面向生产过程云服务的制造执行系统_李孝斌.docx

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1、 第 卷 第 期 计算机集成制造系统 年 月 ： 面向生产过程云服务的制造执行系统 李孝斌 ， 尹 超 （ 重庆大 学 机械传动国家重点实验 室 ， 重 庆 ） 摘 要 ： 为支撑云制造服务模式在制造行业的推广应 用 ， 以及企业从传 统 生产型制造向服务型制造转型 ， 在 分 析当前广大企业面向服务的生产制造过程管理需求的基础 上 ， 提 出 了 下 一 代制造执行系统的发展方 向 面 向 生 产过程云服务的制造执 行 系 统 （ ） 。 分 析 了 的总体实现思 路 ， 构 建 了 一 种 的 体 系 架构和运行模 式 ， 并 对 系统涉及的车间 机 床装备资源的智能感知与网络优化配 置

2、、 基于移动智能体 的 机床装备资源服务化封装等关键技术进行了研究 。 通过初步试验验证了所提系统的有效性 。 关 键 词 ： 云 制 造 ； 云 服 务 ； 制 造 执 行 系 统 ； 智 能 体 ； 封 装 中 图 分 类 号 ： ； 文 献 标 识 码 ： ， （ ， ， ， ） ： ， （ ） ， ， ， ： ； ； ； ； 引言 我 国 “两化融 合 ”（ 信息化与工业化融 合 ） 战略 的 实 施 以 及 云 计 算 （ ） 、 物 联 网 （ ， ） 、 面向服务的 计 算 （ ， ） 等 先 进 信 息 技 术 在 制 造 行 业领域的不断成熟应 用 ， 催生了一种基于网络 的

3、 、 面 向服 务 的 智 慧 化 制 造 新 模 式 云 制 造 （ ， ） 。 它利用现代服务技术对 广 域 、 分散 、 异构的制造资源进行物联 化 、 虚拟化 、 服 务 化 、 协同化和智能化处 理 ， 并通过网络和云制造服 务 平台实现对封装制造资源及服务的集中管理和高度 共享 ， 为企业的 制 造全生命周期过程提供可靠的 个 性化 服 务 。 是 云 计 算 在 制 造 业 领 域 的 应 用和发展 ， 其 服 务 内 容 主要由基础设施即服 务 （ ， ） 、 平 台 即 服 务 （ 收 稿 日 期 ： ； 修 订 日 期 ： 。 ； 基 金 项 目 ： 国 家 计 划 资 助

4、 项 目 （ ） 。 ： ， （ ） 计算机集成制造 系 统 第 卷 ， ） 、 软 件 即 服 务 （ ， ） 和制造即服 务 （ ， ） 四部分组成 ， 其 中 是 的 核心和主 体 ， 包 括 设 计 云 服 务 、 仿 真 云 服 务 、 试 验 云 服务和生产过 程 云 服 务 等 ， 可极 大 地丰富制造企 业 的生产服务体 系 ， 促进企业向网络 化 、 服务化和智 能 化等方向发 展 。 的 的 核 心 思想与当前企业向 服 务型制造模式 转 型 的 战 略 要 求 不 谋 而 合 ， 并 得 到 了 广大科研院所 及 企业的广 泛 研究和初步应 用 ， 产 生 了 相应的平台

5、产 品 ， 如基于云仿真原型平 台 、 基 于 语 义 的云设计服务平 台 、 面向 双 向 资 源 集 成 的 智 能 服 务 平 台 （ ， ） 智 慧 服务平 台 、 模 具 行 业 云 制 造 平 台 等 。 然 而 这 些 云制造服务大多 是 在 制 造 软 资 源 、 制造能力和计 算 资源层面上展开 的 ， 如何结合现 有 的信息技术和系 统方法 ， 深入企业车间底 层 ， 实现量大面广的数控机 床 、 加工中心等机床装备硬资源的云端化管 理 ， 支 持 企业机床装备 资 源 的 网 络 化 集 成 运 行 、 协 同 化 加 工 生产 、 工艺参数 实 时优化决策等生 产过程云

