一种基于云服务的云制造执行系统及其制造执行方法

摘要

本发明公开一种基于云服务的云制造执行系统及其制造执行方法，所述云制造执行系统包括：部署在云服务平台基础架构上的制造云服务系统，用于为云客户端应用的制造业务服务请求提供云服务；部署在移动终端或电脑上的云客户端应用，用于实时采集制造执行过程的现场数据，根据事件规则触发本地控制指令或请求制造云服务，并将结果反馈到用户界面接口、标签采集接口或设备接口；本发明采用“制造云服务系统+云客户端应用”的架构的云制造执行系统，将虚拟化、分布式的计算资源和计算能力通过网络作为服务提供给用户，在云服务平台基础架构中部署系统服务，由少量专业技术人员进行管理，缓解企业人才不足、信息化基础不足、资金不足等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及制造业企业车间生产过程管理的工业工程领域，更具体地，涉及一种基于云服务的云制造执行系统及其制造执行方法。

背景技术

目前，制造业信息化是我国制造业转型升级的重要支撑手段之一。当前制造业信息化的发展趋势正在朝着“在集成化、协同化、网络化的基础上推动制造的敏捷化、服务化、绿色化和知识创新化”的方向迈进。

但是，制造业信息化的进程也面临一些实际困难，包括：基础差：企业信息化基础较差，缺乏信息化开发的投入，及相应的管理素质。成本高：企业规模结构不合理，平均规模过小，单个企业相对其产值，实施信息化成本较高。人才不足：企业员工，特别是车间一线工人，信息化素质偏低，对信息基础设施的维护和管理水平不足，造成不能发挥其最大效益。

发明内容

针对制造信息化遇到的困难和云计算/云服务技术对解决这些问题的优势，本发明提出了一个在云服务平台基础架构中部署、采用云服务模式提供制造服务的基于云服务的云制造执行系统，并基于此系统，提出了一种实现制造过程数据实时采集和管控的基于云服务的云制造执行方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于云服务的云制造执行系统，所述云制造执行系统包括：部署在云服务平台基础架构上的制造云服务系统，用于根据服务规则为云客户端应用的制造业务服务请求提供云服务；部署在移动终端或电脑上的云客户端应用，用于实时采集制造执行过程的现场数据，根据事件规则触发本地控制指令或请求制造云服务，并将结果反馈到用户界面接口、标签采集接口或设备接口。

在一种优选的方案中，所述的制造云服务系统包括如下模块：

(a)业务配置管理模块，用于配置和管理制造云服务系统对外提供服务的服务规则，和云客户端事件触发服务请求或下达控制指令的事件规则；

(b)规则库，用于存储业务配置管理模块制定的规则，这些规则包括在制造云服务系统的服务规则和在云客户端执行的事件规则；

(c)业务云服务引擎，用于根据服务规则对外提供基于统一接口规范的制造云服务，其对外提供同步和异步两种调用方式，同步调用方式阻塞云客户端应用，马上执行云服务并返回结果；异步调研方式会将调用的云服务作为作业插入队列，并马上返回一个作业编号，云客户端在其后过程中根据作业编号查询服务结果；

