基于云制造的产品协同设计平台架构研究
一、前言
產品設計是影響產品質量和制造成本的重要環節。協同設計方式可以充分利用現有設計資源并發揮最大價值，是一種降低產品設計成本的優化策略。盡管傳統的分布式網絡系統環境能夠完成協同設計工作，但受軟硬件系統靜態性的限制 [1]，設計資源存在一些“信息孤島”現象致使資源利用不平衡，無法實現對異構、異地、海量資源的共享和按需使用，難以充分滿足用戶對系統動態性的需求。因此，在產品協同設計時，如何讓設計人員充分地訪問并利用豐富的設計資源，提高產品設計水平，降低產品設計成本，是一個重要的研究課題。
有效提升產品協同設計效率，突破傳統設計模式，一直是國內外學術界和業界的研究熱點。 Golightly 等 [2] 討論了云制造環境中的協作技術。美國麻省理工學院開展了計算機輔助的分布式集成環境（DICE）研究項目，建立了一套便于設計人員協同工作的基于云制造的產品設計系統 [3]。美國斯坦福大學開展了并行工程的可擴展框架和方法論（SHARE）項目研究，團隊成員間通過云技術共享設計知識和設計理念 [4]。美國波音公司采用基于互聯網的協作設計來管理分布于全球 40 多個國家和地區的制造公司共同制造波音 787 客機，使開發周期縮短了 30%，成本降低了 50% [5]。Katzmaier 等 [6] 的研究結果表明，基于互聯網的設計模式在通用性、多樣性和協同性上已超過傳統設計模式。國內也有研究團隊對云設計和仿真技術進行研究，構建了用于飛行器虛擬樣機協同設計的云仿真平臺 [7]。綜上，基于互聯網的產品協同設計已具備較好的技術基礎，展現出較強的技術優勢，如提高設計效率、提升設計通用性與協同性等。然而，對于高精度設備信息、高級專家經驗、設計知識資源，亟需采用計算能力更強的制造模式以實現產品設計協同與資源共享，有效組織、管理和配置異構資源，提高資源利用率 [8]。
云制造模式不僅具有云計算的優點，而且還擁有柔性制造和網絡化制造等先進制造模式的優勢 [9]。云制造模式可以高效共享與協同海量制造資源、具有良好的系統開放性和用戶參與度，成為先進制造模式的重要發展方向（見表 1）[10]。為更好應對傳統制造業向服務型和創新型制造業轉變的挑戰，本文開展基于云制造的產品協同設計平臺架構研究，論述相關平臺架構的先進制造技術；以某公司部署的云制造產品協同設計系統為例，分析平臺系統的架構和功能并驗證其有效性和優越性。
表 1 云制造模式與其他先進制造模式之間的比較
二、云制造產品協同設計平臺架構
傳統的產品平臺架構分為資源層、工具層和應用程序層，側重于集中資源并盡可能獨立完成產品開發任務。而事實上，產品開發過程是通過多方合作來完成的，需要進行大量資源計算，而傳統產品平臺已不能滿足當前的應用需求。因此，本文基于云制造技術，提出了云制造產品協同設計平臺架構（見圖 1）。該平臺是基于其原始架構，融合并擴展了支持分布式企業之間業務協作的云制造產品平臺來構建的，可以有效共享多種資源，如制造、信息、技術以及與產品開發相關的標準化設計資源等，提高資源利用率。云制造產品協同設計平臺架構主要由資源層、云技術層、云服務層、應用層、用戶層 5 個層面組成。
圖 1 云制造產品協同設計平臺架構
1. 資源層
資源層是云制造產品協同設計平臺的物理基礎。平臺中的設計資源集合了產品生命周期中所涉及的計算能力、知識、軟件、硬件和相關標準等資源，在云制造環境中用戶可靈活選擇和利用這些資源。資源層可有效解決設計資源過載或閑置以及軟硬件系統靜態性限制等問題，提高資源利用率。
2. 云技術層
