智能制造云服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能制造云服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)楊志和【摘要】建設(shè)和運(yùn)營智能制造云服務(wù)平臺的目的在于實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化的深度融合。通過頂層設(shè)計(jì)，平臺匯聚并提供多層次的工業(yè)信息化所需的云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)整合。平臺基于統(tǒng)一的工業(yè)大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，對工業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、抽取、轉(zhuǎn)換、加載并建立數(shù)據(jù)倉庫，分析與挖掘，以實(shí)現(xiàn)決策支持，實(shí)現(xiàn)了智能制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)級整合。%Thepurposeofbuildingandoperatingthecloudserviceplatformforintelligentmanufacturingistorealizecloseintegrationbetweeninformationizationandindustrialization.Inthetopleveldesign,theplatformprovidesandcombinesmulti-levelcloudservicesneededintheindustryinformationization,andrealizesintegrationofapplicationservicesfortheintelligentman-ufacturingsystem.Basedonaunifiedframeworkoftheindustrialbigdatastandardsystem,theplatformrealizescollection,extraction,transformationandloadingofthedata,andestablishesadatawarehouse.Thedecisionmakingissupportedbyinformationanalysisanddataminingsothatthedatalevelintegrationisrealizedfortheintelligentmanufacturingsystem.【期刊名稱】《上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2016(019)006【總頁數(shù)】6頁(P338-343)【關(guān)鍵詞】智能制造;云平臺;信息融合;云制造【作者】楊志和【作者單位】上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院，上海201306【正文語種】中文【中圖分類】TP393.09;TH166信息化和工業(yè)化（以下簡稱〃兩化”）融合是我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的重大戰(zhàn)略部署，《中國制造2025》和工業(yè)和信息化部都把促進(jìn)工業(yè)云發(fā)展作為推進(jìn)〃兩化”深度融合、支撐智能制造發(fā)展的重要舉措［1］。“兩化融合”提升生產(chǎn)制造企業(yè)創(chuàng)新能力，主要難點(diǎn)在于軟、硬件平臺搭建、系統(tǒng)模型建立和仿真、高端研發(fā)人員的培養(yǎng)等。云平臺基于虛擬化技術(shù)，集成標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)資源管理、服務(wù)支撐、信息安全保障、運(yùn)維監(jiān)控保障功能，為〃兩化融合”提供仿真技術(shù)（軟件）、云存儲、云部署、業(yè)務(wù)軟件云服務(wù)，可以有效降低企業(yè)“兩化融合”的工作量和實(shí)施成本，通過信息技術(shù)手段降低工業(yè)設(shè)計(jì)與制造的成本，提高生產(chǎn)效率［2］。目前，國內(nèi)工業(yè)云服務(wù)平臺的研制緊跟歐美發(fā)達(dá)國家的步伐。北京數(shù)碼大方科技有限公司（CAXA）和北京計(jì)算中心合作承擔(dān)的“CAXA工業(yè)軟件云服務(wù)平臺”是中國首個(gè)工業(yè)軟件云服務(wù)平臺，主推工業(yè)軟件在云服務(wù)平臺上的應(yīng)用和推廣［3］；2013年12月，由北京市計(jì)算中心建造的〃北京工業(yè)云”正式上線運(yùn)營，它為工業(yè)設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造提供了一個(gè)創(chuàng)新服務(wù)平臺，可以提供設(shè)計(jì)、仿真、模擬、分析、測試和虛擬加工等計(jì)算服務(wù)［4］。廣東“工業(yè)云”創(chuàng)新服務(wù)信息化平臺是工業(yè)和信息化部“工業(yè)云”創(chuàng)新服務(wù)的試點(diǎn)，它是一個(gè)面向工業(yè)企業(yè)，尤其是為制造型中小企業(yè)提供了產(chǎn)品創(chuàng)新的公共服務(wù)平臺［5］；“徐工工業(yè)云”是徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司（簡稱“徐工集團(tuán)”）與華為技術(shù)有限公司、阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司、中國電信集團(tuán)公司4家聯(lián)合打造，試圖構(gòu)建〃互聯(lián)網(wǎng)+云技術(shù)+制造”的一個(gè)工業(yè)云平臺，徐工通過“工業(yè)云”開放企業(yè)的資源，服務(wù)于全世界的〃需求方”［6］。