基于云制造的智能制造模式.docx

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基于云制造的智能制造模式

基于云制造的智能制造模式

一种智能制造的模式与手段

本文基于笔者团队对云制造的技术研究与应用实践，首先，简析我国制造业面临的挑战、对策，进而提出云制造1.0与云制造2.0（智慧云制造）的内涵及基于云制造模式、手段构成的云制造系统（制造云）的概念模型、系统体系结构、技术体系、典型技术特征；论述云制造2.0是“互联网+”世界的一种制造新模式、新手段、新业态及其在促进企业创新驱动和转型升级方面的优势；是云计算在制造领域的落地与拓展；是实施“中国制造2025”和制造领域的“互联网+”行动计划的一种智慧制造的新模式和新手段。

简介云制造技术、应用与产业的国内外现状，并给出本团队在云制造技术研究方面的主要成果索引及本团队在航天云网上实施集团企业及智慧城市中小企业群实云制造的案例。

最后，提出云制造进一步研究与实施中值得关注的几个问题。

一、引言

当前，制造业正面临全球新技术革命和产业变革的挑战，特别是新一代信息通信技术快速发展并与制造业的深度融合，正引发制造业制造模式、制造流程、制造手段、生态系统等的重大变革。

在国外，德国在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式提出“工业4.0”战略，认为“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命。

美国GE公司率先提出工业互联网的概念，倡导将智能设备、智能网络和智能决策与传统的机器、机组深度融合，促进生产力的极大提升。

在国内，2015年李克强总理的政府报告中已明确提出了“中国制造2025”战略规划和“互联网+”行动计划。

⏹⏹“中国制造2025”战略规划[1]

“中国制造2025”提出用三个10年分“三步走”的制造强国战略，第一个10年（2025年）的目标是基本实现工业化、迈进制造强国的行列。

其指导思想是，创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本；战略路线是，坚持走中国特色新型工业化道路，以创新发展为主题，以促进制造业提高质量增加效益为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向。

为了实现中国制造由大变强，“中国制造2025”进一步提出9项任务、10个重点发展领域和五项重大工程。

⏹⏹“互联网+”行动计划[2]

在2015年7月国务院发布的《“互联网+”行动计划指导意见》中提出“互联网+”是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合，推动技术进步、效率提升和组织变革，提升实体经济创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新形态。

其总体发展思路是，顺应世界“互联网+”发展趋势，充分发挥我国互联网的规模优势和应用优势，推动互联网由消费领域向生产领域拓展，加速提升产业发展水平，增强各行业创新能力，构筑经济社会发展新优势和新动能。

“互联网+”行动计划提出了“互联网+”创新创业、“互联网+”协同制造等11个方面的重点行动。

笔者认为，一个以“泛在互联、数据驱动、共享服务、跨界融合、自主智慧、万众创新”为特征的崭新的“互联网+”世界正在形成。

“互联网+”的核心技术是以互联网为平台，以云计算、物联网、移动互联网、大数据等为代表的新一代信息技术、智能科学技术以及各应用领域专业技术等技术深度融合的一种综合性技术。

国家大力倡导的“互联网+”行动计划，本质上

是以“互联网+”核心技术相关的设施和实现工具为基础，对国民经济、国家安全、社会民生等各领域中的人、机、物、环境、信息自主智能地感知、分析、决策、执行，使各领域技术与“互联网+”技术深度融合后产生化学反应、放大效应，发展形成各领域的新模式、新流程、新技术、新手段、新生态系统，进而大力提升国民经济，国家安全、社会民生的创新能力和竞争能力。

笔者团队自20世纪80年代即介入制造业信息化研究与应用工作，综观国内外制造领域有关技术与应用的现状与发展，并基于我国制造业信息化技术与应用的成果，于2009年提出了“云制造”的理念、模式、技术手段和

