關鍵字：云制造，云計算，制造服務，企業集成

           北京大學軟件與微電子學院  李偉平，林慧蘋，莫同，褚偉杰

    1 引言

     目前我國是制造大國，但要成為制造強國還需要不斷的發展和努力。制造業存在著資源消耗高、環境污染大等特點，因此如何實現可持續發展成為制造業的一個重要問題。隨著我國大力發展現代服務業的進程，制造業如何向服務業轉化，提高制造業中服務的比例，提供制造服務，已經成為一個重要課題。現代制造業作為一個整體產業鏈條，包含了研發、生產、品牌、營銷、物流、金融、網絡、文化、客戶管理等等諸多方面，是一個整合了很多元素的整體。其中生產只占一小部分比例，制造服務包括了除生產以外的各個環節。制造服務是現代服務的一部分，一方面，通過提供現代制造服務，可以增加制造業中服務的比例，合理分配和使用資源，降低能源消耗，實現綠色制造。另一方面，從制造企業自身的發展來看，由于產品在成本、技術、功能與質量方面已經達到競爭的極限，因此只有選擇采用服務策略，才能達到提供差異化產品的目的。就價值鏈分析來看，產品生產過程創造的價值遠不如在服務階段所創造的價值，因此制造業向服務業轉化有利于獲取更多利潤。提供制造服務有助于制造業企業的發展，可見發展制造服務符合我國大力發展現代服務業的發展方向。

    云制造是在“制造即服務”理念的基礎上，借鑒了云計算思想發展起來的一個新概念。云制造是先進的信息技術、制造技術以及新興物聯網技術等交叉融合的產物。云制造是希望采取包括云計算在內的當代信息技術前沿理念，支持制造業在廣泛的網絡資源環境下，為產品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務。云制造提供了制造業向服務業轉換的一種有效途徑。

    本文討論了云制造的概念，給出云制造的體系結構，給出了制造資源的描述方法，并分析了云制造中的關鍵技術問題，為云制造的發展進行了積極探索。

    2 云制造的概念

    隨著云計算的發展，人們認識到這種新的計算模式的重要性。云計算是基于網絡的計算模式，共享的資源、軟件和信息根據需要提供給需要的計算機，就像電力網一樣[1]。云計算是指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的服務。這種服務可以是IT和軟件、互聯網相關的，也可以是任意其他的服務，它具有超大規模、虛擬化、可靠安全等特點。這種信息資源（軟硬件）虛擬化、集中優化使用的方式給制造業中的資源共享提供了一個很好的借鑒。云制造的提出借鑒了云計算的概念，通常是面向區域、行業或企業，借助先進的信息技術，實現對產品開發、生產、銷售、使用等全生命周期的相關資源的整合，提供標準、規范、可共享的制造服務的制造模式[2]。它是先進的信息技術、制造技術以及新興物聯網技術等交叉融合的產物。下面首先分析云計算的特點，然后給出云制造的概念。

    2.1云計算

    云計算（Cloud Computing）是在網格計算、分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統計算機技術和網絡技術基礎上融合發展而成的一種新的互聯網技術。它旨在通過網絡把
多個成本相對較低的計算實體整合成一個具有強大計算能力的系統，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先進的商業模式把該系統的強大計算能力提供給終端用戶。云計算的一個核心理念就是通過整合分散閑置的計算資源以不斷提高“云”的處理能力，進而減少用戶終端的處理負擔，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設備，并能按需享受“云”的強大計算處理能力。

    狹義的云指提供計算機處理能力服務的資源網絡，云中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。廣義的云可以是IT和軟件、互聯網相關的，也可以是任意其他的服務，就好比是從古老的單臺發電機模式轉向了電廠集中供電的模式。它意味著計算能力也可以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電一樣，取用方便，費用低廉。云計算的特點包括：a)超大規模；b)虛擬化；c）高可靠性；d）通用性；e)高可擴展性；f）按需服務等。

