云制造系統中制造信息監控的框架設計

劉開，徐宣國

（江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇鎮江212003）

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云制造系統中制造信息監控的框架設計

劉開，徐宣國

（江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇鎮江212003）

摘要：制造云服務組合過程中存在諸多不確定的異常因素，它們會影響云服務的動態組合和執行。針對不確定異常因素中制造信息的變動，在對制造信息進行分類的基礎上，有針對性提出云制造系統中制造信息異常監控的若干框架設計，為云制造應用中各參與方進行制造信息的異常監控提供思路，同時為相關企業構建和應用云制造提供決策理論和工具。

關鍵詞：云制造；制造信息；監控；框架設計

針對當前制造業信息化、網絡化發展存在的問題，李伯虎院士在已有先進制造模式和技術的基礎上，提出了一種面向服務和基于知識的網絡化制造新模式-云制造［1］。云制造概念一經提出，在學術界和產業界產生了廣泛影響，各級政府和企事業單位相繼支持開展研究。但在云制造系統的現實應用中，任務請求方的任務需求往往需由多個制造云服務組合在一起才能順利完成［2］，且在服務組合的過程中存在諸多不確定的異常因素，它們會影響云服務的動態組合和執行，從而導致無法高效、高質量地執行云服務組合并完成用戶需求。

為了應對這些異常情況的發生，避免和修復由于異常情況對組合服務運行時功能或非功能效果的影響，需要能對這些異常狀況進行監控。本文針對不確定因素中制造信息的異常變動，在對制造信息進行分類的基礎上，有針對性提出制造信息異常監控的若干框架設計，以期為云制造應用中各參與方進行制造信息的異常監控提供思路。

1　云制造理念及企業智能化的趨勢

在云制造模式下，制造資源提供者可將自身富余的制造資源進行虛擬化和封裝化處理，以云服務的形式發布到制造云池中，并由云制造服務平臺運營方對其進行集中的優化管理，制造任務請求方只需通過云端就能按需獲取制造服務［3］，如圖1所示。

圖1　云制造模式圖

企業智能化是實現云制造廣泛運用的基礎。在傳感、通訊、網絡化、自動化以及人工智能等技術的支撐下，制造業企業正變得越來越智能化，其最終目標在于實現制造全生命周期過程的智能化，同時為云制造的深入推廣和應用打下基礎。在智能化企業中，人員、物料、機床、工具或檢測設備等不僅是企業的實物制造資源，它們更是企業運作網絡的各個節點［4］。不僅人與人之間應保持互聯互通，物與物、應用程序與應用程序等也應該實現互聯互通。本文構建下圖所示的智能化企業運營框架。

圖2　智能企業運營框架圖

2　制造信息的分類

為了向云制造各參與方提供實時參考和決策信息，需要能對相關不確定的制造資源異常狀況進行監控，即對云制造系統中的制造信息進行監控。互聯網及云計算等技術已經解決了眾多軟性制造資源（如產品開發軟件、制造工藝知識以及知識產權等）的接入與實時監控問題。為了促進企業全面智能以及云制造在社會上更廣泛的推廣和應用，需著重解決云制造系統下硬性制造資源變動狀況的監控問題。

制造資源是云制造系統的基本構成要素，是云制造環境下制造云服務的實物體現。云制造環境下的制造資源信息形式各異、種類繁多且復雜，其給制造信息的有效監控和管理帶來了難度。為便于在認清其本質的基礎上對制造信息進行有針對性實時監控，需首先對相關制造信息進行合理的規則分類。在文獻閱讀、調研分析、借鑒專家經驗等的基礎上，本文對制造信息作如下分類：

圖3　制造信息分類圖

3　制造信息異常監控的框架設計

3.1資源基本屬性信息的監控

為了對云制造環境下制造資源的基本屬性信息進行實時有效監控獲取，需通過構建模型框架進行實現。本文借鑒學習劉波等［5］在自適應制造資源動態服務組合與優化框框研究中提到的感知模型方案，同時結合云制造環境下制造資源不確定性、不穩定性等特點，提出下圖所示的制造資源基本屬性信息實時監控獲取的模型框架。

