一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，所屬【技術領域】為信息【技術領域】。云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法是一種由物質(zhì)信息分析提取方法、數(shù)學建模技術、STEP技術構成的機床裝備信息標準化描述方法。本方法通過對機床裝備信息進行分析提取、邏輯框架搭建、虛擬標準化描述建立統(tǒng)一的機床裝備云制造服務能力模型，并可個性化配置模型信息參數(shù)。本方法能為云制造環(huán)境下機床裝備虛擬化封裝與展示、機床裝備資源庫的建立及機床裝備資源基于語義的智能匹配等技術的實現(xiàn)奠定基礎。本發(fā)明具有虛擬化仿真程度高、通用性強、可擴展性好的特點。本方法能有效支持服務企業(yè)更加便捷地提供云制造服務以及能支持用戶智能發(fā)現(xiàn)匹配更優(yōu)資源。
【專利說明】一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，該方法通過物質(zhì)信息分析提取方法、數(shù)學建模技術、STEP技術對機床裝備服務能力建模,可實現(xiàn)機床裝備云制造資源庫和知識庫的標準化構建，有效地支持服務企業(yè)更加便捷地提供云制造服務以及用戶智能發(fā)現(xiàn)匹配最優(yōu)資源，為云制造環(huán)境下機床裝備虛擬化封裝與展示、機床裝備資源庫的建立及機床裝備資源基于語義的智能匹配等技術的實現(xiàn)奠定基礎。該發(fā)明屬于信息【技術領域】。
技術背景
[0002]伴隨著經(jīng)濟全球化和網(wǎng)絡信息技術日新月異的發(fā)展，量大面廣的傳統(tǒng)機床裝備制造企業(yè)、應用企業(yè)和服務企業(yè)之間的競爭日趨激烈，原先的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式漸漸不能滿足社會發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展帶來的市場強大需求，主要表現(xiàn)為:生產(chǎn)制造水平較低、產(chǎn)品研發(fā)能力不足、經(jīng)營管理能力較弱、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作能力偏差、生產(chǎn)裝備維護不及時。制造企業(yè)欲提高其生產(chǎn)制造能力、綜合競爭力和市場快速響應能力，必須轉型升級自身傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營模式向集成化、協(xié)同化、敏捷化、服務化、綠色化和智能化等方向發(fā)展。所以機床裝備網(wǎng)絡化集成協(xié)同運行、生產(chǎn)過程工藝路線及參數(shù)的優(yōu)化決策、生產(chǎn)全生命周期過程實時監(jiān)控、產(chǎn)品的全生命周期質(zhì)量追溯、制造資源共享及優(yōu)化利用、機床裝備遠程維修維護服務和加工數(shù)控機床程序生成優(yōu)化等網(wǎng)絡化制造服務已經(jīng)成為廣大機床裝備企業(yè)迫切需求。
[0003]網(wǎng)絡信息時代的到來，促進了網(wǎng)絡信息技術與工業(yè)的融合，催生了基于網(wǎng)絡的制造服務模式。國內(nèi)外圍繞此模式進行了大量研究和實踐，其中比較典型的有網(wǎng)絡化制造和網(wǎng)絡化制造應用服務提供商(Application Service Provider, ASP)。網(wǎng)絡化制造是指通過采用先進的網(wǎng)絡技術、制造技術及其相關技術，構建面向企業(yè)的統(tǒng)一的網(wǎng)絡資源共享服務平臺，突破傳統(tǒng)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營地理和方式的約束，實現(xiàn)企業(yè)間的協(xié)同、制造資源網(wǎng)絡共享和制造過程網(wǎng)絡化，高速度、高質(zhì)量、低成本地為市場提供所需產(chǎn)品和服務的一種制造模式；ASP是IT服務在制造業(yè)領域應用中的一種新模式，該模式通過構建公共ASP服務平臺，集中管理各類制造服務資源，通過網(wǎng)絡為企業(yè)提供供應鏈管理、客戶關系管理和制造資源管理等信息化服務業(yè)務，提高企業(yè)的生產(chǎn)和管理效率。但是網(wǎng)絡化制造和ASP主要實現(xiàn)的是局部應用，另外，由于在服務和運營模式、標準規(guī)范、運行機制等方面存在一些不足，使得網(wǎng)絡化制造、ASP在支持制造企業(yè)的深度和廣度還不夠。如何更量大面廣的整合資源以及提升企業(yè)間協(xié)作能力，已成為我國機床裝備行業(yè)迫切需要解決的問題。
