面向云计算的船舶生产信息平台建设

臧丽娜，郑艳娟，张宇敬

(河北金融学院，河北 保定071000)

0 引 言

随着世界经济的良好发展，造船业迅速发展。与发达国家相比，我国造船业相对落后，在技术模式创新、新型造船技术应用、管理理念等方面都存在着一定的问题，如船舶设计制造周期长;生产过程中，材料物资浪费严重，利用率低;管理理念与方法落后等［1-2］。为此，本文对船舶生产信息平台建设进行研究，目的在于利用科学化、数字化、信息化的新型管理模式，对船舶生产制造进行平台化、可视化、一体化的管理。通过运用云计算强大的数据资源管理能力，建立船舶制造生产的知识工程体系，通过基于知识工程［3］的船舶制造与管理模型构建船舶生产信息平台，从而提高船舶制造业的生产管理水平，降低船舶生产成本，提高企业竞争力。本文首先对船舶生产业务流程进行分析，运用知识工程理论构建船舶制造与管理模型;然后在云计算框架下建设船舶生产信息平台。最后对平台开发环境、平台安全、安全及费用进行了简要分析与评估。

1 基于知识工程的船舶制造与控制模型

知识工程最早由美国人工智能专家E. A. 费根鲍姆提出，其研究内容主要包括知识的获取、知识的表示、以及知识的运用和处理等方面。知识工程的基本思想是要找出不同类型知识的记录方法，将这些知识以易理解、易重用、易查询、易维护的方式来为企业服务。它具有如下特点:

1)运用大量的领域知识、公共知识(如哲学思想、思维方法)、数学知识解决特定领域的具体问题，不但具备处理核心问题的能力，同时具有解决细节问题的能力。

2)采用启发式或者试探性的解题方法，对于一些本身很难用严格的数学模型来描述的问题，往往不能只借助一种预先设计好的固定程式或算法来解决他们，必需采用不确定的、试探性的解题方法。

3)不使用特定的、单一的数学模型描述问题，而是运用归纳、抽象、演绎等方法创立新概念，推出新知识，使知识逐步深化。

4)利用外部工具或建立自身的知识存储与分类机制，以便实现特定领域内的知识积累、更新和继承。

在知识工程的系统知识体系中，知识内容包括知识的获取、存储、共享、应用和创新等5 个部分。知识管理过程体系如图1 所示。

图1 知识管理过程循环图Fig.1 The cycle chart of knowledge management process

船舶本身的复杂性决定了其生产制造是一项系统工程，需要多部门进行协同工作。船舶制造基本流程［4］如图2 所示。

图2 船舶制造基本流程Fig.2 The process for shipbuilding

目前我国船舶生产信息化存在的问题主要表现在以下几个方面:

1)系统间信息共享化程度低，无法发挥信息共享的管理效应。

各个生产部门或单位间的信息共享程度不高，信息交互不流畅，上道工序生产部门与下道工序生产部门，以及与相关职能管理部门之间相对封闭。

2)信息化对部分业务的发展支撑不足。

如生产技术制定、物流与采购、设备物资管理等业务缺乏信息系统的支持，虽然各个业务执行部门都采用相关应用系统，但是所采用的系统并不能够成体系，往往只是简单的工具，并且由于数据源类型繁多，重复录入严重，这些都是影响工作效率的重要因素。

通过对船舶制造流程及存在问题的分析，本门运用知识工程相关理论，构建的船舶制造与管理模型如图3 所示。

1)船舶生产计划与管理

船舶生产计划与管理源于知识库与知识推理机制，知识库中主要包括船舶设计标准、物流需求清单、船舶生产计划与管理成熟案例、生产制造各环节的工艺要求与标准以及专家经验。

2)主生产计划

主生产计划用于规划产品交付日期、生产规模与数量等，在整个生产制造过程中起着承上启下的作用。主生产计划面对的对象为各通用设备及零部件，主要包括零部件欲投计划、零部件追加计划、粗能力计划以及产品装配计划等。

图3 船舶制造与管理模型Fig.3 The model for manufacturing and management

3)物料需求计划

在主生产确定产品生产数量之后，物料需求计划开始制定需要采购和加工的原材料、零部件的种类与数量，并制定相关物资管理规定。在船舶生产过程中，物料的使用占总成本的60%，因此明确、清晰的物料计划与管理直接影响到船舶制造的进度。

4)车间生产计划

船舶生产车间主要有船体车间、电装车间、轮机车间以及舾装车间等。各个生产车间在得到主生产计划与物料计划后，根据各自车间承担的工作任务及实际生产能力，协调与平衡各车间的作业计划，主要包括生产作业计划、装配进度计划、车间任务分配、零件工序台帐等。

5)车间生产进度控制

主要负责生产进度监督、工序调度、任务转移协调与管理、成本核算等。

2 云框架下的船舶生产信息平台

目前，信息管理平台主要采用3 种模式，分别为基于C/S 模式、基于B/S 模式、基于云计算模式。其中，C/S 模式包含服务器端和客户端，能够为用户提供友好的交互界面，具有很好的灵活性和适应性，但是在升级维护时，需要消耗的运营维护费用较大。B/S 模式下，用户通过浏览器经由Internet 访问服务器，该模式简化了客户端，将开发和维护集中到服务器端，但需要解决响应速度、网络堵塞等问题。针对本文设计的基于知识工程的船舶制造与管理模型，需要对大数据量的“知识”进行获取、分析、应用、存储的特点，采用云架构，利用其海量数据分布存储与管理技术、云平台管理技术，搭建船舶生产信息平台。

