云制造環境下模具加工制造資源共享技術研究及平臺開發

鄺超鵬 陶建華 李庭泰 陳彬 馬堯 王偉

（①廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006；②機企貓軟件科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 510006）

隨著經濟的快速發展，模具企業想要快速發展和提高市場競爭力，需要具備完善的制造資源，或者有更多的資金流入來提高制造能力，但這對于中小型模具制造企業來說難以實現。因此，需要利用制造資源共享技術，對不同區域企業的制造資源進行整合及有效管理。由于制造資源具有異構性、海量性和多樣性等特點，需提取資源共性并進行建模，實現標準化和通用化。

文獻[1]分析了生產設備主體資源，采用本體建模對資源進行系統描述，并將描述信息進行服務化封裝。文獻[2]提出一種基于生產成本、制造時間以及加工質量等評價因素的云制造資源優化選擇模型。文獻[3]提出了一種具有較強競爭力的混合粒度制造資源模型，提高了云服務的利用率。文獻[4]利用本體知識對制造資源進行形式化描述。文獻[5]在復雜網絡和物聯網的基礎上，提出了制造資源的供需匹配算法,提升制造資源匹配結果的有效性。文獻[6]研究了制造資源的容量約束服務匹配問題，利用改進的遺傳算法計算最佳匹配。文獻[7]航天科技集團云制造服務平臺，由航天科技集團開發運行，將公司內部資源與服務進行共享，實現資源利用率最大化。

通過上述研究成果可以知道，對于制造資源共享匹配采用了不同算法，但研究深度和廣度還不夠全面，共享匹配模型存在層次不適中，使得共享匹配過程復雜或共享匹配精度不高，共享匹配結果沒有可比性，缺乏統一規范的標準。因此，本文針對模具制造資源的多樣性和異構性等特點，分析了模具制造資源運行模式，構建了基于模具訂單的制造資源共享模型，并建立模具制造資源共享云服務資源庫，以及模具智能制造平臺的設計與實現。

1 云制造的模具制造資源運行模式

云制造的模具制造資源運行模式中有3種主要角色，分別是資源提供方、服務需求方和云平臺。

資源提供方可以將空置的模具制造資源和制造能力進行虛擬化，以商品的形式，作為一種服務，上傳至云平臺[8]。服務需求方則是向云平臺申請并提交需求任務，從中獲取合適的資源或服務。服務需求方和資源提供方的身份是能夠互相轉換的，主要看行為人的執行方式及目的，是為了在云平臺上獲取服務還是提供服務。云平臺主要是對資源提供方上傳的服務以及服務需求方上傳的需求進行服務匹配，將匹配結果返回給服務需求方，同時也將需求下達給資源提供方。

2 模具制造資源共享技術

2.1 模具制造資源的定義及分類

對面向模具訂單的制造資源進行了研究，將模具制造資源分為6大類，分別為編程資源、技術資源、人力資源、知識資源、管理資源和設備資源[9]。其資源主要包含模具加工過程中需要使用的制造資源，如圖1所示。

圖1 模具制造資源分類

模具制造資源共享是指在松散耦合、標準規范的網絡環境中，應用信息、網絡和計算機技術等，實現異地分散、不同類型的模具制造資源的封裝、集成、管理、發布和共享[10]。雖然在分類以及適用范圍上沒有得到確切答案，但多數學者都認為模具制造資源應該是處在制造過程所使用或消耗的資源。

2.2 基于模具訂單的制造資源共享模型

在模具制造企業中，企業通過投標的方式得到客戶訂單。而一個訂單項目中，可能存在產品的個性化或者大型化的需求，使得某些企業不能獨自完成，需要將某些任務外協出去，通過企業間的相互合作，共同完成整個產品的制造過程。在合作過程中，企業利用網絡進行消息傳遞的同時，也將零散的模具制造資源進行了整合。這體現了模具制造資源的共享過程，如圖2所示。

