云制造模式车辆试验服务平台构建方法

文贤鹤, 周晓军, 杨辰龙

(浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室, 浙江 杭州 310027)



云制造模式车辆试验服务平台构建方法

文贤鹤, 周晓军, 杨辰龙

(浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室, 浙江 杭州 310027)

针对车辆试验台重复建设严重、供应同质化、对不同型号的被试件适应性差、缺乏创新性和可靠性、对试验数据的保存及其后处理分析不足、缺少对试验领域专家知识的有效利用等诸多问题,结合最新的云制造理念,从服务平台的角度将云制造模式引入车辆试验领域,提出基于云制造模式的车辆试验服务平台构建方法.介绍平台架构及其业务流程,提出平台网络物理架构,规划平台的技术体系,给出平台实施及其主要类图关系.为车辆试验领域的信息化和服务化提供有效手段,为减少车辆试验领域的重复建设和提高对行业已有试验资源和专家知识的有效利用提供方法支撑.

车辆试验；服务平台；云制造模式；网络服务；面向服务的架构(SOA)

随着制造业竞争加剧、附加值降低,工业4.0、物联网、大数据等新兴领域受到学术界和产业界的极大关注.中国政府近期提出了“互联网+”和“制造2025”等新的战略布局,指出了未来生产性服务和信息化在制造业的重要性.作为制造业信息化和服务化的有效载体,云制造[1]概念由李伯虎院士于2010年首次提出,并得到同行专家广泛认可,出现了大量架构类[2-4]和相关技术类[5-7]的研究文章. 主要原因是云制造适应了制造业和信息业发展的新需要.“云制造”中的“云”指的是基于云计算思想的资源服务化共享模式,“制造”指的是由带有各种网络终端、传感设备、自动化装置的制造业主体所提供的制造服务.“云制造”是对制造产业和信息产业深度融合的高度概括.

随着汽车产业的自主创新步伐加快,国内汽车试验领域迎来了黄金发展机遇.笔者所在的实验室在汽车试验台领域已研究20余年,发现近几年汽车试验台的需求明显攀升.但是,中国汽车试验领域也存在诸多问题,例如：试验台建设缺少信息化、标准化、模块化和服务化,对不同型号的被试件适应性差,重复建设严重,试验台供应同质化,缺乏创新性和可靠性,对试验数据的保存及其后处理分析不足,缺少对试验领域专家知识的有效利用等.

云制造框架类和相关技术类的研究工作正在学术界深入开展,汽车领域也不例外.尹翰坤等[8]提出了基于云制造的汽摩零部件开发平台,吉莉等[9]提出汽车电子云制造平台,但是尚未得出将云制造的模式引入车辆试验领域的研究成果,郑涛[10]和姚晓初[11]分别从信息采集的角度和远程监控的角度研究了其中的一些技术问题,但是并没有从平台的角度整体考虑将云制造模式引入车辆试验领域.

本文结合最新的云制造理念,提出基于云制造模式的车辆试验服务平台构建方法,为车辆试验领域的信息化、服务化、标准化、模块化提供有效手段,为减少车辆试验领域的重复建设和提高对行业专家知识的有效利用提供平台.介绍平台架构及其业务流程，提出平台网络物理架构，规划平台的技术体系,并介绍平台实施及其主要类图关系.

1 平台架构及业务流程

图1 不同维度车辆试验分类Fig.1 Vehicle test classification from different dimensions

如图1所示,文献[12]从试验台特征、试验目的和试验对象3个维度对车辆试验领域进行了详细的划分. 按试验台特征可以分为台架试验、试验场试验和道路试验；按试验目的可以分为科研试验、定型试验和质检试验；按照试验对象可以分为整车试验、总成试验和零部件试验. 其中,单从零部件的角度,1辆普通轿车大致有1万个左右不可拆卸零件,某些特型车辆(如：F1方程赛车)大约包含2万个左右的零件[13].为了保证车辆的使用性能、可靠性和安全性等指标,首先,必须要对这些零件进行强度、刚度及材料等相关试验；其次,要对由其组成的部件总成进行使用性能和可靠性等方面的试验；最后,由这些零部件组装完成之后还要对整车进行各种台架、试验场和道路等相关试验.一方面,为了抢占汽车试验市场份额,企业必须思考如何在汽车试验领域进行商业模式创新和技术创新；另一方面,为了促进汽车试验领域的信息化、标准化、模块化和服务化,市场亟需1个信息化和智能化的服务平台.基于以上两方面的因素,结合最新的云制造理念,提出基于云制造的车辆试验服务平台构建方法.

