齊偉鋼，彭凝多，黃慧萍

（1.中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，成都 610000；2.西南交通大學 機械工程學院機電測控系，成都 610031）

0 引言

近年來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，總體規(guī)模大幅提升，綜合實力不斷增強，已經(jīng)躍居世界制造大國。但是，我國制造業(yè)發(fā)展也遇到了不小的挑戰(zhàn)，以前靠簡單模仿、仿制，低成本勞動力、低成本土地、低成本環(huán)境參與國際競爭的時代已經(jīng)結(jié)束了，我國制造業(yè)普遍存在制造資源和制造能力的不均衡，資源限制與資源短缺并存，能力過剩與能力不足同在，信息化需求和信息化建設(shè)能力不對稱等問題已經(jīng)成為制約制造業(yè)大發(fā)展的關(guān)鍵因素，迫切需要通過創(chuàng)新邁向中高端水平。

在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)與各領(lǐng)域的融合發(fā)展具有廣闊前景和無限潛力，已成為不可阻擋的時代潮流，順應(yīng)世界“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展趨勢，推動互聯(lián)網(wǎng)+制造，探索以“制造即服務(wù)”為核心理念的云制造模式，整合制造資源，提供制造服務(wù)，能夠有效提升制造業(yè)自主創(chuàng)新能力，調(diào)整優(yōu)化制造產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進制造業(yè)可持續(xù)良性發(fā)展。李伯虎[1,2]院士首次提出了云制造的概念，為制造全生命周期過程提供隨時獲取的、按需使用的、安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價的各類制造活動服務(wù)，為云制造描繪了未來藍圖。張霖等研究人員[3]描述了制造云服務(wù)的含義，對構(gòu)建云服務(wù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，但沒有明確如何整合各類制造云服務(wù)滿足不同制造活動階段用戶對制造資源的需求。王正成等人在研究工作[4]中引入了資源服務(wù)鏈的概念，提出了基于制造任務(wù)鏈驅(qū)動的資源服務(wù)鏈思想，并給出了構(gòu)建過程，但僅僅是從制造加工角度對任務(wù)進行分解和資源匹配，給出了理論上的描述和仿真，沒有從制造活動全生命周期考慮，提供全生命周期服務(wù)鏈。其他研究人員[5～8]則分別從云制造資源的虛擬化、虛擬制造資源調(diào)度、虛擬制造資源遠程訪問，以及如何利用云計算實現(xiàn)機械設(shè)計、機械制造，如何通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問制造云資源等方面展開研究，都是圍繞云制造關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)和制造云平臺構(gòu)建使用角度，但是他們的研究工作沒有從制造全生命周期活動的角度出發(fā)來描述如何構(gòu)建云制造平臺，面向用戶構(gòu)建服務(wù)鏈，為制造全生命周期活動中涉及的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)加工、仿真、經(jīng)營管理、集成等環(huán)節(jié)提供一體化的解決方案，實現(xiàn)制造資源和制造能力的敏捷集成共享，促進制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型。

本文結(jié)合云計算、云制造和計算機領(lǐng)域面向服務(wù)架構(gòu)的理念，基于流程編排思路，提出云制造服務(wù)鏈的概念，允許用戶根據(jù)自身生產(chǎn)制造需求，創(chuàng)建獨立的虛擬工廠，按需編排虛擬制造資源，構(gòu)建云制造服務(wù)鏈，使得制造活動和制造資源間無縫聯(lián)接，實現(xiàn)制造的服務(wù)化、敏捷化。

1 面向制造生命周期的云服務(wù)鏈

云制造是在“制造即服務(wù)”理念的基礎(chǔ)上，借鑒了云計算思想發(fā)展起來的一個新概念。云制造是先進的信息技術(shù)、制造技術(shù)以及新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等交叉融合的產(chǎn)品，是制造即服務(wù)理念的體現(xiàn)。采取包括云計算在內(nèi)的當代信息技術(shù)前沿理念，支持制造業(yè)在廣泛的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境下，為產(chǎn)品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務(wù)。其基本運行原理如圖1所示。