圖2 面向模具訂單的制造資源共享過程模型

在云制造環境下，對共享過程進行抽象化，定義了模具制造資源共享模型。該模型用七元組定義，并對相關模具制造資源進行描述：

式中：T為模具訂單任務需求；TS為模具加工任務主體；RR為需求資源集；DA為需求可用資源決策集；DS需求共享資源決策集；RS狀態資源集；MR為遷移關系集。

（1）模具加工任務主體（task subject，TS）：表示在某需求任務中，完成相應工作的執行者。它可以是模具制造企業、供應商，或者是企業內部能夠完成該需求任務的相關部門。關于某模具訂單任務需求，模具加工任務主體采用集合TS(ti)={ts1,ts2,ts3,···,tsm}的方式進行表示。

（2）需求資源集（resource requirements，RR）是相對某個ti模具訂單任務需求來說，TS從開始執行到完成結束的整個過程中，根據實施情況需要提供的模具制造資源集合。假設總共需要提供n種模具制造資源，則RRi可表示為RRi=[r1,r2,···,rn]。

在完成某項模具訂單任務需求的過程中，為了表示主要模具加工任務主體提供的需求可用資源（demand available resources,DAR）和其他模具加工任務主體提供的需求共享資源（demand sharing resources,DSR)，援用了需求可用資源決策集（demand available resource decision set,DA）和需求共享資源決策集（demand shared resource decision set,DS），其中DA=[daj]1·n(daj≥0,daj∈R+),DS=[dsj]1·n(dsj≥0,dsj∈R+)。所以關于某個模具ti訂單任務需求，DA和DS分別用式（2）和式（3）進行表示為

式（3）在遷移關系集（migration relationship，MR）：表示模具制造資源在模具加工任務主體之間進行相互傳遞，同時提供相關DSR。在傳遞過程中，可能出現某個模具制造資源是由多家TS提供的情況，所以MR為多元胞數組，如MR=[TS1,TS2,{TS2,TS3}]。

為了詳細展示MRSPMMO共享模型，圖3形式化描述了某模具訂單制造資源的共享過程，并設計相應算法，對相關模具制造資源進行合理優化與共享。

圖3 MRSPMMO模型描述實例

2.3 模具制造資源共享云服務資源庫

云制造環境下，眾多模具制造資源的描述形式都不完全相同，且在各個模具企業中，這種差異感會被放大，這會使得模具制造資源在共享過程中存在資源信息的壁壘，難以滿足異構資源的共享條件[11]。所以，為了達到其共享條件，建立模具制造資源共享云服務資源庫是有必要的。

模具訂單制造資源（mold order manufacturing resources，MOMR）是指完成一個模具訂單的過程中，包含的各種模具制造資源。訂單生成后，會根據模具加工過程不斷分解和傳遞，從而積累模具制造資源，形成云服務資源庫。云服務資源庫作為共享的重要內容，將不同類型的資源服務進行統一描述，并在多個TS間傳遞。為了更好實現模具制造資源的共享過程，將云服務資源庫分為4個部分，分別是模具訂單信息庫（mold order information base，MOIB）、云服務信息庫（cloud service information base，CSIB）、模具訂單元信息庫（mold order meta information base，MOMIB）、云服務元信息庫（cloud service meta information pool，CSMIB）[12]。其中,存儲各模具訂單的重要信息，比如產品BOM清單和數據文檔等；存儲模具制造資源對象屬性信息；存儲各模具訂單之間的關系信息；存儲中各對象屬性之間的關系信息。如圖4所示。

圖4 云服務資源庫

云服務資源庫的描述具有五種呼應關系，這些關系首先通過統一標識符建立聯系，然后利用 進行驅動，進而實現模具制造資源共享的過程。如圖5所示。

圖5 云服務資源庫模型圖

圖6對面向模具訂單的云服務資源庫的具體應用過程進行展示。根據客戶發布的任務需求，模具企業以訂單的形式進行接收，并將所需資源通過一定方式傳送給相關外圍企業，外圍企業提供，并將其作為一種服務返回。通過鎖（需求）與鑰匙（服務）的供需撮合[13]，在基于云服務資源庫基礎上，實現模具訂單的制造資源及信息的共享。