云计算技术的优势表现在以下几个方面:

1)降低企业运营成本

云计算可以让所有资源得到充分利用，包括价格昂贵的服务器以及各种网络设备。

2)资本支出转移到运营成本

云计算使企业从资本支出转移到运营开支，使得客户专注与增加在其职权范围内的核心价值，如业务和流程，而不是建立和维护IT 基础设施。

3)反映迅速准确

云计算可以为用户提供按需实现的更快的设置，以及用户所需要的资源。

4)动态可扩展性

与大多数应用的经验(如在交通尖峰，过度购买装备，以适应这些尖峰)相反，许多云服务能够顺利和有效地处理这些峰值规模，以更加符合成本效益的支付即用即付模式。

5)简化维护

云计算在修补程序和升级正在迅速部署在共享的基础设施，因为数据经过提前备份。

面向云计算的船舶生产信息平台结构如图4 所示。

图4 面向云计算的船舶生产信息平台结构图Fig.4 The architecture for shipbuilding information platform

图中，船舶生产信息平台属于基于服务形式为软件服务(SaaS)的云计算信息管理系统。软件服务通常依托面向服务架构和Web service 技术。在面向服务结构的基础上，可以扩展多个与船舶生产信息有关的Web 应用，这些功能应用模块与界面平台、中间件、网络传输等软硬件元素共同构建了船舶生产信息管理云。

在本文的设计中，采用微软的Windows Azure，通过Windows Azure 提供的Web 界面，终端用户可以方便快捷地访问到云平台提供的虚拟高性能计算基点和大容量存储空间。Windows Azure 包括SQL、. NET、Live、SharePoint、Dynamics CRM 等 服 务，由于本文采用基于知识工程的船舶制造与控制模型，在知识的管理过程中，需要数据挖起技术的支持，而Azure ML 代表了分析技术的未来。它可以将统计/数学与ML、AI 和数据存储与计算领域的先进技术进行无缝整合。Azure 机器学习无需安装任何软件及复杂的开发环境，通过Web 登录Azure，便可以完成预测模型开发与部署。

3 开发工具、安全措施及费用分析

3.1 平台开发工具

根据提供服务类型的不同，主要服务或产品情况如表1 所示。

表1 产品介绍Tab.1 Product introduction

如微软公司提供的开发平台Windows Azure Platform 运行在微软数据中心的服务器和网络基础设施上，通过公共互联网对外提供服务。包括Windows Azure， SQL Azure 和 Windows Azure AppFabric。其中，Windows Azure 可以视为一个云计算服务的操作系统;SQL Azure 是云中的关系类型数据库;Windows Azure AppFabric 是一个基于Web 的开发服务，作用是把现有应用程序与云平台连接，简化用户认证和互操作。开发应用到的技术包括ASP. NET，Sliverlight。

3.2 平台安全措施

云平台的安全性是用户关注的重点问题，要解决船舶生产信息平台的安全问题，可以从以下几个方面进行考虑:

1)物理备份法

船舶生产信息是企业的重要资源信息，为避免因物理损坏、操作失误等意外因素而导致数据丢失，可以建立多个服务器，进行物理备份。

2)身份验证和访问管理

身份验证和方位管理包括SMAPI 认证、最小权限用户程序、证书和私钥管理、基于SSL 相互验证的内部流量控制等，确保只有通过身份验证的实体才能被许可访问。

3)信息加密

信息加密技术是利用数学或物理手段，对电子信息在传输过程中和存储体内进行保护，以防止泄漏的技术［6］。软件保护主要方式包括序列号保护、时间限制、Key File 保护、CD -check、软件狗、软件与机器硬件结合等。

4)数据隔离

对不同数据进行隔离，如根据操作系统和客户虚拟机的隔离、Fabric 控制器的隔离、包过滤、VLAN 等的隔离，在物理上、逻辑上保证数据的独立性。

3.3 费用评估

本文以Windows Azure 为例，对平台费用进行评估。

1)计算实例时间，

以服务小时来度量，不足1 小时按1 小时，计费情况如表2 所示。

表2 计费情况Tab.2 Cost

2)数据库

以SQL Azure DB 为例，分为网络版和商业版。计费情况如表3 所示。

表3 计费情况Tab.3 Cost

3)虚拟机

Windows Azure 虚拟机定价模式与计算实例相同，虚拟机的费用包含Windows Server 的许可费用。

4 结 语

本文将知识工程理论、云计算引入到船舶生产信息管理当中，提出了具有可操作性和实用性的船舶制造与管理模型及云架构下的船舶生产信息平台结构设计，该生产信息平台可以实现高效协同工作、科学合理管理。

［1］蒋薇薇，潘燕华，庄西凤，等.船舶制造企业基于BOM 的质量信息集成模型研究［J］. 舰船科学技术，2009(2):12 -15 +159.

［2］刘伟，薛学富，王韡.基于业务基础平台的企业IT 整体架构研究［J］.舰船科学技术，2011(4):15 -16.

［3］李跃新，胡婕，秦丽，等.知识工程技术与应用案例［M］.北京:科学出版社，2006:1 -180.

［4］杨兴林，严新发，赵良才.面向MC 的船舶敏捷制造系统特征及关键技术研究［J］.造船技术，2005(6):9 -13.

［5］方伟国，Bill Liu. 详解微软Windows Azure 云计算平台［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［6］信息加密技术［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/191185.htm