    2.2云制造

    隨著制造業的標準化和通用性程度的提高，現代制造中的產品已經由單一廠商獨立完成轉變為由多家制造廠商分部件或分工序共同協作完成，這些制造廠商共同形成一個完整產品的供應鏈或敏捷制造工廠。

    隨著產品信息化、虛擬化程度的提高以及網絡的大量應用，制造商的各種制造能力可以滿足多個供應鏈的多個環節，供應鏈中的一個環節也有多家可選制造商。制造商不再局限于提供產品或零部件，而是轉為提供制造能力。提供給顧客的產品則是通過整合多個制造商能力生產而成。制造商的制造能力通過網絡的集成形成了制造云。制造模式由供應鏈轉變成云制造。

    雖然云制造已成為現代制造業的發展趨勢，但其內涵仍在不斷發展之中，目前尚缺乏一種規范、標準的定義。
李伯虎院士認為云制造是一種面向服務的高效、低耗，基于知識的網絡化的新制造模式，融合現在信息化制造技術、云技術、物聯網等技術，把各類制造之間和制造能力集虛擬化、服務化并且進行統一的集中的智能化管理，從而通過網絡和一個云制造平臺中間件，將制造全生命周期的前期、中期、后期提供給用戶，提供隨時獲取按需使用的優質廉價的服務[3]。

    中國航天科技集團公司總工程師楊海成認為“云制造是先進的信息技術，制造技術以及新興物聯網技術等交叉融合的產品，是制造即服務理念的體現”[2]。科技部高新司先進制造及自動化處周平處長提出云制造的核心就是如何盤活制造資源的存量[4]。

    國家“863 計劃”先進制造技術領域專家組組長王田苗認為云制造可以分為由低到高兩個層次實現：低層次是提供相對功能明確、價格低廉的產品、設備的制造平臺。高層次是根據顧客的設計或加工需求，整合制造資源，幫助客戶完成相關產品的設計、加工、制造和配送，提供一整套加工制造的服務平臺[5]。

     綜合上述專家學者的論述，我們認為云制造是一種以規范化和通用化的行業標準為基礎，以互聯網和物聯網為支撐環境，以滿足顧客個性化產品需求和提高加盟制造商利潤為目標，具有智能化、綠色化、低消耗、高可靠性、高可伸縮性的現代制造模式。

    3 云制造

    參與云制造的角色包括三大類，即1）服務使用者，如投資人，設計方，制造方，2）云資源的提供者，他們提供各種制造資源及制造相關服務能力，通過云化技術，把資源轉變為可以云服務形式使用的制造云服務；3) 制造云服務的支持平臺的提供商，用來支持制造云的運行和管理。本節分析云制造的體系結構、資源描述方法及關鍵技術。

    3.1云制造的體系結構

    云制造體系結構從下至上分為三層，分別是：資源層、制造云運行支撐平臺和服務層，具體如圖1所示。

    資源層：云制造中的制造資源包括：a)設備資源，例如各種加工設備等；b）軟件資源，如產品設計、仿真、加工過程中涉及的設計專業軟件、仿真軟件和控制軟件等；c）人力資源、無形資源、技術資源。在目前的云計算市場中，通常是有實力的公司投以巨資，形成自己的云能力。例如：Amazon提供海量存儲和計算云服務，google提供海量文件存儲能力等等。而在云制造中，資源功能更多樣性，成本更高，因此，制造云很難由一家或者少數幾家企業來完成，必須有更廣泛的企業參與形成云制造能力，資源的分散程度更高，管理復雜程度更高，一方面，需要有靈活的制造資源服務化描述手段，使得各種制造資源能夠以服務的形式注冊、發布到云制造平臺上；另一方面，也需要有適合的資源服務搜索和組合技術，使得用戶能夠隨需而變，靈活的使用制造服務。因此，云制造對云服務的運行支撐平臺提出了更高的要求。

    制造云運行支撐平臺：主要提供以下功能：a)提供各種資源的云化技術，包括資源的服務化描述、服務化封裝、服務注冊與發布等；2）提供云服務的調度與組合管理，由于云服務往往由不同服務提供者提供，且用戶的需求往往需要多個服務組合完成，因此，該平臺需要提供面向需求的云服務調度、優化和組合支持；3）云服務的運行與監控管理，以可視化的形式監控服務運行質量。