圖6 面向模具訂單的云服務資源庫應用過程

3 模具智能制造平臺的設計與實現

3.1 平臺系統總體架構

在云計算經驗的基礎上，建立了模具智能制造平臺系統。整個平臺系統由3個部分組成：服務客戶端、服務運營商和服務提供商；分為6層結構：系統支持層、資源層、服務構造層、核心功能層、應用接口層和門戶層。如圖7所示。

圖7 模具智能制造平臺服務系統體系結構

3.2 平臺系統開發工具

系統架構采用的是B/S（Brower/Server）模式，即瀏覽器-服務器。該模式簡易方便，只要在客戶端上安裝一個瀏覽器，如Inter Explorer；在服務器安裝Oracle、Mysql等數據庫即可。用戶基于網絡使用瀏覽器向服務器發送請求，得到響應后將反饋結果通過網絡返回客戶端。B/S架構符合云制造系統的理念和要求，并為系統的集成和共享提供支持。

前端頁面設計采用HTML+CSS +JavaScript模式。后端技術結合Servlet和JavaBean二者使用。前端與后端的交互采用基于HTTP的POST、GET方法與AJAX相結合的模式。

3.3 平臺系統主要功能實現

3.3.1 平臺用戶角色

在該平臺系統中，存在加盟客戶、加盟服務商和在線服務平臺（管理員）3種角色。由加盟客戶向云平臺提交模具加工任務，包括需求分類、需求描述及個性屬性等數據。加盟服務商向云平臺發布服務資源，包括編程模板、工藝刀具庫和后處理器模板等資源。云平臺根據客戶發布的需求，從加盟服務商上傳的資源里，或者從注冊的服務企業中，尋找合適的資源或服務。然后將尋找結果進行匹配排序，反饋給需求用戶，用戶從中選取服務企業，這樣就形成了供需撮合。后續云平臺會將任務訂單發送給相應云端企業，在任務完成后，用戶可以對其進行評價。在線服務平臺（管理員）則負責整個云制造平臺的維護和數據管理。

3.3.2 平臺登錄與注冊

輸入網址，進入到平臺界面，可以瀏覽查看平臺有關模具行業的相關信息，但不能進行其他任何操作，如發布資源到商城、發布客戶需求等。在平臺首頁，若想成為平臺用戶，點擊菜單欄右側的注冊，即可進入平臺賬號注冊，如圖8所示。賬號注冊時可以選擇個人注冊或企業注冊，區別在于個人注冊時需要填寫身份證號碼，而企業注冊時需要填寫公司名稱、公司地址、上傳營業執照和統一社會信用代碼，目的是為了用戶的真實性。

圖8 賬號注冊界面

注冊成功之后，返回登錄界面。只需填寫賬號和密碼，點擊登錄按鈕，就可以進入平臺使用各項功能。

3.3.3 平臺服務錄入與發布

注冊并登錄賬號，進入作業平臺，選擇加盟服務商角色，就可以進行資源服務的錄入與發布申請。在頁面中點擊工藝數據，在左側菜單欄中選擇要添加的服務，點擊新增按鈕。用戶只需根據平臺提供的模板，將服務參數填入并保存，也可對之前發布的服務進行更新操作。平臺會根據加盟服務商發布的服務信息，采用分布式存儲，使服務獨立更新。

加盟服務商申請服務發布后，需要在線服務平臺在后臺進行審核，審核通過后將結果顯示在前臺，不通過則需要加盟服務商進行更改后再發布。在用戶的工藝數據中，加盟服務商可以對自己發布的服務進行查看、修改及刪除等操作。在用戶的服務需求中，可以將審核通過的服務進行上架。

服務發布并上架成功后，在前臺的商城首頁里會展示該項服務，如圖9所示，待服務需求方選擇服務并購買。

圖9 服務展示界面

3.3.4 平臺供需發布與匹配

注冊并登錄賬號，進入作業平臺，選擇加盟客戶角色，即可發布需求。平臺將客戶發布的需求與服務進行匹配，為客戶提供合適的資源服務。加盟客戶發布需求與加盟服務商發布服務的操作類似，根據平臺提供的模板及指示填寫相關內容，將必要參數填寫后，點擊申請即可完成。平臺根據匹配算法從需求投標中計算相關結果，此時加盟客戶可從計算結果中選擇合適的服務。在雙方都知情及同意的情況下，任務將會被執行與交易。在任務完成后，加盟客戶對資源服務進行驗收，驗收后可進行評價，其評價信息將會為平臺其他用戶在選擇資源服務時提供參考。

