云制造介绍

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

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。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。

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。

云制造体系架构包括物理资源层、云制造虚拟资源层、云制造核心服务层、应用接口层、云制造应用层等5个层次。图3是云制造体系架构的示意图。

如图4所示，云制造的关键技术主要包括以下5个方面：

模式、体系架构、标准、规范
　　制造资源和制造能力的云端化技术
　　制造云服务的综合管理技术
　　云制造安全与可信制造技术
　　云制造业务管理模式与技术3.3 初步研究成果

为了论证云制造理念的可行性，作者所在团队初步研发了一个云制造的典型应用——基于云仿真原型平台COSIM-CSP[15]的云仿真应用。此应用已初步用于某飞行器多学科虚拟样机的协同设计中。基于COSIM-CSP的云仿真应用中包含可视化普适门户界面技术、复杂产品项目管理技术、仿真资源虚拟化技术、容错迁移技术与安全可信机制、基于语义知识的资源服务质量评估、智能发现、自动组合与动态调度等技术，为云制造的进一步研究工作奠定了基础。

4 云制造的未来展望

云制造为制造业信息化提供了一种崭新的理念与模式。作为一个新生概念，云制造具有巨大的发展空间。云制造的研究与实践工作需要依靠政府、产业界、学术界等多方联合与共同努力。云制造的应用将是一个长期的阶段性渐进过程，而不是一蹴而就的项目工程。云制造要求制造企业具有良好的信息化基础，并且实现了企业内部的信息集成与过程集成。因此，对于当前业界的广大制造企业而言，实现云制造仍具有一定门槛。

云制造的未来发展仍面临着众多关键技术的挑战。除了云计算、物联网、语义Web、高性能计算、嵌入式系统等技术的综合集成，基于知识的制造资源云端化、制造云管理引擎、云制造应用协同、云制造可视化与用户界面等技术均是未来需要攻克的重要技术。

5 结束语

目前，关注焦点日益集中于服务、环境、知识等核心价值因素。基于云计算的思想，本文提出“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—云制造”，它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、服务化”方向发展。本文对云制造的技术基础、概念、运行模式、体系架构及技术进行讨论，给出初步研究成果，并对云制造的未来研究做出展望。