云制造的體系結構研究

唐國純， 羅自強

TANG Guo-chun1, LUO Zi-qiang2

（1. 瓊臺師范高等專科學校 信息技術系，海口 571100；2. 海南師范大學 信息科學技術學院，海口 571100）

0 引言

隨著信息技術在企業的廣泛應用與發展，現代制造業的工作模式已經由傳統的閉門造車式發展到跨平臺、跨企業和跨地域的協同制造模式，制造企業間通過相互合作與協同達到企業利益共贏的共同目標變得越來越重要。當前的網絡化制造雖然促進了企業基于網絡技術的業務協同,但其體現的主要是一個獨立系統,是以固定數量的資源或既定的解決方案為用戶提供服務,缺乏動態性,同時缺乏智能化的客戶端和有效的商業運營模式。“云計算”為解決當前網絡化制造存在的問題提供了新的思路和契機 ,但云計算并沒有提出制造即服務，不能很好的描述現代制造業的業務邏輯。為此“云制造”應運而生，被廣大學者和工程技術人員關注。“云制造”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。本文在討論了云計算，云制造的概念的基礎上，提出了一種云制造平臺的總體結構，討論了云制造的相關技術。

圖1 云計算平臺的整體架構

1 云計算與云制造

1.1 云計算及其體系結構

云計算是一種商業計算模型，它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使用戶能夠按需獲取計算力、存儲空間和信息服務。它是并行計算（Parallel Computing）、分布式計算（Distributed Computing）和網格計算（Grid Computing）的發展，或者說是這些計算科學概念的商業實現。同時云計算也是虛擬化（Virtualization）、效用計算（Utility Computing）、將基礎設施作為服務IaaS（Infrastructure as a Service）、將平臺作為服務PaaS（Platform as a Service）和將軟件作為服務SaaS（Software as a Service）等概念混合演進并躍升的結果。云計算平臺整體架構如圖1所示。

1.2 云制造

云制造是把制造資源和制造能力在網上作為服務提供給所需要的用戶。“云制造”融合了現有信息化制造及云計算、物聯網、語義Web、高性能計算和能科學等新興信息技術，是一種面向服務的、高效低耗和基于知識的網絡化敏捷制造新模式。云制造是在云計算提供的IaaS （基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）基礎上的延伸和發展，它豐富、拓展了云計算的資源共享內容、服務模式和技術。從云計算概念到“云制造”概念，不難推論，若將“制造資源/制造能力”增加到IaaS中 ,云計算的計算模式和運營模式將為制造業信息化走向“敏捷化、綠色化、智能化、服務化”提供一種可行的新思路，并為云制造模式提供了理念基礎。

2 云制造體系結構

2.1 云制造的運行與應用模式

在技術方面的拓展上，云制造技術融合云計算、物聯網、高性能計算、面向服務的技術、智能科學技術與信息化制造等新技術。“云制造”的運行需要三大組成部分支撐：制造資源/制造能力、制造云池和制造全生命周期活動。它包括三類資源：制造資源提供者、制造資源的使用者和制造云的運營者，云制造的運行與應用模式如圖2所示。制造資源提供者將制造資源和制造能力以服務的形式呈現，也就是云制造服務。云制造服務指制造企業實體將自身的制造過程(或能力)和管理過程( 或能力)以服務的形式發布在云中,同時支持云客戶端在云中發現、 匹配與組合優化這些服務, 形成整合服務,以滿足云客戶端個性化的制造服務需求。

圖2 云制造的運行與應用模式

2.2 云制造虛擬資源構建

虛擬化是適用于所有云架構的一種基礎性設計技術。在云制造虛擬資源構建中，除了云計算的計算虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化外，還應包括制造資源和制造能力的虛擬化。即云制造應共享四種類型資源：1）計算資源：存儲、運算器等資源。2）云制造的軟資源：制造過程中的各種模型、數據、信息、軟件、知識等。3）云制造的硬資源: 各類制造硬設備如機床、加工中心、仿真設備、計算設備、試驗設備等。4）制造能力資源：制造過程中有關的論證、設計、生產、仿真、實驗、管理和集成等能力。為了感知各種制造資源，在云制造虛擬資源構建中，應引入物聯網體系的感知層，采集物理世界中發生的物理事件和數據，確保為云制造平臺的應用服務層提供分析所需的原始數據。通過視頻感知、定位感知等前端建設或接入，實現對制造資源和制造能力的全面實時采集。云制造虛擬資源體系如圖3所示。

