齐伟钢，彭凝多，黄慧萍

（1.中国电子科技网络信息安全有限公司，成都 610000；2.西南交通大学 机械工程学院机电测控系，成都 610031）

0 引言

近年来，我国制造业持续快速发展，总体规模大幅提升，综合实力不断增强，已经跃居世界制造大国。但是，我国制造业发展也遇到了不小的挑战，以前靠简单模仿、仿制，低成本劳动力、低成本土地、低成本环境参与国际竞争的时代已经结束了，我国制造业普遍存在制造资源和制造能力的不均衡，资源限制与资源短缺并存，能力过剩与能力不足同在，信息化需求和信息化建设能力不对称等问题已经成为制约制造业大发展的关键因素，迫切需要通过创新迈向中高端水平。

在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网与各领域的融合发展具有广阔前景和无限潜力，已成为不可阻挡的时代潮流，顺应世界“互联网+”发展趋势，推动互联网+制造，探索以“制造即服务”为核心理念的云制造模式，整合制造资源，提供制造服务，能够有效提升制造业自主创新能力，调整优化制造产业结构，促进制造业可持续良性发展。李伯虎[1,2]院士首次提出了云制造的概念，为制造全生命周期过程提供随时获取的、按需使用的、安全可靠、优质廉价的各类制造活动服务，为云制造描绘了未来蓝图。张霖等研究人员[3]描述了制造云服务的含义，对构建云服务涉及的关键技术进行了分析，但没有明确如何整合各类制造云服务满足不同制造活动阶段用户对制造资源的需求。王正成等人在研究工作[4]中引入了资源服务链的概念，提出了基于制造任务链驱动的资源服务链思想，并给出了构建过程，但仅仅是从制造加工角度对任务进行分解和资源匹配，给出了理论上的描述和仿真，没有从制造活动全生命周期考虑，提供全生命周期服务链。其他研究人员[5～8]则分别从云制造资源的虚拟化、虚拟制造资源调度、虚拟制造资源远程访问，以及如何利用云计算实现机械设计、机械制造，如何通过网络远程访问制造云资源等方面展开研究，都是围绕云制造关键技术实现和制造云平台构建使用角度，但是他们的研究工作没有从制造全生命周期活动的角度出发来描述如何构建云制造平台，面向用户构建服务链，为制造全生命周期活动中涉及的研发、设计、生产加工、仿真、经营管理、集成等环节提供一体化的解决方案，实现制造资源和制造能力的敏捷集成共享，促进制造业升级转型。

本文结合云计算、云制造和计算机领域面向服务架构的理念，基于流程编排思路，提出云制造服务链的概念，允许用户根据自身生产制造需求，创建独立的虚拟工厂，按需编排虚拟制造资源，构建云制造服务链，使得制造活动和制造资源间无缝联接，实现制造的服务化、敏捷化。

1 面向制造生命周期的云服务链

云制造是在“制造即服务”理念的基础上，借鉴了云计算思想发展起来的一个新概念。云制造是先进的信息技术、制造技术以及新兴物联网技术等交叉融合的产品，是制造即服务理念的体现。采取包括云计算在内的当代信息技术前沿理念，支持制造业在广泛的网络资源环境下，为产品提供高附加值、低成本和全球化制造的服务。其基本运行原理如图1所示。

图1 云制造运行原理

从图1可以看出，云制造通过制造云接入由资源提供者提供出来的各类异构的制造能力和制造资源，通过制造云统一整合和适配，以标准化服务的方式提供给资源的使用者。这些制造能力和制造资源涵盖制造全生命周期，包括设计、生产、运营等阶段。制造云的运营者负责管理和运营云化的制造资源，对资源使用进行计量和计费，同时监管制造能力和制造资源的运行，对其进行能力评价和服务质量考核，协调资源的协同运行，保证服务的交付质量。

制造云服务：标准化的制造资源和制造能力，包括IaaS、PaaS和SaaS三类。其中，IaaS类资源又分为IT基础设施资源和制造生产设备资源。IT基础设施资源通常以虚拟机形式提供给用户，用户可以按需申请虚拟机硬件配置，比如CPU、内存、存储、外设等，制造生产设备资源包括各类智能机械加工设备，比如数控车床、铣镗床、磨齿机、磨削机床、钻床，以及仿真设备、装配设备等。PaaS类资源主要是各类设计开发库资源，支持用户在此基础上快速完成设计开发，包括冲压模具标准件库、轴系零部件参数化设计中间件、RFID中间件等。SaaS类资源包括各类软件资源，比如AutoCAD、SolidWorks、Pro/E等设计软件，ANSYS、ANSOFT等分析仿真软件。

制造云服务链：制造云通过将各类制造资源使用标准化接口通过网络向用户提供服务。制造生命周期流程由用户自定义，制造活动依据流程在各个云服务之间自动或者手动流转，形成制造云服务链，如图2所示。云服务按照制造生命周期进行分类，用户可以依据产品设计、制造的流程按需选择所需的所有云服务资源。每个用户拥有独立的云服务链，云服务资源相互之间隔离，这样一方面可以避免用户隐私数据的泄露，另一方面可以避免用户共同操作设备引起的安全隐患，此外还便于对用户使用资源进行计量和计费。

