4.4 云制造

云计算是将服务器的计算资源池化后储存起来，再根据用户的需求，封装成指定条件的实例来对外提供服务。如果我们将其与制造业结合起来，把各个工厂中的生产资源存储起来，针对不同的产品形成自适应产线也不失为一种新的思路。

4.4.1 云制造概述

云制造是集成了先进的信息通信技术、高端制造技术及物联网技术等的新型范式，是“制造即服务”理念的直接体现。云制造模式将工业化流程与信息化技术进行深度融合，促进制造业向智能化、网络化、智能化方向发展。

云制造的核心是智能制造，是制造业发展到一定程度的体现。云制造不仅仅包括智能制造，还是一种大制造的思想，其目标是从制造业开始，向外扩展到应用、服务等其他领域。因此云制造是比智能制造更加宽广的概念。

云制造以减少制造资源的浪费为根本目标，利用云计算和信息技术的思想来实现制造资源的高度共享；建立共享制造资源的公共服务平台，连接海量社会制造资源池，对外提供各种类型的制造服务，实现制造资源与服务的开放协作和社会资源的高度共享。在理想情况下，云制造将实现对产品设计、制造、供应、售后等全生命周期的相关资源的整合，提供标准、规范、可共享的制造服务模式。该制造模式使得用户像用水、电、煤气一样简单方便地使用各种制造服务。

4.4.2 云制造的层次结构

本节参考了云计算的层次结构，将云制造也分成了三个层次。制造资源层对应IaaS，分为虚拟资源层和物理资源层。公共服务层对应PaaS，分为应用接口层、核心业务层和服务组件层。平台应用层对应SaaS。图4-8所示为云制造体系架构的示意图。

1）制造资源层

制造资源问题是云制造的首要问题。在现实世界中，不同功能、不同种类制造资源的分布是不均匀且混乱的。如果需要将生产资源集中起来，那么制定能够适用于所有资源的统一化管理标准也是其中的关键问题。制造资源层负责将分散的制造资源集成到整个平台中，并且为广泛的个性化制造任务提供服务资源支持。

一般来说，根据资源的软硬件属性，将制造资源层划分为物理资源层和虚拟资源层两种形式，以便对制造资源进行统一的规范化管理。将这些制造资源进行服务化封装，使其变为一种具备完成某种任务的制造服务，最终转化为制造云服务集成到云制造资源池中，以便为广泛的个性化用户需求提供合适的生产服务。

物理资源层包括整个制造周期中所需要的全部资源。这些制造资源以物理制造资源和制造能力两种形式存在。物理制造资源主要指产品设计、生产过程中需要的所有软硬件资源。硬件资源包括生产任务所需的各种物料、生产设备（如数控机床、机械手）、检测设备、服务器及其他计算机设备等；软件资源包括各种仿真软件、分析工具、专业技能、数据、标准、人力资源等。制造能力是一种动态多变、表征能力的资源，它表示某个企业或组织完成某种特定任务的能力。比如：产品设计能力、生产制造能力、质量把控能力、模拟仿真能力、设备维护能力等。

在云制造体系架构中，物理资源层处于最后一层。云制造的意义就是将分散于不同地理位置的异构异能制造资源以统一化标准集成到云平台上，用于对广泛用户参与的个性化任务需求提供合适的生产服务。为使得海量制造资源能够实现按需分配，那么就必须将制造资源进行虚拟化封装，使得实体资源成为一个个具有特定功能的生产服务，能够实现任务与资源的语义匹配，最终完成供需高效对接。

虚拟资源层本质上是对物理资源的服务化封装，主要包括制造资源标识、制造资源虚拟化和制造资源封装成云服务三个部分。

（1）制造资源标识。

制造资源标识是指将分布于不同地理位置的海量异构异能制造资源，接入到云平台中进行统一化管理。在制造资源标识中必须要对其进行身份信息的唯一性标识。目前身份标识技术主要包括智能网关、RFID（射频识别技术）、条形码技术、二维码技术、边缘计算、北斗卫星定位、适配器技术等。

