面向3D打印云服务平台的体系架构研究

2017-08-16刘永辉尹作重黄双喜马国军

制造业自动化 2017年6期

关键词：创意设计服务平台架构

刘永辉，尹作重，黄双喜，马国军，刘华

（1.海尔集团技术研发中心，青岛266103；2.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；3.清华大学自动化系国家CIMS工程技术研究中心，北京 100084）

面向3D打印云服务平台的体系架构研究

刘永辉1，尹作重2，黄双喜3，马国军1，刘华1

（1.海尔集团技术研发中心，青岛266103；2.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；3.清华大学自动化系国家CIMS工程技术研究中心，北京 100084）

在分析互联网时代制造业向大规模定制方向发展必然规律的基础上，对面向3D打印云服务平台的体系架构进行了深入研究。对3D打印云服务平台进行了介绍，分析了3D打印云服务平台的基本功能，在此基础上提出了3D打印云服务平台的体系架构；论述了3D打印云服务平台研究中涉及的关键技术。设计建设了面向高端家电家居产品个性化定制的3D打印云服务平台—天马行空网，并对其功能与架构、技术实现方法和商业模式进行了简要论述。

3D打印；云服务平台；大规模定制；网络化；社会化制造

0 引言

随着时代的发展，消费者对商品的需求逐渐趋向多样化、个性化和碎片化[1]。与提供同质化产品和服务的大规模制造相比，大规模定制化生产能够提供满足消费个体需求的产品和服务[2,3]，因而代表了未来的发展方向。尽管许多企业正在大力推行大规模定制战略，目前仍然面临许多困难。首先，定制化的程度受到企业需求、制造能力、竞争力和技术现状等的限制[4]，而依靠现有的技术能够有效支撑实现大规模定制的产品范围较小。其次，企业要想通过快速响应来供应定制化产品，需具备很高的产品交付能力要求，特别是融合需求获取、加工柔性和物流三者的能力，而现有技术同样难以有效支撑。因此，人们呼唤出现一种新的具有高度柔性的生产技术和复杂系统来快速获取和响应用户的个性化需求[5]。

近年来，随着互联网、电子商务和3D打印[6,7]等技术的出现，新定制趋势正在出现并且逐渐渗透到人们生活的各个方面。首先，随着互联网技术的发展，企业通过网络平台能够快速获取和响应人们的个性化需求，导致消费用户的个性化产品需求在持续增长。其次，智能制造[8]的趋势在不断增长。大数据、云计算、3D打印等新兴技术的出现为提高生产率、优化供应链和降低成本等提供了更加丰富的有效手段。最后，出现了具有低参与门槛的社会化制造[9]趋势，人们既是产品和服务的消费者，又是设计者。生产者和消费者的界限开始变得模糊，并进行融合[10]。

3D打印[6,7]又称“增材制造”、“快速成形”等，是一种通过材料逐层堆积、实现产品无模成形的数字化制造技术。与传统的制造技术相比，3D打印能够直接制造出几乎任意复杂形状的产品，因而能够大幅度减少对复杂制造过程的依赖性。经过几十年技术的发展特别是新材料的研发，3D打印技术已经成功应用于航空航天、医疗、汽车、教育等众多领域[11～13]，为实现产品定制化提供了一种便捷的技术手段和强大的推动力。

当前，众多3D打印设备逐渐应用到社会生活各个领域，但是大多数应用仍然为制造新产品研发过程中的原型样机。如果将这些分散、闲置的3D打印机特别是工业级3D打印设备配置到供应链系统中，社会化制造的生产力水平将会快速提高[14,15]。近年来，一些新兴公司以互联网为基础打造了一个3D打印设备共享平台，使人们能够将定制想法快速变成实际产品，例如3DHubs公司。另一个著名的公司是Shapeways，它不仅利用3D打印技术为客户定制他们自己设计的各种产品，还为客户提供了销售其创意产品的网络平台。其他著名的3D打印定制化云服务平台还包括比利时的i.materialise，新西兰的Ponoko，法国的Sculpteo，中国的叁迪网、意造网，美国的Cubify Cloud和Kraftwurx等。