平台架构：如图2所示为车辆试验服务平台简要架构,平台主要包括服务提供者、服务需求者和平台管理员3种角色.服务提供者包括汽车整车厂、零部件厂、专业的检测供应商和检测专家等.其中,汽车整车厂可以提供成熟的模块化系列化的整车或者部件总成的相关试验服务,在为本车厂提供试验服务之外,将富余的试验能力作为1种服务出售给有需求的其他单位,为企业创造额外的经济效益；零部件厂与整车厂类似,将过剩的零部件试验能力打包成服务提供给有需要的企业；专业的检测供应商包括试验台集成商、检测设备供应商和检测相关软件提供商.服务需求者主要包括整车厂和零部件厂商,向其他整车厂、零部件厂、专业的检测供应商和检测专家购买相应的服务.服务提供者和服务需求者通过车辆检测服务门户注册身份.前者将所提供的服务提交到服务注册中心进行注册,后者通过门户搜索所需的服务组合.平台管理员负责管理协调整个平台的运行.

图2 基于云制造模式的车辆试验服务平台架构Fig.2 Architecture of vehicle test service platform based on cloud manufacturing model

平台业务流程：如图3所示,车辆试验服务业务流程从起始到结束经历了用户发布需求、试验服务、状态监测服务、数据分析服务和软件服务等阶段.如图3所示的模式是1种标准的服务模式,除此之外,用户可以按照自己发布的需求规划业务流程,自主选择所需服务内容,比如：可以按照需要,只选择数据分析服务和软件服务等服务内容.具体服务内容介绍如下.

1)试验服务：由服务提供者提供试验台,由服务需求者提供被试件和试验要求,服务模式采用O2O的模式.试验服务所涵盖的范围很广,图4按照粒度从大到小,将试验服务分划分为粗粒度试验服务、细粒度试验服务和元粒度试验服务.元粒度试验服务提供各种试验所需的传感,作为试验服务的最基本的元素,采用被试件的关键试验数据.再由元粒度试验服务组成细粒度试验服务,细粒度试验服务再组成粗粒度的服务.服务提供者和服务需求者都可以分别发布和寻找不同粒度的试验服务,各取所需.

图3 基于云制造模式的车辆试验服务流程Fig.3 Vehicle test service process based on cloud manufacturing model

2)状态监测服务：如图3所示,状态监测服务指的是试验台的各种相关设备的运行状态监测.包括电机状态监测、变频器状态监测、控制软硬件状态监测和数采软硬件状态监测服务等.对各类设备运行进行监控,及时发现如过电流、过电压、超频、过载、欠压、堵转、缺相等故障；对各类设备的过程量(流量、压力、温度)进行实时采集和监控；对系统控制模块、数据采集模块、早期诊断系统的工作进行实时监控；对于这些系统的“报错”也及时进行汇总,以便必要时及时急停.

3)数据分析服务：如图3所示,需求者将试验所获得的数据交由专业的数据分析服务提供者代为分析,通过平台支付一定的费用,分析完成之后再将结果打包发回给需求者.很多专业检测人员通过这种方式介入到车辆检测行业实践中,让专业知识得到充分利用.

4)软件服务：一些中小企业缺少资金购买一些昂贵的检测专业软件,更适合采用软件租赁的方式通过平台远程访问和操作软件的方式来获得的服务.这些软件包括德国红蚂蚁早期故障诊断软件、D2T数据分析软件和dSPACE半实物在环仿真平台软件等.

