云制造

提出的背景

　　制造的服务化、基于知识的创新能力，以及对各类制造资源的聚合与协同能力、对环境的友好性已成为当前企业竞争力的关键要素和制造业信息化发展的趋势。我国制造业正处于从生产型向服务型、从价值链的低端向中高端，从制造大国向制造强国、从中国制造向中国创造转变的关键历史时期。如何培育新型制造服务模式，满足制造企业最短的上市速度（Time）、的质量（Quality）、的成本（Cost）、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。

　　从“八五”到“十一五”，我国科技部及相关部门支持了以计算机集成制造、并行工程、敏捷制造、虚拟制造、网络化制造、制造网格、敏捷制造等为代表的相关制造业信息化课题，已取得了一系列成果，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巨大贡献。然而，如何在制造过程中整合社会化存量资源，提高资源利用率，降低能源消耗，减少排放，从而实现服务型制造，已成为我国制造业迫切需要解决的瓶颈问题。解决这些问题，需要探索新的制造业发展模式。

　　与此同时，以云计算、物联网、虚拟物理融合系统CPS（Cyber-Physical Systems）、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，并在各个行业得到应用。

架构

　　（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式云终端技术、RFID技术、物联网等，从而使得各类物理资源能接入到网络中，实现物理资源的全面互联，从而形成云制造虚拟资源，进而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）资源层（R-Layer）：R-Layer为云制造虚拟资源层，该层主要是将接入到网络中的各类制造资源汇聚成虚拟制造资源，并通过云制造服务定义工具、虚拟化工具等，将虚拟制造资源封装成云服务，从而发布到云层中的云制造服务中心。该层提供的主要功能包括：云端接入技术、云端服务定义、虚拟化、云端服务发布管理、资源质量管理、资源提供商定价与结算管理、资源分割管理等。

　　（3）云制造服务层（C-Layer）：C-Layer为云制造服务中心层，该层主要汇集资源层发布的各类资源服务，从而形成各类云制造服务数据中心。

　　（4）核心服务层（S-Layer）：S-Layer为云制造核心服务层，该层主要面向云制造三类用户（CSP、CSD、云服务运行商）对制造云服务的综合管理提供各种核心服务和功能，包括：面向CSP提供云服务标准化与测试管理、接口管理等服务；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CSD提供云任务管理、高性能搜索与调度管理服务等。

　　（5）应用接口层（P-Layer）：P-Layer为云制造应用接口层，该层主要是面向特定制造应用领域，提供不同的应用接口以及用户注册、验证等通用管理接口。

　　（6）用户层（U-Layer）：U-Layer为云制造应用层，该层面向制造业的各个领域和行业。不同行业用户只需要通云服务门户网站、各种用户界面（包括移动终端、PC终端、专用终端等）就可以使用云制造服务中心的云服务。

运行原理

　　从上图可以看出，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、灵活的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。

特征

　　（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，从而转而真正面向服务、面向需求。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）这种大转变是作为实现生产型企业向服务型企业转变、实现制造即服务（Manufacturing-as-a-Service, MFGaaS）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的解，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，这既是云制造的不确定性制造能力，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、知识嵌入到网络、环境中去，使得制造企业关注的中心转移或回归到用户需求本身。云制造致力于构建一个制造企业、客户、中间方等可以充分沟通的公用制造环境。在云制造模式下，用户参与度不仅限于传统的用户需求提出和用户评价，而是渗透到制造全生命周期的每一个环节。云制造模式下，客户或用户的身份不具备性，即一个用户即是云服务的消费者，也是云服务的提供者或开发者，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，而其它东西对用户透明。用户在使用云服务开展各类制造活动时，这些服务的调用是透明的，即所有制造实现操作细节可以向用户“隐藏”起来，使用户将云制造系统看成是一个完成无缝的集成系统。云制造的透明性可以体现在位置透明性、注册透明性和使用透明性等方面。

　　（5）主动制造  现有制造模式中，如果企业没有生产订单或自己的设备等资源闲置时，则无法开展制造或享受资源收益，即体现的是一种被动的制造模式。而在云制造中，制造活动和云服务具有主动性，即用户根据第三方构建的云制造服务平台，在知识、语义、数据挖掘、机器学习、统计推理等技术的支持下，订单可以主动寻找制造方，而云服务可以主动智能寻租，从而体现一种智能化的主动制造模式。

　　（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）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，汇集执行结果，体现的是一种“分散资源集中使用”的思想。而云制造不仅体现“分散资源集中使用”的思想，还有效实现“集中资源分散服务”的思想，即将分散在不同地理位置的制造资源通过大型服务器集中起来，形成物理上的服务中心，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。

　　（7）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。云制造模式下用户采用一种需求驱动、用户主导、按需付费的方式来利用制造云服务中心的云服务。用户根据自身的需要来调用或组合调用已有的云服务并支付相应的费用，而且户不需要过多关注制造资源服务提供者的自身信息，用户和制造资源提供者是一种即用即组合、即用即付、用完即解散的关系。

　　（8）低门槛、众包式制造 传统制造企业必须拥有自己的厂房、设备、物料、信息化设施、技术人员等全套制造条件，同时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”的形式来达到，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）敏捷化制造 云制造模式下，企业只需要重点关注本企业的核心服务，而其它相关业务或服务则可以通过调用云制造中的云服务来完成，其生产方式非常灵活，体现了一种敏捷化的制造思想。

