模具行业云制造协同服务模式平台的研究

章培培 张俊慧

摘 要：通过分析模具零配件生产行业的特点，指出当前阶段由于制造资源得不到共享和协调，以及制造模式存在的缺陷使得模具行业难以有更进一步的均衡发展，针对这一问题，根据当前协同制造模式及云制造的发展，提出了模具行业云制造协同服务模式平台，分析了平台的体系结构、基本原理和关键技术，通过案例分析该平台能够促进资源的配置更合理、利用率更高，使模具企业得到专业的技术性和生产性服务，从而提高模具企业的竞争力。

关键词：云制造;协同服务;平台架构;模具行业

中图分类号：TH166  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）02-0023-05

0 引言

“现代工业模具先行”，模具对制造业的影响至关重要，首先，模具的质量和水平直接影响最终投放市场的产品质量。其次，模具的应用非常广泛，在工业、国防制造业、医疗器械等领域都有所应用，模具的发展从一定程度上体现了制造业的发展，也成为衡量技术发展、创新能力和开发能力的标志，作为制造业的支柱产业，模具工业被列为重点发展的产业[1-3]。

很多城市的工业园都坐落着不少小型的模具零件加工厂，还有一些大企业有自己的模具配套车间或模具配套厂，一般规模小，行业集中度高，区域性明显，这是我国模具制造企业当前的现状。技术创新能力弱，信息化水平低，导致广大模具制造企业对市场的需求不能快速做出响应，产品的开发周期长，市场竞争力不够[4]。

1 模具行业特征分析

针对当前模具企业在制造能力方面存在的问题以及运行模式方面的不足，做了以下分析。

1.1 制造能力分析

各行业和企业的产品不同，对模具的要求也不同，从而造成模具产品种类特别多，模具零件更是数目繁多，而模具企业的加工设备和各企业的制造工艺也不一样，所以比较难形成模具产业集群[5]。

由于设备的投资较大，共享性差，然而利用率并不高，导致模具企业发展缓慢。另外，模具制造企业间竞争压力过大，利润空间缩小，一些企业不惜以降低模具质量和寿命来换取市场，这样既干扰了市场，损害了客户，也损害了模具行业，长此以往，模具制造企业忙于生存，忽视了企业技术水平的提高和信息化的应用，也就无所谓创新，更难以构筑企业转型升级的基础，难以满足中高档产品市场需求。

1.2 模具制造企业运行模式分析

1.2.1 订单来源

模具零配件加工企业是典型的面向订单的生产型企业。企业从接到订单、签订合同到交货，需要完成设计、工艺准备、物料采购和制造加工等一系列新产品设计制造的全过程;另外每次订单的重复几率特别低，生产几乎是一次性的，而且每一次生产都带有试制的性质。订单的偶然性以及交货期紧迫给模具加工企业的设计、制造带来很大的压力。还有一部分订单是为母体企业或上游企业的新产品开发服务的，这些是任务订单或强制性订单，这样模具企业就要花费更多的时间和成本来开发新模具，导致企业对市场的响应不够及时和力不从心。

1.2.2 信息渠道狭窄

大多数中小型模具企业信息的来源渠道很有限，仅仅依靠销售员对某一特定行业模具零配件的需求方进行沟通接单，了解市场的渠道太窄导致企业对市场的把握不准确。信息化水平不够，对行业的技术信息、工艺信息和市场信息的缺乏也会阻碍模具企业的发展。闭门造车，被动接受订单会使企业越来越缺乏应对市场的活力。

1.2.3 开发及制造能力不足

根据调研情况，由于中小模具零配件加工企业人员素质、软件及设备的欠缺，模具的开发也是一项耗时的工作，花费一两个月的时间才能开发出一款结构普通的模具，如果是复杂模具要花费半年甚至更长的时间，所以模具企业在开发能力方面如果不依靠他方帮助而仅仅依靠自身则很难快速准确的把握住市场机遇[5]。大部分模具企业自主研发能力不足，缺少高精尖加工设备和测量设备，企业管理能力欠缺等，在互联网+思维下，在云制造的技术支持下，如何在制造过程中利用先进制造技术，整合富余资源，减少资源重复投资，提高资源利用率，降低能源消耗，减少排放，从而实现资源共享和协作管理[6]，已成为我国制造业迫切需要解决的关键问题，也就是要探索出一种优质、高效，低耗的中小模具零配件加工企业发展模式。

2 云制造模式的研究及应用现状

2010年1月李伯虎等[7]第一次明确提出了云制造的概念，分析了云制造的运营模式，将云制造平台架构分为物理资源层、虚拟资源层、核心服务层、应用接口层和应用层，并对其关键技术进行了相关研究。张霖等[8，9]提出了云制造系统的层次结构，并将云制造与敏捷制造、网络化制造和面向服务制造等几种制造模进行了比较，总结了云制造的特点;尹胜等[10]等针对外协加工资源在云制造环境的集成模式进行研究;台德艺等[11]提出了基于阶段合作的云制造实现模式;WANG X V等[12]分析了云制造的服务过程以及需求模型和云管理器逻辑流，提出了支持互操作的云制造系统架构。杨晨等[13]提出了云仿真资源管理的应用过程模型;李强、徐岩等[14，15]提出模具行业使用云制造的模式和技术;但昭学等[16]针对模具云制造平台的组织架构和角色描述及其关键技术进行了深入研究;李波等[17]分析了模具行业云制造平台的资源能力以及平台的信用评估等相关技术;肖刚等[18]提出了一种面向产业联盟的云制造（CMIA）应用模式。