美國俄亥俄州超算中心倡導(dǎo)的藍(lán)領(lǐng)計(jì)算(Bluecollarcomputing)就是將高性能計(jì)算應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，基于虛擬建模和仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)云設(shè)計(jì)［7］?！▋苫诤稀庇脩艨梢曰谲浖?即服務(wù))和數(shù)據(jù)(即服務(wù))的模式獲得低廉的企業(yè)信息化解決方案及服務(wù)?；谥悄苤圃煸品?wù)平臺的服務(wù)，企業(yè)用戶可快速有效地實(shí)施基于云計(jì)算與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧工廠，降低設(shè)計(jì)與制造成本，提高資源利用率和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)，從而大幅縮短企業(yè)產(chǎn)品升級換代的周期，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，大幅提升工業(yè)企業(yè)的自主創(chuàng)新效率，推動(dòng)企業(yè)兩化深度融合的能力［8］?，F(xiàn)有主流的智能制造相關(guān)的系統(tǒng)有企業(yè)資源計(jì)劃(EnterpriseResourcePlanning,ERP)系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理(ProductLifecycleManagement,PLM)系統(tǒng)、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)(ManufacturingExecutuionSystem,MES)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SupervisoryControlandDataAcquistion,SCADA)系統(tǒng)等，建設(shè)面向〃兩化融合”的工業(yè)云平臺，就是要實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)在數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的有機(jī)融合，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)共享。基于虛擬化技術(shù)，本文以PC機(jī)構(gòu)建集群取代昂貴的服務(wù)器，降低建設(shè)成本；利用云計(jì)算技術(shù)為生產(chǎn)制造企業(yè)提供租用服務(wù)以替代軟件銷售，降低企業(yè)成本，最終實(shí)現(xiàn)按需部署、按需服務(wù)，開啟生產(chǎn)制造企業(yè)〃兩化”深度融合之路，推動(dòng)企業(yè)實(shí)現(xiàn)知識共享和協(xié)同研發(fā)，打通產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新鏈條。智能制造云服務(wù)平臺是將信息化建設(shè)的基本要素在平臺中形成面向服務(wù)的具有安全和運(yùn)行保障的云計(jì)算公共服務(wù)(簡稱云服務(wù))，主要提供平臺服務(wù)(PaaS)、軟件服務(wù)(SaaS)和數(shù)據(jù)服務(wù)(DaaS)，為〃兩化融合”建設(shè)專有業(yè)務(wù)系統(tǒng)準(zhǔn)備好所有信息化基礎(chǔ)設(shè)施資源，各工業(yè)企業(yè)利用這一公共服務(wù)平臺建設(shè)應(yīng)用云平臺(如空間地理信息云、中小企業(yè)云、食品云和金融云等)［9］。智能制造云服務(wù)平臺總體架構(gòu)如圖1所示。智能制造云服務(wù)平臺的建設(shè)形成基礎(chǔ)設(shè)施資源池、數(shù)據(jù)資源池、軟件資源池等信息化資源池，實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，真正使基礎(chǔ)設(shè)施成為基礎(chǔ)性的公共資源，為各類不同應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐服務(wù)。智能制造云服務(wù)平臺基于公共平臺，采用單點(diǎn)部署公共業(yè)務(wù)的方式，向區(qū)域內(nèi)相關(guān)企業(yè)提供多層次的工業(yè)信息化應(yīng)用服務(wù)。表1給出了可向各工業(yè)企業(yè)提供服務(wù)的部分公共應(yīng)用系統(tǒng)。因此，該平臺整合了智能制造從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理到銷售與服務(wù)的大部分應(yīng)用服務(wù)，并利用高性能計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，為中小企業(yè)提供購買或租賃信息化云服務(wù)。通過云服務(wù)最大限度的共享資源，節(jié)約資金［10］。智能制造云服務(wù)平臺采用信息化手段建設(shè)一批專有業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)(見表2)，以提高生產(chǎn)制造企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)營、銷售能力，提高生產(chǎn)力，開展多樣化服務(wù)，從而促進(jìn)深化〃兩化融合”的建設(shè)目標(biāo)［11］。智能制造云服務(wù)平臺最先為企業(yè)提供〃水平戰(zhàn)略數(shù)據(jù)整合”服務(wù)，其次提供〃垂直生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合”服務(wù)，最后實(shí)現(xiàn)了端一端的流程數(shù)據(jù)整合服務(wù)策略。