云制造综述.doc

云制造综述1 前言当前,为了提高制造企业的竞争能力,一场以制造业信息化为特征的制造业变革正在积极、持续地展开。制造业信息化是一项复杂的、战略性的系统工程,旨在提高企业的敏捷性、柔性及健壮性,以增强企业的市场竞争能力,为企业实现跨越式发展做出重要贡献。当然在制造业信息化的过程中也不可避免的出现了一些问题。针对现有制造业信息化发展过程中存在的问题,结合现有先进制造模式和技术1以及云计算2、物联网3-4、虚拟化、面向服务技术等新技术,一些学者提出了云制造的概念。2云制造的简介及定义云制造融合了现有制造业信息化、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，通过网络为产品全生命周期（包括制造初期（如论证、设计、加工、销售等）、制造中期（如使用、管理、维护等）和制造末期（如拆解、报废、回收等）提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的服务。对于云制造还没有完全统一的定义，许多专家都提出了不同的定义：工程院院士李伯虎教授认为：云制造是一种面向服务的高效、低耗，基于知识的网络化的新制造模式，融合现在信息化制造技术、云技术、物联网等技术，把各类制造之间和制造能力集虚拟化、服务化并且进行统一的集中的智能化管理，从而通过网络和一个云制造平台中间件，将制造全生命周期的前期、中期、后期提供给用户，提供随时获取按需使用的优质廉价的服务5。中国航天科技集团公司总工程师杨海成教授认为：“云制造是先进的信息技术，制造技术以及新兴物联网技术等交叉融合的产品，是制造即服务理念的体现”6。北京航空航天大学王田苗教授认为：“云制造可以分为由低到高两个层次实现：低层次是提供相对功能明确、价格低廉的产品、设备的制造平台；高层次是根据顾客的设计或加工需求，整合制造资源，帮助客户完成相关产品的设计、加工、制造和配送，提供一整套加工制造的服务平台”7。国家科技部周平处长认为云制造的核心就是在低碳经济发展大趋势下盘活社会制造资源的存量,优化配置.云制造服务对象更多的是一些高端加工能力不足的中小企业.在中国制造业这样的大环境下,在他们尚不具备高端加工条件时,如何为这些总体数量达到90%的中小企业提供服务,将他们的制造水平提升上来,这是云制造的精髓8。云制造是一种以规范化和通用化的行业标准为基础，以互联网和物联网为支撑环境，以满足顾客个性化产品需求和提高加盟制造商利润为目标，具有智能化、绿色化、低消耗、高可靠性、高可伸缩性的先进制造模式。云制造技术将现有网络化制造和服务技术同云计算、云安全、高性能计算、物联网等技术融合，实现各类制造资源(制造硬设备、计算系统、软件、模型、数据、知识等)统一的、集中的智能化管理和经营，为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的各类制造活动服务。3云制造的运行原理及体系结构3.1云制造的运行原理云制造的运行包括一个核心支持（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3-1所示。9图3-1 云计算的运行原理图由图3-1可知，云制造系统中的用户角色主要有三种，即资源提供者、制造云运营者、资源使用者。资源提供者通过对产品全生命周期过程中的制造资源和制造能力进行感知、虚拟化接入，以服务的形式提供给第三方运营平台（制造云运营者）；制造云运营者主要实现对云服务的高效管理、运营等，可根据资源使用者的应用请求，动态、灵活地为资源使用者提供服务；资源使用者能够在制造云运营平台的支持下，动态按需地使用各类应用服务（接出），并能实现多主体的协同交互。在制造云运行过程中，知识起着核心支撑作用，知识不仅能够为制造资源和制造能力的虚拟化接入和服务化封装提供支持，还能为实现基于云服务的高效管理和智能查找等功能提供支持。图3-1中的制造云是云制造系统架构的核心，是大量的制造云服务按照一定规则聚合后所形成的动态云服务中心并能能透明地为用户提供产品全生命周期应用服务,是云制造区别于传统网络化制造的关键之一。传统网络化制造也是通过虚拟化封装技术将物理分散的资源封装成服务,然后按照一定顺序组合起来共同完成一个复杂任务,但没有将这些服务聚合起来进行有效地运营管理。制造云的形成过程如下：首先是云服务形成过程，也就是资源的虚拟化、服务化过程，通过采用物联网、虚拟化等技术，首先对分散的资源进行感知，然后将资源虚拟接入到制造云平台，从而形成虚拟资源并聚集在一个能按需使用资源的虚拟资源池中，最终通过对虚拟资源进行服务化封装、发布及注册，形成云服务。云服务的形成过程即是云制造资源和能力服务化的过程。这一过程可称为制造资源的“接入”。然后通过将异构的资源整合到统一的基础架构中并实现标准化，为资源使用从独占方式转变为完全共享服务方式提供了平台支持，实现了以服务为导向的运行架构，提供了对云服务的自动部署、配置、高效管理等功能,从而为用户提供透明的、开放的、按需使用的云服务。即形成了制造云。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。3.2云制造的体系结构云制造体系结构共分为5层，分别为:物理资源层、虚拟化层、核心中间件层、应用层、用户层。云制造体系结构图如图3-2所示。10图3-2云制造体系结构图（）物理资源层物理资源层是云制造的最底层，提供产品全生命周期过程中所涉及到的各类资源，包括制造资源、制造能力等，并进行了详细的分类，从而为不同资源所采取不同的虚拟化技术提供基础。物理资源层包含了完全自治的自治域资源以及通过有偿租赁获得的租赁域资源，租赁域资源用于弥补自有资源在资源类型、制造能力等方面的不足。