圖1 云制造運行原理

從圖1可以看出，云制造通過制造云接入由資源提供者提供出來的各類異構(gòu)的制造能力和制造資源，通過制造云統(tǒng)一整合和適配，以標準化服務(wù)的方式提供給資源的使用者。這些制造能力和制造資源涵蓋制造全生命周期，包括設(shè)計、生產(chǎn)、運營等階段。制造云的運營者負責管理和運營云化的制造資源，對資源使用進行計量和計費，同時監(jiān)管制造能力和制造資源的運行，對其進行能力評價和服務(wù)質(zhì)量考核，協(xié)調(diào)資源的協(xié)同運行，保證服務(wù)的交付質(zhì)量。

制造云服務(wù)：標準化的制造資源和制造能力，包括IaaS、PaaS和SaaS三類。其中，IaaS類資源又分為IT基礎(chǔ)設(shè)施資源和制造生產(chǎn)設(shè)備資源。IT基礎(chǔ)設(shè)施資源通常以虛擬機形式提供給用戶，用戶可以按需申請?zhí)摂M機硬件配置，比如CPU、內(nèi)存、存儲、外設(shè)等，制造生產(chǎn)設(shè)備資源包括各類智能機械加工設(shè)備，比如數(shù)控車床、銑鏜床、磨齒機、磨削機床、鉆床，以及仿真設(shè)備、裝配設(shè)備等。PaaS類資源主要是各類設(shè)計開發(fā)庫資源，支持用戶在此基礎(chǔ)上快速完成設(shè)計開發(fā)，包括沖壓模具標準件庫、軸系零部件參數(shù)化設(shè)計中間件、RFID中間件等。SaaS類資源包括各類軟件資源，比如AutoCAD、SolidWorks、Pro/E等設(shè)計軟件，ANSYS、ANSOFT等分析仿真軟件。

制造云服務(wù)鏈：制造云通過將各類制造資源使用標準化接口通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供服務(wù)。制造生命周期流程由用戶自定義，制造活動依據(jù)流程在各個云服務(wù)之間自動或者手動流轉(zhuǎn)，形成制造云服務(wù)鏈，如圖2所示。云服務(wù)按照制造生命周期進行分類，用戶可以依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計、制造的流程按需選擇所需的所有云服務(wù)資源。每個用戶擁有獨立的云服務(wù)鏈，云服務(wù)資源相互之間隔離，這樣一方面可以避免用戶隱私數(shù)據(jù)的泄露，另一方面可以避免用戶共同操作設(shè)備引起的安全隱患，此外還便于對用戶使用資源進行計量和計費。

2 云制造平臺總體架構(gòu)

云制造平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。整體設(shè)計是將各類異構(gòu)的制造資源通過虛擬化和服務(wù)化轉(zhuǎn)換成虛擬的可編排的標準化的資源池，然后再通過異構(gòu)資源適配層屏蔽底層異構(gòu)資源間的差異，對上提供統(tǒng)一的服務(wù)，對外提供云服務(wù)鏈編排服務(wù)。用戶可以根據(jù)自己的需求編排云服務(wù)，按需使用各類資源，支撐用戶敏捷快速的完成產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、仿真、發(fā)布等目標。

1）制造資源層：平臺支持三類資源，包括IT基礎(chǔ)設(shè)施類、制造軟硬件類和制造能力類，制造硬件設(shè)備需要通過改造以接入物聯(lián)網(wǎng)，進而納入統(tǒng)一的資源管理。其中IT基礎(chǔ)設(shè)施包括計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，是各類軟件資源的運行載體和硬件資源的控制載體；制造軟硬件資源包含各類加工設(shè)備和輔助加工的傳感設(shè)備等；制造能力類資源是指需要結(jié)合人力和知識的資源，比如產(chǎn)品設(shè)計能力、產(chǎn)品生產(chǎn)，用戶可以將需求外包給相應(yīng)的制造能力資源提供者，不再關(guān)注具體過程，只需要關(guān)注結(jié)果即可。各類資源之間通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)相互連接，接受訪問和管理。

