基于云計算的先進制造業服務平臺構建*

張莉華　葛文庚

(黃淮學院信息工程學院，河南 駐馬店 463000)

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基于云計算的先進制造業服務平臺構建*

張莉華葛文庚

(黃淮學院信息工程學院，河南 駐馬店 463000)

通過分析構造制造業服務平臺設計的需求，將云計算應用在制造業服務設計中，從而給出了一種基于云計算的先進制造業服務平臺的構建模型，并給出基于該模型的制造業服務模式。給出的構建模型對于制造業在大數據云計算時代的信息化建設具有較好的理論研究意義和實踐應用價值，以期為先進制造業快速發展做些許有益的探索。

云計算;大數據;先進制造業;服務平臺

當今世界信息技術的迅猛發展極大改變了人們的生活，尤其是互聯網技術已經深入到社會各個角落，深刻影響著人們的日常生活。在可預見的將來，不論何時何地都能夠使用網絡技術實現數據計算、信息查詢、數據傳輸等功能，這種網絡應用模式是谷歌公司CEO埃里克·施密特2006年首次提出的“云計算(cloud computing)”[1]。云計算的產生對未來互聯網發展有非常深遠的影響,在各個領域的應用極大推動了各行各業的信息化發展，且可有效降低企業在信息技術方面的投入和信息系統運行維護壓力，能很好地滿足企業本身特殊業務的應用需求。先進制造業服務通過綜合利用云計算技術，依托新興物聯網、信息技術、云計算和大數據為一體，實現先進制造業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析，為先進制造業生產提供精準化生產、可視化管理、智能化決策的先進生產模式，從而將傳統的平面化制造業生產模式轉變為全新的、立體的、智能化的生產模式，這將是未來先進制造業生產發展的必然趨勢[2-3]。

根據先進制造業信息化建設的需求，通過分析其信息數據收集存儲、信息資源組織管理以及信息服務協調運用等，并結合云計算技術，給出了基于云計算的先進制造業服務平臺(service platform of advanced manufacturing based on cloud computing, PAMC)，強調在以服務為中心的基礎上，構建以網絡和數據信息為依托的資源整合與服務集成的制造業服務模式，重點介紹了云計算環境下制造業組織管理信息化、研究開發智能化以及生產服務集約化等領域的協調工作原理，從而推動當今云計算時代制造業海量數據信息的整合與重構，以期進一步為先進制造業快速發展做些許有益的思考。

1　先進制造業服務平臺構建需求分析

先進制造業服務是將信息網絡技術、自動化控制技術、現代管理技術與傳統制造業產品技術、生產技術、管理技術相結合，以推動產品創新、產品設計方法創新、產品生產技術創新和企業管理模式創新、企業間合作模式創新，實現產品設計制造和企業運營管理信息化，生產過程控制智能化，制造裝配數控化，經營服務網絡化，全面提升制造業競爭能力的過程[4-5]。發展先進制造業的主要目標是提升企業制造的敏捷性、健壯性和柔韌性，從而進一步提升企業市場競爭力。先進制造業服務平臺利用高度集約化、信息化和智能化的眾多計算機控制系統、數據存儲系統及相應數據中心，通過積累大量的信息資源和制造資源，進而對于先進制造業服務全流程進行管理、調控和維護。制造資源的使用者需要通過先進制造業服務平臺獲取對于所需制造資源和制造能力的使用。同樣的，制造資源提供商需要通過先進制造業服務平臺滿足用戶對于制造資源和制造能力的使用。因此先進制造業服務應包含3個部分：制造資源使用者、制造資源提供者和制造業設計服務平臺，其運行模式如圖1所示。

目前，先進制造業服務面臨的主要問題有以下幾個方面：

(1)制造業在信息化技術應用方面具有良好的基礎，但在實現產品設計、研發、管理信息系統集成以及現有網絡資源整合等方面的利用需求仍然十分迫切。

(2)隨著制造業信息數據的海量倍增，呈現出龐雜、分散、異構的特點，當前市場上出現了大量的異構制造業信息化系統，如企業資源計劃系統ERP、客戶關系管理系統CRM、供應鏈管理系統SCM、生命周期管理系統PLM、產品數據管理系統PDM、計算機輔助設計系統CAD等，導致出現“信息孤島”的現象特別突出，資源利用效率較低。