本文通过分析模具行业的现状和云制造平台的应用研究，依据应用服务提供商服务模式[19]的思想，提出一个基于CMIA的模具零配件加工企业云制造协同制造模式的全局服务方案，如图1所示。以CMIA为系统开发的基础，减少了对制造服务粒度的分析，降低了云制造应用系统开发及维护的难度;使系统能够更好地满足复杂多变的市场环境，从而也提高了系统的灵活性;能够将成员企业加入动态联盟的相关服务资源信息准确快速的整合成信息網络，从而各成员企业之间的有效服务资源也就在网络环境下得到了有效集成，这样更有利于各种资源的合理配置。云制造协同服务模式应用系统采用的是策略驱动Agent，根据不同的云服务请求，利用相应的资源匹配算法分配不同的服务资源，提高资源利用率和模具企业的运行效率，从而推动模具企业灵活发展，提升面对市场的响应活力。

3 支持协同服务的模具云制造模式

建立基于产业联盟的云制造的中小模具零配件加工企业协同制造服务平台，不仅可以整合各种服务资源，还可以根据模具生命周期全过程的需要把资源信息封装在一起，使模具资源的使用突破地域性的限制，建立模具专用服务资源数据库。这样可以使得不同区域的模具企业，无论规模如何，都可以借助云制造协同服务平台来共享数据库中的服务资源，当有新的市场机遇时，及时在平台进行服务发布，这样就可以最快的速度形成最具优势的服务资源集合体，各服务资源提供者进行优势互补，强强联合，从而积极响应市场需求，实现高效、优质、低成本服务市场的目的，也能给各提供服务资源的模具企业带来收益，及促进企业进一步发展的效果[20]。支持协同服务的模具云制造模式除了能够整合模具制造能力资源，提高模具制造效率，缩短模具开发周期，还可以为模具企业提供企业门户、网络化制造及电子商务等服务。与网络化制造和服务技术、云计算等相互融合，完成封装、智能化、集中管理各类制造服务资源，根据模具制造过程中及后续再制造过程中的设计活动、生产活动等过程中的需求提供安全可靠、稳定有效的服务。系统中各联盟企业可以完成服务发布、服务获取、甚至服务监管，既可以有共性服务的满足，个性化的制造服务也可以在平台中被满足。对于模具企业而言，这种基于领域思想规划和制造服务的模式，能够提升自身的模具开发制造水平和技术水平，信息互通得以实现，也能及时掌握市场方向，对正确把握市场，占领市场，获取收益有积极推动作用，也能进一步提升模具联盟企业的整体技术水平[21]。

3.1 模具云制造协同服务模式体系架构

以模具加盟企业为主导，以云制造协同服务平台为媒介，以数据库系统和网络系统为系统支撑，以服务资源云端为基础构建成了模具云制造协同服務模式。服务资源云端即可向平台提供优质的制造服务资源、现代化的设计服务资源、完备的分析服务资源、先进的技术服务资源、现代管理服务资源和较强的销售服务资源;也可以通过平台发布服务请求，平台根据客户提交的服务请求，通过平台内招标或智能选用在联盟模具企业中为客户端寻找匹配的服务资源，为服务请求提供及时响应的按需服务。模具云制造协同服务模式体系架构如图2所示。

这种以模具联盟企业为主导，把模具开发、研制、生产过程中所需要的所有服务资源集成为云制造的协同服务模式，首先，它与现在相对已经比较成熟的网络化制造不太一样，平台内已联盟的所有模具企业都可以发出服务需求，这个需求可以是经过市场调研的成熟的市场机遇，即模具全生命周期内的所有活动，也可以是一些阶段性活动，比如模具设计、模具试验、模具制造、技术指导或是模具企业先进管理理念等。不管何种服务资源需求，平台都会利用自身知识库和数据库进行智能化的检索、匹配和推荐服务，高效、优质、透明的将匹配服务资源提供给发出服务请求者，能够满足整体的或阶段性的服务。

此协同服务模式类似于分散资源集中使用，但是又不完全一样，因为它不仅把分散的服务资源信息集中了，更是明确了在执行过程中如何把集中的服务资源分散化的思想，所以协同服务模式也就更灵活了，能够做到哪里有需求服务，哪里就有服务资源提供，“一对多”“多对一”和“多对多”都是协同服务模式的服务形式，这就是全局服务的思想，首先对分散的服务资源进行有效集成，再为多个服务需求提供服务资源。