圖3 云制造虛擬資源體系

2.3 云制造平臺總體結構

云計算所提供的服務同樣也包括中, 并與制造全生命周期各環節服務相互交叉。云制造中除了包括 IaaS, PaaS, SaaS 外,更加重視和強調制造全生命周期中所需的其他服務, 如論證為服務( Argumentation as a Service, AaaS)、經營管理為服務( Management as a Service, MaaS)、設計為服務( Design as a Service,DaaS)、實驗為服務( Experiment as a Service, EaaS)、生產加工為服務( Fabrication as a Service, FaaS)、集成為服務( Integration as a Service,InaaS)、仿真為服務( Simulation as a Service, SimaaS )等云制造體系架構包括云制造服務管理、云制造服務資源、云制造服務提供、云制造客戶端幾個方面，云制造體系架構如圖4所示。

圖4 云制造平臺的總體結構

3 云制造中的關鍵技術

云制造中的關鍵技術包括下面五個方面：1）云制造的制造資源和制造能力的云端化技術：包括物聯網技術、云終端服務虛擬化技術和云計算互接入技術等。2）云制造的模式、體系架構、標準、規范：包括云制造的體系結構，云制造的相關標準、協議，云制造模式下的制造資源共享、互操作模式，云制造相關規范。3）云制造業務管理模式與技術：包括云制造模式下企業業務流程的動態構造、管理與執行技術，云制造服務的成本、評估方法和技術，云制造模式各方信用管理機制與實現，云服務的電子支付技術等。4）制造云服務的綜合管理技術：包括云服務的接入管理技術，云用戶管理技術，云制造服務的動態組合與優化技術，云制造任務的動態構建、分解與部署技術，云制造服務的協同技術，高效能、智能化的云制造服務搜索與匹配技術等。5）云制造安全與可信制造技術：包括制造云終端的可信接入技術，制造云可信網絡技術，制造云的可信運營技術，云模型理論的軟件可靠性評估方法等。

4 結束語

云制造是當前興起的一項新興技術，本文介紹了作者在云制造方面的初步研究，在分析了云計算技術后， 給出了云計算平臺的總體結構，提出并著重闡述了云制造體系結構， 論述了云制造發展所需攻克的關鍵技術，能夠為中小企業搭建云制造服務平臺提供理論支持和技術指導。

[1] 鐘小勇,龍淵銘,張國軍.基于數據云與應用云分離模式的制造資源云定位服務平臺[J],計算機集成制造系統,2011,17(3):520-524.

[2] 王晶.全春來等.物聯網公共安全平臺軟件體系架構研究[J],計算機工程與設計,2011,32(10):3374-3376.

[3] 戰德臣.趙曦濱.王順強.等,面向制造及管理的集團企業云制造服務平臺[J],計算機集成制造系統,2011,17(3):489-494.

[4] 李伯虎.張霖等.云制造 — 面向服務的網絡化制造新模式[J],2010,16(1):2-7.

[5] 孟祥旭.劉士軍.武蕾.等,云制造模式與支撐技術[J],山東大學學報 (工學版),2011,41(5):16-17.

[6] 李春泉.尚玉玲.等.云制造的體系結構及其關鍵技術研究[J],2011(7):105-107.

[7] 陶飛.張霖等.云制造特征及云服務組合關鍵問題研究[J],計算機集成制造系統,2011,17(3):480-484.

[8] 任磊.張霖.張雅彬等.云制造資源虛擬化研究[J],計算機集成制造系統,2011,17(3):514-516.

[9] 張霖.羅永亮.陶飛,等.制造云構建關鍵技術研究[J],計算機集成制造系統,2010,16(11):2511-2516.