基于云制造的电加工工艺智能云平台

袁春梅，杨晓冬，陈　涛

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）



基于云制造的电加工工艺智能云平台

袁春梅，杨晓冬，陈涛

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

摘要：面对全球正在孕育兴起的新一轮工业革命及“中国制造2025”的实行，分析了我国电加工行业存在的问题和需求，并将云制造思想应用到电加工领域，提出了电加工的云制造模式。在此基础上，研究了基于云制造的电加工云平台的体系构架、运行原理、电加工知识表示方法及云平台的网络实现方式。

关键词：电加工；云制造；云平台；知识表示

当前，全球正处于以信息技术为核心的新一轮科技革命和产业变革中，互联网与工业融合成为制造业革命的突出特征。2012年2月，美国提出了“先进制造业国家战略计划”，其重心可概括为“工业互联网”，利用网络技术推动制造业的发展。德国于2013年4月推出了“工业4.0”发展战略，旨在掀起一场基于虚拟网络-实体物理系统（cyber physical systems，CPS）的革命，它对制造业的发展构想是企业建立全球网络，将各种制造资源进行整合，融入到CPS中，实现各种资源信息的自由交换、触发调动，从根本上改变传统的制造过程，实现制造智能化［1］。

我国先进制造技术的发展存在着“信息化”过量、“工业化”不足的弊端，在当前全球背景下，我国也顺应时代要求，努力转变制造业发展模式，提出了“中国制造2025”发展战略。在继续大力发展先进工业技术的同时，紧盯新的信息产业发展动向，实现二者共同进步，推进二者的深度融合［2］。

作为先进制造技术的重要组成部分，电加工方法已成为模具制造业的主要加工方法，推动了模具行业的技术进步。但在如今的制造业背景下，电加工行业也必须充分融入“中国制造2025”，致力于实现产业升级和发展，否则就会被淘汰［3］。目前我国电加工技术发展非常迅速、企业众多，却处于一种多而不强的尴尬境遇，而造成这种局面的原因在于电加工企业大多面临着以下难题：

（1）电加工主要应用于模具制造领域，而我国的模具制造企业多以中小企业为主，存在着机床设备资源低端且类型单一、资金短缺的问题，企业难以满足模具加工精度要求不断提高的需求。

（2）电加工过程复杂，大多数中小企业的电加工工艺数据库贫乏，使用户在生产过程中需不断地摸索和试验，加大了加工成本。

（3）电加工工艺知识复杂，设计人才匮乏，缺乏专门的工艺设计及优化团队，导致企业加工工艺落后、产品合格率低及原材料浪费。

（4）电加工企业与科研院所间缺少相互交流合作的平台，不能实现电加工信息及资源的互通有无和优势互补，造成了资源浪费。

（5）电加工企业之间、企业和消费者之间没有信息交互平台，导致不能很好地满足市场需求。存在有些企业有富余的电加工机床、闲置的加工能力，却没有加工订单，而消费者有产品加工需求，却没有找到合适生产厂家的情况。

针对上述问题，有必要搭建一个服务平台，快速对社会上的电加工资源进行整合，在人才、技术和制造等方面实现优势互补。“工业4.0”所提倡的智能化制造及吸引中小企业的思想对解决我国电加工企业的难题具有很大的借鉴意义。而“工业4.0”的核心思想与云制造技术不谋而合，云制造是基于“制造即服务”的理念、在云计算思想的基础上发展起来的，是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式［4］。云制造模式的提出为解决电加工行业目前所面临的上述问题提供了一种可行的思路［5］。本文根据国内电加工企业存在的问题，结合云制造的思想，构建了电加工云平台体系结构，并做了相关研究与讨论，其目的是实现电加工企业及用户之间的信息化合作，促进电加工行业的发展。

1　电加工云平台的体系架构

云制造是在云计算的基础上实现的，其关键是构建一个公共的云制造服务平台，即云平台。本文基于云计算的服务模式，参照云制造的多层构架体系［6］，提出了电加工智能云平台的体系架构，其总体上包括3层：客户端、电加工云平台和电加工资源层（图1）。