业态[3~6]，并开始了云制造1.0的研究与实践。

经过近几年的实践，随着有关技术的发展，特别是大数据、云计算、仿真、移动互联网、高性能计算、网络安全、智能终端等新兴信息技术的智慧化和3D打印、智能化机器人、智能制造装备等新兴制造技术的智慧化快速发展，它们为加强云制造的智慧化提供了技术支撑，因此，本团队于2012年进一步提出并开始了“智慧云制造”（云制造2.0）的研究与探索，它在制造模式、技术手段、支撑技术、应用等方面进一步发展了云制造1.0。

它是“互联网+”世界的一种智慧制造模式与手段；是实施“中国制造2025”和制造领域的“互联网+”行动计划的一种智造模式和手段[7]。

二、云制造1.0简介[3～6]

⏹⏹云制造1.0内涵

云制造是一种基于网络（互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带网等）的、面向服务的智慧化制造新模式。

它融合与发展了现有信息化制造

（信息化设计、生产、实验、仿真、管理、集成）技术及云计算、物联网、面向服务、智能科学、高效能（性能）计算、大数据等新兴信息技术，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的服务云池，并进行协调的优化管理和经营，使用户通过终端和网络就能随时按需获取制造资源与能力服务，进而智慧地完成其制造全生命周期的各类活动。

1.云制造的服务对象

云制造的服务对象包含两类用户，一类是制造企业用户，一类是制造产品用户。

他们可以在制造云池中获取及提供制造资源/能力服务。

2.云制造的服务内容

按照制造产品全生命周期，云制造的服务内容可以分为论证为服务

（AaaS）、设计为服务（DaaS）、仿真为服务（SaaS）、生产加工为服务（FaaS）、实验为服务（EaaS）、经营管理为服务（MaaS）、运营为服务（OpaaS）、维修为服务（ReaaS）、集成为服务（InaaS）等。

3.云制造的新模式和新手段

以“生产”加“服务”型为主导的“网络化、服务化”是云制造的新模式。

制造资源和能力“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、智能化”

是云制造的新手段（见图4-1）。

图4-1云制造1.0的新模式和新手段示意图

⏹⏹云制造1.0系统概念模型

按云制造1.0模式和手段构建的制造系统称为云制造1.0系统。

它的概

念模型如图4-2所示。

图4-2云制造1.0系统概念模型

它可以抽象为“一个核心支持”、“两个过程”、“三大组成部分”和“三类角色”。

其中，“三类角色”指制造服务提供者、云制造运营者、制造服务使用者；“三大组成部分”指制造资源和制造能力、制造服务云池、制造过程全生命周期应用；“两个过程”指制造资源和制造能力的“数字化”、“物联化”、“虚拟化”的接入过程以及“服务化”制造资源和制造能力的接出以及“协同化”的过程；“一个核心支持”指云制造1.0系统中累积的多学科专业的领域知识和专家的智慧。

⏹⏹云制造1.0系统体系结构

图4-3是一个通用性的云制造1.0系统体系架构，由资源/能力层、云制

造平台层（感知/接入层、虚拟资源/能力层、核心功能层、用户界面层）和服务应用层及云制造标准规范、安全管理等组成。

图4-3云制造1.0系统体系结构

资源/能力层：

体现了云制造“数字化”的技术特征，整合了经过数字化的制造资源和制造能力，包括高性能IT基础资源、大型仿真试验设备、高端数字化生产线等“硬”制造资源，各类企业信息系统、（大）制造工具软件、集成应用平台、库管理系统、模型、数据、知识等“软”制造资源以及产品全生命周期各类制造能力。

感知/接入层：

体现了云制造“物联化”的技术特征，主要支持各类资源

/能力的感知与接入、网络传输、信息融合与处理。

虚拟资源/能力层：

体现了云制造“虚拟化”的技术特征，包括对制造资源/能力进行虚拟化封装与规范化描述，将物理的资源/能力映射成逻辑的资源/能力，形成虚拟化制造资源/能力池。

核心功能层：

体现了云制造“服务化”、“协同化”、“智能化”的技术特征。

提供平台中间件支撑，包括虚拟资源/能力管理、知识/模型/数据管理、系统构建管理、系统运行管理、系统服务评估等中间件；在中间件接口支持下，提供应用支撑服务，包括用户管理、资源/能力交易、运行监控、计费收费等多种应用支撑服务。

