一、前言

產(chǎn)品設(shè)計是影響產(chǎn)品質(zhì)量和制造成本的重要環(huán)節(jié)。協(xié)同設(shè)計方式可以充分利用現(xiàn)有設(shè)計資源并發(fā)揮最大價值，是一種降低產(chǎn)品設(shè)計成本的優(yōu)化策略。盡管傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境能夠完成協(xié)同設(shè)計工作，但受軟硬件系統(tǒng)靜態(tài)性的限制 [1]，設(shè)計資源存在一些“信息孤島”現(xiàn)象致使資源利用不平衡，無法實現(xiàn)對異構(gòu)、異地、海量資源的共享和按需使用，難以充分滿足用戶對系統(tǒng)動態(tài)性的需求。因此，在產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計時，如何讓設(shè)計人員充分地訪問并利用豐富的設(shè)計資源，提高產(chǎn)品設(shè)計水平，降低產(chǎn)品設(shè)計成本，是一個重要的研究課題。

有效提升產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計效率，突破傳統(tǒng)設(shè)計模式，一直是國內(nèi)外學術(shù)界和業(yè)界的研究熱點。 Golightly 等 [2] 討論了云制造環(huán)境中的協(xié)作技術(shù)。美國麻省理工學院開展了計算機輔助的分布式集成環(huán)境（DICE）研究項目，建立了一套便于設(shè)計人員協(xié)同工作的基于云制造的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng) [3]。美國斯坦福大學開展了并行工程的可擴展框架和方法論（SHARE）項目研究，團隊成員間通過云技術(shù)共享設(shè)計知識和設(shè)計理念 [4]。美國波音公司采用基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作設(shè)計來管理分布于全球 40 多個國家和地區(qū)的制造公司共同制造波音 787 客機，使開發(fā)周期縮短了 30%，成本降低了 50% [5]。Katzmaier 等 [6] 的研究結(jié)果表明，基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計模式在通用性、多樣性和協(xié)同性上已超過傳統(tǒng)設(shè)計模式。國內(nèi)也有研究團隊對云設(shè)計和仿真技術(shù)進行研究，構(gòu)建了用于飛行器虛擬樣機協(xié)同設(shè)計的云仿真平臺 [7]。綜上，基于互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計已具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)，展現(xiàn)出較強的技術(shù)優(yōu)勢，如提高設(shè)計效率、提升設(shè)計通用性與協(xié)同性等。然而，對于高精度設(shè)備信息、高級專家經(jīng)驗、設(shè)計知識資源，亟需采用計算能力更強的制造模式以實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同與資源共享，有效組織、管理和配置異構(gòu)資源，提高資源利用率 [8]。

云制造模式不僅具有云計算的優(yōu)點，而且還擁有柔性制造和網(wǎng)絡(luò)化制造等先進制造模式的優(yōu)勢 [9]。云制造模式可以高效共享與協(xié)同海量制造資源、具有良好的系統(tǒng)開放性和用戶參與度，成為先進制造模式的重要發(fā)展方向（見表 1）[10]。為更好應對傳統(tǒng)制造業(yè)向服務型和創(chuàng)新型制造業(yè)轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)，本文開展基于云制造的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)研究，論述相關(guān)平臺架構(gòu)的先進制造技術(shù)；以某公司部署的云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)為例，分析平臺系統(tǒng)的架構(gòu)和功能并驗證其有效性和優(yōu)越性。

表 1 云制造模式與其他先進制造模式之間的比較

二、云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品平臺架構(gòu)分為資源層、工具層和應用程序?qū)樱瑐?cè)重于集中資源并盡可能獨立完成產(chǎn)品開發(fā)任務。而事實上，產(chǎn)品開發(fā)過程是通過多方合作來完成的，需要進行大量資源計算，而傳統(tǒng)產(chǎn)品平臺已不能滿足當前的應用需求。因此，本文基于云制造技術(shù)，提出了云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)（見圖 1）。該平臺是基于其原始架構(gòu)，融合并擴展了支持分布式企業(yè)之間業(yè)務協(xié)作的云制造產(chǎn)品平臺來構(gòu)建的，可以有效共享多種資源，如制造、信息、技術(shù)以及與產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)的標準化設(shè)計資源等，提高資源利用率。云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)主要由資源層、云技術(shù)層、云服務層、應用層、用戶層 5 個層面組成。