在云制造產品協同設計平臺上，實現產品協同設計的關鍵是解決云制造環境中設計資源的共享問題。云技術層的目標是高效共享和管理多樣性、異構性和特殊性的資源，對各種設計資源和能力實現智能感知與控制，并對虛擬資源進行監測、發現和快速共享。云技術層主要利用資源虛擬化技術、資源管理技術、資源感知技術和 IoT 技術等對設計資源開展統一標準地描述和封裝。
3. 云服務層
云服務層面向設計人員，通過云制造產品協同設計平臺為其提供服務。通過抽象產品設計過程，提煉產品設計任務關鍵進程，得到云服務層的主要內容，為管理用戶數據、監控資源服務質量、分配設計任務、消解資源沖突、維護系統安全等提供服務。云服務層是云制造產品協同設計平臺的核心層，平臺的運行與維護、資源的計算與分配、數據的管理與共享等都可以在本層實現。
4. 應用層
應用層具有多個統一的功能調用接口，用于實現云制造產品協同設計平臺的基本功能。基于實際業務情況，通過運用組合各個基本功能接口的方法，應用層可最大程度滿足設計任務需求，實現包括產品協同設計、建模、仿真、制造在內的多項關鍵功能。
5. 用戶層
用戶層基于交互界面通過網絡進行訪問，直接面向用戶的應用環境，便于用戶對云制造產品協同設計平臺的各項功能進行訪問與調用。本層是平臺各項功能在操作系統中的直觀表現層，將系統環境與系統用戶相融合，實現了人與平臺的共融。
三、云制造產品協同設計平臺關鍵技術
云制造產品協同設計平臺是一個復雜的系統，關鍵技術體系涉及云制造、產品族和產品平臺、產品協同設計等方面（見圖 2）。
圖 2 云制造產品協同設計平臺關鍵技術
（一）云制造關鍵技術
1. 物聯網技術
IoT 技術在云制造中的應用有 3 個層次：使用傳感裝置和技術對各種制造設備、互聯網連接、自動控制等進行感知；促使制造系統中的物流和能源智能化，并支持服務的智能運行，如服務之間的智能交互和協作；支持云制造用戶的通信 [11]。
2. 云服務技術
云服務技術采用 IoT、虛擬化等技術封裝基于知識的分布式設計資源和制造能力，使資源（如產品全生命周期中涉及的軟件、硬件、計算能力、專家知識和相關標準）高度虛擬化，并以云服務的形式為用戶提供制造全生命周期的應用。用戶靈活訪問這些應用，實現對相關設計資源和能力的共享和調用。云服務的形成過程是云制造資源和能力服務化的過程 [1]。云制造系統中的用戶、資源和云服務之間關系如圖 3 所示。
圖 3 用戶、資源和云服務的關系
3. 資源管理技術
資源管理是云制造產品協同設計平臺對異構、異地的設計資源進行描述、封裝、搜索與推送的關鍵和難點。資源管理技術主要圍繞資源統一分類和描述、資源虛擬化、資源發現、資源綁定策略 4 個方面展開。
（1）資源統一分類和描述。根據云服務環境下設計資源的分布、異構、自治、量大、類多等特點，采用相關技術對各類資源進行統一分類和描述，便于資源的集成、共享和管理。例如，運用可擴展標記語言（XML）、Web 服務本體語言（OWL-S）和統一建模語言（UML），建立相應的可擴展描述模板。在建立資源描述的過程中，應充分考慮資源發現、整合和匹配的要求，盡可能地完整描述資源。
（2）資源虛擬化。為解決資源多地分布和異構性問題，需要將部署在云制造系統中的資源進行虛擬化，方便在網絡上進行統一訪問。資源虛擬化主要有虛擬描述和服務封裝兩個階段：虛擬描述旨在建立一個資源描述規范，以統一的虛擬資源數據模型全面表示制造資源信息；服務封裝從虛擬資源數據模型中提取設計資源的功能特征并將其封裝為云服務，在統一界面中與云平臺進行互操作 [12]。
（二）產品族和產品平臺關鍵技術
1. 模塊劃分技術
模塊劃分技術在云制造產品平臺中的應用主要有兩類：以功能和結構為劃分依據，通過算法對產品進行單元模塊劃分，構建產品模塊，通過模塊的選擇和組合形成不同的產品，滿足市場需求 [13]；將復雜任務快速分解為多個可調度的子任務，在云制造環境中創建完成任務的映射關系，協調每個子任務用戶完成任務。
