当前, 为提高企业竞争能力, 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(或集团)的敏捷性、柔性及健壮性, 以增强企业(或集团)的市场竞争能力, 为企业(或集团)实现跨越式发展做出重要贡献。从十六大提出的“信息化带动工业化 到十七大提出的”工业化和信息化两化融合 , 我国制造业信息化的指导思想与时俱进。目前, 制造业信息化已成为我国实现新型工业化道路的重要组成部分。制造业信息化将信息(采集、传递、加工、处理、应用)技术、建模与仿真技术、现代制造(设计/ 生产/ 管理/ 试验及其集成)技术、系统工程技术及产品有关的专业技术, 融合运用于产品研制的全系统、全生命周期过程的活动; 通过实施企业(或集团)产品全生命周期活动中的设计/ 生产/管理/ 试验领域及其集成的信息化, 使企业(或集团)产品研制全系统、全生命周期活动中的人/ 组织、经营管理、技术(三要素)及信息流、物流、资金流、知识流、服务流(五流)集成优化, 进而改善企业(或集团)的产品(P)及其开发时间(T )、质量(Q )、成本(C)、服务(S)、环境清洁(E )和知识含量(K), 提高企业(或集团)敏捷性、柔性及健壮性, 以达到增强企业(或集团)的市场竞争能力的目的。

经过20 多年的发展, 我国制造业信息化技术的研究与应用取得了一系列成果, 并在制造业各个领域发挥了重要作用, 对推进我国制造业信息化进程做出了重大贡献。目前, 在集成化、协同化的基础上,”敏捷化、服务化、绿色化”及”知识/ 技术创新”正成为当前制造业核心竞争力的关键因素和制造业信息化发展的要点:

①敏捷化, 灵活快速组织制造资源与能力, 适应市场需求;

②服务化, 实现以“产品”为主导的盈利模式向以”产品”及”服务”为主导的盈利模式的转变;

③绿色环境, 提高资源利用率, 降低能源消耗, 减少污染物排放, 实现绿色制造;

④知识/ 技术创新, 探求新发现、探索新规律、创立新学说、积累新知识、创造新技术。

云制造是现有云计算和制造业信息化中的网络化制造、应用服务提供商(Application Service Provider, ASP)平台、制造网格等概念和技术的延伸和拓展。它融合了现有信息化制造技术及云计算、物联网、面向服务、高性能计算和智能科学技术等信息技术, 将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化,构成虚拟化制造资源和制造能力池, 并进行统一的、集中的智能化管理和经营, 实现多方共赢、普适化和高效的共享和协同, 通过网络和云制造服务平台, 为用户提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的制造全生命周期服务。

云制造是一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化、敏捷化制造新模式和技术手段, 它将促进制造的敏捷化、服务化、绿色化和智能化。用户可以根据应用需求, 随时随地、动态、敏捷地增减制造资源。由于”制造应用”运行在虚拟制造平台上, 没有事先预订的固定资源被锁定, 云业务的规模可以动态、敏捷伸缩。云制造支持用户在任何有互联网和广域网的地方使用任何上网终端获取应用服务。在虚拟云制造系统上进行制造应用和业务运行, 用户所请求的资源和能力来自于规模巨大的制造云池。云制造平台采用各种容错技术, 任何单点物理故障发生, 制造应用都会在用户完全不知情的情况下, 转移到其他物理资源上继续运行, 因此使用云制造比使用其他制造手段的可用性更高。在云制造全生命周期中都离不开知识的应用, 包括: ①基于知识的制造资源和能力虚拟化封装; ②云服务描述与制造云构建; ③ 云服务搜索、匹配、聚合、组合; ④高效智能云服务调度与优化配置; ⑤容错管理和任务迁移; ⑥业务流程管理等。云制造的目标之一是实现制造资源、能力、知识的全面共享和协同, 提高制造资源利用率, 实现资源增效, 即在一定程度上实现绿色和低碳制造。因此, 云制造产业包括提供产品、工程和服务, 是信息化制造产业的重要组成部分。

本文综合作者在文献和近期的研究实践, 进一步论述了云制造。首先深入探讨了云制造对云计算的各方面扩展, 主要包括: 在资源共享内容方面的拓展、在服务内容和模式方面的拓展、云制造中 制造即服务 及其特色以及在技术方面的拓展。然后提出了云制造服务系统的体系结构, 形成了完整的云制造服务系统及云制造技术体系。给出了面向集团企业公有云和面向中小企业私有云云制造服务平台的两个应用案例, 讨论分析了两种不同类型的技术和应用模式。最后, 对云制造的实施思路和进一步工作提出了建议, 对云制造的未来发展做出了展望。

