4.4 云制造

云計算是將服務器的計算資源池化后儲存起來，再根據用戶的需求，封裝成指定條件的實例來對外提供服務。如果我們將其與制造業結合起來，把各個工廠中的生產資源存儲起來，針對不同的產品形成自適應產線也不失為一種新的思路。

4.4.1 云制造概述

云制造是集成了先進的信息通信技術、高端制造技術及物聯網技術等的新型范式，是“制造即服務”理念的直接體現。云制造模式將工業化流程與信息化技術進行深度融合，促進制造業向智能化、網絡化、智能化方向發展。

云制造的核心是智能制造，是制造業發展到一定程度的體現。云制造不僅僅包括智能制造，還是一種大制造的思想，其目標是從制造業開始，向外擴展到應用、服務等其他領域。因此云制造是比智能制造更加寬廣的概念。

云制造以減少制造資源的浪費為根本目標，利用云計算和信息技術的思想來實現制造資源的高度共享；建立共享制造資源的公共服務平臺，連接海量社會制造資源池，對外提供各種類型的制造服務，實現制造資源與服務的開放協作和社會資源的高度共享。在理想情況下，云制造將實現對產品設計、制造、供應、售后等全生命周期的相關資源的整合，提供標準、規范、可共享的制造服務模式。該制造模式使得用戶像用水、電、煤氣一樣簡單方便地使用各種制造服務。

4.4.2 云制造的層次結構

本節參考了云計算的層次結構，將云制造也分成了三個層次。制造資源層對應IaaS，分為虛擬資源層和物理資源層。公共服務層對應PaaS，分為應用接口層、核心業務層和服務組件層。平臺應用層對應SaaS。圖4-8所示為云制造體系架構的示意圖。

1）制造資源層

制造資源問題是云制造的首要問題。在現實世界中，不同功能、不同種類制造資源的分布是不均勻且混亂的。如果需要將生產資源集中起來，那么制定能夠適用于所有資源的統一化管理標準也是其中的關鍵問題。制造資源層負責將分散的制造資源集成到整個平臺中，并且為廣泛的個性化制造任務提供服務資源支持。

一般來說，根據資源的軟硬件屬性，將制造資源層劃分為物理資源層和虛擬資源層兩種形式，以便對制造資源進行統一的規范化管理。將這些制造資源進行服務化封裝，使其變為一種具備完成某種任務的制造服務，最終轉化為制造云服務集成到云制造資源池中，以便為廣泛的個性化用戶需求提供合適的生產服務。

物理資源層包括整個制造周期中所需要的全部資源。這些制造資源以物理制造資源和制造能力兩種形式存在。物理制造資源主要指產品設計、生產過程中需要的所有軟硬件資源。硬件資源包括生產任務所需的各種物料、生產設備（如數控機床、機械手）、檢測設備、服務器及其他計算機設備等；軟件資源包括各種仿真軟件、分析工具、專業技能、數據、標準、人力資源等。制造能力是一種動態多變、表征能力的資源，它表示某個企業或組織完成某種特定任務的能力。比如：產品設計能力、生產制造能力、質量把控能力、模擬仿真能力、設備維護能力等。

在云制造體系架構中，物理資源層處于最后一層。云制造的意義就是將分散于不同地理位置的異構異能制造資源以統一化標準集成到云平臺上，用于對廣泛用戶參與的個性化任務需求提供合適的生產服務。為使得海量制造資源能夠實現按需分配，那么就必須將制造資源進行虛擬化封裝，使得實體資源成為一個個具有特定功能的生產服務，能夠實現任務與資源的語義匹配，最終完成供需高效對接。

虛擬資源層本質上是對物理資源的服務化封裝，主要包括制造資源標識、制造資源虛擬化和制造資源封裝成云服務三個部分。

（1）制造資源標識。

制造資源標識是指將分布于不同地理位置的海量異構異能制造資源，接入到云平臺中進行統一化管理。在制造資源標識中必須要對其進行身份信息的唯一性標識。目前身份標識技術主要包括智能網關、RFID（射頻識別技術）、條形碼技術、二維碼技術、邊緣計算、北斗衛星定位、適配器技術等。

