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

(內蒙古科技大學機械工程學院 內蒙古 包頭 014010)

0 引 言

當前，我國的制造業發展速度在度過了由人口紅利帶來的超高速發展期后，進入了平穩增長的高速發展期，伴隨著發展速度的下降，制造業發展的方向變得更加多元化以尋求新的超高速發展機會。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勢：個性化定制具有降低產品研發周期、壓縮產品成本以及提升競爭力等諸多優勢，目前已經涉及大部分制造行業。在LED照明設備制造業中，LED照明設備制造企業為了更好地滿足用戶的需求，大多數都將推出個性化定制的運營模式作為企業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，所以使得企業在實施個性化生產時存在研發、制造加工困難、信息化水平不足和經營管理落后等問題[1]，嚴重影響著企業的運營戰略。特別是中小型LED照明設備生產企業在個性化LED照明設備定制生產方面存在的問題更加突出。

現階段LED照明設備生產企業在具體實施個性化生產時時常會出現以下問題：生產成本無法精確把控、交貨時間難以預期;定制后的產品會出現與用戶定制需求貼合度低的情況；定制產品的生產標準及產品質量控制沒有固定的評測標準導致產品質量無法保障。本文依托云制造技術和LED照明設備制造業，具有創新性地將云制造技術應用于LED照明設備制造行業中，提出LED照明設備制造云模式，將云制造技術與手LED照明設備制造業結合起來，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資源整合到云平臺上，彌補了企業生產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 云制造的應用及發展

李伯虎等[2]針對應用服務ASP(Application Service Provider)、制造網絡、敏捷制造以及全球化制造網絡服務化的制造模式在推廣中所存在的問題，通過將網絡化制造和服務技術同云計算、云安全、高性能計算、物聯網等技術融合，提出了一種面向服務的網絡化制造新模式，即云制造模式。目前，云制造從提出到開展研究已經近十年，云制造技術使用的領域始終在擴充；同時，在學術研究[3]以及工業應用[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品，所以將云制造用于LED照明設備制造生產可以很好地滿足用戶的需求，并為企業開啟新的盈利模式。目前，云制造在其他制造行業已有理論、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照明設備制造業散發出獨特的光彩。

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、物聯網技術以及物理信息融合技術[9]對分布在不同區域的制造技術資源實現網絡化整合；再通過云制造平臺統一管控和優化配置，實現對LED照明設備定制的合理化處理，達到制造資源和技術的最優利用，從而促進定制企業更好地降低成本、提高效率進而形成生產速度更快的個性化定制生產方式。

圖1 LED照明設備制造云平臺示意圖

2.2 個性化定制模式

根據個性化定制的特點、優勢以及LED照明設備制造業的發展現狀，結合云制造的理念，提出了LED照明設備制造云模式。其基本理念是針對LED照明設備企業對于無法準確地獲得用戶定制需求和對于定制產品生產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、定制企業以及第三方企業(即為定制生產服務的其它生產性服務企業)聚集起來即時地進行溝通和交流。另一方面，LED照明設備定制企業能夠從平臺上更加便利地獲取到定制生產需要的各類資源;第三方企業能夠參與芯片的供應、各類元器件的生產以及在制造過程中與LED照明設備定制企業合作，通過與合作伙伴合作形成的規模范圍經濟效應能更好地支持定制產品的生產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

3.1 云制造平臺的體系結構

通過對現有的云制造體系構架的文獻的研究，結合LED照明設備定制發展和未來LED照明設備發展的趨勢，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架構，如圖3所示。

圖3 LED照明設備個性化定制云平臺的系統架構

LED照明設備個性化定制平臺的系統架構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、產品生產制造層、產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。使用智能交互系統可以將用戶的定制需求分為創新性需求、穩定性需求、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；用戶將與企業在交互平臺上交流、協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品的生產要求，就需要返回交互平臺再對定制需求進行調整。重復上述循環，直至調配出滿足用戶定制需求的模型，同時適合企業生產的產品。產品生產制造層、產品供應層和物流服務層總體包括產品設計、協同加工、產品裝配、供應、物流配送和售后服務等系統模塊，主要為用戶及企業提供定制產品的設計、制造、加工、配送、物料采買及產品維修等服務。

