CN102930476A - 一种针对云制造平台的硬件资源接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对云制造平台的硬件资源接入方法，其将制造服务硬件资源分为系统资源，设备资源和物料资源。针对不同的硬件资源类型分别提出不同的硬件资源接入方法：对于系统资源采用木马嵌入的方式实现该类资源的接入；对于设备资源采用机顶盒接入的方式实现该类资源的接入；而对于物料资源则采用智能车间的方式实现该类资源的接入。本发明的针对云制造平台的硬件资源接入方法根据我国制造业发展现状和发展趋势，对制造云系统中的制造硬件资源接入方法进行了设计，从而实现制造资源的整合，并满足制造资源和制造能力的按需使用和动态协同的需求，具有硬件资源集成全面、集成度高、系统结构灵活、层次清晰、可扩展性强等优点。

Description

一种针对云制造平台的硬件资源接入方法

技术领域

本发明涉及分布式制造系统信息集成技术领域，具体地，涉及一种针对云制造平台的硬件资源接入方法，其在对整个制造过程进行分析的基础上，针对三种不同类型的硬件资源提出相应的资源接入方案。

背景技术

21世纪是信息化与全球化的时代，在此背景下，各行各业都必须面对新出现的机遇和挑战。

现在就制造业而言，其发展更加依赖产业信息化的推动，而传统的制造模式已经不能适应现代化生产制造的要求。为了响应市场的快速变化和提高企业的核心竞争力，以制造网格(MGrid)、敏捷制造(AM)、全球化制造(Global manufacturing)为代表的网络化制造模式已成为现阶段制造企业应对知识经济和制造全球化挑战的一类先进制造模式。经过十几年的发展，网络化制造虽然取得了一定的成果，但是在服务模式、制造资源的共享与分配技术问题以及安全问题上仍然存在很多不足，这也成为阻碍网络化制造进一步发展的巨大障碍，亟需一种全新的制造服务模式来突破现有网络制造模式的瓶颈。

中小企业是我国制造业的主体，在全国制造企业中，中小微企业占到了总数的99％以上。中小企业在确保国民经济稳定增长、缓解就业压力、优化经济结构等方面，均发挥着举足轻重的作用。但是，中小企业产业集群因为其自身所固有的局限性，也存在着“小、散、乱”，产业关联度低，缺乏创新以及信息化基础薄弱等问题。如何提高我国中小企业的信息化水平、整合散乱的中小企业资源、发挥群体优势、提高创新能力、促进产业升级已经成为我国制造业所必须解决的问题。

随着云计算理念的提出与发展，并结合制造业信息化的发展趋势与我国制造业的发展现状，一种全新的制造服务模式应运而生——云制造。云制造主要是面向制造业，把企业产品制造所需的制造资源整合成云制造服务中心，用户可以根据需要随时获取安全可靠、高质量、低成本的各类资源服务。以云制造思想为指导，云制造平台的开发将为我国制造企业尤其是中小企业整合资源，提升资源共享利用水平，提高创新与竞争能力提供强有力的支持与保证，同时也将为我国制造业信息化的进一步发展指出方向。

云制造平台开发中最基本也是最关键的一步就是制造服务资源的接入，这是云制造平台实现各种制造资源整合与共享的的基础与关键。到目前为止，整个制造业还缺乏一套有效的资源接入、整合与共享的标准，而这也是云制造平台进行资源整合与共享首先要解决的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种针对云制造平台的硬件资源接入方法，其在对整个制造过程进行分析的基础上，针对三种不同类型的资源提出相应的资源接入方案，从而使得云制造平台能够接入各种不同类型的制造服务硬件资源，最终达到利用云制造平台实现整合资源、资源共享和发挥群体优势的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种针对云制造平台的硬件资源接入方法，其中，将制造服务硬件资源分为系统资源，设备资源和物料资源，其中，系统资源定义为与高端制造设备的操作系统以及专业软件相关的状态、运行信息以及操作；设备资源定义为除去操作系统以及应用软件的高档设备以及普遍存在的普通设备自身的状态及运行信息；物料资源定义为制造设备进行生产加工的各种生产加工原料；