(3)企業在傳統制造業信息化建設方面，如基礎設施信息化建設、信息技術服務團隊建設、軟硬件系統部署建設、信息化系統日常維護等，迄今仍對制造業的生產經營和管理過程造成沉重壓力。

(4)現有制造業信息化系統對于企業間的設計協同、管理協同和組織協同存在交流不暢的缺陷，以及在實現對服務供應管理、產品銷售管理和服務協同等跨企業的業務流程也缺乏有效支持。

為有效整合制造業信息資源，方便集中管理使用，應著重解決信息資源分散和海量數據快速處理兩個方面問題。云計算在制造業上的應用突破了傳統制造業在信息系統建設、管理和使用的模式，在硬件虛擬化部署、海量數據存儲管理、應用系統設計開發等方面具有獨特的信息技術和數據處理優勢[6]，其技術實質是對計算、存儲、應用軟件、安全管理等網絡軟硬件資源進行虛擬化，其核心思想是將大量分散、自治的計算機軟硬件資源通過網絡進行集中統一管理，構成一個海量的資源池，這個資源池可以動態擴展和縮減，能夠提供各類相關定制服務，從而實現資源使用者對于制造資源的按需獲取[7-8]。另一方面，云計算所追求的低成本、高效率，也正是企業所追求的高效益、高回報價值目標。企業對于制造資源的信息化使用不需要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、安全、有效使用，從而滿足企業的所有相關業務的需求。這種模式不僅能夠有效降低企業資金的投入，而且還能夠大幅節約企業的設計、生產和銷售成本。

2　PAMC模型構建

先進制造業服務平臺(PAMC)構建包含信息化建設(PAMC-I)和服務建設(PAMC-S)兩個模塊，總體框架如圖2所示。PAMC-I利用計算機控制系統對制造業前期、中期、后期全流程動態服務進行管理、組織和維護。PAMC-S對擁有的制造資源和制造能力進行虛擬化，實現動態按需分配。PAMC首先通過基于云計算的信息化平臺，將相關制造企業的制造工藝和制造能力等信息資源進行虛擬化，從而構建先進制造業信息資源虛擬化池，以供用戶根據自身需求和信息資源進行實際選擇，進而發布合理的制造設計任務需求，然后根據用戶所發布的需求按照需求從服務資源虛擬池動態調用所需資源進行設計研發，其中服務資源虛擬化池由現實制造業所具備的硬資源和軟資源進行虛擬化構成，最后根據生產計劃調用現實制造資源完成生產任務。

2.1PAMC-I模塊建設

PAMC-I模塊主要是將制造業海量信息資源數據在云環境下進行虛擬化形成信息資源虛擬池，從而以云服務的形式更加方便快捷地使用戶獲取所需信息資源。其主要作用是根據用戶實際需求，迅速高效地為用戶提供合理的信息資源服務，有效減少用戶尋找最優資源組合的時間和成本，從而大幅提高工作效率以及有效降低成本。PAMC-I模塊主要分為5個層次：用戶層、應用層、中間件層、虛擬化層和物理資源層，其結構如圖3所示。

(1)用戶層。是在云計算環境中為云服務客戶端提供的基于瀏覽器的統一用戶界面，并通過身份認證和訪問控制權限機制保證用戶層的安全性，用戶可以通過統一安全的用戶界面在不同時間和地點的客戶端環境下，采用相同配置條件，根據不同用戶的有效身份驗證信息和訪問權限訪問PAMC提供的各種信息服務。

(2)應用層。工作在云環境中的軟件即服務層(SaaS)，是為滿足云服務客戶端的協同需求，包括設計環境、開發環境、運行環境三個層次。在設計環境層，也稱為制造資源即服務，是云服務提供商向云服務用戶提供最底層物理資源，云服務用戶通過標準服務接口對單一資源或聚合資源進行資源虛擬、多粒度訪問和數據管理。在開發環境層，也稱為制造環境即服務，是云服務提供商提供給云服務用戶可配置的虛擬化制造環境，云計算用戶可根據自身實際需求選擇、配置或復用可重構的制造資源，進而利用云服務提供商所提供的開發設計工具構建可以滿足需求的虛擬制造系統，包括重構單元的協同尺度管理和控制、用戶權限管理、多租戶的隔離以及虛擬技術的設計與管理等功能。在運行環境層，也稱為制造應用即服務，是云服務提供商向云服務用戶提供面向特定制造活動的可定制制造系統，將完成一個制造任務所需包括時間關系、約束關系、工作流程、資源組合等應用環境整合后交付給云服務用戶，所提供的制造應用主要涉及開發、上線、監控、隔離、維護等技術。

