制造網格概論

[摘 要]在歸納了現代制造業技術特征的基礎上，重點論述了網格及制造網格的內涵，對制造網格的應用進行了研究，并對其未來的發展進行了展望。

[關鍵詞]網格；制造網格

[中圖分類號]TP13 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194(2006)07-0033-04

1 引 言

網格是近年來興起的一種網絡技術，其構想源于電力供應網，基本思想是希望人們像從電網中獲取電力一樣也能方便地從網格中獲取計算力。它利用計算機網絡把地理上廣泛分布的計算資源、存儲資源、網絡資源、軟件資源、信息資源等連成一個邏輯整體，然后像一臺超級計算機一樣為用戶提供一體化的應用服務，實現萬維網上所有資源的全面連通、全面共享，消除信息孤島和資源孤島。網格技術被稱為是繼傳統Intemet、Web之后的第三次浪潮。它將帶來Intemet的新生，極大地改變我們的工作和生活模式。

信息技術和經濟全球化的發展，為制造業注入了新的活力。在這種信息和經濟全球化的國際大環境下，必然要求制造業要利用Intemet來跨越不同企業之間存在的空間距離，通過信息集成、業務過程集成、資源共享，為企業開展協同設計、協同制造、網上營銷、供應鏈管理等提供支撐環境，而網格技術的本質特征就是高性能的遠程資源共享，它提供的支持與現代制造需求之間恰好存在著極強的吻合性。正因如此，網格技術已成為開發、滿足現代制造的最佳候選。基于開放服務的制造網格能夠最大限度地實現設計、制造、信息、資源的共享，克服空間距離給企業間的協同帶來的障礙。

2 現代制造業技術發展的特點

與信息技術和經濟全球化的發展相適應，現代制造業技術發展呈現出如下四大特征。

(1)制造業技術的“數字化”發展。制造業“數字化”發展勢不可當。它是制造技術、計算機技術與網絡技術交叉發展和應用的結果。它包含數字化設計、數字化制造和數字化管理等。對制造業而言，各種信息(如圖形、數據、知識、技能等)均以數字形式，通過網絡在企業內部流轉，以便根據市場信息，迅速收集資料，在虛擬現實、快速原型、數據庫等多種數字化技術的支持下，對產品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規劃與重組，通過仿真設計，模擬加工和成本預算，來實現生產過程的快速重組和對市場的快速響應，以滿足客戶要求。目前，全球制造業都在通過網絡，應用電子商務，實現優勢互補，形成動態聯盟，在研究、設計、制造、銷售和服務過程中，圍繞產品所賦予的數字信息，彼此交互，在廣泛領域里形成數字網絡。總之，數字化已成為驅動制造業活動的最活躍因素。

(2)制造業技術的“集成化”發展。“集成化”是制造業技術發展的方法。現代集成制造技術就是制造技術、信息技術、管理科學與有關科學技術的集成。“集成”就是“交叉”、“雜交”，就是取長補短。制造業技術集成涉及以下3個主要方面：①現代技術的集成，以機電一體化為例，其關鍵是檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術等。這些技術同許多學科有關。②加工技術的集成，這是現代技術集成的一個特殊部分。特種加工技術及其裝備是個典型，如激光加工、高能束加工、電加工等。③管理技術的集成，包括生產信息、功能的集成；包括生產過程的集成、全壽命周期過程的集成；也包括企業內部的集成，企業外部的集成，如并行工程、敏捷制造、CIMS等。

(3)制造業技術的“網絡化”發展。“網絡化”是制造技術發展的必由之路。它由兩個因素決定：一是生產組織變革的需要，二是生產技術發展的可能。由于制造業在市場中面臨產品頻繁更新、市場需求快速變化等諸多壓力，為此企業必須在生產組織上實行某種深刻的變革，以應對激烈競爭的外部環境。這種變革體現在兩方面：一方面利用網絡在產品設計、制造與生產管理中充分共享資源，形成快速調集、有機整合與高效利用制造資源的機制；另一方面在生產技術上，網絡化必然導致制造過程的分散化，使企業必須集中力量在自己最有競爭力的核心業務上。

制造技術網絡化的發展必然會導致一種新的制造模式，即虛擬制造組織。這是由地理上異地分布的、組織上平等獨立的多個企業，在談判協商的基礎上，建立密切合作關系，形成的動態“虛擬企業”。在這個動態的、虛擬的平臺上，各企業致力于自己的核心業務，實現優勢互補，資源共享。

