云制造概論

摘要:基于云計(jì)算的思想，文章提出一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能新模式——云制造。云制造融合現(xiàn)有信息化制造、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計(jì)算等技術(shù)，能夠?yàn)橹圃烊芷谶^程提供可隨時(shí)獲取、按需使用、安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的服務(wù)。基于云仿真原型平臺(tái)COSIM-CSP的云仿真應(yīng)用已初步用于某飛行器多學(xué)科虛擬樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)中，為云制造的進(jìn)一步研究工作奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]制造業(yè)信息化;云制造;云計(jì)算;網(wǎng)絡(luò)化制造

Abstract: Based on the philosophy of cloud computing， a new intelligently networked manufacturing model called \"cloud manufacturing\" has been proposed which is service-oriented， highly efficient， consumes less energy， and is knowledge based. By integrating state-of-the-art technologies such as informatized manufacturing， cloud computing， the Internet of things， semantic Web and high performance computing， cloud manufacturing provides secure， reliable， and high quality on-demand services with low prices for users involved in the whole manufacturing lifecycle. Cloud simulation technology based on the cloud simulation platform COSIM-CSP has primarily been applied to the collaborative design of a certain multidisciplinary virtual prototype for flight vehicle. This lays the foundation for further study into cloud manufacturing.

Key words: manufacturing informatization; cloud manufacturing; cloud computing; networked manufacturing

1 制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的重要支柱，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。中國(guó)政府已將“制造業(yè)信息化”作為其實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略舉措。制造業(yè)信息化是指以信息(采集、傳遞、加工、處理、應(yīng)用)技術(shù)為核心，將信息技術(shù)、建模與仿真技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、設(shè)計(jì)/生產(chǎn)/實(shí)驗(yàn)技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)及產(chǎn)品相關(guān)的專業(yè)技術(shù)綜合運(yùn)用于企業(yè)(或集團(tuán))產(chǎn)品研制的全系統(tǒng)、全生命周期活動(dòng)中，集成優(yōu)化其中的三要素(人/組織、經(jīng)營(yíng)管理、技術(shù))及四流(信息流、物流、價(jià)值流、知識(shí)流)，進(jìn)而改善企業(yè)(或集團(tuán))產(chǎn)品及其開發(fā)時(shí)間、質(zhì)量、成本、服務(wù)、環(huán)境清潔和知識(shí)含量，以增強(qiáng)企業(yè)(或集團(tuán))的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)(或集團(tuán))的跨越式發(fā)展[1-2]。值得指出的是:這里提的“制造”是“大制造”，是從產(chǎn)品的市場(chǎng)分析開始，到設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)，從試驗(yàn)、訓(xùn)練、使用、維護(hù)到報(bào)廢等全生命周期的活動(dòng)。

制造業(yè)信息化的發(fā)展總趨勢(shì)是集成化、數(shù)字化、智能化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化和服務(wù)化。當(dāng)前，“服務(wù)、資源環(huán)境、知識(shí)創(chuàng)新”[3]正成為制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。中國(guó)在2009年已成為僅次于美國(guó)的全球第二大工業(yè)制造國(guó)，但是仍未能成為制造強(qiáng)國(guó)。“中國(guó)制造”的總體水平仍處于國(guó)際產(chǎn)業(yè)分工價(jià)值鏈的低端，創(chuàng)新能力比較弱，并且受到資源環(huán)境的嚴(yán)重制約。基于現(xiàn)狀，中國(guó)制造業(yè)必須盡快突破，實(shí)現(xiàn)向“服務(wù)型制造” [4]、“綠色制造”[5]和“中國(guó)創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變。

基于高速發(fā)展的信息技術(shù)，本文提出“一種基于知識(shí)、面向服務(wù)的高效低耗網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式—云制造”。云制造技術(shù)的研究與應(yīng)用將會(huì)加速推進(jìn)中國(guó)制造業(yè)信息化向網(wǎng)絡(luò)化、智能化和服務(wù)化方向發(fā)展，從而將中國(guó)制造業(yè)信息化提升到新的高度和水平。

2 云制造提出的技術(shù)基礎(chǔ)

云計(jì)算作為一種新的服務(wù)化計(jì)算模式，近年來正在產(chǎn)業(yè)界興起并逐步走向成熟[6-7]。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算新模式，通過云計(jì)算平臺(tái)把大量的高度虛擬化的計(jì)算資源管理起來，組成一個(gè)大的資源池，用來統(tǒng)一提供服務(wù)，通過互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)形式為個(gè)人和企業(yè)用戶提供按需隨時(shí)獲取的計(jì)算服務(wù)。云計(jì)算的運(yùn)營(yíng)模式是由專業(yè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)公司(即第三方服務(wù)運(yùn)行商)來搭建計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、計(jì)算服務(wù)中心，把資源虛擬化為“云”后集中存儲(chǔ)起來，為用戶提供各種服務(wù)。不難推論，若將“制造資源”代以“計(jì)算資源”， 云計(jì)算的計(jì)算模式和運(yùn)營(yíng)模式將可以為制造業(yè)信息化所用，為制造業(yè)信息化走向服務(wù)化、高效低耗提供一種可行的新思路。

