认识云制造
2022-01-24 来源： 智造苑
随着新一代信息技术和制造业的深度融合，我国智能制造发展取得了明显成效，如何培育新型制造服务模式，满足制造企业最短的上市时间（time）、最好的质量（quality）、最低的成本（cost）、最优的服务（service）、最清洁的环境（environment）和基于知识（knowledge）的创新即TQCSEK的需求，支撑绿色和低碳制造，实现中国创造，进而推动经济增长方式的转变，是未来5～10年我国制造业发展需要解决的重大问题。与此同时，以云计算、物联网、虚拟物理融合系统（cyber-physical systems，CPS）、虚拟化技术、面向服务技术（如知识服务、服务技术等）、高性能计算等代表的先进技术正迅猛发展，并应用于各个行业。有专家学者适时提出了“云制造”概念并作出了具体的解释。当MES一体化平台替代ERP，当更广泛的MES、WMS、APS、SCM满足“工业4.0”需求，工业软件未来方向将是云制造。
「 1. 云制造的概念 」
李伯虎等在2010年提出了云制造的概念，认为云制造是一种利用网络和云制造服务平台，按用户需求组织网上制造资源（制造云），为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。云制造融合现有的信息化制造、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(如制造网格、虚拟制造、分布式数控以及应用服务提供商(application service provider，ASP )、软件即服务(software-as-a-service，SaaS)等)进行延伸和变革，将各类制造资源(包括制造硬物理设备、测试平台、仿真系统、计算与通讯系统、软件、模型、数据和知识等)虚拟化、服务化，并进行统一的、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(论证、设计、加工、仿真、试验、维护、销售、采购和管理)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。
「 2. 云制造的特征 」
云制造与已有的网络化制造、ASP、制造网格、云计算等相比，具有以下异同点：
（1）尽管现有的网络化制造在一定程度上帮助实现了企业基于网络技术的业务协同，但其作为一个独立系统，是以固定数量的资源或既定的解决方案为用户提供服务，缺少动态性，客户端智能化不足以及不能实现有效的商业运营模式。此外，网络化制造只能实现部分应用，迫切需要通过云制造等技术实现更广泛的推广和应用。
（2）ASP技术的远程服务租赁模式，可以较好地解决中小企业应用系统等的信息化软件成本问题，但由于用户端智能性和数据安全性的不足，导致进一步推广和应用比较困难，不过ASP技术的已有研究基础和推广经验是实施云制造可借鉴的关键之一。
（3）制造网格主要强调分布式资源服务的汇聚、发现、优化配置等，核心思想是“分散资源集中使用”，其服务模式通常采用“多对一”的形式，即多个分布式资源为一个用户或任务服务，因此同样缺乏商业运营空间。而云制造不仅体现了“分散资源集中使用”的思想，还体现了“集中资源分散服务”的思想，即其服务模式不仅有“多对一”的形式，同时更强调“多对多”，即汇聚分布式资源服务进行集中管理，为多个用户同时提供服务。
（4）云计算以计算资源的服务为中心，它不能解决制造企业中各种制造设备的虚拟化和服务问题。云制造主要面向制造业，把企业产品制造所需的软硬件制造资源整合成为云制造服务中心。所有连接到此中心的用户均可向云制造中心提出产品设计、制造、试验、管理等制造全生命周期过程各类活动的业务请求，云制造服务平台将在云层中进行高效能智能匹配、查找、推荐和执行服务，并以服务的形式透明地向用户提供各种类型的制造资源，其中必须加进一些物联网技术。
云制造的主要特征表现在以下几方面：