对于所述系统资源，采用木马嵌入的接入方式，即利用远程监控技术，通过在操作系统中嵌入木马的方式对系统资源进行监控，最终通过互联网将监控信息接入云制造平台，实现对该类资源的接入；

对于设备资源，采用机顶盒接入的方式，即利用传感技术，测量得到各种设备的运行状态信息，并通过在制造设备上另外集成的机顶盒将采集到的信息汇总到车间服务器，最终通过互联网将设备资源信息接入云制造平台，实现该类资源的接入；

对于物料资源，采用智能车间接入的方式，即利用无线射频技术，实时感知物料的位置，并利用虚拟现实技术，构建智能车间，监控生产加工流程的各个环节，最终通过车间服务器将制造设备状态、物料流转状态、生产进度、工人工作量信息接入到云制造平台，实现该类资源的接入。

如上述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其中，所述系统资源的木马嵌入的接入方式包括以下步骤：

1)首先由云制造平台开发和发布针对不同种类高档制造设备系统资源的木马嵌入软件；所述软件分为嵌入制造设备操作系统的客户端和在云制造平台服务器进行资源监控的服务器端，其中对外发布的是客户端；木马监控软件客户端和云制造平台门户捆绑在一起，在用户进行注册时，自动完成客户端的下载；

2)完成木马监控程序的安装与配置，其分为客户端的安装和木马监控软件客户端与服务器端通信的建立两部分；

3)在完成客户端的安装、功能绑定、通信设置的设置后，木马客户端开机自启动，监听操作系统、相应专业软件、操作员操作信息，并传送给云制造平台服务器上的木马软件服务器端，从而实现对于系统资源的监控。

进一步地，如上述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其中，客户端的发布通过以下两种方式进行：第一、在云平台用户注册过程中，通过发送确认邮件的方式提供含有木马监控软件的附件或下载连接；第二、通过网页脚本程序嵌入。

如上述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其中，所述设备资源的机顶盒接入的方式包括以下步骤：

1)根据不同的设备类型设定一套通用的设备信息接入标准，在接入标准制定完成后，针对特定的机床，根据其所属类型配置相应的传感器类型和传感器的配置方式；

2)利用机顶盒对传感器信息进行采集，且在传感器与机顶盒之间加装相应的隔离模块；当传感器信号经过隔离后，通过机顶盒内部的采集模块对传感器信号进行采集，并通过无线信号传输装置将采集到信息传输到车间服务器的数据接收端；

3)车间服务器将接收到的整个车间的设备信息通过互联网连接到云制造平台服务器。

如上述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其中，所述物料资源的智能车间接入的方式包括以下步骤：

1)由云制造平台制定发布一套通用的物料资源识别标准，对不同的物料类型、物料数量加以标识，并根据制定好的物料资源识别标准，由开发并发布相对应的无线射频识别器件，交付各云平台注册用户安装、配置；

2)物料进入物料托盘后，根据发布的统一的物料资源识别标准，根据物料的类型、物料的数量，在物料托盘指定位置贴上相应的标签；

3)物料托盘到达特定制造设备，经由无线射频识别器件对物料托盘标签进行扫描；当物料托盘脱离特定制造设备时，更新物料标签，再次经由无线射频识别器件对物料托盘标签进行扫描；扫描后的采集到的数据经由集成的无线传输模块传输给车间服务器；

4)车间服务器将接收到的整个车间的设备信息通过互联网连接到云制造平台服务器。

进一步地，如上述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其中，所述无线射频识别器件包括无线射频模块和无线传输模块。

因此，本发明的针对云制造平台的硬件资源接入方法相对于现有技术，具有以下有益的技术效果：

(1)本发明的针对云制造平台的硬件资源接入方法结合了物联网(Internet ofthings，IOT)技术、虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)并借鉴了“木马”(Trojan)工作原理，针对我国制造资源散、乱、差的特点和中小企业对云制造平台资源整合能力的实际需求，根据我国制造业发展现状和发展趋势，对制造云系统中的制造硬件资源接入方法进行了设计，从而实现制造资源的整合，并满足制造资源和制造能力的按需使用和动态协同的需求，具有硬件资源集成全面、集成度高、系统结构灵活、层次清晰、可扩展性强等优点；