6、服务的 开展 ， 一直是制约云制造模式快速发展的瓶 颈 。 制造 执 行 系 统 （ ， ） 在 制 造 业 中 的 广 泛应用为解决 上 述 问 题 提 供 了 可 能 。 位 于 管 理 层 与 工 业 控 制 底 层 之 间 ， 支 持 对 企 业 生 产 制 造 信 息 的 集 成 管 控 ， 可 为 生 产 过 程 云 服 务 的 运 行 提 供 技 术 支 撑 和 交 互 环 境 。 但 传 统 的 对 生 产 过 程 中 人 、 机 、 物 、 料 、 环 、 法 等 信 息 的 管 理 运 营 大 都 限 定 在 生 产 车 间 内 部 的 局 域 范 围 内 （ 如 文 献

7、提 出 的 面 向 敏 捷 制 造 的 系 统 、 文 献 提出的网络 化 制 造 环 境 下 以 人 为 中 心 的 系 统 、 文 献 提 出 的 基 于 普 适 计 算 的 协 同 等 ） ， 难 以 支 撑 云 制 造 环 境 下 分 散 、 异构的制造资源在 广 域 时 空 范 围 内 的 集 成 共 享 服 务 要 求 。 优 化 传 统 的 技 术 架 构 ， 提 升 在 运行环境下的 车 间 机 床 装 备 资 源 网 络 化 集 成 共 享 能 力 ， 已 成 为 广 大 云 制 造 服 务 提 供 企 业 和 应 用 企 业 的 共 性 需 求 。 文 献 结 合 云 制

8、造 的 核 心 思 想 ， 提出一种面向 云 制 造 的 机 床 装 备 生 产 ， 并 对 其 涉 及 的 基 于 实 例 的 推 理 （ ， ） 的 零 件 检 索 方 法 、 柔 性 制 造 单 元 构 建 方 法 等 技术开展了研 究 ； 文 献 针 对 分 布 式 制 造 环 境 下 的 可 配 置效率和信息 集 成 共 享 能 力 较 差 等 问 题 ， 提 出 一 种 基 于 云 技 术 的 解 决 方 案 ， 并对该系统的功能架构和支持 技 术 进 行 了 研 究 ； 文 献 基于当前云计 算 的 成 熟 应 用 及 制 造 企业的管理需 求 ， 提 出 并 研 究 了 一 种

9、 基 于 框 架 的 虚 拟 化 ， 并 对 其 实 现 方 法 和 试 验 进 行 了 论 述 ， 证 明 了 该 系 统 的 实 用 价 值 。 但 以 上 基 于 云 概 念 的 均 从 某 单 一 应 用 角 度 展 开 研 究 ， 对 云 的 总体发展需 求 及 其 技 术 架 构 和 运 行 模 式 缺 乏 一 定 的 论 述 。 为此 ， 本文结合课题组 在 和 方面 的 研究成果 ， 在分 析 企业对面向服务的生产过程管 理 的 相 关 需 求 的 基 础 上 ， 提 出 了 下 一 代 的 发 展 方向 面 向 生 产 过 程 云 服务的制造执行系 统 （ ） ， 并 从 系

10、 统 体 系 架 构 、 运 行 模 式 、 关 键 技术等方面 对 进 行 了 研 究 ， 以 促 进 面 向 生产过程云服 务 的 的 研 究 、 开 发 和 应 用 ， 为 云 制造模式 向企业车间装备 层 发 展 提 供 相 应 的 技 术 支撑 。 面向服务的生产过程管理需求 生 产 过 程 云 服 务 是 以 云 计 算 、 智能传感网络 和 高性能计算为技术手 段 ， 将企业车间生产要 素 （ 车 间 现场 、 生产设 备 、 生 产 物 料 等 ） 及其生产过程进行 虚 拟化描述和服务 化 封 装 ， 为客户提供的面向车间 生 产过程的智能化 增 值 服 务 ， 如机床装备网络

11、化集 成 共享 、 生产过程工艺参数动态优化与决 策 、 生产设 备 远程实时监控与 诊 断 、 生 产过程质量实时分析预 警 等云服务 。 在 传 统 的 管 控 环 境 下 ， 广 大 制 造 企业已难以适应生产过程云服务对制造车间的变革 式发展需 求 ， 主要体现 在 ： （ ） 面对经 济 的全球化发展以及激烈的市场 化 竞争 ， 当前广大 制 造企业采用的面向产品订单的 制 造执行管理模式 由于存在生产服务类型单 一 、 制 造 流程灵活性较差 等 缺 陷 ， 已不能充分满足客户快 速 变 更的个性化需 求 。 因此 ， 结合面向服 务 制 造 、 等理念 ， 优化传统 的 及 技