3D打印云服务平台为实现大规模定制提供了技术支撑。一方面，人们的个性化需求通过网络平台进行表达和快速响应；另一方面，分散的3D打印设备资源被联网共享、在平台上汇集并且在线调用，形成一个全球化、快捷的定制化实现环境。尽管目前一些商业的3D打印云服务平台已经出现并且运作良好，但是在相关理论方面的研究才刚刚起步。本文首先对3D打印云服务平台进行了介绍，分析了3D打印云服务平台的基本功能，在此基础上提出了3D打印云服务平台的体系架构；重点论述了3D打印云服务平台涉及的关键技术；最后设计建设了面向高端家电家居产品个性化定制的3D打印云服务平台—天马行空网，经实际运行，平台取得了较好的效果。

1 3D打印云服务平台业务概述

图1 3D打印云服务平台个性化定制流程图

3D打印云服务平台是利用3D打印技术、互联网、云计算和大数据等先进技术，来满足消费用户个性化定制需求的云服务平台。该平台上集合了普通消费用户、设计师、3D打印生产服务商等主要利益群体，建成一个开放的3D打印产业生态圈（如图1所示）。普通消费用户可以直接选择符合自己需求的已有3D产品模型，或者通过平台上提供的易用设计软件完成自己的个性化创意设计，甚至可以在平台网站上找到专业设计师帮助自己实现自己的创意设计。设计师可以在平台网站上出售自己的创意设计并按特定比例提成，也可以与消费用户沟通交流，进行创意的更改和完善。3D打印生产服务商则通过3D打印技术制造出满足用户需求的个性化商品，并配送到用户手中。

2 3D打印云服务平台体系架构

2.1 平台基本功能

3D打印云服务平台需具备下述基本功能：

1）用户管理

用户管理主要负责维护3D打印云服务平台中的多种用户信息，为多方用户提供一致的人员信息管理；同时，为3D打印云服务平台的所有用户提供访问各种服务的统一访问入口，实现统一安全的用户认证和单点登录。

2）云打印服务

云打印服务是3D打印云服务平台的核心功能之一。具体实现功能如下：用户将设计好的3D模型上传到3D打印云服务平台，然后选择打印材料、颜色、数量、后处理等要求后，系统会自动生成订单信息，用户在线付款后完成下单；平台接收订单后，通过一定的筛选机制将订单分配给平台上的某个3D打印生产服务商；该3D打印生产服务商接收并确认订单信息后开始加工；加工完成后，给用户发货；用户收到产品，在平台上对产品和服务质量进行评价反馈，该评价反馈计算得出该生产服务商最新的累计口碑评价系数；云打印服务完成。

3）创意需求发布

创意需求发布主要为用户提供在线创意需求发布功能，帮助他们找到合格的设计师进行产品创意设计。创意需求经平台审核成功发布之后即对所有设计服务资源公开。

4）资源注册发布

资源注册发布主要实现3D打印设备资源、设计服务资源和3D设计软件资源等各类资源在平台的统一标准化描述、注册和发布，资源成功发布之后即成为可供选择的虚拟资源。

5）创意服务撮合管理

创意服务撮合管理主要是对注册发布成功的服务资源和需求进行集成管理，实现服务需求与服务资源之间的优化选择和智能配置。

6）云平台交易管理

云平台交易管理可为云平台交易过程提供全方位的支持，负责交易实例的创建、运行、监控、异常处理及评价记录；同时具有第三方资金支付监管、服务交易的维权和投诉管理等功能，可实现制造服务交易的透明化、公平化监控和管理。主要包括服务交易信息管理、服务交易实例管理、支付平台集成管理、服务交易维权管理和服务投诉举报管理等功能。

7）业务信用评估与分析

业务信用评估与分析功能对平台的交易主体和业务建立信用评价指标体系，并利用相关信用反馈机制和评价算法实现对云平台相关服务业务的信用评估和分析。

2.2 平台体系架构

基于上述对3D打印云服务平台及其基本功能的论述分析，本文提出了面向3D打印云服务平台的体系架构，如图2所示。

2.3 层次功能描述

3D打印云服务平台体系架构包括以下八层结构：

图2 3D打印云服务平台体系架构图

1）资源层

该层通过汇聚3D打印生产服务商、设计师、3D软件、金融服务、物流配送等各类资源到3D打印云服务平台，提供相关资源支持，覆盖从需求—创意设计—专业设计—打印制造—物流配送等整个服务过程。