(2)本发明的针对云制造平台的硬件资源接入方法根据我国制造业的发展现状和发展趋势，对现有制造服务硬件资源进行了分类，即“系统资源”、“设备资源”和物料资源，并分别给出了相应的资源接入方法：针对“系统资源”的“木马”嵌入式接入方法，针对“设备资源”的“机顶盒”式接入方法和针对“物料资源”的“智能车间”式接入方法，这三种方式能够在很大程度上覆盖现有制造服务硬件资源的种类。

附图说明

图1是本发明的云制造平台硬件资源接入的总体图；

图2是本发明中系统资源的木马嵌入方式的示意图；

图3是本发明中设备资源的机顶盒接入方式的示意图；

图4是本发明中物料资源的智能车间接入方式的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

首先，将整个制造服务硬件资源分为三类：系统资源，设备资源和物料资源。其中，系统资源的定义为：与高端制造设备的操作系统以及专业软件相关的状态、运行信息以及操作；设备资源定义为：除去操作系统以及应用软件的高档设备以及普遍存在的普通设备自身的状态及运行信息；物料资源即制造设备进行生产加工的基础——各种生产加工原料。

针对上述不同的硬件资源类型分别提出不同的硬件资源接入方法：对于系统资源采用木马嵌入的方式实现该类资源的接入；对于设备资源采用机顶盒接入的方式实现该类资源的接入；而对于物料资源则采用智能车间的方式实现该类资源的接入。

下面分别详细介绍各种方式。

1.操作系统中木马(Trojan)嵌入的方式

很多设备例如高档数控机床都是基于windows操作系统的，当然其他操作系统也是相似的，在此，定义该类资源为系统资源。嵌入木马的方式为在云制造平台统一发布类似于木马病毒的木马远程监控客户端，在注册用户安装配置并激活使用该软件后，安装在云平台服务器的木马监控软件的服务器端则通过嵌入到注册用户高档制造设备操作系统中的木马程序客户端完成对设备上层操作系统及软件的监控，包含对自身状态、运行信息以及外界操作的监控等。

具体地，对于系统资源都可以通过类似于木马的软件获取机床的信息。例如在系统开机时，木马发送信息到云平台，云平台将该机床状态置为繁忙；关机事件触发前，木马发送信息到云平台，云平台知道该机床进入空闲状态。木马还可以实时读取内存中的其他信息，这需要设备的系统提供相应接口。但是需要注意的是，生产加工设备在进行运转时CPU往往都是满负荷，合理安排木马的运行状态也是一个重要问题。

在操作系统中木马嵌入的方式的实现过程为：

1)首先由云制造平台根据各种设备及其相应的系统信息发布相应或具有综合应用的系统资源监控木马软件，并在云制造平台门户开放相应的木马软件嵌入接口；

2)云制造平台客户在注册过程中，到云制造平台门户下载相应的木马，安装配置，激活木马监控；

3)木马激活后，记录操作系统、相应专业软件、操作员操作等信息，并传送给云制造平台服务器实现对于系统资源的监控。

2.设备资源的机顶盒接入的方式

对于除去操作系统的高档设备以及大量存在的普通加工设备，其设备本身的状态(如转速、温度、电压、电流等)对整个生产加工周期的质量也有重要的影响。在此，定义该类资源为设备资源。外接机顶盒的方式为根据需要测定的不同的状态信息，选定不同的传感器，并在传感器信号进入机顶盒之前，通过相应的隔离模块对不同信号进行隔离；机顶盒主要包含信号采集模块和无线传输模块，其中信号采集模块对经过隔离的传感器信号进行采集，无线传输模块将采集到的数据传输给车间服务器；最终由车间服务器将信息通过互联网接入云制造平台。

