新疆兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺研究與應(yīng)用

郭蕓婕+李志剛

摘要：為了推動制造企業(yè)實(shí)施制造業(yè)信息化，國家啟動制造業(yè)信息化重大專項(xiàng)，大力推進(jìn)制造業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范工程。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)作為全國最大的農(nóng)業(yè)企業(yè)集團(tuán)，具有農(nóng)機(jī)化水平高、農(nóng)機(jī)裝備更新快、保有量大等特點(diǎn)，隨著兵團(tuán)現(xiàn)代化步伐的加快，在發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)程中，對農(nóng)機(jī)裝備提出了更高的要求。為了推動兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及服務(wù)化方向發(fā)展，本研究利用云計(jì)算的思想，結(jié)合兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備制造行業(yè)的實(shí)際管理需要，提出了兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)的5層體系架構(gòu)，詳細(xì)闡述了其業(yè)務(wù)流程和基本功能，最終利用WEB和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于SOA搭建了面向農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)的原型系統(tǒng)，對所提出理論進(jìn)行了初步驗(yàn)證。通過驗(yàn)證，農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺可以對新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的農(nóng)機(jī)裝備制造工藝、工序和制造需求等信息進(jìn)行初步整合，為兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)提供可靠的制造信息服務(wù)，從而為兵團(tuán)農(nóng)機(jī)制造的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：云制造；農(nóng)機(jī)裝備；面向服務(wù)；裝備制造

中圖分類號： S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0352-05

隨著信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，正在引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，我國制造業(yè)大而不強(qiáng)，自主創(chuàng)新能力弱，急需實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)型向服務(wù)型、由價(jià)值鏈低端到中高端的轉(zhuǎn)變?！吨袊圃?025》提出建立并完善基于“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的生態(tài)體系，推進(jìn)智能制造，確定了我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]，其中推動重點(diǎn)的十大領(lǐng)域就包括農(nóng)機(jī)裝備制造。在此背景下，云制造這種面向服務(wù)的新型制造模式應(yīng)運(yùn)而生。

從“云制造”這一概念的提出至今，已有部分學(xué)者對其進(jìn)行相關(guān)研究。李伯虎等首先提出了云制造的定義和體系結(jié)構(gòu)，討論了實(shí)施云制造所需攻克的關(guān)鍵技術(shù)和所取得的成果[2]。張霖等闡述了云制造與現(xiàn)有的幾種典型制造模式的聯(lián)系和區(qū)別[3]。尹超等在兩者的基礎(chǔ)上分析了中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺的特點(diǎn)，建立了中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺共性關(guān)鍵技術(shù)體系框架[4]。依照云制造的理論框架，部分學(xué)者提出了具體行業(yè)的特色平臺。尹翰坤等提出了面向汽摩零部件新產(chǎn)品開發(fā)的一種云制造服務(wù)平臺，并就其系統(tǒng)框架關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后搭建了原型系統(tǒng)[5]。向楨等提出了基于SOA理念以及支撐技術(shù)構(gòu)建面向服務(wù)的數(shù)控加工廠云制造平臺架構(gòu)[6]。在關(guān)鍵技術(shù)方面，陶飛等設(shè)計(jì)了制造云服務(wù)管理原型系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，對基于云制造全生命周期運(yùn)行的云服務(wù)組合需求進(jìn)行了闡述[7]。盛步云等基于云制造服務(wù)模式和思想，開發(fā)了一個(gè)面向中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺的供需智能匹配引擎[8]。雖然關(guān)于云制造已有一些研究成果，但由于云制造提出概念時(shí)間尚短，且目前大多數(shù)學(xué)者只針對中小企業(yè)進(jìn)行研究，同時(shí)也未在企業(yè)的生產(chǎn)制造過程中得到廣泛應(yīng)用。目前云制造朝著以信息技術(shù)為核心的智能化與先進(jìn)制造方向發(fā)展，農(nóng)機(jī)裝備制造作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，其云制造服務(wù)平臺的研究與應(yīng)用就顯得尤為重要。

據(jù)資料顯示，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)（以下簡稱兵團(tuán)）目前農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力達(dá)420萬kW，拖拉機(jī)保有量10萬臺，其中大中型拖拉機(jī)4.5萬臺，農(nóng)業(yè)機(jī)械總值達(dá)100億元人民幣；種植業(yè)機(jī)耕、機(jī)播率達(dá)100%；農(nóng)機(jī)管理標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)場達(dá)到90%以上，農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化作業(yè)水平達(dá)到93%。在以新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)有限公司、石河子貴航農(nóng)機(jī)裝備有限責(zé)任公司等骨干企業(yè)為龍頭的帶動下，兵團(tuán)農(nóng)機(jī)化水平不斷提高。

