李 磊,王志國

(安徽工程大學管理工程學院,安徽蕪湖 241000)

物聯(lián)網(wǎng)下離散制造系統(tǒng)PLM集成操控平臺淺析

李 磊,王志國?

(安徽工程大學管理工程學院,安徽蕪湖 241000)

針對離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的建模、仿真與優(yōu)化,研究工作中實時數(shù)據(jù)獲取、分析與診斷方法等的局限性,提出物聯(lián)網(wǎng)下產(chǎn)品生命周期管理(PLM)可視化操控平臺的構(gòu)建及應用研究．利用先進的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理手段,使集成平臺上的制造系統(tǒng)快捷和高效地獲取制造鏈上的有用信息．以離散制造系統(tǒng)PLM及其導入為對象,建立關(guān)于PLM可視化操控的技術(shù)體系,包括PLM可視化操控集成模型、PLM可視化操控技術(shù)、PLM駕駛艙體系結(jié)構(gòu)、決策效果的預測與仿真、基于軟構(gòu)件模型驅(qū)動的快速建造與重構(gòu)技術(shù)等．技術(shù)體系內(nèi)容統(tǒng)一了標準規(guī)范且開發(fā)了共性引擎管理工具,適應PLM內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的變化,為內(nèi)部資源優(yōu)化配置及外部市場快速響應提供支撐．

離散制造系統(tǒng);PLM操控平臺;操控集成模型;物聯(lián)網(wǎng)

當前制造企業(yè)面臨著越來越大的競爭壓力,要求產(chǎn)品交貨周期越來越短、質(zhì)量越來越高、價格越來越低等,面對這些挑戰(zhàn),企業(yè)紛紛采取各種手段和措施,不斷改善和提高自身競爭力．各種手段和措施都是以快速傳遞和處理生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)控制生產(chǎn)進程、提高企業(yè)的快速響應能力為目標的企業(yè)信息化技術(shù);都離不開對企業(yè)生產(chǎn)過程及運營狀態(tài)進行實時監(jiān)測、診斷、優(yōu)化和控制．為了達到上述目的,就要對系統(tǒng)及過程狀態(tài)進行描述建模、確定描述狀態(tài)參數(shù),并對數(shù)值進行實時獲?。捎趯崟r數(shù)據(jù)獲取、分析與診斷方法等方面的局限,使得關(guān)于離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的建模、仿真與優(yōu)化研究工作進展緩慢．

物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)技術(shù),通過計算機互聯(lián)網(wǎng),最終實現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)和共享．其應用價值主要表現(xiàn)為讓物體具有智慧、改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式和生活方式．基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的特點,為課題的研究提供了新的思路和途徑．

圍繞物聯(lián)網(wǎng)管理、產(chǎn)品生命周期管理可視化、可視化操控建模、可視化操控仿真等研究領(lǐng)域,國內(nèi)外學者開展了很多相關(guān)研究工作．如浙江大學的祁國寧教授研究了面向產(chǎn)品生命周期管理的項目管理[1]．東北大學的王成恩教授研究了產(chǎn)品生命周期建模與管理[2]．文獻[3]研究了制造企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理方面的原理、概念、策略等．在相關(guān)研究中,采用數(shù)學模型參數(shù)控制方法與附加某種假設(shè)條件與實際制造系統(tǒng)運行情況差異較大,無法在復雜系統(tǒng)PLM中獲得有效應用．常規(guī)智能方法和仿真技術(shù)由于其本身的局限性,只能適用于PLM的特定對象[4]．由于PLM的建模與優(yōu)化對提高制造業(yè)競爭力具有重要的作用,國外知名高技術(shù)公司投入了相當大的人力和財力,結(jié)合PLM中的特定對象研究開發(fā)自動化技術(shù),取得了一些實用成果,但這些研究缺乏普遍性,無法適應我國制造企業(yè)需要．因此,迫切需要從復雜PLM控制與優(yōu)化的實際需求出發(fā),將智能方法與優(yōu)化理論相結(jié)合,采用多學科交叉融合的手段,研究新的控制結(jié)構(gòu)和方法,以便形成較為完整的PLM實時、智能建模與優(yōu)化理論體系．通過高性能的優(yōu)化算法,在典型的復雜PLM中進行應用驗證,為發(fā)展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的面向物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的PLM建模與優(yōu)化軟件奠定堅實的基礎(chǔ),最終提高我國制造工業(yè)的整體水平．