　　（10）化制造 云制造通过第三方构建的平台，将所有制造资源、能力、知识虚拟化成云滴（即制造云服务），聚合形成不同类型的制造云（如设计云、仿真云、管理云、实验云等），体现了规模化、集约化、化的特点。

　　（11）基于能力共享与交易的制造 与传统网络化制造相比，云制造共享的不仅仅是制造资源，还有制造能力。在相应知识库、数据库、模型库等的支持下，实现基于知识的制造资源和能力虚拟化封装、描述、发布与调用，从而真正实现制造资源和能力的全面共享与交易，提高利用率。

　　（12）基于知识的制造 在云制造全生命周期过程中，都离不开知识的应用，包括基于知识的（1）制造资源和能力虚拟化封装和接入；（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、任务迁移；（6）云制造企业业务流程管理等。

　　（13）基于群体创新的制造 云制造模式下，任何个人、任何单位或企业都可以向云制造平台贡献他们的制造资源、能力和知识。而与此同时，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，云制造体现的是一种维基百科式的基于群体创新的制造模式。

　　（14）绿色低碳制造 云制造的目标之一是围绕TQCSEFK目标，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。实现了云制造，实际上就是在一定程度上实现了绿色和低碳制造。

关键技术

　　有了这个体系结构以后，云制造需要五大类关键技术——模式、体系架构、相关标准和规范；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、云制造模式、体系架构、相关标准及规范，主要是从系统的角度出发，研究云制造系统的结构、组织与运行模式等方面的技术，同时研究支持实施云制造的相关标准和规范，其包括支持多用户的、商业运行的、面向服务的云制造体系架构；云制造模式下制造资源的交易、共享、互操作模式；云制造相关标准、协议、规范等，如云服务接入标准、云服务描述规范、云服务访问协议等。

　　2、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、接人、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；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；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；物联网实现技术等。

　　3、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；高效、动态的云服务组建、聚合、存储方法；高效能、智能化云制造服务搜索与动态匹配技术；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；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。

　　4、云制造安全技术，主要研究和支持如何实施安全、可靠的云制造技术，包括云制造终端嵌入式可信硬件；云制造终端可信接入、发布技术；云制造可信网络技术；云制造可信运营技术等；系统和服务可靠性技术等。

　　5、云制造业务管理模式与技术，主要研究云制造模式下企业业务和流程管理的相关技术，包括云制造模式下企业业务流程的动态构造、管理与执行技术；云服务的成本构成、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（云提供端、云请求端、运营商）的信用管理机制与实现技术等。

应用

　　首先是针对大型集团企业的研发设计能力服务平台。针对大型集团企业，利用网格技术等先进信息技术，整合集团企业内部现有的计算资源、软件资源和数据资源，建立面向复杂产品研发设计能力服务平台，为集团内部各下属企业提供技术能力、软件应用和数据服务，支持多学科优化、性能分析、虚拟验证等产品研制活动，极大促进产品创新设计能力。这类服务平台主要是面向集团内部下属企业的。

　　第二个重要方向是区域性加工资源共享服务平台。我国已经成为当今世界上拥有制造加工资源最丰富的国家。针对制造资源分散和利用率不高的问题，利用信息技术，虚拟化技术、物联网以及RFID等先进技术，建立面向区域的加工资源共享与服务平台，实现区域内加工制造资源的高效共享与优化配置，促进区域制造业发展。

　　另外，制造服务化支持平台也是将来云制造可以重点发展的方向之一。针对服务成为制造企业价值主要来源的发展趋势，我们可以建立制造服务化支持平台，支持制造企业从单一的产品供应商向整体解决方案提供商及系统集成商转变，提供在线监测，远程诊断，维护和大修等服务，促进制造企业走向产业价值链高端。这类平台主要针对大型设备使用企业。

　　除了针对大型企业的服务平台，云制造更可以服务于量大面广的中小企业，因此针对中小企业信息化建设资金，人才缺乏的现状，我们还可以建立面向中小企业的公共服务平台，为其提供产品设计、工艺、制造、采购和营销业务服务，提供信息化知识、产品、解决方案、应用案例等资源，促进中小企业发展。

　　此外，我国物流业社会化、化、集成化、协同化、标准化水平低，物流技术基础差，服务能力弱等问题，严重制约物流业与制造业的联动发展。因此，针对我国制造业物流成本高等现状，利用RFID、网络、物流优化等技术，研究整机制造企业，零部件制造企业和物流企业的多方协作模式和第三方服务模式，建立物流拉动的现代制造服务平台，为制造业整机制造企业，零部件制造企业和物流企业协作提供服务，促进制造业发展。

研究现状

　　国外发达国家针对服务化制造已开展了一些相关的工作，并已取得了一定的效果。如美国2000年搭建了目前世界上的制造能力交易平台MFG.COM，致力于为全球制造业伙伴搭建更加快捷高效的交易平台。美国越野赛车制造厂Local-Motors.com通过众包的方式，将车的全部个性化设计与制造过程众包给社区，仅用18个月的时间，就在干洗店大小的微型工厂里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。