基于云計算的制造業信息化模型及云制造服務模型構建

張莉娟

(寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川 750021)

隨著信息技術的發展，云計算服務已深入到各個領域和行業，因為這種新型技術架構及應用模式會極大地降低制造企業對于信息技術資金的投入以及信息系統運行維護壓力，而且能很好地滿足制造企業某些業務的應用需求。在管理信息化領域，基于 SaaS(Software－as－a－Service，軟件即服務)模式的 CRM(Customer Relationship Management，客戶關系管理)和ERP(Enterprise Resource Planning，企業資源計劃系統)系統已經被很多制造企業所廣泛采用;在產品研發領域，基于 PaaS(Platform－as－a－Service，平臺即服務)的桌面虛擬化的協同設計或遠程協同設計也已經在部分制造企業得到初步應用［1］;在IT運營增值業務領域中，基于 IaaS(Infrastructure－as－a－Service，基礎設施即服務)的硬件資源虛擬化平臺在硬件資源托管利用服務、存儲空間租賃業務、異地容災備份業務等得到廣泛應用。本文基于這個認識，提出了基于云計算的制造業信息化構建模型，并對基于制造服務的云制造服務模型提出了構建思路。

1 需求分析

中國已成為全球制造大國，并即將成為全球制造中心，然而并未成為制造強國。究其原因之一是我國的信息化發展離支撐制造業發展還有較大的差距。我國的制造業信息化從無到有，在發展認識和歷程上走入了這樣4個誤區:

(1)對信息產業的發展規劃還缺乏創新思維和戰略眼光;

(2)信息化支撐企業決策的地位還沒有被深刻理解和正確認識，缺乏信息化支撐制造業發展的全局觀;

(3)在網絡條件下優化企業的經營管理思路和工作流程的思維還沒有樹立起來;

(4)信息化支撐制造業仍然停留在一般化、空泛化、理論化的層面上，無法真正實現制造企業資源有效整合。

制造業信息化的內涵是將信息技術、自動化技術、現代管理技術與傳統產品技術、生產技術、管理技術相結合，帶動產品創新、產品設計方法和生產技術創新、企業管理模式創新、企業間協作關系創新，實現產品設計制造和企業管理的信息化，生產過程控制的智能化，制造裝備的數控化，服務經營的網絡化，全面提升企業競爭能力的過程［2］。目標是提升企業制造敏捷性、健壯性和柔韌性，提高企業市場競爭力。對照這個內涵和目標，具體分析我國制造企業信息化發展，仍然還面臨這樣幾種困境:

(1)信息化技術應用的基礎良好，但對實現產品設計、研發、管理信息系統集成以及既有IT資源整合利用需求十分迫切;

(2)眾多制造業信息化系統，如ERP、CRM、SCM(Supply Chain Management，供應鏈管理)、PLM(Product Lifecyde Management，生命周期管理)、PDM(Product Data Munagement，產品數據管理)、CAD(Computer Aided Design，計算機輔助設計)等系統的異構性導致“信息孤島”現象特別突出;

(3)中小制造企業實現傳統的信息化建設，如信息化基礎設施建設、信息技術服務團隊建設、軟硬件系統部署、信息化系統日常維護等仍然是企業生產經營和管理過程中的沉重壓力;

(4)現有信息系統對企業間的設計協同、管理協同以及實現對供應管理、銷售管理和服務協同等跨企業主業務流程缺乏有效支持。

云計算突破了傳統的信息系統的建設、管理和使用模式，在硬件虛擬化部署、數據存儲管理、應用系統的開發和部署模式等方面具有獨特的技術優勢，其技術實質是計算、存儲、應用軟件、安全管理等IT軟硬件資源的虛擬化，其核心思想是將大量分散、自治的計算機軟硬件資源用網絡統一管理，構成一個海量的資源池，動態擴展和縮小，提供定制服務，實現用戶對資源的按需獲?。?］。

云計算所追求的低成本、高效率，也正是制造企業追求的價值目標。制造企業的信息化應用無需購買部署任何軟硬件產品和信息化平臺，企業可以通過租賃的方式來實現對軟硬件資源的合法使用，以滿足所有業務需求。這不但能有效減少企業資金的占用，而且能大幅節約企業生產運營成本。

2 基于云計算的制造業信息化模型構建

2.1 基于SaaS模式構建制造資源層

在基礎應用方面，封裝應用門戶、郵件系統、協同信息系統等基礎應用;在業務應用方面，將ERP、SCM、PDM、PLM、CRM、CAD、CAPP(Computer Aided Process Planning，計算機輔助工藝)、CAM(Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，計算機集成制造系統)等制造業信息化管理系統封裝起來，供用戶定制使用。由于諸多系統間存在的數據異構特征明顯，因此，還需要通過異構數據集成中間件進行數據整合，從而達到系統在應用層和數據層的兼容。

2.2 基于PaaS模式構建應用運行平臺

它將應用運行所需要的信息資源、基礎設施以服務的方式提供給用戶使用。信息資源主要包含分布式計算環境、多種類型的數據存儲、資源動態配置、應用運行環境、制造全生命周期支持，提供開發SDK(Software Development Kit，軟件開發工具包)、IDE(Integrated Drive Electronics，電子集成驅動器)等加快應用開發、測試和部署［4］。除了提供應用運行環境外，還需要提供整合服務、消息服務和流程服務等用于構建SOA(Service－Oriented Architecture，面向服務的體系結構)風格的復合應用?；谶@種模式，底層應用基礎設施和硬件部署對開發人員是透明的，開發人員可以根據應用需求動態擴展應用系統所需的各種軟硬件資源和服務資源。