12、术 ， 支 持 制 造 资 源 灵活快速的组织以及企业制造业务流程的优化与重 构 ， 实现面向服务的生产过程管 理 ， 支撑制造任务 网 络化协同加 工 、 工 艺参数实时优化决策等多元化 生 产过程云服务的 开 展 ， 从 而提升企业对市场需求 的 快速响应能力和 生 产 制 造 能 力 ， 已成为广大制造 企 业的迫切需 求 。 （ ） 目 前 ， 集 团 型 企 业 及 科 研 院 所 的 制 造 能 力 第 期 李 孝 斌 等 ： 面向生产过程云服务的制造执行系 统 富 余 、 制 造 资 源 大 量 闲 置 ， 然 而 广 大 中 小 型 企 业 的 生 产 能 力 不 足 、 制

13、造 资 源 严 重 匮 乏 ， 这 种 制 造 资 源 富 足 与 匮 乏 的 矛 盾 已 日 益 突 出 。 云制造模式能 有 效 实 现 集 团 型 企 业 和 科 研 院 所 （ 云 服 务 提 供 企 业 ） “高 、 精 、 尖 ”制 造 资 源 的 高 度 集 成 与 共 享 ， 并 为 处 于 制 造 链 底 层 的 中 小 企 业 （ 云 服 务 应 用 企 业 ） 提 供 优 质 、 高 效 、 按 需 、 基 于 网 络 的 协 同 制 造 服 务 ， 为 解 决 这 一 矛 盾 提 供 了 崭 新 的 思 路 。 但如何在传统 的 生 产 过 程 管 理 环 境 下 ，

14、综 合 网 络 、 技 术 等 壁 垒 对 自 身 生 产 信息保密的考 虑 ， 实 现 制 造 资 源 特 别 是 机 床 装 备 资 源 的 虚 拟 化 云 端 接 入 与 服 务 化 集 成 应 用 ， 并 支 持 企 业 生 产 过 程 信 息 （ 如 生 产 计 划 信 息 、 生 产 质 量 信 息 、 制 造 工 艺 信 息 等 ） 在 内 部 信 息 系 统 与 云 制 造公共服务平台 之 间 的 实 时 交 互 ， 一 直 是 广 大 制 造 行 业 企 业 搭 建 和 应 用 云 制 造 服 务 的 技 术 瓶 颈 。 （ ） 机 床 装 备 是 企 业 生 产 运 营 的

15、 核 心 资 源 ， 数 量 众 多 且 通 常 来 自 不 同 地 域 和 厂 家 ， 具 有 广 域 性 、 异 质 异 构 性 、 技术封闭性等特 点 ， 一 旦 出 现 故 障 ， 则 需 相 应 厂 家 的 技 术 人 员 进 行 现 场 诊 断 并 提 供 维 修 维 护 服 务 。 而 传 统 的 仅 从机床装备维 修 计 划 、 维 修 记 录 等 方 面 进 行 管 理 ， 这 种 事 后 维 修 维 护 服 务 和 信 息 化 管 理 模 式 不 仅 体 现 出 维 修 知 识 与 经 验 难 以 积 聚 、 服 务 智 能 化 程 度 不 足 、 维 修 周 期 长 、

16、效 率 低 、 成 本 高 等 短 板 ， 也 不 符合云制造理 念 对 生 产 过 程 管理的智能化要 求 ， 极 大 地 制 约 着 企 业 生 产 计 划 的 优 化 执 行 和 生 产 效 益 的 提 高 。 因 此 ， 融 合 应 用 先 进 信 息 技 术 与 制 造 技 术 ， 实 现 企 业 机 床 装 备 资 源的网络化在线运 行 ， 并 提 供 机 床 装 备 运 行 状 态 实 时 监 控 、 故 障 在 线 诊 断 与 预 警 、 远 程 维 修 维 护 等 基 于 网 络 协 同 的 维 护 、 维 修 和 大 修 （ ， ） 服 务 ， 已 成 为 制 造 企 业