2. 產品平臺參數化設計技術
參數化設計技術是典型的產品平臺技術，處理從用戶交互界面接收的參數化設計數據，根據參數傳遞關系生成結構模型的驅動參數；將新生成的模塊參數輸入相應的模型數據庫，修改生成新產品的三維（3D）模型和平面（2D）工程圖。
3. 產品配置技術
云制造產品配置技術由可視化引擎、用戶界面、產品評估、配置引擎、云制造服務 5 個主要模塊組成 [14]。產品配置與云制造服務之間的關系如圖4 所示。在響應系統請求之后，云制造服務將所需的產品相關數據發送到系統，以支持產品進行配置，隨后提交產品的最終規格及相關信息進行下一步處理。配置引擎參考強制配置規則和約束，根據用戶輸入要求生成有效的產品規格。可視化引擎提供基于 Web 的動態產品可視化，查看和操作 3D 產品模型以支持產品配置。用戶與系統的交互主要用于接收用戶需求并查看配置反饋。
圖 4 產品配置和云制造服務的關系
（三）產品協同設計關鍵技術
1. 動態監控技術
在云制造服務的產品協同設計平臺中，動態監控技術可以全面監控資源的服務狀態，確保云制造服務的平穩高效運行。動態監控技術主要進行的檢測有：①協作過程監測，為保證復雜設計任務高效、快速地完成，運用云制造環境的智能沖突檢測模型，實時監測協同設計過程中的數據、過程、權限等沖突，快速調用沖突消解服務，提升協作效率；②資源動態監測，采用高效的資源監測策略，對資源分配和調用過程進行實時動態監測，及時發現和處理資源故障，最大限度地降低資源分配和調用對系統硬件的需求，提升監測效率；③系統故障監測，對系統的軟件和硬件進行實時監測，對系統故障采用緊急預案進行處理，避免系統徹底崩潰對設計任務和設計資源造成損失。
2. 系統安全技術
在高度開放性的云制造產品協同設計平臺中，安全性是保障系統順利運行的關鍵。系統安全技術主要解決的問題有：平臺安全性測試，主要體現為平臺在執行任務過程中可以動態添加和刪除用戶；平臺用戶權限授予，即平臺在任務協調過程中，對用戶權限進行合理適度的授予以保證用戶既能完成設計任務，又不會對設計權限以外的事務造成干擾。
四、云制造產品協同設計平臺系統實例分析
產品需求變化迅速，良好的產品設計模型至關重要。本文在研究產品協同設計平臺體系架構的基礎上，以某公司部署的云制造產品協同設計平臺系統（見圖 5）為例，描述云制造產品協同設計平臺的應用情況，對系統功能進行介紹和分析。該公司平臺系統的性能在產品全生命周期中均表現良好。
圖 5 云制造產品協同設計平臺系統
注：Maas 表示制造即服務；SaaS 表示軟件即服務；PaaS 表示平臺即服務；IaaS 表示基礎設施即服務；ERP 表示企業資源計劃；MES 表示制造企業生產過程執行管理系統；CRM 表示客戶關系管理；OA 表示辦公自動化；QM 表示質量管理；SCM 表示軟件配置管理。
（一）系統功能介紹
某公司部署的云制造產品協同設計平臺系統主頁由 5 個功能模塊組成（見圖 6）。①用戶數據管理服務，用于用戶的權限授權和管理，不同角色的用戶被授予嚴格的權限級別，確保任務安全順利完成；②產品管理服務，用于產品生命周期管理，包括協同設計、協同建模、協同仿真和協同生產；③資源管理服務，用于描述、封裝、管理和應用資源，使用戶能夠快速有效地利用資源；④沖突消解服務，用于制定檢測分類、解決策略，解決任務分配以及智能處理系統運行期間的沖突等；⑤系統安全服務，在系統運行過程中對系統的所有參數進行動態監控，保障產品平臺中的產品實時設計數據、歷史設計案例、各類設計資源的安全性。
圖 6 云制造產品協同設計平臺系統主頁
