)應用于LED照明設備制造行業(yè)中，提出LED照明設備制造云模式，將云制造技術(shù)與手LED照明設備制造業(yè)結(jié)合起來，通過搭建LED照明設備制造云平臺，將LED照明設備的制造資源和技術(shù)資源整合到云平臺上，彌補了企業(yè)生產(chǎn)能力上各個方面的問題，也將在很大程度上滿足用戶的個性化需要。

1 云制造的應用及發(fā)展

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

2 LED照明設備制造云模式

2.1 云制造服務平臺

LED照明設備制造云指基于云制造理念的個性化LED照明設備定制，如圖1所示為LED照明設備云制造示意圖，通過引入LED照明設備制造云平臺來解決目前個性化LED照明設備定制存在的問題，并利用云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物理信息融合技術(shù)[9]對分布在不同區(qū)域的制造技術(shù)資源實現(xiàn)網(wǎng)絡化整合；再通過云制造平臺統(tǒng)一管控和優(yōu)化配置，實現(xiàn)對LED照明設備定制的合理化處理，達到制造資源和技術(shù)的最優(yōu)利用，從而促進定制企業(yè)更好地降低成本、提高效率進而形成生產(chǎn)速度更快的個性化定制生產(chǎn)方式。

圖1 LED照明設備制造云平臺示意圖

2.2 個性化定制模式

根據(jù)個性化定制的特點、優(yōu)勢以及LED照明設備制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合云制造的理念，提出了LED照明設備制造云模式。其基本理念是針對LED照明設備企業(yè)對于無法準確地獲得用戶定制需求和對于定制產(chǎn)品生產(chǎn)力達不到要求的問題。一方面，利用LED照明設備制造云平臺能將用戶、定制企業(yè)以及第三方企業(yè)(即為定制生產(chǎn)服務的其它生產(chǎn)性服務企業(yè))聚集起來即時地進行溝通和交流。另一方面，LED照明設備定制企業(yè)能夠從平臺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、各類元器件的生產(chǎn)以及在制造過程中與LED照明設備定制企業(yè)合作，通過與合作伙伴合作形成的規(guī)模范圍經(jīng)濟效應能更好地支持定制產(chǎn)品的生產(chǎn)成本下降和服務需求。圖2為LED照明設備制造云的定制模式。

圖2 LED照明設備個性化定制云模式

3 LED照明設備制造云定制模式的實現(xiàn)

3.1 云制造平臺的體系結(jié)構(gòu)

通過對現(xiàn)有的云制造體系構(gòu)架的文獻的研究，結(jié)合LED照明設備定制發(fā)展和未來LED照明設備發(fā)展的趨勢，本文借鑒了文獻[10]設計了LED照明設備個性化定制平臺的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 LED照明設備個性化定制云平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

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

LED照明設備制造云平臺層由管理云、供應云、制造云、研發(fā)云等組成，是LED照明設備個性化定制平臺運作的支柱。

資源層的作用是為中間管理層提供對接口。資源層的主要功能是將各種云服務資源集中，從而形成云制造資源池，為LED照明設備制造云平臺的運作提供各種資源支持。

中間管理層是用戶使用云平臺資源層資源的應用服務的對接口。中間管理層主要由各類服務工具組成，為平臺內(nèi)的各個功能活動提供工具。

定制服務層是LED照明設備個性化定制平臺的核心功能層，包括用戶需求分析層、產(chǎn)品生產(chǎn)制造層、產(chǎn)品供應層和物流服務層。其中用戶需求分析層對用戶的個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照明設備的版式；用戶將與企業(yè)在交互平臺上交流、協(xié)商以確定最終定制需求；之前的定制需求對應的定制資源如果不能完全滿足用戶對定制產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，就需要返回交互平臺再對定制需求進行調(diào)整。重復上述循環(huán)，直至調(diào)配出滿足用戶定制需求的模型，同時適合企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。產(chǎn)品生產(chǎn)制造層、產(chǎn)品供應層和物流服務層總體包括產(chǎn)品設計、協(xié)同加工、產(chǎn)品裝配、供應、物流配送和售后服務等系統(tǒng)模塊，主要為用戶及企業(yè)提供定制產(chǎn)品的設計、制造、加工、配送、物料采買及產(chǎn)品維修等服務。

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

3.2 云制造平臺的工作流程

通過分析個性化LED照明設備生產(chǎn)的需求，以云制造平臺為核心，設計個性化LED照明設備定制云制造平臺工作流程，如圖4所示。

圖4 LED照明設備個性化定制云平臺工作流程

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

首先，用戶與定制企業(yè)通過交互平臺組合出適合用戶需求的產(chǎn)品概念，定制企業(yè)使用LED照明設備定制系統(tǒng)對得出的產(chǎn)品概念進行分析并轉(zhuǎn)化成定制產(chǎn)品的功能參數(shù)及服務需求；定制設計人員使用產(chǎn)品設計系統(tǒng)中的方案論證和方案設計等功能開始進行定制產(chǎn)品的設計;而服務需求則是以售后服務系統(tǒng)內(nèi)準備的各類服務資源來為用戶提供服務。

其次，定制產(chǎn)品設計完成后，LED照明設備定制企業(yè)會根據(jù)用戶需求和資源能力等情況以及定制產(chǎn)品的動態(tài)BOM[11]進行該產(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)連接知識庫對用戶訂單進行分析，制定并確立主生產(chǎn)計劃MPS(Master Production Schedule)[12]，然后通過定制LED照明設備產(chǎn)品的參數(shù)和工藝條件對生產(chǎn)任務進行劃分；依照定制企業(yè)對元器件的加工能力和加工成本分析，決定是否將定制任務外包，有外包任務則發(fā)布到LED照明設備定制云制造平臺上，找到滿足外包要求的第三方企業(yè)進行生產(chǎn)。另外，可以通過協(xié)同加工以及物料采購系統(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。