（2）制造資源虛擬化。

制造資源虛擬化是將實體資源的功能特性從其底層物理資源中抽象出來，其質量對云平臺基礎設施的健壯性具有直接影響，也將影響供需匹配效率。云平臺將依據制造資源的功能屬性采用不同的服務化封裝方法進行虛擬化。其中，計算資源與經驗性知識可借鑒云計算資源類似的方式進行虛擬化。硬件資源通常被映射成獨立于系統的虛擬機，同時使用虛擬機監控器和管理器與下層的低級設備進行通信、協調并進行虛擬機的分配。

Agent建模技術也是一種有效的虛擬化工具。在分布式系統領域，通常將持續產生作用的、具有自主性、交互性、反應性、主動性的計算實體稱為Agent。在生產過程中，可以通過直接對Agent下達控制指令從而實現具體的生產操作。

（3）制造資源封裝成云服務。

制造資源封裝成云服務是指使用資源描述協議和服務形式化描述語言將制造資源封裝成生產服務。其中可能涉及多種本體語言，如可擴展標記語言（XML）、簡單HTML本體擴展SHOE（Simple HTML Ontology Extension）和OWL（Web Ontology Language）等。由于制造資源功能各異，云制造資源的描述模型差別巨大，因此在虛擬資源層要對制造資源進行統一化封裝和管理，最終以制造服務的形式提供給制造資源需求者。

2）公共服務層

公共服務層是云制造體系架構的核心部分，主要功能包括：提供資源接入與資源相關的海量數據存儲管理，形成云端化制造資源池；向平臺應用層提供不同制造服務的調用接口；對于整個平臺而言，采用一系列的基礎保障措施來保證平臺的正常運轉，對平臺的運行提供核心的運營支持。綜上，可將公共服務層分為三個層次：服務組件層、核心業務層、應用接口層。

（1）服務組件層。

服務組件層是對制造資源層提供各種服務化封裝方法，以組件形式對其進行管理。在這一層中，所有服務都將被視為一個組件，這些組件不僅包括單個制造任務的服務，還包括對制造任務包進行協同加工，形成符合某種業務邏輯的服務組合。組件化方式為各種云制造服務提供了統一化調用接口與集約化管理方法，實現了制造服務的動態部署，以及靈活的組織形式。起到了承上啟下的作用，將下層封裝好的服務進行注冊，同時為核心業務層提供服務接口，輔助公共服務層進行服務。

（2）核心業務層。

核心業務層是云制造平臺的核心部分，為平臺運行提供綜合性的支持和管理。云平臺最基礎的核心業務就是面向用戶提出的任務需求快速生成服務方案，主要包括制造任務分解聚合、供需高效匹配和服務組合優化。對于制造資源提供方，提供制造資源功能測試、服務共享和設備維護等功能支持；對于制造資源需求方，提供制造任務的分解聚合、供需匹配及服務組合優選等功能支持；對于云平臺運營管理方，主要提供運營管理和大部分基礎管理功能，如用戶數據方面、數據安全方面及運營監控等方面。

（3）應用接口層。

應用接口層也是承上啟下的一層。從下層來說，可以通過調用核心業務層已經封裝好的服務，來實現由于需求不同而產生的不同的應用要求。從上層來說，將不同的應用要求進行封裝并暴露出接口供給平臺應用層使用。因為云制造平臺屬于開放性的平臺，因此為了能夠支持不同地域、不同領域的用戶使用，將對外暴露的接口進行標準化是應用接口層所面臨的重要問題。除了提供通用接口外，還可以利用更加專業的知識，為特定的企業提供特制的應用接口，以滿足特定的應用需求。

3）平臺應用層

平臺應用層為制造資源需求方提供一系列操作管理的界面，包括用戶端或者計算機終端的工具，以及云制造系統為用戶提供的各種應用，可視為云制造中的SaaS。相比于公共服務層，平臺應用層具有更強的專業性，為專業化的企業直接提供可以使用的應用系統，如為設計分析人員提供專門的建模工具、分析工具和仿真工具等。同時，平臺應用層也會提供適合應用開發的工具包，用戶可以憑借開源的工具包對已有的部分服務進行特殊改良，或自主構建特定應用，使之更契合自己的要求。