圖 1 云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)

1. 資源層

資源層是云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺的物理基礎(chǔ)。平臺中的設(shè)計資源集合了產(chǎn)品生命周期中所涉及的計算能力、知識、軟件、硬件和相關(guān)標準等資源，在云制造環(huán)境中用戶可靈活選擇和利用這些資源。資源層可有效解決設(shè)計資源過載或閑置以及軟硬件系統(tǒng)靜態(tài)性限制等問題，提高資源利用率。

2. 云技術(shù)層

在云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺上，實現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵是解決云制造環(huán)境中設(shè)計資源的共享問題。云技術(shù)層的目標是高效共享和管理多樣性、異構(gòu)性和特殊性的資源，對各種設(shè)計資源和能力實現(xiàn)智能感知與控制，并對虛擬資源進行監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)和快速共享。云技術(shù)層主要利用資源虛擬化技術(shù)、資源管理技術(shù)、資源感知技術(shù)和 IoT 技術(shù)等對設(shè)計資源開展統(tǒng)一標準地描述和封裝。

3. 云服務層

云服務層面向設(shè)計人員，通過云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺為其提供服務。通過抽象產(chǎn)品設(shè)計過程，提煉產(chǎn)品設(shè)計任務關(guān)鍵進程，得到云服務層的主要內(nèi)容，為管理用戶數(shù)據(jù)、監(jiān)控資源服務質(zhì)量、分配設(shè)計任務、消解資源沖突、維護系統(tǒng)安全等提供服務。云服務層是云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺的核心層，平臺的運行與維護、資源的計算與分配、數(shù)據(jù)的管理與共享等都可以在本層實現(xiàn)。

4. 應用層

應用層具有多個統(tǒng)一的功能調(diào)用接口，用于實現(xiàn)云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺的基本功能。基于實際業(yè)務情況，通過運用組合各個基本功能接口的方法，應用層可最大程度滿足設(shè)計任務需求，實現(xiàn)包括產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計、建模、仿真、制造在內(nèi)的多項關(guān)鍵功能。

5. 用戶層

用戶層基于交互界面通過網(wǎng)絡(luò)進行訪問，直接面向用戶的應用環(huán)境，便于用戶對云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺的各項功能進行訪問與調(diào)用。本層是平臺各項功能在操作系統(tǒng)中的直觀表現(xiàn)層，將系統(tǒng)環(huán)境與系統(tǒng)用戶相融合，實現(xiàn)了人與平臺的共融。

三、云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)

云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺是一個復雜的系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)體系涉及云制造、產(chǎn)品族和產(chǎn)品平臺、產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計等方面（見圖 2）。

圖 2 云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)

（一）云制造關(guān)鍵技術(shù)

1. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

IoT 技術(shù)在云制造中的應用有 3 個層次：使用傳感裝置和技術(shù)對各種制造設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)連接、自動控制等進行感知；促使制造系統(tǒng)中的物流和能源智能化，并支持服務的智能運行，如服務之間的智能交互和協(xié)作；支持云制造用戶的通信 [11]。

2. 云服務技術(shù)

云服務技術(shù)采用 IoT、虛擬化等技術(shù)封裝基于知識的分布式設(shè)計資源和制造能力，使資源（如產(chǎn)品全生命周期中涉及的軟件、硬件、計算能力、專家知識和相關(guān)標準）高度虛擬化，并以云服務的形式為用戶提供制造全生命周期的應用。用戶靈活訪問這些應用，實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)計資源和能力的共享和調(diào)用。云服務的形成過程是云制造資源和能力服務化的過程 [1]。云制造系統(tǒng)中的用戶、資源和云服務之間關(guān)系如圖 3 所示。

圖 3 用戶、資源和云服務的關(guān)系

3. 資源管理技術(shù)

