當前制造企業(yè)面臨著越來越大的競爭壓力,要求產品交貨周期越來越短、質量越來越高、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中的各種數(shù)據(jù)、協(xié)調控制生產進程、提高企業(yè)的快速響應能力為目標的企業(yè)信息化技術;都離不開對企業(yè)生產過程及運營狀態(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)值進行實時獲取。由于實時數(shù)據(jù)獲取、分析與診斷方法等方面的局限,使得關于離散制造系統(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)網的實質是利用射頻自動識別(RFID)技術,通過計算機互聯(lián)網,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、改變人類的生產方式和生活方式。基于物聯(lián)網環(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)網管理、產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域，國內外學者開展了很多相關研究工作、如浙江大學的祁國寧教授研究了面向產品生命周期管理的項目管理、東北大學的王成恩教授研究了產品生命周期建模與管理、文獻研究了制造企業(yè)產品數(shù)據(jù)管理方面的原理、概念、策略等、在相關研究中，采用數(shù)學模型參數(shù)控制方法與附加某種假設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由于其本身的局限性，只能適用于PLM的特定對象、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，國外知名高技術公司投入了相當大的人力和財力，結合PLM中的特定對象研究開發(fā)自動化技術，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)化理論相結合，采用多學科交叉融合的手段，研究新的控制結構和方法，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權的面向物聯(lián)網環(huán)境的PLM建模與優(yōu)化軟件奠定堅實的基礎，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操控平臺的構建有別于流程制造系統(tǒng)，其體系結構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、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集成操控平臺的構建及一體化集成服務提供了依據(jù)、基于物聯(lián)網的特點，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)圍繞產品全壽命周期，結合自身企業(yè)的特點可共享與整合平臺上提供制造資源和制造任務、例如，當某一企業(yè)有富余生產能力的數(shù)控機床、檢測設備、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，基于網絡提供制造服務；與此同時，平臺上有服務需求的某企業(yè)離散制造系統(tǒng)，可通過集成平臺在更大范圍內尋找所需制造資源，并可低成本按需定制所需制造服務。

  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)平臺的層次結構和邏輯關系整體規(guī)劃和數(shù)據(jù)統(tǒng)一，是構建離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的基礎、在分析現(xiàn)有相關研究成果基礎上，包括網絡化制造系統(tǒng)遠程控制技術、云制造服務平臺共性關鍵技術、離散制造系統(tǒng)PLM管理信息系統(tǒng)平臺的內涵、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)采集與生產運營層信息轉換機制等，建立了離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的體系架構如圖1所示。

圖1 離散制造系統(tǒng)PLM操控平臺的體系架構

  由圖1可以看出，要構建離散制造系統(tǒng)PLM可視化操控的技術體系應包括的主要功能模塊有:①平臺基礎層、其功能是為PLM操控平臺提供云服務、云存儲、云數(shù)據(jù)庫構建和云網絡鏈接等；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)基礎層環(huán)境，提供一系列的工具集，支持在基礎層上進行制造資源與任務需求的發(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資源，通過統(tǒng)一注冊發(fā)布工具，形成標準接口的云構件，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用；④平臺服務構件層、其功能是存儲并管理各類粗細粒度不等的服務構件，服務構件的不同組合可以形成不同的業(yè)務種類，以便于不同的業(yè)務模型進行調用；⑤各部門業(yè)務模型層、其功能是能夠調用不同的服務組件響應不同的部門業(yè)務需求，圍繞產品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TQCSE5方面信息集成出發(fā)，構建面向管理決策層的、簡單直觀顯示以產品為中心的企業(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。

  提高產品質量、保證生產計劃進度、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、仿真等內容及其相互關系的PLM可視化操控集成模型。

圖2 PLM操控平臺運行原理

  運用WitnessSIMBASDK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。

  2 PLM平臺操控技術引擎和管理工具

  構建離散制造系統(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)成敗、為提高集成平臺的開發(fā)效率和開發(fā)質量、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)有理論和技術基礎上，依據(jù)平臺標準規(guī)范和體系結構，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、PLM在線診斷與操控決策技術和操控效果預測與仿真技術，為構建PLM系統(tǒng)可視化操控提供技術指導，其平臺框架如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網環(huán)境下PLM系統(tǒng)操控平臺框架

