云制造环境下模具加工制造资源共享技术研究及平台开发

邝超鹏 陶建华 李庭泰 陈彬 马尧 王伟

（①广州大学机械与电气工程学院，广东 广州 510006；②机企猫软件科技（广州）有限公司，广东 广州 510006）

随着经济的快速发展，模具企业想要快速发展和提高市场竞争力，需要具备完善的制造资源，或者有更多的资金流入来提高制造能力，但这对于中小型模具制造企业来说难以实现。因此，需要利用制造资源共享技术，对不同区域企业的制造资源进行整合及有效管理。由于制造资源具有异构性、海量性和多样性等特点，需提取资源共性并进行建模，实现标准化和通用化。

文献[1]分析了生产设备主体资源，采用本体建模对资源进行系统描述，并将描述信息进行服务化封装。文献[2]提出一种基于生产成本、制造时间以及加工质量等评价因素的云制造资源优化选择模型。文献[3]提出了一种具有较强竞争力的混合粒度制造资源模型，提高了云服务的利用率。文献[4]利用本体知识对制造资源进行形式化描述。文献[5]在复杂网络和物联网的基础上，提出了制造资源的供需匹配算法,提升制造资源匹配结果的有效性。文献[6]研究了制造资源的容量约束服务匹配问题，利用改进的遗传算法计算最佳匹配。文献[7]航天科技集团云制造服务平台，由航天科技集团开发运行，将公司内部资源与服务进行共享，实现资源利用率最大化。

通过上述研究成果可以知道，对于制造资源共享匹配采用了不同算法，但研究深度和广度还不够全面，共享匹配模型存在层次不适中，使得共享匹配过程复杂或共享匹配精度不高，共享匹配结果没有可比性，缺乏统一规范的标准。因此，本文针对模具制造资源的多样性和异构性等特点，分析了模具制造资源运行模式，构建了基于模具订单的制造资源共享模型，并建立模具制造资源共享云服务资源库，以及模具智能制造平台的设计与实现。

1 云制造的模具制造资源运行模式

云制造的模具制造资源运行模式中有3种主要角色，分别是资源提供方、服务需求方和云平台。

资源提供方可以将空置的模具制造资源和制造能力进行虚拟化，以商品的形式，作为一种服务，上传至云平台[8]。服务需求方则是向云平台申请并提交需求任务，从中获取合适的资源或服务。服务需求方和资源提供方的身份是能够互相转换的，主要看行为人的执行方式及目的，是为了在云平台上获取服务还是提供服务。云平台主要是对资源提供方上传的服务以及服务需求方上传的需求进行服务匹配，将匹配结果返回给服务需求方，同时也将需求下达给资源提供方。

2 模具制造资源共享技术

2.1 模具制造资源的定义及分类

对面向模具订单的制造资源进行了研究，将模具制造资源分为6大类，分别为编程资源、技术资源、人力资源、知识资源、管理资源和设备资源[9]。其资源主要包含模具加工过程中需要使用的制造资源，如图1所示。

图1 模具制造资源分类

模具制造资源共享是指在松散耦合、标准规范的网络环境中，应用信息、网络和计算机技术等，实现异地分散、不同类型的模具制造资源的封装、集成、管理、发布和共享[10]。虽然在分类以及适用范围上没有得到确切答案，但多数学者都认为模具制造资源应该是处在制造过程所使用或消耗的资源。

2.2 基于模具订单的制造资源共享模型

在模具制造企业中，企业通过投标的方式得到客户订单。而一个订单项目中，可能存在产品的个性化或者大型化的需求，使得某些企业不能独自完成，需要将某些任务外协出去，通过企业间的相互合作，共同完成整个产品的制造过程。在合作过程中，企业利用网络进行消息传递的同时，也将零散的模具制造资源进行了整合。这体现了模具制造资源的共享过程，如图2所示。