針對兵團(tuán)現(xiàn)狀，本研究提出利用云制造技術(shù)構(gòu)建兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺，探討通過云制造模式的研究應(yīng)用，將兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)整合成為一個(gè)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)信息化集群，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，促進(jìn)兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 云制造

云制造將“軟件即服務(wù)”理念擴(kuò)展至“制造即服務(wù)”[9]理念，強(qiáng)調(diào)的是一種面向服務(wù)的、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式，它通過實(shí)現(xiàn)制造資源和制造能力的流通，從而達(dá)到大規(guī)模收益、分散資源共享與協(xié)同的制造新模式[10-11]，其運(yùn)行模式如圖1所示。

云制造系統(tǒng)中參與角色為：資源提供者、制造云運(yùn)營者、資源使用者。云制造資源的提供者將自身的制造資源（包括軟資源、硬資源與不確定資源）和制造能力進(jìn)行感知、虛擬化接入，以服務(wù)的形式提交給制造云，制造云運(yùn)營者制定相關(guān)的規(guī)范和準(zhǔn)則，對服務(wù)資源進(jìn)行管理與維護(hù)，保證能夠即時(shí)按需提供可靠的制造云服務(wù)。云制造資源使用者在海量的云服務(wù)中獲取所需要的云服務(wù)，并組織企業(yè)的制造過程[12]。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，知識為制造資源和制造能力的虛擬化接入和服務(wù)化封裝提供支持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能管理等功能。云制造的過程圍繞制造全生命周期活動展開[13-14]。

2 需求及功能分析

兵團(tuán)是機(jī)械化大農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化綜合水平處于全國領(lǐng)先水平，農(nóng)機(jī)市場潛力巨大，雖然兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備生產(chǎn)制造有一定的規(guī)模，但仍舊存在如下問題：研發(fā)能力參差不齊，成果轉(zhuǎn)化能力不強(qiáng)，自主創(chuàng)新能力弱；農(nóng)機(jī)企業(yè)規(guī)模小、數(shù)量多，產(chǎn)品檔次低，缺乏知名品牌；生產(chǎn)工藝落后，難以互相借鑒，資源能源利用效率低；信息化水平不高，經(jīng)營能力不足；農(nóng)機(jī)制造業(yè)人才缺乏，技術(shù)交流少。農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺通過對企業(yè)提供有針對性的應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的技術(shù)和資源共享，降低制造費(fèi)用，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)的信息化水平，從而提升農(nóng)機(jī)制造企業(yè)的整體競爭力。

新疆兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺，從制造服務(wù)的提供和使用角度，將云制造用戶分為兩大類，即云提供端[云制造服務(wù)提供者（cloud service provider，CSP），包括設(shè)計(jì)咨詢、加工制造、裝配維修、檢測認(rèn)證、回收處理及銷售交易等服務(wù)者]和云請求端[云制造服務(wù)使用者（cloud service demander，CSD），包括技術(shù)工藝落后企業(yè)、設(shè)備缺乏企業(yè)、小型規(guī)模企業(yè)等需求者]。云提供端通過網(wǎng)絡(luò)向平臺提供相應(yīng)的制造資源和制造能力服務(wù)，并通過云端接入技術(shù)、資源虛擬化技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，將云提供端提供的制造資源和服務(wù)封裝成云制造服務(wù)，形成兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)中心。平臺根據(jù)云請求端用戶提交的任務(wù)請求，在服務(wù)匹配與搜索、優(yōu)化調(diào)度、智能尋租等中間件的支持下尋找符合用戶需求的服務(wù)并為云制造服務(wù)使用者提供服務(wù)。平臺示意如圖2所示。

兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺提供任務(wù)管理、服務(wù)管理、交易管理及平臺管理四大服務(wù)管理功能，建立規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、開放的設(shè)計(jì)咨詢、加工制造、裝配維修、檢測認(rèn)證、回收處理及銷售交易等服務(wù)。平臺功能模塊如圖3所示。

