云制造概论

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摘要:基于云计算的思想，文章提出一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能新模式——云制造。云制造融合现有信息化制造、云计算、物联网、语义Web、高性能计算等技术，能够为制造全生命周期过程提供可随时获取、按需使用、安全可靠、优质廉价的服务。基于云仿真原型平台COSIM-CSP的云仿真应用已初步用于某飞行器多学科虚拟样机的协同设计中，为云制造的进一步研究工作奠定了基础。

关键字:制造业信息化；云制造；云计算；网络化制造

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.

英文关键字:manufacturing informatization; cloud manufacturing; cloud computing; networked manufacturing

基金项目：国家重点基础研究发展("973")规划(2007CB310900)；国家高技术研究发展("863")计划(2007AA04Z153)

1 制造业信息化的发展趋势

制造业是国民经济和国防安全的重要支柱，是一个国家工业化的战略性产业。中国政府已将"制造业信息化"作为其实现新型工业化道路的战略举措。制造业信息化是指以信息（采集、传递、加工、处理、应用）技术为核心，将信息技术、建模与仿真技术、现代管理技术、设计/生产/实验技术、系统工程技术及产品相关的专业技术综合运用于企业（或集团）产品研制的全系统、全生命周期活动中，集成优化其中的三要素（人/组织、经营管理、技术）及四流（信息流、物流、价值流、知识流），进而改善企业（或集团）产品及其开发时间、质量、成本、服务、环境清洁和知识含量，以增强企业（或集团）的市场竞争能力，实现企业(或集团)的跨越式发展[1-2]。值得指出的是：这里提的"制造"是"大制造"，是从产品的市场分析开始，到设计、加工生产，从试验、训练、使用、维护到报废等全生命周期的活动。

制造业信息化的发展总趋势是集成化、数字化、智能化、敏捷化、网络化、绿色化和服务化。当前，"服务、资源环境、知识创新"[3]正成为制造业核心竞争力的关键因素。中国在2009年已成为仅次于美国的全球第二大工业制造国，但是仍未能成为制造强国。"中国制造"的总体水平仍处于国际产业分工价值链的低端，创新能力比较弱，并且受到资源环境的严重制约。基于现状，中国制造业必须尽快突破，实现向"服务型制造" [4]、"绿色制造"[5]和"中国创造"的转变。

基于高速发展的信息技术，本文提出"一种基于知识、面向服务的高效低耗网络化智能制造新模式—云制造"。云制造技术的研究与应用将会加速推进中国制造业信息化向网络化、智能化和服务化方向发展，从而将中国制造业信息化提升到新的高度和水平。

2 云制造提出的技术基础

云计算作为一种新的服务化计算模式，近年来正在产业界兴起并逐步走向成熟[6-7]。云计算是一种基于互联网的计算新模式，通过云计算平台把大量的高度虚拟化的计算资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务，通过互联网上异构、自治的服务形式为个人和企业用户提供按需随时获取的计算服务。云计算的运营模式是由专业计算机和网络公司（即第三方服务运行商）来搭建计算机存储、计算服务中心，把资源虚拟化为"云"后集中存储起来，为用户提供各种服务。不难推论，若将"制造资源"代以"计算资源", 云计算的计算模式和运营模式将可以为制造业信息化所用，为制造业信息化走向服务化、高效低耗提供一种可行的新思路。

制造资源包括制造全生命周期活动中的各类制造设备（如机床、加工中心、计算设备）及制造过程中的各种模型、数据、软件、领域知识等。为了实现制造资源的虚拟化、优化调度和协同互联，我们还可融合语义Web[8]、嵌入式系统技术[9]、物联网[10]、高效能计算等新技术。语义Web的发展为基于知识的智能计算奠定了基础。嵌入式技术的快速发展为实现终端物理设备智能接入提供了使能技术。物联网技术在RFID[11]、传感器等技术的支持下快速发展，有望促进各类物与物之间的互联。另外，高性能计算机的应用和高性能计算技术[12]的发展为求解复杂的制造问题和开展大规模协同制造也提供了可能性。

正是在这样的背景下，"云制造"的理念应运而生。目前国际上对云制造鲜有研究，因此，关于云制造的研究与应用存在着巨大的发展空间。云制造及其关键技术也是未来5～10年中国制造业突破性发展需要解决的重大课题。

3 云制造的研究进展

3.1 云制造的定义

云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式。它融合现有信息化制造、云计算、物联网、语义Web、高性能计算等技术，通过对现有网络化制造与服务技术[13-14]进行延伸和变革，将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，并进行统一、集中的智能化管理和经营，实现智能化、多方共赢、普适化和高效的共享和协同，通过网络为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用、安全可靠、优质廉价的服务。制造全生命周期过程包括制造前阶段（如论证、设计、加工、销售等）、制造中阶段（如使用、管理、维护等）和制造后阶段（如拆解、报废、回收等）。

3.2云制造运行模式及关键技术

云制造体系包括制造资源/制造能力、制造云、制造全生命周期应用三大组成部分。此外，它的运行还包括一个核心支持（知识）、两个过程（接入、接出）和三种用户（制造资源提供者、制造云运营者、制造资源使用者）。云制造的运行原理如图1所示。首先，需要将各种制造资源与制造能力封装为云服务，这一过程可称为制造资源的"接入"。根据不同的制造需求，云服务能够聚集形成制造云。制造云是云服务的主要载体，面向制造全生命周期应用提供各种服务，这一过程称为"接出"。在整个云制造体系的运转过程中，知识起到了核心支撑的作用。知识能够在制造资源和制造能力的接入过程中，为智能化嵌入和虚拟化封装提供支持；在制造云管理过程中，为云服务的智能查找等功能提供支持；在制造全生命周期应用中，为云服务的智能协作提供支持。由此可见，云制造体系能够实现基于知识的制造全生命周期集成，提供了一种面向服务的、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式。

云制造应用模式如图2所示。首先，相关行业的用户通过云制造平台提出具体的使用请求。云制造平台是负责制造云管理、运行、维护以及云服务的接入接出等任务的软件平台。它会对用户请求进行分析、分解，并在制造云里自动寻找最为匹配的云服务，通过调度、优化、组合等一系列操作，向用户返回解决方案。用户无需直接和各个服务节点打交道，也无需了解各服务节点的具体位置和情况。通过云制造平台，用户能够像使用水、电、煤、气一样使用制造资源和制造能力。