云制造介紹

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)?；谠?strong>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)鍵字:制造業(yè)信息化；云制造；云計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)化制造

英文摘要: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.

英文關(guān)鍵字: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)是國民經(jīng)濟(jì)和國防安全的重要支柱，是一個(gè)國家工業(yè)化的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。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)核心競爭力的關(guān)鍵因素。中國在2009年已成為僅次于美國的全球第二大工業(yè)制造國，但是仍未能成為制造強(qiáng)國。“中國制造”的總體水平仍處于國際產(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。

正是在這樣的背景下，“云制造”的理念應(yīng)運(yùn)而生。目前國際上對(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，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?；贑OSIM-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

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。