 

1、云制造与云计算

云制造是在云计算提供的基础设施即服务(Infrastructure as a Service, IaaS)、平台即服务(Platform as a Service, PaaS )和软件即服务(Software as a Service, SaaS)基础上的延伸和发展, 它丰富和拓展了云计算的资源共享内容、服务模式和技术。

图1 展示了云制造的服务模式、内容与技术基础。

1.1 在资源共享的内容方面的拓展

如图2 所示, 云计算共享的资源类型主要为计算资源(如存储、运算器、软件和数据等), 云制造共享的资源类型除计算资源外, 还要加上其他制造资源和制造能力, 包括硬制造资源(如机床、加工中心、计算设备、仿真设备、试验设备等各类制造硬设备)、软制造资源(如制造过程中的各种模型、数据、软件、信息和知识等)、制造能力(如制造过程中有关的论证、设计、生产、实验、管理和集成等能力等)。

1.2 在服务的内容与模式方面的拓展

云计算主要提供用户网上提交作业(单项, 批处理)与操作计算资源的服务, 云制造主要提供用户网上提交任务, 以及交互、协同和全生命周期制造服务, 包括4 种服务模式:①支持单主体(单用户)完成某阶段(如设计)制造; ②支持多主体(多用户)协同完成某阶段制造; ③支持多主体(多用户)协同完成跨阶段(如跨设计与生产)制造; ④支持多主体(多用户)按需获得制造能力。

 

云制造与云计算在服务内容方面的比较如图1所示。首先, 云计算所提供的服务同样也涵盖在云制造的服务体系中, 并与制造全生命周期各环节服务相互交叉。在设计、生产加工、实验、仿真和经营管理等各个服务环节中, 当需要计算设备基础设施时, 能够提供诸如高性能计算集群、大规模存储等IaaS 类服务; 当需要特定计算平台的支持时, 能够提供诸如定制操作系统、中间件平台等PaaS 类服务; 当需要各类专业软件工具辅助制造过程时, 能够提供诸如SaaS 类服务。更重要的是, 云制造中除了包括IaaS, PaaS, SaaS 外, 更加重视和强调制造全生命周期中所需的其他服务, 如论证为服务(Ar gumentat ion as a Serv ice, AaaS)、设计为服务(Design as a Service, DaaS)、生产加工为服务(Fabrication as a Service, FaaS)、实验为服务(Experiment as a Service, EaaS)、仿真为服务(Simulation as a Service, SimaaS )、经营管理为服务(Management as a Service, MaaS)、集成为服务(Integ rat io n as a Service, InaaS)等。

1.3  云制造中的”制造即服务”及其特色

1)论证为服务AaaS

对于产品规划、营销战略等企业论证业务, 可以利用云制造服务平台中用于辅助决策分析的模型库、知识库、数据库作为支持, 并将决策分析软件等软制造资源封装为云服务, 对各种规划方案的可行性与预期效果进行论证分析。

(2)设计为服务DaaS

对于产品的设计过程, 当用户需要计算机辅助设计工具时, 云制造服务平台可将各种计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)软件功能封装为云服务提供给用户。同时, 制造云将提供产品设计所需的多学科、跨领域知识, 并在产品设计的各个环节提供智能化的帮助。产品设计中诸如三维可视化、复杂分析计算等任务往往需要高性能计算能力的支持, 制造云可以动态组建高性能计算设备和软件平台, 并作为虚拟机服务辅助计算。

(3)生产加工为服务FaaS

产品的生产加工过程需要各种硬制造资源和软制造资源的配合, 云制造服务平台能够根据生产加工任务需求快速构建一个虚拟生产单元, 其中包括所需的物料以及机床、加工中心等制造设备, 也包括制造执行系统软件、知识库和过程数据库等软制造资源。云制造服务平台可以提供诸如生产物流跟踪、任务作业调度、设备状态采集和控制等云服务,辅助用户对生产加工过程进行监控与管理。

(4)实验为服务EaaS

对于产品的试制和实验过程, 云制造服务平台能够根据实验所需的软硬资源建立一个虚拟实验室, 其中封装了各种用于实验分析的软件功能作为云服务, 同时也提供了对于各种试制设备、检测设备、实验平台等硬制造资源的状态采集服务, 能够动态感知实验中的各项参数变化, 并结合实验分析软件的云服务对产品实验情况进行评估。

