張連進

（中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，四川 成都 610503）

0 引 言

工業(yè)APP 是將工業(yè)技術進行顯性化、模型化后形成的面向特定場景的模塊化軟件，其本質(zhì)是將工業(yè)知識和技術封裝為特定軟件，是一種包含工業(yè)知識的新型軟件形態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過大規(guī)模連接軟件、機器和設備，構(gòu)建了工業(yè)神經(jīng)系統(tǒng)，而工業(yè)APP 通過封裝工業(yè)知識和技術，構(gòu)建了工業(yè)大腦，這一新的工業(yè)模式將給制造業(yè)帶來深刻變革。

工業(yè)APP 并不完全是新生事物，是兩化深度融合的一種新的形態(tài)。近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，工業(yè)APP 從傳統(tǒng)的單機架構(gòu)、單體架構(gòu)，逐漸演進到微服務、云原生架構(gòu)，目前正處于由傳統(tǒng)架構(gòu)向云原生架構(gòu)演進的混合階段。

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部存在大量異構(gòu)工業(yè)軟件、系統(tǒng)及設備，如何讓代表工業(yè)技術、知識的工業(yè)APP 與底層工具解耦，降低系統(tǒng)耦合度，是工業(yè)APP 開發(fā)的難點。通常認為，微服務架構(gòu)是構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的構(gòu)建最佳的IT 技術手段，算法、模型、知識等要素可以被封裝為微服務組件，進而以“搭積木”的方式被調(diào)用和編排，實現(xiàn)低門檻、高效率的工業(yè)APP 開發(fā)。

本文將首先討論工業(yè)微服務的模型及其編排調(diào)度，然后對基于微服務的工業(yè)機理模型進行研究，最后將介紹在航空發(fā)動機領域的應用實踐。

1 工業(yè)微服務

1.1 微服務架構(gòu)

微服務架構(gòu)最早由Martin Fowler 與James Lewis 于2014年共同提出。微服務架構(gòu)以單一功能組件為基礎，通過模塊化組合方式開發(fā)軟件，實現(xiàn)“松耦合”。每個微服務運行在自己的進程中，使用輕量級通信機制，如HTTP API，這些服務基于業(yè)務能力構(gòu)建，并能夠通過自動化部署機制來獨立部署。

與傳統(tǒng)整體式架構(gòu)相比，微服務架構(gòu)具備兩個顯著特點：一是應用開發(fā)和維護的高度靈活性。每個微服務可以由不同團隊運用不同語言和工具進行開發(fā)和維護，不互相耦合，而整體式架構(gòu)下任何修改都有可能牽一發(fā)動全身。二是應用運行的去中心化。不同微服務能夠分布式運行，微服務間的數(shù)據(jù)和資源相互隔離，單個微服務的故障將被隔離從而避免整個系統(tǒng)的崩潰。

1.2 工業(yè)APP 和工業(yè)微服務

工業(yè)微服務是借鑒軟件領域的微服務架構(gòu)風格和技術，將工業(yè)領域的機理模型、算法進行封裝，以及將傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)的功能顆粒度進行拆解或集成封裝，形成一個個功能單元，支撐工業(yè)APP 的開發(fā)和運行。

工業(yè)微服務在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框架體系中位于PaaS 層，通常稱為工業(yè)PaaS。工業(yè)PaaS 層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺最關鍵的要素之一。

一方面，不同行業(yè)、領域存在大量機理模型、工程算法等，這些模型和算法往往較為封閉，如很多古老的Fortran 程序，難以通過API 接口被外部系統(tǒng)所調(diào)用，也難以進行獨立調(diào)試、運行和升級，用工業(yè)微服務的方式將這些機理算法模型封裝起來，形成可通過API 調(diào)用的微服務，從而支持上層工業(yè)APP的開發(fā)。圖1是一個針對汽車白車身工裝設計的工業(yè)APP案例，通過工業(yè)APP 封裝了夾具設計相關經(jīng)驗、標準和規(guī)則，使得設計周期縮短了80%，節(jié)約夾具平均制造成本30%以上。

另一方面，企業(yè)經(jīng)過多年的信息化建設，“孤島”現(xiàn)象比較突出，業(yè)務集成開發(fā)難度大，無法靈活響應個性化需求。通過采用工業(yè)微服務的方式，將工業(yè)軟件、管理軟件、計算程序在接口、數(shù)據(jù)上進行封裝，將系統(tǒng)細分功能集成，形成一系列包含調(diào)用邏輯和服務的微服務組件集合，并按照實際需求來支撐上層工業(yè)APP 的開發(fā)需求。從而充分利用已有投資成果，又大大降低在業(yè)務集成、定制開發(fā)等方面的成本。

基于工業(yè)微服務模塊進行工業(yè)APP 開發(fā)，能夠接入海量開發(fā)者，借助眾創(chuàng)眾籌等方式共建共享、還能有效發(fā)揮云平臺資源彈性配置、云化部署運行等優(yōu)勢，又能夠利用工業(yè)微服務松耦合、靈活調(diào)用的特點，克服傳統(tǒng)開發(fā)模式所面臨的獨立部署、持續(xù)迭代、個性化定制等問題。