1 PLM操控平臺運行原理與操控集成模型

離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的構(gòu)建有別于流程制造系統(tǒng),其體系結(jié)構(gòu)和運行原理由于具體制造企業(yè)的類型和特點的不同差異很大．由于整個供應鏈上的企業(yè)經(jīng)常采用的系統(tǒng)各不相同,甚至有時候存在無法集成,給PLM集成操控平臺的構(gòu)建帶來了困難．因此,系統(tǒng)集成商需要提供開發(fā)者和實施者具有制造系統(tǒng)行業(yè)特色的離散制造系統(tǒng)管控一體化集成服務(wù)．開發(fā)商要根據(jù)制造系統(tǒng)實際情況,開發(fā)不同的功能模塊,無疑增加了PLM集成操控平臺的復雜程度．而物聯(lián)網(wǎng)獲取實時信息數(shù)據(jù)簡單化的特點,使得實時信息采集和處理方面有了很大地改善,為PLM集成操控平臺的構(gòu)建及一體化集成服務(wù)提供了依據(jù)．基于物聯(lián)網(wǎng)的特點,離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的功能應包括:①參與方賬戶管理;②供應鏈上資源與需求發(fā)布;③制造過程能力評估與分析;④制造現(xiàn)場管理;⑤操控模塊管理與支持平臺維護管理等．通過集成平臺,整個供應鏈上的企業(yè)圍繞產(chǎn)品全壽命周期,結(jié)合自身企業(yè)的特點可共享與整合平臺上提供制造資源和制造任務(wù)．例如,當某一企業(yè)有富余生產(chǎn)能力的數(shù)控機床、檢測設(shè)備、分析軟件等軟硬件制造資源時,可通過平臺進行虛擬化云端接入,基于網(wǎng)絡(luò)提供制造服務(wù);與此同時,平臺上有服務(wù)需求的某企業(yè)離散制造系統(tǒng),可通過集成平臺在更大范圍內(nèi)尋找所需制造資源,并可低成本按需定制所需制造服務(wù)[5-7]．

離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺體系考慮從供應商到顧客,實現(xiàn)產(chǎn)品全過程的動態(tài)管控一體化．從計劃層到操作層,從企業(yè)內(nèi)部的采購部門到銷售部門,從企業(yè)外部的上下游企業(yè)等,實現(xiàn)平臺的層次結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系整體規(guī)劃和數(shù)據(jù)統(tǒng)一,是構(gòu)建離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的基礎(chǔ)．在分析現(xiàn)有相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上,包括網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)遠程控制技術(shù)、云制造服務(wù)平臺共性關(guān)鍵技術(shù)[6]、離散制造系統(tǒng)PLM管理信息系統(tǒng)平臺的內(nèi)涵、離散制造系統(tǒng)管控一體化運行模式建模理論、車間制造層數(shù)據(jù)采集與生產(chǎn)運營層信息轉(zhuǎn)換機制等,建立了離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的體系架構(gòu)如圖1所示．

由圖1可以看出,要構(gòu)建離散制造系統(tǒng)PLM可視化操控的技術(shù)體系應包括的主要功能模塊有:①平臺基礎(chǔ)層．其功能是為PLM操控平臺提供云服務(wù)、云存儲、云數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和云網(wǎng)絡(luò)鏈接等;②平臺集成運行環(huán)境層．其功能為保證系統(tǒng)運行的安全、監(jiān)控與管理等系統(tǒng)基礎(chǔ)層環(huán)境,提供一系列的工具集,支持在基礎(chǔ)層上進行制造資源與任務(wù)需求的發(fā)布、能力匹配等;③制造資源層．其功能是提供智能終端以及各種服務(wù)資源,通過統(tǒng)一注冊發(fā)布工具,形成標準接口的云構(gòu)件,不同需求方可以根據(jù)自己的需要采用云端接入方式進行匹配與調(diào)用;④平臺服務(wù)構(gòu)件層．其功能是存儲并管理各類粗細粒度不等的服務(wù)構(gòu)件,服務(wù)構(gòu)件的不同組合可以形成不同的業(yè)務(wù)種類,以便于不同的業(yè)務(wù)模型進行調(diào)用;⑤各部門業(yè)務(wù)模型層．其功能是能夠調(diào)用不同的服務(wù)組件響應不同的部門業(yè)務(wù)需求,圍繞產(chǎn)品PLM為供應鏈上的用戶需求提供最佳匹配、快速供需引導、跟蹤記錄管理流程．