2）基础支撑层

基础支撑层是3D打印云服务平台位于硬件层之上的基础层。3D打印云服务平台需运用IaaS（基础设施即服务）的设备管理模式，为云平台提供运行基础支撑环境，包括：

（1）数据存储资源：3D打印云服务平台提供平台正常运行所需的各类数据存储资源并对其进行描述，包括云服务器、云数据库和其他云存储介质等。其中云服务器需具备性能的可扩展性，云数据库不仅需要能够满足在多个云服务器上的分组，还需要能够应用于以下三种运行模式：1）独立数据库；2）共享数据库、隔离数据架构；3）共享数据库、共享数据架构。

（2）网络资源：3D打印云服务平台提供平台正常运行所需的网络资源并对其进行描述，详细包括Internet、Intranet、Extranet和无线网络等所搭建形成的云服务网络及其拓扑结构、使用节点数和数据吞吐量等信息。

3）平台集成运行环境层

平台集成运行环境层是提高平台运行效率与安全的关键层。3D打印云服务平台具备对服务平台集成运行环境进行监控管理的基本工具集，具体实现功能包括：

（1）QoS（服务质量）：QoS能够支持FIFO、PQ、CQ、FQ、WFQ、CBWFQ、LLQ等排队策略，支持RSVP资源预留协议，支持CAR、SPD，支持WRED拥塞避免，支持流量整形，从而解决服务网络延迟和阻塞等问题。

（2）安全管理：3D打印云服务平台提供统一的安全服务，主要包括硬件安全、网络安全，以及完善的数据存取安全策略、用户权限认证体系、系统日志记录等。

（3）运行监控：3D打印云服务平台对平台整体运行状态进行监控，并对异常事件进行提前预警，主要监控对象包括平台数据流量、并发用户数量、业务响应速率等。

4）持久化服务层

持久化服务层是位于数据库与模型对象间的中间层。3D打印云服务平台需设计并实现对数据的持久化服务，采用持久化中间件等方式对数据、服务、流程逻辑进行持久化存储，对存储在数据库中的业务对象提供编程接口，执行相关操作，例如读、写或修改一个或多个持久性数据。

5）引擎层

3D打印云服务平台需开发一系列引擎，为云平台管理工具的研发提供基层支持。各引擎的划分原则及设计原则秉承引擎内高内聚、引擎间低耦合的特性，并充分考虑云平台的特性（包括云计算和云存储等），能够以服务集的方式为上层提供便捷的集成支持。包括3D互动设计、产品在线浏览、模型智能检测与修复、创意交易撮合、交易结算、负载均衡、任务管理资源调度、模型数据保护和平台主体信用评估等引擎。

6）工具层

3D打印云服务平台方为平台用户提供友好人机交互应用服务，实现平台的易操作性和功能的便捷性，支持资源与需求的方便注册、发布、搜索匹配、交易，以及业务管理、买卖双方信用评价和交互社区创建等，包括在线创意设计工具、云打印工具、创意需求发布工具、创意出售工具、商城选购工具等。

7）访问层

访问层是用户与平台交互操作的终端接入层。3D打印云服务平台支持多种不同终端的接入，实现对不同终端的动态响应性兼容，终端类型可能包括传统PC终端，智能移动终端，专用终端及其他终端。

8）用户层

用户层是直接面向用户并服务于用户的关键层。3D打印云服务平台提供方需设计并实现用户层的功能，用户层是为用户提供访问和浏览服务的交互界面、提供用户需求注册发布服务，是用户与系统间信息交互的窗口。

3 3D打印云服务平台涉及的关键技术

3.1 基于3D打印的个性化定制服务模式

如何针对消费者在文化创意、智能家居、工业产品等不同领域的个性化需求，研究基于3D打印的个性化定制服务模式[16]是3D打印云服务平台需要首先解决的一个关键技术问题。该模式需要支持在产品个性化定制不同阶段、不同角色之间的协同工作，需要有良好的运营服务模式和盈利模式，需要支持从需求获取—创意设计—专业设计—3D打印制造及装配—物流配送等服务全过程，探索建立“互联网+3D打印”的创新服务模式。