資源管理是云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺對異構(gòu)、異地的設(shè)計資源進行描述、封裝、搜索與推送的關(guān)鍵和難點。資源管理技術(shù)主要圍繞資源統(tǒng)一分類和描述、資源虛擬化、資源發(fā)現(xiàn)、資源綁定策略 4 個方面展開。

（1）資源統(tǒng)一分類和描述。根據(jù)云服務環(huán)境下設(shè)計資源的分布、異構(gòu)、自治、量大、類多等特點，采用相關(guān)技術(shù)對各類資源進行統(tǒng)一分類和描述，便于資源的集成、共享和管理。例如，運用可擴展標記語言（XML）、Web 服務本體語言（OWL-S）和統(tǒng)一建模語言（UML），建立相應的可擴展描述模板。在建立資源描述的過程中，應充分考慮資源發(fā)現(xiàn)、整合和匹配的要求，盡可能地完整描述資源。

（2）資源虛擬化。為解決資源多地分布和異構(gòu)性問題，需要將部署在云制造系統(tǒng)中的資源進行虛擬化，方便在網(wǎng)絡(luò)上進行統(tǒng)一訪問。資源虛擬化主要有虛擬描述和服務封裝兩個階段：虛擬描述旨在建立一個資源描述規(guī)范，以統(tǒng)一的虛擬資源數(shù)據(jù)模型全面表示制造資源信息；服務封裝從虛擬資源數(shù)據(jù)模型中提取設(shè)計資源的功能特征并將其封裝為云服務，在統(tǒng)一界面中與云平臺進行互操作 [12]。

（二）產(chǎn)品族和產(chǎn)品平臺關(guān)鍵技術(shù)

1. 模塊劃分技術(shù)

模塊劃分技術(shù)在云制造產(chǎn)品平臺中的應用主要有兩類：以功能和結(jié)構(gòu)為劃分依據(jù)，通過算法對產(chǎn)品進行單元模塊劃分，構(gòu)建產(chǎn)品模塊，通過模塊的選擇和組合形成不同的產(chǎn)品，滿足市場需求 [13]；將復雜任務快速分解為多個可調(diào)度的子任務，在云制造環(huán)境中創(chuàng)建完成任務的映射關(guān)系，協(xié)調(diào)每個子任務用戶完成任務。

2. 產(chǎn)品平臺參數(shù)化設(shè)計技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計技術(shù)是典型的產(chǎn)品平臺技術(shù)，處理從用戶交互界面接收的參數(shù)化設(shè)計數(shù)據(jù)，根據(jù)參數(shù)傳遞關(guān)系生成結(jié)構(gòu)模型的驅(qū)動參數(shù)；將新生成的模塊參數(shù)輸入相應的模型數(shù)據(jù)庫，修改生成新產(chǎn)品的三維（3D）模型和平面（2D）工程圖。

3. 產(chǎn)品配置技術(shù)

云制造產(chǎn)品配置技術(shù)由可視化引擎、用戶界面、產(chǎn)品評估、配置引擎、云制造服務 5 個主要模塊組成 [14]。產(chǎn)品配置與云制造服務之間的關(guān)系如圖4 所示。在響應系統(tǒng)請求之后，云制造服務將所需的產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)，以支持產(chǎn)品進行配置，隨后提交產(chǎn)品的最終規(guī)格及相關(guān)信息進行下一步處理。配置引擎參考強制配置規(guī)則和約束，根據(jù)用戶輸入要求生成有效的產(chǎn)品規(guī)格。可視化引擎提供基于 Web 的動態(tài)產(chǎn)品可視化，查看和操作 3D 產(chǎn)品模型以支持產(chǎn)品配置。用戶與系統(tǒng)的交互主要用于接收用戶需求并查看配置反饋。

圖 4 產(chǎn)品配置和云制造服務的關(guān)系

（三）產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1. 動態(tài)監(jiān)控技術(shù)