(3)中間件層。工作在云計算環境中的平臺即服務層(PaaS)，主要是利用各類中間件為基于云計算的制造服務和服務間的協同提供基本功能。基于云計算環境的先進制造業服務功能中間件主要包括服務管理、安全管理、任務管理、系統管理、資源管理五部分，其主要作用是為完成一個制造任務提供所需的各種應用平臺，以實現對資源的部署管理、集中監控以及彈性和鏡像管理、對系統的管理優化和監控維護、對制造任務的尺度流程管理和計費報價管理、對服務的安全管理以及服務質量管理等環節。

(4)虛擬化層。是基于云計算先進制造業的關鍵環節，工作在云計算環境中的基礎設施即服務層(IaaS)，通過對現實物理資源進行簡化抽象，構造出與物理資源的制造特征相似的且可用于通用訪問接口的資源虛擬化方法。基于云計算先進制造業的虛擬化層主要包括制造資源的描述、虛擬資源的封裝和鏡像封裝、虛擬資源的部署配置和激活釋放、訪問控制配置、資源網絡通信、物理資源監控和最大生命周期管理等過程，從而可以實現面向共享的制造資源虛擬化。

(5)物理資源層。是PAMC-I模塊最底層，與虛擬化層同樣工作在云環境中的基礎設施即服務層(IaaS)，主要是向云服務用戶提供面向協同制造活動的共享物理資源，如設備資源、軟件資源、備份資源、網絡基礎設施等基礎硬件，包含通過有償租賃而獲得的租賃域資源和完全自治的自治域資源兩類資源。租賃域資源用于彌補云服務用戶自有資源在資源類型單一、制造能力有限等不足，整個租賃過程是由云服務用戶和獨立資源擁有者之間進行協商，協商內容包括租賃類型、租賃方式、租賃期限等。完全自治的自治域資源由云服務用戶根據自身實際需要自主運用所擁有的各類制造資源。

2.2PAMC-S模塊建設

PAMC-S模塊是將現實制造資源虛擬化，構造制造資源虛擬化池，在云環境下有效合理配置部署各種制造資源，從而使設計研發人員可以根據最優資源指定生產計劃。其主要作用是根據用戶實際需求和虛擬化后現實制造資源，通過對各種制造資源進行合理優化組合，快捷高效地制定出符合需求的生產計劃，減少生產過程中各種制造資源不能最大化匹配的不足，從而可以有效提高生產效率、提升產品質量和優化生產成本。PAMC-S模塊主要分為5個層次：制造虛擬化層、制造設計層、制造分析層、制造運作層和云服務制造核心功能層，其結構如圖4所示。

(1)制造虛擬化層。是在PAMC-S模塊中用于為服務設計研發提供調用資源服務。通過將現實制造資源(主要包括硬制造資源和軟制造資源)進行虛擬化構成服務資源虛擬池，并在服務資源虛擬池中構造出制造資源知識庫、制造資源模型庫等服務模版庫。其中硬制造資源包括加工制造設備、物資原料、計算控制設備、運輸物流工具等，軟制造資源包括計算機建模系統CAD、計算機輔助工藝設計系統CAPP、柔性制造系統FMS、管理信息系統MIS、設計和操作人員等。

(2)制造設計層。是根據用戶訂單需求，通過選用服務資源池中現有的制造資源進行制造服務設計，形成最優生產計劃。制造設計層包括需求分析、建造模型、待選模型和樣本確認四個流程。需求分析是根據用戶需求確定所需提供的制造服務工藝和服務質量，并根據當前擁有的制造資源進行服務建模分析。建造模型是根據用戶需求選擇確定所需制造資源，并進行模型匹配，判斷是否達到服務需求。待選模型主要有3種方式，用戶可根據自身需求進行選擇所需服務模型，或由系統根據用戶需求推薦最優組合，或者用戶根據系統推薦的模型修改其中不相符的部分。樣本確認是根據用戶申請服務的需求以及系統自身現有資源，在確定所需服務模型后利用計算機輔助工藝設計系統CAPP形成符合需要的樣本。