2 云制造平台总体架构

云制造平台系统结构如图3所示。整体设计是将各类异构的制造资源通过虚拟化和服务化转换成虚拟的可编排的标准化的资源池，然后再通过异构资源适配层屏蔽底层异构资源间的差异，对上提供统一的服务，对外提供云服务链编排服务。用户可以根据自己的需求编排云服务，按需使用各类资源，支撑用户敏捷快速的完成产品开发、生产、仿真、发布等目标。

1）制造资源层：平台支持三类资源，包括IT基础设施类、制造软硬件类和制造能力类，制造硬件设备需要通过改造以接入物联网，进而纳入统一的资源管理。其中IT基础设施包括计算、存储和网络资源，是各类软件资源的运行载体和硬件资源的控制载体；制造软硬件资源包含各类加工设备和辅助加工的传感设备等；制造能力类资源是指需要结合人力和知识的资源，比如产品设计能力、产品生产，用户可以将需求外包给相应的制造能力资源提供者，不再关注具体过程，只需要关注结果即可。各类资源之间通过互联网和物联网相互连接，接受访问和管理。

图2 制造云服务链

图3 制造云平台系统结构

2）资源接入层：实现资源的感知、虚拟化和服务化。IT基础设施利用成熟的计算、存储和网络全虚拟化技术实现，比如KVM、SDN、VirtualSAN等，为上层提供标准化的IT基础服务；制造类硬件资源通过云服务建模将制造资源描述成符合制造行业特征的规范化、语义化的描述，作为资源服务注册和调度的基础；制造能力类资源同制造硬件资源，通过云服务统一建模，描述成可注册和调度的标准化云服务。

3）资源管理层：对下层虚拟资源池的资源进行统一管理和调度，包括异构资源适配、资源服务管理、安全管理和运营管理，以及云服务链编排。其中，异构资源适配是对各类不同提供商提供的资源池所进行的归一化管理，云服务链编排提供制造生命周期流程管理功能，允许用户依据需要来编排云服务和云服务之间的链接关系，以便于各个制造环节之间的无缝对接。

云制造平台的功能结构如图4所示。依据工业控制系统分层的思路将系统抽象成三层：资源总线层、控制总线层和服务引擎层。

1）资源总线层：为上层提供异构资源访问能力，实现底层各类异构资源的调度、寻址、名称服务、安全保障等。

图4 云制造平台功能架构

2）控制总线层：为上层云服务提供资源控制和管理能力，包括资源分配、智能调度、事务控制、运行控制等，通过对资源的调配和运行控制，保证上层云服务的正常供应和QoS。

3）服务引擎层：将底层各类资源和能力通过标准的云服务接口对外提供，支持制造资源的共享，制造能力的标准化运营服务等。

4）资源/能力运营：提供制造相关云服务的发布、定价、计量和计费等。此外，提供运营管理报表，支撑运营管理。

3 云制造平台关键技术研究

3.1 云制造资源的统一接入

云制造平台采用面向服务的架构SOA设计，使用统一的服务总线集中管控和接入各类异构的资源，包括云计算资源、制造资源和制造能力等，如图5所示。

企业服务总线提供服务管理、服务编排功能，并支持协议转换、数据转换、消息路由和服务编排。能够灵活支持消息队列MQ、SOAP、RESTFUL、JDBC、HTTP、TCP等常用协议，最大化了异构制造资源服务的协议兼容能力，使得对不同服务商、不同类型数据的接口适配更加方便。

各类制造资源使用统一的云服务建模技术进行建模。云服务模型描述了服务的云信息及服务调用接口，能有效隔离异构资源和上层应用，确保云制造平台架构的松耦合。WebService技术广泛应用在面向服务计算中，服务的描述、发现和集成基于一系列标准，XML、SOAP、WSDL、UDDI。本文采用WSDL作为云制造服务的主要描述语言。WSDL是W3C提出的服务，主要用于描述静态服务，包括自身的功能及调用方法，无法满足云制造资源服务评价、服务质量等多种属性的描述要求。通过XML Schema语法对制造云服务模型进行扩展，使之具备更多的属性信息，支撑云制造平台上层对服务信息的需求。针对制造设备资源，描述模型为：

ManufacturingResource={BaseAttr，FunctionAttr，ApplicationAttr，StatAttr}

其中基本属性描述制造资源的基本信息，包括名称、型号、厂家、用途、提供商、位置、联系方式等；功能属性描述资源的参数描述，即设备自身参数指标，比如加工主参数、控制系统类型等；应用参数描述资源使用相关属性，包括可用时间、价格、服务评价等；状态属性是资源在云制造平台中状态，是否在使用，后续任务等。