（2）虚拟化层通过采用相关虚拟化技术，将分散的各类资源虚拟接入到制造云平台，形成虚拟资源并聚集在虚拟资源池中，从而隐藏底层资源的复杂性和动态性，为制造云平台实现面向服务的资源高效共享与协同提供支持。云制造虚拟化层包括了资源描述、虚拟资源镜像封装、虚拟资源部署配置、虚拟资源封装、虚拟资源部署、访问控制配置、虚拟资源激活与释放等过程。（3）核心中间件层该层是制造云平台的核心服务层，主要分为三个部分：首先通过对虚拟资源进行服务化封装、发布等操作，形成云服务；其次针对不同类型的云服务选择相应的部署方式，并实现对云服务的智能、高效的管理，如智能匹配、动态组合、容错管理等；最后为用户按需地使用产品全生命周期服务提供支持，如调度管理、变更管理、计费管理等。该层主要包括资源管理、系统管理、任务管理、安全管理、服务管理5大功能中间件，涉及到资源部署、资源镜像管理、弹性配置管理、多租户管理、尺度管理、粒度管理、服务质量管理、计费管理、可靠性管理等环节。（4）应用层该层面对制造业的相关领域和行业，提供产品全生命周期的各类服务应用，提供主要服务有制造资源即服务(Manufacturing Resource as a Service，MRaaS)、制造场景即服务( Manufacturing Scene as a Service，MSaaS)、制造应用即服务(Manufacturing Application as a Service，MAaaS)三种应用层次。用户可以通过不同的终端与制造云进行交互，并能支持多主体任务的高效协同。（5）用户层云制造中的用户层为用户提供的统一的和安全的用户界面，使用户可以在不同地点，不同的客户端环境下，以一致的配置条件和访问权限访问云制造系统提供的各种服务。4 云制造的特征及关键技术4.1 云制造的特征云制造区别于其他制造模式的核心特征主要有以下几点:(1)面向服务和需求的制造：云制造一改制造长期以来面向设备、面向资源、面向订单、面向生产等的形态,实现了真正面向服务、面向需求。(2)不确定性制造:云制造中,云服务对制造需求的满足不存在唯一的最佳解,而是到目前为止用现有技术和方法能得到的满意解或非劣解,这即是云制造的不确定性制造能力。(3)用户参与的制造：云制造强调把计算资源、能力和知识嵌入到网络和环境中,使得制造企业关注的中心转移或回归到用户需求本身。(4)透明和集成的制造：云制造把所有制造资源、能力、知识等尽可能高度抽象和虚拟化为用户可见和容易调用的“电源接线板”,即制造云服务,而其他东西对用户透明。(5)支持按需使用和付费的制造：云制造是一种需求驱动、按需付费的面向服务的制造新模式。(6)支持多用户的制造：云制造不仅体现“分散资源集中使用”的思想,还能够有效实现“集中资源分散服务”的思想, 进而为分布在不同地理位置的多用户提供服务调用、资源租赁等。4.2云制造的关键技术云制造的关键技术主要包括以下5个方面：（1）模式、体系架构、标准、规范主要包括: 云制造形成的充要条件、稳定条件及演化机理; 云制造体系结构; 云制造的组织及运行模式; 云制造的相关标准、协议及规范。（2）制造资源和制造能力的云端化技术：通过虚拟资源封装组件的服务化方法，形成云端资源网络服务。（3）制造云服务的综合管理技术：主要包括：访问控制技术是云制造的核心特征之一，也是按需服务的重要支撑技术，涉及到共享资源的粒度管理、多资源的尺度管理等。多租户技术可以保证云资源需求者获得定制化的云服务，涉及到租户认证及许可、客户化配置等。（4）云制造安全与可信制造技术：是云制造系统稳定、安全、有效运行的保障，涉及到CSP、CSC、CRP三种角色及云制造系统的可靠性等方面。（5）云制造业务管理模式与技术：是云制造运行的主体，涉及到资源管理、任务管理、服务管理等方面。5云制造的研究现状及未来展望目前，国外发达国家已开展了一些相关的研究。如美国在2000年搭建了目前世界上最大的制造能力交易平台MFG.COM,致力于为全球制造业伙伴提供更加快捷高效的交易平台。美国越野赛车制造厂Local-Motors通过众包的方式,将汽车的全部个性化设计与制造过程众包给不同社区,仅用18个月的时间,就在干洗店大小的微型工厂实现了汽车从图纸设计到上市。美国波音公司采用基于网络协同、制造服务外包的模式,组织全球40多个国家和地区的企业协同研发波音787,使研发周期缩短了30%,成本减少了50%。此外,欧盟第七框架于2010年8月启动了制造云项目(ManuCloud,Project-ID:260142),总投资500多万欧元,目的是在一套软件即服务(software-as-a-service)应用支持下,为用户提供可配置制造能力服务。同时,国内的少数单位已经启动了云制造的部分内容研究与服务,如航天二院的云设计与云仿真研究与开发;北京恩维协同科技有限公司开展了云管理(ERP)服务等;可见云制造已成为制造业信息化新发展的重要内容。11关于云制造的研究依然面临着很多的问题，下一步将对相关的问题做更深入的研究与探索，进而推动云制造在制造业的作用及应用，提升制造业信息化的水平。参考文献1赵磊,胡小梅,俞涛.先进制造技术研究综述J.装备制造技术,2011,11:75-802陈康,郑纬民云计算：系统实例与研究现状J.软件学报,2009，20(5): 1337-13483宁焕生,张瑜,刘芳丽等.中国物联网信息服务系统研究J.电子学报,2006,34(12):2514-25174沈苏彬,范曲立,宗平等.物联网的体系架构与相关技术研究J.南京邮电大学学报:自然科学版,2009,29(6):1-115李伯虎,张霖,王时龙等云制造-面向服务的网络化制造新模式J.计算机集成制造系统,2010,1