(d)原子云服务模块，是以标注的云对象为操作目标的、根据对象类型模板注册的一系列不可中断的基于云服务的原子操作集合；

在一种优选的方案中，所述的云客户端应用包括以下模块：

(e)本地配置管理模块，用于管理从制造云服务系统同步下载的事件规则，创建和管理作用范围在本地的事件规则；

(f)本地规则库，用于存储在云客户端由用户界面接口事件、标签采集接口事件或设备接口事件触发的事件规则；

(g)事件执行引擎，用于管理和监控用户界面接口输入事件、标签采集接口的标签读写事件和设备接口的设备事件，并根据规则库中事件规则的定义，触发相应的事件动作；

(h)用户界面接口，是云客户端应用的人机接口，可以向操作人员展示事件反馈，或者由操作人员通过界面操作，向事件执行引擎提交业务事件；

(i)标签采集接口，是云客户端应用连接标签读写器的接口，用来读取标签状态或写入标签参数；

(j)设备接口，是云客户端应用与数控设备的直接访问接口，能够采集设备状态和数据，或者反馈设备控制指令。

在一种优选的方案中，所述事件规则是由标签流事件触发业务处理的ECA(Event-Condition-Action:事件-条件-动作)规则，事件规则在规则库中采用多元向量<{<阅读器标识, 天线标识, 标签数据>}*, 过滤器, 事件动作>表示，其中：{阅读器标识, 天线标识, 标签数据}*为0到有限多个标签组合而成的标签流事件，其中标签数据包括阅读器从标签中读取的数据，以及用户界面接口/设备接口输入的扩展数据；过滤器表示以{<阅读器标识, 天线标识, 标签数据>}*为输入参数的触发条件，条件判断为真才会触发执行事件动作； 事件动作表示以{<阅读器标识, 天线标识, 标签数据>}*为输入参数的事件执行动作，该动作可以是：向制造云服务系统的业务云服务引擎请求制造服务；也可以是以插件形式扩展的本地程序入口，用来向用户界面接口、或标签采集接口、或设备接口下达控制指令。

在一种优选的方案中，所述的服务规则是为制造服务调用指定云服务内容的规则，云服务内容由一系列云对象的原子云服务组合而成，或者由符合接口规范的即插即用模式加载的扩展云服务模块提供，服务规则在规则库中采用多元向量<服务标识, 传入参数, 服务动作>表示，其中：服务标识为云客户端传入的服务规则标识；传入参数为云客户端传入的、调用业务云服务所需要的调用输入参数；服务动作为服务内容定义，是以传入参数为输入参数的，由一系列云对象的原子云服务组成的执行脚本，由业务云服务引擎解释执行；或者是以传入参数为输入参数的扩展云服务程序执行入口，由业务云服务引擎调用执行。

在一种优选的方案中，所述统一接口规范为基于SOAP（Simple Object Access Protocol）协议的Web Service统一接口规范，其接口参数为<安全描述符，服务标识，传入传出参数，调用方式>，其中：安全描述符用来判断服务调用、数据访问的合法性；服务标识为规则库中服务规则的标识，用来在规则库中检索指定服务规则的服务动作来执行；传入传出参数为传入服务动作指定云服务的参数和云服务返回的参数；调用方式包括同步调用或异步调用方式。

在一种优选的方案中，所述云对象为云制造执行系统中的资源对象和能力对象通过标注手段在制造云服务系统中映射的虚拟对象，资源对象包括进行加工的加工工件对象和需要管控的物料对象，能力对象包括设备能力对象和人力能力对象，所述资源对象和能力对象采用一维码、二维码、IC卡或RFID标签技术在云客户端应用与唯一标签编码绑定进行标注。 

在一种优选的方案中，所述对象类型模板，是为不同类型的资源对象或能力对象在制造云服务系统中映射的云对象模板，不同的对象类型模板，将具有不同的原子云服务操作集合，所述资源对象包括进行加工的加工工件对象、需要管控的物料资源对象，能力对象包括设备能力对象、人力能力对象。。

在一种优选的方案中，所述业务云服务引擎和原子云服务模块提供的云服务，均在云服务平台基础架构中独立部署和运行，实现服务资源的管理和调度。

一种基于云服务的云制造执行方法，所述方法应用于上述基于云服务的云制造执行系统，所述方法包括以下步骤：

S1: 将进入云制造系统的资源对象和能力对象采用标签技术在云客户端与唯一标签编码绑定进行标注，标注后的资源对象和能力对象在制造云服务系统创建对应的云对象，并将其加入云对象索引，按照对象类型模板注册其原子服务，资源对象包括进行加工的加工工件对象、需要管控的物料资源对象，能力对象包括设备能力对象、人力能力对象；

S2: 标注后的资源对象和能力对象在生产过程流转或状态改变时，在云制造系统中触发制造执行的业务事件；

S3: 事件执行引擎监控触发后的业务事件，根据事件规则定义执行事件动作内容，对于需要请求制造云服务的事件，向制造云服务系统提出服务请求；对于本地的事件规则，根据事件定义执行控制指令下达到本地云客户端应用的用户界面接口、标签采集接口或设备接口；