CPS技術的應用是實現資源基本屬性信息監控的關鍵。CPS技術旨在實現信息世界和物理世界的高度融合，云制造系統中的智能企業可通過對CPS技術的廣泛應用以實現對物理世界中資源基本屬性信息的感知、監測和控制［6］。該監控模式下的企業需具有一定的智能，企業內部基于現代物聯技術層層實現互聯互通，且每一層級、每一粒度、每一環節的運作都在各智能應用軟件的支持下運作，嵌入式的智能軟件能實時獲取其所對應層次、粒度、環節的制造資源基本屬性信息，并按路徑進行及時傳輸，為云制造平臺及其他相關主體提供實時參考和決策信息，示意圖如圖4所示。

圖4　資源基本屬性信息監控示意圖

3.2資源增減變動信息的監控

張映鋒等學者［7］在其研究中提到，物聯網技術可幫助企業對制造信息進行實時感知、獲取，并指出可通過對相關智能設備（如傳感器、RFID、移動APP等）的合理運用以實現對相關制造信息的采集。企業智能化是實現云制造運用的基礎。本文在前人研究基礎上，擬提出云制造環境下制造資源增減變動的監控框架。

假設無線射頻識別技術已被廣泛運用于云制造環境下的智能企業之中。智能企業包括幾個主要的制造車間，各車間分別擁有完成各自制造任務的能力，且各車間按操作順序被劃割為了幾個板塊，每一粒度板塊中的制造資源均貼有識別標簽，RFID讀寫器被安裝在各環節的主要關鍵位置，當制造資源發生進或出時，相關信息能被自動采集，并通過網絡傳輸至車間的信息接收控制中心。本文構建下圖所示的制造資源增減變動信息監控框架，示意圖如圖5所示。

3.3裝備資源狀況信息的監控

為裝備資源是云制造硬性制造資源的重要組合部分，是云制造應用中制造能力的顯著體現。云制造環境下的裝備資源種類多樣，規模較大，需檢查、監控的信息是海量的。李瑞芳等［8］在相關研究中指出，制造裝備資源的狀態感知、獲取、監控，可通過在制造裝備上安置各類傳感器來實現，而且提出最新的光纖光柵傳感技術為裝備資源狀況信息的高效監控提供了可能。本文在借鑒前人研究基礎上，擬提出云制造環境下裝備資源狀況信息監控框架。

圖5　資源增減變動信息監控示意圖

為提高服務組合的成功率，需要能夠實時檢測、監控到云制造系統中裝備資源的實時使用狀況信息。假設云制造系統中相關企業對各自所擁有的裝備資源均安裝了光纖光柵傳感器，且每個企業均已達到一定的信息化和網絡化程度。各制造任務參與企業能夠對相關傳感節點進行部署和組網，同時能對監測獲取的裝備資源狀況信息進行有效分析處理。本文構建下圖所示的裝備資源狀況信息監控示意圖，包括狀況獲取、信息處理、信息融合和面向云制造應用的接入4個部分。

圖6　裝備資源狀況信息的監控示意圖

3.4資源地理轉移信息的監控

云制造環境下制造資源經常會發生地理位置的轉移，這給制造資源的定位、監控帶來了挑戰。為了推動制造資源管理的透明化以及云制造應用的更深入推廣，需要能夠實時掌控云制造系統中各制造資源的地理位置變動信息。多種最新定位技術的發展，使制造領域制造資源的位置跟蹤、監控成為了可能。本文擬在考慮云制造環境下各類制造資源特點及地理轉移信息監控需求的基礎上，綜合考慮多種最新定位技術的運用［9］以解決對制造資源地理位置信息的監控問題。