具体地，对于设备资源，根据需要监控的变量(如转速、温度、震动等)，在每台数控机床上安装相应的传感器，传感器信号由单片机采集并通过无线发送模块(如CC1101)发给车间服务器，车间服务器通过Internet与云平台连接。云平台能实时感知所有机床的状态，并通过对历史数据的分析得知机床的健康状况，为设备维护提供指导。

机顶盒接入的方式的实现过程为：

1)根据需要监控的设备资源信息，选用相应的传感器，对相应状态信息进行测量；

2)利用机顶盒对不同加工设备上测量的状态信息进行采集汇总后传送给车间服务器；

3)车间服务器将接收到的设备信息通过互联网发送到云制造平台服务器，完成对设备资源的接入。

3.物料资源的智能车间接入的方式

物料作为制造业正常进行的基础，其正常流转与合理配置对于制造业的高效运转有着巨大的影响，因此物料资源将作为第三种不可忽视的制造资源。智能车间的方式为根据不同的物料类型和物料数量制定统一的物料识别标准，并以此为标准，在物料托盘上设置相应的物料识别标签，在加工设备附近设置无线射频识别器件(该器件包含无线射频模块(RFID)和无线传输模块)；物料托盘在进入加工设备之前和脱离加工设备之后更新标签，并通过无线射频器件对物料托盘上更新的标签信息加以采集，并通过无线传输模块传输给车间服务器；最后由车间服务器将信息通过互联网接入云制造平台。

具体地，对于物料资源，在车间内的各个机床附近安装射频识别器件，在物料托盘上安装射频标签，当托盘靠近某台机床时，相应的信息便会自动被读取并传到服务器上。通过对物料托盘的监控，便可以实时感知物料的位置；根据物料在不同机床间的传递，监控生产加工流程的各个环节。运用虚拟现实技术，可以随时查看设备的状态、物料流转状态、生产进度、工人工作量等信息。

智能车间接入的方式的实现过程为：

1)在生产车间的各种加工设备的物料进口附近安装无线射频器件，并对各种物料编制独立的射频标签；

2)无线射频装置对无线射频标签进行识别，并将采集到的信息传送到车间服务器；

3)车间服务器将接收到的各种物料流转信息通过互联网发送到云制造平台服务器。

下面参照附图，具体阐述一下本发明的针对云制造平台的硬件资源接入方法。

图1是云制造平台硬件资源接入的总体设计图，分别对三种不同类型的制造服务硬件资源提出了相应的硬件资源接入方法。其设计思路是：

根据我国制造业现状与发展趋势，我国制造业制造设备主要分为两类：一类是具有操作系统的高档制造设备；另一类是智能水平相对低下的普通制造设备。因此，针对制造设备本身的资源也可以分为两类：一类是高档制造设备上层的操作系统与应用软件，即本发明所定义的系统资源；另一类是高档制造设备与普通制造设备所共有的部分——设备自身，即本发明所定义的设备资源。另外，物料作为制造业正常进行的基础，其正常流转与合理配置对于制造业的高效运转有着巨大的影响，因此物料资源将作为第三种不可忽视的制造资源。上述三种不同的资源之间相互紧密相关但又各有不同，所以针对这三种不同的资源类型必须使用不同的资源接入方法。如图1所示，该三种方法是：

1)对于系统资源，利用远程监控技术，通过在操作系统中嵌入木马的方式对系统资源进行监控，最终通过互联网将监控信息接入云制造平台，实现对该类资源的接入；

2)对于设备资源，利用传感技术，测量得到各种设备的运行状态信息，并通过在制造设备上另外集成的机顶盒将采集到的信息汇总到车间服务器，最终通过互联网将设备资源信息接入云制造平台，实现该类资源的接入；

3)而对于物料资源，则利用无线射频技术，实时感知物料的位置，并利用虚拟现实技术，构建智能车间，监控生产加工流程的各个环节，最终通过车间服务器将制造设备状态、物料流转状态、生产进度、工人工作量等信息接入到云制造平台，实现该类资源的接入。

以上就是结合图1给出的针对云制造平台的硬件接入的总体方法，下面将分别依照图2，图3和图4分别对系统资源的木马嵌入方式、设备资源的机顶盒接入方式以及物料资源的智能车间接入方式进行详细的阐述。