图2 面向模具订单的制造资源共享过程模型

在云制造环境下，对共享过程进行抽象化，定义了模具制造资源共享模型。该模型用七元组定义，并对相关模具制造资源进行描述：

式中：T为模具订单任务需求；TS为模具加工任务主体；RR为需求资源集；DA为需求可用资源决策集；DS需求共享资源决策集；RS状态资源集；MR为迁移关系集。

（1）模具加工任务主体（task subject，TS）：表示在某需求任务中，完成相应工作的执行者。它可以是模具制造企业、供应商，或者是企业内部能够完成该需求任务的相关部门。关于某模具订单任务需求，模具加工任务主体采用集合TS(ti)={ts1,ts2,ts3,···,tsm}的方式进行表示。

（2）需求资源集（resource requirements，RR）是相对某个ti模具订单任务需求来说，TS从开始执行到完成结束的整个过程中，根据实施情况需要提供的模具制造资源集合。假设总共需要提供n种模具制造资源，则RRi可表示为RRi=[r1,r2,···,rn]。

在完成某项模具订单任务需求的过程中，为了表示主要模具加工任务主体提供的需求可用资源（demand available resources,DAR）和其他模具加工任务主体提供的需求共享资源（demand sharing resources,DSR)，援用了需求可用资源决策集（demand available resource decision set,DA）和需求共享资源决策集（demand shared resource decision set,DS），其中DA=[daj]1·n(daj≥0,daj∈R+),DS=[dsj]1·n(dsj≥0,dsj∈R+)。所以关于某个模具ti订单任务需求，DA和DS分别用式（2）和式（3）进行表示为

式（3）在迁移关系集（migration relationship，MR）：表示模具制造资源在模具加工任务主体之间进行相互传递，同时提供相关DSR。在传递过程中，可能出现某个模具制造资源是由多家TS提供的情况，所以MR为多元胞数组，如MR=[TS1,TS2,{TS2,TS3}]。

为了详细展示MRSPMMO共享模型，图3形式化描述了某模具订单制造资源的共享过程，并设计相应算法，对相关模具制造资源进行合理优化与共享。

图3 MRSPMMO模型描述实例

2.3 模具制造资源共享云服务资源库

云制造环境下，众多模具制造资源的描述形式都不完全相同，且在各个模具企业中，这种差异感会被放大，这会使得模具制造资源在共享过程中存在资源信息的壁垒，难以满足异构资源的共享条件[11]。所以，为了达到其共享条件，建立模具制造资源共享云服务资源库是有必要的。

模具订单制造资源（mold order manufacturing resources，MOMR）是指完成一个模具订单的过程中，包含的各种模具制造资源。订单生成后，会根据模具加工过程不断分解和传递，从而积累模具制造资源，形成云服务资源库。云服务资源库作为共享的重要内容，将不同类型的资源服务进行统一描述，并在多个TS间传递。为了更好实现模具制造资源的共享过程，将云服务资源库分为4个部分，分别是模具订单信息库（mold order information base，MOIB）、云服务信息库（cloud service information base，CSIB）、模具订单元信息库（mold order meta information base，MOMIB）、云服务元信息库（cloud service meta information pool，CSMIB）[12]。其中,存储各模具订单的重要信息，比如产品BOM清单和数据文档等；存储模具制造资源对象属性信息；存储各模具订单之间的关系信息；存储中各对象属性之间的关系信息。如图4所示。

图4 云服务资源库

云服务资源库的描述具有五种呼应关系，这些关系首先通过统一标识符建立联系，然后利用 进行驱动，进而实现模具制造资源共享的过程。如图5所示。

图5 云服务资源库模型图

图6对面向模具订单的云服务资源库的具体应用过程进行展示。根据客户发布的任务需求，模具企业以订单的形式进行接收，并将所需资源通过一定方式传送给相关外围企业，外围企业提供，并将其作为一种服务返回。通过锁（需求）与钥匙（服务）的供需撮合[13]，在基于云服务资源库基础上，实现模具订单的制造资源及信息的共享。