2 平台网络物理架构

平台基于云制造的模式搭建,采用浏览器/服务

图4 试验服务不同粒度表现形式Fig.4 Manifestation of test services with different particle sizes

器的架构,由中心服务器群、试验台应用服务器集合、诊断专家浏览器和试验需方浏览器等构成,整体网络物理架构[14]如图5所示.中心服务器群由Web应用服务器、应用程序服务器、UDDI应用服务器、数据服务器群、邮件服务器和FTP文件服务器等构成. Web应用服务器负责处理来自浏览器的用户请求,将请求结果返回给浏览器；应用服务器负责数据请求、数据库操作、动态网页生成和应用程序业务逻辑执行等工作[15]；UDDI应用服务器负责服务注册、发现和匹配等相关应用；数据服务器群平台各种相关数据,包括用户/厂家信息库、试验数据信息库、试验台信息库、被试件信息库、故障类型信息库、诊断方法信息库、UDDI信息库和交易信息库等；邮件服务器和FTP文件服务器分别负责处理平台邮件和文件往来服务.

试验台应用服务器集合：汽车整车厂、零部件厂和专业检测供应商等搭建了各种车辆试验台(整车、总成、零部件).每个试验台都有1个相应的应用服务器,一方面负责管理现场的各种试验台控制、数据采集和状态监测等工作;另一方面负责将试验台接入基于云制造模式的车辆试验服务平台网络,方便平台对每个试验台的实时管理.

检测专家浏览器：检测专家通过浏览器访问平台,为平台上的用户提供专业的检测诊断服务.

试验服务需方浏览器：有车辆领域相关的检测需求的用户,缺少专业的试验平台、试验设备、试验相关软件和试验人才,通过浏览器访问检测服务平台,通过平台可以找到满意的服务提供方.

3 平台技术体系

基于J2EE开发平台,采用面向对象的编程思想(service oriented achitecture, SOA),借鉴了最新的云计算技术理念.开发了基于云制造的车辆试验服务平台(图6).云计算的典型特征是XXX as a service (software as a service, hardware as a service, platform as a service等),任何应用都可以打包成一种服务,为用户提供软件服务、存储服务和平台服务等. 同样,基于云制造的车辆试验服务平台采用面向服务的编程思想,基于IBM SIBus 总线技术,将车辆试验、状态监测、故障诊断和专业软件等都打包成服务(Web service),发布到服务平台.用户通过客户端检索所需的服务,最终实现线上交易、线上/线下提供服务的商业模式,改变传统单一地提供试验台产品的商业模式,促进车辆试验领域的技术创新和质量提升.

4 基于Web service 的服务提供策略

基于云制造的车辆试验服务平台将车辆试验、状态监测和故障诊断等都打包成Web service服务,服务请求者通过客户端或浏览器应用申请服务.基于Web service的服务提供策略[16]具体如图7所示,其中包括3种角色和3种技术.3种角色分别是：1)服务提供者,将所提供的服务打包成WSDL格式的Web service 服务(如数据采集服务或在线故障诊断服务等),再通过SOAP协议向服务代理申请在UDDI注册中心进行注册；2)服务请求者,通过SOAP协议在UDDI注册中心寻找并调用以WSDL描述的web service 服务；3)服务代理,负责以WSDL格式绑定服务请求者和服务提供者之间的服务.3种技术分别是：1)WSDL(Web service description language),为服务提供者提供以XML格式描述Web service 请求的标准格式,表达了1个Web service的功能、位置以及调用方法；2)SOAP(simple object access protocal),也就是简单对象访问协议,定义了服务请求者和服务提供者之间的消息传递规范,SOAP用XML来格式化消息,用HTTP来承载消息；3)UDDI(Universal discovery, description, intergration),是 Web service 信息的注册规范,通过UDDI提供的标准接口,用户可以发布自己的Web service 服务供其他用户查询调用,也可查询特定服务的描述信息并动态绑定到该服务上.