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的體系從滿足制造過程的TQCSE 5方面信息集成出發(fā),構(gòu)建面向管理決策層的、簡單直觀顯示以產(chǎn)品為中心的企業(yè)運作過程及PLM方面的各類實時信息,提供操控建議、操控效果預測與仿真等的可視化操控平臺如圖2所示．由圖2可以看出,可視化PLM操控平臺運行原理中最為重要的兩部分為PLM系統(tǒng)可視化操控集成模型和PLM可視化操控技術(shù)．

提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)計劃進度、優(yōu)化利用資源、降低制造成本、維護系統(tǒng)穩(wěn)定、提高系統(tǒng)效率等是導入PLM系統(tǒng)的主要目標．根據(jù)這些目標,研究導入PLM系統(tǒng)可視化操控集成模型,包括需求模型、數(shù)據(jù)模型、事件模型、操控模型和仿真模型等．其中,需求模型從PLM的操控目標和操控內(nèi)容的角度,描述PLM可視化操控的需求;數(shù)據(jù)模型對滿足PLM可視化操控需求的各類數(shù)據(jù)進行了描述,包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、粒度、來源、頻率等,是PLM數(shù)據(jù)采集、組織、管理和可視化的依據(jù);事件模型對PLM操控事件進行定義,并建立事件與PLM數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,是PLM運行狀態(tài)分析與診斷的依據(jù);操控模型描述各事件的處理方法、操控對象與操控策略;仿真模型主要用于預測操控指令的效果及對PLM系統(tǒng)未來狀態(tài)的影響．根據(jù)PLM操控的目標和內(nèi)容,分析反映PLM狀態(tài)的數(shù)據(jù)及其最終來源,分析觸發(fā)PLM操控的外部事件和內(nèi)部事件及其處理方法,研究事件處理方法對PLM狀態(tài)的影響,建立描述需求、數(shù)據(jù)、事件、操控、仿真等內(nèi)容及其相互關(guān)系的PLM可視化操控集成模型．

運用Witness SIMBA SDK仿真優(yōu)化軟件,對建立PLM可視化操控集成模型進行仿真、驗證和完善所建立模型．針對PLM數(shù)據(jù)具有多源性、分布性、異構(gòu)性、海量性、實時性等特點,利用實時數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)挖掘、可視化、虛擬儀器/儀表等技術(shù)的研究成果,根據(jù)PLM可視化操控的需求,從而實現(xiàn)PLM數(shù)據(jù)過濾、管理與可視化技術(shù)．

2 PLM平臺操控技術(shù)引擎和管理工具

構(gòu)建離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺是一項較復雜的系統(tǒng)工程,平臺參與方的合作及參與程度直接影響系統(tǒng)的開發(fā)成?。疄樘岣呒善脚_的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量、降低開發(fā)風險與開發(fā)成本、提高平臺的標準化程度和集成度,要求在現(xiàn)有理論和技術(shù)基礎(chǔ)上,依據(jù)平臺標準規(guī)范和體系結(jié)構(gòu),開發(fā)出來一整套系列化的、適應我國制造企業(yè)的系統(tǒng)PLM操控平臺共性引擎套件和管理工具集．PLM可視化操控技術(shù)是采集和管理從PLM中采集的信息,以直觀的方式向操作人員顯示PLM實時狀態(tài)、操控決策所需數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果與操控建議,并對ERP所下達的計劃指令進行效果仿真,提高PLM操控決策的科學性,實現(xiàn)PLM優(yōu)化運行．圍繞“信息獲取→運行監(jiān)視→系統(tǒng)操控→信息再獲取”的PLM操控環(huán)路,研究數(shù)據(jù)管理與可視化技術(shù)、PLM在線診斷與操控決策技術(shù)和操控效果預測與仿真技術(shù),為構(gòu)建PLM系統(tǒng)可視化操控提供技術(shù)指導,其平臺框架如圖3所示．

(1)PLM可視化操控技術(shù)及各關(guān)鍵技術(shù)功能．數(shù)據(jù)管理與可視化技術(shù):PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有多源性、分布性、異構(gòu)性、海量性、實時性等特點,根據(jù)PLM的操控目標和操控內(nèi)容,平臺可以對PLM中的數(shù)據(jù)進行過濾、組織、存儲、檢索與可視化展示．在線診斷與操控決策技術(shù):在數(shù)據(jù)模型、事件模型和操控模型的基礎(chǔ)上,PLM系統(tǒng)狀態(tài)在線診斷與操控決策技術(shù)為計劃、決策、優(yōu)化配置等提供支持．操控效果預測與仿真技術(shù):基于仿真模型和實時數(shù)據(jù)的PLM操控效果、系統(tǒng)未來狀態(tài)等預測與仿真技術(shù),為提高PLM操控的科學性和優(yōu)化提供支持．

