摘要:基于云計算的思想，文章提出一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能新模式——云制造。云制造融合現有信息化制造、云計算、物聯網、語義Web、高性能計算等技術，能夠為制造全生命周期過程提供可隨時獲取、按需使用、安全可靠、優質廉價的服務。基于云仿真原型平臺COSIM-CSP的云仿真應用已初步用于某飛行器多學科虛擬樣機的協同設計中，為云制造的進一步研究工作奠定了基礎。

關鍵字:制造業信息化；云制造；云計算；網絡化制造

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.

英文關鍵字:manufacturing informatization; cloud manufacturing; cloud computing; networked manufacturing

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1 制造業信息化的發展趨勢

制造業是國民經濟和國防安全的重要支柱，是一個國家工業化的戰略性產業。制造業信息化的發展總趨勢是集成化、數字化、智能化、敏捷化、網絡化、綠色化和服務化。當前，“服務、資源環境、知識創新”[3]正成為制造業核心競爭力的關鍵因素。中國在2009年已成為僅次于美國的全球第二大工業制造國，但是仍未能成為制造強國。“中國制造”的總體水平仍處于國際產業分工價值鏈的低端，創新能力比較弱，并且受到資源環境的嚴重制約。基于現狀，中國制造業必須盡快突破，實現向“服務型制造” [4]、“綠色制造”[5]和“中國創造”的轉變。

基于高速發展的信息技術，本文提出“一種基于知識、面向服務的高效低耗網絡化智能制造新模式—云制造”。云制造技術的研究與應用將會加速推進中國制造業信息化向網絡化、智能化和服務化方向發展，從而將中國制造業信息化提升到新的高度和水平。

2 云制造提出的技術基礎

云計算作為一種新的服務化計算模式，近年來正在產業界興起并逐步走向成熟[6-7]。云計算是一種基于互聯網的計算新模式，通過云計算平臺把大量的高度虛擬化的計算資源管理起來，組成一個大的資源池，用來統一提供服務，通過互聯網上異構、自治的服務形式為個人和企業用戶提供按需隨時獲取的計算服務。云計算的運營模式是由專業計算機和網絡公司（即第三方服務運行商）來搭建計算機存儲、計算服務中心，把資源虛擬化為“云”后集中存儲起來，為用戶提供各種服務。不難推論，若將“制造資源”代以“計算資源”, 云計算的計算模式和運營模式將可以為制造業信息化所用，為制造業信息化走向服務化、高效低耗提供一種可行的新思路。

正是在這樣的背景下，“云制造”的理念應運而生。目前國際上對云制造鮮有研究，因此，關于云制造的研究與應用存在著巨大的發展空間。云制造及其關鍵技術也是未來5～10年中國制造業突破性發展需要解決的重大課題。

3 云制造的研究進展

3.1 云制造的定義

云制造是一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式。它融合現有信息化制造、云計算、物聯網、語義Web、高性能計算等技術，通過對現有網絡化制造與服務技術[13-14]進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，并進行統一、集中的智能化管理和經營，實現智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協同，通過網絡為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用、安全可靠、優質廉價的服務。制造全生命周期過程包括制造前階段（如論證、設計、加工、銷售等）、制造中階段（如使用、管理、維護等）和制造后階段（如拆解、報廢、回收等）。

3.2云制造運行模式及關鍵技術

云制造體系包括制造資源/制造能力、制造云、制造全生命周期應用三大組成部分。此外，它的運行還包括一個核心支持（知識）、兩個過程（接入、接出）和三種用戶（制造資源提供者、制造云運營者、制造資源使用者）。云制造的運行原理如圖1所示。首先，需要將各種制造資源與制造能力封裝為云服務，這一過程可稱為制造資源的“接入”。根據不同的制造需求，云服務能夠聚集形成制造云。制造云是云服務的主要載體，面向制造全生命周期應用提供各種服務，這一過程稱為“接出”。在整個云制造體系的運轉過程中，知識起到了核心支撐的作用。知識能夠在制造資源和制造能力的接入過程中，為智能化嵌入和虛擬化封裝提供支持；在制造云管理過程中，為云服務的智能查找等功能提供支持；在制造全生命周期應用中，為云服務的智能協作提供支持。由此可見，云制造體系能夠實現基于知識的制造全生命周期集成，提供了一種面向服務的、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式。

云制造應用模式如圖2所示。首先，相關行業的用戶通過云制造平臺提出具體的使用請求。云制造平臺是負責制造云管理、運行、維護以及云服務的接入接出等任務的軟件平臺。它會對用戶請求進行分析、分解，并在制造云里自動尋找最為匹配的云服務，通過調度、優化、組合等一系列操作，向用戶返回解決方案。用戶無需直接和各個服務節點打交道，也無需了解各服務節點的具體位置和情況。通過云制造平臺，用戶能夠像使用水、電、煤、氣一樣使用制造資源和制造能力。

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云制造體系架構包括物理資源層、云制造虛擬資源層、云制造核心服務層、應用接口層、云制造應用層等5個層次。圖3是云制造體系架構的示意圖。

如圖4所示，云制造的關鍵技術主要包括以下5個方面：

模式、體系架構、標準、規范
　　制造資源和制造能力的云端化技術
　　制造云服務的綜合管理技術
　　云制造安全與可信制造技術
　　云制造業務管理模式與技術

3.3 初步研究成果

為了論證云制造理念的可行性，作者所在團隊初步研發了一個云制造的典型應用——基于云仿真原型平臺COSIM-CSP[15]的云仿真應用。此應用已初步用于某飛行器多學科虛擬樣機的協同設計中。基于COSIM-CSP的云仿真應用中包含可視化普適門戶界面技術、復雜產品項目管理技術、仿真資源虛擬化技術、容錯遷移技術與安全可信機制、基于語義知識的資源服務質量評估、智能發現、自動組合與動態調度等技術，為云制造的進一步研究工作奠定了基礎。

4 云制造的未來展望

云制造為制造業信息化提供了一種嶄新的理念與模式。作為一個新生概念，云制造具有巨大的發展空間。云制造的研究與實踐工作需要依靠政府、產業界、學術界等多方聯合與共同努力。云制造的應用將是一個長期的階段性漸進過程，而不是一蹴而就的項目工程。云制造要求制造企業具有良好的信息化基礎，并且實現了企業內部的信息集成與過程集成。因此，對于當前業界的廣大制造企業而言，實現云制造仍具有一定門檻。

云制造的未來發展仍面臨著眾多關鍵技術的挑戰。除了云計算、物聯網、語義Web、高性能計算、嵌入式系統等技術的綜合集成，基于知識的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應用協同、云制造可視化與用戶界面等技術均是未來需要攻克的重要技術。

5 結束語

目前，關注焦點日益集中于服務、環境、知識等核心價值因素。基于云計算的思想，本文提出“一種面向服務、高效低耗和基于知識的網絡化智能制造新模式—云制造”，它的研究與應用將會加速推進中國制造業信息化向“網絡化、智能化、服務化”方向發展。本文對云制造的技術基礎、概念、運行模式、體系架構及技術進行討論，給出初步研究成果，并對云制造的未來研究做出展望。

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致謝：本文寫作過程中，北京航空航天大學任磊博士、陶飛博士、北京仿真中心侯寶存博士參與了討論，并提供了重要的素材。