一种云环境下增材制造信息交互及协同生产智能决策系统

技术领域

本发明涉及工业互联网领域，尤其涉及航天产品制造领域的一种云环境下增材制造信息交互及协同生产智能决策系统。

背景技术

随着航天航空领域对轻量化、一体化、复杂化航天零部件的需求日益增大，传统零部件制造生产模式已不能满足复杂、轻质、结构功能一体化航天产品的制备需求，但增材制造技术为航天金属复杂部件的研制和生产开辟了新的道路。需要注意的是，航天产品增材过程工序繁杂，涉及模型处理、原材料准备、增材成型、粉末清理、热处理、线切割、打磨、检测、机加等十几道工序；且因产品材料、性能、结构等方面需求不同，整个增材工序中所使用的装备、技能人员、流转等关键制造资源也不尽相同。为提高航天产品生产效率，降低成本，避免人为因素导致的产品失效，以先进的计算机网络技术为基础，云制造环境下的分布式多工序协同生产模式应运而生。在这种生产环境下，航天企业如何快速灵活的响应客户的需求，如何高效实现跨部门、多工序的生产协作，成为航天企业急需解决的问题。

然而，航天产品增材制造全流程存在上下游工艺间协作意识不强、资源的集成度松散、厂内部数据标准不统一、信息资源利用率低等问题；在车间底层设备方面存在着设备数字化程度低、设备种类多品牌杂、数据共享不通畅等问题。这些问题最终导致上下游各工序在制造过程仅以自身的产能为依据而忽视其他工序的生产状况，造成上游工序单方面供应过多或不足、以及下游无法及时处理物料或缺料停产，影响整个制造流程的有序运作。

但是，在云制造环境下可以全面感知协同制造体系下的不同车间、不同部门、不同制造设备资源信息。利用所感知的数据对所有设备、车间、工厂的生产能力、制造成本、运输成本等进行综合评判，完成对各部门及设备的制造资源和技术资源的全面把控。因此，目前迫切的需要一个自我决策功能的工业互联网平台为各部门及其设备提供统一的数据传输标准与接口，以此把地理上分散的、能力互补的制备资源连接起来，并确保数据传输的安全性与准确性。各工艺间通过工业互联网平台进行信息交互，达到上下游工序高效灵活、平稳、顺畅的运作，降低生产成本，优化协同生产过程中各类资源的供需配合，提高各类资源利用率，提高企业在新的市场竞争环境下的生产管理水平的目的。

专利申请号CN201910108030.7，名为一种基于协议节点的工业互联网平台。能够将地理分散、制造能力互补的企业资源连接起来，最大化地利用资源。但是该工业互联网平台没有自我决策机制，不具备自组织、自适应的生产能力；同时也没有针对资源供应方与资源需求方给出具体的交互方式。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种云制造环境下的航天产品增材制造全流程资源信息交互方式及分布式协同生产智能决策方法和系统，相比传统的资源信息交互方法，该方法通过具有自我决策功能的工业互联网平台把跨设备、跨部门、跨系统的资源信息全面连接起来，共享生产信息与资源；资源需求方与资源供应方通过双向动态交互及工业互联网平台的自我决策功能，提高多方之间的信息交互效率和协作生产能力，实现增材制造工业生产的资源优化，提高资源利用率。

一方面，本发明实施例提供了一种云环境下增材制造信息交互及协同生产智能决策系统，所述智能决策系统由各个部门信息节点、具备智能决策的工业互联网平台构成，支持生产环节中的资源需求方和资源供应方完成以下资源信息交互和协同生产过程：