1.3 工業(yè)微服務模型

圖2描述了工業(yè)微服務組件接口的規(guī)范形式。組件接口主要包括數(shù)據(jù)接口、控制接口、人機交互接口、消息接口和第三方工具接口。

圖2 工業(yè)微服務組件的接口形式

（1）數(shù)據(jù)接口用于組件與外部環(huán)境的數(shù)據(jù)交互，通過數(shù)據(jù)接口組件可以獲得外部數(shù)據(jù)，并且將組件內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞到外部環(huán)境中去。

（2）控制接口用于定義組件與其上下游組件之間的控制邏輯關系，分為前驅(qū)控制接口和后繼控制接口，前驅(qū)控制接口用于接收上游組件的控制信息，后繼控制接口用于向下游組件發(fā)送控制信息。

（3）人機交互接口提供使用人員與組件的交互接口。

（4）消息接口用于接收外部的消息信息。

（5）第三方工具接口提供訪問第三方工具的接口。

1.4 工業(yè)微服務邏輯編排

邏輯編排包括執(zhí)行邏輯和數(shù)據(jù)流兩類。執(zhí)行邏輯用于記錄和表達工程設計過程中的控制關系（先后次序、串行、并行等關系），數(shù)據(jù)流用于記錄和表達微服務組件之間的數(shù)據(jù)流向、傳遞及映射關系。

組件之間可以相互組合，實現(xiàn)復雜的業(yè)務場景，由于組件具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口形式，因此數(shù)據(jù)關系的建立表現(xiàn)為組件之間數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)映射關系。建立數(shù)據(jù)映射關系可以有兩種模式，包括手工映射和動態(tài)映射，手工/動態(tài)建立組件的數(shù)據(jù)關系如圖3、圖4所示。

圖3 手工建立組件的數(shù)據(jù)關系

執(zhí)行邏輯的定義，描述了微服務組件之間的業(yè)務規(guī)則，其中圖4是建立執(zhí)行關系的一種方式，通過在組件之間建立控制關系節(jié)點實現(xiàn)組件的執(zhí)行方式，這些控制關系節(jié)點包含判斷、分支、循環(huán)、并行等。

圖4 動態(tài)建立組件的數(shù)據(jù)關系

圖5 組件的執(zhí)行關系

根據(jù)業(yè)務規(guī)則，組件之間可以定義復雜的執(zhí)行關系，根據(jù)業(yè)務規(guī)則的不同可分為邏輯驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動、時間驅(qū)動、消息驅(qū)動四種。

2 工業(yè)機理模型

2.1 物理對象與機理模型

物理對象是指存在于客觀物理世界的工業(yè)產(chǎn)品、設備等物理實體及其所處在的物理環(huán)境。

由于工業(yè)軟件的發(fā)展和成熟，借助CAx 等計算機輔助技術可以對物理實體對象的各個方面特性進行可視化建模和行為模擬，如結(jié)構(gòu)幾何模型、應力分析模型、加工過程模型等。這些數(shù)字化模型是對物理實體在客觀世界的行為的抽象和封裝，是將大量工業(yè)技術原理、行業(yè)知識、基礎工藝、模型機理等通過抽象轉(zhuǎn)化為規(guī)則化、模塊化的數(shù)字表達，從而實現(xiàn)在數(shù)字空間中對物理產(chǎn)品的屬性和狀態(tài)（比如形狀、運動、特性等）進行模型化表達。這些反應物理對象屬性和行為的數(shù)字化模型就是物理對象的機理模型。

從這個角度來理解，工業(yè)APP 的本質(zhì)就是對物理對象的數(shù)字化模型的封裝，得到可重復使用的軟件化組件。機理模型的建模、復用是開發(fā)部署工業(yè)APP 的關鍵。如圖6所示。

圖6 物理對象的數(shù)字化模型

物理對象可視化建模在不同的產(chǎn)品生命周期階段、不同的產(chǎn)品層次以及不同的專業(yè)學科上所用的工具和手段也是不同的。

在研發(fā)階段，需要建立物理對象的需求、功能、架構(gòu)、設計、仿真等模型。在生產(chǎn)制造階段需要建立生產(chǎn)作業(yè)模型，并通過CAM、CAPP、MES、ERP 等技術手段建立產(chǎn)品裝配、工藝、制造、構(gòu)型等方面業(yè)務模型。

不同的建模要求，也存在多種技術工具、手段支持建模的要求。這些異構(gòu)工具建立的模型最大的問題在于，各個工具系統(tǒng)都立足與自己的領域定義產(chǎn)品的某個方面的模型信息，缺乏一個全局統(tǒng)一的模型標準體系，這就造成在從業(yè)務層面上應該是統(tǒng)一數(shù)據(jù)、模型表達，但是在實際中被各個異構(gòu)的工具割裂開來。

