云制造概論

摘要:基于云計算的思想，文章提出一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能新模式——云制造。云制造融合現有信息化制造、云計算、物聯網、語義Web、高性能計算等技術，能夠為制造全生命周期過程提供可隨時獲取、按需使用、安全可靠、優質廉價的服務。基于云仿真原型平臺COSIM-CSP的云仿真應用已初步用于某飛行器多學科虛擬樣機的協同設計中，為云制造的進一步研究工作奠定了基礎。

[關鍵詞]制造業信息化;云制造;云計算;網絡化制造

Abstract: 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.

Key words: manufacturing informatization; cloud manufacturing; cloud computing; networked manufacturing

1 制造業信息化的發展趨勢

制造業是國民經濟和國防安全的重要支柱，是一個國家工業化的戰略性產業。中國政府已將“制造業信息化”作為其實現新型工業化道路的戰略舉措。制造業信息化是指以信息(采集、傳遞、加工、處理、應用)技術為核心，將信息技術、建模與仿真技術、現代管理技術、設計/生產/實驗技術、系統工程技術及產品相關的專業技術綜合運用于企業(或集團)產品研制的全系統、全生命周期活動中，集成優化其中的三要素(人/組織、經營管理、技術)及四流(信息流、物流、價值流、知識流)，進而改善企業(或集團)產品及其開發時間、質量、成本、服務、環境清潔和知識含量，以增強企業(或集團)的市場競爭能力，實現企業(或集團)的跨越式發展[1-2]。值得指出的是:這里提的“制造”是“大制造”，是從產品的市場分析開始，到設計、加工生產，從試驗、訓練、使用、維護到報廢等全生命周期的活動。

制造業信息化的發展總趨勢是集成化、數字化、智能化、敏捷化、網絡化、綠色化和服務化。當前，“服務、資源環境、知識創新”[3]正成為制造業核心競爭力的關鍵因素。中國在2009年已成為僅次于美國的全球第二大工業制造國，但是仍未能成為制造強國。“中國制造”的總體水平仍處于國際產業分工價值鏈的低端，創新能力比較弱，并且受到資源環境的嚴重制約。基于現狀，中國制造業必須盡快突破，實現向“服務型制造” [4]、“綠色制造”[5]和“中國創造”的轉變。

基于高速發展的信息技術，本文提出“一種基于知識、面向服務的高效低耗網絡化智能制造新模式—云制造”。云制造技術的研究與應用將會加速推進中國制造業信息化向網絡化、智能化和服務化方向發展，從而將中國制造業信息化提升到新的高度和水平。

2 云制造提出的技術基礎

云計算作為一種新的服務化計算模式，近年來正在產業界興起并逐步走向成熟[6-7]。云計算是一種基于互聯網的計算新模式，通過云計算平臺把大量的高度虛擬化的計算資源管理起來，組成一個大的資源池，用來統一提供服務，通過互聯網上異構、自治的服務形式為個人和企業用戶提供按需隨時獲取的計算服務。云計算的運營模式是由專業計算機和網絡公司(即第三方服務運行商)來搭建計算機存儲、計算服務中心，把資源虛擬化為“云”后集中存儲起來，為用戶提供各種服務。不難推論，若將“制造資源”代以“計算資源”， 云計算的計算模式和運營模式將可以為制造業信息化所用，為制造業信息化走向服務化、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中的各類制造設備(如機床、加工中心、計算設備)及制造過程中的各種模型、數據、軟件、領域知識等。為了實現制造資源的虛擬化、優化調度和協同互聯，我們還可融合語義Web[8]、嵌入式系統技術[9]、物聯網[10]、高效能計算等新技術。語義Web的發展為基于知識的智能計算奠定了基礎。嵌入式技術的快速發展為實現終端物理設備智能接入提供了使能技術。物聯網技術在RFID[11]、傳感器等技術的支持下快速發展，有望促進各類物與物之間的互聯。另外，高性能計算機的應用和高性能計算技術[12]的發展為求解復雜的制造問題和開展大規模協同制造也提供了可能性。

正是在這樣的背景下，“云制造”的理念應運而生。目前國際上對云制造鮮有研究，因此，關于云制造的研究與應用存在著巨大的發展空間。云制造及其關鍵技術也是未來5～10年中國制造業突破性發展需要解決的重大課題。

3 云制造的研究進展

3.1 云制造的定義

云制造是一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式。它融合現有信息化制造、云計算、物聯網、語義Web、高性能計算等技術，通過對現有網絡化制造與服務技術[13-14]進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，并進行統一、集中的智能化管理和經營，實現智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協同，通過網絡為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用、安全可靠、優質廉價的服務。制造全生命周期過程包括制造前階段(如論證、設計、加工、銷售等)、制造中階段(如使用、管理、維護等)和制造后階段(如拆解、報廢、回收等)。

3.2云制造運行模式及關鍵技術

云制造體系包括制造資源/制造能力、制造云、制造全生命周期應用三大組成部分。此外，它的運行還包括一個核心支持(知識)、兩個過程(接入、接出)和三種用戶(制造資源提供者、制造云運營者、制造資源使用者)。云制造的運行原理如圖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，這一過程可稱為制造資源的“接入”。根據不同的制造需求，云服務能夠聚集形成制造云。制造云是云服務的主要載體，面向制造全生命周期應用提供各種服務，這一過程稱為“接出”。在整個云制造體系的運轉過程中，知識起到了核心支撐的作用。知識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，為云服務的智能查找等功能提供支持;在制造全生命周期應用中，為云服務的智能協作提供支持。由此可見，云制造體系能夠實現基于知識的制造全生命周期集成，提供了一種面向服務的、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式。