用户界面层：

体现了云制造“智能化”的技术特征，包括可以普适化地支持各类终端交互设备（提供云服务以及云加端服务两类使用方式），可以实现用户使用环境的个性化定制，总体来说针对服务提供者、平台运营者以及服务使用者三类用户（参见云制造1.0系统概念模型）分别提供相应的门户界面。

服务应用层：

提供支持多主体（租户）独立完成某阶段制造、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，支持制造企业用户、制造产品用户两类用户，开展从论证、设计、仿真、生产到运营、维修等产品全生命周期的“大制造”任务。

另外，标准规范、安全体系建设是支持云制造1.0系统可靠、高效运行的基本保障，贯穿整个系统的各个层次。

目前，笔者团队已经研究提出了《云制造术语》的标准草案报国家标准管理委员会批准。

三、智慧云制造（云制造2.0）概论[7]

⏹⏹智慧云制造定义

智慧云制造是一种基于泛在网络，以用户为中心，人机融合，互联化、服务化、个性化（定制化）、柔性化的智慧制造新模式和新手段。

具体地讲，它基于泛在网络，以用户为中心，借助新兴制造技术、新兴信息技术、智能科学技术及制造应用领域技术等4类技术深度融合的数字化、网络化、智能化技术手段，将智慧制造资源与能力构成智慧服务云（网），使用户通过智慧终端及智慧云制造服务平台便能随时随地按需获取智慧制造资源与能力,对制造全系统、全生命周期活动（产业链）中的人、机、物、环境、信息进行自主智慧地感知、互联、协同、学习、分析、预测、决策、控制与执行，使制造全系统及全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术/设备（三要素）及信息流、物流、资金流、知识流、服务流（五流）集成优化；进而高效、优质、低耗、柔性地制造产品和服务于用户，提高企业（或集团）的市场竞争能力。

上述“智慧云制造”定义给出下列内容：

智慧云制造模式：

用户为中心、人机融合，互联化、个性化、服务化、柔性化的智慧制造新模式；

智慧云制造技术手段：

基于泛在网，借助新兴制造科学技术、新兴信息科学技术、智能科学技术及制造应用领域的技术等深度融合的数字化、网络

化（互联化）、智能化技术手段，将智慧制造资源与能力构成用户能随时随地按需获取的智慧服务云（网）；

智慧云制造特征：

制造全系统及全生命周期活动中人、机、物、环境、信息自主智慧地感知、互联、协同、学习、分析、预测、决策、控制与执行；

智慧云制造的实施内容：

借助上述技术手段，使制造全系统及全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术/设备（三要素）及信息流、物流、资

金流、知识流、服务流（五流）集成优化；

智慧云制造目标：

高效、优质、低耗、柔性地制造产品和服务用户，提高企业（或集团）的市场竞争能力。

笔者团队认为，“智慧云制造”的“智慧”体现在，其中的制造资源、制造能力、制造云平台及制造云的构成、运行、评估等方面都具有制造的智慧特征。

另外，“智慧云制造”在制造模式、手段和支撑技术（智慧化的信息技术和智慧化的制造技术）方面也都体现了智慧特征。

这里的“智慧”强调了：

创新驱动；以人（用户）为中心的人机深度融合；数字化、网络化（互联化）、智能化的深度融合；工业化与信息化的深度融合；智慧地运营制造全系统和制造全生命周期活动中的人、机、物、环境与信息等方面的内容。