(4)制造業技術的“智能化”發展。“智能化”是制造業發展的必然生產模式。制造技術的智能化突出表現在制造諸環節中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機來模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動。同時，這種智能化系統還負責收集、存儲、處理、繼承和發展人類專家的制造智能。制造技術的這種高度精密化、自動化不但極大地解放了人的體力勞動，而且更為關鍵的是有效地提高了腦力勞動，解放了人的部分腦力勞動。它必然是現代集成制造業未來的一種主要生產模式。

3 關于網格及制造網格

3．1關于網格

網格技術是網絡技術發展的最新成果，它必然給現代制造業發展注入新的活力。網格是借鑒電力網概念提出來的，最終目的是希望用戶在使用網格計算能力解決問題時像使用電力一樣方便，用戶不用去考慮得到的服務來自于哪個地理位置，由什么樣的計算設施提供。也就是說，網格給使用者提供的是一種通用的計算能力。作為一個集成的計算與資源環境，網格能夠集成各種計算資源，將它們轉化成一種隨處可得的、可靠的、標準的、透明的且相對經濟的計算能力，其集成的計算資源包括諸如各種類型的計算機、網絡通信能力、數據資料、儀器設備甚至有操作能力的人等。

電力網中需要有大量的變電站等設施對電網進行調控，相應的網格中也需要大量的管理站點來維護網格的正常運行。網格的結構及資源的調控將更復雜，需要解決的問題也更多。因為網格所關心的問題不再是文件交換，而是直接訪問計算機、軟件、數據和其他資源。這就要求網格具備解決資源與任務的分配調度、安全傳輸與通信實時保障、人機系統以及人與人之間的交互等一系列問題。網格提供的資源是隨時間動態變化的，原來擁有的資源或者功能，在下一時刻可能就會出現故障或者被拒絕使用，而原來沒有的資源，可能隨著時間的進展會不斷加入進來。

總體來說，網格是一種新技術，因此具有新技術的兩個基本特征：①不同的群體用不同的名詞來稱謂；②網格的精確含義和內容還沒有固定，還在不斷發展豐富。目前盡管網格計算還沒有世界統一的標準，但在核心技術上，相關機構與企業已達成共識：Globus Toolkit已成為網格計算事實上的標準。Globus Toolkit基于Globus和IBM共同倡議的網格標準OGSA，把Globus標準與Web Service標準結合起來，以Service的方式對外提供統一的網格服務。另外，網格技術本身還具有5個主要特征：①網格是建立在Intemet和Web基礎上的，將能實現應用層面上的互聯互通，即用戶使用層面上的互聯互通；②網格可以實現全面的資源共享；③網格采用的是國際標準，因此網格可以使接入設備像接入電話一樣方便；④網格的應用會改變計算平臺，帶動網絡技術發展，從而導致大量的新產品和各種利用該技術提供服務的新模式出現，包括新的技術模式和商業模式；⑤基于國際開放的標準必將帶來新的發展機會。

3．2關于制造網格

近年來，網格標準與WebService標準的結合使得網格應用以服務形式向非科學計算領域滲透。隨著其在制造業中應用的深入，一種新的制造模式——制造網格——應運而生。制造網格是在分析制造業特點的基礎上，為解決制造業的實際需求而提出來的，是網格技術在制造業中的具體應用。與網格集成環境中充斥著許多異質資源一樣，制造網格環境中的技術資源、信息資源、人力資源和服務資源都是高度自治的、異構的、分布式的。為使得制造網格能夠持續不斷地為用戶提供穩定的服務，必須對這些分散在Intemet上的資源進行有效地管理。具體地說，制造網格是實現企業和社會資源共享和集成，支持企業群體協同運作的集成支撐環境。它基于網格和相關的信息技術，借助于網絡將分散在不同企業和社會群體中的設計、制造、管理、信息、技術、智力和軟件資源，通過封裝和集成，屏蔽資源的異構性和分布性，以透明的方式為用戶提供各類制造服務。制造網格使企業能夠以請求服務的方式方便地獲得所有與制造相關的服務，能夠像使用本地資源一樣方便地使用封裝在制造網格中所有的資源，實現各類資源的集成和優化運行，從而實現企業間的商務協同、設計協同、制造協同和供應鏈協同。它使基于制造網格支撐環境運行的制造企業群體能夠以低的成本和短的開發周期、制造出符合市場需求的高質量產品。

