機床行業可靠性服務平臺設計與研究*

王 毅 李 麗 朱 清 冉 琰 慕宗燚 鐘德明 張根保

(①重慶大學機械工程學院，重慶 400044；②北京機床研究所 北京 100102；③四川華都核設備制造有限公司，四川 都江堰 611830)

文獻[1]指出,市場數據分析表明，國產機床長期依賴的價格優勢在國外高精度和高可靠性機床的沖擊下逐漸消失殆盡，進口機床的可靠性優勢越來越大。通過04專項的實施和國家支持下的大力技術攻關，國產數控機床的可靠性衡量關鍵指標MTBF從200 h大幅提升到1 000 h，可是可靠性與進口機床的差距仍然巨大，沒有開展可靠性工程的企業產品的平均可靠性水平甚至還不到500 h，而進口機床的平均水平可以達到3 000 h。由于機床制造企業對機床可靠性的研究尚未全面深入開展，導致其缺少技術的積累，缺乏可靠性工作開展必要的數據和方法，對于出現故障的數控機床，不能依托于歷史數據和可信的技術進行及時的處理，對機床的使用效率影響極大。可靠性數據和通用技術的缺失成為制約國產數控機床可靠性提高的瓶頸，為此采用網絡技術整合各方資源成為一種提高機床可靠性應用水平的有效途徑。文獻[2-3]將數控機床可靠性與信息技術結合，研究了可靠性信息管理系統；文獻[4]提出了基于J2EE規范的面向服務過程集成的遠程服務平臺；文獻[5]提出了在J2EE平臺上應用MVC模式開發機床網絡化服務系統的方法；文獻[6]基于現代計算機技術的發展，提出了可靠性網絡信息平臺的具體搭建規劃；文獻[7]系統研究了基于云服務平臺的機床再制造技術。本文根據我國互聯網和可靠性技術的發展現狀，結合國內幾千家機床制造企業對可靠性技術的實際需要，提出了機床行業可靠性服務平臺的建設內容，目的是盡快全面提升國產機床的整體可靠性水平。

1 機床行業可靠性服務平臺的需求分析

目前已有一些關于可靠性方面的專業性網站[8]，這些網站一般都是從事可靠性應用軟件開發和銷售的公司所建立的，以營銷自己的可靠性分析軟件為出發點，進行產品介紹和提供產品問題解決方案，網站也涵蓋可靠性技術培訓和相關技術文章。電子產品可靠性網站和數控機床可靠性網站等是此類網站的代表。這些網站的共性問題是只針對所銷售產品的簡單介紹，缺乏針對可靠性共性關鍵技術的系統介紹和針對特定問題的技術服務，也達不到服務整個機床行業(企業數量多達5 000家)的目的。本文所要建立的機床行業服務平臺針對整個機床行業可靠性應用而建設，為機床制造廠家、機床分銷供應商、機床用戶、科研機構和對行業主管部門提供專業化的可靠性技術服務。

通過充分的市場調研，確定了機床行業對于可靠性技術的需求，包括：可靠性基礎數據管理(如數據采集、數據分析、數據庫建立等)、可靠性工程關鍵技術(如可靠性設計、可靠性試驗、制造可靠性保障、可靠性管理等)和軟科學需求(如技術培訓、技術咨詢服務等)。還需要引入改進的質量功能配置(QFD) 方法，從分析機床制造企業、機床用戶和供應商的需求和期待入手，以保證機床可靠性為目的，采用HOQ(質量屋)將相關用戶的需求轉換為各項具體的服務功能。可靠性服務平臺的搭建目的在于為相關用戶提供技術支持，限于開發技術和硬件，無法滿足用戶每一個方面的要求。因此必須對服務功能進行評價甄別，選取與平臺服務功能相和度高和關鍵的服務功能模塊納入平臺的搭建中，力爭用有限的軟硬件資源為用戶提供最好的服務效果。

機床行業可靠性服務平臺結合現代信息技術和機床可靠性研究技術與數據，整合各方優勢，為機床企業相關人員可靠性研究和學習提供有效的工具。

2 機床行業可靠性服務平臺的功能描述

基于對機床行業可靠性服務平臺的需求分析，本文將平臺的功能劃分為平臺管理模塊、功能服務模塊和知識庫模塊三大類。平臺管理模塊包括用戶管理、信息發布管理、數據查詢與下載管理、數據備份與安全管理和遠程數據接口及通信；功能服務模塊包括機床行業新聞動態、可靠性論壇、可靠性課題成果共享、可靠性指標計算、可靠性在線分析和遠程故障診斷；知識庫模塊包括經典可靠性書籍與期刊、可靠性研究論文、可靠性行業標準規范、可靠性知識在線學習、可靠性研究機構及專家介紹、可靠性典型案列。機床行業可靠性服務平臺的功能結構圖如圖1所示。