通過將GPS芯片集成到各制造資源之中以實現對操作工、運輸車輛、原料等制造資源的定位跟蹤，采用A-GPS、差分GPS等最新技術后的全球定位系統可在更高精度水平上實現監控目標；可將監控范圍內部署的微傳感器進行組網以形成無線傳感網絡來對相關制造資源的地理轉移情況進行監控，改進后的WSN技術甚至還可用于制造資源的運行狀態監控；蜂窩定位技術、射頻識別定位技術、超寬帶定位技術及WIFI定位技術等也可用于云制造環境下的制造資源地理轉移信息監控，框架示意圖如圖7所示。

圖7　資源地理轉移信息的監控示意圖

4　結束語

本文在對云制造理念及企業智能化趨勢進行闡述分析的基礎上，指出企業智能化是實現云制造廣泛運用的基礎，與此同時構建了云制造系統中智能企業的運營框架圖。在對云制造系統中制造資源及制造信息進行分析和歸類的基礎上，有針對性地提出云制造系統中制造信息異常監控的若干框架設計，為云制造應用中各參與方進行制造信息的異常監控提供思路。接下來工作的重點將放在各主要監控環節的實際操作上，以期為相關企業構建和應用云制造提供決策理論和工具。

參考文獻：

［1］李伯虎，張霖，王時龍，等.云制造—面向服務的網絡化制造新模式［J］.計算機集成制造系統，2010，10（1）：1-7，16.

［2］陶飛，張霖，郭華，等.云制造特征及云服務組合關鍵問題研究［J］.計算機集成制造系統，2011，17（3）：477-486.

［3］李伯虎，張霖，任磊.再論云制造［J］.計算機集成制造系統，2011，17（3）：449-458.

［4］張曙.工業4.0和智能制造［J］.機械設計與制造工程，2014，43 （8）：1-5.

［5］劉波，劉衛寧，孫棣華，等.自適應制造資源動態服務組合與優化框架［J］.中國機械工程，2012，23（10）：1187-1193.

［6］任磊，張霖，張雅彬等.云制造資源虛擬化研究［J］.計算機集成制造系統，2011，17（3）：511-518.

［7］張映鋒，趙曦濱，孫樹棟，等.一種基于物聯技術的制造執行系統實現方法與關鍵技術［J］.計算機集成制造系統，2012，18 （12）：2634-2642.

［8］李瑞芳，劉泉，徐文君.云制造裝備資源感知與接入適配技術［J］.計算機集成制造系統，2012，18（7）：1547-1553.

［9］黃剛，鐘小勇，龍淵銘，等.基于數據云與應用云分離模式的制造資源云定位服務平臺［J］.計算機集成制造系統，2011，17 （3）：519-524.

Deslgn on the monltorlng frames of manufacturlng lnformatlon ln the system of cloud manufacturlng

LIU Kaj，XU Xuan-guo
（School of Economics and Management，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Abstract:The uncertajn and abnorma1 factors jn the process of manufacturjng c1oud servjce composjtjon wj11 jnf1uence the composjtjon and executjon of c1oud servjce. For the abnorma1 changes of manufacturjng jnformatjon from djfferent categorjes among uncertajn factors，the author accordjng1y proposed certajn number of monjtorjng frame. Thjs wj11 provjde jdeas for partjcjpants of c1oud manufacturjng to monjtor manufacturjng jnformatjon jn the system of c1oud manufacturjng，and wj11 further provjde decjsjon theorjes and too1s to re1ated enterprjses jn the fje1d of constructjng and utj1jzjng manufacturjng c1oud servjce.

Key words:c1oud manufacturjng；manufacturjng jnformatjon；monjtorjng；frame desjgn

中圖分類號：TN081

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0104-03

收稿日期：2015-07-09稿件編號：201507076

基金項目：國家自然科學基金項目（71371088）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目（KYZZ15-0297）

作者簡介：劉開（1990—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：信息監控、異常信息處理。