[0004]云制造，是在“制造即服務”理念的基礎上，借鑒云計算思想，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，以高性能計算機為硬件支撐的一種網(wǎng)絡化制造新模式，它繼承和發(fā)展了網(wǎng)絡化制造和ASP模式思想，繼而創(chuàng)造出“分散資源集中管理，集中資源分散服務”的云制造核心思路。它是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡化制造模式基礎上，將信息技術、制造技術以及新興物聯(lián)網(wǎng)技術等交叉融合的產(chǎn)品。通過將不同企業(yè)的制造資源虛擬化、規(guī)范化和服務化，搭建云制造服務平臺，支持制造企業(yè)在廣泛的網(wǎng)絡環(huán)境下跨地域協(xié)作加工、上傳共享制造資源信息、網(wǎng)絡化遠程維護、加工過程工藝參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)過程全生命周期監(jiān)控及追溯等云制造服務。云制造有利于我國制造業(yè)實現(xiàn)跨越式信息化發(fā)展，同時也促進云計算技術的進步。必須進行深入的研究和應用。
[0005]在云制造環(huán)境下，制造資源的服務能力平臺搭建的基礎是實現(xiàn)機床裝備資源在平臺上的虛擬化展示。目前，類似這方面的相關研究成果及專利也有一些，例如發(fā)明專利“一種基于元模型的云制造能力服務建模方法”(專利號:201210580080.3)是基于元模型的云制造能力服務建模方法，所實現(xiàn)的系統(tǒng)包括制造能力服務元模型描述模塊、交互式制造能力服務描述擴展模塊和制造能力服務腳本文件生成模塊。該方法能轉換生成為云制造服務引擎能夠處理的服務描述腳本文件，但該系統(tǒng)并不支持資源集成共享、生產(chǎn)過程工藝實時優(yōu)化和機床裝備遠程維修維護等制造服務的線運行與優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法。該方法可有效地支持機床裝備服務企業(yè)更加便捷快速地提供云制造服務和用戶企業(yè)智能發(fā)現(xiàn)匹配最優(yōu)化制造資源，為云制造環(huán)境下機床裝備虛擬化封裝與可視化展示、機床裝備資源庫和知識庫的建立及機床裝備資源基于語義的智能匹配等技術的實現(xiàn)打下堅實的技術基礎，從而搭建企業(yè)云制造服務平臺，實現(xiàn)各種平臺服務能力。其技術方案為:
[0007]本發(fā)明是一種由物質(zhì)信息分析提取方法、數(shù)學建模技術、STEP技術構成的機床裝備信息標準化描述方法。
[0008]其中，所述的物質(zhì)信息分析提取方法是將存在的各類事物的外在信息物質(zhì)形式和內(nèi)在物質(zhì)信息內(nèi)容逐層不斷地進行深入客觀分析，得到實現(xiàn)揭示事物特征、內(nèi)在聯(lián)系、本質(zhì)、規(guī)律和狀態(tài)目標的信息概念的一種根本方法。欲詳細表述機床裝備，應先對機床裝備的外在信息物質(zhì)形式和內(nèi)在物質(zhì)信息內(nèi)容進行分析，從處于運動物質(zhì)狀態(tài)的機床裝備中提取出機床裝備的各類信息，并對這些信息進行定義，得到能夠描述出機床裝備的概念集。再對機床裝備資源信息概念進行邏輯歸納分類，得到完備的機床裝備服務資源信息樹:信息樹第一層為機床裝備云制造服務能力信息；信息樹第二層為基本信息、功能信息和狀態(tài)信息三個機床裝備基本屬性部分；信息樹第三層功能信息劃分為機床裝備可加工材料信息、形狀加工能力信息、生產(chǎn)能力信息、精度能力信息、加工類型信息和零件類別信息，基本信息劃分為機床裝備生產(chǎn)廠家信息、機床裝備刀具庫信息和機床裝備名稱及型號信息，狀態(tài)信息劃分為機床裝備的各類狀態(tài):故障中、運行中、維修中、閑置中和超負荷狀態(tài)；信息樹第四層可再細分為各類資源。