S4: 制造云服务系统的业务云服务引擎接受云客户端事件执行引擎的服务请求，业务云服务引擎根据规则库中服务规则定义，在云对象索引中检索相应的云对象并调用其原子云服务获得服务结果，并向云客户端应用的事件执行引擎返回服务结果；

S5: 云客户端应用的事件执行引擎将服务结果的控制指令下达到用户界面接口、标签采集接口或设备接口。

在一种优选的方案中，步骤S2中，所述的在云制造系统中触发制造执行的业务事件，包括以下三种方式：

方式121，由车间现场部署的连接标签采集接口的标签读写器读取，产生实时标签消息，标签消息输入云客户端应用事件执行引擎，事件执行引擎将标签消息与规则库中事件规则进行匹配，触发符合条件的业务事件；

方式122，由操作工用户通过部署在车间现场的云客户端应用用户界面接口，启动业务功能，将通过标签采集接口或设备接口读取的标签消息，与用户界面接口输入的数据一起组成复合标签消息，输入事件执行引擎，根据事件规则触发业务事件；

方式123，由连接设备接口的数控设备或传感设备，在处理或加工一个标注对象所代表的作业、或读取到预定义状态数据时，主动通过设备接口向事件执行引擎输入标签消息，根据事件规则触发业务事件。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明基于云服务的云制造执行系统，采用“制造云服务系统+云客户端应用”的架构的云制造执行系统，将虚拟化、分布式的计算资源和计算能力通过网络作为服务提供给用户，在云服务平台基础架构中部署系统服务，由少量专业技术人员进行管理，缓解企业人才不足、信息化基础不足和资金不足的问题。业务过程的实施或者重构，也无需修改和重新开发新的客户端程序，通过在服务端的业务配置管理，也能实现客户端的业务实施和重构，这样降低了开发实施的工作量和难度，节约了成本，也降低了对信息人才的需求。 

本发明基于云服务的云制造执行方法，在上述基于云服务的云制造执行系统上实施，在制造企业实现了低成本、降低信息人才要求的云制造执行。

附图说明

图1为本发明基于云服务的云制造执行系统的系统架构图。

图2为本发明基于云服务的云制造执行方法的流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于云服务的云制造执行系统，包括：部署在云服务平台基础架构上的制造云服务系统，用于为云客户端应用的制造业务服务请求提供云服务；部署在移动终端或电脑上的云客户端应用，用于实时采集制造执行过程的现场数据，根据事件规则触发本地控制指令或请求制造云服务，并将结果反馈到用户界面接口、或标签采集接口、或设备接口。

所述的制造云服务系统，包括如下模块：

(a)业务配置管理模块，用于配置和管理制造云服务系统对外提供服务的服务规则，和云客户端事件触发服务请求或下达控制指令的事件规则。

(b)规则库，用于存储业务配置管理模块制定的规则，这些规则包括在制造云服务系统的服务规则和在云客户端执行的事件规则。

所述的事件规则是一种ECA规则，由标签流事件触发业务处理的规则。事件规则在规则库中采用多元向量<{<阅读器标识, 天线标识, 标签数据>}*, 过滤器, 事件动作>表示，其中：{阅读器标识, 天线标识, 标签数据}* 为0到有限多个标签组合而成的标签流事件，其中标签数据包括阅读器从标签中读取的数据，以及用户界面接口/设备接口输入的扩展数据；过滤器表示以 {<阅读器标识, 天线标识, 标签数据>}* 为输入参数的触发条件，条件判断为真才会触发执行事件动作； 事件动作表示以 {<阅读器标识, 天线标识, 标签数据>}* 为输入参数的事件执行动作，该动作可以是：向制造云服务系统的业务云服务引擎请求制造服务；也可以是以插件形式扩展的本地程序入口，用来向用户界面接口、标签采集接口、或者设备接口下达控制指令。