（2）制造资源虚拟化。

制造资源虚拟化是将实体资源的功能特性从其底层物理资源中抽象出来，其质量对云平台基础设施的健壮性具有直接影响，也将影响供需匹配效率。云平台将依据制造资源的功能属性采用不同的服务化封装方法进行虚拟化。其中，计算资源与经验性知识可借鉴云计算资源类似的方式进行虚拟化。硬件资源通常被映射成独立于系统的虚拟机，同时使用虚拟机监控器和管理器与下层的低级设备进行通信、协调并进行虚拟机的分配。

Agent建模技术也是一种有效的虚拟化工具。在分布式系统领域，通常将持续产生作用的、具有自主性、交互性、反应性、主动性的计算实体称为Agent。在生产过程中，可以通过直接对Agent下达控制指令从而实现具体的生产操作。

（3）制造资源封装成云服务。

制造资源封装成云服务是指使用资源描述协议和服务形式化描述语言将制造资源封装成生产服务。其中可能涉及多种本体语言，如可扩展标记语言（XML）、简单HTML本体扩展SHOE（Simple HTML Ontology Extension）和OWL（Web Ontology Language）等。由于制造资源功能各异，云制造资源的描述模型差别巨大，因此在虚拟资源层要对制造资源进行统一化封装和管理，最终以制造服务的形式提供给制造资源需求者。

2）公共服务层

公共服务层是云制造体系架构的核心部分，主要功能包括：提供资源接入与资源相关的海量数据存储管理，形成云端化制造资源池；向平台应用层提供不同制造服务的调用接口；对于整个平台而言，采用一系列的基础保障措施来保证平台的正常运转，对平台的运行提供核心的运营支持。综上，可将公共服务层分为三个层次：服务组件层、核心业务层、应用接口层。

（1）服务组件层。

服务组件层是对制造资源层提供各种服务化封装方法，以组件形式对其进行管理。在这一层中，所有服务都将被视为一个组件，这些组件不仅包括单个制造任务的服务，还包括对制造任务包进行协同加工，形成符合某种业务逻辑的服务组合。组件化方式为各种云制造服务提供了统一化调用接口与集约化管理方法，实现了制造服务的动态部署，以及灵活的组织形式。起到了承上启下的作用，将下层封装好的服务进行注册，同时为核心业务层提供服务接口，辅助公共服务层进行服务。

（2）核心业务层。

核心业务层是云制造平台的核心部分，为平台运行提供综合性的支持和管理。云平台最基础的核心业务就是面向用户提出的任务需求快速生成服务方案，主要包括制造任务分解聚合、供需高效匹配和服务组合优化。对于制造资源提供方，提供制造资源功能测试、服务共享和设备维护等功能支持；对于制造资源需求方，提供制造任务的分解聚合、供需匹配及服务组合优选等功能支持；对于云平台运营管理方，主要提供运营管理和大部分基础管理功能，如用户数据方面、数据安全方面及运营监控等方面。

（3）应用接口层。

应用接口层也是承上启下的一层。从下层来说，可以通过调用核心业务层已经封装好的服务，来实现由于需求不同而产生的不同的应用要求。从上层来说，将不同的应用要求进行封装并暴露出接口供给平台应用层使用。因为云制造平台属于开放性的平台，因此为了能够支持不同地域、不同领域的用户使用，将对外暴露的接口进行标准化是应用接口层所面临的重要问题。除了提供通用接口外，还可以利用更加专业的知识，为特定的企业提供特制的应用接口，以满足特定的应用需求。

3）平台应用层

平台应用层为制造资源需求方提供一系列操作管理的界面，包括用户端或者计算机终端的工具，以及云制造系统为用户提供的各种应用，可视为云制造中的SaaS。相比于公共服务层，平台应用层具有更强的专业性，为专业化的企业直接提供可以使用的应用系统，如为设计分析人员提供专门的建模工具、分析工具和仿真工具等。同时，平台应用层也会提供适合应用开发的工具包，用户可以凭借开源的工具包对已有的部分服务进行特殊改良，或自主构建特定应用，使之更契合自己的要求。