(5)仿真为服务SaaS

产品的仿真环节需要大量软硬仿真资源的支持, 云制造服务平台根据仿真任务的需求, 能够动态构建虚拟化的协同仿真环境, 将所需的各种专业仿真软件、仿真模型、数据库和知识库等封装为云仿真服务, 并自动部署到虚拟计算节点中。虚拟计算节点则根据仿真计算对计算资源的需求, 定制相应的运算器、存储、操作系统和计算平台等硬资源并封装为虚拟机, 为云仿真服务提供支持。对于仿真专用的硬设备, 能够通过智能感知服务、状态采集服务等对其进行监控。

(6)经营管理为服务MaaS

在企业的制造全生命周期过程中, 对于各项经营管理活动如销售管理、客户关系管理、供应链管理、产品数据管理和生产计划管理等业务, 云制造服务平台能够提供云端客户关系管理(Customer Relationship Manag ement , CRM)、云端供应链管理(Supply Chain Manag ement , SCM)、云端产品数据管理(Product Data Management , PDM)、云端企业资源规划(Enterprise Resource Planning, ERP)等服务, 用户可以根据不同的管理需求定制个性化的业务流程, 业务流程的各个节点与流程控制均可以通过在线租用所需的服务来实现。

 

(7)集成为服务InaaS

云制造服务平台能够针对异构系统之间、平台与系统之间数据、功能和过程的集成服务, 例如, 可通过采用接口适配、数据转换和总线等技术, 实现异构系统(如ERP、PDM、SCM)等以”即插即用”的方式智能接入到云制造平台中。

根据以上分析可见, 云制造”服务”具有以下特色: ①按需动态构建, 按照用户需求随时随地提供服务; ②互操作, 支持制造资源间与制造能力之间的互操作; ③协同, 面向制造多用户协同、大规模复杂制造任务的协同; ④异构集成, 支持分布异构的制造资源、能力的集成; ⑤敏捷快速响应能力, 可敏捷快速、灵活组成各类服务, 以响应需求; ⑥全生命周期智慧制造, 服务于制造全生命周期, 利用智能信息制造技术实现跨阶段的全程智慧制造。

为实现云制造的资源共享和服务模式, 云制造融合了云计算、物联网、高性能计算、服务计算、智能科学等信息技术与信息化制造(信息化设计、生产加工、试验、仿真、经营管理、集成)等多种新兴技术, 各种技术在云制造中的功能或作用如下:

(1)云计算技术为制造所需的各类信息的智能处理和决策提供了使能服务与新制造模式。

(2)物联网技术为制造领域中各类物与物之间的互联和实现制造智慧化提供了使能技术。

(3)高性能计算技术为求解复杂制造问题和开展大规模协同制造提供了使能技术。

(4)面向服务的技术为快速构造虚拟化制造服务环境提供了使能技术。

(5)智能科学技术为制造资源/ 能力的智能化提供了使能技术。

(6)信息化制造技术是云制造的基础技术。

2、云制造技术体系

云制造服务系统的框图如图3 所示。

云制造服务系统为层次化体系架构, 包括资源层、中间件层、核心服务层、门户层和应用层等。云制造服务平台则由中间件层、核心服务层和门户层组成。其中: ① 资源层涵盖了设计资源、仿真资源、生产资源、试验资源、集成资源、能力资源以及管理资源等, 向上体现为虚拟化制造资源和服务化能力资源两种形态; ②中间件层支持各类资源的虚拟化、服务化、接入、感知和协同的中间件; ③核心服务层基于中间件层的接口,提供云制造服务平台至关重要的各类功能, 包括服务部署/ 注册、服务搜索/ 匹配、服务组合/ 调度、服务运行/ 容错、服务监控/ 评估以及服务定价/ 计费; ④门户层为统一的高效能云制造支撑平台门户, 为服务提供者、平台运营者以及服务使用者三类用户使用。通过网页浏览器进入门户, 用户就可以使用一系列的制造资源和能力;⑤应用层提供支持单主体完成某阶段制造、支持多主体协同完成某阶段制造、支持多主体协同完成跨阶段制造以及支持多主体按需获得制造能力四种应用模式。应用层提供云服务以及云加端服务两种使用方式。

 

云制造相关的关键技术构成了较完整的云制造技术体系, 如图4 所示。

 

 

3、两类云制造服务平台

3.1 面向集团企业的”私有云”云制造服务平台

面向集团企业的云制造应用属于典型的私有云服务平台。私有云基于企业网构成, 其构建与运行者、资源提供者和使用者是集团和集团企业下属相关厂所、研究单位和企业等, 目的主要是强调企业内或集团内制造资源和制造能力的整合与服务, 优化企业或集团资源和能力使用率, 减少重复资源和能力的重复建设, 降低成本,提高竞争力。