17、提 升 机 床 装 备 维 修 维 护 能 力 和 生 产 制 造 能 力 的 关 键 。 （ ） 推进信 息 化与工业化的 深 度融合应用是 当 前企业发展 的 重 要 命 题 。 然 而 ， 众 多制造企业特 别 是中小制造企 业 由 于 缺 乏 资 金 、 技 术和人才等资 源 的支持 ， 其信息化建设难以覆盖企业业务全过 程 ， 特 别是环境 复 杂 、 信 息 量大的车间生产制造过 程 ； 同 时 ， 在互联网思 维 的 推 动 下 ， 广 大 传 统 的 软 件 服务提 供 商 也 面 临 着 业 务 拓 展 与 转 型 的 需 求 。 因 此 ， 构建符合 云 技 术 架 构 的

18、 ， 形 成 基 于 互 联 网 环 境 的 解 决 方 案 ， 既 可 为 量 大 面 广 的 中 小 企 业提供价 廉 、 实 时 、 高 效 的 规 划 、 设 计 、 实 施 和 维护等服 务 ， 提升中小企业生产过程的信息化水 平 ， 也 可 促 进 传 统 服 务提供商的 转 型 升 级 ， 完 善 现代产业服务体 系 。 本 文 针 对 上 述 面 向 服 务 的 生 产 过 程 管 理 需 求 ， 结合课题组在生产过程信息化管理及云制造方面的 研 究 成 果 ， 提 出 一 种 ， 并 从 系 统 实 现 思 路 、 体 系 架 构 、 运 行 模 式 及 涉 及 的 相 关

19、关键技术等角度对其进行研究 。 面向生产过程云服务的制造执行系统 系统实现思 路 系统向下需实现 对 企 业 车 间 生 产 制 造过程中的制造 资 源 、 制 造信息及其制造过程的 标 准化 、 集成化管 理 ， 以支持企业生产过程的高 效 、 优 化运行 ； 向上需 将 制造资源及制造过程进行服务 化 封装 ， 形成相应的虚拟构 件 ， 以便接入云制造公共 服 务平台 ， 为各类生产过程的云服务提供资源载 体 ， 支 持生产过程云 服 务 实 时 运 行 。 因 此 在 实 现 思 路 上 ， 一 方 面 ， 采 用 面 向 服 务 的 技 术 架 构 （ ， ） ， 将 复 杂 的 车间

20、管理业务定 义为松散耦合的服务组 件 ， 支 持 企 业根据服务内容 和 要 求 的 不 同 ， 对车间业务流程 进 行灵活 、 动态 的 重 构 ， 实 现 车 间 生 产 过 程 的 模 块 化 、 服务化 管 理 ； 另 一 方 面 ， 需 融 合 物 联 网 、 云计算等技 术 ， 支 持制造资源及生产过程实时信 息 的智能感知与云 端 化 接 入 ， 以承接生产过程云服 务 的应用 ， 如图 所示 。 与传统 的 相比 ， 主要体现出 如 下几点区别和优势 ： （ ） 制造物联 性 在量大面广的离散制造车 间 ， 传统 的 大多 仅 实 现 了 对 车 间 异 构 制 造 资 源 的

21、 单 台 离 线 管 理 ； 而 可 利 用 传 感 网 络 、 无 线 射频识 别 （ ， ） 等物联技术对车间多源信息及其制造过程进行智能 感知 、 采集和预处 理 ， 以支持异构制造资源的虚拟 化 描述与封 装 ， 进 而 实现虚拟制造资源间的物联及 制 造资 源 在 云 制 造 服 务 平 台 上 的 集 成 管 控 和 分 散 服务 。 （ ） 信息开放 性 可 突 破 传 统 对生产制造信息 的 闭 塞 保 护 ， 将企业车间内部制 造 资源信 息 （ 机床 装 备 运 行 状 态 、 当 前 负 荷 状 态 、 能 耗 监测信息 等 ） 、 生产 任 务 信 息 （ 进 度 信

22、息 、 质 量 信 息 、 计算机集成制造 系 统 第 卷 物流信息 等 ） 和 订 单 相关信息等共 享于云制造公共 服务平台 ， 以便云用户实时了解该企业的生产情 况 ， 提供优质透 明 、 可视化的制造服 务 。 （ ） 服务多元 性 结合现代服务理 念 ， 对企业 生 产过程进行服务 化 管 理 ， 可将企业闲置制造资源 接 入云制造服务平 台 ， 并提供机床 装 备网络化协同加 工 、 生产运行状态远程实时监 控 、 生产过程质量实时 分析预警等生 产 过 程 云 服 务 ， 支 持 企业从单纯的 产 品制造向多元的服务制造方向发展 。 （ ） 知识聚集 性 在支持企业制造资源服务