圖2 制造云服務(wù)鏈

圖3 制造云平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2）資源接入層：實現(xiàn)資源的感知、虛擬化和服務(wù)化。IT基礎(chǔ)設(shè)施利用成熟的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)全虛擬化技術(shù)實現(xiàn)，比如KVM、SDN、VirtualSAN等，為上層提供標準化的IT基礎(chǔ)服務(wù)；制造類硬件資源通過云服務(wù)建模將制造資源描述成符合制造行業(yè)特征的規(guī)范化、語義化的描述，作為資源服務(wù)注冊和調(diào)度的基礎(chǔ)；制造能力類資源同制造硬件資源，通過云服務(wù)統(tǒng)一建模，描述成可注冊和調(diào)度的標準化云服務(wù)。

3）資源管理層：對下層虛擬資源池的資源進行統(tǒng)一管理和調(diào)度，包括異構(gòu)資源適配、資源服務(wù)管理、安全管理和運營管理，以及云服務(wù)鏈編排。其中，異構(gòu)資源適配是對各類不同提供商提供的資源池所進行的歸一化管理，云服務(wù)鏈編排提供制造生命周期流程管理功能，允許用戶依據(jù)需要來編排云服務(wù)和云服務(wù)之間的鏈接關(guān)系，以便于各個制造環(huán)節(jié)之間的無縫對接。

云制造平臺的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。依據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)分層的思路將系統(tǒng)抽象成三層：資源總線層、控制總線層和服務(wù)引擎層。

1）資源總線層：為上層提供異構(gòu)資源訪問能力，實現(xiàn)底層各類異構(gòu)資源的調(diào)度、尋址、名稱服務(wù)、安全保障等。

圖4 云制造平臺功能架構(gòu)

2）控制總線層：為上層云服務(wù)提供資源控制和管理能力，包括資源分配、智能調(diào)度、事務(wù)控制、運行控制等，通過對資源的調(diào)配和運行控制，保證上層云服務(wù)的正常供應(yīng)和QoS。

3）服務(wù)引擎層：將底層各類資源和能力通過標準的云服務(wù)接口對外提供，支持制造資源的共享，制造能力的標準化運營服務(wù)等。

4）資源/能力運營：提供制造相關(guān)云服務(wù)的發(fā)布、定價、計量和計費等。此外，提供運營管理報表，支撐運營管理。

3 云制造平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 云制造資源的統(tǒng)一接入

云制造平臺采用面向服務(wù)的架構(gòu)SOA設(shè)計，使用統(tǒng)一的服務(wù)總線集中管控和接入各類異構(gòu)的資源，包括云計算資源、制造資源和制造能力等，如圖5所示。

企業(yè)服務(wù)總線提供服務(wù)管理、服務(wù)編排功能，并支持協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、消息路由和服務(wù)編排。能夠靈活支持消息隊列MQ、SOAP、RESTFUL、JDBC、HTTP、TCP等常用協(xié)議，最大化了異構(gòu)制造資源服務(wù)的協(xié)議兼容能力，使得對不同服務(wù)商、不同類型數(shù)據(jù)的接口適配更加方便。

各類制造資源使用統(tǒng)一的云服務(wù)建模技術(shù)進行建模。云服務(wù)模型描述了服務(wù)的云信息及服務(wù)調(diào)用接口，能有效隔離異構(gòu)資源和上層應(yīng)用，確保云制造平臺架構(gòu)的松耦合。WebService技術(shù)廣泛應(yīng)用在面向服務(wù)計算中，服務(wù)的描述、發(fā)現(xiàn)和集成基于一系列標準，XML、SOAP、WSDL、UDDI。本文采用WSDL作為云制造服務(wù)的主要描述語言。WSDL是W3C提出的服務(wù)，主要用于描述靜態(tài)服務(wù)，包括自身的功能及調(diào)用方法，無法滿足云制造資源服務(wù)評價、服務(wù)質(zhì)量等多種屬性的描述要求。通過XML Schema語法對制造云服務(wù)模型進行擴展，使之具備更多的屬性信息，支撐云制造平臺上層對服務(wù)信息的需求。針對制造設(shè)備資源，描述模型為：

