云制造-一种制造业信息化的新模式与新趋势

    2014年1月12日，由北京大学信息化与信息管理研究中心主办、CIO时代网承办、北达软协办的“第四届中国云计算应用论坛”在北京大学英杰交流中心隆重召开，来自业界二百余位专家学者、各行业CIO代表和媒体同仁们参加了本次论坛活动，本次活动的主题为“云时代的商业与管理”，到场的专家学者也纷纷与大家分享了云计算时代的崭新话题。

 

 

    中国工程院院士、航天机电集团二院科技委员会常务副主任李伯虎院士在本次论坛上为大家带来了《云制造-一种制造业信息化的新模式与新手段》的主题演讲。李伯虎院士介绍了目前我国制造业发展所面临的困境以及我国制造业信息化的内涵与发展，并与大家分享了云制造的定义、概念模型、体系架构、技术架构等内容，指出云制造是一种基于网络的面向服务的智慧化制造新模式，“云制造”是制造信息化的一种新模式和新手段，是云计算在制造领域的落地与延伸。演讲实录如下：

 

中国工程院院士、航天机电集团二院科技委员会常务副主任 李伯虎

 

    尊敬的王处、赖主席，各位领导、专家，大家早上好！我今天的发言题目是“云制造--一种制造业信息化的新模式与新手段”。我们团队有28个单位、40个课题组，在“863”支持下做了这项工作，包括北航、航天二院、中国北车等单位。

 

 

    首先我讲的“制造”不是指传统的加工生产，而是“大制造”，有“三大”，一是产品的活动与过程覆盖面“大”，涉及产品全生命周期：从需求认证、概念设计、加工、生产、实验、运行、维护到报废，或是到再制造，传统的就是加工生产；二是制造活动面大，可以在企业内也可以在企业间，甚至到全球；三是制造类型覆盖面大，包括离散制造业、流程制造业、混合制造业等。

 

 

    众所周知，目前我们国家许多制造业是在“微笑曲线”的下端，也就是说附加价值低。缺点是两头不行，一头是产品开发不行，一头是服务不行，当然还有能耗高、污染等问题。宏观上讲，我们国家制造业正面临着一个关键历史时期，价值链从低端向中高端、从制造大国向制造强国、从中国制造向中国创造转变，具体是要培育新的制造模式和新的手段来满足产品的上市时间、质量、成本、服务、知识、对环境的污染，要能够改善。也就是说你的竞争能力必然要提高。这是未来5-10年我国制造业发展需要解决的重大课题。

 

 

[page]    工程院在周院长的领导下，有个课题叫“制造强国的战略研究”，这里提出来对中国而言是创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化。其中围绕企业竞争能力的提高，一场制造信息化为特征的制造变革一直从国家“863”CIMS这个主题开始一直在进行。我们对制造业信息化的理解是制造业信息化是一项复杂的战略系统工程。这是实现我们从制造大国向制造强国迈进、从中国制造向中国创造转变的战略举措，它的指导思想是工业化和信息化，两化深度融合。它的途径是把信息（采集、传递、加工、处理、应用）技术和建模仿真、现代制造和系统工程技术、产品有关专业技术，这五类技术融合应用到产品的全系统、全生命周期过程，实现可持续发展的新模式与新技术手段。工作内容通过深化融合，使得企业或者集团全系统、全生命周期里面必须有经营管理、技术、设备三个要素，以及在全生命周期活动中必须有：信息流、物流、资金流、知识流、服务流“五流”。如果“三要素”、“五流”集成优化，你的竞争能力就会提高。许多专家认为围绕数字化、网络化、智能化现在来实现集成、协同、敏捷、服务、绿色，这是“八化”，是发展方向。2009年我们团队就提出了“云制造”理念，因为我们认为“云制造”模式和手段是制造业信息化的一种有效的新模式和新手段，它能够实现“八化”，能够促进我们从制造大国向制造强国的迈进。

 

 

    所谓“云制造”是什么呢？它是基于各种各样网络的面向服务的智慧化的制造新模式，网络、服务、智慧化，这是三个关键词。具体来说，它融合发展了现有的信息化制造（信息化设计、生产、实验、仿真、管理、集成技术）和新兴信息技术（云计算、物联网、服务计算、建模仿真、自动化、智能科学、高效能计算、大数据、电子商务等）以及制造应用领域有关的技术。这三类技术融合发展，把各类制造资源和大制造能力虚拟化、服务化，构成制造资源和制造能力的服务云池，对这个“池”要协调优化管理经营，最后用户通过终端和网络、“云制造”平台的软件就能够随时按需获取制造资源和能力服务，进而智慧化的完成制造全生命周期的各类活动。这是“云制造”整体内涵。具体来说，“云制造”实际上是由制造资源、制造云池和制造全生命周期活动这三个部分组成。因为里面人员是制造服务提供者、制造服务使用者和制造云的运营者，所以你要是服务就是运营者会把你所需要的制造资源和能力拉进来。三大部分：一个核心知识、两个过程、三类人员。为此我们提出了一个体系结构，在这个基础上现在是资源能力虚拟制造资源和能力池。再上面就是核心服务，最基本的就是要对这个虚拟资源能力进行管理，对知识模型数据进行管理，构建虚拟化的制造环境，运行虚拟化的制造环境，评估虚拟化的制造环境。各个单位不见得都要这样，可以根据你的情况可以开发你的应用支撑服务。再上面是三类服务所需要的用户层，还有应用层。所以“云制造”系统实质是一种基于各类网络组合的人、机、物、信息融合的新型的制造互联网。