23、化 、 为需求企业提 供 相 关 云 服 务 的 同 时 ， 能 积 累 来 自 网 络的各类制造知识与经 验 ， 包括生产工艺知 识 、 产 品 质量优化方 案 、 机床装备维修经验 等 。 体系架 构 的体 系 架 构 主 要 由 基 础 支 撑 层 、 物 理资源层 、 资源感知 层 、 虚拟化层 、 服务组件 层 、 服 务 模 型层 、 业务流 程层和用户层等构 成 ， 如 图 所 示 。 其 中基 础 支 撑 层 和 用 户 层 分 别 为 提 供 网络运行支撑 环 境 和 用 户 交 互 接 口 ， 是 通 用 的 系 统 层次结构 ， 在此不做详 述 。 （ ） 物理资源 层

24、该层由企业车间生产过程 中 的各类制造资 源 组 成 ， 包 括 ： 机 床 装 备 、 工 模 量 具 等制造硬资 源 ； 车间管理系 统 、 仓储管理系统等制 造软资源 ； 制 造 工 艺 知 识 、 数 控 程 序 代 码 、 零 部 件 标准库等制造能力资源 。 （ ） 资源感知 层 通过 各 类 传 感 器 、 、 智 能 终端 、 软件集成 接 口和文件传输接口实现对制造 硬 资源 、 软 资 源 及 能 力 资 源 的 信 息 感 知 、 采 集 和 预 处 理等 。 （ ） 虚拟化 层 根据资源感知层采集的资源 信 息 ， 利用该层的 虚 拟 化 工 具 （ 虚 拟 描 述 工

25、 具 、 虚 拟 镜 像工具 、 虚拟部署工具 等 ） 对各类制造资源进行标 准 化信息建模和管理 ， 并形成相应的虚拟资源 池 。 （ ） 服务组件 层 对 车间生产制造过程中的 原 子业务进行定义 和 服 务 化 封 装 ， 以实现虚拟资源 与 相 应 服务 的 映 射 ， 支撑服务模型层的 运 行 。 该层由各种 粗细粒度不同的服务组件构 成 ， 包 括生产服务类组件 、 质量管理类组 件 、 系统管理类 组 件和云端管理类组件等 。 （ ） 服务模 型 层 支 持 原 子 服 务 和 复合服务的构 建 ， 实现对企业车间生产制造过程 中 的制造服务模型及与云制造服务平台对接的生产过 程

26、云服务模 型 。 （ ） 业务流程 层 在服务模型层的支撑 下 ， 根 据 用户实际的生产 过程云服务需求 ， 编排和管理相 应 的业务流 程 ， 支持车间生产过程云服务的优化运 行 。 第 期 李 孝 斌 等 ： 面向生产过程云服务的制造执行系 统 的运行模 式 的 运 行 模 式 有 生 产 过 程 管 理 主 线 和 生 产过程云服务 主 线 两 条 主 线 ， 如 图 所 示 。 生 产 过 程 管 理 主 线 是 传 统 的运行功能主 线 （ 如 图 中 的 运 行 主 线 一 ， 限 于 篇 幅 ， 不 作 详 述 ） ， 主 要 对 车 间 生 产 计 划 、 车 间 作 业 、

27、 制 造 设 备 、 生 产 工 艺 、 在 制 品和生产质量等生 产 制 造 信 息 进 行 实 时 采 集 、 管 理 与 统 计 分 析 ， 以 优 化 和 提 升 企 业 整 个 车 间 生 产 制 造 过 程 。 与 传 统 的 运 行 模 式 不 同 ， 在 对 车 间 生 产 制造过程进行管控 的 同 时 ， 可 根 据 企 业 的 实 际 服 务 需 求 ， 利 用 系 统 中 配 置 的 云 端 管 理 组 件 ， 将采集和管理 的 生 产 制 造 信 息 共 享 至 云 制 造 服 务 平 台 ， 以 支 撑 企 业 实 时 发 布 或 更 新 相 关 的 云 服 务 和 云 需 求 。 生 产 过 程 云