图1　电加工云服务平台体系架构

（1）资源层又称基础设施层，作为整个云平台的基础，为云平台提供电加工资源。

（2）电加工云平台通过物联网、信息物理系统、计算机虚拟化等技术将电加工资源接入云平台，形成电加工虚拟资源层［7-8］，为用户提供电加工资源、电加工能力等服务。虚拟资源层实现对各类电加工资源的简化抽象和虚拟化处理，将实体资源转化为信息资源，再将这些资源进行封装发布，供用户使用。服务运行工具层由云平台运营方提供，主要包括资源的注册发布、搜索匹配、电加工服务的组合调度等模块，实现电加工资源提供用户和需求用户对资源和云服务的便捷使用；另外，由于电加工资源繁多且加工需求复杂多样，所以在服务运行工具层加入电加工需求分析模块，实现对需求用户提出的加工需求的具体分析，初步缩小资源需求的范围，提高资源搜索匹配的效率和准确率。电加工应用层是电加工云平台的核心服务层，基于智能技术提供各种电加工工艺决策［9-10］等云服务。接入云平台的电加工资源通过注册的形式在平台上进行发布，形成各类电加工云服务，实现用户对资源的智能搜索匹配和调用。电加工智能云平台在一般云平台模式的基础上还增加了反馈层，主要包括意见反馈、在线沟通及云服务反馈与评价3个部分。其中，意见反馈是针对资源需求用户和资源提供用户对云平台提出反馈意见的，云平台运营方在接收到这些意见后，对其中一些可取的地方进行改进，保证云平台能更好地满足用户的需求；在线沟通是为资源需求用户和资源提供用户提供另一种更直接的沟通方式，需求用户在输入加工需求后，通过在线搜索匹配找到相应的资源提供用户，进行在线直接沟通和线下直接交易；由于电加工云平台提供的一系列云服务是通过云平台系统的知识匹配等生成的，与实际的加工结果相比可能存在一定的差异，所以加入了云服务反馈与评价的模块，可在一定程度上提高理论与实际的结合，减少这种差异。管理层的主要功能为保障电加工资源服务的合理部署、电加工云平台参与用户的规范化操作以及电加工资源和用户信息的安全性。

（3）客户端为云服务平台的用户提供访问入口，包括各种电加工资源需求者、资源提供者及以云平台管理人员为主体的云平台运营方。

2　电加工云平台的运行原理

电加工云平台的运行原理见图2。电加工资源提供用户将拥有的电加工制造资源和制造能力通过虚拟化封装后，注册发布到电加工云平台资源池中，各种资源集成形成电加工云平台的资源库，电加工云平台在资源库的基础上提供一系列云服务。当电加工资源需求用户在电加工整个生命周期内具有某种电加工需求时，通过云平台的注册发布工具对电加工需求进行发布，并通过搜索工具在云平台资源库中匹配合适的电加工资源及电加工云服务，而匹配结果将会反馈给供需双方，实现对任务的在线或线下服务［11］。另外，资源需求用户在使用云平台提供的资源和云服务解决加工需求的过程中，可能产生新的工艺知识、加工资源及加工能力，需求用户可作为新的资源提供用户将相应的知识、资源和加工能力发布到电加工云平台中。

3　电加工知识表示与云平台的网络实现

研究电加工智能云平台的主要目的在于实现电加工领域相关知识的充分交流、促进行业的发展，所以知识是整个电加工智能云平台的基础和载体。那么，选择合适的知识表示方法、将知识转换为计算机能接受的数据结构，对于电加工智能云平台是至关重要的。现有的知识表示方法众多，同一知识有时可采取多种方法表示，但与之相应的表示效果可能截然不同。此外，电加工工艺知识等具有复杂性、模糊性和不确定性的特点，所以如何从众多知识表示方法中选择最合适的方法实现电加工知识的有效表示，使智能云平台能利用这些知识提供准确的云服务是亟待解决的。