⏹⏹智慧云制造系统概念模型

智慧云制造系统是按智慧云制造模式和手段构建的制造系统（智慧制造云）。

它涉及的范围可以是制造单元（生产线）、制造车间、制造工厂（企业）、城市、区域、产业（行业）等，在这些范围内均可以构建智慧云制造系统。

智慧云制造系统的概念模型如图4-4所示，相比于云制造1.0，同样也抽象为“一个核心支持”、“两个过程”、“三大部分”和“三类人员”。

只是更加强调智慧制造（软、硬）资源/制造能力以及制造全生命周期智慧应用。

图4-4智慧云制造系统（智慧制造云）概念模型

⏹⏹智慧云制造系统体系结构

智慧云制造系统实质是一种基于泛在网络及其组合的、人/机/物/环境/信息深度融合的、提供智慧制造资源与智慧能力随时随地按需服务的智慧制造服务互联系统。

它就是一种“互联网（云）+制造资源与能力”的智慧制造系统。

它的体系结构如图4-5所示。

图4-5智慧云制造系统（智慧制造云）体系结构

智慧资源/智慧能力层：

制造资源和制造能力具有自主、半自主的感知、决策与执行能力，体现出智慧的特征，如智能机床、智能机器人、智能库管理系统、模型、数据/大数据、知识等。

智慧感知/接入/通信层：

主要支持各类智慧资源/能力的感知与接入、网络传输以及智慧信息融合与处理。

智慧虚拟资源/能力层：

对智慧制造资源/能力进行虚拟化封装与规范化描述，将物理的资源/能力映射成逻辑的资源/能力，形成虚拟化智慧制造资源/能力池。

智慧核心支撑功能层：

较图4-3中的云制造1.0系统，在基础中间件中增加了大数据处理器/引擎、移动互联网适配器、嵌入式仿真引擎等新智能模块。

在应用支撑服务中根据应用业务进行了拓展与细化，包括智慧云设计、智慧云仿真、智慧云采购、智慧云生产、智慧云试验、智慧云营销、智慧云服务、智慧云管理等。

智慧用户界面层：

针对服务提供者、平台运营者以及服务使用者三类用户，可以普适化地支持各类智慧终端交互设备（提供云服务以及云加端服务两类使用方式），可以实现用户使用环境的个性化定制。

智慧云服务应用层：

增加了人/组织层，以突出人/组织的作用。

支持制造全系统及全生命周期活动中人、机、物、环境、信息自主智慧地感知、互联、协同、学习、分析、预测、决策、控制与执行。

值得注意的是，指出智慧云制造系统的实施范围可以是区域、行业乃至跨行业的层次，也可以是工厂、企业的层次，还可以是制造单元、车间的层次，见图4-6～图4-8。

图4-6智慧制造行业云示意图

图4-7智慧制造企业（工厂）云示意图

图4-8智慧制造车间云示意图

⏹⏹智慧云制造系统的技术体系

智慧云制造技术体系包含八大类关键技术（见图4-9），是实现智慧云制造所需关键技术的集合，它为智慧云制造的研究与实施指明了方向。

图4-9智慧云制造系统技术体系

针对构建智慧云制造系统，智慧云制造软件技术体系包括智慧云制造的系统软件技术、平台软件技术以及应用软件技术（见图4-10）。

图4-10智慧云制造软件技术体系

⏹⏹智慧云制造系统的技术特征

智慧云制造系统具有“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、定制化、柔性化、智能化”等综合体现为“智慧化”的技术特征。

此“八化”技术手段相互联系、层层递进，是智慧云制造系统区分于其他各种制造系统的重要标志。

1.数字化

智慧云制造系统中的“数字化”是指，

（1）将制造资源和能力的属性及静/动态行为等信息转变为数字、数据、模型，以进行统一分析、规划和重组处理；

（2）制造资源和能力与数字化技术融合形成能用数字化技术控制/监控/管理的智慧制造资源和能力，如数控机床、机器人（“硬”制造资源），计算机辅助设计软件、管理软件（“软”制造资源）等资源和人力/知识、组织、业绩、信誉、资源等能力（见图4-11）。

图4-11“数字化”技术手段示意图

2.物联化

智慧云制造系统融合了物联网、信息物理融合系统（CPS）等最新信

息技术，实现“软”、“硬”智慧制造资源和制造能力的全系统、全生命周期、全方位的透彻的接入和感知，尤其是要关注“硬”制造资源以及能力的接入和感知，以支持制造全生命周期活动中人/组织、管理和技术的集成与优化。