3.2 基于Web的交互式3D创意设计技术

实现支持用户基于Web交互式创意设计的3D设计引擎是3D打印云服务平台的一个技术难点。在线交互式3D设计引擎需要支持互联网、移动终端等多种接入形式，能够在线实现外观形状设计、材料材质选取、色彩/纹理/图案设计、环境建模，支持用户在线开展协作式虚拟设计、产品效果浏览与展示，实现将需求与创意转化成为工业设计作品。

3.3 3D模型知识产权自动保护技术

3D打印云服务平台能够基于互联网技术选择3D打印生产服务商来实现远程3D打印，但目前的3D打印云服务平台缺乏知识产权保护机制[17]。3D模型数据在互联网的传输过程中很容易被非法扩散和被窃取，给设计师或者模型提供者造成损失；同样，在3D模型数据发送到3D打印生产服务商后，也存在被3D打印生产服务商非法打印或扩散的风险。3D模型知识产权自动保护技术需要研究面向3D打印的模型数据保护技术，建立模型数据全流程主动保护机制，从而保护和激发设计师和普通大众的创新热情。

3.4 基于大数据的创意交易管理技术

互联网、3D打印制造等技术将极大地激发与释放人们的创新激情，3D打印产品创意呈现海量増长趋势[18]。如何从海量创意中优化存储和检索，从数据分析获得更多更有用的数据信息，并将结果反馈给用户；以及如何针对海量创意数据、产品模型和工业设计产品进行综合评估、定价议价和供需交易等，都是基于大数据的创意交易管理技术研究的重点内容。

3.5 分布式3D打印云制造服务技术

3D打印云服务平台将社会上分散、闲置的3D打印设备资源联网共享、聚集并且在线调用，形成一个全球化的、快速响应的分布式3D打印定制化生产环境，从而实现社会化制造[9,14,15]或者泛在制造。分布式3D打印云制造服务技术就是研究如何对分布式3D打印制造服务实现有效和智能化的管理和调用等，具体包括3D打印设备云端接入、3D云打印制造服务描述、动态监测、服务匹配和智能排产等关键技术。

4 典型应用案例

4.1 天马行空网络平台功能与架构

图3 天马行空网络平台的部分界面

图4 天马行空网络平台的系统性功能架构

天马行空网（http://www.tmxk3d.com）是海尔集团基于上述平台体系架构理念开发的国内领先的面向高端家居家电产品个性化定制的3D打印云服务平台。它构建了一个3D数据处理服务、创意产品设计、展示、制造和销售为一体的网络服务平台，可为创意产品设计师、3D打印生产服务商、终端消费用户等提供网络化、个性化定制和交易服务，天马行空网的部分功能界面如图3所示。其平台系统性功能架构如图4所示。

4.2 天马行空网络平台商业模式与运营效果

1）应用模式

针对普通用户，除了方便用户在线选购自己喜欢的创意设计产品，还借鉴软件即服务（Software as a Service，SAAS）模式，通过提供各类免费服务来吸引更多的个人用户：将3D模型数据处理软件重构为免费的在线数据处理服务,为用户提供基于网络的3D云打印服务；将3D设计软件重构为易用的模型在线建构服务，为用户提供3D创意设计服务；还搭建了创意需求发布和撮合平台，用户可以提出自己的创意需求，寻找设计师为其量身定制专属产品。

针对设计师，可以在天马行空网免费开设个人品牌店铺并出售创意设计作品。设计作品上传后，系统会自动计算出对应不同材料的打印成本，然后再加上设计师想要获得的设计收益，便是最终的产品销售价格；当有用户购买这件产品时，天马行空网将通过其强大的3D云打印网络工厂完成产品生产并配送给用户；交易完成后，天马行空网将扣除打印费用和少量的交易费并向设计师支付设计收益。针对3D打印生产服务商，通过云端接入将传统的线下打印服务转变为线上服务，围绕免费3D设计和3D模型数据处理，实现服务报价与能力匹配，扩展其服务能力和服务范围。