2.1 服務平臺管理模塊

平臺管理模塊用于對服務平臺的用戶、數據等進行管理，維護平臺的正常運行，確保平臺的安全，是平臺的技術支持部分。

2.1.1 用戶管理

用戶管理功能用于對用戶賬號信息進行管理，主要包括用戶注冊、登錄、用戶權限賦予、權限修改、用戶信息查詢、信息修改等操作。用戶注冊之后將用戶信息存儲在數據庫中，以實現用戶信息的快速查詢和便捷修改，用戶權限由平臺授予，當用戶權限改變時，對表示權限的字段進行修改，以實現用戶權限的更改。平臺的用戶類型主要為游客、注冊用戶(機床廠家、研究人員等)和系統管理員。用戶登錄通過權限判斷，游客只能瀏覽平臺展示內容；注冊用戶除了可以完成游客的操作外，還可以下載相關資料、進入文件上傳管理模塊進行上傳、修改和刪除等操作；系統管理員具有最高權限，包括審核注冊用戶信息、發布信息等。

2.1.2 信息發布管理

信息發布管理用于對平臺的各具體功能模塊進行信息管理與數據更新。將各功能模塊數據存放在數據庫中，定期對數據進行更新，存入最新的課題成果和文獻資料等。機床行業動態需要每天進行維護，更新機床行業的最新動態，對平臺首頁顯示的信息進行推送。

2.1.3 數據查詢與下載管理

數據查詢與下載管理功能用于向用戶提供可靠性數據的快速查詢服務和下載服務。可靠性數據都是存放在系統的數據庫中，查詢時用戶運用查詢功能，快速在數據庫中查詢與搜索關鍵詞相關的可靠性數據，能夠提供給有權限的用戶下載的數據，在搜索頁面中顯示出下載url鏈接，供用戶下載。

2.1.4 數據備份與安全管理

數據備份與安全管理模塊提供可靠性數據的備份與安全管理，以及整個平臺運行的安全管理措施，確保數據和平臺的安全可靠。平臺擬從備份硬件、備份軟件、備份制度和災難恢復計劃四個方面入手對數據進行備份，從技術手段和制定管理辦法兩方面確保系統的安全性。

2.1.5 遠程數據接口及通信

遠程數據接口及通信用提供一種注冊用戶與后臺進行數據交換的約定，包括格式、內容、傳送時間和技術支持環境等，在進行遠程故障診斷、可靠性在線分析等工作時為平臺提供技術支持。

2.2 服務平臺的功能服務模塊

服務平臺的功能服務模塊給用戶提供相互交流和實時跟蹤機床可靠性研究前沿動態的功能，同時提供給用戶專業的可靠性技術指導。

2.2.1 機床行業新聞動態

機床行業動態信息發布用于對機床行業現狀、國家政策、行業最新資訊等新聞動態進行發布，利于企業和游客獲取。由后臺人員收集機床行業前沿發展和國家政策發布等，篩選出有價值的內容，實時對新聞板塊進行更新。

2.2.2 可靠性論壇

可靠性技術論壇用于向用戶提供機床可靠性問題的討論空間，便于用戶對個人感興趣的可靠性問題進行討論。論壇參考主流論壇的搭建方式進行搭建，論壇需要進行模塊劃分，將論壇劃分為可靠性設計、制造可靠性、可靠性試驗、可靠性管理體系、可靠性使用等模塊，用戶必須注冊才能發言。

2.2.3 可靠性課題成果共享

可靠性課題成果共享用于向用戶提供可靠性相關重大課題進行期間形成的可靠性標準規范、數據和論文專利的查閱和下載。后臺人員搜集可靠性課題的各種資料，進一步將課題進行期間形成的相關可靠性標準規范、數據和論文專利存入數據庫中，供用戶查閱，允許被有權限用戶下載的內容在其查閱界面提供url下載鏈接，便于用戶下載。本部分應盡可能搜集數據和資料，豐富平臺的數據庫，形成進行科研和可靠性分析的數據支撐。

2.2.4 可靠性指標計算

本部分用于向用戶提供基本的可靠性計算功能，便于用戶在不完全掌握可靠性計算方法的情況下，也可進行可靠性指標的計算，計算的指標涵蓋MTBF、MTTR等常用可靠性分析指標。由用戶根據不同計算指標的系統提示進行數據收集，將收集到的數據填入表格中，該功能模塊會自動計算出相應的可靠性結果。如MTBF的計算流程如圖2。