2.3 基于IaaS模式構建虛擬服務層

提供給最終用戶的服務是計算服務、數據存儲(包括容災備份)、網絡設施、安全認證及其他基本的計算資源等基礎設施的使用［5］。用戶有權部署和運行任意軟件，包括操作系統和應用程序。用戶無需維護或控制任何云計算基礎設施，但能控制操作系統的選擇、儲存空間、部署應用，可獲取安全管控范圍內有限的網絡在線IT資源的控制。

2.4 基于云計算的制造業信息化模型結構及服務交付模式描述

基于云計算的制造業信息化模型結構如圖1所示。在云管理系統及相關業務平臺支撐下，基于云計算的信息化系統分別在IaaS、PaaS、SaaS這3個層面上為用戶提供服務。

基于云計算的制造業信息化服務交付模式如圖2所示，資源供應商或開發者、最終用戶是云計算資源的提供、消費的兩大主體［6］。IT資源供應商或開發者在PaaS、IaaS兩個層面上同時作為相關資源提供者和消費者，負責資源及流程整合，在SaaS層面上僅作為資源的提供者。最終用戶根據使用需求，在SaaS、PaaS、IaaS三個層面上動態獲取，是云計算服務的消費者。三層服務中，每一層服務內容順序支撐上層服務運行。

3 基于云制造服務模式

3.1 基于云計算的制造業信息化與云制造的區別

如果說基于云計算的制造業信息化在產品研發、設計、生產、銷售等制造全生命周期各應用環節中增加產業的技術含量、提高加工精度和生產效率、節約企業運營成本方面體現出了強勁的技術優勢，那么云制造的目標則是實現對產品設計、研發生產、銷售使用等制造全生命周期的相關資源的服務化封裝和有機整合，能提供標準、規范和可共享的制造服務模式，是一種面向服務和需求，基于知識庫、模型庫和數據庫的網絡化、敏捷化制造新模式和技術手段，是基于云計算的“上層建筑”［7］。云計算共享了計算資源，如存儲、服務器、安全設備、軟件、數據和產品中間件等資源，而云制造則共享的是制造資源和制造能力。

3.2 云制造服務模型結構及服務交付模式描述

云制造是基于云計算服務的延伸和發展，拓展了云計算的資源共享內容、技術和服務理念。制造資源主要包括制造過程中的各種模型、數據、軟件、信息、知識、加工中心、計算設備、仿真設備、試驗設備等IT資產［8］;制造能力主要包括制造過程中有關的技術論證、設計研發、生產實踐、實驗仿真、集約管理、集成制造等能力?；谏鲜稣J識提出云制造服務模型，云制造服務模型結構如圖3所示，其核心思想是:

(1)把異構、分散、自治的制造資源進行標準化封裝是實現共享的基礎和前提;

(2)充分體現了“制造即服務”的面向服務的核心理念;

(3)為快速應對制造資源和制造能力動態需求、匹配檢索、服務化封裝提供了資源基礎;

(4)體現了制造全生命周期活動“智能化”、“服務化”、“敏捷化”、“高效化”;

(5)實現了產品制造由單一制造主體串行模式向多制造主體協同并行模式的轉變。

云制造服務交付模式如圖4所示，制造資源提供者將異構、分散、自治的制造資源和制造能力，利用用于輔助決策分析的模型庫、知識庫作為支持，封裝為云服務，提供給制造業資源云池，制造云的運營者根據制造任務特征描述，對資源進行標準化、服務化封裝，并從云池接出，提供給制造資源的使用者。

資源服務共享過程如圖5所示，資源服務共享過程的核心是:

(1)將一個制造總任務T分解為若干子任務(t1，t2，…，tn)，對子任務進行特征描述并進行云發布;

(2)在約束條件下，系統對照任務描述對制造資源進行檢索匹配，進行標準化、服務化封裝，形成針對特定任務的制造資源廣義的“同構”和“集中”;

(3)通過時序控制，完成制造資源集的共享，實現制造全生命周期應用。

4 結語

本文對基于云計算的制造業信息化建設中的應用價值和實現模型作了充分的論述，包括基于云計算的制造業信息化建設的模式分析和框架設計，并提出了云制造服務模型結構設計。制造業信息化是一項帶有戰略意義的系統工程，展望未來，基于云計算的制造業信息化及云制造服務發展的關鍵因素是需求驅動;除此之外，受商業秘密、信息安全、知識產權和專利保護等多方面因素的制約，基于云計算的制造業信息化發展前景還需要依賴于信息技術的進一步提升、制造企業價值理念進一步更新和社會管理制度進一步創新。

［1］王瑞玲.基于AJAX的企業信息管理系統的設計與實現［D］.天津:天津大學，2007.

［2］陳大龍，米艷玲.制造業企業信息化發展模式及其對企業競爭力的影響研究［J］.江蘇科技信息:學術研究，2010(10):126－128.

［3］張鈺培.基于云計算平臺的網絡運行管理系統的設計與實現［D］.長春:吉林大學，2012.

［4］毛寧寧.支持服務協同的PaaS平臺中服務動態適配關鍵技術研究［D］.濟南:山東大學，2011.

［5］李伯虎，張霖，王時龍，等.云制造——面向服務的網絡化制造新模式［J］.計算機集成制造系統，2010，16(1):1 －7.

［6］George Reese.云計算應用架構［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［7］陳琨，王東勃，王穎慧，等.云制造軟資源封裝研究［J］.中國制造業信息化，2012，41(5):58 －63.

［8］房秉毅，張云勇，陳清金，等.云計算網絡虛擬化技術［J］.信息通信技術，2011，5(1):50 －53.