云制造應用模式如圖2所示。首先，相關行業的用戶通過云制造平臺提出具體的使用請求。云制造平臺是負責制造云管理、運行、維護以及云服務的接入接出等任務的軟件平臺。它會對用戶請求進行分析、分解，并在制造云里自動尋找最為匹配的云服務，通過調度、優化、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服務節點打交道，也無需了解各服務節點的具體位置和情況。通過云制造平臺，用戶能夠像使用水、電、煤、氣一樣使用制造資源和制造能力。

云制造體系架構包括物理資源層、云制造虛擬資源層、云制造核心服務層、應用接口層、云制造應用層等5個層次。圖3是云制造體系架構的示意圖。

如圖4所示，云制造的關鍵技術主要包括以下5個方面:

●模式、體系架構、標準、規范

●制造資源和制造能力的云端化技術

●制造云服務的綜合管理技術

●云制造安全與可信制造技術

●云制造業務管理模式與技術

3.3 初步研究成果

為了論證云制造理念的可行性，作者所在團隊初步研發了一個云制造的典型應用——基于云仿真原型平臺COSIM-CSP[15]的云仿真應用。此應用已初步用于某飛行器多學科虛擬樣機的協同設計中。基于COSIM-CSP的云仿真應用中包含可視化普適門戶界面技術、復雜產品項目管理技術、仿真資源虛擬化技術、容錯遷移技術與安全可信機制、基于語義知識的資源服務質量評估、智能發現、自動組合與動態調度等技術，為云制造的進一步研究工作奠定了基礎。

4 云制造的未來展望

云制造為制造業信息化提供了一種嶄新的理念與模式。作為一個新生概念，云制造具有巨大的發展空間。云制造的研究與實踐工作需要依靠政府、產業界、學術界等多方聯合與共同努力。云制造的應用將是一個長期的階段性漸進過程，而不是一蹴而就的項目工程。云制造要求制造企業具有良好的信息化基礎，并且實現了企業內部的信息集成與過程集成。因此，對于當前業界的廣大制造企業而言，實現云制造仍具有一定門檻。

云制造的未來發展仍面臨著眾多關鍵技術的挑戰。除了云計算、物聯網、語義Web、高性能計算、嵌入式系統等技術的綜合集成，基于知識的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應用協同、云制造可視化與用戶界面等技術均是未來需要攻克的重要技術。

5 結束語

當前，國際制造業正向著服務化、高效低耗、知識創新的方向發展，中國制造業面臨著巨大的挑戰與機遇。制造業信息化技術經歷了信息集成、過程集成和企業間集成，目前，關注焦點日益集中于服務、環境、知識等核心價值因素。基于云計算的思想，本文提出“一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式—云制造”，它的研究與應用將會加速推進中國制造業信息化向“網絡化、智能化、服務化”方向發展。本文對云制造的技術基礎、概念、運行模式、體系架構及技術進行討論，給出初步研究成果，并對云制造的未來研究做出展望。

致謝:本文寫作過程中，北京航空航天大學任磊博士、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。

6 參考文獻

[1] 李伯虎， 柴旭東， 朱文海， 等. 復雜產品協同制造支撐環境技術的研究 [J]. 計算機集成制造系統， 2003， 9(8): 691-697.

[2] 吳澄， 李伯虎. 從計算機集成制造到現代集成制造: 兼談中國CIMS系統論的特點 [J]. 計算機輔助設計與制造， 1998， 4(5): 1-6.

[3] 李伯虎， 張霖， 王時龍， 等. 云制造—面向服務的網絡化制造新模式 [J]. 計算機集成制造系統， 2010， 16(1): 1-7.

[4] 孫林巖， 李剛， 江志斌， 等. 21世紀的先進制造模式—服務型制造 [J]. 中國機械工程， 2007， 18(19): 2307-2312.

[5] 劉飛， 曹華軍， 張華， 等. 綠色制造的理論與技術 [M]. 北京: 科學出版社， 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. 云計算: 系統實例與研究現狀 [J]. 軟件學報， 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. 一種基于云計算理念的網絡化建模與仿真平臺 [J]. 系統仿真學報， 2009， 21(17): 5292-5299.

收稿日期:2010-05-05

李伯虎，中國工程院院士，北京航空航天大學自動化學院博士生導師、名譽院長，中國系統仿真學會理事長，中國系統工程學會理事，中國計算機學會理事;長期從事復雜系統建模與仿真、復雜產品集成制造系統等研究工作;獲國家科技進步獎一等1個和二等3個，部級科技進步獎14個;發表論文260余篇。

張霖，北京航空航天大學教授、博士生導師，中國系統仿真學會常務理事，中國系統仿真學會國際交流工作委員會副主任;主要研究方向為網絡化制造，復雜系統建模、仿真與控制、軟件工程等;中國國家“863”計劃十五周年先進個人;主持和承擔國家級科研課題20余項;發表論文70余篇，其中SCI/EI/ISTP收錄40余篇。

柴旭東，北京仿真中心研究員，中國系統仿真學會理事;長期從事復雜系統建模仿真和企業信息化工作，研究方向包括復雜系統建模仿真、虛擬產品設計、集成制造系統等;獲國防科技進步一等獎1個，二等獎2個，電子部科技進步二等獎1個，教育部科技進步二等獎1個;發表論文90余篇。