云制造——面向服务的网络化制造新模式

第16卷第1期Vol.16No.12010年1月ComputerIntegratedManufacturingSystemsJan.2010:1006-5911(2010)01-0001-07:2009212201;:2009212215。Received01Dec.2009;accepted15Dec.2009.:国家863计划资助项目(2007AA04Z153);国家973计划资助项目(2007CB310900)。Foundationitems:ProjectsupportedbytheNa2tionalHigh2Tech.R&DProgram,China(No.2007AA04Z153),andtheNationalBasicResearchProgram,China(No.2007CB310900).:李伯虎(1938-),男,上海人,中国工程院院士,博导,主要从事网络化建模与仿真系统、虚拟样机工程、网格化、智能化、服务化制造系统等的研究。E2mail:[e-mail]。云制造)))面向服务的网络化制造新模式李伯虎1,2,张霖1,王时龙3,陶飞1,曹军威4,姜晓丹5,宋晓1,柴旭东2(1.北京航空航天大学复杂产品先进制造系统教育部工程研究中心,北京100191;2.北京仿真中心,北京100854;3.重庆大学机械工程学院,重庆400044;4.清华大学信息技术研究院,北京100084;5.北京慧点科技开发有限公司,北京100083):为求解更加复杂的制造问题和开展更大规模的协同制造,分析了目前应用服务提供商、制造网格等现有网络化制造模式在应用推广等方面遇到的问题,阐述了云计算服务模式、云安全、高性能计算、物联网等理念和新技术对解决网络化制造中运营、安全等问题的契机。在此基础上提出了一种面向服务的网络化制造新模式)))云制造。给出了云制造的定义,分析了云制造与应用服务提供商、制造网格等的区别。提出了一种云制造的体系结构,讨论了实施云制造所需攻克的关键技术和所取得的成果。最后,给出了一个云制造的典型应用案例)))基于云仿真原型平台的云设计。:云制造;网络化制造;云计算;云安全;制造模式:TP391;TH166:ACloudmanufacturing:anewservice2orientednetworkedmanufacturingmodelLIBo2hu1,2,ZHANGLin1,WANGShi2long3,TAOFei1,CAOJun2wei4,JIANGXiao2dan5,SONGXiao1,CHAIXu2dong2(1.EngineeringResearchCenterofAdvancedManufacturingSystemofComplexProduct,MinistryofEducation,BeihangUniversity,Beijing100191,China;2.BeijingSimulationCenter,Beijing100854,China;3.CollegeofMechanicalEngineering,ChonqingUniversity,Chongqing400044,China;4.ResearchInstituteofInformationTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;5.SmartdotTechnologiesCo.,Ltd.,Beijing100083,China)Abstract:Tosolvemorecomplexmanufacturingproblemsandperformlarger2scalecollaborativemanufacturing,theimpedimentstopracticalapplicationanddevelopmentofNetworkedManufacturing(NM)wereanalyzed.Technolo2gies,suchascloudcomputing,cloudsecurity,highperformancecomputing,Internetofthingswhichwereusedtosolvethementionedimpediments,werebrieflydescribed.Basedonit,anewservice2orientednetworkedmanufac2turingmodelcalledCloudManufacturing(CMfg)wasputforward.Then,theconceptofCMfgwasdefined.AnddifferencesamongCMfg,applicationserviceproviderandmanufacturinggridwerediscussed.CMfgarchitecturewasalsoproposed,keytechnologiesforimplementingCMfgwerestudiedandpreliminaryresearchresultswereintro2duced.Finally,anapplicationprototypeofCMfg,i.e.,COSIM2SCP,waspresented.Keywords:cloudmanufacturing;networkedmanufacturing;cloudcomputing;cloudsecurity;manufacutringmode计算机集成制造系统第16卷021世纪,制造业的发展更加依赖高新技术应用的推动。以应用服务提供商(ApplicationServicePro2vider,ASP)[122]、制造网格(MGrid)[324]、敏捷制造[526]、全球化制造(globalmanufacturing)[728]等为代表的网络化制造模式,成为制造企业为应对知识经济和制造全球化的挑战而实施的、以快速响应市场需求和提高企业(企业群体)竞争力为主要目标的一类先进制造模式。