    服務層：服務層面向服務使用者提供各種制造服務。典型的服務包括：設計服務，制造服務，供應鏈服務和營銷服務等。


圖1 云制造體系架構

   3.2云制造的服務描述

    云制造中的資源包括設計、制造、生產管理、銷售、服務、物料等各種能力單元，對制造資源可以進行統一描述，然后加入的云制造環境中，在平臺上注冊供服務使用者查詢和使用。本文借用Web服務的描述方法，采用類似于WSDL的形式對資源進行描述。為此定義了一個Schema，說明對資源的功能、技術指標、質量、能力等的描述方法。下面以一個實例對schema進行說明。如圖2所示，該實例是對一個車床的描述，以其加工齒輪為例，定義了服務提供者信息、成本、質量、技術參數、生產能力等數據，并描述了其中獲取成本、質量評估兩個功能。

   3.3云制造的關鍵技術分析

    圖2 制造資源描述Schema實例

    根據云制造的架構，分析其中的關鍵技術包括以下幾個方面：

    1) 制造云運行支撐平臺：需要在云計算的支持下，提供制造云運行支撐平臺，該平臺提供云制造各個參與方所需要的計算環境。各種用戶根據自己的角色注冊、登錄到云制造運營支撐平臺中，尋找需要的資源并進行使用，通過相互協同完成一次制造過程。各個云制造能力提供者需要將自己的系統集成到云制造平臺中，供服務使用者使用。此時，各個合作方有可能進行信息系統的集成，在云計算的支持下，實現平臺中各個系統的高效集成運行。

    2) 供應鏈優化：云制造環境下各個參與方（包括制造服務提供者和使用者）之間將形成一個虛擬的供應鏈。這個大的供應鏈通常是以服務的使用者為中心形成的，對這個供應鏈的優化需要對包括采購、銷售、物流、生產計劃與調度在內的各個環節進行整體優化。

     3) 生產計劃：云制造的服務提供者中，提供加工、制造能力的服務提供者，通常是傳統的工廠、車間或者單獨的云制造單元，需要對所接單獨進行統一的計劃管理，以調配資源，提高資源的利用率和效率。此種情況下的生產計劃比傳統的生產計劃要求更高。因為云制造情況下的生產屬于按照訂單進行生產，通常訂單是不確定的，對生產計劃提出了更高的要求。制造資源描述Schema實例見圖2。

    4) 云制造資源調度：對于云制造中的能力資源的使用調度室一個關鍵問題。由于云制造環境下涉及的資源種類所、數量多，尤其是不同類型企業之間的交互多，因此需要提高制造資源利用率，對其進行調度室一個重要問題。

    5) 標準化技術：在制造技術方面，需要設計、工藝、和加工裝配的標準化方法和技術，以保證在制造云中各個參與方的制造標準和接口。

    6) 保密技術：由于制造云的提供者會在不同的訂單中接觸不同請求者提供的產品，不同產品的加工工藝存在差異性和保密性，需要建立一種機制來對工藝信息保密，防止非法的擴散和使用。

   4 結論

    通過云制造可以充分利用全社會的制造資源，可以提高資源的利用率，避免資源浪費。但是如何對云制造中的資源進行有效管理是制約云制造發展的一個關鍵因素。例如，如何保證訂單的持續性，從而避免云制造中具體的能力資源的閑置和浪費。本文分析了云制造的概念和特點，給出了云制造的架構和各個層次，給出了制造資源描述的規范實例。對云制造的關鍵問題進行了積極的探索。


參考文獻

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing
[2] 楊海成，云制造是一種制造服務，中國制造業信息化，2010年3月，22-23
[3] 李伯虎，云制造概論，中興通訊技術，2010 vol.16, No.4,5-8
[4] 侯闖，云制造：摸不著？中國制造業信息化，2010年3月，16-17
[5] 王田苗，云制造先從簡單處做起，中國制造業信息化，2010年3月，24-25