部门信息节点发送部门资源信息至工业互联网平台，获得由工业互联网平台分配的平台ID和平台密钥完成部门的平台注册和部门资源信息公布；

资源供应方将制造资源描述信息、平台ID和平台密钥发送至工业互联网平台，完成鉴权、认证后，获得由工业互联网平台分配的制造资源ID和制造资源密钥完成制造资源注册；

工业互联网平台根据所述制造资源描述信息智能匹配出的最优工艺路线、各工序最合适的设备及工艺方案，返回给资源供应方确认；

资源需求方将制造资源需求信息、平台ID和平台密钥发送至工业互联网平台，完成鉴权、认证；

工业互联网平台将所述制造资源需求信息、制造资源信息进行智能匹配，将匹配出的最优制造资源ID和制造资源密钥返回给资源需求方；

资源需求方根据工业互联网平台提供的制造资源ID和制造资源密钥访问资源供应方，完成鉴权、认证成功后确认接入资源供应方完成资源信息交互和生产合约关系确认。

基于上述方法的进一步改进，所述部门信息节点，必须同时持有所述工业互联网平台授予的ID和密钥才能连接平台和交互信息，其中，

平台ID和平台密钥是部门信息节点访问平台的基本安全信息，每次连接平台均需要使用通过平台鉴权、认证过程；

制造资源ID和制造资源密钥是平台提供给部门信息节点用于访问和交互部门间信息的安全信息，每次读取或交互制造资源信息均需要使用通过平台的鉴权、认证过程。

基于上述方法的进一步改进，所述工业互联网平台，包括：

认证授权模块，用于向部门信息节点提供节点注册服务、权限鉴定服务；

资源注册模块，用于向资源供应方提供制造资源描述服务及发布服务；

资源订阅模块，用于向资源需求方提供需求资源描述服务及订阅服务；

智能决策模块，用于基于所述平台数据，智能匹配最优工艺路线、最优设备，分析制造过程中风险概率并提前采取措施，分布式协同生产环境下，监测生产工序的状态并按需做出必要调整；

任务管理模块，用于资源供应方与资源需求方通过查询任务状态实时掌握生产制造进度，根据当前的任务状态合理安排生产；

APIs模块，用于为部门信息节点认证授权、资源注册、资源订阅、任务管理提供接口。

基于上述方法的进一步改进，所述智能匹配最优工艺路线、最优设备，包括以下步骤：

根据所述制造资源需求信息匹配，确认最优产品工艺路线；

分析最优产品工艺路线中每道工序对应的制造需求特征，逐一匹配对应的制造能力特征，确认工序候选设备资源；

根据所述候选设备资源，结合所述制造需求特征，匹配特征工时，设备能耗；

根据所述特征工时、设备能耗，计算工序总工时和总成本；

调整确定工时、成本、能耗的权重，并通过智能算法匹配获得最优设备资源及对应资源需求方，完成匹配。

基于上述方法的进一步改进，所述任务管理模块的功能包括：

分解接收到的制造资源信息，分析制造资源所包含产品的各零部件所需生产资源、工艺和工序，并生成任务清单；

根据任务清单所需生产资源信息，分配合适的生产资源；

根据工艺和工序信息，安排任务在不同的设备上执行不同的工序；

持续监控制造过程中设备的实时传感数据和生产状态，判断任务是否按计划执行，是否需要调整参数，当出现异常情况，能够及时捕捉并触发相应的异常处理流程；

任务完成时，生成任务完成报告，其中，任务完成报告包括所用时间、资源消耗、质量检验结果。

基于上述方法的进一步改进，所述部门信息节点，包括：

适配模块，用于将部门信息节点的异构信息转换成工业互联网平台统一的数据格式；

API模块，用于为实现数据对接，工业互联网平台提供给部门信息节点的程序开发包，通过不同功能的API接口实现各部门信息节点与互联网平台的交互；

通信模块，用于将部门信息节点的通信协议与工业互联网平台的通信协议进行转换，并对数据进行加密解密。

基于上述方法的进一步改进，所述部门资源信息包括部门职能、制造能力、生产工艺、设备能力、时间资源、质量水平信息。

基于上述方法的进一步改进，所述制造资源描述信息包括制造周期、报价、产品质量、资源所属类别、资源所属地、资源访问权限、资源的格式标准、资源的状态信息。

基于上述方法的进一步改进，所述制造资源需求信息包括工艺路线、设备描述、物资描述、人员描述、资源所属地、资源的格式标准信息。

另一方面，本发明实施例提供了一种云环境下增材制造信息交互及协同生产智能决策方法，包括以下具体步骤：

部门信息节点注册，部门信息节点发送部门资源信息至工业互联网平台，获得由工业互联网平台分配的平台ID和平台密钥完成部门的平台注册和部门资源信息公布；

增材资源注册，资源供应方将制造资源描述信息、平台ID和平台密钥发送至工业互联网平台，完成鉴权、认证后，获得由工业互联网平台分配的制造资源ID和制造资源密钥完成制造资源注册；工业互联网平台根据资源供应方制造资源描述信息智能匹配出最优工艺路线、各工艺最合适的设备及工艺方案；