(3)制造分析層。是根據所確定的制造服務樣本模型，確定所需的工藝需求，并根據需求分析選擇合適的服務，確定實現制造服務所需全部服務的最高效合理的優化組合工作流程。制造分析層包括需求描述、待選服務和優化服務組合3個流程。需求描述是根據所選定的制造服務樣本，對所需支撐服務進行需求分析，包括工序分析、工藝流程、工藝水平等方面進行描述。待選服務是將所有滿足能夠完成制造任務的服務列舉出來，由用戶選擇完成制造任務所需的支撐服務，或用戶根據系統推薦進行選擇，且用戶可根據需求對系統推薦的支撐服務做部分修改，以滿足實際情況需要。優化服務組合是將物料采購、加工生產、物流配送等流程進行合理高效組合，為制造服務選擇最合適的支持服務和最高效生產流程，從而最優化完成制造生產服務。

(4)制造運作層。是對生產過程中各個模塊環節進行精細化和系統化管理，以確保制造生產任務高效完成。這些生產模塊環節包括供應管理、流程管理、服務管理等。供應管理模塊包括從采購部門到各服務提供商的選擇與監督管理，充分利用該系統能夠選擇質量好效率高的服務廠商為制造生產任務服務。流程管理模塊包括并行工程、生產時間控制、具體業務部署、各個生產流程的銜接、運籌優化等方面。服務管理是采用柔性管理，對制造服務的質量、效率、產品交易等方面進行管理。

(5)云服務制造核心功能層。是依據云環境為制造生產設計任務提供的云服務進行管理維護，包括云服務搜索匹配、云服務綜合評估、云服務調度運行、云服務監控管理、云服務容錯管理、云服務計費管理等，從而對所提供的云服務進行條件搜索匹配、質量綜合評估、服務調度運行、容錯備份管理以及報價計費管理等，達到對云服務的合理、高效、規范使用。

3　PAMC模型服務模式

PAMC模型的服務模式主要由以下包括幾個部分：PAMC-I模塊、PAMC-S模塊、基于云的大數據整合平臺、訂單管理系統、設計研發系統、組織管理系統、資源虛擬系統、生產管理系統、供應管理系統、財務管理系統和人力資源管理系統等組成，各部分進行合理有效銜接共同完成制造設計生產任務，其服務模式如圖5所示。

(1)PAMC-I模塊是用于同各個系統模塊進行信息交互，依據云環境服務平臺，為諸如訂單管理系統、設計研發系統、組織管理系統、企業資源管理系統等提供方便快捷的制造服務資源信息，從而提高制造生產過程各模塊的運行效率。

(2)PAMC-S模塊是用于為各個系統模塊提供資源調用服務，依據云環境下將虛擬化的現實制造資源用于個模塊的調用，接收訂單管理系統發布的服務需求，為設計研發系統、組織管理系統等通過資源調用，與供應管理系統實現物流控制，與財務管理系統實現服務交易，可將現實制造資源進行高效虛擬使用，有效提升了制造服務的研發生產效率，同時提供了最優服務組合，保證了產品質量。

(3)基于云的大數據整合平臺是基于海量信息進行有效化管理，通過實時與PAMC-I模塊和PAMC-S模塊進行信息交互，以實現對各種與制造服務相關的信息進行優化管理，去除冗余和無效信息，為先進制造業生產服務提供有效的數據管理服務，提升系統整體運行效率。

(4)訂單管理系統包括3個功能模塊，管理通過常規手段所得到的訂單、管理通過基于云環境下PAMC-I模塊所得到的訂單及管理向PAMC-S模塊調用制造資源的發布需求訂單。通過訂單管理系統能夠實現對用戶訂單的有效管理。

(5)設計研發系統通過采用計算機輔助設計系統進行模版設計、樣式設計、樣本確認等，然后利用建模軟件設計建模，并對設計模型和樣本模型進行管理。設計研發系統不僅是傳統制造企業生產的組成部分，也可以單獨為PAMC提供制造服務。

(6)組織管理系統是根據主生產計劃計劃、產品信息清單和庫存信息等來確定物料需求計劃MRP，進而確定工藝路線系統、采購計劃、加工計劃、企業生產能力等，最終制定能力需求計劃CRP，以確定制造生產總體需求，確認生產總訂單。

(7)資源虛擬系統將現實制造資源虛擬化后形成物資材料資源庫、設計研發模型庫、制造工藝模型庫、人力設備資源庫等，用于滿足制造生產總體需求。然后根據企業制造生產總體制造需求，通過調用虛擬池中的資源來滿足企業自身生產，并根據生產總訂單下達生產任務。同時，資源虛擬系統也可將富余資源通過適配器提供給PAMC，作為服務制造資源反過來滿足制造生產任務。