图5 基于云制造的车辆试验服务平台网络物理架构Fig.5 Network physical infrastructure of vehicle test service platform based on cloud manufacturing

5 平台实施及其主要类图关系

基于云制造模式的车辆试验服务平台实施基于以下相关开发技术体系.

1)操作系统：Windows 2007；

2)开发语言：Java；

3)开发环境：Eclipse3.1.2+Lomboz3.1.0；

4)Web service 服务总线：IBM SIBus总线；

5)服务描述：WSDL规范；

6)服务消息传递：SOAP协议；

7)服务注册/发现机制：UDDI规范；

8)数据库管理系统：开源MySQL.

基于以上开发技术体系,平台主要类图关系[17]如图8所示,平台的开发工作基于此图展开.

布置于web服务器层的文件：

1)XXX.jsp文件：负责浏览器页面显示；

图6 基于云制造的车辆试验服务平台实现技术体系框架Fig.6 Technology framework of vehicle test service platform based on cloud manufacturing

图7 基于Web service 的服务提供策略Fig.7 Service providing strategy based on Web service

2)ActionServlet：负责在web.xml文件中配置各Action Bean；

3)XXXAction文件：属于Struts Action Bean文件,负责逻辑层和页面层的联系,同时负责页面间的转换；

4)VehiTestServiPlatImp：负责业务具体实施时调用后台服务组件.

布置于应用服务器的文件：

1)WSDL Service Locator：负责服务定位；

2)Service Integration Bus-SOA：服务总线；

3)Web Service：封装好的服务包；

4)Session Bean：处于服务包更下一级,负责业务逻辑实现；

5)Entity Bean：实体层,也称持久层,负责对数据库的直接操作.

6 结 语

以服务平台的方式将云制造模式引入车辆试验领域,提出了基于云制造模式的车辆试验服务平台构建方法,介绍了平台架构及其业务流程,提出了平台网络物理架构,规划了平台的技术体系,给出了平台实施及其主要类图关系.为车辆试验领域的信息化和服务化提供了手段,为该领域的规范化和标准化打好了基础,为减少该领域的重复建设和提高对行业已有试验资源和专家知识的有效利用提供了方法支撑,同时也为该领域融入未来云制造体系做好的技术准备.与其他相关研究相比,本研究不停留于整体框架和理论体系的探讨,注重云制造的具体实施方法,为工业4.0和制造2025的落地提供技术参考,满足了云制造模式在制造业其他方向推广对实施方法的迫切需要.后续将基于车辆试验服务平台进一步对该领域大数据的构建和分析技术进行重点研究,挖掘平台的服务能力.

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Construction method of vehicle test service platform based on cloud manufacturing model

WEN Xian-he, ZHOU Xiao-jun, YANG Chen-long

(TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Cloud manufacturing model was introduced into the vehicle test area based on the latest cloud manufacturing concept, aiming at all kinds of problems in building vehicle test bed, such as redundant construction, supply homogeneity, poor adaptability to different types of specimens, the lack of innovation and reliability, the lack of effective use of expert knowledge, the shortage of post-processing analysis for the test data and so on, A novel approach for building the vehicle test service platform was proposed. The platform architecture and business processes were introduced. The physical infrastructure of platform network was raised. The technology system for the platform was planned. The implementation of the platform and the relationship between the main class diagrams were provided. This approach provides an effective means for the informationization and servicization of the vehicle test area. It also provides theoretical support for reduction of the redundant construction and improvement of the effective use of existed test resources and expert knowledge.

vehicle test；service platform；cloud manufacturing model；web service；service oriented achitecture (SOA)

2015-04-07.

国家自然科学基金资助项目(51175463).

文贤鹤(1989—),男,博士生,从事云制造、车辆测试、制造业信息化/服务化研究. ORCID: 0000-0002-8113-7636. E-mail: wenxianhe@126.com 通信联系人：周晓军,男,教授,博导. ORCID: 0000-0003-2565-1398. E-mail: cmeesky@163.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.002

TH 166

A

1008-973X(2016)12-2254-08