通過制造網格提供的支撐環境，克服空間上的距離和異構性給企業間協同帶來的障礙，為實現敏捷制造和虛擬企業的運作提供支持，形成具有數字化、柔性化、敏捷化等基本特征的優勢互補的協同企業。它是現代集成制造原理和敏捷制造模式在網絡化經濟環境下的一種具體的物化形式，它的出現也是制造業信息化水平發展到一定程度的必然產物，是對傳統制造模式的揚棄與創新。由于制造網格及其應用系統對制造企業的支持空間從單個企業擴展到了整個社會，其自身具有地域上的分布性、組織上的動態性、管理上的統一性和自治性等特點。基于制造網格，未來的企業能夠像獲得電力一樣方便地從網上獲得各種所需的制造服務。因此，從運行方式和形態上，制造網格與目前的Intemet有很大的相似性，但是由于制造網格旨在為企業提供制造服務，而制造服務與Internet提供的信息服務存在著很大的區別。與其他Intemet平臺相比，制造網格具有如下優點：

(1)制造平臺的標準化、模塊化。網格中間件平臺是采用系統的、開放的、標準的技術進行建設的，因此，以OGSA為建設思想，以網格中間件為核心建設的制造網格平臺同樣具有標準化、模塊化的特點，有良好的開放性、靈活性和擴展性。

(2)制造過程的自動化、規范化。網絡化制造雖然已經取得了一定的成果，但同時也存在著一定的缺陷和不足，如傳統的網絡化制造沒有通用的模式和體系結構作支撐，沒有公認的標準和規范，采用的是專用實現技術。而以開放和標準的WebService為技術基礎的制造網格，繼承于Globus的工作流調度機制，規范了網絡化制造的過程和方法。

(3)資源管理的虛擬化、動態化。資源管理一直是制造業信息化建設中的關鍵點和難點。在制造網格中，將各種制造資源虛擬為“服務”，使得各種資源對用戶是透明的。同時，與資源相關的各種信息和數據均保存在本地，僅將其“網格服務句柄”(GridService Handle，GSH)注冊到信息服務中，可以動態添加或刪除，實現了資源的分布式動態管理。

以下例子可以具體說明采用網格技術帶來的好處。如果一個分布在中國各地的工程小組要設計一種新型的飛機，那么這些工程師需要和各地的部件供應廠商、質量監督機構等打交道。在Intemet普及之前，人們通過郵政局寄送技術文檔，非常耗時。有了Intemet，工程師之間可以用電子郵件傳送文檔，互相回答問題。到了網格階段，它給人們創造了一個虛擬的協同工作空間。大家可以從自己的桌面工作站上實時地看到這架飛機設計的全過程，可以在本地模擬飛機的操作，評價它的性能，修改參數等。

4 制造網格應用

網格在產生初期主要集中在高性能科學和工程計算領域。就涉及企業應用而言，制造網格目前仍然處在起步階段，但會成為網格產業化最有希望的領域。計算機集成制造在我國從20世紀80年代就已經開始研究和實施，早期的CIM只局限于企業內部信息集成，但在市場不斷變化、制造技術不斷發展的環境下，企業配置的制造資源已無法滿足新的需求，客觀上需要從社會角度來配置制造資源，形成企業協同。由于網格技術提供的手段和功能能夠很好地滿足實施支持企業協同的網絡化制造的需求，因此，探索將網格技術應用于集成制造，基于網格技術構建支持企業協同的制造網格是一個非常有意義和有發展前景的研究方向。具體來說，制造網格有如下4個方面的應用方向：

(1)進一步提高制造業產品研發和設計能力。隨著制造技術的數字化趨勢的發展，企業對高性能計算資源和軟件資源的需求越來越強烈。以計算資源為例，現在許多項目的設計，相關參數就成千上萬，“用1臺超級計算機1個晚上只能做1項參數計算，做完設計需要10年”。用網格技術可以讓很多計算機協同工作，原先需要10年做完的計算，現在幾周就能完成了；其次，企業對高可靠性的需求越來越強烈。現在的企業網上跑的都是“關鍵業務”，要求系統99．99％不能宕機。在網格環境中，只要有一臺計算機運行，系統就能工作。假設一臺計算機的出錯率為1％的話，那么兩臺計算機同時出錯的概率就接近為零，因此，很容易達到極高的可靠性；另外，一些新方法(諸如進化設計、模擬設計)的發展，對低成本和超級計算能力的要求也非常迫切，而這樣的要求只有網格才能滿足。網格能在不占有超級計算機的情況下，收集分散在各地的空閑計算能力，組成一臺虛擬計算機，使每個企業都有可能低成本地獲得超級計算能力用于產品設計。例如，有了網格，汽車制造商可以以低成本進行汽車碰撞的模擬實驗，航空公司則能對飛機進行整體仿真等等。制造網格可以有效解決產品開發異構環境中多領域的協同問題。