（1）面向服务和需求的制造。云制造改变了长期以来面向设备、面向资源、面向订单、面向生产等的形态，真正实现了以服务为导向、以需求为导向。在云制造中，一切能封装和虚拟化的都作为制造云服务(包括制造资源作为服务、制造能力作为服务、制造知识作为服务等)。这种大变化是实现生产型企业向服务型企业转变以及实现制造服务(manufacturing as a service)的基础。
（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，而是通过使用现有技术和方法获得令人满意的解决方案或非劣解决方案，这是云制造的制造能力本身存在的不确定性所导致的，包括云制造任务的描述、任务与云服务的映射匹配、云服务选取与绑定、云服务组合选取、制造结果评价等环节中的不确定性。
（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，使得制造企业重新重视用户需求本身。云制造积极创造了一个允许制造企业、客户、中间方等充分沟通的公用制造环境。在云制造模式下，用户积极参与到制造全生命周期的每一个环节中来，而不只是提出用户需求以及进行简单的和用户评价。客户或用户的身份不是唯一的，也就是说，用户既可以是云服务的消费者又可以是云服务的提供者或开发者，这体现的是一种用户参与的制造，包括人机交互、机人交互、机机交互以及人人交互等。
（4）透明和集成的制造。云制造首先将所有制造资源、功能和知识进行抽象化和虚拟化，使之成为用户可见并易于访问的资源池，然后当用户通过云服务执行各种制造活动时，这些服务可以随时调用。也就是说，服务的调用是透明的，云制造的透明度可以体现在位置，注册和使用等方面。
（5）主动制造。在以往的制造模式下，如果公司没有生产订单或设备闲置，则无法进行制造活动或享受资源收益，这是一种被动制造模式。相反，在云制造模式中，制造活动和云服务更加主动，它们通过云平台智能匹配供需，采用机器学习、统计推断等技术，使得订单可以主动寻找制造方、云服务可以主动智能寻租。
（6）支持多用户的制造。传统网络化制造模式(如ASP、制造网格等)的研究重点是如何使分散的制造资源能够通过网络连接起来，从而形成虚拟的集中资源，并将一个复杂制造任务分解成若干简单任务，通过调度机制使得这些简单任务并行运行在不同制造资源节点上，最后汇集执行结果，这体现的是一种分散资源集中使用的思想。而云制造一方面体现了“分散资源集中使用”的理念，另一方面能够有效实现“集中资源分散服务”的思想。简言之，就是通过大型服务器把分散在不同地方的制造资源集中起来，建成物理上的服务中心，从而为分布在不同地方的众多用户提供服务调用、资源租赁等。
（7）支持按需使用和付费的制造。云制造是一种由需求驱动、按需付费、面向服务的新型制造模式。如果处于云制造模式下的用户，想要使用制造云服务中心的云服务，则可以采用需求驱动，用户主导和即付即用的方法。
（8）低门槛、外包式制造。传统制造企业必备厂房、设备、物料、信息化设施和技术人员等全套制造条件，同时还必须具备相应的设计、制造、管理、销售等能力。而云制造模式下，企业不需要拥有所有这些条件和能力，对企业没有的制造资源或能力可以通过外包的形式得到，即通过调用或租用云制造系统中的资源、能力、云服务来完成本企业的生产任务，从而降低了企业的入门门槛，使生产和企业组织方式更加灵活、多元化。
（9）基于能力共享与交易的制造。云制造共享侧重于虚拟资源与能力的共享，比如通过云平台整合分散在各处的不同工艺的设备，如果客户在云平台上发布需求，云平台可以自动匹配服务需求，通过良好的资源集成和分配能力，快速响应客户需求。
（10）基于知识的制造。基于物联网等新信息技术的应用，企业可以实现对资源的实时感知和共享。首先通过资源的感知，通过云平台将制造资源和服务资源虚拟化，实现制造和服务资源集成。然后通过需求端可以实现云服务的请求。最后在云平台通过搜索和匹配等操作可以为需求端提供按需服务。
（11）基于群体创新的制造。云制造模式下，任何个人、单位或企业都可以向云制造平台贡献其制造资源、能力和知识，同时任何企业都可以基于这些资源、能力、知识来开展本企业的制造活动，这体现的是一种维基百科式的基于群体创新的制造模式。
「 3. 云制造的体系架构 」
云制造系统体系架构分为以下层次：