(2)PLM集成操控平臺的共性引擎套件．離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的共性引擎主要為系統(tǒng)開發(fā)、模型構(gòu)建、應用驗證和業(yè)務(wù)推廣提供技術(shù)支撐,主要包括參與主體的評估方法、快速與準確性匹配方法、達成合作協(xié)同邏輯方法、智能業(yè)務(wù)流程管理方法、知識管理工具和技術(shù)方法等．參與主體的評估方法是采用主體信用反饋機制及其信用評價算法,實現(xiàn)主體交易信用信息管理、主體信用評價、主體信用綜合查詢分析．快速與準確性匹配方法是采用制造系統(tǒng)自學習服務(wù)搜索算法,通過關(guān)鍵詞、結(jié)構(gòu)特征、本體語義等方式實現(xiàn)制造服務(wù)快速搜索,采用智能語義匹配算法實現(xiàn)制造服務(wù)供與需的匹配．達成合作協(xié)同邏輯方法是采用制造能力交易描述語言實現(xiàn)對整個交易過程的靜態(tài)描述,進行交易實例的構(gòu)建、管控、記錄．智能業(yè)務(wù)流程管理方法是在對離散制造系統(tǒng)制造能力、任務(wù)盤點、云合作交易過程等的多層次、多維度綜合建模,結(jié)合業(yè)務(wù)過程不同的特點,利用信息地圖挖掘算法、信息相似性度量算法以及過程模型檢索算法,利用計算機仿真分析技術(shù)對供應鏈上企業(yè)的合作交易過程結(jié)構(gòu)合理性、行為合規(guī)性、活動可調(diào)度性、過程成功率等方面進行分析,實現(xiàn)智能化流程在線管理．知識管理工具和技術(shù)方法是利用數(shù)據(jù)挖掘和分析、行業(yè)知識、企業(yè)內(nèi)外部知識聚合與分類算法,采用在線仿真程序模擬,實現(xiàn)在集成平臺中統(tǒng)一對制造全過程的PLM知識庫建立、語義分析、語義搜索和查詢．

(3)PLM操控平臺共性管理工具集．離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺共性管理工具集的開發(fā),首先分析平臺使用者的習慣和以往應用工具的特征,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建友好的人機交互應用工具套件．為實現(xiàn)平臺的易操作性和功能的便捷性,集成平臺的工具集包括統(tǒng)一用戶賬號管理、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)統(tǒng)一應用工具、系統(tǒng)管理開發(fā)工具和資源虛擬化應用工具等[8-9]．統(tǒng)一用戶賬號管理能夠?qū)Ω鞣N用戶分類選擇,在一個標準下配置賬號,滿足網(wǎng)上服務(wù)的安全性、統(tǒng)一性和可擴充性的需求．集成平臺系統(tǒng)為多參與主體根據(jù)自身特點和產(chǎn)品功能協(xié)同定制業(yè)務(wù)流程外包提供全生命周期管理功能．系統(tǒng)平臺的管理功能可滿足大容量、高并發(fā)、高可用的操控．

3 PLM操控平臺的服務(wù)模式

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺要想進入實際應用階段,就必須在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)實現(xiàn)供應鏈上企業(yè)制造資源的集成和共享,因此,集成平臺需要針對離散制造系統(tǒng)與制造服務(wù)業(yè)務(wù)特點、資源屬性等方面的不同,建立適宜可行的運行服務(wù)模式．PLM操控平臺的運行服務(wù)模式結(jié)合業(yè)務(wù)提供方式、資源類型、參與者類型、服務(wù)商務(wù)種類和盈利模型等[6,10]．通過在線、離線、在線與離線相結(jié)合等制造服務(wù)模式,使分散的系統(tǒng)資源集中被使用,集中的系統(tǒng)資源在更廣闊的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境發(fā)揮分散服務(wù)作用[11-12],這種離散制造系統(tǒng)PLM服務(wù)結(jié)構(gòu)模式如圖4所示．

由圖4可以看出,制造資源服務(wù)包括在線模式、離線模式以及在線與離線混合模式;在資源模型中有供給模型、需求模型以及供給與需求匹配模型;在機制選擇中有獨立機制、聯(lián)合機制以及混合機制．在服務(wù)和運行模式集合中,“＋”意味著擁有核心技術(shù)支持的企業(yè)和供應鏈企業(yè)在云端上平等競爭,但是核心企業(yè)可以提供技術(shù)開發(fā)、實施和應用資源,使得其在制造系統(tǒng)中可以個性化定制與整合資源配置,以利于其在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進行PLM集成操控平臺構(gòu)建中起引導作用[13]．