图2是系统资源的木马方式接入示意图。木马嵌入的接入方式利用类特洛伊木马的工作原理对高档制造设备上层的系统资源(与操作系统和专业软件相关的信息与操作)进行资源接入。主要实施方式如下：

1)首先由云制造平台开发和发布针对不同种类高档制造设备系统资源的木马嵌入软件。例如对于高档数控机床，云制造平台发布能够监控数控机床专用软件在运行过程中的数据输入输出、运行中间状态以及操作员的键盘操作控制等信息的木马监控软件。该软件分为嵌入制造设备操作系统的客户端和在云制造平台服务器进行资源监控的服务端，其中对外发布的是客户端。客户端的发布可以通过以下几种方式进行：(1)在云平台用户注册过程中，通过发送确认邮件的方式提供含有木马监控软件的附件或下载连接；(2)通过网页脚本程序嵌入。木马监控软件客户端和云制造平台门户捆绑在一起，在用户进行注册时，自动完成客户端的下载。

2)接下来，第二步完成木马监控程序的安装与配置，主要分为两部分：(1)客户端的安装，在安装过程中完成诸如开机自启动、监控功能绑定、防火墙安全例外设置等步骤的设定；(2)木马监控软件客户端与服务器端通信的建立。其中在建立通信的步骤中可以利用现阶段常用的TCP/IP，UDP，ICMP端口复用等技术实现通信。

3)最后，在完成客户端的安装、功能绑定、通信设置等一系列设置后，木马客户端开机自启动，监听操作系统、相应专业软件、操作员操作等信息，并传送给云制造平台服务器上的木马软件服务器端，从而实现对于系统资源的监控。

图3是设备资源的机顶盒方式接入示意图。机顶盒式的硬件资源接入方式利用现在高度发达的传感器技术对制造设备本身进行接入。其主要实施方式为：

1)首先，根据不同的设备类型设定一套通用的设备信息接入标准(传感器类型的选型以及配置标准等)，例如对于数控机床，需要监控的信息类型有机床的震动、刀具的转速、机床的负载电流电压等。在接入标准制定完成后，针对特定的机床，根据其所属类型配置相应的传感器类型，如温度传感器、压力传感器、转速传感器、电压传感器和电流传感器等，和传感器的配置方式，如内置和外置两种常用的配置方式。

2)利用机顶盒对传感器信息进行采集。在传感器与机顶盒之间加装相应的隔离模块，防止由环境突变引起的采集信号的突变等干扰，并避免损坏机顶盒采集设备。当传感器信号经过隔离后，通过机顶盒内部的采集模块(如8051单片机，PCI板卡等)对传感器信号进行采集，并通过无线信号传输装置(如CC1101，Si4432等)将采集到信息传输到车间服务器的数据接收端。

3)最后，车间服务器将接收到的整个车间的设备信息通过互联网连接到云制造平台服务器。

图4是物料资源的智能车间方式接入示意图。智能车间方式利用无线射频技术(RFID)和虚拟现实技术(VR)对物料资源进行资源接入。其主要实施方式描述如下：

1)首先由云制造平台制定发布一套通用的物料资源识别标准，对不同的物料类型、物料数量等加以标识；然后，根据制定好的物料资源识别标准，由云制造平台开发并发布相对应的无线射频识别传输器件(该器件集成了无线射频模块和无线传输模块)，交付各云平台注册用户安装、配置；

2)物料进入物料托盘后，根据发布的统一的物料资源识别标准，根据物料的类型、物料的数量等，在物料托盘指定位置贴上相应的标签；

3)物料托盘到达特定制造设备，经由无线射频识别器件对物料托盘标签进行扫描；当物料托盘脱离特定制造设备时，更新物料标签，再次经由无线射频识别器件对物料托盘标签进行扫描。扫描后的采集到的数据经由集成的无线传输模块传输给车间服务器；