（1）物理资源层（P-Layer）。P-Layer为物理制造资源层，该物理层资源通过嵌入云终端技术、物联网技术等，将各类物理资源接入到网络中，实现制造物理资源的全面互联，为云制造虚拟资源封装和云制造资源调用提供接口支持。
（2）云制造虚拟资源层（R-Layer）。该层的重点是将网络的各种制造资源虚拟化以形成虚拟制造资源，然后使用云制造服务定义和虚拟化工具，将虚拟制造资源封装到云服务中，在调用时将其释放。云制造虚拟资源层提供的主要功能包括云访问技术、云服务定义、虚拟化技术和资源分配等。
（3）云制造核心服务层（S-Layer）。该层主要面向云制造的三种类型的用户（云提供商、云请求者和云服务运营商），为制造云服务的集成管理提供各种核心服务，使得云服务请求者可以随时随地获取云服务；面向云服务运行商提供用户管理、系统管理、云服务管理、数据管理、云服务发布管理服务；面向云请求端提供云任务管理、高性能搜索与调度管理等服务。
（4）应用接口层（A-Layer）。应用接口层主要针对特定的制造应用程序领域，它提供了不同的专业应用程序界面和常规管理界面，例如用户注册和身份验证。
（5）云制造应用层（U-Layer）。云制造应用层面向制造业的所有领域和行业，但不同行业的用户只能通过门户网站和各种用户界面（包括移动终端，PC终端，专用终端等）访问和使用云制造系统的各种云服务。
「 4. 云制造的关键技术 」
云制造涉及的关键技术主要有：云端化技术、云服务的综合管理技术、云制造安全技术、云制造业务管理模式与技术。
1）云端化技术
云端化技术主要研究云制造服务提供端各类制造资源的嵌入式云终端封装、接入、调用等技术，并研究云制造服务请求端接入云制造平台、访问和调用云制造平台中服务的技术，包括：
（1）支持参与云制造的底层终端物理设备智能嵌入式接入技术、云计算互接入技术等；
（2）云终端资源服务定义封装、发布、虚拟化技术及相应工具的开发；
（3）云请求端接入和访问云制造平台技术，以及支持平台用户使用云制造服务的技术；
（4）物联网实现技术等。
2）云服务综合管理技术
云服务综合管理技术主要研究和支持云服务运营商对云端服务进行接入、发布、组织与聚合、管理与调度等综合管理操作，包括：
（1）云提供端资源和服务的接入管理，如统一接口定义与管理、认证管理等；
（2）高效、动态的云服务组建、聚合、存储方法；
（3）高效能、智能化云制造服务搜索与动态匹配技术；
（4）云制造任务动态构建与部署、分解、资源服务协同调度优化配置方法；
（5）云制造服务提供模式及推广，云用户（包括云提供端和云请求端）管理、授权机制等。
3）云制造安全技术
云制造过程中需要传输大量数据，而这些数据的安全性也是企业需考虑的，包括数据传输安全性、数据利用安全性以及数据应用监控等。
4）云制造业务管理模式与技术
云制造业务管理模式与技术主要包括：企业业务流程的动态构造、管理与执行技术；云服务的定价、议价和运营策略，以及相应的电子支付技术等；云制造模式各方的信用管理机制与实现技术等。
「 5. 云制造的前景 」
云计算正在成为制造业的主要驱动力之一，它改变了制造业的商业模式，帮助制造业将产品创新与商业战略结合起来，并创建了有效协作的智能工厂网络。这种按使用付费的模式将彻底改变制造业，正如互联网已经使我们的日常生活和商业生活发生了翻天覆地的变化一样。制造企业已经开始使用云计算，因为它具有良好的经济效益。从以产品为导向的制造转向以服务为导向的制造，云制造似乎提供了极具吸引力的解决方案。在云制造中，分布式资源被封装到云服务中，并进行集中管理，客户可以根据自己的需求使用云服务。云用户可以参与产品设计、制造、测试使用和其他产品生命周期阶段的活动。
虽然云制造是相对较新的概念，但是可以预见，云制造将为日益全球化和分布式的制造业提供有效的解决方案。云制造是一种开展制造业务的新方法，意味着一切都可以被视为服务，无论是请求的服务还是提供的服务。
引自：《未来制造新模式——理论、模式及实践》（作者：江志斌，林文进，王康周，李乐飞，涂金）
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