在云制造服務的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺中，動態(tài)監(jiān)控技術(shù)可以全面監(jiān)控資源的服務狀態(tài)，確保云制造服務的平穩(wěn)高效運行。動態(tài)監(jiān)控技術(shù)主要進行的檢測有：①協(xié)作過程監(jiān)測，為保證復雜設(shè)計任務高效、快速地完成，運用云制造環(huán)境的智能沖突檢測模型，實時監(jiān)測協(xié)同設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)、過程、權(quán)限等沖突，快速調(diào)用沖突消解服務，提升協(xié)作效率；②資源動態(tài)監(jiān)測，采用高效的資源監(jiān)測策略，對資源分配和調(diào)用過程進行實時動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理資源故障，最大限度地降低資源分配和調(diào)用對系統(tǒng)硬件的需求，提升監(jiān)測效率；③系統(tǒng)故障監(jiān)測，對系統(tǒng)的軟件和硬件進行實時監(jiān)測，對系統(tǒng)故障采用緊急預案進行處理，避免系統(tǒng)徹底崩潰對設(shè)計任務和設(shè)計資源造成損失。

2. 系統(tǒng)安全技術(shù)

在高度開放性的云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺中，安全性是保障系統(tǒng)順利運行的關(guān)鍵。系統(tǒng)安全技術(shù)主要解決的問題有：平臺安全性測試，主要體現(xiàn)為平臺在執(zhí)行任務過程中可以動態(tài)添加和刪除用戶；平臺用戶權(quán)限授予，即平臺在任務協(xié)調(diào)過程中，對用戶權(quán)限進行合理適度的授予以保證用戶既能完成設(shè)計任務，又不會對設(shè)計權(quán)限以外的事務造成干擾。

四、云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)實例分析

產(chǎn)品需求變化迅速，良好的產(chǎn)品設(shè)計模型至關(guān)重要。本文在研究產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，以某公司部署的云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)（見圖 5）為例，描述云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺的應用情況，對系統(tǒng)功能進行介紹和分析。該公司平臺系統(tǒng)的性能在產(chǎn)品全生命周期中均表現(xiàn)良好。

圖 5 云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)

注：Maas 表示制造即服務；SaaS 表示軟件即服務；PaaS 表示平臺即服務；IaaS 表示基礎(chǔ)設(shè)施即服務；ERP 表示企業(yè)資源計劃；MES 表示制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)；CRM 表示客戶關(guān)系管理；OA 表示辦公自動化；QM 表示質(zhì)量管理；SCM 表示軟件配置管理。

（一）系統(tǒng)功能介紹

某公司部署的云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)主頁由 5 個功能模塊組成（見圖 6）。①用戶數(shù)據(jù)管理服務，用于用戶的權(quán)限授權(quán)和管理，不同角色的用戶被授予嚴格的權(quán)限級別，確保任務安全順利完成；②產(chǎn)品管理服務，用于產(chǎn)品生命周期管理，包括協(xié)同設(shè)計、協(xié)同建模、協(xié)同仿真和協(xié)同生產(chǎn)；③資源管理服務，用于描述、封裝、管理和應用資源，使用戶能夠快速有效地利用資源；④沖突消解服務，用于制定檢測分類、解決策略，解決任務分配以及智能處理系統(tǒng)運行期間的沖突等；⑤系統(tǒng)安全服務，在系統(tǒng)運行過程中對系統(tǒng)的所有參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控，保障產(chǎn)品平臺中的產(chǎn)品實時設(shè)計數(shù)據(jù)、歷史設(shè)計案例、各類設(shè)計資源的安全性。

圖 6 云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)主頁

針對云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)的產(chǎn)品管理服務，以 1 臺數(shù)控銑床為例，說明產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計、產(chǎn)品協(xié)同建模、產(chǎn)品協(xié)同仿真的應用情況。

（1）產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計應用可通過云服務器調(diào)用計算機輔助設(shè)計軟件（CAD），讀取所選部件的 3D 結(jié)構(gòu)圖和 2D 工程圖，實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計。通過讀取 3D 模型獲取產(chǎn)品模型的相關(guān)參數(shù)，以參數(shù)驅(qū)動的方法實現(xiàn)對 3D 結(jié)構(gòu)模型的尺寸修改，并更新其模型存儲數(shù)據(jù)庫。

