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�生命周期過程提供可隨時(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

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(“973”)規(guī)劃(2007CB310900)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(“863”)計(jì)劃(2007AA04Z153)

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�；�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。