图2　电加工云平台运行原理

目前较常用的知识表示方法主要有：谓词逻辑表示法、产生式表示法、语义网络知识表示法、框架表示法、面向对象知识表示法、本体表示法等［12］。相对于其他方法，面向对象法和本体表示法具有更广泛的表示范围、更完备且更具模块性和结构性的表示能力、计算效率更高等优点。而与本体表示法相比，面向对象知识表示法更易理解且更易实现，所以对于复杂多样的电加工知识，面向对象知识表示法更适用［13］。

而在众多的面向对象编程语言中，以Java语言与C++语言的使用最为广泛。与C++语言相比，Java语言简单易学，摒弃了C++语言中易混淆的概念。另外，Java语言具有与平台无关的优势，编写的程序不会因为操作系统等的变化而出现错误或无法运行，可实现“一次写成，处处运行”。

电加工智能云平台包含的知识内容广泛、功能模块丰富、结构层次复杂，主要包括门户界面的设计、数据库的设计与连接和逻辑控制等3个部分。Java语言的特点使其能很好地满足电加工智能云平台的编程需求。其中，JSP（Java Server Pages）用于门户界面的编写；Java Servlet用于控制逻辑的实现，具体功能是对客户端发送至云平台的请求生成响应，再通过云平台返回给客户端；JDBC（Java Data Base Connectivity）用于对云平台中各个数据库的编写和连接。

4　结束语

本文结合当前的制造业国际背景及电加工企业所面临的问题与需求，构建了基于云制造的电加工云平台的体系构架，对平台体系的各层次功能及平台的运行原理进行了分析。同时，结合电加工工艺知识的特点，对常见的知识表示方法进行了比较，确定了面向对象知识表示方法，并在此基础上确定了Java语言体系的网络实现方式。云制造与电加工相结合的应用模式必将为电加工领域开拓一个新的发展空间。

参考文献：

［1］张曙.工业4.0和智能制造［J］.机械设计与制造工程，2014（8）：1-5.

［2］陈渊源，吴勇毅.工业4.0：智能制造决胜未来［J］.上海信息化，2014（12）：13.

［3］叶军. 2014年电加工行业经营情况及对中国电加工2025的一些思考［J］.电加工与模具，2015（S1）：1-5.

［4］李伯虎，张霖，任磊，等.云制造典型特征、关键技术与应用［J］.计算机集成制造系统，2012，18（7）：1345-1356.

［5］陈涛.基于云制造的电火花加工云平台的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

［6］李春泉，尚玉玲，胡春杨.云制造的体系结构及其关键技术研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（7）：104-107.

［7］任磊，张霖，张雅彬，等.云制造资源虚拟化研究［J］.计算机集成制造系统，2011，17（3）：511-518.

［8］姚锡凡，金鸿，徐川，等.云制造资源的虚拟化与服务化［J］.华南理工大学学报：自然科学版，2013，41（3）：1-7.

［9］杨晓冬.敏捷制造环境下电火花加工工艺智能决策技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，1999.

［10］吕英贺.成形电火花加工智能工艺优化技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［11］王成建.云制造环境下资源服务匹配研究［D］.南昌：南昌大学，2014.

［12］年志刚，梁式，麻芳兰，等.知识表示方法研究与应用［J］.计算机应用研究，2007，24（5）：234-236.

［13］周伟祝，宦婧.新的面向对象知识表示方法［J］.计算机应用，2012，32（S2）：16-18.

Electromachining Cloud Platform Based on Cloud Manufacturing

Yuan Chunmei，Yang Xiaodong，Chen Tao
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Abstract：Facing the rise of a new worldwide industrial revolution and the implementation of the " China manufacturing 2025"，the exist problems and demand in China electromachining field are analyzed，then applying the thought of cloud manufacturing to electromachining field，and an electromachining model based on cloud manufacturing is proposed. On this basis，the system architecture，the operating principle，the method of representing EDM knowledge and the platform′s network implementation of EDM cloud platform based on cloud manufacturing are studied.

Key words：electromachining；cloud manufacturing；cloud platform；knowledge representation

中图分类号：TG661

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）02－0011-04

收稿日期：2016-02-01

基金项目：黑龙江省自然科学基金重点资助项目（ZD2015009）

第一作者简介：袁春梅，女，1993年生，硕士研究生。