云制造中的关键技术分析

收稿日期：2010-11-05 基金项目：国家自然科学基金项目 (60704027、61033005)；国家863计划项目 (2009AA04Z120)；工信部财 [2009] 453。 作者简介：李伟平（1973－），男，教授，博士，研究方向为服务计算、云制造。
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4) 云制造资源调度：对于云制造中的能力资 源的使用调度室一个关键问题。由于云制造环境 下涉及的资源种类所、数量多，尤其是不同类型 企业之间的交互多，因此需要提高制造资源利用
云制造中的关键技术分析
The technologies in cloud manufacturing 李伟平，林慧苹，莫 同，褚伟杰
LI Wei-ping, LIN Hui-ping, MO Tong, CHU Wei-jie
（北京大学 软件与微电子学院，北京 100871） 摘 要： 我国正在大力发展现代服务业，制造服务是现代服务业中的重要组成部分，而云制造是实
狭义的云指提供计算机处理能力服务的资源 网络，云中的资源在使用者看来是可以无限扩展 的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展， 按使用付费。广义的云可以是 IT 和软件、互联网 相关的，也可以是任意其他的服务，就好比是从 古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模 式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行 流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低 廉。云计算的特点包括：1) 超大规模；2) 虚拟化； 3）高可靠性；4）通用性；5) 高可扩展性；6）按需 服务等。
制造资源 云化管理
云服务调度 云服务运行 与组合管理 与监控管理
资源提供 者管理
服务使用 者管理
设备资源 软件资源 人力资源 无形资源 技术资源
资源提供者
图1 云制造体系架构
可以进行统一描述，然后加入的云制造环 境中，在平台上注册供服务使用者查询和 使用。本文借用 Web 服务的描述方法，采 用类似于 WSDL 的形式对资源进行描述。 为此定义了一个 Schema，说明对资源的 功能、技术指标、质量、能力等的描述方 法。下面以一个实例对 schema 进行说明。 如图 2 所示，该实例是对一个车床的描述， 以其加工齿轮为例，定义了服务提供者信 息、成本、质量、技术参数、生产能力等 数据，并描述了其中获取成本、质量评估 两个功能。
综合上述专家学者的论述，我们认为云制造 是一种以规范化和通用化的行业标准为基础，以 互联网和物联网为支撑环境，以满足顾客个性化 产品需求和提高加盟制造商利润为目标，具有智 能化、绿色化、低消耗、高可靠性、高可伸缩性 的现代制造模式。
2 云制造
参与云制造的角色包括三大类，即 1）服务使 用者，如投资人，设计方，制造方，2）云资源的 提供者，他们提供各种制造资源及制造相关服务 能力，通过云化技术，把资源转变为可以云服务 形式使用的制造云服务；3) 制造云服务的支持平 台的提供商，用来支持制造云的运行和管理。本 节分析云制造的体系结构、资源描述方法及关键 技术。
3) 供应链优化：云制造环境下各个参与方 （包括制造服务提供者和使用者）之间将形成一个 虚拟的供应链。这个大的供应链通常是以服务的 使用者为中心形成的，对这个供应链的优化需要 对包括采购、销售、物流、生产计划与调度在内 的各个环节进行整体优化。
生产计划：云制造的服务提供者中，提供加 工、制造能力的服务提供者，通常是传统的工厂、 车间或者单独的云制造单元，需要对所接单独进 行统一的计划管理，以调配资源，提高资源的利 用率和效率。此种情况下的生产计划比传统的生 产计划要求更高。因为云制造情况下的生产属于 按照订单进行生产，通常订单是不确定的，对生 产计划提出了更高的要求。
资源，例如各种加工设备等；2）软件资源，如产 品设计、仿真、加工过程中涉及的设计专业软件、 仿 真 软 件 和 控 制 软 件 等；3）人 力 资 源、 无 形 资 源、技术资源。在目前的云计算市场中，通常是 有实力的公司投以巨资，形成自己的云能力。例 如：Amazon 提供海量存储和计算云服务，google 提供海量文件存储能力等等。而在云制造中，资 源功能更多样性，成本更高，因此，制造云很难 由一家或者少数几家企业来完成，必须有更广泛 的企业参与形成云制造能力，资源的分散程度更 高，管理复杂程度更高，一方面，需要有灵活的 制造资源服务化描述手段，使得各种制造资源能 够以服务的形式注册、发布到云制造平台上；另 一方面，也需要有适合的资源服务搜索和组合技 术，使得用户能够随需而变，灵活的使用制造服 务。因此，云制造对云服务的运行支撑平台提出 了更高的要求。
中国航天科技集团公司总工程师杨海成认为 “云制造是先进的信息技术，制造技术以及新兴物 联网技术等交叉融合的产品，是制造即服务理念 的体现”[2]。科技部高新司先进制造及自动化处周 平处长提出云制造的核心就是如何盘活制造资源 的存量 [4]。
