袁春梅，楊曉冬，陳　濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

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基于云制造的電加工工藝智能云平臺

袁春梅，楊曉冬，陳濤

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：面對全球正在孕育興起的新一輪工業(yè)革命及“中國制造2025”的實行，分析了我國電加工行業(yè)存在的問題和需求，并將云制造思想應(yīng)用到電加工領(lǐng)域，提出了電加工的云制造模式。在此基礎(chǔ)上，研究了基于云制造的電加工云平臺的體系構(gòu)架、運行原理、電加工知識表示方法及云平臺的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：電加工；云制造；云平臺；知識表示

當(dāng)前，全球正處于以信息技術(shù)為核心的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合成為制造業(yè)革命的突出特征。2012年2月，美國提出了“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，其重心可概括為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動制造業(yè)的發(fā)展。德國于2013年4月推出了“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略，旨在掀起一場基于虛擬網(wǎng)絡(luò)-實體物理系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）的革命，它對制造業(yè)的發(fā)展構(gòu)想是企業(yè)建立全球網(wǎng)絡(luò)，將各種制造資源進行整合，融入到CPS中，實現(xiàn)各種資源信息的自由交換、觸發(fā)調(diào)動，從根本上改變傳統(tǒng)的制造過程，實現(xiàn)制造智能化［1］。

我國先進制造技術(shù)的發(fā)展存在著“信息化”過量、“工業(yè)化”不足的弊端，在當(dāng)前全球背景下，我國也順應(yīng)時代要求，努力轉(zhuǎn)變制造業(yè)發(fā)展模式，提出了“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略。在繼續(xù)大力發(fā)展先進工業(yè)技術(shù)的同時，緊盯新的信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展動向，實現(xiàn)二者共同進步，推進二者的深度融合［2］。

作為先進制造技術(shù)的重要組成部分，電加工方法已成為模具制造業(yè)的主要加工方法，推動了模具行業(yè)的技術(shù)進步。但在如今的制造業(yè)背景下，電加工行業(yè)也必須充分融入“中國制造2025”，致力于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展，否則就會被淘汰［3］。目前我國電加工技術(shù)發(fā)展非常迅速、企業(yè)眾多，卻處于一種多而不強的尷尬境遇，而造成這種局面的原因在于電加工企業(yè)大多面臨著以下難題：

（1）電加工主要應(yīng)用于模具制造領(lǐng)域，而我國的模具制造企業(yè)多以中小企業(yè)為主，存在著機床設(shè)備資源低端且類型單一、資金短缺的問題，企業(yè)難以滿足模具加工精度要求不斷提高的需求。

（2）電加工過程復(fù)雜，大多數(shù)中小企業(yè)的電加工工藝數(shù)據(jù)庫貧乏，使用戶在生產(chǎn)過程中需不斷地摸索和試驗，加大了加工成本。

（3）電加工工藝知識復(fù)雜，設(shè)計人才匱乏，缺乏專門的工藝設(shè)計及優(yōu)化團隊，導(dǎo)致企業(yè)加工工藝落后、產(chǎn)品合格率低及原材料浪費。

（4）電加工企業(yè)與科研院所間缺少相互交流合作的平臺，不能實現(xiàn)電加工信息及資源的互通有無和優(yōu)勢互補，造成了資源浪費。

（5）電加工企業(yè)之間、企業(yè)和消費者之間沒有信息交互平臺，導(dǎo)致不能很好地滿足市場需求。存在有些企業(yè)有富余的電加工機床、閑置的加工能力，卻沒有加工訂單，而消費者有產(chǎn)品加工需求，卻沒有找到合適生產(chǎn)廠家的情況。

針對上述問題，有必要搭建一個服務(wù)平臺，快速對社會上的電加工資源進行整合，在人才、技術(shù)和制造等方面實現(xiàn)優(yōu)勢互補?！肮I(yè)4.0”所提倡的智能化制造及吸引中小企業(yè)的思想對解決我國電加工企業(yè)的難題具有很大的借鑒意義。而“工業(yè)4.0”的核心思想與云制造技術(shù)不謀而合，云制造是基于“制造即服務(wù)”的理念、在云計算思想的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式［4］。云制造模式的提出為解決電加工行業(yè)目前所面臨的上述問題提供了一種可行的思路［5］。本文根據(jù)國內(nèi)電加工企業(yè)存在的問題，結(jié)合云制造的思想，構(gòu)建了電加工云平臺體系結(jié)構(gòu)，并做了相關(guān)研究與討論，其目的是實現(xiàn)電加工企業(yè)及用戶之間的信息化合作，促進電加工行業(yè)的發(fā)展。