目前，現(xiàn)代裝備制造業(yè)有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，利用設(shè)備現(xiàn)有的機(jī)械手或增加機(jī)械手、可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicCotroller,PLC)和自動(dòng)控制軟件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化；機(jī)械手結(jié)合專用定制的自動(dòng)化設(shè)備單元可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)控設(shè)備的自動(dòng)化改造，使以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化及系統(tǒng)集成技術(shù)為核心的智能制造裝備取得重大突破。由于重點(diǎn)行業(yè)裝備的數(shù)控化率較高，且大量先進(jìn)的信號監(jiān)測設(shè)備投入運(yùn)營，因此也產(chǎn)生了很多監(jiān)測數(shù)據(jù)。但這些監(jiān)測數(shù)據(jù)以不同組織形式存儲在不同的監(jiān)測站點(diǎn)，形成了一個(gè)個(gè)〃數(shù)據(jù)孤島”，彼此無法相互訪問與利用，要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合利用就顯得尤為困難［12］。本文提出用一種基于獨(dú)立安全域聯(lián)盟的數(shù)據(jù)交換與共享框架來管理各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使各監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)能夠互聯(lián)互通，完成多源信息融合，從而為上層決策系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析和故障智能診斷提供數(shù)據(jù)層面的支持［13］。該框架將每個(gè)數(shù)據(jù)源看成一個(gè)獨(dú)立的安全盟友進(jìn)行管理，盟友之間可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享；通過數(shù)據(jù)容器構(gòu)建一個(gè)全局虛擬數(shù)據(jù)庫視圖，并賦予每個(gè)盟友訪問該虛擬數(shù)據(jù)庫的權(quán)限和能力，實(shí)現(xiàn)各盟友間歷史數(shù)據(jù)的透明訪問。對于其他具有時(shí)效性的數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、定時(shí)數(shù)據(jù)等，則通過盟友用戶預(yù)先制定的各種數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱關(guān)系來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)推送與接收。每個(gè)聯(lián)盟成員都可以獲取當(dāng)前整個(gè)聯(lián)盟系統(tǒng)的所有發(fā)布數(shù)據(jù)；在這些發(fā)布的數(shù)據(jù)中，可能有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是本盟友在進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)分析時(shí)所必需的數(shù)據(jù)，則其可以根據(jù)需要對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行訂閱；當(dāng)這些發(fā)布數(shù)據(jù)有內(nèi)容更新時(shí)，該盟友可以及時(shí)地得到更新內(nèi)容。本文采用如下方案來解決多源數(shù)據(jù)的集中同步與一致性問題：將聯(lián)盟數(shù)據(jù)庫原有的兩兩數(shù)據(jù)直接交換的結(jié)構(gòu)改為先轉(zhuǎn)換成一種中間格式，再將中間格式轉(zhuǎn)換為目標(biāo)格式，如圖2所示。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了基于消息隊(duì)列的通信機(jī)制將盟友與盟友之間的通信關(guān)系充分解耦，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言(ExtensibleMarkupLanguage,XML)作為數(shù)據(jù)的基本交換格式，以屏蔽不同監(jiān)測系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)差異，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性［14］。智能制造云服務(wù)平臺的區(qū)域聯(lián)盟可以劃分為以下10個(gè)安全域。核心數(shù)據(jù)交換域(CoreSwitchDomain，CSD)。該域是整個(gè)云平臺的中心區(qū)域，負(fù)責(zé)云平臺各區(qū)域數(shù)據(jù)的交換。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)域(BusinessDataService,BDS)。該域?yàn)楣I(yè)企業(yè)各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)。⑶公開數(shù)據(jù)服務(wù)域(PublicDataStorageService，PSS)。該域以服務(wù)方式向所有用戶提供數(shù)據(jù)存儲。各工業(yè)企業(yè)的門戶網(wǎng)站將部署在該區(qū)域。⑷平臺核心服務(wù)域(PlatformCoreServic，PCS)。這是整個(gè)綜合服務(wù)中心的核心區(qū)域，為綜合服務(wù)中心提供平臺類服務(wù)。⑸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲域(BusinessDataStorage，BDS)。