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

3.3 云制造平臺的軟件結(jié)構(gòu)設計

考慮到國內(nèi)LED照明設備制造企業(yè)以中小企業(yè)占大多數(shù)，為了減輕LED照明設備定制云制造平臺的維護壓力同時，使平臺有更好的延展性以方便用戶大規(guī)模進駐，使用MVVM框架搭建LED照明設備個性化定制云制造平臺。

MVVM框架被分成視圖模塊、模型模塊、視圖模型模塊三個部分。視圖模塊是與用戶的對接口，負責用戶界面的顯示及交互；視圖模型模塊是對用戶在視圖模塊輸入的數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)業(yè)務邏輯及狀態(tài)控制；模型模塊負責提供與業(yè)務邏輯相關(guān)的數(shù)據(jù)對象[13]。LED照明設備制造云平臺軟件結(jié)構(gòu)設計如圖5所示，用戶在網(wǎng)頁輸入需求，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，接著通過模型模塊存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中的模型數(shù)據(jù)可以被模型模塊讀取，經(jīng)過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照明設備個性化定制云平臺MVVM框架處理過程

4 云平臺搭載及案例分析

4.1 云平臺搭載

LED照明設備制造云平臺使用P2P[14]及B/S構(gòu)架[15]搭建，集成了資源管理、數(shù)據(jù)共享和信息服務等功能。通過VAM管理服務器、Portal服務器和資源存儲系統(tǒng)以及PHP為腳本開發(fā)語言對LED照明設備制造云平臺進行搭建，實現(xiàn)對資源庫的有效管理，同時實現(xiàn)資源的數(shù)據(jù)分布式管理及各種業(yè)務數(shù)據(jù)的整合和共享[16]。所以，通過把P2P及B/S技術(shù)結(jié)合起來，解決了LED照明設備制造云平臺在搭建完成后存儲空間不足、任務管理繁雜混亂、資源訪問速度低以及平臺容易崩潰等問題，減輕了平臺的運營負擔。

4.2 案例分析

為了驗證用戶及企業(yè)使用LED照明設備制造云平臺的必要性，利用個性化定制產(chǎn)品質(zhì)量模糊綜合評價法[17]測評個性化定制LED照明產(chǎn)品的質(zhì)量，通過組織一個由20位專家組成的測評小組分別對利用LED照明設備制造云平臺定制的一批產(chǎn)品(C1)和通過中小型LED照明設備企業(yè)定制的一批產(chǎn)品(C2)進行質(zhì)量評價比較分析，評價結(jié)果見表1和表2。

表1 C1質(zhì)量評價結(jié)果

表2 C2質(zhì)量評價結(jié)果

第一步，建立個性化定制LED照明產(chǎn)品的質(zhì)量因素集Q和質(zhì)量評價等級集V。選擇4個質(zhì)量指標：個性化程度(q1)、定制效率(q2)、生產(chǎn)成本(q3)、產(chǎn)品性能(q4)，將每個評價指標劃分為優(yōu)、良、中、合格、不合格5個等級并設定加權(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)量評價等級集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，使用模糊評價法進行質(zhì)量模糊綜合評價。求出各個質(zhì)量因素對于不同評價等級的隸屬度，分別得到表1和表2的質(zhì)量因素Q的模糊評價矩陣R1和R2：

其中隸屬度：

式中：fij是第i個因素被評為第j個等級的次數(shù)。

第三步，確定質(zhì)量因素權(quán)重集。對各質(zhì)量因素的評價采用專家評價進行因素模糊評價，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)模糊評價矩陣R和權(quán)重W建立質(zhì)量模糊綜合評判數(shù)學模型。

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)量模糊綜合評判數(shù)學模型BT相乘得到綜合質(zhì)量評價結(jié)果：

根據(jù)上述計算結(jié)果可以看出通過LED照明設備個性化定制云平臺定制的產(chǎn)品質(zhì)量要比一般中小型LED照明設備定制企業(yè)的評分高。說明利用LED照明設備制造云平臺能夠讓中小型LED照明設備定制企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量有顯著提升，也解決LED照明設備定制企業(yè)滿足用戶需求難度大的問題，將用戶需求滿意度達到最大化。

5 結(jié) 語

首先，本文結(jié)合云制造以及個性化定制的概念提出LED照明設備個性化定制云制造模式，并且建立面向個性化定制LED照明設備的云制造平臺架構(gòu)；同時設計了LED照明設備定制企業(yè)個性化定制的云制造平臺的工作流程和軟件框架。

其次，本文開拓性地把LED照明設備個性化定制生產(chǎn)與云制造技術(shù)相融合，利用云制造平臺的資源統(tǒng)一管控的優(yōu)勢，為LED照明設備生產(chǎn)企業(yè)的個性化定制業(yè)務并提供最合理的制造資源。

最后，LED照明設備個性化定制云平臺的建立，可以使科研人員的交流更加便捷，加快技術(shù)革新進而影響我國整個LED照明行業(yè)的技術(shù)進步，為后續(xù)的技術(shù)發(fā)展打造堅實的基礎。根據(jù)上述分析，說明LED照明設備個性化定制云平臺解決個性化定制生產(chǎn)能力和用戶需求方面的問題，促進了LED照明設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動了制造業(yè)新模式的進步。