制造資源包括制造全生命周期活動(dòng)中的各類制造設(shè)備(如機(jī)床、加工中心、計(jì)算設(shè)備)及制造過程中的各種模型、數(shù)據(jù)、軟件、領(lǐng)域知識(shí)等。為了實(shí)現(xiàn)制造資源的虛擬化、優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同互聯(lián)，我們還可融合語義Web[8]、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)[9]、物聯(lián)網(wǎng)[10]、高效能計(jì)算等新技術(shù)。語義Web的發(fā)展為基于知識(shí)的智能計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)終端物理設(shè)備智能接入提供了使能技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在RFID[11]、傳感器等技術(shù)的支持下快速發(fā)展，有望促進(jìn)各類物與物之間的互聯(lián)。另外，高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和高性能計(jì)算技術(shù)[12]的發(fā)展為求解復(fù)雜的制造問題和開展大規(guī)模協(xié)同制造也提供了可能性。

正是在這樣的背景下，“云制造”的理念應(yīng)運(yùn)而生。目前國(guó)際上對(duì)云制造鮮有研究，因此，關(guān)于云制造的研究與應(yīng)用存在著巨大的發(fā)展空間。云制造及其關(guān)鍵技術(shù)也是未來5～10年中國(guó)制造業(yè)突破性發(fā)展需要解決的重大課題。

3 云制造的研究進(jìn)展

3.1 云制造的定義

云制造是一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式。它融合現(xiàn)有信息化制造、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計(jì)算等技術(shù)，通過對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化制造與服務(wù)技術(shù)[13-14]進(jìn)行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務(wù)化，并進(jìn)行統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協(xié)同，通過網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期過程提供可隨時(shí)獲取的、按需使用、安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的服務(wù)。制造全生命周期過程包括制造前階段(如論證、設(shè)計(jì)、加工、銷售等)、制造中階段(如使用、管理、維護(hù)等)和制造后階段(如拆解、報(bào)廢、回收等)。

3.2云制造運(yùn)行模式及關(guān)鍵技術(shù)

云制造體系包括制造資源/制造能力、制造云、制造全生命周期應(yīng)用三大組成部分。此外，它的運(yùn)行還包括一個(gè)核心支持(知識(shí))、兩個(gè)過程(接入、接出)和三種用戶(制造資源提供者、制造云運(yùn)營(yíng)者、制造資源使用者)。云制造的運(yùn)行原理如圖1所示。首先，需要將各種制造資源與制造能力封裝為云服務(wù)，這一過程可稱為制造資源的“接入”。根據(jù)不同的制造需求，云服務(wù)能夠聚集形成制造云。制造云是云服務(wù)的主要載體，面向制造全生命周期應(yīng)用提供各種服務(wù)，這一過程稱為“接出”。在整個(gè)云制造體系的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，知識(shí)起到了核心支撐的作用。知識(shí)能夠在制造資源和制造能力的接入過程中，為智能化嵌入和虛擬化封裝提供支持;在制造云管理過程中，為云服務(wù)的智能查找等功能提供支持;在制造全生命周期應(yīng)用中，為云服務(wù)的智能協(xié)作提供支持。由此可見，云制造體系能夠?qū)崿F(xiàn)基于知識(shí)的制造全生命周期集成，提供了一種面向服務(wù)的、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式。

云制造應(yīng)用模式如圖2所示。首先，相關(guān)行業(yè)的用戶通過云制造平臺(tái)提出具體的使用請(qǐng)求。云制造平臺(tái)是負(fù)責(zé)制造云管理、運(yùn)行、維護(hù)以及云服務(wù)的接入接出等任務(wù)的軟件平臺(tái)。它會(huì)對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行分析、分解，并在制造云里自動(dòng)尋找最為匹配的云服務(wù)，通過調(diào)度、優(yōu)化、組合等一系列操作，向用戶返回解決方案。用戶無需直接和各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)打交道，也無需了解各服務(wù)節(jié)點(diǎn)的具體位置和情況。通過云制造平臺(tái)，用戶能夠像使用水、電、煤、氣一樣使用制造資源和制造能力。