1　電加工云平臺的體系架構(gòu)

云制造是在云計算的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，其關(guān)鍵是構(gòu)建一個公共的云制造服務(wù)平臺，即云平臺。本文基于云計算的服務(wù)模式，參照云制造的多層構(gòu)架體系［6］，提出了電加工智能云平臺的體系架構(gòu)，其總體上包括3層：客戶端、電加工云平臺和電加工資源層（圖1）。

圖1　電加工云服務(wù)平臺體系架構(gòu)

（1）資源層又稱基礎(chǔ)設(shè)施層，作為整個云平臺的基礎(chǔ)，為云平臺提供電加工資源。

（2）電加工云平臺通過物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、計算機虛擬化等技術(shù)將電加工資源接入云平臺，形成電加工虛擬資源層［7-8］，為用戶提供電加工資源、電加工能力等服務(wù)。虛擬資源層實現(xiàn)對各類電加工資源的簡化抽象和虛擬化處理，將實體資源轉(zhuǎn)化為信息資源，再將這些資源進行封裝發(fā)布，供用戶使用。服務(wù)運行工具層由云平臺運營方提供，主要包括資源的注冊發(fā)布、搜索匹配、電加工服務(wù)的組合調(diào)度等模塊，實現(xiàn)電加工資源提供用戶和需求用戶對資源和云服務(wù)的便捷使用；另外，由于電加工資源繁多且加工需求復(fù)雜多樣，所以在服務(wù)運行工具層加入電加工需求分析模塊，實現(xiàn)對需求用戶提出的加工需求的具體分析，初步縮小資源需求的范圍，提高資源搜索匹配的效率和準確率。電加工應(yīng)用層是電加工云平臺的核心服務(wù)層，基于智能技術(shù)提供各種電加工工藝決策［9-10］等云服務(wù)。接入云平臺的電加工資源通過注冊的形式在平臺上進行發(fā)布，形成各類電加工云服務(wù)，實現(xiàn)用戶對資源的智能搜索匹配和調(diào)用。電加工智能云平臺在一般云平臺模式的基礎(chǔ)上還增加了反饋層，主要包括意見反饋、在線溝通及云服務(wù)反饋與評價3個部分。其中，意見反饋是針對資源需求用戶和資源提供用戶對云平臺提出反饋意見的，云平臺運營方在接收到這些意見后，對其中一些可取的地方進行改進，保證云平臺能更好地滿足用戶的需求；在線溝通是為資源需求用戶和資源提供用戶提供另一種更直接的溝通方式，需求用戶在輸入加工需求后，通過在線搜索匹配找到相應(yīng)的資源提供用戶，進行在線直接溝通和線下直接交易；由于電加工云平臺提供的一系列云服務(wù)是通過云平臺系統(tǒng)的知識匹配等生成的，與實際的加工結(jié)果相比可能存在一定的差異，所以加入了云服務(wù)反饋與評價的模塊，可在一定程度上提高理論與實際的結(jié)合，減少這種差異。管理層的主要功能為保障電加工資源服務(wù)的合理部署、電加工云平臺參與用戶的規(guī)范化操作以及電加工資源和用戶信息的安全性。

（3）客戶端為云服務(wù)平臺的用戶提供訪問入口，包括各種電加工資源需求者、資源提供者及以云平臺管理人員為主體的云平臺運營方。

2　電加工云平臺的運行原理

電加工云平臺的運行原理見圖2。電加工資源提供用戶將擁有的電加工制造資源和制造能力通過虛擬化封裝后，注冊發(fā)布到電加工云平臺資源池中，各種資源集成形成電加工云平臺的資源庫，電加工云平臺在資源庫的基礎(chǔ)上提供一系列云服務(wù)。當(dāng)電加工資源需求用戶在電加工整個生命周期內(nèi)具有某種電加工需求時，通過云平臺的注冊發(fā)布工具對電加工需求進行發(fā)布，并通過搜索工具在云平臺資源庫中匹配合適的電加工資源及電加工云服務(wù)，而匹配結(jié)果將會反饋給供需雙方，實現(xiàn)對任務(wù)的在線或線下服務(wù)［11］。另外，資源需求用戶在使用云平臺提供的資源和云服務(wù)解決加工需求的過程中，可能產(chǎn)生新的工藝知識、加工資源及加工能力，需求用戶可作為新的資源提供用戶將相應(yīng)的知識、資源和加工能力發(fā)布到電加工云平臺中。