平臺管理模塊主要功能包括：用戶管理、服務(wù)管理、信息發(fā)布和平臺維護(hù)。該模塊主要是第三方運(yùn)營商對平臺實(shí)施管理的功能。

服務(wù)管理模塊主要功能包括：任務(wù)/服務(wù)信息發(fā)布、任務(wù)/服務(wù)信息變更、任務(wù)分解、服務(wù)優(yōu)選匹配。該模塊主要是對制造云服務(wù)進(jìn)行管理。

交易管理模塊主要功能包括：交易信息查詢、交易評價(jià)和交易狀態(tài)監(jiān)控。該模塊主要是對企業(yè)雙方在平臺中的一系列交易活動進(jìn)行管理。

查詢模塊主要功能包括：服務(wù)信息查詢、服務(wù)商查詢和交易信息查詢。該模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶在平臺中對特定信息搜索查詢的功能。

3 兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺技術(shù)體系研究

3.1 設(shè)計(jì)理念

云制造從根本上講是一種面向服務(wù)的架構(gòu)（service oriented architecture，SOA）[15]，其開放式網(wǎng)絡(luò)化制造模式?jīng)Q定了云制造服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)必須是一種開放式、松耦合、層次化、面向服務(wù)的組件化的系統(tǒng)。“業(yè)務(wù)服務(wù)化”是SOA指導(dǎo)思想，系統(tǒng)中的每一個(gè)功能模塊都存在業(yè)務(wù)驅(qū)動、業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)矩陣3個(gè)重要的功能要素，系統(tǒng)通過這3個(gè)功能要素把獨(dú)立的功能模塊有效組合到一起，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能模塊的高效運(yùn)動[16]。

兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺采用SOA理論為設(shè)計(jì)理念，利用虛擬化技術(shù)，整合制造能力和資源，為用戶提供便捷的服務(wù)。平臺將所有業(yè)務(wù)分為多個(gè)服務(wù)，這些服務(wù)被抽象到一個(gè)統(tǒng)一域中使用，各服務(wù)之間又彼此獨(dú)立，當(dāng)業(yè)務(wù)需求改變時(shí)，這些服務(wù)被重構(gòu)為新的解決方案，使系統(tǒng)今后的優(yōu)化、擴(kuò)展變得靈活簡單。

3.2 體系架構(gòu)

兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺包括物理層、資源層、功能層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層5個(gè)層面。平臺體系架構(gòu)如圖4所示。

物理層是平臺運(yùn)行的基礎(chǔ)層，主要為平臺提供云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、存儲和網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)支撐環(huán)境。 資源層將全疆各地的農(nóng)機(jī)裝備制造生命周期涉及到的各類資源，通過資源轉(zhuǎn)換匯集、分類融入平臺，如知識資源、制造資源、回收資源、交易資源、人力資源、設(shè)備資源、物流資源及安全資源等，外部資源須經(jīng)過安全資源接入到平臺。功能層基于各類虛擬化資源，為平臺提供至關(guān)重要的多項(xiàng)功能，包括用戶管理、資源注冊、搜索匹配、服務(wù)評估、任務(wù)管理、服務(wù)管理、交易管理、平臺管理等。業(yè)務(wù)層提供設(shè)計(jì)咨詢、加工制造、裝配維修、回收報(bào)廢、檢測認(rèn)證、設(shè)備租賃、物流配送、交易服務(wù)等服務(wù)組件部署組合及業(yè)務(wù)規(guī)則的支撐，并通過調(diào)用平臺的核心功能，實(shí)現(xiàn)云制造服務(wù)平臺與多方資源便捷的協(xié)同合作。應(yīng)用層為農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)需求方和資源方提供統(tǒng)一安全便捷的用戶界面，用戶可以在不同地點(diǎn)通過多種途徑登錄平臺。

3.3 制造任務(wù)分解

農(nóng)業(yè)機(jī)械根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和各項(xiàng)作業(yè)的特殊要求而專門設(shè)計(jì)制造，其種類繁多、使用分散、環(huán)境惡劣、需求多變。農(nóng)業(yè)機(jī)械及其零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、便于供應(yīng)配件和維修的重要措施。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造與通用機(jī)械制造既有共同點(diǎn)又存在自身的特殊性。云制造環(huán)境下，用戶對農(nóng)機(jī)裝備制造云服務(wù)的請求任務(wù)變得較為復(fù)雜，涉及制造活動的全生命周期，包括設(shè)計(jì)、加工、裝配、維修以及與制造相關(guān)的其他活動。兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造任務(wù)分解如圖5所示。