增材资源订阅，资源需求方将制造资源需求信息、平台ID和平台密钥发送至工业互联网平台，完成鉴权、认证后，获得由工业互联网平台根据所述制造资源描述信息智能匹配出最优资源需求方，并将最优的资源供应方的制造资源ID和制造资源密钥返回给所述资源需求方；

增材资源交互，资源需求方根据工业互联网平台提供的制造资源ID和制造资源密钥访问资源供应方，完成鉴权、认证成功后确认接入资源供应方完成制造资源信息交互和生产合约关系确认。

基于上述系统的进一步改进，所述智能决策，指所述工业互联网平台基于对接获取的所述部门信息节点数据，应用调度算法和优化算法，对生产资源进行优化、合理分配，并应用风险预警模型实时分析生产过程实时监控数据，预测风险发生几率，发出风险提示和预警信息。

与现有技术相比，本发明可实现如下有益效果：

1.通过部署在工业互联网平台智能决策模块和部署在厂内增材制造全流程的信息节点，把跨区域的、制造能力互补的工艺资源信息连接起来组成制造联盟，实现在自组织生产过程中企业间制造资源的整合与优化，提高资源的利用效率。

2.通过部署在工业互联网平台的APIs模块，实现异构部门信息节点的灵活接入，无需改变平台架构即可向外扩展更多的异构部门信息节点。

3.资源供应方与资源需求方通过工业互联网平台根据各自需求进行动态交互，同时平台任务管理模块对任务进度进行实时反馈，提高双方间的沟通效率，提高企业间协作效率，减少投资成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明的总体框架图；

图2为本发明的资源信息交互全过程图；

图3某航天产品工艺流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解，首先对航天产品增材制造及本发明中涉及的相关概念进行说明。

制造资源：本文中指制造任务。

资源供应方：即制造资源的提供者，如设计部门。设计部门负责设计增材产品，产品设计完成后，需要生产部门制造，所以设计部门就是资源提供者。

资源需求方：即制造资源的需求者，如生产部门。

平台：本发明技术方案中指工业互联网平台，该平台用于云制造环境下，因此，也被描述为云平台，或增材制造云平台，在本发明方案中均指代同一对象。

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种云环境下增材制造信息交互及协同生产智能决策系统，如图1所示，由各个部门信息节点、工业互联网平台构成，支持生产环节中的资源需求方和资源供应方完成资源信息交互和协同生产过程，其中，建立统一的工业互联网平台，并提供认证授权服务、资源注册服务、资源订阅服务、智能决策服务、任务管理服务；为了将各异构的部门信息节点接入工业互联网平台，并且实现异构部门信息节点之间的交互，在部门信息节点内部构建适配模块、API模块和通信模块，以此将部门信息节点的异构数据格式转换成工业互联网平台统一的数据格式，并将异构部门信息节点的信息传输协议转换成工业互联网平台支持的通用传输协议，通过加密与解密过程保证数据的传输安全性与可靠性。

如图1所示，所述认证授权服务模块主要解决安全性问题，所有接入工业互联网平台的部门信息节点都需要在认证授权模块进行注册，认证授权模块根据工序信息节点提供的信息生成唯一的平台ID和平台密钥，各部门信息节点必须同时持有平台ID和平台密钥才能和平台进行交互。

如图1所示，资源注册服务模块主要负责资源供应方通过所属部门信息节点进行制造资源描述注册并发布于平台，并向资源供应方返回制造资源ID和制造资源密钥；资源注册是将可用于生产制造的各种制造资源(例如设计图纸、原材料、零部件、工艺流程等)在平台上进行注册和发布，并提供制造资源的详细信息，如制造周期(生产时间)、报价、产品质量要求、所属类别(例如材料、零部件等)、地理位置等；制造资源详细信息以制造资源描述信息体现细节，包括制造周期、报价、产品质量、资源所属类别、资源所属地、资源访问权限、资源格式标准、资源的状态等。

如图1所示，资源订阅服务模块主要负责资源需求方通过所属部门信息节点进行制造能力(设备、人员等)描述注册并发布于平台，并向资源需求方返回资源供应方的制造资源ID和制造资源密钥；制造资源需求描述注册是指将资源需求方对本部门制造能力、技术水平在平台上进行注册和发布的过程，包括设备描述(如设备的厂家、规格、数量等)，人员描述(如工种、人数、技能水平等)，物资描述(如库存原材料、工具等)，生产资源所属地(标识资源需求方所在的地理位置，这有助于资源供应方了解资源的分配和交付情况)，制造资源格式标准。