2.2.5 可靠性在線分析

可靠性在線分析是在整合服務平臺資源、數據優勢的基礎上由專業人員提供的針對用戶提出的問題進行可靠性分析和提供解決方案的一種功能，分析的內容包含FTA分析、FMECA分析和QFD分析等。用戶須在可靠性在線分析模塊輸入待解決的可靠性問題，系統根據輸入內容進行模糊匹配，提供給用戶相似案列的分析方案并進一步推送用戶該領域的專家，用戶可根據自身需要聯系專家進行線上交流。

2.2.6 遠程故障診斷

用于向用戶提供數控機床的遠程故障診斷服務，便于在用戶機床發生故障時進行一定程度的故障診斷。用戶根據故障診斷系統的使用提示，輸入機床的故障現象、故障部位等基本信息，由智能匹配引擎從故障數據庫中進行識別和提取，綜合判斷機床的運行狀態，確定故障的可能原因。遠程故障診斷的準確率依賴于數據庫的數據量，因此前期應該盡可能搜集大量的故障數據存入數據庫中。

2.3 服務平臺知識庫模塊

知識庫模塊包括經典可靠性書籍與期刊、可靠性研究論文、可靠性行業標準、可靠性知識在線學習、可靠性研究機構及專家介紹和可靠性典型案列。該模塊主要用于向用戶提供機床可靠性知識的介紹，便于用戶對機床各方面的可靠性基礎知識進行了解與學習。該模塊各子功能實現的方式類似，由后臺管理人員定期收錄相關機床可靠性知識(文獻、視頻等)進入數據庫，用戶根據自己的權限可以對內容進行瀏覽、下載等。

3 機床行業可靠性服務平臺的架構

3.1 服務平臺的軟件總體結構

可靠性服務平臺采用當今主流IT技術中的基于J2EE的B/S多層技術架構，使用瀏覽器實現界面顯示與后臺數據通信。J2EE體系結構提供中間層集成框架用來滿足無需太多費用而又需要高可用性、高可靠性以及可擴展性的應用需求。通過提供統一的開發平臺，J2EE 降低了開發多層應用的費用和復雜性，同時提供對現有應用程序集成強有力的支持，完全支持 Enterprise Java Beans，有良好的向導支持打包和部署應用，添加目錄支持，增強了安全機制，提高了性能。

本平臺采用J2EE的典型的4層結構進行設計，采用Struts2來實現MVC (model-view-control) 模式，按照Model、View、Control的方式將應用的輸入、處理和輸出進行邏輯分離和封裝，減弱了表示層與業務邏輯層之間的耦合，增強了系統的健壯性和可移植性[5]。總體架構如圖3所示，自上而下依次為：

(1)客戶層：為保證客戶端的兼容性和安全性，采用標準的HTTP/HTTPS 協議的Web瀏覽器作為客戶層。

(2)表示層(Web層)：產生表示邏輯、接受客戶端的反饋，并對客戶端的請求產生相應的回應。該層主要由 Struts2框架提供的 View(視圖)、Control(控制器)組成。View利用 Struts2標簽庫來快速構建HTML表單，并通過Action Form Bean建立View與Model之間的聯系；Control作為中央控制器，用Action-Servlet類和Action類來實現系統調用模型的方法、更新模型的狀態、控制應用程序的流程的功能，把請求與業務邏輯分開來。

(3)業務邏輯層 (EJB層)：處理應用的核心業務邏輯，并為底層業務服務組件提供必要的接口。該層主要是Struts2的Model(模型 )。系統的業務邏輯由Model中的Java Bean和EJB組件來實現。Java Bean用來實現各種基本信息操作(如添加、刪除、查詢等)，EJB用來實現復雜業務邏輯的操作。

(4)信息層：表示機床行業的信息資源，為業務邏輯提供數據服務與支持。

3.2 服務平臺的拓撲結構

我們研究拓撲結構的出發點，既要考慮到目前企業和科研機構以及國家基礎通信設施的基本狀況，更要兼顧到企業未來的發展和機床可靠性研究的實際需要、計算機網絡技術的發展趨勢等因素。為此，在綜合分析各基本拓撲結構特點的基礎上，提出了具有三層結構的星型拓撲結構。機床行業可靠性服務平臺通過重慶大學校園網連接到互聯網上，各生產廠家、機床用戶和個體愛好者都連接到互聯網上。相互之間借助互聯網這個通信平臺能夠共享可靠性信息。采用星型拓撲結構的優點在于其中一個站點出現故障時不至于影響到其他站點，從而保證了整個系統的可靠性[6]，可靠性服務平臺拓撲結構如圖4。

