面向个性化LED照明设备定制的云制造应用研究

李 强 曹 越 彭道虎

(内蒙古科技大学机械工程学院 内蒙古 包头 014010)

0 引 言

当前，我国的制造业发展速度在度过了由人口红利带来的超高速发展期后，进入了平稳增长的高速发展期，伴随着发展速度的下降，制造业发展的方向变得更加多元化以寻求新的超高速发展机会。同时，人们生活水平的提升带来了人们对于差异化的需求，个性化定制也就适时而生并且应用越来越广泛。

个性化定制应用的优势：个性化定制具有降低产品研发周期、压缩产品成本以及提升竞争力等诸多优势，目前已经涉及大部分制造行业。在LED照明设备制造业中，LED照明设备制造企业为了更好地满足用户的需求，大多数都将推出个性化定制的运营模式作为企业竞争力提升的主要手段。由于个性化定制具有差异性、复杂性和不确定性的特点，所以使得企业在实施个性化生产时存在研发、制造加工困难、信息化水平不足和经营管理落后等问题[1]，严重影响着企业的运营战略。特别是中小型LED照明设备生产企业在个性化LED照明设备定制生产方面存在的问题更加突出。

现阶段LED照明设备生产企业在具体实施个性化生产时时常会出现以下问题：生产成本无法精确把控、交货时间难以预期;定制后的产品会出现与用户定制需求贴合度低的情况；定制产品的生产标准及产品质量控制没有固定的评测标准导致产品质量无法保障。本文依托云制造技术和LED照明设备制造业，具有创新性地将云制造技术应用于LED照明设备制造行业中，提出LED照明设备制造云模式，将云制造技术与手LED照明设备制造业结合起来，通过搭建LED照明设备制造云平台，将LED照明设备的制造资源和技术资源整合到云平台上，弥补了企业生产能力上各个方面的问题，也将在很大程度上满足用户的个性化需要。

1 云制造的应用及发展

李伯虎等[2]针对应用服务ASP(Application Service Provider)、制造网络、敏捷制造以及全球化制造网络服务化的制造模式在推广中所存在的问题，通过将网络化制造和服务技术同云计算、云安全、高性能计算、物联网等技术融合，提出了一种面向服务的网络化制造新模式，即云制造模式。目前，云制造从提出到开展研究已经近十年，云制造技术使用的领域始终在扩充；同时，在学术研究[3]以及工业应用[4]等方面取得大量的成果。LED照明设备制造属于制造业的一部分，LED照明设备的用户也在自身需求引导下寻找类似的产品，所以将云制造用于LED照明设备制造生产可以很好地满足用户的需求，并为企业开启新的盈利模式。目前，云制造在其他制造行业已有理论、应用提出，大到船舶、起重机等[5-6]，小到手机、门窗等[7-8]，所以，云制造也将在LED照明设备制造业散发出独特的光彩。

2 LED照明设备制造云模式

2.1 云制造服务平台

LED照明设备制造云指基于云制造理念的个性化LED照明设备定制，如图1所示为LED照明设备云制造示意图，通过引入LED照明设备制造云平台来解决目前个性化LED照明设备定制存在的问题，并利用云计算技术、物联网技术以及物理信息融合技术[9]对分布在不同区域的制造技术资源实现网络化整合；再通过云制造平台统一管控和优化配置，实现对LED照明设备定制的合理化处理，达到制造资源和技术的最优利用，从而促进定制企业更好地降低成本、提高效率进而形成生产速度更快的个性化定制生产方式。

图1 LED照明设备制造云平台示意图

2.2 个性化定制模式

根据个性化定制的特点、优势以及LED照明设备制造业的发展现状，结合云制造的理念，提出了LED照明设备制造云模式。其基本理念是针对LED照明设备企业对于无法准确地获得用户定制需求和对于定制产品生产力达不到要求的问题。一方面，利用LED照明设备制造云平台能将用户、定制企业以及第三方企业(即为定制生产服务的其它生产性服务企业)聚集起来即时地进行沟通和交流。另一方面，LED照明设备定制企业能够从平台上更加便利地获取到定制生产需要的各类资源;第三方企业能够参与芯片的供应、各类元器件的生产以及在制造过程中与LED照明设备定制企业合作，通过与合作伙伴合作形成的规模范围经济效应能更好地支持定制产品的生产成本下降和服务需求。图2为LED照明设备制造云的定制模式。