需求發布后，在線服務平臺會在后臺進行審核，審核的結果將顯示到前臺。加盟客戶可以對自己發布的需求進行管理，同時加盟服務商看到符合自身加工需求的任務，可聯系加盟客戶進行需求任務的響應。需求管理界面如圖10所示

圖10 需求管理界面

3.3.5 后臺管理系統

平臺的后臺管理系統由第三方開發商運行操作，有著服務商務、應用平臺管理員、平臺運維和應用平臺商務四個身份，主要功能是管理平臺用戶信息、審核加盟服務商和加盟客戶發布的服務和需求，對平臺里圖片、文字及文件進行發布、更新和刪除等操作。

后臺的組織架構是對商城和機構分別進行統一管理，可以設置機構應用業務類型，修改或添加店鋪信息，建立父類或子類機構類型。前臺加盟服務商發布的服務和加盟客戶發布的需求，都是在后臺服務需求中進行審核通過（上架）、不通過以及更改分類等操作。

除此之外，后臺管理系統還包括供貨管理、銷售管理、數據配置以及關于智能調優模型、批處理計算的生產環境等。

4 平臺應用實例運行

某模具企業需要生產一款如圖11所示的模具零件，由于缺少編程資源，因此在“大平移”平臺上發布需求任務，將任務進行編程外協。

圖11 模具零件

企業登錄平臺網站，進入作業平臺系統，選擇加盟客戶角色。在服務需求里點擊客戶發單，將需求信息填入，點擊申請即可完成客戶需求的發布。具體需求信息填入如圖12所示。

圖12 需求描述

客戶發布需求后，等待在線服務平臺的審核，審核通過后，需求以商品的形式展現在商城首頁中，這時客戶可以在需求投標中搜索相關服務。如圖13是經過初步篩選得到4家服務企業。

圖13 服務企業集

由需求匹配得到最優服務的是深圳市昌紅科技股份有限公司。根據雙方之間的溝通與相互確認后，資源需求方確定中標，則兩企業之間形成供需撮合。此時服務提供方可以通過平臺，以加盟服務商的身份進入到“我的任務”。

服務提供方（昌紅科技）有兩種任務執行的選擇方式，一是將任務委派出去，交給其他企業或部門人員執行；二是將訂單詳情里的文件信息下載到本地機或云端計算機，自行完成任務。這里講解第二種情況，服務提供方在平臺文件管理菜單欄下，進入“我的文件”。

編程外協任務的完成需要有NC程序文件和模具零件加工程序單，如圖14和15所示。

圖14 NC程序文件

圖15 加工程序單

服務提供方在本地完成任務后，需申請驗收，將NC程序文件和加工程序單打包并以壓縮包形式上傳至平臺上，如圖16所示。客戶對驗收文件信息進行操作和檢查，確認無誤后，在平臺上確認驗收，并支付投標金額，此時資源需求方和服務提供方的合作就已結束。

圖16 申請驗收

通過線上服務和交易的方式，順利完成了某模具企業零件，從線上發布需求和服務匹配，到訂單產生和加工制造，最后到項目驗收和支付款項的整個流程。

5 結語

本文結合云制造的運行模式和體系架構，介紹了模具企業制造資源共享技術理論和方法，對制造資源進行定義并分類，提出了在云模式下模具企業面向客戶訂單的制造資源共享過程模型，建立模具制造資源共享云服務資源庫。對平臺做了簡單介紹，闡述了平臺系統的需求、總體架構以及系統的運行開發工具。對平臺系統的主要功能模塊做了界面展示及應用指南，通過實例展示平臺系統主要運行流程，初步驗證了平臺線上交易、線下服務的良好應用效果，實現制造資源的共享，促進模具行業朝著智能化、數字化及綠色化方向發展。