所述的服务规则是为制造服务调用指定云服务内容的规则，云服务内容由一系列云对象的原子云服务组合而成，或者由符合接口规范的即插即用模式加载的扩展云服务模块提供。服务规则在规则库中采用多元向量<服务标识, 传入参数, 服务动作>表示，其中：服务标识为云客户端传入的服务规则标识；传入参数为云客户端传入的、调用业务云服务所需要的调用输入参数；服务动作为服务内容定义，是以传入参数为输入参数的，由一系列云对象的原子云服务组成的执行脚本，由业务云服务引擎解释执行；或者是以传入参数为输入参数的扩展云服务程序执行入口，由业务云服务引擎调用执行。

(c)业务云服务引擎，是制造云服务系统对外提供制造业务服务的核心模块，采用SOAP协议对外提供基于统一接口规范的制造云服务。其对外提供同步调用和异步两种调用方式。同步调用方式会阻塞云客户端应用，马上执行云服务并返回结果。异步调用方式会将调用的云服务作为作业插入队列，并马上返回一个作业编号，云客户端可以在其后过程中根据作业编号查询服务结果。

所述制造业务服务至少包含一种以下制造执行过程业务：作业获取、报工、报检、检测、返工、转运、质量事件、设备事件、人员事件。但并且不局限于以上业务，进一步的技术方案还包括扩展业务服务。

所述的统一接口规范，为基于SOAP的Web Service统一接口规范，其接口参数为<安全描述符，服务标识，传入传出参数，调用方式>，其中：安全描述符用来判断服务调用、数据访问的合法性；服务标识为规则库中服务规则的标识，用来在规则库中检索指定服务规则的服务动作来执行；传入传出参数为传入服务动作指定云服务的参数和云服务返回的参数。

(d) 原子云服务模块，是以标注的云对象为操作目标的、根据对象类型模板注册的一系列不可中断的基于云服务的原子操作集合。

所述的云对象，为云制造执行系统中的资源对象和能力对象，资源对象包括进行加工的加工工件对象和需要管控的物料对象，能力对象包括设备能力对象和人力能力对象，采用一维码、二维码、IC卡或RFID标签技术在云客户端应用与唯一标签编码绑定进行标注，标注后的资源对象和能力对象在制造云服务系统创建对应的云对象。所有云对象将在制造云服务系统建立索引，并按照其对象类型模板注册其原子云服务。

所述对象类型模板，是为不同类型的资源对象或能力对象在制造云服务系统中映射的云对象模板，不同的对象类型模板，将具有不同的原子云服务操作集合。

所述的对象类型模板，可以包括用于创建资源对象所映射云对象的资源对象类型模板，和创建能力对象所映射云对象的能力对象类型模板，以及基于此二种模板扩展的对象类型模板，或者符合原子云服务规范的新建对象类型模板。

所述的资源对象类型模板，是以标注的资源对象为操作目标的一系列相互独立的原子操作集合，主要包括但不限于：

(1)创建：为采用标签技术标注的加工工件对象、物料资源对象、能力资源对象和人力资源对象等在制造云服务系统中创建标注对象，并进行索引。

(2)转移：记录标注对象的物理位置转移。

(3)状态变更：记录标注对象的加工状态、能力状态等状态变更。

(4)包装：多个标注对象组合成一个新的标注对象，原标注对象仍有效。

(5)解包：将包装成的一个标注对象，解包分开成原来的多个标注对象。

(6)合并：多个标注对象合并成一个新的标注对象，原多个标注对象部分或全部消亡。

(7)拆分：一个标注对象被拆分成多个新建的标注对象。

所述的能力对象类型模板，是以标注的能力对象为操作目标的一系列相互独立的原子操作集合，主要包括但不限于：

(1)创建：为采用标签技术标注的加工工件对象、物料资源对象、能力资源对象和人力资源对象等在制造云服务系统中创建标注对象，并进行索引。

(2)转移：记录标注对象的物理位置转移。

(3)状态变更：记录标注对象的加工状态、能力状态等状态变更。

(4)服务：对能力对象服务能力的占用。

(5)释放：对能力对象服务能力的释放。

所述制造云服务系统的进一步技术方案还包括：各模块所需的安全管理服务，提供身份验证、访问授权和数据加密的安全管理功能；日志服务，记录服务提供的日志；持久化数据服务，由数据存储服务提供，该数据存储服务可以是关系数据库存储服务、非关系数据库存储服务、文件存储服务、目录存储服务，以及其它外存/内存提供的存储服务。