图2 LED照明设备个性化定制云模式

3 LED照明设备制造云定制模式的实现

3.1 云制造平台的体系结构

通过对现有的云制造体系构架的文献的研究，结合LED照明设备定制发展和未来LED照明设备发展的趋势，本文借鉴了文献[10]设计了LED照明设备个性化定制平台的系统架构，如图3所示。

图3 LED照明设备个性化定制云平台的系统架构

LED照明设备个性化定制平台的系统架构主要包括以下五个层次，即LED照明设备制造云平台层、资源层、中间管理层、定制服务层和用户界面层。

LED照明设备制造云平台层由管理云、供应云、制造云、研发云等组成，是LED照明设备个性化定制平台运作的支柱。

资源层的作用是为中间管理层提供对接口。资源层的主要功能是将各种云服务资源集中，从而形成云制造资源池，为LED照明设备制造云平台的运作提供各种资源支持。

中间管理层是用户使用云平台资源层资源的应用服务的对接口。中间管理层主要由各类服务工具组成，为平台内的各个功能活动提供工具。

定制服务层是LED照明设备个性化定制平台的核心功能层，包括用户需求分析层、产品生产制造层、产品供应层和物流服务层。其中用户需求分析层对用户的个性化定制需求的确定有着决定性的作用。使用智能交互系统可以将用户的定制需求分为创新性需求、稳定性需求、功能性需求、智能性需求以及易用性需求。在用户需求分析层中，用户登录平台后输入自身的需求信息，智能交互系统可以初步确定用户的定制需求和定制LED照明设备的版式；用户将与企业在交互平台上交流、协商以确定最终定制需求；之前的定制需求对应的定制资源如果不能完全满足用户对定制产品的生产要求，就需要返回交互平台再对定制需求进行调整。重复上述循环，直至调配出满足用户定制需求的模型，同时适合企业生产的产品。产品生产制造层、产品供应层和物流服务层总体包括产品设计、协同加工、产品装配、供应、物流配送和售后服务等系统模块，主要为用户及企业提供定制产品的设计、制造、加工、配送、物料采买及产品维修等服务。

用户界面层是用户及企业进入LED照明设备个性化定制平台的端口，为用户及企业提供注册、登录以及资源需求发布、自身信息管理等功能。

3.2 云制造平台的工作流程

通过分析个性化LED照明设备生产的需求，以云制造平台为核心，设计个性化LED照明设备定制云制造平台工作流程，如图4所示。

图4 LED照明设备个性化定制云平台工作流程

用户通过LED照明设备制造云平台进行注册登录并发布需求信息，使用云计算技术在云制造资源池中进行搜索和匹配，找到最适合的LED照明设备定制企业。

首先，用户与定制企业通过交互平台组合出适合用户需求的产品概念，定制企业使用LED照明设备定制系统对得出的产品概念进行分析并转化成定制产品的功能参数及服务需求；定制设计人员使用产品设计系统中的方案论证和方案设计等功能开始进行定制产品的设计;而服务需求则是以售后服务系统内准备的各类服务资源来为用户提供服务。

其次，定制产品设计完成后，LED照明设备定制企业会根据用户需求和资源能力等情况以及定制产品的动态BOM[11]进行该产品的生产能力和成本分析，确定适合用户的定制需求的生产方式，然后给定制企业生成订单；利用专家系统连接知识库对用户订单进行分析，制定并确立主生产计划MPS(Master Production Schedule)[12]，然后通过定制LED照明设备产品的参数和工艺条件对生产任务进行划分；依照定制企业对元器件的加工能力和加工成本分析，决定是否将定制任务外包，有外包任务则发布到LED照明设备定制云制造平台上，找到满足外包要求的第三方企业进行生产。另外，可以通过协同加工以及物料采购系统使定制企业能够更好地选择合作者完成定制产品的生产任务。

最后，定制LED照明设备通过定制产品审核后，通过物流系统将定制完成的产品交付给用户。综上，LED照明设备制造云平台实现个性化LED照明设备定制全生命周期的生产，极大地提升LED照明设备制造企业满足用户各方面需求的能力。

3.3 云制造平台的软件结构设计

考虑到国内LED照明设备制造企业以中小企业占大多数，为了减轻LED照明设备定制云制造平台的维护压力同时，使平台有更好的延展性以方便用户大规模进驻，使用MVVM框架搭建LED照明设备个性化定制云制造平台。