面向集团企业的私有云云制造服务模式的重点在于支持制造资源动态共享与协同, 集团企业的制造资源包括设计分析软件、仿真试验环境、测试实验环境、各类加工设备、高性能计算设备和企业单元制造系统等, 制造资源主要分为异构的硬制造资源(底层制造设备、测试试验设备和计算资源等)和软制造资源(制造过程模型、数据、知识和软件等), 从功能角度, 又可分为设计信息化资源、仿真信息化资源、试验信息化资源、生产信息化资源、管理信息化资源、信息化基础环境资源和信息安全体系资源等。

如图5 所示是某航天复杂产品云制造服务平台的多主体协同跨阶段制造应用模式, 该平台能够支持样机设计生产一体化, 设计单位和生产单位通过集团企业的高速宽带网络随时随地按需获取云制造系统中的各类设计和生产服务资源, 实现基于流程的跨阶段协同制造。

3.1.1 主要研究内容

航天复杂产品云制造服务平台的主要研究内容包括:

(1)航天复杂产品云制造系统总体技术 主要包括航天复杂产品云制造服务模式、体系架构、标准与规范。

(2)航天复杂产品云制造服务平台关键技术 主要包括云制造普适人机交互技术, 多主体云制造服务按需动态聚合与演化技术, 多主体云制造服务高效协同运行与容错技术, 云制造服务(交易)综合管理、监测与评估技术。

(3)航天复杂产品云制造系统构建技术 主要包括集团类制造资源的虚拟化技术、集团类专业能力的服务化技术、航天复杂产品云制造系统集成技术。

(4)航天集团企业制造资源和专业能力的共享及协同应用 针对国家安全领域某航天飞行器的研制需求, 面向该航天飞行器研制生产过程中从设计、仿真、生产加工、测试到试验的全生命周期, 研究基于云制造服务平台, 更快、更好、更省地进行多类航天飞行器的研制开发。

3.1.2 关键技术

航天复杂产品云制造服务平台需要解决的关键技术包括:

(1)制造资源和制造能力的虚拟化与服务化 包括异构制造资源和多领域制造能力的统一描述、广域网环境下异构制造资源和多领域制造能力的虚拟化、多主体异构制造资源和多领域制造能力的服务化。

(2)多主体云制造服务全生命周期管理技术 包括多主体云制造服务的发布、发现与智能化匹配,多主体云制造服务的按需敏捷聚合、高效协同与可信运行, 多主体云制造服务(交易)的管理、监控与评估。

(3)多主体云制造服务平台的应用和运营技术包括制造资源的按需获取与普适交互应用; 制造能力的智能发现与交易应用; 多主体云制造服务”机——机” 、”人——机”和”人——人” 协同应用, 包括时空一致紧耦合协同和基于业务流程松耦合协同统一、集中的智能化管理和经营。

 

3.2 面向中小企业的公有云云制造服务平台

面向中小企业的云制造应用属于公有云服务平台, 公有云基于互联网构成, 强调企业间制造资源和制造能力整合, 提高整个社会制造资源和制造能力的使用率, 实现制造资源和能力交易。公有云云制造服务平台中有三类参与者:

(1)云制造服务平台资源提供者 向平台提供本企业剩余或空闲的制造资源和能力, 通过云制造平台实现交易, 获取一定的利润

(2)云制造服务平台资源使用者 可以按需购买和租用平台提供的资源和能力, 从事相关的制造活动, 通过减少资源购买和提高能力来降低企业成本, 提高本企业竞争力, 从而获取利润。

(3)云制造服务平台运营者 向资源服务提供者和使用者提供服务, 通过收取服务费获取利润。面向中小企业的私有云云制造服务模式重点在于: 支持广域范围内制造资源与能力的自由交易, 支持中小企业自主发布资源能力需求和供应信息, 并实现基于企业标准的制造资源和能力的自由交易以及多主体间开发、加工和服务等业务协同, 实现中小企业业务协作和产业集聚协作。

如图6 所示是某支持企业业务协作的中小企业云制造服务平台的应用模式。平台参与角色构成方式为资源提供方、资源需求方、平台营运方三方, 通过平台服务门户获得平台所提供的应用功能支持。