云制造平台面向各类异构资源，不同的资源提供者有可能使用不同的云服务模型来描述资源，本文系统架构采用异构资源适配层来屏蔽底层异构资源的差异，对上采用上文描述的WSDL扩展语言统一对接入的资源进行重新建模。

3.2 云制造资源的共享服务

平台通过统一服务建模接入异构的资源并注册到资源表中，通过资源运营统一对外暴露服务。用户或者应用通过资源申请来获取资源，通过认证后由系统进行调度，从资源表中注册的资源中匹配合适的资源，然后资源路由与目标资源绑定，从而将资源分配给用户使用，整个资源共享服务流程如图6所示。

3.3 云制造服务链构建

云制造平台通过云服务链编排模块将各业务模块发布的零散服务集成起来，构造出完整业务流程，以满足用户业务变化的需求，对外提供业务流程定义和流程实例化接口。

图5 面向服务的统一资源接入

图6 云制造资源共享过程

各类制造资源和制造能力（如制造设备、加工能力等）通过服务总线发布服务。云制造统一门户通过调用流程定义接口编排业务流程，从而构建云服务链；调用流程实例化接口启动流程，按照定义的云服务链执行。

3.4 终端用户访问云制造服务

用户通过统一服务门户访问云制造服务。每个用户有自己独立的vFactory（虚拟制造工厂），每个vFactory都是一组虚拟制造资源以及用户的组合，不同用户的vFactory之间的虚拟资源相互隔离。

vFactory里面包含虚拟机、虚拟加工设备、设计/仿真软件等云服务。其中虚拟机作为设计、分析和仿真等软件的载体，同时也作为各类加工设备、传感器等资源的访问控制载体。所有的云服务资源用户都可以按需申请，并编排成云服务链，以满足产品设计、加工等需求。

用户可以通过虚拟桌面协议远程访问虚拟机，获得与普通PC一样的操作体验。虚拟桌面将数据资源及应用资源部署在后台服务器中心，用户可通过任意终端如电脑、智能手机、平板通过浏览器或者客户端访问到虚拟机[9]。

4 基于云制造平台的轴系零部件加工

轴类零件是各种机械产品中最常见的零件种类。轴类零件在建模过程中存在零件结构复杂，建模工作重复度高的情况。利用云制造平台提供的制造生命周期云服务链，可以便捷的获取轴系零件设计、校验、加工等一条龙资源，快速、高效的完成制造任务。

为了验证基于云制造平台提供的制造服务链对生产制造带来的变革，作者研究团队搭建了一个VMS平台（Virtualized Manufacturing System），实现了IT基础设施的虚拟化、面向云的制造业应用和PaaS服务，以及车床的虚拟化接入，面向用户以云服务方式提供虚拟化制造资源，实现云端制造。

VMS系统为每个用户创建一个独立的虚拟工厂，用户登录VMS系统后会进入属于自己的虚拟工厂。依据对阶梯轴生产活动的分析，创新阶梯轴加工云服务链，编排设计每阶段任务并在线申请虚拟资源，包括设计所需的虚拟机、设计软件SolidWorks、参数化设计中间件、仿真系统，以及加工所需的物料、车床等。编排设计、仿真和加工服务之间的衔接关系，即设计输出的图纸，输入到仿真系统进行设计校验和仿真加工，将仿真完成后的数控车床程序输入到真实的车床设备进行加工，如图7所示为虚拟工厂中阶梯轴加工云服务链。

用户通过虚拟桌面客户端远程访问虚拟机，利用设计软件和开发中间件快速完成开发，并依据云服务链依次完成仿真和加工，工作流程如图8所示。

整个加工过程，采用远程视频实时监控，加工程序执行逻辑记录实时反馈呈现。加工完成之后，可以自动发送邮件和短信，通知车床提供商将加工好的阶梯轴发货。

图7 虚拟工厂

图8 阶梯轴服务链执行过程

利用云制造平台，用户生产产品不再需要事先准备各类生产资源，而只需要登录平台，按需申请和配置云服务资源即可，利用平台提供的强大的设计能力和生产能力，大大缩短生产周期，与传统生产模式相比效率更高。

5 结束语

本文基于对云制造的研究和理解，结合云计算、物联网、信息化制造等技术，致力于构建面向制造的云服务链，扩展云计算IaaS、PaaS、SaaS三层服务模式的内涵，探讨了云服务链的概念、云制造平台架构和关键技术，并以阶梯轴制造为应用实例，证实面向制造的云服务链能够在制造生命周期的各阶段提供用户所需的各类服务，实现软硬件制造资源的弹性共享，并以云化方式提供给终端用户，支持多租户大规模应用。

下一步可利用虚拟化资源在平台上进行试验，根据成本、时间、质量等因素优化资源自动调配过程，使得云服务链更加高效；此外，还可以集成更多类型的云服务，包括物料供应、物流、更多加工设备等，丰富云服务类型，满足用户各类制造活动需求。

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