MVVM框架被分成视图模块、模型模块、视图模型模块三个部分。视图模块是与用户的对接口，负责用户界面的显示及交互；视图模型模块是对用户在视图模块输入的数据进行处理，以实现业务逻辑及状态控制；模型模块负责提供与业务逻辑相关的数据对象[13]。LED照明设备制造云平台软件结构设计如图5所示，用户在网页输入需求，视图模块接收到用户需求后将需求转化为数据并传递给视图模型模块进行数据处理，视图模型模块将需求数据转化成逻辑模型，接着通过模型模块存入数据库。数据库中的模型数据可以被模型模块读取，经过视图模型模块和视图模块处理，最后把数据以视图形式呈现给用户。

图5 LED照明设备个性化定制云平台MVVM框架处理过程

4 云平台搭载及案例分析

4.1 云平台搭载

LED照明设备制造云平台使用P2P[14]及B/S构架[15]搭建，集成了资源管理、数据共享和信息服务等功能。通过VAM管理服务器、Portal服务器和资源存储系统以及PHP为脚本开发语言对LED照明设备制造云平台进行搭建，实现对资源库的有效管理，同时实现资源的数据分布式管理及各种业务数据的整合和共享[16]。所以，通过把P2P及B/S技术结合起来，解决了LED照明设备制造云平台在搭建完成后存储空间不足、任务管理繁杂混乱、资源访问速度低以及平台容易崩溃等问题，减轻了平台的运营负担。

4.2 案例分析

为了验证用户及企业使用LED照明设备制造云平台的必要性，利用个性化定制产品质量模糊综合评价法[17]测评个性化定制LED照明产品的质量，通过组织一个由20位专家组成的测评小组分别对利用LED照明设备制造云平台定制的一批产品(C1)和通过中小型LED照明设备企业定制的一批产品(C2)进行质量评价比较分析，评价结果见表1和表2。

表1 C1质量评价结果

表2 C2质量评价结果

第一步，建立个性化定制LED照明产品的质量因素集Q和质量评价等级集V。选择4个质量指标：个性化程度(q1)、定制效率(q2)、生产成本(q3)、产品性能(q4)，将每个评价指标划分为优、良、中、合格、不合格5个等级并设定加权系数分别为0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。

质量因素集Q{q1,q2,q3,q4}

质量评价等级集V{优,良,中,合格,不合格}

加权系数集G{0.9,0.7,0.5,0.3,0.1}

第二步，使用模糊评价法进行质量模糊综合评价。求出各个质量因素对于不同评价等级的隶属度，分别得到表1和表2的质量因素Q的模糊评价矩阵R1和R2：

其中隶属度：

式中：fij是第i个因素被评为第j个等级的次数。

第三步，确定质量因素权重集。对各质量因素的评价采用专家评价进行因素模糊评价，得质量因素权重集为：

W=[0.22,0.26,0.24,0.28]。

第四步，根据模糊评价矩阵R和权重W建立质量模糊综合评判数学模型。

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，将加权系数集G与质量模糊综合评判数学模型BT相乘得到综合质量评价结果：

根据上述计算结果可以看出通过LED照明设备个性化定制云平台定制的产品质量要比一般中小型LED照明设备定制企业的评分高。说明利用LED照明设备制造云平台能够让中小型LED照明设备定制企业的产品质量有显著提升，也解决LED照明设备定制企业满足用户需求难度大的问题，将用户需求满意度达到最大化。

5 结 语

首先，本文结合云制造以及个性化定制的概念提出LED照明设备个性化定制云制造模式，并且建立面向个性化定制LED照明设备的云制造平台架构；同时设计了LED照明设备定制企业个性化定制的云制造平台的工作流程和软件框架。

其次，本文开拓性地把LED照明设备个性化定制生产与云制造技术相融合，利用云制造平台的资源统一管控的优势，为LED照明设备生产企业的个性化定制业务并提供最合理的制造资源。

最后，LED照明设备个性化定制云平台的建立，可以使科研人员的交流更加便捷，加快技术革新进而影响我国整个LED照明行业的技术进步，为后续的技术发展打造坚实的基础。根据上述分析，说明LED照明设备个性化定制云平台解决个性化定制生产能力和用户需求方面的问题，促进了LED照明设备产业的发展，带动了制造业新模式的进步。