2）运营状况与效益

经过两年时间的建设，该平台已经建立超过50万件的零部件模型资源库，能够支持基于STL、OBJ文件格式的动态3D预览和支持STL，OBJ，3DS，3DM等主流数据格式的数据转换；能够有效支持3D模型数据缺陷识别和智能修复，模型修复率经测试可达90%以上，达到国内外同类网站的领先水平。可支持超过1000个并发访问需求，响应时间小于5s，基本满足产品创新开发者对于设计平台的使用需求；已吸纳注册用户200万人，设计师15万名，实现销售收入3000万元以上。

5 结束语

作为“互联网+”与3D打印等先进制造业深度融合的产物，3D打印云服务平台能够满足人们日益增长的个性化产品及服务需求，因而具有广阔的发展和应用前景。一方面，它使消费者享有多种类定制化产品成为现实，甚至允许他们自己设计和创作自己的产品[10]；另一方面，它能够使企业或生产商进行按需生产来节约成本和提高利润，促进传统制造业从大规模制造向大规模定制的转型。此外，平台能够吸引各类资源的汇聚，带动相关创意设计、材料、电子商务、物流等诸多产业的集群式发展。今后将通过更深入的理论研究和应用实践，实现3D打印个性化定制创新商业模式的应用推广，为我国建设创新型国家提供技术支撑。

[1] 姜月娟,卢秉恒,方学伟,等.基于3D打印的网络化集散制造模式研究[J].计算机集成制造系统,2016,22(6):1424-1433.

[2] SILVERIA G D, BORENSTEIN D, Fogliatto F S. Mass customization: Literature review and research directions[J].International Journal of Production Economics,2001,72(1):1-13.

[3] GILMORE J H, PINE B J. The four faces of mass customization[J]. Harvard Business Review,1997,75(1):91-101

【】【】

[4] Hart C W L.Mass customization: conceptual underpinnings,opportunities and limits[J].International Journal of Service Industry Management,1995,6(2):36-45.

[5] ZIPKIN P H.The limits of mass customization. MIT Sloan Management Review[J].2001,42(3):81-87.

[6] 王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012,(26):3-5.

[7] 李涤尘,贺健康,田小永,等.增材制造: 实现宏微结构一体化制造[J].机械工程学报,2013,49(6):129-135.

[8] KELLY K.The new socialism: Global collectivist society is coming online[J].Wired Magazine,2009,17(6):17-26.

[9] LU Bingheng, LI Dichen, TIAN Xiaoyong. Development trends in additive manufacturing and 3D printing [J].Engineering,2015,1(1):85-89.

[10] MAI Jinggeng, ZHANG Lin, TAO Fei, et al. Customized production based on distributed 3D printing services in cloud manufacturing[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,84(1):71-83.

[11] 卢秉恒,李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化,2013,42(4):1-4.

[12] LIPSON H, KURMAN M. Fabricated: The new world of 3D printing[M].New York: Wiley,2013.

[13] MOTA C. The rise of personal fabrication[C].In: Proceedings of the 8th ACM conference on Creativity and cognition,ACM,2011,279-288.

[14] BAK D. Rapid prototyping or rapid production? 3d printing processes move industry towards the latter[J].Assembly Automation,2003,23(4):340-345.

[15] BERMAN B.3d printing: the new industrial revolution[J].Business Horizons,2012,55(2):155-162.

[16] 苏秦,杨阳.3D打印颠覆性创新应用及商业模式研究[J].科技进步与对策,2016,33(1):9-15.

[17] 杨震晖.论3D打印技术所带来的知识产权保护问题[J].北方工业大学学报,2013,25(4),12-18.

[18] 张蕾.基于3D打印的海量创意管理服务研究与实现(学位论文).中国海洋大学,2015.

Study on the architectural structure of 3D printing cloud service platform

LIU Yong-hu1, YIN Zuo-zhong2, HUANG Shuang-xi3, MA Guo-jun1, LIU Hua1

TB391；TH166

：A