用戶界面層是用戶及企業進入LED照明設備個性化定制平臺的端口，為用戶及企業提供注冊、登錄以及資源需求發布、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布需求信息，使用云計算技術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。

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

其次，定制產品設計完成后，LED照明設備定制企業會根據用戶需求和資源能力等情況以及定制產品的動態BOM[11]進行該產品的生產能力和成本分析，確定適合用戶的定制需求的生產方式，然后給定制企業生成訂單；利用專家系統連接知識庫對用戶訂單進行分析，制定并確立主生產計劃MPS(Master Production Schedule)[12]，然后通過定制LED照明設備產品的參數和工藝條件對生產任務進行劃分；依照定制企業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進行生產。另外，可以通過協同加工以及物料采購系統使定制企業能夠更好地選擇合作者完成定制產品的生產任務。

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

3.3 云制造平臺的軟件結構設計

考慮到國內LED照明設備制造企業以中小企業占大多數，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據進行處理，以實現業務邏輯及狀態控制；模型模塊負責提供與業務邏輯相關的數據對象[13]。LED照明設備制造云平臺軟件結構設計如圖5所示，用戶在網頁輸入需求，視圖模塊接收到用戶需求后將需求轉化為數據并傳遞給視圖模型模塊進行數據處理，視圖模型模塊將需求數據轉化成邏輯模型，接著通過模型模塊存入數據庫。數據庫中的模型數據可以被模型模塊讀取，經過視圖模型模塊和視圖模塊處理，最后把數據以視圖形式呈現給用戶。

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構架[15]搭建，集成了資源管理、數據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以及PHP為腳本開發語言對LED照明設備制造云平臺進行搭建，實現對資源庫的有效管理，同時實現資源的數據分布式管理及各種業務數據的整合和共享[16]。所以，通過把P2P及B/S技術結合起來，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使用LED照明設備制造云平臺的必要性，利用個性化定制產品質量模糊綜合評價法[17]測評個性化定制LED照明產品的質量，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品(C1)和通過中小型LED照明設備企業定制的一批產品(C2)進行質量評價比較分析，評價結果見表1和表2。

表1 C1質量評價結果

表2 C2質量評價結果

第一步，建立個性化定制LED照明產品的質量因素集Q和質量評價等級集V。選擇4個質量指標：個性化程度(q1)、定制效率(q2)、生產成本(q3)、產品性能(q4)，將每個評價指標劃分為優、良、中、合格、不合格5個等級并設定加權系數分別為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。

質量因素集Q{q1,q2,q3,q4}

質量評價等級集V{優,良,中,合格,不合格}

加權系數集G{0.9,0.7,0.5,0.3,0.1}

第二步，使用模糊評價法進行質量模糊綜合評價。求出各個質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。

第三步，確定質量因素權重集。對各質量因素的評價采用專家評價進行因素模糊評價，得質量因素權重集為：

W=[0.22,0.26,0.24,0.28]。

第四步，根據模糊評價矩陣R和權重W建立質量模糊綜合評判數學模型。

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，將加權系數集G與質量模糊綜合評判數學模型BT相乘得到綜合質量評價結果：

根據上述計算結果可以看出通過LED照明設備個性化定制云平臺定制的產品質量要比一般中小型LED照明設備定制企業的評分高。說明利用LED照明設備制造云平臺能夠讓中小型LED照明設備定制企業的產品質量有顯著提升，也解決LED照明設備定制企業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 語

首先，本文結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；同時設計了LED照明設備定制企業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與云制造技術相融合，利用云制造平臺的資源統一管控的優勢，為LED照明設備生產企業的個性化定制業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，加快技術革新進而影響我國整個LED照明行業的技術進步，為后續的技術發展打造堅實的基礎。根據上述分析，說明LED照明設備個性化定制云平臺解決個性化定制生產能力和用戶需求方面的問題，促進了LED照明設備產業的發展，帶動了制造業新模式的進步。