所述的云客户端应用，包括以下模块：

(e)本地配置管理模块，可以管理从制造云服务系统同步下载的事件规则，也可以创建和管理作用范围在本地的事件规则。

(f)本地规则库，存储在云客户端由用户界面事件、标签采集接口事件、或者设备接口事件触发的事件规则。规则库中的事件规则，可以从制造云服务系统中下载获得的规则，也可以由本地配置管理模块创建，作用范围仅限于本地的规则。

(g)事件执行引擎，是云客户端应用的核心模块。负责管理和监控用户界面输入事件、标签采集接口的标签读写事件和设备接口的设备事件，并根据规则库中事件规则的定义，触发相应的事件动作，并将事件结果或者服务结果反馈到用户界面接口、或标签采集接口、或设备接口。

(h)用户界面接口，是云客户端应用的人机接口，可以向操作人员展示事件反馈，或者由操作人员通过界面操作，向事件执行引擎提交业务事件。用户界面接口提供云制造执行系统各种数据采集业务的功能菜单，可以调用相应的业务数据输入界面，将输入数据结合标签采集接口采集的标签数据，向事件执行引擎提交业务事件。

(i)标签采集接口，是云客户端应用连接标签读写器的接口，用来读取标签状态或写入标签参数。标签采集接口可以自动的采集标签数据并通过事件执行引擎触发业务事件。也可以在采集的标签数据不够充分的情况下，通过用户界面接口调用标签采集接口，将输入数据和标签数据结合，向事件执行引擎提交业务事件。

(j)设备接口，是云客户端应用与数控设备的直接访问接口，可以采集设备状态和数据，或者反馈设备控制指令。设备接口连接的对象应至少包括以下设备的一种：数控加工/机器人/自动流水线等数控生产设备、传感器、电子显示屏、提示报警装置。设备接口可以自动的采集工件加工状态或设备信息，并形成标签数据，通过事件执行引擎触发业务事件。也可以通过用户界面接口调用设备接口，将输入数据和设备接口数据结合，向事件执行引擎提交业务事件。

所述云客户端应用的进一步提供以下服务：安全管理服务，提供身份验证、访问授权和数据加密的安全管理功能；日志服务，记录云客户端事件日志；本地存储服务，由提供基于本地的数据和文件的存储和缓存服务。

如图2所示，一种基于云服务的云制造执行方法，所述方法应用于上述基于云服务的云制造执行系统，所述方法包括以下步骤：

S1: 将进入云制造系统的资源对象和能力对象采用标签技术在云客户端与唯一标签编码绑定进行标注，标注后的资源对象和能力对象在制造云服务系统创建对应的云对象，并将其加入云对象索引，按照对象类型模板注册其原子服务，所述资源对象包括进行加工的加工工件对象和需要管控的物料资源对象，能力对象包括设备能力对象和人力能力对象。

S2: 标注后的资源对象和能力对象在生产过程流转或状态改变时，通过以下三种方式在云制造系统中触发制造执行的业务事件：

方式121，由车间现场部署的连接标签采集接口的标签读写器读取，产生实时标签消息，标签消息输入云客户端应用事件执行引擎，事件执行引擎将标签消息与规则库中事件规则进行匹配，触发符合条件的业务事件；

方式122，由操作工用户通过部署在车间现场的云客户端应用用户界面接口，启动业务功能，将通过标签采集接口或设备接口读取的标签消息，与用户界面接口输入的数据一起组成复合标签消息，输入事件执行引擎，根据事件规则触发业务事件；