如图1所示，智能决策服务模块主要根据资源供应方提供的制造资源信息与资源需求方提供的制造能力信息通过智能算法进行匹配查找，向资源订阅模块返回最合适的资源供应方。

优选的，平台根据产品生产制造的逻辑建立数据之间的关联，并通过分布式存储技术将数据持久化，借助复杂事件处理技术对数据流进行筛选、过滤、组合获取生产过程中发生的各类事件，从而获取实时生产状态。

优选的，基于实时生产状态，智能决策模块可以运用遗传算法(Geneticalgorithm，GA)、粒子群算法(Particle swarm optimization，PSO)、模拟退火算法(Simulated Annealing，SA)和蚁群算法(Ant colony algorithm，ACA)等调度优化算法，按照最短加工时间(Shortest processing time，SPT)规则对生产资源进行分配，从而最大程度地减少等待时间、提高生产效率。

优选的，通过分析制造过程中可能出现的风险，如材料失效、工艺异常等，然后提前采取措施，减少潜在风险对生产进程的影响。

优选的，在分布式环境下，智能决策模块可以通过将实际生产过程中各制造资源状况，如设备状态、物料到达时间等，与生产计划中的状态进行匹配，从而监测生产工序的状态，包括原材料供应、生产工序、加工设备、运输状态等，以便在需要时对剩余生产任务进行重新调度调整，避免材料失效、生产异常、供应链中断。

如图1所示，任务管理服务模块主要用于获取部门信息节点的生产任务进度信息，实现资源需求方对生产任务的全程监督及智能预警异常情况，匹配处理过程。具体过程包括：

根据接收到的需求信息(如产品名称/代号、型号、生产数量、优先级、交付日期等)，通过物料清单对产品进行分解，分析各个零部件所需的生产资源、工艺和工序，并生成任务清单；

根据任务清单中所需的生产资源信息，与数据库进行交互，以分配合适的设备等；

虽然图1中未明确示出，但本领域技术人员应理解，具备智能决策功能的工业互联网平台，默认包含数据库，以存储、管理保存于工业互联网平台的各类数据，如制造资源、制造能力、部门信息等各类数据，以及管理数据库中各类资源数据的资源管理模块；同时，包含知识库，用于保存增材制造领域的各类知识，如工艺、工序、性能、能耗等，作为智能决策功能的一个基础。

根据工艺和工序信息，安排任务在不同的设备上执行不同的工序；持续监控制造过程中的实时传感数据和生产状态，判断任务是否按计划执行，是否需要调整参数等，并智能预警可能出现的异常情况，匹配相应的处理流程；

一旦任务完成，生成任务完成报告，报告信息包括所用时间、资源消耗、质量检验结果等。

通过上述流程，任务管理服务模块可以使得资源供应方实时掌握当前的任务进度状态，使得上下游相关的资源供应方能够根据当前的任务进度状态安排自身的生产工作，使得资源需求方能够对资源供应方的任务情况进行及时跟踪，智能预警可能出现的异常并匹配处理流程，提高多方之间信息交互的效率，从而提高协作生产效率。

如图1所示，APIs模块具备丰富的各类数据接口，主要为各异构的部门信息节点的认证授权、资源注册、资源订阅、任务管理提供接口，为各部门信息节点之间经工业互联网平台进行信息交互提供基础。

如图1所示，适配模块主要负责将部门信息节点的各类异构信息转换成工业互联网平台统一的数据格式，在部门信息节点与工业互联网平台的双向交互中进行数据转换。

如图1所示，API模块为实现数据对接，工业互联网平台提供给部门信息节点的程序开发包，通过部门信息节点所需不同功能的API接口实现各部门信息节点与互联网平台的交互。