4 服務平臺典型技術研究

服務平臺的運行依賴于各子功能的順利實現，用戶權限管理和數據庫設計都是服務平臺的重要支持技術，下文作簡要的介紹。

4.1 平臺用戶權限管理框架設計

基于角色的訪問控制(RBAC，role based access control)廣泛應用在各種計算機系統中。由于角色和權限之間的變化比角色和用戶關系之間的變化相對要慢得多，減小了授權管理的復雜性，降低管理開銷，而且靈活地支持平臺的安全策略，并對平臺變化有很大的伸縮性[9]。RBAC的基本思想就是：管理員授予給用戶的訪問權限，通常由用戶在一個組織中擔當的角色來確定，RBAC中權限被授予給角色，角色被授權給用戶，用戶不直接與權限關聯。RBAC 對訪問權限的授予由管理員統一管理，而系統將根據用戶在組織內所擁有的角色來做出訪問控制，授權規定是強加給用戶的，用戶不能自主地將訪問權限傳遞給他人，這是一種非自主型集中式訪問控制方式[10]。

平臺用戶權限管理框架總體架構按功能劃分為全局配置文件及工具類、登錄處理及頁面設計、用戶操作設計、角色操作設計、權限操作設計五大部分，每一部分中包含 MVC 思想層次劃分的各種類[10]。

(1)全局配置及詳細設計：Java Web項目最重要的web.xml文件和配置Struts 2實 現 的Struts.xml文件。

(2)登錄處理及頁面設計：主要包括登錄頁面，使用JSP語言實現基本功能，后臺由 Struts2負責完成將用戶名、密碼等信息傳遞給業務邏輯層，由Login Action類實現用戶登錄以及鑒權等功能。

(3)用戶操作設計：主要包括用戶控制界面實現增加用戶、刪除用戶、修改用戶、查詢用戶，使用JSP語言實現基本功能，用戶實體User Bean，用戶實體對應數據庫表項的映射配置文件User Bean.hbm.xml，用來控制調用何種數據接口類中的方法的User Action類，以及和數據庫進行交互的User Dao類。

(4)角色操作設計：主要包括角色控制界面實現增加角色、刪除角色、修改角色、查詢角色，使用JSP語言實現基本功能，角色實體Role Bean，角色實體對應數據庫表項的映射配置文件Role Bean.hbm.xml，用來控制調用何種數據接口類中的方法的Role Action類，以及和數據庫進行交互的Role Dao類。

(5)權限操作設計：主要包括權限實體Authority Bean，權限實體對應數 據 庫 表 項 的 映 射 配 置 文 件Authority Bean. hbm.xml，以及和數據庫進行交互的Authority Dao類。

4.2 服務平臺數據庫設計

數據庫的設計在服務平臺的搭建中有著極其重要的地位，其設計的優劣關乎平臺運行的效率。平臺數據庫的需求體現在各種信息的錄入、保存、修改、更新、刪除和查詢上，這就要求數據庫結構能充分滿足各種信息的輸出和輸入。現以可靠性文獻數據庫設計為例對服務平臺數據庫設計進行說明。

可靠性文獻包括的數據項有文獻標題、文獻內容、發布時間、發布者、文獻簡介、文獻類型等。在得知數據結構的情況下，可進一步繪制E-R圖(實體聯系圖)如圖5。

在上面設計的可靠性數據庫的E-R圖的基礎上，將數據庫的概念結構轉化為數據庫系統所支持的數據庫的邏輯結構，可形成可靠性數據庫中的表格。

表1 數據庫可靠性文獻表

根據設計的數據庫邏輯結構，后臺人員可以進一步進行可靠性數據和通用知識等的添加、保存、更新、刪除和備份等管理工作。

5 結語

國產機床可靠性的整體提高有賴于整合各方的研究資源和可靠性數據的積累，機床行業可靠性服務平臺的搭建為實現這一目標提供了有力的平臺。本文從機床廠家、零部件供應商、機床用戶及行業管理部門各方對機床可靠性服務平臺的需求入手，設計了平臺的功能及架構，并對典型技術進行了分析，設計的平臺能夠供各方學習交流。平臺發揮作用的大小受以下兩個關鍵因素的影響：一是可靠性數據的收集，只有具備了足夠大的數據量才能切實準確分析可靠性問題，為用戶提供幫助；二是平臺的宣傳力度，平臺的運行是一個循序漸進的過程，只有廣泛聽取各方意見才能持續改進。

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