如图4-12所示，在智慧云制造模式下，各种“软”、“硬”智慧制造资源能够通过各种适配器、传感器、条形码、无线射频识别（RFID）、摄像头等，实现状态自动或半自动感知，并借助3G/4G网络、卫星网、有线网和互联网等各种网络传输信息，以进一步服务于智慧云制造的业务执行过程。

3.虚拟化

智慧云制造系统中的“虚拟化”源于计算领域的“虚拟化”思想和技术，这也是当前云计算的核心特征和技术。

制造资源和制造能力的虚拟化是指为制造资源和制造能力提供逻辑和抽象的表示与管理，它不受各种具体物理限制的约束。

“虚拟化”还为制造资源和制造能力提供标准接口来接收输入和提供输出。

“虚拟化”的对象可分为制造系统中涉及的制造硬设备、网络、软件、应用系统和制造能力等。

图4-12“物联化”技术手段示意图

如图4-13所示，在智慧云制造系统中，用户面对的是虚拟化的制造环境，它降低了使用者与制造资源和制造能力具体实现之间的耦合程度。

通过“虚拟化”技术，一个物理的制造资源和制造能力可以构成多个相互隔离的、封装好的“虚拟器件”，多个物理制造资源和制造能力也可以组合形成一个粒度更大的“虚拟器件”组织，并在需要时实现虚拟化制造资源和制造能力的实时迁移与动态调度。

“虚拟化”技术可以简化制造资源和制造能力的表示和访问，并进行统一优化管理，它是实现制造资源和制造能力服务化与协同化的关键技术基础。

图4-13“虚拟化”技术手段示意图

4.服务化

智慧云制造系统中汇集了大规模的制造资源和制造能力。

“服务化”是进一步对虚拟化的制造资源和制造能力进行封装和组合，形成制造过程全生命周期按需可用的智慧云制造服务（具体服务模式如批作业、虚拟交互等）。

每个智慧云制造服务会与某个虚拟化的制造资源和制造能力相对应，而它们与物理制造资源和制造能力存在多种映射关系（见图4-14）。

智慧云制造服务其实具有多种的服务形态。

和云计算比较类似，包括基础设施即服务的形态、平台即服务的形态、应用服务直接使用的形态。

对于制造任务而言，需求的智慧云制造服务种类多，往往各种服务形态都有。

比如说，在产品研发阶段，既需要高性能IT基础资源服务、大型工具软件的许可证服务等基础设施类形态的服务，又需要协同仿真平台等平台类形态服务，还需要在线设计分析服务等直接使用形态的应用服务。

图4-14“服务化”技术手段示意图

5.协同化

协同是先进制造模式的典型特征，特别是对复杂产品的制造而言尤为重要。

为了完成某一制造任务，由分别负责各个相互关联子任务的两个或两个以上用户（通常跨主体单位或者学科专业），通过一定的信息共享和交互机制，进行合作（相互提供服务支持）和状态同步，从而在任务执行过程中满足子任务之间的时空一致紧耦合或者业务流程松耦合需求，实现制造产品全生命周期多主体用户的单阶段协同和跨阶段协同。

通过智慧云制造系统的“协同化”技术手段，使得智慧云制造服务能够动态地实现全系统、全生命周期的互联、互通、互操作，以满足用户需求（见图4-15）。

图4-15“协同化”技术手段示意图

单阶段协同：

在产品全生命周期中的设计、仿真、生产、测试、试验等阶段内部，由两个或两个以上跨主体单位或者学科专业的用户，基于智慧云制造服务平台提供的统一环境，分别执行各自的制造子任务，同时按照一定的时序逻辑实现交互和同步，从而高效完成阶段内部复杂的制造任务（见图4-16）。

跨阶段协同：

在跨越制造过程全生命周期中的设计、仿真、生产、测试、试验等两个或多个阶段时，由两个或两个以上跨主体单位或者学科专业的用户，基于智慧云制造服务平台提供的统一环境，分别执行各自的制造子任务，同时按照一定的业务流程实现交互和同步，从而高效完成跨阶段复杂的制造任务（见图4-17）。