2.2 物理對象的幾何結(jié)構(gòu)建模

物理對象的幾何結(jié)構(gòu)可視化建模目前主要是借助于商用三維CAD 軟件來實現(xiàn)，可視化建模軟件如圖7所示。通過可視化的CAD 建模軟件可以表征物理對象的幾何形狀、拓撲結(jié)構(gòu)、表面信息及特征語義等。

圖7 三維模型可視化建模

物理對象的三維數(shù)字化模型表達了物理實體的結(jié)構(gòu)方面的特征，包括空間尺寸、重量重心、結(jié)構(gòu)約束等。對于封裝了這一類模型的工業(yè)APP 來說，最關鍵的在于如何建立一套統(tǒng)一的模型標準，實現(xiàn)工業(yè)APP 的跨平臺執(zhí)行和流通。從工業(yè)APP 的封裝需求出發(fā)，物理對象的三維幾何結(jié)構(gòu)模型表達標準應該從三個方面來考慮。如圖8所示。

圖8 三維幾何結(jié)構(gòu)模型

（1）靜態(tài)屬性標準：定義了模型的幾何位置、材料屬性這些靜態(tài)參數(shù)。

（2）過程屬性標準：要定義了模型的建模特征以及幾何之間的約束信息，如草圖、拉伸、旋轉(zhuǎn)、裝配約束等。

（3）模型轉(zhuǎn)換工具：將不同CAD 軟件生成的模型文件轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式的結(jié)果文件。

本文在產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范（Standard for the Exchange of Product Model Data,STEP）的基礎上來構(gòu)建產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)模型。

STEP 提供了一種不依賴具體軟件工具就可以實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換與共享的中性機制。它不僅適合于數(shù)據(jù)交換，也適合于作為執(zhí)行和分享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和存檔基礎。同時STEP 標準的數(shù)據(jù)表達語言EXPRESS 具有可擴充性，可以根據(jù)實際使用過程中的要求擴展數(shù)據(jù)模型，增加數(shù)據(jù)、語法和實體的定義。STEP 的應用可顯著提高產(chǎn)品生命周期內(nèi)的異構(gòu)信息交換效率。

在用STEP 描述的實體、類型、功能、規(guī)則和參照的基礎上，可以對產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型進行有效描述，不僅可以描述產(chǎn)品集合形狀等數(shù)據(jù)的表達方法，如邊界表示法B-rep，CSG表示法，特征造型法等；還支持對公差、材料、表面粗糙度等非集合信息數(shù)據(jù)的表達，STEP 242 在基于模型的三維工程中的應用如圖9所示。

圖9 STEP 242 在基于模型的三維工程中的應用

STEP 標準也是個不斷演進的標準，特別是基于STEP AP 203 和STEP AP 214 的基礎上合并升級的AP242（管理基于模型的3D 工程）會兼容更多的數(shù)據(jù)，以及基于模型的開發(fā)（MBD）、PDM 集成和PDM 服務、長期歸檔（LTA）、供應鏈整合、復合材料工程設計數(shù)據(jù)交換、先進的產(chǎn)品制造信息（PMI），機電一體化以及需求管理，基于STEP 的三維幾何表達如圖10所示。

圖10 基于STEP 的三維幾何表達

基于STEP的三維模型可視化環(huán)境是完全基于云的架構(gòu)，采用B/S 模式，用戶可以通過各種終端（PC、手機、平板）在網(wǎng)絡環(huán)境下打開瀏覽器使用，基于STEP 的云端三維模型可視化環(huán)境如圖11所示。

圖11 基于STEP 的云端三維模型可視化環(huán)境

3 航空零部件產(chǎn)品一體化設計/制造場景的工業(yè)APP 實踐

針對航空發(fā)動機關鍵零部件機構(gòu)復雜、精度要求高、材料難加工、易變形、研制周期長等制造特點，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框架下建立了復雜曲面數(shù)控加工人機理模型庫、零部件特種加工機理模型庫、復雜曲面自適應加工人機理模型庫等機理模型微服務組件庫，并嘗試開展了工業(yè)APP 建設工作。截至目前，針對機匣、葉片兩類產(chǎn)品場景，在實際加工中得到應用驗證。針對典型航空發(fā)動機機匣、葉片等零件，將加工周期縮短為原來的30%。取得了很好的經(jīng)濟效益，有力的保障了重點型號的推進任務。

4 結(jié) 論

工業(yè)微服務本質(zhì)是工業(yè)知識與經(jīng)驗的組件化，是API 形態(tài)的工業(yè)知識。工業(yè)微服務架構(gòu)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的知識封裝和復用提供了最佳的IT 技術手段，算法、模型、知識等模塊化組件能夠以API 方式對外提供服務，以“搭積木”的方式被調(diào)用和編排，實現(xiàn)工業(yè)APP 的快速開發(fā)和迭代模式，必將引發(fā)工業(yè)軟件開發(fā)模式的變革，促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新生態(tài)的形成。工業(yè)微服務能力、以及基于微服務架構(gòu)的機理模型是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)PaaS 平臺的核心要素和技術資產(chǎn)，已成為當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展的重要任務。