如图1所示，通信模块主要负责将部门信息节点的通信协议与工业互联网平台的通信协议进行转换，并对数据进行加密解密，保证数据接入的可靠性与安全性。

如图2所示，资源供应方与资源需求方的交互步骤如下：

1.资源供应方、资源需求方分别由各自部门信息节点通过增材制造云平台的前端页面进行注册。

2.云平台根据各异构部门信息节点的信息生成平台ID和唯一的平台密钥，并返回给注册用户，该平台ID和平台密钥作为部门信息节点与平台每次交互的鉴定授权依据。

3.资源供应方向增材制造云平台申请制造资源注册，并对制造资源进行描述，包括航天产品三维模型、加工图纸、材料属性、任务时间节点、质量要求等制造信息。

4.增材制造云平台根据资源供应方提供的制造资源信息描述生成制造资源ID及制造资源密钥，并返回给资源供应方。

5.增材制造云平台根据产品材料属性、质量需求等信息，结合材料数据库信息，智能筛选推荐该种航天产品工艺路线，并将最优工艺路线反馈给资源供应方。

优选的，特定材料可能需要特定的工艺处理，将产品的工艺路线的信息表示为特征向量，向量中的每一个维度代表了一道工序，根据相似度算法，如余弦相似度，比较产品与已知工艺路线，然后推荐与之相似的最优工艺路线，即拥有最小余弦夹角的向量所对应的工艺路线。

6.资源供应方确认产品工艺路线。

7.资源需求方向平台申请制造能力注册：设备型号、设备制造能力、运行状态、排产情况等信息。

8.平台为工艺路线中每一道工序构建相应的制造需求特征矩阵P＝[P

9.被选择的资源需求方确认云平台推荐的设备信息、工艺方案等反馈信息，获得制造资源密钥。

10.资源需求方通过平台返回的制造资源ID和制造资源密钥请求接入资源供应方。

11.资源供应方响应资源需求方的请求并确定接入，双方完成交互，下发产品模型、加工图纸、工艺路线、工艺方案、各工序的具体设备等信息，签订合约。

本发明的另一实施例，根据本发明提出的一种云制造环境下的某型号舵面产品增材制造全流程资源信息交互方法及分布式协同生产智能决策方法，该舵面产品的尺寸为400×400×30mm

1.首先设计部门，即资源供应方，向增材制造云平台申请制造资源注册，并对制造资源(舵面产品)进行描述，包括舵面外型尺寸(400×400×30mm

2.根据GH4099材料属性特点，云平台遍历材料数据库，由于GH4099合金是一种高合金化的时效强化镍基高温合金，云平台智能推荐固溶+时效的热处理工艺路线。对于GH4099候选材料，根据其不同工艺的性能参数与航天产品的材料性能要求进行比较，包括GH4099性能参数如强度、刚度、热导率、电导率、耐腐蚀性等，以及制造能力参数如工艺技术水平、设备性能、工人技能、生产效率、生产周期、成本等，通过欧式距离、余弦相似度等方法来计算一个材料的性能匹配度，获得具体工艺方案。根据制造能力参数，包括工艺的可行性、生产周期、成本等因素，将部门的制造能力与航天产品的制造要求进行比较，计算一个制造能力匹配度。将材料性能匹配度和制造能力匹配度加权结合，得到一个综合匹配度。权重的分配可以根据实际情况进行调整，根据项目的重要性和侧重点来决定。匹配度的大小对其进行排序，获取优选工序资源。确定该产品具体的工艺流程(如图3所示)和具体工艺方案；

3.在步骤2)确定的工艺流程上，根据舵面产品尺寸、结构、性能及设备资源使用情况等，通过智能决策遍历各部门制造需求，计算各工艺设备能力与制造资源(舵面产品)间的综合匹配度，并根据匹配度的大小对设备资源进行排序，获取优选设备服务资源。匹配度评价首先要为不同参数(尺寸、结构、性能等)分配权重；其次使用各种相似度度量方法对产品需求与设备能力进行相似度计算；然后考虑约束条件的满足程度，如生产时间、工序顺序、设备的资源利用率等；将上述因素综合考虑，得出综合匹配度评分，确定各工序的具体设备。尺寸、结构、性能等产品需求参数，生产速率、工作精度、加工范围等设备能力参数，不同需求和设备能力的权重参数是在匹配度评价过程中需要考虑的参数。(以此舵面产品为例，由于舵面产品最小壁厚为0.5mm，只有激光选区增材设备满足产品精度要求；根据舵面产品外型尺寸为400×400×30mm

4.将该舵面产品工艺路线及各工序所需设备等制造信息下发给相应工序负责部门，即资源需求方。经各加工部门确认后，设计部门和各加工部门达成合作协议，根据舵面产品要求完成该型号产品的生产任务。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。