ManufacturingResource={BaseAttr，F(xiàn)unctionAttr，ApplicationAttr，StatAttr}

其中基本屬性描述制造資源的基本信息，包括名稱、型號、廠家、用途、提供商、位置、聯(lián)系方式等；功能屬性描述資源的參數(shù)描述，即設(shè)備自身參數(shù)指標，比如加工主參數(shù)、控制系統(tǒng)類型等；應(yīng)用參數(shù)描述資源使用相關(guān)屬性，包括可用時間、價格、服務(wù)評價等；狀態(tài)屬性是資源在云制造平臺中狀態(tài)，是否在使用，后續(xù)任務(wù)等。

云制造平臺面向各類異構(gòu)資源，不同的資源提供者有可能使用不同的云服務(wù)模型來描述資源，本文系統(tǒng)架構(gòu)采用異構(gòu)資源適配層來屏蔽底層異構(gòu)資源的差異，對上采用上文描述的WSDL擴展語言統(tǒng)一對接入的資源進行重新建模。

3.2 云制造資源的共享服務(wù)

平臺通過統(tǒng)一服務(wù)建模接入異構(gòu)的資源并注冊到資源表中，通過資源運營統(tǒng)一對外暴露服務(wù)。用戶或者應(yīng)用通過資源申請來獲取資源，通過認證后由系統(tǒng)進行調(diào)度，從資源表中注冊的資源中匹配合適的資源，然后資源路由與目標資源綁定，從而將資源分配給用戶使用，整個資源共享服務(wù)流程如圖6所示。

3.3 云制造服務(wù)鏈構(gòu)建

云制造平臺通過云服務(wù)鏈編排模塊將各業(yè)務(wù)模塊發(fā)布的零散服務(wù)集成起來，構(gòu)造出完整業(yè)務(wù)流程，以滿足用戶業(yè)務(wù)變化的需求，對外提供業(yè)務(wù)流程定義和流程實例化接口。

圖5 面向服務(wù)的統(tǒng)一資源接入

圖6 云制造資源共享過程

各類制造資源和制造能力（如制造設(shè)備、加工能力等）通過服務(wù)總線發(fā)布服務(wù)。云制造統(tǒng)一門戶通過調(diào)用流程定義接口編排業(yè)務(wù)流程，從而構(gòu)建云服務(wù)鏈；調(diào)用流程實例化接口啟動流程，按照定義的云服務(wù)鏈執(zhí)行。

3.4 終端用戶訪問云制造服務(wù)

用戶通過統(tǒng)一服務(wù)門戶訪問云制造服務(wù)。每個用戶有自己獨立的vFactory（虛擬制造工廠），每個vFactory都是一組虛擬制造資源以及用戶的組合，不同用戶的vFactory之間的虛擬資源相互隔離。

vFactory里面包含虛擬機、虛擬加工設(shè)備、設(shè)計/仿真軟件等云服務(wù)。其中虛擬機作為設(shè)計、分析和仿真等軟件的載體，同時也作為各類加工設(shè)備、傳感器等資源的訪問控制載體。所有的云服務(wù)資源用戶都可以按需申請，并編排成云服務(wù)鏈，以滿足產(chǎn)品設(shè)計、加工等需求。

用戶可以通過虛擬桌面協(xié)議遠程訪問虛擬機，獲得與普通PC一樣的操作體驗。虛擬桌面將數(shù)據(jù)資源及應(yīng)用資源部署在后臺服務(wù)器中心，用戶可通過任意終端如電腦、智能手機、平板通過瀏覽器或者客戶端訪問到虛擬機[9]。