中小型制造业企业大多会在制造工艺的层次上与外部资源进行协作。外部资源的加工进度、加工质量与企业的核心制造流程必须紧密结合在一起, 才能保证总体生产制造按期、高质量地完成。为此, 在实现协作管理方面, 平台需要为企业提供细致到工艺过程中各道工序的协同计划制定、任务指派和执行跟踪等管理能力。同时, 考虑到与企业核心业务流程管理的紧密结合, 平台将实现与企业ERP 系统集成, 在数据上实现云制造平台与企业内部业务管理系统的互通。由于制造工艺、生产模式的区别, 不同行业、业态的企业对于外部资源的协作管理模式存在很大的差异, 支持不同行业的企业用户在平台中建立个性化的协同管理能力和管理体系, 这是平台的一大功能特点。

 

支持企业业务协作的中小企业云制造服务平台的主要研究内容包括:

(1)平台服务模式及体系架构  包括: 支持企业业务协作的中小企业云制造服务平台需求分析, 紧耦合模式下的制造资源共享及协同管理方法研究,支持企业业务协作的中小企业云制造服务平台服务模式研究, 支持企业业务协作的中小企业云制造服务平台体系架构研究。

(2)平台研发  包括: 平台服务工具、用户配置工具的行业化定制开发, 平台管理工具的产品化二次开发, 平台与ERP 系统的集成技术研究, 平台与典型产品设计工具的集成技术研究, 平台软件系统集成及调试。

(3)平台构建  包括: 平台运行环境软硬件部署模式研究, 平台安全保障体系软硬件部署模式研究,平台软硬件环境部署及调试, 装备制造、服装制造行业知识库构建。

(4)平台应用示范  包括: 平台服务体系构建;在装备制造、服装等制造行业的平台应用示范, 形成云制造协作社区。在此过程中进一步完善平台商业化运作机制, 形成可规模化推广的服务模式。支持企业业务协作的中小企业云制造服务平台需解决的关键技术包括:①紧耦合模式下的制造资源共享及协同管理方法; ②用户可自主构建的个性化业务协作管理体系; ③装备制造、服装制造行业知识库构建;④高数据安全、高可用、高性能平台架构。

4、云制造的实施思路

云制造的实施应遵循”需求牵引、技术融合、自主创新、应用示范”的总体指导思想。

(1)需求牵引 紧密结合当前制造业发展过程中面临的问题, 充分考虑我国制造企业在实现 生产型企业向服务型企业转型、从产业价值链低端向高端转移 过程中的实际需求, 结合现有信息化基础和先进技术成果, 提出相应的云制造服务模式, 基于各类云制造服务模式构建相应的应用系统, 开发云制造服务平台。

(2)技术融合  在现有制造信息化理论与技术基础上, 对云计算、物联网、虚拟化、服务化(如Web服务、语义网和服务技术等)、高性能计算等技术进行拓展, 通过学科交叉与技术融合, 攻克云制造服务平台所需的各类关键技术。

(3)自主创新  在技术攻关过程中, 以开发并掌握核心技术为原则, 争取在云制造服务模式、标准规范及基础理论方法等方面实现原始创新; 在技术攻关、平台开发与系统构建等方面实现集成创新。

(4)应用示范  在所研发的技术和工具的支持下, 开发集团企业与中小企业云制造服务平台, 构建云制造服务系统, 并开展企业应用示范。通过应用示范总结经验、发现问题, 进一步提炼企业需求, 改进和完善技术研究成果, 最终保证应用效果的实现。

5、云制造工作的发展

目前, 云制造的理念和技术已经引起学术界和产业界的关注。我国863 计划适时地提出了”云制造服务平台关键技术研究”的重大研究项目, 这必将有力地推动我国制造业信息化工作。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; 北京航空航天大学复杂产品先进制造系统教育部工程研究中心率先对云制造的理念、模式、技术架构、制造能力描述、制造云构建及云服务组合等方面进行了研究; 北京恩维协同科技有限公司开展了云管理(ERP)服务; 世通科技发展(香港)有限公司启动的 刀网 服务, 基于云制造的刀具管理软件, 着力于优化刀具行业众多企业供需链和制造链中涉及的多种资源配置。

同时, 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。可见, 云制造已成为制造业信息化新发展的重要内容。

云制造是一个战略性的系统工程。它的发展将是一个长期的阶段性渐进过程, 需要“ 政、产、学、研”的共同努力。云制造的发展途径可遵循螺旋式良性循环发展路线, 即: 以服务模式牵引云制造系统开发, 以云制造系统带动云制造技术突破, 以云制造新技术促进云制造系统新发展, 将云制造新系统又进一步用于新服务模式。当前, 可以围绕建立和运营”私有云制造服务中心”及”公有云制造服务中心”为重点启动有关工作。与此同时, 要重视发展我国自主的云制造产业(产品、工程、服务), 它是我国云制造技术发展与应用的基础与保证。