图6 面向模具订单的云服务资源库应用过程

3 模具智能制造平台的设计与实现

3.1 平台系统总体架构

在云计算经验的基础上，建立了模具智能制造平台系统。整个平台系统由3个部分组成：服务客户端、服务运营商和服务提供商；分为6层结构：系统支持层、资源层、服务构造层、核心功能层、应用接口层和门户层。如图7所示。

图7 模具智能制造平台服务系统体系结构

3.2 平台系统开发工具

系统架构采用的是B/S（Brower/Server）模式，即浏览器-服务器。该模式简易方便，只要在客户端上安装一个浏览器，如Inter Explorer；在服务器安装Oracle、Mysql等数据库即可。用户基于网络使用浏览器向服务器发送请求，得到响应后将反馈结果通过网络返回客户端。B/S架构符合云制造系统的理念和要求，并为系统的集成和共享提供支持。

前端页面设计采用HTML+CSS +JavaScript模式。后端技术结合Servlet和JavaBean二者使用。前端与后端的交互采用基于HTTP的POST、GET方法与AJAX相结合的模式。

3.3 平台系统主要功能实现

3.3.1 平台用户角色

在该平台系统中，存在加盟客户、加盟服务商和在线服务平台（管理员）3种角色。由加盟客户向云平台提交模具加工任务，包括需求分类、需求描述及个性属性等数据。加盟服务商向云平台发布服务资源，包括编程模板、工艺刀具库和后处理器模板等资源。云平台根据客户发布的需求，从加盟服务商上传的资源里，或者从注册的服务企业中，寻找合适的资源或服务。然后将寻找结果进行匹配排序，反馈给需求用户，用户从中选取服务企业，这样就形成了供需撮合。后续云平台会将任务订单发送给相应云端企业，在任务完成后，用户可以对其进行评价。在线服务平台（管理员）则负责整个云制造平台的维护和数据管理。

3.3.2 平台登录与注册

输入网址，进入到平台界面，可以浏览查看平台有关模具行业的相关信息，但不能进行其他任何操作，如发布资源到商城、发布客户需求等。在平台首页，若想成为平台用户，点击菜单栏右侧的注册，即可进入平台账号注册，如图8所示。账号注册时可以选择个人注册或企业注册，区别在于个人注册时需要填写身份证号码，而企业注册时需要填写公司名称、公司地址、上传营业执照和统一社会信用代码，目的是为了用户的真实性。

图8 账号注册界面

注册成功之后，返回登录界面。只需填写账号和密码，点击登录按钮，就可以进入平台使用各项功能。

3.3.3 平台服务录入与发布

注册并登录账号，进入作业平台，选择加盟服务商角色，就可以进行资源服务的录入与发布申请。在页面中点击工艺数据，在左侧菜单栏中选择要添加的服务，点击新增按钮。用户只需根据平台提供的模板，将服务参数填入并保存，也可对之前发布的服务进行更新操作。平台会根据加盟服务商发布的服务信息，采用分布式存储，使服务独立更新。

加盟服务商申请服务发布后，需要在线服务平台在后台进行审核，审核通过后将结果显示在前台，不通过则需要加盟服务商进行更改后再发布。在用户的工艺数据中，加盟服务商可以对自己发布的服务进行查看、修改及删除等操作。在用户的服务需求中，可以将审核通过的服务进行上架。

服务发布并上架成功后，在前台的商城首页里会展示该项服务，如图9所示，待服务需求方选择服务并购买。

图9 服务展示界面

3.3.4 平台供需发布与匹配

注册并登录账号，进入作业平台，选择加盟客户角色，即可发布需求。平台将客户发布的需求与服务进行匹配，为客户提供合适的资源服务。加盟客户发布需求与加盟服务商发布服务的操作类似，根据平台提供的模板及指示填写相关内容，将必要参数填写后，点击申请即可完成。平台根据匹配算法从需求投标中计算相关结果，此时加盟客户可从计算结果中选择合适的服务。在双方都知情及同意的情况下，任务将会被执行与交易。在任务完成后，加盟客户对资源服务进行验收，验收后可进行评价，其评价信息将会为平台其他用户在选择资源服务时提供参考。