 

 

    我们通过这么多年研究，觉得它有12类技术。第一就是总体技术，包括商务模式、体系结构、标准规范、系统集成技术。还有就是感知，传感器、各种各样采集分析聚处理的技术。网络构建、智能感知系统等等。再下面就是能力资源，比如虚拟化、服务化。根据虚拟化、服务化以后，虚拟化制造服务环境要构建库、构建调度、优化自身引擎管理器，构建方法、运行流程、管理模式等等。要动态优化配置，出了问题还要融错、监控，它组合各种各样的算法以及整个资源能力池的管理。还有就是评估，现在网上骗子很多，因此要对效用评估、可靠安全性评估、质量综合评估以及环境综合评估。再下面就是可信化，首先必须要可信、安全。这里有相当的保障、认证、网络构建以及可信接入，同时还需要对资源模型进行管理，对数据进行管理。人机要交互。服务平台怎么去用它，以及一个很重要的是，必须要有信息化制造技术作为基础，还有就是产品的服务技术。如果没有信息化制造技术作为支持也不行，我们做了好几十年，包括信息化制造系统的总体技术、支撑环境、产品设计技术、加工生产装备技术、经营管理和决策系统技术、实验技术等等，当然比较热门的就是3D打印。

 

 

    目前“云制造”系统跟以前的信息化制造系统有什么差别？我们总结了“六化”。数字化，是大家必须有的，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、规划和重组管理。制造资源和能力必须与数字化技术融合形成能用数字化技术控制、监控、管理的制造资源系统和能力，如：数控机床、机器人、各种各样的软件，包括设计软件、管理软件，以及人力、知识、组织、业务、信誉等等。这就是能力的数字化，不然就无法虚拟化；物联化，“云制造”融合了物联网信息物理融合技术等最新信息技术，实现软硬制造资源能力的全系统、全生命周期、全方位的透彻接入和感知，制造资源和能力的物联化；虚拟化，虚拟化就是把制造资源和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。一个物理的制造资源和能力可以构成多个相互隔离的封装好的虚拟器件或制造资源，或者多个物理制造资源和能力也可以组成一个力度更大的制造资源和能力为其服务。这个技术同时在需要的时候还可以进行实时迁移和动态调度；服务化，把虚拟化的东西落实之后再用服务计算技术进行封装组合到一个资源很多人用、很多资源可一个人用，起到这样的作用；协同化，比如航天，不可能一个人来做，要通过合作。因此要通过协同把技术层面上云服务模块能够实现全系统、全生命周期、全方位的互联、互通、协同，同时从管理层中要支持虚拟化的组织；智能化，把智能科学技术用进去以后干什么？两个维度：一是制造全生命周期各种各样的活动都要智能化。还有一个，只要制造资源和能力本身有的生命周期，建立它、发现它、使用它、销毁它，所以为两个生命周期活动提供服务。这就是我们提出来的“六化”特点。

 

 

    以上的汇报可以看出“云制造”服务对象，我们提出了两类：制造企业，很多制造企业可以作为制造云里面的用户，还有一类是产品出来以后，制造产品的用户有两类，服务的内容：认证、设计、生产、加工、实验、仿真、经营管理等都可以作为服务，这个主要为制造企业提供。产品的运营服务，产品的维修服务，这都是为制造产品的用户进行服务，当然还有一个它们的集成。所以“云制造”服务特点跟以前的制造相比，它是按需动态架构、互操作、协同，横向、纵向集成，这是支撑网上分布一个制造能力横向的全生命周期，纵向一层一层的，柔性集成。理论上这个网要很大的话，它是超强、快速、无限能力。你需要什么它就可以给你什么，当然它必须是全生命周期。这就是它的六个特点。

 

 