針對云制造產品協同設計平臺系統的產品管理服務，以 1 臺數控銑床為例，說明產品協同設計、產品協同建模、產品協同仿真的應用情況。
（1）產品協同設計應用可通過云服務器調用計算機輔助設計軟件（CAD），讀取所選部件的 3D 結構圖和 2D 工程圖，實現參數驅動的產品設計。通過讀取 3D 模型獲取產品模型的相關參數，以參數驅動的方法實現對 3D 結構模型的尺寸修改，并更新其模型存儲數據庫。
（2）產品協同建模應用的步驟為：根據用戶的需求情況，確定數控銑床系列；確定數控銑床每個模塊中的參數、結構和輔助結構特性，并選擇不同的結構模塊代碼；對各模塊進行組合選擇，快速設計出新的數控銑床產品；對數控銑床的主要結構模塊進行修改和保存，將結構模塊組裝成符合客戶需求的數控銑床。
（3）在產品協同仿真應用中，數控銑床模型的導入，載荷、約束的施加以及后期處理都可以通過命令流來實現。用戶可以編輯任務編號、任務名稱等信息，也可以設置任務的結束時間。系統將根據任務結束時間動態調用相關資源，如計算過程中服務器使用的中央處理器（CPU）數量，確保任務按時完成。仿真分析結果將顯示在界面上，可以超文本標記語言（HTML）格式文件輸出。
（二）系統分析
以任務分配時間、任務完成時間作為衡量傳統制造模型效率和云制造模型效率的指標，選擇位于北京市的 3 家制造企業（代號為 A、B、C）作為研究對象。經許可，研究團隊進入企業的 MES 系統和數據庫，分別采集了 3 家企業在應用云制造產品協同設計平臺系統前后關于分配任務所需時間和完成任務所需時間的相關數據，以 3 家企業任務時間的平均值作為評估指標。限于數據量過大，通過選取關鍵節點數據繪制圖表的方式來比較兩種制造模式。
基于兩種制造模式分配和完成任務的時間差異如圖 7 所示，圖 7a 是 3 家企業任務分配時間的平均值；圖 7b 中的虛線是通過 3 家企業任務完成時間的散點坐標得到的擬合線，顯示了企業在兩種制造模式下完成任務所需的時間差異。在初始階段，由于云制造模式的運行機制復雜，其響應速度不如傳統制造模式，當任務量達到一定值時，云制造模式的計算優勢將得到顯現。
圖 7 基于兩種制造模式分配和完成任務的時間差異
五、結語
在對協同設計領域現狀和傳統制造模式的資源使用與共享情況進行調查分析的基礎上，本文提出了面向云制造的產品協同設計平臺 5 層架構，將云制造技術、產品族和產品平臺技術、產品協同設計技術進行有機結合，建立了云制造產品協同設計平臺原型系統，在相關制造企業中完成了應用驗證。與傳統制造模式進行綜合比較，分析了基于兩種制造模式分配任務和完成任務的時間差異，驗證了云制造模式的有效性和優越性。
基于云制造的產品協同設計平臺在今后相關制造企業的應用中，應結合工程實際情況，利用云制造模式敏捷化、智能化特點，在產品生產全生命周期內充分發揮云制造模式的優勢，實現設計人員、客戶需求方、產品供應商等多個主體協同交互完成產品的設計制造過程，提高產品設計效率和產品質量。
云制造技術持續發展，受技術和時間所限，文中研究仍有許多未盡之處。未來可從以下方面開展進一步研究：比較各種云服務架構的有效性，對資源封裝、動態監測等云技術進行優化，完善產品協同設計平臺；以支持增材制造和大數據分析為目標，改進基于云制造的產品協同設計平臺的系統功能，實現產品快速制造和市場需求預測等功能。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的基于云制造的产品协同设计平台架构研究的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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