4 物聯(lián)網(wǎng)下離散制造系統(tǒng)PLM集成操控平臺的特點

針對現(xiàn)在PLM集成操控平臺存在實時數(shù)據(jù)獲取、分析與診斷方法等方面的局限,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展,解決了信息傳遞和數(shù)據(jù)獲取的便捷性和高效性,可以實現(xiàn)PLM操控平臺不同環(huán)節(jié)、部門、系統(tǒng)間的信息交互,其管理過程也將從簡單的靜態(tài)信息獲取處理走向全局的動態(tài)實時信息加工處理,降低制造成本,更迅速、有效地適應復雜市場環(huán)境的變化．

在生產(chǎn)運營中,企業(yè)難以適應復雜多變的環(huán)境變化,要求產(chǎn)品交貨周期越來越短、質(zhì)量越來越高、價格越來越低等,操控平臺難以進行實時監(jiān)測、診斷、優(yōu)化和控制．在離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺體系中,物聯(lián)網(wǎng)對信息獲取和處理方面便捷、高效的特有屬性,保障了從供應商到顧客,實現(xiàn)產(chǎn)品全過程的動態(tài)管控一體化．為實現(xiàn)平臺的層次結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系整體規(guī)劃和數(shù)據(jù)統(tǒng)一提供了充足的理論依據(jù),使離散制造系統(tǒng)PLM操控集成模型的建立及運行具有可能性．

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對信息獲取和處理的雙向性、實時性等特點簡化了PLM平臺操控技術(shù)引擎和管理工具,技術(shù)體系內(nèi)容統(tǒng)一了標準規(guī)范且開發(fā)了共性引擎管理工具,適應了PLM內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的變化,為內(nèi)部資源優(yōu)化配置、外部市場快速響應提供支撐,使得基于物聯(lián)網(wǎng)PLM操控平臺的服務(wù)模式更加完善,使分散的系統(tǒng)資源集中被使用,集中的系統(tǒng)資源在更廣闊的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境發(fā)揮分散服務(wù)作用,更好地適應了復雜多變的市場環(huán)境．

5 結(jié)束語

如何在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下充分利用和整合制造系統(tǒng)的資源供給信息、服務(wù)需求信息、制造能力信息,是合理利用、共享資源、提升制造企業(yè)綜合競爭力的關(guān)鍵．在分析PLM操控平臺運行原理的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了集成操控模型．圍繞平臺開發(fā)的技術(shù)引擎和管理工具集,給出了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下PLM系統(tǒng)操控平臺框架．在現(xiàn)有平臺核心理論和技術(shù)、平臺的標準與規(guī)范、平臺共性引擎和共性管理工具、平臺的體系結(jié)構(gòu)的框架內(nèi),提出了適應大容量、高并發(fā)、高沖突操控環(huán)境的PLM平臺服務(wù)和運行模式,為云制造服務(wù)需求和資源響應提供信息平臺支撐．

由于系統(tǒng)的設(shè)計存在數(shù)據(jù)易被竊取的風險,且實施費用較高,僅僅在理論上做了一些研究,設(shè)計方案仍需進一步完善,以便今后實際應用,這也是后續(xù)研究的重點．

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LI Lei,WANG Zhi-guo?
(College of Management Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Based on PLM manipulation of the platform in discrete manufacturing system modeling,simulation and optimization research work in the real time data acquisition,analysis and diagnosis methods of limitations,research on the construction and application of controlling techniques of PLM under the Internet of Things is conducted．By using advanced data collection,transmission and processing methods in the manufacturing chain,the manufacturing system can obtain useful information quickly and effciently．A set of technology system of visualization manipulation of PLM is established through the techniques and methods of the Internet of Things(IOT)and visualization managemten．The technology system includes the manipulation integration model,controlling techniques,dashboard architecture,prediction and simulation of decision effectiveness,rapid construction and reconfiguration based on soft component model-driven．The system adapts to the changes of internal structure and external environment of PLM, which provides support,for inner resource allocation and outer market change．

discrete manufacturing systems;PLM control platform;manipulated integration model;Internet of Things

TH166;TP30

A

1672-2477(2015)04-0079-06

2015-03-10

李 磊(1991-),男,安徽淮北人,碩士研究生．

王志國(1976-),男,吉林雙遼人,副教授,碩導．