  (1)PLM可視化操控技術及各關鍵技術功能、數(shù)據(jù)管理與可視化技術:PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有多源性、分布性、異構性、海量性、實時性等特點，根據(jù)PLM的操控目標和操控內容，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:在數(shù)據(jù)模型、事件模型和操控模型的基礎上，PLM系統(tǒng)狀態(tài)在線診斷與操控決策技術為計劃、決策、優(yōu)化配置等提供支持、操控效果預測與仿真技術: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，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)、模型構建、應用驗證和業(yè)務推廣提供技術支撐，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)務流程管理方法、知識管理工具和技術方法等、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)自學習服務搜索算法，通過關鍵詞、結構特征、本體語義等方式實現(xiàn)制造服務快速搜索，采用智能語義匹配算法實現(xiàn)制造服務供與需的匹配、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，進行交易實例的構建、管控、記錄、智能業(yè)務流程管理方法是在對離散制造系統(tǒng)制造能力、任務盤點、云合作交易過程等的多層次、多維度綜合建模，結合業(yè)務過程不同的特點，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對供應鏈上企業(yè)的合作交易過程結構合理性、行為合規(guī)性、活動可調度性、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方法是利用數(shù)據(jù)挖掘和分析、行業(yè)知識、企業(yè)內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，在此基礎上構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、統(tǒng)一用戶賬號管理能夠對各種用戶分類選擇，在一個標準下配置賬號，滿足網上服務的安全性、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)自身特點和產品功能協(xié)同定制業(yè)務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操控平臺的服務模式

  在物聯(lián)網環(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，就必須在產品全壽命周期內實現(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)與制造服務業(yè)務特點、資源屬性等方面的不同，建立適宜可行的運行服務模式、PLM操控平臺的運行服務模式結合業(yè)務提供方式、資源類型、參與者類型、服務商務種類和盈利模型等、通過在線、離線、在線與離線相結合等制造服務模式，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)網環(huán)境發(fā)揮分散服務作用，這種離散制造系統(tǒng)PLM服務結構模式如圖4所示。

  由圖4可以看出，制造資源服務包括在線模式、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、在服務和運行模式集合中，“+”意味著擁有核心技術支持的企業(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)網環(huán)境下進行PLM集成操控平臺構建中起引導作用。

圖4 PLM平臺服務結構模式

  4 物聯(lián)網下離散制造系統(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)網技術的出現(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。

  在生產運營中，企業(yè)難以適應復雜多變的環(huán)境變化，要求產品交貨周期越來越短、質量越來越高、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)產品全過程的動態(tài)管控一體化、為實現(xiàn)平臺的層次結構和邏輯關系整體規(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)網技術對信息獲取和處理的雙向性、實時性等特點簡化了PLM平臺操控技術引擎和管理工具，技術體系內容統(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內部結構和外部環(huán)境的變化，為內部資源優(yōu)化配置、外部市場快速響應提供支撐，使得基于物聯(lián)網PLM操控平臺的服務模式更加完善，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)網環(huán)境發(fā)揮分散服務作用，更好地適應了復雜多變的市場環(huán)境。

  5 結束語

  如何在物聯(lián)網環(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)綜合競爭力的關鍵、在分析PLM操控平臺運行原理的基礎上，構建了集成操控模型、圍繞平臺開發(fā)的技術引擎和管理工具集，給出了物聯(lián)網環(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、平臺的標準與規(guī)范、平臺共性引擎和共性管理工具、平臺的體系結構的框架內，提出了適應大容量、高并發(fā)、高沖突操控環(huán)境的PLM平臺服務和運行模式，為云制造服務需求和資源響應提供信息平臺支撐。

  由于系統(tǒng)的設計存在數(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。