[0009]所述的數(shù)學建模技術是建立數(shù)學模型的相關知識、方法和技巧，包括對客觀事物進行分析、簡化、假設、選擇適合數(shù)學工具、求解、解釋、檢驗等。數(shù)學模型(MathematicalModel)是一種模擬，是用數(shù)學符號、數(shù)學式子、程序、圖形等對實際課題本質(zhì)屬性的抽象而又簡潔的刻畫，它或能解釋某些客觀現(xiàn)象，或能預測未來的發(fā)展規(guī)律，或能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。所以先對機床裝備各類服務資源信息進行分析，然后通過一系列建模過程以達到數(shù)學建模目標。其中包括:模型準備、模型假設、模型建立、模型求解、模型分析、模型檢驗和模型應用。首先對機床裝備各類服務資源信息進行歸納分析，得到數(shù)學建模過程中需要的各類模型數(shù)據(jù)。再通過假設建模過程對實際課題進行數(shù)學邏輯表示，通過數(shù)學方法對假設出的實際轉換數(shù)學問題進行求解，得出結果后再轉換為實際的機床裝備服務資源的問題，最后進行模型檢驗和應用，得到機床裝備服務資源假設問題的最優(yōu)解決方案。建模方法中可以運用蒙特卡羅算法分析出元素間通用機床裝備服務信息元素；運用數(shù)據(jù)擬合、參數(shù)估計、插值等數(shù)據(jù)處理算法處理機床裝備資源大量的數(shù)據(jù)信息；運用數(shù)學公式對機床裝備服務信息進行假設模擬分析求解；運用圖像處理算法解決機床裝備資源信息如何圖形化展示的問題。從而搭建出機床裝備資源信息元模型數(shù)學邏輯框架。
[0010]所述的STEP技術是關于產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算機可理解的表示和交換的國際標準技術，它能提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中型機制，這種機制使得它即適合于交換和分享文件，又適合于作為構建和描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和知識庫的基礎。通過STEP技術能夠提高機床裝備服務能力資源元模型數(shù)據(jù)規(guī)范化、通用化程度，實現(xiàn)機床裝備服務能力提供的基礎實用性，建立了云制造環(huán)境下標準機床裝備服務能力數(shù)據(jù)庫和知識庫。STEP體系結構由三層組成:邏輯層、物理層和應用層。邏輯層中STEP通過EXPRESS語言規(guī)范描述和表達機床裝備服務能力資源信息和應用協(xié)議，建立機床裝備服務能力資源元信息表達模型；物理層中通過文件交換、應用程序界面SAD1、共享數(shù)據(jù)庫和共享知識庫四種方法完成其在計算機上的實現(xiàn)；應用層中通過調(diào)研、分析和協(xié)商，制定出面向制造領域的應用協(xié)議，實現(xiàn)制造企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間信息數(shù)據(jù)傳遞共享的一致性和完整性。STEP標準具有簡便、可兼容性、壽命周期長和可擴展性的優(yōu)點，能夠很好的解決信息集成問題，實現(xiàn)資源的最優(yōu)組合，實現(xiàn)信息的無縫連接。
[0011]在實現(xiàn)以上技術的基礎上，構建了云制造環(huán)境下機床裝備服務能力模型，利用JAVA等軟件開發(fā)工具遵循元模型方法進行機床裝備服務能力元件的開發(fā)，使其能夠在工業(yè)云制造服務平臺中以基本控件的形式實現(xiàn)。
