云制造技术研究

云制造技术

1.云制造概念

云制造是一种面向服务的、高效低耗和基于知识的网络化智能制造新模式，是对现有网络化制造与服务技术进行延伸和变革。它融合现有信息化制造技术及云计算、物联网、语义Web、高性能计算等信息技术，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，实现智能化、多方共赢、普适化和高效的共享和协同，通过网络和云制造系统为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的智慧服务。云制造是一种通过实现制造资源和制造能力的流通从而达到大规模收益、分散资源共享与协同的制造新模式，其运行原理如下图所示。

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。

2.云制造提出的技术基础

云计算作为一种新的服务化计算模式，近年来正在产业界兴起并逐步走向成熟。云计算是一种基于互联网的计算新模式，通过云计算平台把大量的高度虚拟化的计算资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务，通过互联网上异构、自治的服务形式为个人和企业用户提供按需即取的计算服务[9]。云计算的运营模式是由专业计算机和网络公司（即第三方服务运行商）来搭建计算机存储、计算服务中心，把资源虚拟化为“云”后集中存储起来，为用户提供服务。不难推论，若将“制造资源”代以“计算资源”, 云计算的计算模式和运营模式将为制造业信息化走向服务化、高效低耗提供一种可行的新思路。制造资源包括制造全生命周期活动中的各类制造设备（如机床、加工中心、计算设备）及制造过程中的各种模型、数据、软件、领域知识等。为了实现制造资源的虚拟化、优化调度和协同互联，我们还可融合语义Web、嵌入式系统技术、物联网、高效能计算等新技术。语义Web的发展为基于知识的智能计算奠定了基础。嵌入式技术的快速发展为实现终端物理设备智能接入提供了使能技术。物联网技术在RFID、传感器等技术的支持下快速发展，有望促进各类物与物之间的互联。另外，高性能计算机的应用和高性能计算技术的发展为求解复杂的制造问题和开展大规模协同制造也提供了可能。

正是在这样的背景下，“云制造”的理念应运而生，目前国际上仍鲜有研究。因此，当前关于云制造的研究与应用存在着巨大的发展空间，也是未来5-10年我国制造业的突破性发展需要解决的重大课题。

3.云制造技术体系

云制造服务系统的框图如图1所示。

图3云制造服务系统的框图

“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、应用层等。其中，“云制造服务平台”由中间件层、核心服务层、门户层组成。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。中间件层：支持各类资源的虚拟化、服务化、接入、感知、协同的中间件。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。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。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1所示。

构建云制造服务平台涉及的主要关键技术，大致可以分为:

（1）模式、体系架构、标准、规范；

（2）云端化技术；

（3）云服务的综合管理技术；

（4）云制造安全技术；

（5）云制造业务管理模式与技术。

图9给出了云制造涉及的主要关键技术的分类，以及每个技术大类的含义与主要内容。

图9云制造涉及的关键技术

（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。具体包括：①支持多用户的、商业运行的、面向服务的云制造体系架构；②云制造模式下制造资源交易、共享、互操作模式；③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支持参与云制造的云提供端的各类制造资源实现嵌入式云终端封装、接入、调用等技术，以及云请求端接入云平台，并访问和调用云

平台中的云服务等技术。具体包括：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、及虚拟化技术及工具开发；③云请求端用户终端接入、管理技术，即支持云用户使用云服务的技术等；④物联网实现技术等。

（3）云服务综合管理技术主要研究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。具体包括：①云提供端资源和服务的接入管理，包括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CSP和CSD）管理、授权机制等。（4）云制造安全技术主要研究支持如何实施安全的、可靠的云制造技术。具体包括：①云制造终端嵌入式可信硬件；②云制造终端可信接入、发布技术；③云制造可信网络技术；④云制造可信运营技术等；⑤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相关的技术。具体包括①云制造模式下企业业务流程的动态构造、管理与执行技术；

②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；③云制造模式下三方用户（CSD、CSP、运行商）的信用管理机制与实现技术等。

4.云制造服务平台

如下图所示。在云制造平台中，从制造服务的提供和使用角度，将云制造用户分为两大类，即云提供端（云制造服务提供者，cloud service provider, CSP）和云请求端（云制造服务使用者, cloud service demander, CSD）.云提供端主要通过物联网等，向云制造平台提供相应的制造资源和制造能力服务，并通过云端接入技术、资源虚拟化技术、云计算技术等，将云提供端提供的制造资源和服务封装成云制造服务，形成云制造服务中心。云请求端通过向云制造平台提供服务请求，云制造服务平台根据用户提交的任务请求，在服务匹配与搜索、优化调度、智能寻租等中间件的支持下寻找符合用户需求的服务并为CSD提供服务。