(8)企業資源管理系統是基于先進企業管理理念形成的高度集成化信息系統，用于改善企業業務流程、合理調配資源、提高企業核心競爭力等，通過與PAMC-I模塊對接實現對平臺組織管理系統、生產管理系統、供應管理系統、財務管理系統等的效率提高，對各個系統實施高效管理控制。

(9)生產管理系統用于保證制造生產現場工作的效率，在企業資源管理系統的監控下，根據下達的生產總訂單，合理控制車間作業，以及對產品生產全流程實施質量管理、生產設備維護和成平裝配等監督管理。

(10)供應管理系統用于保證整個生產過程物資流和信息流的交互暢通，與PAMC進行資源調用，同樣處于企業資源管理系統的監控之下，包括采購管理、銷售管理、庫存管理、運輸管理等方面。

(11)財務管理系統用于實現信息化財務管理，包括會計核算和財務管理等功能模塊，同時依托PAMC進行服務交易管理，以支持發布需求用戶在線支付以及支付方式的協商等。

(12)人力資源管理系統是對參與制造生產任務的所有設計研發、生產制造、銷售庫存、物流運輸等過程的人員，接收企業資源管理系統的監督管理，確保分工明確，職責明晰、責任劃分。

4　結語

隨著先進制造業的迅猛發展和信息技術在制造業領域的廣泛應用，海量制造信息和孤立的異構信息網絡，使得制造服務使用者無法高效選擇符合需求的最優服務，同時制造服務提供者也無法得到有效利用，信息孤島現象日益嚴重，造成用戶與服務提供商之間對接不協調，已有制造資源得不到充分合理高效利用。為充分有效解決這一矛盾，結合云計算技術，構建了PAMC模型，并給出其服務模式，通過建設PAMC-I模塊和PAMC-S模塊，對制造資源的合理調用和用戶需求信息的高效交互實施有效的監控管理，從而有效提高制造業的生產加工效率，所給PAMC模型為先進制造業的實現及發展提供了有益的理論研究和有效的應用示范。

[1]羅軍舟，金嘉暉，宋愛波，等．云計算：體系架構與關鍵技術[J]．通信學報，2011，32(7)：3-21．

[2]李伯虎，張霖，任磊，等．云制造典型特征、關鍵技術與應用[J]．計算機集成制造系統，2012，18(7)： 1345-1356.

[3]宋庭新，張成雷，李成海，等．中小企業云制造服務平臺的研究與開發[J]．計算機集成制造系統，2013，19(5)：1147-1154.

[4]陳康，鄭緯民．云計算：系統實例與研究現狀[J]．軟件學報，2009，20(5)：1337-1348.

[5]王時龍，郭亮，康玲，等．云制造應用模式探討及方案分析[J]．計算機集成制造系統，2012，18(7)：1637-1643.

[6]尹超，黃必清，劉飛，等．中小企業云制造服務平臺共性關鍵技術體系[J]．計算機集成制造系統，2011，17(3)：495-503．

[7]劉正偉，文中領，張海濤．云計算和云數據管理技術[J]．計算機研究與發展，2012，49(Suppl.)：26-31.

[8]楊靜，李文平，張健沛．大數據典型相關分析的云模型方法[J]．通信學報，2013，34(10)：121-134.

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Construction of service platform for advanced manufacturing based on cloud computing

ZHANG Lihua, GE Wengeng

(Shool of Information Engineering, Huanghuai University, Zhumadian 463000, CHN)

Through analyzing the requirements of designing the manufacturing industry service platform, the cloud computing is applied in the design of manufacturing industry. Thus a construction model of the design of advanced manufacturing industry service platform based on cloud computing is proposed, and the service mode of the manufacturing industry of the proposed model is also provided. The proposed model has a theoretical research significance and practical application value for the informatization construction of the manufacturing industry in the period of big data cloud computing. Meanwhile, the proposed model expect making some beneficial research for rapid development of advanced manufacturing.

cloud computing; big data; advanced manufacturing; service platform

TP391

A

張莉華，女，1979年生，碩士，副教授，主要研究方向為大數據及信息安全。

(編輯譚弘穎)(2015-10-08)

160233

*河南省科技廳發展計劃項目(122102210430)