    我们认为根据这样的东西，实际上从模式上来说“云制造”是云计算的落地和延伸。第一，“云制造”资源共享的内容，云计算是计算资源，我们是制造资源、制造能力，有软的有硬的、有各种各样的能力；第二，服务和内容模式方面有很大差别，当然计算也是按需提交作业与操作计算资源。同时可以交互协同全生命周期制造服务，一个制造的服务，比如航天要干三到五年，所以服务的内容和模式拓展，最主要核心目的是交互协同、全生命周期，因此它的自身技术要拓展，不仅仅是云计算现有的技术。

 

 

    云计算技术为制造资源、能力提供了新制造模式。物联网技术为制造领域中各类物与物之间的互联和实现制造智慧化提供技术。服务计算技术为制造资源、能力的服务化提供了技术。建模仿真为高效研制与运行提供了技术。自动化为危险评估提供技术。智能科学为智能化提供技术。高效的为求解复杂制造问题、大规模协同制造提供技术。大数据为活动的精准、高效、智能化提供技术。电子商务为商务活动提供技术。信息化制造业技术是“云制造”的基础技术。所以本身技术上要大大拓展，当然不是说所有的都这么高深。因此，“云制造”是制造业信息化的新模式新手段。它由生产型向生产+服务型为主导的随时随地按需个性化、社会化、可持续方向发展。它的手段是智慧化，体现在数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、智能化。

 

 

[page]    在业务驱动需求下，其实制造领域不是最后，60-80年代是质量成本，后来加了时间、服务、质量、成本、环境知识。技术也是集成、协同、网络、敏捷、服务、绿色、智能一直在发展。模式从计算机集成制造再到并行工程、网络化制造、智慧制造，而“云制造”只是里面的其中一种智慧制造模式，手段也是各式各样。

 

 

    我们也对ASP、敏捷制造、特别是德国人在2013年提出的“第四次工业革命”工业4.0有所分析，制造模式全价值链的横向集成、端到端数字化集成、纵向集成、实现网络化的智能制造。我们的模式是制造全生命周期的智慧化的制造，实现产品+服务为主导的随时随地按需个性化、社会化、可持续制造；制造手段，基于物联网的智能化生产设备、系统及智能工厂，基于泛在网络的制造资源和能力的数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化，智能化的制造系统（含制造设备、制造单元、制造企业）；支撑技术，物联网、自动化、仿真、嵌入式等等。基础信息化制造，我们也是基础信息化制造，我们是云计算、物联网服务计算、建模仿真、自动化、智能科学、高效能计算、大数据、电子商务。

 

 

    2009年提出这个概念之后，“云制造”的研究得到了科技部863计划的支持，联合产学研用等近50个单位，以集团级和中小企业的“云制造”应用为背景，在关键技术、支撑平台及应用技术方面，已取得阶段性成果。2010年8月，欧盟第七框架启动了“制造云”项目。今年5月份，ASME（国际有名制造业大会）里面有一个环节就是“云制造”，因此我们的研究对国际也是有影响的。刚才说的“制造云”2013年就要验收了。

 

 

    《3D打印：从想象到现实》一书中提到，“云制造”是一种取代大规模生产的新模式。3D打印技术推动未来的商业模式。它引用了维基百科的“云制造”定义，就是把各种制造资源和能力联成网。所以它说“3D打印”是云制造的“催化剂”。“云制造”本身是一个产业，是广义云计算的一部分。目前刚刚起步，在里面是大有潜力，所以要自主可控，形成“云制造”产业链还需要时间以及各方面的共同努力。

 

 

    王处长现在做“工业云创新行动”，工信部带头来推动，我们觉得很受鼓舞。首先在航天二院建立了一个平台、系统，把现在硬的、软的资源、能源都拉进去。资源层、平台层和应用层。敏捷化、服务化、绿色化、智能化方面我们都取得了一定成效。我们现在什么也没有，没关系，高性能“云制造”平台就可以给你提供。我们把各种硬软件都虚拟化了，用户在上面只需提出需求，我们的“云制造”平台就能把你所需要的硬件、软件进行组合，构成你所需要的虚拟化环境，你就可以在这个上面进行运行，得到设计结果。同时商业模式很重要，我们提出了基于社交网络模型的多主体资源交互和协作模式。提出了龙头企业带动供应链上的企业伙伴上线的商业模式，建成了这个系统。而且在虚拟化、能力化、启动化、智能化等方面取得了成效。

 

 

    最近这两年我们在“智慧城市”里面也做了一些努力。“智慧城市”里面包括感知层、通信层、智能处理层。而这里面“智慧产业”所谓“智慧制造”和“制造物流”就很重要。我们提出了“智慧制造”的定义，同时为了提高企业竞争力、转变城市经济增长方式，建立了“云制造”交易中心、制造服务中心、“云制造”运营中心，延伸它的产业链实现转型升级，把本地资源和能力，把国内制造资源能力甚至是全球的资源能力集合起来为我服务。