国家“863 计划”先进制造技术领域专家组组 长王田苗认为云制造可以分为由低到高两个层次 实现：低层次是提供相对功能明确、价格低廉的 产品、设备的制造平台。高层次是根据顾客的设 计或加工需求，整合制造资源，帮助客户完成相 关产品的设计、加工、制造和配送，提供一整套 加工制造的服务平台 [5]。
本文讨论了云制造的概念，给出云制造的体 系结构，给出了制造资源的描述方法，并分析了 云制造中的关键技术问题，为云制造的发展进行 了积极探索。
1 云制造的概念
随着云计算的发展，人们认识到这种新的计 算模式的重要性。云计算是基于网络的计算模式， 共享的资源、软件和信息根据需要提供给需要的 计算机，就像电力网一样 [1]。云计算是指通过网 络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种 服务可以是 IT 和软件、互联网相关的，也可以是 任意其他的服务，它具有超大规模、虚拟化、可 靠安全等特点。这种信息资源（软硬件）虚拟化、 集中优化使用的方式给制造业中的资源共享提供 了一个很好的借鉴。云制造的提出借鉴了云计算 的概念，通常是面向区域、行业或企业，借助先 进 的 信 息 技 术， 实 现 对 产 品 开 发、 生 产、 销 售、 使用等全生命周期的相关资源的整合，提供标准、 规范、可共享的制造服务的制造模式 [2]。它是先进 的信息技术、制造技术以及新兴物联网技术等交
2.1 云制造的体系结构 云制造体系结构从下至上分为三层，分别是：
资源层、制造云运行支撑平台和服务层，具体如 图 1 所示。
资源层：云制造中的制造资源包括：1) 设备
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服务层
设计服务 制造服务 供应链服务 营销服务 销售服务
制造云 运行支撑
平台
资源层
1.2 云制造 随 着 制 造 业 的 标 准 化 和 通 用 性 程 度 的 提 高，
现代制造中的产品已经由单一厂商独立完成转变 为由多家制造厂商分部件或分工序共同协作完成， 这些制造厂商共同形成一个完整产品的供应链或 敏捷制造工厂。
随着产品信息化、虚拟化程度的提高以及网 络的大量应用，制造商的各种制造能力可以满足 多个供应链的多个环节，供应链中的一个环节也 有多家可选制造商。制造商不再局限于提供产品 或零部件，而是转为提供制造能力。提供给顾客 的 产 品 则 是 通 过 整 合 多 个 制 造 商 能 力 生 产 而 成。 制造商的制造能力通过网络的集成形成了制造云。 制造模式由供应链转变成云制造。
0 引言
目前我国是制造大国，但要成为制造强国还 需要不断的发展和努力。制造业存在着资源消耗 高、环境污染大等特点，因此如何实现可持续发 展成为制造业的一个重要问题。随着我国大力发 展现代服务业的进程，制造业如何向服务业转化， 提高制造业中服务的比例，提供制造服务，已经 成为一个重要课题。现代制造业作为一个整体产 业链条，包含了研发、生产、品牌、营销、物流、 金融、网络、文化、客户管理等等诸多方面，是 一个整合了很多元素的整体。其中生产只占一小 部分比例，制造服务包括了除生产以外的各个环 节。制造服务是现代服务的一部分，一方面，通 过提供现代制造服务，可以增加制造业中服务的 比例，合理分配和使用资源，降低能源消耗，实 现绿色制造。另一方面，从制造企业自身的发展 来看，由于产品在成本、技术、功能与质量方面 已经达到竞争的极限，因此只有选择采用服务策 略，才能达到提供差异化产品的目的。就价值链 分析来看，产品生产过程创造的价值远不如在服 务阶段所创造的价值，因此制造业向服务业转化 有利于获取更多利润。提供制造服务有助于制造 业企业的发展，可见发展制造服务符合我国大力 发展现代服务业的发展方向。
制造云运行支撑平台：主要提供以下功能：1) 提供各种资源的云化技术，包括资源的服务化描 述、服务化封装、服务注册与发布等；2）提供云 服务的调度与组合管理，由于云服务往往由不同 服务提供者提供，且用户的需求往往需要多个服 务组合完成，因此，该平台需要提供面向需求的 云服务调度、优化和组合支持；3）云服务的运行 与监控管理，以可视化的形式监控服务运行质量。
虽 然 云 制 造 已 成 为 现 代 制 造 业 的 发 展 趋 势， 但其内涵仍在不断发展之中，目前尚缺乏一种规
范、标准的定义。 李伯虎院士认为云制造是一种面向服务的高
效、低耗，基于知识的网络化的新制造模式，融 合现在信息化制造技术、云技术、物联网等技术， 把各类制造之间和制造能力集虚拟化、服务化并 且进行统一的集中的智能化管理，从而通过网络 和一个云制造平台中间件，将制造全生命周期的 前期、中期、后期提供给用户，提供随时获取按 需使用的优质廉价的服务 [3]。
持下，提供制造云运行支撑平台，该平台提供云 制造各个参与方所需要的计算环境。各种用户根 据自己的角色注册、登录到云制造运。
2) 营支撑平台中，寻找需要的资源并进行使 用，通过相互协同完成一次制造过程。各个云制 造能力提供者需要将自己的系统集成到云制造平 台中，供服务使用者使用。此时，各个合作方有 可 能 进 行 信 息 系 统 的 集 成， 在 云 计 算 的 支 持 下， 实现平台中各个系统的高效集成运行。