3.4 業(yè)務(wù)流程

農(nóng)機(jī)裝備云制造平臺用戶（服務(wù)提供者和服務(wù)使用者）注冊登錄平臺后可以進(jìn)行農(nóng)機(jī)裝備需求發(fā)布或農(nóng)機(jī)裝備服務(wù)注冊，系統(tǒng)對云服務(wù)知識庫不斷進(jìn)行更新，新的農(nóng)機(jī)裝備制造云服務(wù)被集中到制造云池中。首先，用戶提交的任務(wù)請求，根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備任務(wù)分解標(biāo)準(zhǔn)被解析分解。此后，經(jīng)過智能匹配算法服務(wù)處理與服務(wù)優(yōu)選，進(jìn)入服務(wù)執(zhí)行，完成農(nóng)機(jī)裝備云制造的任務(wù)請求。最后，用戶根據(jù)服務(wù)執(zhí)行反饋的結(jié)果對服務(wù)進(jìn)行評價(jià)?；谠浦圃煜到y(tǒng)中復(fù)雜任務(wù)均要被分解為一系列的相互獨(dú)立、可執(zhí)行的具體任務(wù)這一要求，農(nóng)機(jī)裝備云制造任務(wù)的形式化描述必須從任務(wù)的基本信息、功能需求、過程模型及服務(wù)質(zhì)量4個(gè)方面予以明確與規(guī)范，從而保證這些任務(wù)被制造云服務(wù)執(zhí)行的有效性。兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

3.5 服務(wù)優(yōu)選

云制造的服務(wù)優(yōu)選過程可簡化為目標(biāo)函數(shù)的求解最大值過程。根據(jù)一般Web服務(wù)的QoS模型，制造服務(wù)共有屬性為制造費(fèi)用（P），制造時(shí)間（T），信譽(yù)度（R），可靠度（Re），服務(wù)質(zhì)量（Q），在候選服務(wù)集合中，子需求任務(wù)的CM的需求值為Tmax、Pmax、Rmin、Qmin、Remin。因此優(yōu)選過程可看作在已有的候選集合中選取各滿足要求的需求值進(jìn)行相互組合求解的問題。本文利用遺傳算法的群體搜索特性尋找滿足約束條件的最優(yōu)解，其目標(biāo)函數(shù)可定義為：

平臺部分功能界面如圖7、圖8所示。圖7為服務(wù)搜索界面，用戶可以通過左邊的服務(wù)分類選項(xiàng)，對每個(gè)類別的制造服務(wù)進(jìn)行搜索，也可以通過輸入所需服務(wù)的關(guān)鍵字對服務(wù)進(jìn)行搜索，搜索出的結(jié)果會顯示在下方頁面中，用戶點(diǎn)擊搜索結(jié)果即可進(jìn)入該服務(wù)的詳細(xì)介紹頁面。多種服務(wù)查詢搜索的方式使用戶使用更方便快捷。

圖8為服務(wù)商選擇界面。用戶可以根據(jù)服務(wù)來搜索提供此項(xiàng)服務(wù)的制造商有哪些，也可以直接輸入制造商的名稱進(jìn)行搜索。搜索結(jié)果顯示在下方頁面中，同時(shí)顯示該制造商在平臺中的交易量、綜合評價(jià)以及所在區(qū)域。用戶點(diǎn)擊搜索結(jié)果即可進(jìn)入選中制造商的詳細(xì)介紹界面，服務(wù)商的搜索功能可以讓用戶更直觀明了地了解制造商各方面信息，從而選擇適合的服務(wù)商。

5 結(jié)束語

對兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺建設(shè)需求、技術(shù)體系進(jìn)行了研究，提出了包括物理層、資源層、功能層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層在內(nèi)的5層體系架構(gòu)，通過分析兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)的業(yè)務(wù)流程及制造任務(wù)，構(gòu)建了平臺的功能結(jié)構(gòu)，完成基于SOA的面向農(nóng)機(jī)裝備制造的云制造服務(wù)平臺的原型系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用驗(yàn)證。

兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造服務(wù)平臺以“互聯(lián)網(wǎng)+產(chǎn)業(yè)鏈”為核心設(shè)計(jì)思想，能夠服務(wù)于管理部門、科研單位以及農(nóng)機(jī)制造企業(yè)，有效整合兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)變，為兵團(tuán)農(nóng)機(jī)裝備云制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

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