(2)進一步提高制造業的資源共享能力。目前制造業在現代化進程中，高新技術的制造資源的巨大投入是每一個企業都必須所面對的問題。但是在資源的利用上，往往都存在資源低效率運轉的情況。一方面是由于市場需求的快速變化而導致制造資源利用率低下，另一方面則是由于企業產品的更新換代導致制造資源的更新換代，這樣一來，原來可以繼續使用的制造資源只好封存起來。同時，科研院校大量的資源在項目完成后都處于閑置狀態，而想要使用該資源設備的科研院校卻要進行重復購置，造成科研成本提高和資源的重復浪費。一些行業分析家指出，一般企業后端服務器的實際能力沒有充分調動起來，大約80％的資源被浪費掉了。美國一家通訊公司的CIO介紹，他們公司的服務器最多也就使用了5％～10％的資源。其實，任何企業都無法依靠自身的資源來滿足其生產以適應市場需求的變化。資源共享、有償使用將可以緩解這一問題。

制造網格環境下資源的多樣性、復雜性和動態性將遠遠超過今天的互聯網。網格環境下的資源共享包括計算資源共享(如高性能計算設備)、數據和信息共享(如網絡零件庫)、應用和服務共享(如在線分析處理)、設備共享(如高級加工中心)、軟件系統共享(如大型昂貴軟件)等。這些資源為不同的組織所擁有，分布在不同的物理位置和異構平臺上，目前的網絡要使這些資源充分共享極其困難，而制造網格提供了很好的共享平臺。

(3)一步提高制造業的協同工作能力。首先，經濟全球化、制造全球化的發展使得企業從過去的“大而全”、“小而全”走向分工專業化和協同化；其次，網絡環境中存在著大量資源，資源調度極其復雜；另外，市場對制造業提出了更加苛刻的要求，新的內外因素轉變要求企業要有極強的協同工作能力。因此，制造業急需加強其社會協同能力。而協同是網格本質特征之一。網格研究權威Foster對網格的定義是：在動態多機構虛擬組織中的資源共享和問題的協同解決。網格技術的發展將幫助把分散在不同區域、不同企業、不同組織和不同個體中的各類資源有效地組織起來，進行優化調度。通過網格技術，企業能夠方便地獲得各種制造服務，并在網格技術的支持下方便地形成面向特定制造需求的專業化應用系統，實現企業間的商務協同、設計協同、制造協同和供應鏈協同，支持企業快速響應市場變化。

(4)進一步化解制造業信息集成的風險。“以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化”是我國企業發展的重要戰略。對于制造業的信息化來說，直接建立全新的IT系統是最簡單的辦法，但在目前階段，對于廣大擁有大量遺留IT系統的企業來說，完全放棄以前的系統投資，重新建立新的系統是不現實的，這不僅需要大量新投資，而且完全重建新系統往往存在成本高、周期長和可控制性差等風險，特別是在企業的一些原有系統能夠滿足其使用要求的情況下。因此，進行遺留系統的集成是企業應用集成的重要內容。而網格技術的出現則為新一代的企業應用集成提供了嶄新的模式，其開放性、標準性以及松散耦合的系統結構將為基于網絡的應用提供最佳的模式，它所具有的平臺、語言無關性，更便于進行系統集成以及實現互動操作。它將是下一步Intemet技術發展的主要方向。隨著網格技術標準的日漸完善與成熟，大規模的制造網格應用將逐步到來。

5 制造網格應用的展望

互聯網新一次浪潮的實質，就是要將萬維網(WorldWide Web)升華為網格(Great Global Grid)，即實現從WWW到GGG的變革。傳統網絡實現了計算機硬件的連通，Web實現了網頁的連通，而網格則要實現互聯網上所有資源的全面連通。它要把整個互聯網整合成一臺巨大的虛擬計算機，實現信息和資源的全面共享和協同工作。可以預見，各種應用網格的構建將成為今后幾年商用化的重點，包括科學計算、教育、智能交通、醫療、生物信息、天氣預報、資源探測、電子娛樂、電子政務、電子商務等。制造網格的建設進程可能在兩三年后興起，但會成為網格產業化的最大空間。制造資源是高度分布和異構的，需要大量的計算和數據服務。通過應用網格技術，遵循OGSA，OGSI的網格服務標準，將分散的功能整合起來，實現企業應用系統集成。所以說，支持服務連接、集成優化的制造網格將成為商業網格的一個重要發展方向。

可以斷言。未來的企業將再也看不到實際的企業形式，所能看到的只是可以提供某種專門功能(計算、存儲、制造、裝配等功能)的單元。或許將來，當個人需求單個的個性化產品時，只需要登錄網格，提出自己的需求，就能有一組功能單元通過網格進行協同工作，將單個產品生產出來，交付給用戶，而用戶只需要通過網格中間件提供的記賬付款服務功能，按供應方為產品提供的資源以及服務(原材料、設計、加工等)支付使用費就行了。