4)最后，车间服务器将接收到的整个车间的设备信息通过互联网连接到云制造平台服务器。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种针对云制造平台的硬件资源接入方法，其特征在于，将制造服务硬件资源分为系统资源，设备资源和物料资源，其中，系统资源定义为与高端制造设备的操作系统以及专业软件相关的状态、运行信息以及操作；设备资源定义为除去操作系统以及应用软件的高档设备以及普遍存在的普通设备自身的状态及运行信息；物料资源定义为制造设备进行生产加工的各种生产加工原料；

对于所述系统资源，采用木马嵌入的接入方式，即利用远程监控技术，通过在操作系统中嵌入木马的方式对系统资源进行监控，最终通过互联网将监控信息接入云制造平台，实现对该类资源的接入；

对于设备资源，采用机顶盒接入的方式，即利用传感技术，测量得到各种设备的运行状态信息，并通过在制造设备上另外集成的机顶盒将采集到的信息汇总到车间服务器，最终通过互联网将设备资源信息接入云制造平台，实现该类资源的接入；

对于物料资源，采用智能车间接入的方式，即利用无线射频技术，实时感知物料的位置，并利用虚拟现实技术，构建智能车间，监控生产加工流程的各个环节，最终通过车间服务器将制造设备状态、物料流转状态、生产进度、工人工作量信息接入到云制造平台，实现该类资源的接入。

2.如权利要求1所述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其特征在于，所述系统资源的木马嵌入的接入方式包括以下步骤：

1)首先由云制造平台开发和发布针对不同种类高档制造设备系统资源的木马嵌入软件；所述软件分为嵌入制造设备操作系统的客户端和在云制造平台服务器进行资源监控的服务器端，其中对外发布的是客户端；木马监控软件客户端和云制造平台门户捆绑在一起，在用户进行注册时，自动完成客户端的下载；

2)完成木马监控程序的安装与配置，其分为客户端的安装和木马监控软件客户端与服务器端通信的建立两部分；

3)在完成客户端的安装、功能绑定、通信设置的设置后，木马客户端开机自启动，监听操作系统、相应专业软件、操作员操作信息，并传送给云制造平台服务器上的木马软件服务器端，从而实现对于系统资源的监控。

3.如权利要求2所述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其特征在于，其中，客户端的发布通过以下两种方式进行：第一、在云平台用户注册过程中，通过发送确认邮件的方式提供含有木马监控软件的附件或下载连接；第二、通过网页脚本程序嵌入。

4.如权利要求1所述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其特征在于，所述设备资源的机顶盒接入的方式包括以下步骤：

1)根据不同的设备类型设定一套通用的设备信息接入标准，在接入标准制定完成后，针对特定的机床，根据其所属类型配置相应的传感器类型和传感器的配置方式；

2)利用机顶盒对传感器信息进行采集，且在传感器与机顶盒之间加装相应的隔离模块；当传感器信号经过隔离后，通过机顶盒内部的采集模块对传感器信号进行采集，并通过无线信号传输装置将采集到信息传输到车间服务器的数据接收端；

3)车间服务器将接收到的整个车间的设备信息通过互联网连接到云制造平台服务器。

5.如权利要求1所述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其特征在于，所述物料资源的智能车间接入的方式包括以下步骤：

1)由云制造平台制定发布一套通用的物料资源识别标准，对不同的物料类型、物料数量加以标识，并根据制定好的物料资源识别标准，由开发并发布相对应的无线射频识别器件，交付各云平台注册用户安装、配置；

2)物料进入物料托盘后，根据发布的统一的物料资源识别标准，根据物料的类型、物料的数量，在物料托盘指定位置贴上相应的标签；

3)物料托盘到达特定制造设备，经由无线射频识别器件对物料托盘标签进行扫描；当物料托盘脱离特定制造设备时，更新物料标签，再次经由无线射频识别器件对物料托盘标签进行扫描；扫描后的采集到的数据经由集成的无线传输模块传输给车间服务器；

4)车间服务器将接收到的整个车间的设备信息通过互联网连接到云制造平台服务器。

6.如权利要求4所述的针对云制造平台的硬件资源接入方法，其特征在于，所述无线射频识别器件包括无线射频模块和无线传输模块。

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