3.2 模具企业云制造协同服务模式全局服务思想基本原理

云制造协同服务模式强调把资源、能力、知识嵌入到网络环境中去，致力于构建一个制造企业、客户、中间方等可以充分沟通的公用制造环境。云制造协同模式下的用户参与也不仅限于传统的用户需求提出和用户评价，而是渗透到产品制造全生命周期的每一个环节。而且用户的身份不是唯一的，一个用户可以即是云制造的服务资源需求者，又是云制造的服务资源提供者或开发者，体现的是一种用户参与的服务制造。

用户描述自身的服务需求，需求也可以转化成一些定量描述或期望输出描述，进行严谨的信息输入;协同服务平台会对输入的需求信息进行分析和推理，并梳理出满足需求的各类服务资源集合，以及推荐平台识别的最匹配服务资源信息组，服务需求用户可以采用平台推荐的匹配资源组，也可以根据自身的具体需求筛选平台提供的服务资源集合和各维度的资源信息，自主选择合适的服务资源并反馈给平台，平台进一步的根据用户选择构建资源服务组合，并适当地给出智能化建议，如此，推荐、选择、反馈、组合及建议然后再推荐，如此循环进行，迭代出满足多方服务需求的优化服务资源集合就出现了。

由于多样化和个性化市场需求的推动，各用户对不同维度的服务资源要求的权重就不一样，而云制造协同服务平台中的服务资源种类又特别多，不同服务资源各参数的设置也不一样，所以对于各服务的优先级、匹配权重及过滤阈值[22]也都不尽相同，这也给资源组合带来一定的难题，所以，平台就根据不同的服务需求制定了不同的参数优化设置，比如，若是产品设计类的服务需求，平台就会推荐设计能力权重高的参数配置;若是技术需求类的服务需求，就会推荐技术先进性权重高的参数配置;若是加工制造类的服务需求，就会推荐制造资源权重高的参数配置。当然，用户输入的需求信息增多，优化配置也会发生变化，平台会根据服务需求及各维度资源的权重进行详细的数据分析，以完成对服务需求的最优资源配置并提供给用户。如图3所示为云服务的资源检索和匹配框架图。

服务需求（N）和服务资源（Sj）的最佳匹配的输出，需要过滤阈值来进行界定，根据公式（1）来计算，把匹配度大于过滤阈值的服务资源输出，并且按照大小顺序排列，由平台反馈给服务需求用户。

M（N，Sj）=wiP_M（N，Sj）wi ？坌Mi（N，Sj）≥？着iFail        ？埚Mi（N，Sj）<？着i

式中N为服务需求，Sj为服务资源，P_M（N，Sj）为服务需求和服务资源的匹配度排序，wi为不同维度所考虑的权重，？着i为不同维度的阈值，n为根据需求服务设置的维度数量。

4 应用分析

模具云制造协同模式使生产和企业组织方式更加灵活，更能适应复杂多变的市场环境，特别是对中小模具企业，在设计或制造方面有欠缺的可以通过调用或租用云制造系统中的资源、能力、云服务来完成本企业的设计及生产任务，从而降低了企业的设计制造难度，为企业带来更大收益。下面通过一个案例来探讨云制造协同服务模式下，模具开发设计制造的思路及其实施技术，如图4所示，是其协同服务模式工作过程图。

某半导体公司要在现有产品的基础上创新开发新产品，需要进行相应的模具设计与制造，通过模具云制造协同服务平台发布用户服务需求后，经过匹配、选择、优化组合以后由以M公司为核心的服务资源小组接收服务需求，并签署合同。再由M公司根据服务需求及小组内的服务资源进行任务分解和分配，在云制造协同服务平台的引导下可由高校的模具技术中心和小组内模具研发技术中心共同进行半导体模具的改进设计，并在高校实验室内进行材料成型分析及仿真分析，小组内的模具制造企业和高校模具技术中心会接到设计数据，进行模具的工艺零件和结构零件的协同制造。而模具所需要的标准件则由标准件供应商提供，全部模具零件经过严格的检验合格后统一协调运送到M公司，由M公司进行装配，调试并试模，全部工作完成后将模具交付给半导体公司，并由云制造协同服务平台确认合同执行完毕。

本案例中，模具设计与分析服务资源在M公司模具中心和高校，机加设备和特种加工、高速加工制造资源在模具制造企业和高校。在模具设计、制造过程中分散的服务资源经由云制造协同服务平台得以集中使用，完成同一个服务需求，展现了平台的“多对一”的工作模式，本平台也可以实现“一对多”及“多对多”的工作模式。

5 结语

本文通过模具企业云制造协同服务平台进行模具的分布式異地协同设计制造，一方面可以使模具行业已有的制造资源得到充分利用，提高资源的利用率;另一方面能够缩短模具的制造周期，加快模具开发制造进程，带来较大收益;第三个方面，可以增进模具企业间的技术交流与指导，促进模具制造业进一步发展。系统的运行机制还需要进一步研究，全面启动商业模式还有很长的路要走。

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