图4-16多主体用户单阶段协同示意图

图4-17多主体用户跨阶段协同示意图

6.智能化

智慧云制造系统的另一典型特征是实现全系统、全生命周期和全方位深入的智能化。

知识和智能科学技术是支撑智慧云制造运行的核心，智慧云制造系统在汇集各种智慧制造资源和能力的同时，也汇集了各种知识并构建了跨领域多学科知识库；并且随着智慧云制造系统的持续演化，云中积累的知识规模也在不断扩大。

知识及智能科学技术将为制造生命周期的各环节、各层面提供系统的智能化支持。

如图4-18所示，在智慧云制造模式下，知识及智能科学技术为两个维度的“全生命周期”提供支持。

对于制造全生命周期维度，跨领域、多学科的各类知识得到了统一的建模与表达，并在智慧云制造中得到了有效的存储与管理，可提供制造全生命周期知识的推理、融合、演化及集成等服务，有效辅助决策、设计、仿真、排产、经营。

对于服务全生命周期维度，“智能化”手段可以从语义层面进行更为精准的供需匹配；根据案例提供更可靠的组合方案；基于市场博弈机制支持自动磋商、谈判、定价等交易管理；在执行过程中自动进行优化调度和在线迁移；运用各种评估模型对服务质量进行客观地评估等。

图4-18“智能化”技术手段示意图

7.定制化

通过虚拟化技术、服务计算技术、智能科学技术、物联网技术与制造技术的融合，实现用户能随时随地按需获取智慧制造资源和能力，支持实现其个性化、定制化的制造。

其中，涉及客户个性化需求的获取与创新开发，包括为用户提供专业的工业设计咨询建议，将用户的设计转换成工程设计方案，为用户的创意寻求技术解决方案；服务化、社会化的智能制造与供应链，包括服务化、社会化的生产网络，服务化、社会化的物流网络，服务化、社会化的售后网络等（见图4-19）。

8.柔性化

智慧云制造系统的柔性化是指，通过网络通信技术、物联网技术、智能科学技术与制造技术的融合，支持实现基于泛在网络（包括互联网、移动互联网、物联网、电信网、广电网、卫星网等）的人、机、物互联的柔性化制造活动（见图4-20）。

图4-19智慧云制造定制化示意图

图4-20智慧云制造纵向和横向上柔性化示意图

在纵向上，智慧云制造系统在设备、单元/生产线、车间/工厂层次可以

实现最优化配置和柔性化重组；在横向上，智慧云制造系统可以通过对供应链、销售链、服务链等环节进行跨企业的计划排程和信息流、资金流、物流的综合优化，使得柔性制造从企业内部延伸到产业链上下游。

⏹⏹智慧云制造是云计算在制造领域的落地和拓展

智慧云制造是基于云计算提供的IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）在制造领域的落地和拓展。

它丰富、拓展了云计算的资源共享内容、服务模式和支撑技术（见图4-21）。

图4-21智慧云制造的服务模式、内容与技术基础

1.在资源共享的内容方面的拓展

云计算共享的资源类型主要为IT计算资源（如存储、运算器、软件、数据等），智慧云制造共享的资源类型除IT计算资源外，还包括智慧软制造

资源：

制造过程中的各种模型、（大）数据、软件、信息、知识等；智慧硬制造资源：

（大）智慧制造硬设备如智慧的机床/机器人/加工中心/计算设备/仿真试验设备等；智慧制造能力：

制造过程中有关的论证、设计、生产、仿真、实验、管理、（产品）运营、（产品）维修、集成等专业能力（包括人力

/知识、组织、业绩、信誉、资源、流程和产品等）（见图4-22）。

图4-22智慧云制造与云计算在资源共享内容方面的比较

2.在服务的内容与模式方面的拓展

在服务内容方面，云计算提供了三类服务：

基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）。

智慧云制造对此进行了拓展，使之与制造全生命周期各环节服务相互交叉。

在设计、生产加工、实验、仿真、经营管理等各个服务环节中，当需要计算设备基础设施时，能够提供诸如高性能计算集群、大规