4 基于云制造平臺的軸系零部件加工

軸類零件是各種機械產(chǎn)品中最常見的零件種類。軸類零件在建模過程中存在零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模工作重復(fù)度高的情況。利用云制造平臺提供的制造生命周期云服務(wù)鏈，可以便捷的獲取軸系零件設(shè)計、校驗、加工等一條龍資源，快速、高效的完成制造任務(wù)。

為了驗證基于云制造平臺提供的制造服務(wù)鏈對生產(chǎn)制造帶來的變革，作者研究團隊搭建了一個VMS平臺（Virtualized Manufacturing System），實現(xiàn)了IT基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化、面向云的制造業(yè)應(yīng)用和PaaS服務(wù)，以及車床的虛擬化接入，面向用戶以云服務(wù)方式提供虛擬化制造資源，實現(xiàn)云端制造。

VMS系統(tǒng)為每個用戶創(chuàng)建一個獨立的虛擬工廠，用戶登錄VMS系統(tǒng)后會進入屬于自己的虛擬工廠。依據(jù)對階梯軸生產(chǎn)活動的分析，創(chuàng)新階梯軸加工云服務(wù)鏈，編排設(shè)計每階段任務(wù)并在線申請?zhí)摂M資源，包括設(shè)計所需的虛擬機、設(shè)計軟件SolidWorks、參數(shù)化設(shè)計中間件、仿真系統(tǒng)，以及加工所需的物料、車床等。編排設(shè)計、仿真和加工服務(wù)之間的銜接關(guān)系，即設(shè)計輸出的圖紙，輸入到仿真系統(tǒng)進行設(shè)計校驗和仿真加工，將仿真完成后的數(shù)控車床程序輸入到真實的車床設(shè)備進行加工，如圖7所示為虛擬工廠中階梯軸加工云服務(wù)鏈。

用戶通過虛擬桌面客戶端遠程訪問虛擬機，利用設(shè)計軟件和開發(fā)中間件快速完成開發(fā)，并依據(jù)云服務(wù)鏈依次完成仿真和加工，工作流程如圖8所示。

整個加工過程，采用遠程視頻實時監(jiān)控，加工程序執(zhí)行邏輯記錄實時反饋呈現(xiàn)。加工完成之后，可以自動發(fā)送郵件和短信，通知車床提供商將加工好的階梯軸發(fā)貨。

圖7 虛擬工廠

圖8 階梯軸服務(wù)鏈執(zhí)行過程

利用云制造平臺，用戶生產(chǎn)產(chǎn)品不再需要事先準備各類生產(chǎn)資源，而只需要登錄平臺，按需申請和配置云服務(wù)資源即可，利用平臺提供的強大的設(shè)計能力和生產(chǎn)能力，大大縮短生產(chǎn)周期，與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相比效率更高。

5 結(jié)束語

本文基于對云制造的研究和理解，結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、信息化制造等技術(shù)，致力于構(gòu)建面向制造的云服務(wù)鏈，擴展云計算IaaS、PaaS、SaaS三層服務(wù)模式的內(nèi)涵，探討了云服務(wù)鏈的概念、云制造平臺架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并以階梯軸制造為應(yīng)用實例，證實面向制造的云服務(wù)鏈能夠在制造生命周期的各階段提供用戶所需的各類服務(wù)，實現(xiàn)軟硬件制造資源的彈性共享，并以云化方式提供給終端用戶，支持多租戶大規(guī)模應(yīng)用。

下一步可利用虛擬化資源在平臺上進行試驗，根據(jù)成本、時間、質(zhì)量等因素優(yōu)化資源自動調(diào)配過程，使得云服務(wù)鏈更加高效；此外，還可以集成更多類型的云服務(wù)，包括物料供應(yīng)、物流、更多加工設(shè)備等，豐富云服務(wù)類型，滿足用戶各類制造活動需求。

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