云制造中的关键技术分析

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，而云制造是实现制造服务的一种现代制造模式。本文分析了云制造的内涵，给出了云制造的体系架构，并对其中的制造资源描述、关键技术问题等进行了讨论，对云制造在我国的发展进行了有益的探索。
关键词： 云制造；云计算；制造服务；企业集成
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。云制造是在“制造即服务”理念的基础上，借鉴了云计算思想发展起来的一个新概念。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物。云制造是希望采取包括云计算在内的当代信息技术前沿理念，支持制造业在广泛的网络资源环境下，为产品提供高附加值、低成本和全球化制造的服务。云制造提供了制造业向服务业转换的一种有效途径。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云制造中的关键技术分析叉融合的产物。下面首先分析云计算的特点，然后给出云制造的概念。
1.1  云计算
云计算（Cloud Computing）是在网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术基础上融合发展而成的一种新的互联网技术。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的系统，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先进的商业模式把该系统的强大计算能力提供给终端用户。云计算的一个核心理念就是通过整合分散闲置的计算资源以不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力。
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。
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。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]。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]。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。
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。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。服务层：服务层面向服务使用者提供各种制造服务。典型的服务包括：设计服务，制造服务，供应链服务和营销服务等。
2.2  云制造的服务描述
云制造中的资源包括设计、制造、生产管理、销售、服务、物料等各种能力单元，对制造资源可以进行统一描述，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。
2.3  云制造的关键技术分析
根据云制造的架构，分析其中的关键技术包括以下几个方面：
1)  制造云运行支撑平台：需要在云计算的支持下，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。
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。
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制造资源云化管理云服务调度与组合管理云服务运行与监控管理资源提供者管理服务使用者管理制造服务设计服务供应链服务营销服务销售服务设备资源软件资源人力资源无形资源技术资源服务层资源层制造云运行支撑平台资源提供者。
5)  标准化技术：在制造技术方面，需要设计、工艺、和加工装配的标准化方法和技术，以保证在制造云中各个参与方的制造标准和接口。
6)  保密技术：由于制造云的提供者会在不同的订单中接触不同请求者提供的产品，不同产品的加工工艺存在差异性和保密性，需要建立一种机制来对工艺信息保密，防止非法的扩散和使用。
3  结论
通过云制造可以充分利用全社会的制造资源，可以提高资源的利用率，避免资源浪费。但是如何对云制造中的资源进行有效管理是制约云制造发展的一个关键因素。例如，如何保证订单的持续性，从而避免云制造中具体的能力资源的闲置和浪费。本文分析了云制造的概念和特点，给出了云制造的架构和各个层次，给出了制造资源描述的规范实例。对云制造的关键问题进行了积极的探索。
参考文献：
[1] 王田苗,云制造先从简单处做起[J].中国制造业信息
[2]  杨海成,云制造是一种制造服务[J].中国制造业信息化, 2010(3).
[3]  李伯虎,云制造概论[J].中兴通讯技术, 2010, 16(4).
[4]  侯闯,云制造: 摸不着[J]. 中国制造业信息化, 2010