[0012]本發(fā)明是一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，本方法通過物質(zhì)信息分析提取方法對機床裝備進行服務能力信息分析提取、概念轉化并歸納分類，通過數(shù)學建模技術搭建機床裝備服務能力信息數(shù)學邏輯框架，通過STEP技術建立機床裝備資源信息元模型，建立統(tǒng)一的機床裝備云制造服務能力模型，并實現(xiàn)服務能力數(shù)據(jù)庫和知識庫的構建。使用JAVA等軟件開發(fā)工具實現(xiàn)機床裝備服務能力元控件開發(fā)，并可個性化配置元件信息參數(shù)。本方法能有效支持服務企業(yè)更加便捷地提供云制造服務以及能支持用戶智能發(fā)現(xiàn)匹配更優(yōu)資源，能為云制造環(huán)境下機床裝備虛擬化封裝與展示、機床裝備資源庫的建立及機床裝備資源的交換共享等技術的實現(xiàn)打下堅實基礎。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是機床裝備服務能力資源信息樹
[0014]圖2是機床裝備服務能力資源信息元模型數(shù)學邏輯框架
[0015]圖3是機床裝備資源服務能力STEP實現(xiàn)圖
[0016]圖4是機床裝備資源服務能力元模型建模及接入平臺圖。
【具體實施方式】
[0017]結合說明書附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的闡述。
[0018]1.通過物質(zhì)信息分析提取方法從機床裝備中提取出各類信息，并對這些信息進行概念定義，再對機床裝備資源信息概念進行邏輯歸納分類，得到完備的機床裝備服務能力資源信息樹。如圖1所示?！揪唧w實施方式】如下:
[0019]I)分析提取機床裝備的各類資源信息:機床裝備能夠用描述自身本質(zhì)信息的各類信息概念表示。比如一臺加工切削銑床生產(chǎn)廠家是上海，加工材料是鋼、鐵，能加工回轉體、直面和曲面，能夠中批量加工軸類和箱體類零件，精度能力優(yōu)良，刀具庫普遍用平刀，狀態(tài)為運行中。對機床裝備的外在信息物質(zhì)形式和內(nèi)在物質(zhì)信息內(nèi)容進行逐層分析，分離出能表達機床裝備本質(zhì)特征和狀態(tài)的信息，并提取出來構成代表機床裝備的信息集。不同的機床裝備都能分離出其相應的信息。
[0020]2)對機床裝備信息進行定義，得到能夠描述出機床裝備的概念集:提取出來的機床裝備信息只能相對代表機床裝備的個體狀態(tài)，卻不能通用表達機床裝備的本質(zhì)信息，所以要對機床裝備信息進行歸納總結，對每一條要展示的元信息進行標準的專業(yè)化(機械化)的定義，得到信息的實體通用表達一概念。例如:銑床在加工過程中需要使用各類銑刀具，即可概念化為銑床-刀具庫-盤銑刀、端銑刀、成形銑刀、球形銑刀和鼓形銑刀。
[0021]3)對機床裝備資源信息概念進行邏輯歸納分類:依據(jù)機械領域的表達方式，運用機械概念、術語、類、屬性及其之間的關系對分析提取出的機床裝備各類信息概念進行歸納分類。
[0022]4)建立完備的機床裝備服務能力資源信息樹。歸納分類機床裝備信息完成后，建立完備的機床裝備服務能力資源信息樹。信息樹第一層為機床裝備云制造服務能力信息；信息樹第二層為基本信息、功能信息和狀態(tài)信息三個機床裝備基本屬性部分；信息樹第三層功能信息劃分為機床裝備可加工材料信息、形狀加工能力信息、生產(chǎn)能力信息、精度能力信息、加工類型信息和零件類別信息，基本信息劃分為機床裝備生產(chǎn)廠家信息、機床裝備刀具庫信息和機床裝備名稱及型號信息，狀態(tài)信息劃分為機床裝備的各類狀態(tài):故障中、運行中、維修中、閑置中和超負荷狀態(tài)；信息樹第四層再細分為各類資源。
[0023]2.通過數(shù)學建模技術搭建出機床裝備服務能力資源信息元模型數(shù)學邏輯框架。如圖2所示?！揪唧w實施方式】如下:
[0024]I)模型準備
[0025]機床裝備量大面廣，種類繁多，功能各不相同，所以其資源信息是具有隨機性質(zhì)的
問題。假設各類機床為A、B、C、D......,各類機床又由很多功能信息組成，比如:A={al、a2、
a3、a4......}, B= {bl、b2、b3、b4......}。
[0026]2)模型假設
[0027]運用蒙特卡羅算法可知在各類機床裝備功能信息組成元素中，有一些出現(xiàn)概率很大上的相似功能元素，例如:al=bl=dl，為最大限度地機床信息化表達，可以由這些機床裝備相似元素共同構成一個通用機床裝備資源信息模型集合M。此集合M應有以下幾個要求:
[0028]1、集合機床裝備服務信息元素盡量少。