（2）產(chǎn)品協(xié)同建模應用的步驟為：根據(jù)用戶的需求情況，確定數(shù)控銑床系列；確定數(shù)控銑床每個模塊中的參數(shù)、結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)特性，并選擇不同的結(jié)構(gòu)模塊代碼；對各模塊進行組合選擇，快速設(shè)計出新的數(shù)控銑床產(chǎn)品；對數(shù)控銑床的主要結(jié)構(gòu)模塊進行修改和保存，將結(jié)構(gòu)模塊組裝成符合客戶需求的數(shù)控銑床。

（3）在產(chǎn)品協(xié)同仿真應用中，數(shù)控銑床模型的導入，載荷、約束的施加以及后期處理都可以通過命令流來實現(xiàn)。用戶可以編輯任務編號、任務名稱等信息，也可以設(shè)置任務的結(jié)束時間。系統(tǒng)將根據(jù)任務結(jié)束時間動態(tài)調(diào)用相關(guān)資源，如計算過程中服務器使用的中央處理器（CPU）數(shù)量，確保任務按時完成。仿真分析結(jié)果將顯示在界面上，可以超文本標記語言（HTML）格式文件輸出。

（二）系統(tǒng)分析

以任務分配時間、任務完成時間作為衡量傳統(tǒng)制造模型效率和云制造模型效率的指標，選擇位于北京市的 3 家制造企業(yè)（代號為 A、B、C）作為研究對象。經(jīng)許可，研究團隊進入企業(yè)的 MES 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，分別采集了 3 家企業(yè)在應用云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)前后關(guān)于分配任務所需時間和完成任務所需時間的相關(guān)數(shù)據(jù)，以 3 家企業(yè)任務時間的平均值作為評估指標。限于數(shù)據(jù)量過大，通過選取關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)繪制圖表的方式來比較兩種制造模式。

基于兩種制造模式分配和完成任務的時間差異如圖 7 所示，圖 7a 是 3 家企業(yè)任務分配時間的平均值；圖 7b 中的虛線是通過 3 家企業(yè)任務完成時間的散點坐標得到的擬合線，顯示了企業(yè)在兩種制造模式下完成任務所需的時間差異。在初始階段，由于云制造模式的運行機制復雜，其響應速度不如傳統(tǒng)制造模式，當任務量達到一定值時，云制造模式的計算優(yōu)勢將得到顯現(xiàn)。

圖 7 基于兩種制造模式分配和完成任務的時間差異

五、結(jié)語

在對協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域現(xiàn)狀和傳統(tǒng)制造模式的資源使用與共享情況進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，本文提出了面向云制造的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺 5 層架構(gòu)，將云制造技術(shù)、產(chǎn)品族和產(chǎn)品平臺技術(shù)、產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計技術(shù)進行有機結(jié)合，建立了云制造產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺原型系統(tǒng)，在相關(guān)制造企業(yè)中完成了應用驗證。與傳統(tǒng)制造模式進行綜合比較，分析了基于兩種制造模式分配任務和完成任務的時間差異，驗證了云制造模式的有效性和優(yōu)越性。

基于云制造的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺在今后相關(guān)制造企業(yè)的應用中，應結(jié)合工程實際情況，利用云制造模式敏捷化、智能化特點，在產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期內(nèi)充分發(fā)揮云制造模式的優(yōu)勢，實現(xiàn)設(shè)計人員、客戶需求方、產(chǎn)品供應商等多個主體協(xié)同交互完成產(chǎn)品的設(shè)計制造過程，提高產(chǎn)品設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

云制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展，受技術(shù)和時間所限，文中研究仍有許多未盡之處。未來可從以下方面開展進一步研究：比較各種云服務架構(gòu)的有效性，對資源封裝、動態(tài)監(jiān)測等云技術(shù)進行優(yōu)化，完善產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺；以支持增材制造和大數(shù)據(jù)分析為目標，改進基于云制造的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計平臺的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)產(chǎn)品快速制造和市場需求預測等功能。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于云制造的产品协同设计平台架构研究的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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