該域存儲平臺核心及不對互聯(lián)網(wǎng)用戶開放的數(shù)據(jù)。(6)業(yè)務(wù)管理服務(wù)域(BusinessManagementServices,BMS)。該域提供運(yùn)維管理、網(wǎng)絡(luò)管理、平臺資源配置管理、信息化基礎(chǔ)資源交付與受理服務(wù)。⑺安全管理域(SafetyManagementDistrict，SMD)。該域提供安全管理中心信息發(fā)布和展示、安全事件報(bào)表、風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢分析、告警等應(yīng)用、展示操作。(8)數(shù)據(jù)交換域(DataExchangeDomain，DED)。該域主要提供平臺內(nèi)各區(qū)域之間、平臺與平臺之間、平臺與平臺外應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換服務(wù)。⑼業(yè)務(wù)托管域(BusinessManagedDomain，BMD)，即應(yīng)用服務(wù)區(qū)。該域?yàn)橥泄茉诰C合服務(wù)中心的各類業(yè)務(wù)(除門戶及面向公眾的業(yè)務(wù))提供托管服務(wù)，提供相應(yīng)的計(jì)算資源、運(yùn)行環(huán)境、安全設(shè)施等。(10)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)域(InternetApplicationService，IAS)。該域?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)用戶服務(wù)，提供面向公眾的業(yè)務(wù)服務(wù)，如門戶網(wǎng)站、郵箱系統(tǒng)等。中云智慧工廠是一個(gè)基于臨港智能制造產(chǎn)業(yè)區(qū)的工業(yè)自動(dòng)化綜合管理系統(tǒng)示范平臺，能夠高效、直觀、迅速地整合企業(yè)所有信息資源，從而輔助智能決策。中云智慧工廠能夠?qū)崿F(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)工況信息的聯(lián)通與共享，能夠使不同信息系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。中云智慧工廠具備可視化信息查詢與信息統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)安防監(jiān)控、特定需求預(yù)測與預(yù)警、環(huán)境排污實(shí)時(shí)監(jiān)測、生產(chǎn)流程和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能。中云智慧工廠的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。中云智慧工廠全面集成企業(yè)的生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、安全管理，兼容所有智能設(shè)備，深度融合了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持各種串口通信協(xié)議和無線通信協(xié)議。系統(tǒng)通過統(tǒng)一的平臺管理各種設(shè)備，獲取各類數(shù)據(jù)信息，聯(lián)動(dòng)各類預(yù)、報(bào)警系統(tǒng)；提供可定制、可擴(kuò)充的各類業(yè)務(wù)服務(wù)模塊和各類數(shù)據(jù)報(bào)表服務(wù)模塊，提供面向用戶個(gè)性化需求的深度數(shù)據(jù)挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)高效、安全、節(jié)能的整體運(yùn)作。圖4給出了中云智慧工廠的基本架構(gòu)。該架構(gòu)包括決策層、運(yùn)營層、執(zhí)行層和設(shè)備層4層，相對應(yīng)的服務(wù)對象是集團(tuán)層、工廠層、車間層和生產(chǎn)線。處于最上層的是商業(yè)智能(BussinessIntelligence,BI)和決策執(zhí)行系統(tǒng)(DecisionSupportSystem,DSS);處在第2層的是與生產(chǎn)計(jì)劃、物流、能源和經(jīng)營相關(guān)的ERP、客戶關(guān)系管理(CustomerRelationshipManagement,CRM)、供應(yīng)鏈關(guān)系管理(SupplyChainManagement,SCM)等，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)相關(guān)的PLM；處在第3層的是與制造生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線控制、倉庫管理相關(guān)的MES、質(zhì)量管理系統(tǒng)(QualityManagementSystem,QMS)、倉庫管理系統(tǒng)(WarehouseManagementSystem,WMS)功能；處在最下層的是感知層，也是至關(guān)重要的一層，數(shù)據(jù)通過設(shè)備層的PLC、DCS傳出，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的采集以及追溯等。中云智慧工廠集成了計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、音頻和視頻、傳感器、虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及無線通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對企業(yè)的數(shù)字化綜合管理。中云智慧工廠系統(tǒng)主要具有以下功能。數(shù)據(jù)采集。負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的生產(chǎn)設(shè)備(如上位機(jī)、PLC)采集