网络化制造将先进的网络技术、信息技术与制造技术相结合,构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统,并在系统的支持下,突破空间地域对企业生产经营范围和方式的约束,开展覆盖产品全生命周期全部或部分环节的企业业务活动(如产品设计、制造、销售、采购、管理等),实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成,高效、高质量、低成本地为市场提供所需的产品和服务。尽管经过十几年的发展,网络化制造在资源服务化建模与封装、资源配置与调度、协同设计、工作流管理等领域取得了一定成果,但要进一步扩大并深化应用,从而取得显著的经济效益,当前的网络化制造无论在技术上还是运营模式上还存在着一些瓶颈问题:(1)包括缺乏服务的集中管理和运营,缺乏利益分配机制,服务的效率、质量和及时性难以保证等。当前的网络化制造模式(如ASP,MGrid等)的研究重点是如何使分散的制造资源能够通过网络连接起来,强调的是如何汇聚资源,协同完成一个制造任务。网络化制造模式主要通过共享网络将分布在不同物理位置的大量异构制造资源连接起来,形成虚拟的集中资源,进而为制造企业提供制造能力和资源的共享。在应用时,主要是将一个复杂制造任务分解成若干简单任务,通过调度机制使这些简单任务并行运行在不同制造资源节点上,最后汇集执行结果,体现的是一种/分散资源集中使用0的思想。然而由于缺乏对服务的集中管理和运营,资源服务提供者(ResourcesServiceProvider,RSP)的利益没有得到保障,很多RSP不愿意提供本企业的制造资源,也没有动力和机制去促进持续提供高质量的制造服务,从而难以保障网络化制造服务的效率、质量、可靠性等。而由于缺乏连续、稳定、高质量的制造服务,资源服务需求企业(ResourcesServiceDe2mander,RSD)的制造任务执行质量、及时性等都难以得到保障,致使RSP和RSD对现有网络化制造服务模式都不满意,从而阻碍了网络化制造的应用推广。因此,有必要研究网络化制造应用新模式,不仅要体现/分散资源集中使用0的思想,还要有效实现/集中资源分散服务0的思想,即将分散在不同地理位置的制造资源通过大型服务器集中起来,形成物理上的服务中心,进而为分布在不同地理位置的用户提供制造服务。借助市场经济理论,引入第三方(制造服务运营方)对汇聚起来的制造资源服务进行集中运营管理,并提供高质量的服务,从而保障RSP和RSD双方的利益和积极性,促进网络化制造的推广应用。(2)包括资源的动态分配问题、智能化匹配问题、物理设备嵌入式接入与使用问题等技术问题。当前网络化制造在资源共享和分配上体现的是一个整体的独立系统,是以固定数量的资源或既定的解决方案为用户提供服务,其业务流程相对比较固定。随着网络技术的发展,以及基于服务架构(Service2OrientedArchitecture,SOA)思想的提出,资源共享和应用过程应该是基于服务而形成业务链的过程,进而映射成虚拟企业的组织,其解决方案应该是动态生成的,即先有业务流程,后有虚拟企业。当前对网络化制造的研究,就如何发布资源(即实现资源的汇聚)以及如何搜索资源开展了大量的工作,但是如何实现资源和任务在接口、功能、流程、语义、服务质量等方面的智能匹配、寻租、动态组合等,则缺乏有效的解决手段。此外,所发布和封装的制造资源目前还是以/软资源0(如软件应用系统、制造数据等计算和信息资源)为主,而对实现网络化制造终端物理设备的智能嵌入式接入、封装和调用还没有满意的解决方案。正因为目前的网络化制造技术没有很好地解决制造资源的动态共享与智能分配、终端物理设备智能嵌入式接入等问题,使其推广应用和发展受到了限制。(3)包括系统和平台安全、网络通信安全、企业核心数据安全、用户间信任安全、可信制造、防止第三方的恶意攻击和破坏等技术。由于网络化制造在推广应用过程中,系统和平台本身存在安全隐患,加上网络通信安全隐患,以及RSP和RSD在使用过程中缺乏信任、担心企业核心数据泄露等问题,严重阻碍了网络化制造的推广应用。而由于目前网络化制造给企业带来的利润空2第1期李伯虎等:云制造)))面向服务的网络化制造新模式间不大,大型IT企业针对网络化制造开发的专门安全产品十分匮乏。综上所述,正是因为当前网络化制造没有良好的运营模式,没有实现动态智能的制造资源共享与分配,没有完全实现终端物理设备智能接入,再加上没有有效的安全解决技术和手段等诸多问题,制约了其应用推广和发展。近两年来,一种新的服务化计算模式)))云计算(cloudcomputing)[9210]正在兴起。云计算的理念是由专业计算机和网络公司(即第三方服务运行商)搭建计算机存储和计算服务中心,把资源虚拟化为/云0后集中存储起来,为用户提供服务。从技术上看,云计算是虚拟化和网格计算等的延伸,但更为重要的是云计算理念本质上带来的是服务模式的转变。云计算使得计算资源成为一种专业服务,并通过信息化的方式提供出来。随着云计算模式的提出和应用上的日趋成熟,企业也看到了云计算服务模式带来的巨大利润空间。因此,许多知名企业如Google,IBM,Ama2zon,Yahoo等相继投入大量人力和物力开展了各自的云计算计划和项目。目前已涌现了一批云计算的应用形式,典型的有软件即服务(SoftwareasaService,SaaS)、效用计算(utilitycomputing)、网络服务(networkservice)、平台即服务(PlatformasaService,PaaS)、管理服务提供商(MangeServiceProvider,MSP)、商业服务平台、互联网整合[11]和云仿真平台[12]等。继云计算概念后,云安全的理念也被提出。一些大型的信息安全公司,如瑞星、趋势科技等已投入巨资从事专业云安全产品的开发,目前已有较成熟的安全产品。如国际信息安全厂商)))趋势科技为实现云安全架构,投入了4亿美元,在全球建立了五个大型云端数