[0029]2、集合能充分表達機床裝備服務。
[0030]3、集合里機床裝備服務信息元素能代表大部分機床通用信息元素。
[0031]3)模型建立
[0032]模型假設后，首先運用數(shù)學數(shù)據(jù)擬合、參數(shù)估計、插值等數(shù)據(jù)處理算法處理機床裝備資源大量的數(shù)據(jù)信息。
[0033]欲建立通用機床裝備資源信息模型集合M，但其通用功能子集并不能完全代表所有機床裝備功能，運用MATLAB工具對機床裝備同一相似功能信息進行數(shù)據(jù)擬合、參數(shù)估計、插值處理，得到通用功能子集的理想估計值mi，完善通用機床裝備資源信息數(shù)學模型集合M的表達準確性。
[0034]4)模型求解
[0035]根據(jù)上述事物的定義，事物集合M和存在事物的全體L1 (Mtl)，有M e L1(Mtl)，若事物M與Mtl可以構成系統(tǒng)M’ ,則可記作:
[0036]M ? M0 =Af
[0037]M的可積物集為
[0038]Mm(M) = {MQ\M ^Mq=M'GL1(Mq)
[0039]M0 e L1 (M0)}
[0040]這樣，利用模型映射成XML的表達形式，再通過程序提取XML中的機床裝備服務能力屬性值，零件特征和工藝特征參數(shù)物元表示為
【權利要求】
1.一種云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，該方法的特征體現(xiàn)在:在云制造這種新型網(wǎng)絡化制造環(huán)境下，利用物質(zhì)信息分析提取方法、數(shù)學建模技術、STEP技術把機床裝備進行信息標準化描述，建立統(tǒng)一的機床裝備云制造服務能力模型，在此基礎上，通過軟件開發(fā)技術使其在工業(yè)云制造服務平臺中以基本元控件的形式實現(xiàn)。
2.根據(jù)權利要求1所述的云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，其特征體現(xiàn)在:對機床裝備資源信息分析提取并概念化歸納分類，得到完備的機床裝備資源信息樹:信息樹第一層為機床裝備云制造服務能力信息；信息樹第二層為基本信息、功能信息和狀態(tài)信息三個機床裝備基本屬性部分；信息樹第三層功能信息劃分為機床裝備可加工材料信息、形狀加工能力信息、生產(chǎn)能力信息、精度能力信息、加工類型信息和零件類別信息，基本信息劃分為機床裝備生產(chǎn)廠家信息、機床裝備刀具庫信息和機床裝備名稱及型號信息，狀態(tài)信息劃分為機床設備的各類狀態(tài):故障中、運行中、維修中、閑置中和超負荷狀態(tài)。
3.根據(jù)權利要求1所述的云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，其特征體現(xiàn)在:通過對機床裝備資源信息進行分析提取并概念化歸納分類，得到完備的機床裝備資源信息樹，結合數(shù)學建模技術，搭建機床裝備資源信息數(shù)學邏輯框架，再通過STEP技術，使用EXPRESS建模語言規(guī)范描述和表達產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使得機床裝備資源信息直觀、方便地表達。
4.根據(jù)權利要求1所述的云制造環(huán)境下機床裝備服務能力建模方法，其特征體現(xiàn)在:云制造環(huán)境下通過對機床裝備屬性信息進行分析提取并概念化歸納分類、邏輯框架搭建、虛擬標準化描述建立統(tǒng)一的機床裝備云制造服務能力模型，通過軟件開發(fā)技術在云制造服務能力平臺以基本控件形式實現(xiàn)，并可個性化配置機床裝備模型信息參數(shù)，該方法有效地支持服務企業(yè)更加便捷地提供云制造服務以及用戶智能發(fā)現(xiàn)匹配最優(yōu)資源，從而為云制造環(huán)境下機床裝備虛擬化封裝與展示、機床裝備資源庫的建立及機床裝備資源基于語義的智能匹配等技術的實現(xiàn)奠定基礎。
【文檔編號】G06F17/50GK103473407SQ201310397089
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權日:2013年9月4日
【發(fā)明者】尹超, 王梟, 李孝斌, 周遠飛, 王明遠 申請人:重慶大學