云制造介紹 - 全文

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(yǔ)義Web、高性能計(jì)算等技術(shù)，能夠?yàn)橹圃烊芷谶^(guò)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

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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)。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)?！爸袊?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(lái)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(guò)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(lái)，組成一個(gè)大的資源池，用來(lái)統(tǒng)一提供服務(wù)，通過(guò)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(hù)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(zhuān)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(lái)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(lái)，為用戶(hù)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。

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(lái)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(yǔ)義Web、高性能計(jì)算等技術(shù)，通過(guò)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(lèi)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(guò)網(wǎng)絡(luò)為制造全生命周期過(guò)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(guò)程包括制造前階段（如論證、設(shè)計(jì)、加工、銷(xiāo)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(guò)程（接入、接出）和三種用戶(hù)（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(guò)程可稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)為“接出”。在整個(gè)云制造體系的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)，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(hù)通過(guò)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(hù)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(guò)調(diào)度、優(yōu)化、組合等一系列操作，向用戶(hù)返回解決方案。用戶(hù)無(wú)需直接和各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)打交道，也無(wú)需了解各服務(wù)節(jié)點(diǎn)的具體位置和情況。通過(guò)云制造平臺(tái)，用戶(hù)能夠像使用水、電、煤、氣一樣使用制造資源和制造能力。

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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(mén)戶(hù)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(yǔ)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(lái)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(guò)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(guò)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(mén)檻。

云制造的未來(lái)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(yǔ)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(hù)界面等技術(shù)均是未來(lái)需要攻克的重要技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)研究做出展望。

6 參考文獻(xiàn)
[1] 李伯虎, 柴旭東, 朱文海, 等. 復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同制造支撐環(huán)境技術(shù)的研究 [J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2003, 9(8): 691-697.
[2] 吳澄, 李伯虎. 從計(jì)算機(jī)集成制造到現(xiàn)代集成制造: 兼談中國(guó)CIMS系統(tǒng)論的特點(diǎn) [J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造, 1998, 4(5): 1-6.
[3] 李伯虎, 張霖, 王時(shí)龍, 等. 云制造—面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式 [J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2010, 16(1): 1-7.
[4] 孫林巖, 李剛, 江志斌, 等. 21世紀(jì)的先進(jìn)制造模式—服務(wù)型制造 [J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2007, 18(19): 2307-2312.
[5] 劉飛, 曹華軍, 張華, 等. 綠色制造的理論與技術(shù) [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.
[6] IBM. Cloud Computing: Access IT Resource Anywhere Anytime [EB/OL]. [2009-11-30]. http://www-01.ibm.com/software/cn/tivoli/solution/cloudcomputing.
[7] 陳康, 鄭緯民. 云計(jì)算: 系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀 [J]. 軟件學(xué)報(bào), 2009, 20(5): 1337-1348.
[8] MARTIN D, BURSTEIN M, MCDERMOTT D, et al. Bringing Semantics to Web Services with Owl-s [J]. World Wide Web, 2007, 10(3): 243-277.
[9] HEATH S. Embedded Systems Design [M]. 2nd ed. Oxford, UK: Butterworth-Heinemann 2003.
[10] WOLF W. Cyber Physical Systems [J]. Computer, 2009, 42(3): 88-89.
[11] LANDT J. The History of RFID [J]. IEEE Potentials, 2005, 24(4): 7-13.
[12] BENIOFF M R, LAZOWSKA E D. Computational Science: Ensuring America's Competitiveness [R]. President's Information Technology Advisory Committee (PITAC), 2005.
[13] FLAMMIA G. Application Service Providers: Challenges and Opportunities [J]. IEEE Intelligent Systems and Their Applications, 2001, 16(1): 22-23.
[14] TAO F, HU Y, ZHOU Z. Study on Manufacturing Grid & Its Resource Service Optimal-selection System [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2008, 37(9/10): 1022-1041.
[15] 李伯虎, 柴旭東, 侯寶存, 等. 一種基于云計(jì)算理念的網(wǎng)絡(luò)化建模與仿真平臺(tái) [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2009, 21(17): 5292-5299.

致謝：本文寫(xiě)作過(guò)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。