需求发布后，在线服务平台会在后台进行审核，审核的结果将显示到前台。加盟客户可以对自己发布的需求进行管理，同时加盟服务商看到符合自身加工需求的任务，可联系加盟客户进行需求任务的响应。需求管理界面如图10所示

图10 需求管理界面

3.3.5 后台管理系统

平台的后台管理系统由第三方开发商运行操作，有着服务商务、应用平台管理员、平台运维和应用平台商务四个身份，主要功能是管理平台用户信息、审核加盟服务商和加盟客户发布的服务和需求，对平台里图片、文字及文件进行发布、更新和删除等操作。

后台的组织架构是对商城和机构分别进行统一管理，可以设置机构应用业务类型，修改或添加店铺信息，建立父类或子类机构类型。前台加盟服务商发布的服务和加盟客户发布的需求，都是在后台服务需求中进行审核通过（上架）、不通过以及更改分类等操作。

除此之外，后台管理系统还包括供货管理、销售管理、数据配置以及关于智能调优模型、批处理计算的生产环境等。

4 平台应用实例运行

某模具企业需要生产一款如图11所示的模具零件，由于缺少编程资源，因此在“大平移”平台上发布需求任务，将任务进行编程外协。

图11 模具零件

企业登录平台网站，进入作业平台系统，选择加盟客户角色。在服务需求里点击客户发单，将需求信息填入，点击申请即可完成客户需求的发布。具体需求信息填入如图12所示。

图12 需求描述

客户发布需求后，等待在线服务平台的审核，审核通过后，需求以商品的形式展现在商城首页中，这时客户可以在需求投标中搜索相关服务。如图13是经过初步筛选得到4家服务企业。

图13 服务企业集

由需求匹配得到最优服务的是深圳市昌红科技股份有限公司。根据双方之间的沟通与相互确认后，资源需求方确定中标，则两企业之间形成供需撮合。此时服务提供方可以通过平台，以加盟服务商的身份进入到“我的任务”。

服务提供方（昌红科技）有两种任务执行的选择方式，一是将任务委派出去，交给其他企业或部门人员执行；二是将订单详情里的文件信息下载到本地机或云端计算机，自行完成任务。这里讲解第二种情况，服务提供方在平台文件管理菜单栏下，进入“我的文件”。

编程外协任务的完成需要有NC程序文件和模具零件加工程序单，如图14和15所示。

图14 NC程序文件

图15 加工程序单

服务提供方在本地完成任务后，需申请验收，将NC程序文件和加工程序单打包并以压缩包形式上传至平台上，如图16所示。客户对验收文件信息进行操作和检查，确认无误后，在平台上确认验收，并支付投标金额，此时资源需求方和服务提供方的合作就已结束。

图16 申请验收

通过线上服务和交易的方式，顺利完成了某模具企业零件，从线上发布需求和服务匹配，到订单产生和加工制造，最后到项目验收和支付款项的整个流程。

5 结语

本文结合云制造的运行模式和体系架构，介绍了模具企业制造资源共享技术理论和方法，对制造资源进行定义并分类，提出了在云模式下模具企业面向客户订单的制造资源共享过程模型，建立模具制造资源共享云服务资源库。对平台做了简单介绍，阐述了平台系统的需求、总体架构以及系统的运行开发工具。对平台系统的主要功能模块做了界面展示及应用指南，通过实例展示平台系统主要运行流程，初步验证了平台线上交易、线下服务的良好应用效果，实现制造资源的共享，促进模具行业朝着智能化、数字化及绿色化方向发展。