3　電加工知識表示與云平臺的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

研究電加工智能云平臺的主要目的在于實現(xiàn)電加工領(lǐng)域相關(guān)知識的充分交流、促進行業(yè)的發(fā)展，所以知識是整個電加工智能云平臺的基礎(chǔ)和載體。那么，選擇合適的知識表示方法、將知識轉(zhuǎn)換為計算機能接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于電加工智能云平臺是至關(guān)重要的?，F(xiàn)有的知識表示方法眾多，同一知識有時可采取多種方法表示，但與之相應(yīng)的表示效果可能截然不同。此外，電加工工藝知識等具有復(fù)雜性、模糊性和不確定性的特點，所以如何從眾多知識表示方法中選擇最合適的方法實現(xiàn)電加工知識的有效表示，使智能云平臺能利用這些知識提供準確的云服務(wù)是亟待解決的。

圖2　電加工云平臺運行原理

目前較常用的知識表示方法主要有：謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)知識表示法、框架表示法、面向?qū)ο笾R表示法、本體表示法等［12］。相對于其他方法，面向?qū)ο蠓ê捅倔w表示法具有更廣泛的表示范圍、更完備且更具模塊性和結(jié)構(gòu)性的表示能力、計算效率更高等優(yōu)點。而與本體表示法相比，面向?qū)ο笾R表示法更易理解且更易實現(xiàn)，所以對于復(fù)雜多樣的電加工知識，面向?qū)ο笾R表示法更適用［13］。

而在眾多的面向?qū)ο缶幊陶Z言中，以Java語言與C++語言的使用最為廣泛。與C++語言相比，Java語言簡單易學(xué)，摒棄了C++語言中易混淆的概念。另外，Java語言具有與平臺無關(guān)的優(yōu)勢，編寫的程序不會因為操作系統(tǒng)等的變化而出現(xiàn)錯誤或無法運行，可實現(xiàn)“一次寫成，處處運行”。

電加工智能云平臺包含的知識內(nèi)容廣泛、功能模塊豐富、結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，主要包括門戶界面的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與連接和邏輯控制等3個部分。Java語言的特點使其能很好地滿足電加工智能云平臺的編程需求。其中，JSP（Java Server Pages）用于門戶界面的編寫；Java Servlet用于控制邏輯的實現(xiàn)，具體功能是對客戶端發(fā)送至云平臺的請求生成響應(yīng)，再通過云平臺返回給客戶端；JDBC（Java Data Base Connectivity）用于對云平臺中各個數(shù)據(jù)庫的編寫和連接。

4　結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前的制造業(yè)國際背景及電加工企業(yè)所面臨的問題與需求，構(gòu)建了基于云制造的電加工云平臺的體系構(gòu)架，對平臺體系的各層次功能及平臺的運行原理進行了分析。同時，結(jié)合電加工工藝知識的特點，對常見的知識表示方法進行了比較，確定了面向?qū)ο笾R表示方法，并在此基礎(chǔ)上確定了Java語言體系的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方式。云制造與電加工相結(jié)合的應(yīng)用模式必將為電加工領(lǐng)域開拓一個新的發(fā)展空間。

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Electromachining Cloud Platform Based on Cloud Manufacturing

Yuan Chunmei，Yang Xiaodong，Chen Tao
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Abstract：Facing the rise of a new worldwide industrial revolution and the implementation of the " China manufacturing 2025"，the exist problems and demand in China electromachining field are analyzed，then applying the thought of cloud manufacturing to electromachining field，and an electromachining model based on cloud manufacturing is proposed. On this basis，the system architecture，the operating principle，the method of representing EDM knowledge and the platform′s network implementation of EDM cloud platform based on cloud manufacturing are studied.

Key words：electromachining；cloud manufacturing；cloud platform；knowledge representation

中圖分類號：TG661

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0011-04

收稿日期：2016-02-01

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金重點資助項目（ZD2015009）

第一作者簡介：袁春梅，女，1993年生，碩士研究生。