云制造體系架構(gòu)包括物理資源層、云制造虛擬資源層、云制造核心服務(wù)層、應(yīng)用接口層、云制造應(yīng)用層等5個(gè)層次。圖3是云制造體系架構(gòu)的示意圖。

如圖4所示，云制造的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下5個(gè)方面:

●模式、體系架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范

●制造資源和制造能力的云端化技術(shù)

●制造云服務(wù)的綜合管理技術(shù)

●云制造安全與可信制造技術(shù)

●云制造業(yè)務(wù)管理模式與技術(shù)

3.3 初步研究成果

為了論證云制造理念的可行性，作者所在團(tuán)隊(duì)初步研發(fā)了一個(gè)云制造的典型應(yīng)用——基于云仿真原型平臺(tái)COSIM-CSP[15]的云仿真應(yīng)用。此應(yīng)用已初步用于某飛行器多學(xué)科虛擬樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)中。基于COSIM-CSP的云仿真應(yīng)用中包含可視化普適門戶界面技術(shù)、復(fù)雜產(chǎn)品項(xiàng)目管理技術(shù)、仿真資源虛擬化技術(shù)、容錯(cuò)遷移技術(shù)與安全可信機(jī)制、基于語義知識(shí)的資源服務(wù)質(zhì)量評(píng)估、智能發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)組合與動(dòng)態(tài)調(diào)度等技術(shù)，為云制造的進(jìn)一步研究工作奠定了基礎(chǔ)。

4 云制造的未來展望

云制造為制造業(yè)信息化提供了一種嶄新的理念與模式。作為一個(gè)新生概念，云制造具有巨大的發(fā)展空間。云制造的研究與實(shí)踐工作需要依靠政府、產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界等多方聯(lián)合與共同努力。云制造的應(yīng)用將是一個(gè)長(zhǎng)期的階段性漸進(jìn)過程，而不是一蹴而就的項(xiàng)目工程。云制造要求制造企業(yè)具有良好的信息化基礎(chǔ)，并且實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部的信息集成與過程集成。因此，對(duì)于當(dāng)前業(yè)界的廣大制造企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)云制造仍具有一定門檻。

云制造的未來發(fā)展仍面臨著眾多關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。除了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計(jì)算、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的綜合集成，基于知識(shí)的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應(yīng)用協(xié)同、云制造可視化與用戶界面等技術(shù)均是未來需要攻克的重要技術(shù)。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，國(guó)際制造業(yè)正向著服務(wù)化、高效低耗、知識(shí)創(chuàng)新的方向發(fā)展，中國(guó)制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。制造業(yè)信息化技術(shù)經(jīng)歷了信息集成、過程集成和企業(yè)間集成，目前，關(guān)注焦點(diǎn)日益集中于服務(wù)、環(huán)境、知識(shí)等核心價(jià)值因素。基于云計(jì)算的思想，本文提出“一種面向服務(wù)、高效低耗和基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式—云制造”，它的研究與應(yīng)用將會(huì)加速推進(jìn)中國(guó)制造業(yè)信息化向“網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化”方向發(fā)展。本文對(duì)云制造的技術(shù)基礎(chǔ)、概念、運(yùn)行模式、體系架構(gòu)及技術(shù)進(jìn)行討論，給出初步研究成果，并對(duì)云制造的未來研究做出展望。

致謝:本文寫作過程中，北京航空航天大學(xué)任磊博士、陶飛博士、北京仿真中心侯寶存博士參與了討論，并提供了重要的素材。

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收稿日期:2010-05-05

李伯虎，中國(guó)工程院院士，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院博士生導(dǎo)師、名譽(yù)院長(zhǎng)，中國(guó)系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)理事，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)理事;長(zhǎng)期從事復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真、復(fù)雜產(chǎn)品集成制造系統(tǒng)等研究工作;獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等1個(gè)和二等3個(gè)，部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)14個(gè);發(fā)表論文260余篇。

張霖，北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)國(guó)際交流工作委員會(huì)副主任;主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化制造，復(fù)雜系統(tǒng)建模、仿真與控制、軟件工程等;中國(guó)國(guó)家“863”計(jì)劃十五周年先進(jìn)個(gè)人;主持和承擔(dān)國(guó)家級(jí)科研課題20余項(xiàng);發(fā)表論文70余篇，其中SCI/EI/ISTP收錄40余篇。

柴旭東，北京仿真中心研究員，中國(guó)系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)理事;長(zhǎng)期從事復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真和企業(yè)信息化工作，研究方向包括復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真、虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、集成制造系統(tǒng)等;獲國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1個(gè)，二等獎(jiǎng)2個(gè)，電子部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1個(gè)，教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1個(gè);發(fā)表論文90余篇。