方式123，由连接设备接口的数控设备或传感设备，在处理或加工一个标注对象所代表的作业、或读取到预定义状态数据时，主动通过设备接口向事件执行引擎输入标签消息，根据事件规则触发业务事件。

S3: 事件执行引擎监控触发后的业务事件，根据事件规则定义执行事件动作内容。对于需要请求制造云服务的事件，向制造云服务系统提出服务请求。对于本地的事件规则，根据事件定义执行控制指令下达到本地云客户端应用的用户界面接口、标签采集接口或设备接口。

S4: 制造云服务系统的业务云服务引擎接受云客户端事件执行引擎的服务请求，业务云服务引擎根据规则库中服务规则定义，检索索引中相应的云对象并调用其原子云服务获得服务结果，并向云客户端应用的事件执行引擎返回服务结果。

S5: 云客户端应用的事件执行引擎将服务结果的控制指令下达到用户界面接口、标签采集接口或设备接口。

所述的云制造执行系统，能够采用灵活的部署方式，为具有私有云基础架构的企业和不具备私有云基础架构的企业提供可定制的制造云服务。部署方法包括：

方式31：将制造云服务系统全部模块和数据存储服务部署在企业私有的云服务平台基础架构中，将云客户端应用部署在企业车间现场智能设备中。服务提供方以整体方案出让形式提供服务。此方式适合于具备私有云服务基础架构、技术能力强、且对业务数据保密性较敏感的企业，由实施企业全盘负责制造执行系统的业务定义、系统配置、运行和维护的管理工作。

方式32：将制造云服务系统业务配置管理模块部署在服务提供方的公共云服务平台，将制造云服务系统业务云服务引擎、原子云服务及其他业务功能部署在企业私有云服务平台，公共云服务平台配置的规则库同步到企业私有云服务平台。将云客户端应用部署在企业车间现场智能设备中。服务提供方为企业提供定制的制造服务，服务的计量可以采用服务数量或服务次数的方式度量。此方式下，服务提供方负责制作执行系统的业务定义、系统配置和维护等系统管理工作，实施企业负责业务系统的运行工作，并将业务数据存储在企业私有数据存储服务中。

方式33：将制造云服务系统部署在服务提供方的公共云服务平台，将云客户端应用部署在企业车间现场智能设备中，云客户端应用直接调用公共云服务平台的制造服务。服务提供方为企业提供公共云服务能力和定制的制造服务，服务的计量可以采用服务数量、服务次数或服务流量方式度量。此方式下，实施企业只需部署云客户端应用，其它制造云服务、数据服务全部由公共云服务平台提供，采用服务租用模式使用。

所述的基于云服务的云制造执行系统，其业务云服务引擎和原子云服务模块提供的服务，均可在云服务平台基础架构中独立部署和运行，实现服务资源的管理和调度。例如，在上班高峰期，可以将计算资源较多的分配给作业获取相关业务服务，在下班高峰期，则可以较多的分配给报工、报检等结束工作的相关业务服务。

本发明基于云服务的云制造执行系统，具有以下有优点：

（1）采用“制造云服务系统+云客户端应用”的架构的云制造执行系统，在云服务平台基础架构中部署系统服务，由少量专业技术人员进行管理，缓解企业人才不足、信息化基础不足和资金不足的问题。

（2）企业可以选择多种实施方式，其中包括服务租用模式，这样可以降低企业一次性投入成本，缓解资金不足问题。

（3）采用瘦客户端模式的云客户端应用对用户进行实施，云客户端在客户终端采用一次性部署，具有根据业务规则配置执行业务能力，使业务过程在客户端免安装和维护也能被执行。这种方式改进基层车间系统的实施方式，使业务系统的执行无需专用客户端的安装维护，既解决了信息基础设施不足的困难，也将对信息专业人才的需求降到最低。

（4）业务过程的实施或者重构，也无需修改和重新开发新的客户端程序，通过在服务端的业务配置管理，也能实现客户端的业务实施和重构，这样降低了开发实施的工作量和难度，节约了成本，也降低了对信息人才的需求。 

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。