云制造研究綜述

云制造研究綜述

制造業(yè)的發(fā)展是國(guó)家生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)。先進(jìn)制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等新信息技術(shù)結(jié)合,不斷突破瓶頸,發(fā)展出新的更能適應(yīng)市場(chǎng)需求的先進(jìn)制造模式。先進(jìn)制造模式,如敏捷制造、虛擬制造、網(wǎng)絡(luò)化制造等,都是先進(jìn)制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等新信息技術(shù)深度融合的結(jié)果。其中網(wǎng)絡(luò)化制造模式將先進(jìn)制造技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合,突破了地理空間的限制,通過(guò)建立面向市場(chǎng)需求的基于互聯(lián)網(wǎng)的制造系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了企業(yè)間的協(xié)作和資源的共享,能夠較好地滿足企業(yè)和社會(huì)的需求。但網(wǎng)絡(luò)化制造沒(méi)有實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的智能終端接入,制造資源也不能很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)智能共享與分配,其應(yīng)用受到一定制約近年來(lái),云制造以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)為依托,突破先進(jìn)制造技術(shù)瓶頸,發(fā)展成為一種新興制造模式。云制造是網(wǎng)絡(luò)化制造等先進(jìn)制造模式與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化等新一代信息技術(shù)深度交叉融合的產(chǎn)物。它匯聚分散在各地的閑散制造資源和能力,集成制造資源和能力為云服務(wù),按需為云用戶提供云制造服務(wù),較好地彌補(bǔ)了現(xiàn)有制造模式的缺點(diǎn),一被提出就成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。1云制造即服務(wù)相關(guān)理論研究目前云制造還沒(méi)有統(tǒng)一的定義,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了定義。李伯虎院士、張霖教授等楊海成李春泉等Tao等Xu盡管以上不同學(xué)者對(duì)云制造有不同的闡釋,但均體現(xiàn)了“制造即服務(wù)”的思想,都認(rèn)為云制造要以先進(jìn)信息技術(shù)為支撐,將制造資源和制造能力轉(zhuǎn)化為制造云服務(wù),以云制造平臺(tái)為中心對(duì)云服務(wù)進(jìn)行集中管理和運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)云用戶對(duì)制造服務(wù)的按需使用。2云制造結(jié)構(gòu)系統(tǒng)絕大多數(shù)學(xué)者采用多層體系結(jié)構(gòu)或模塊化方法建立云制造結(jié)構(gòu)系統(tǒng),這兩種方法中又以多層體系結(jié)構(gòu)方法為最多。如云制造提出者李伯虎等在云制造框架、模型方面研究中,黃沈權(quán)等3云制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)云制造是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物,云制造系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要許多關(guān)鍵技術(shù)的支撐。本文主要從云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬化技術(shù)、云服務(wù)搜索匹配、組合與優(yōu)化技術(shù)、安全技術(shù)4個(gè)方面對(duì)云制造的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述。3.1云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作為云制造的關(guān)鍵技術(shù),云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是制造業(yè)中物理世界與信息世界的連接橋梁。云計(jì)算憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力,將云計(jì)算中的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)擴(kuò)展到設(shè)計(jì)即服務(wù)(DaaS)、生產(chǎn)即服務(wù)(FaaS)、仿真即服務(wù)(SIMaaS)、實(shí)驗(yàn)即服務(wù)(EaaS)、管理即服務(wù)(MaaS)、集成即服務(wù)(IaaS),為云制造平臺(tái)存在的服務(wù)效率、資源配置、信息安全等問(wèn)題提供了解決途徑云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在敏捷制造、虛擬制造等先進(jìn)制造模式中的研究已得到很大發(fā)展3.2虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)將制造資源或能力創(chuàng)建為一個(gè)或多個(gè)“虛擬器件”的模板或鏡像,然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的應(yīng)用封裝國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)云制造虛擬化技術(shù)的研究已取得一定成果,如Liu等3.3搜索匹配、組合與優(yōu)化云制造的目的是按需地為資源需求者提供制造資源和制造能力,當(dāng)海量的分布在不同地理位置的資源虛擬化封裝成云服務(wù)后,云平臺(tái)搜索匹配符合要求的云服務(wù),之后再組合出最優(yōu)云服務(wù)。云服務(wù)搜索匹配、組合與優(yōu)化作為云制造關(guān)鍵技術(shù),其關(guān)乎到云服務(wù)的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)云服務(wù)搜索匹配、組合與優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了大量研究。云服務(wù)搜索匹配方面,Yang等云服務(wù)組合與優(yōu)化方面,Liu等3.4云制造安全技術(shù)安全問(wèn)題一直是企業(yè)最關(guān)心的問(wèn)題之一,如果云制造系統(tǒng)沒(méi)有安全保障,云服務(wù)需求企業(yè)可能面臨商業(yè)信息被泄露等損失,所以云制造的實(shí)施需要強(qiáng)有力的安全技術(shù)的支持。云制造安全技術(shù)主要包括4云制造服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用情況隨著云制造理論及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,云制造在國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)單位得到應(yīng)用發(fā)展。美國(guó)的制造能力交易平臺(tái)MFG.com集成全球零部件采購(gòu)商定制需求,縮短制造業(yè)采購(gòu)流程。該平臺(tái)已經(jīng)有50個(gè)國(guó)家的近20萬(wàn)制造商為消費(fèi)者提供服務(wù),實(shí)現(xiàn)了從需求申請(qǐng)到產(chǎn)品運(yùn)輸在內(nèi)的整個(gè)過(guò)程的服務(wù)、管理及監(jiān)控國(guó)內(nèi)的中國(guó)航天科工二院和中國(guó)北車等大型集團(tuán),集成各種制造資源和能力,研發(fā)云制造服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)航天復(fù)雜產(chǎn)品和軌道交通設(shè)備制造的全生命周期服務(wù)表2列出了國(guó)內(nèi)外其他一些云制造應(yīng)用情況,從表中可知云制造平臺(tái)在國(guó)內(nèi)外很多單位得到初步應(yīng)用。雖然云制造理論及技術(shù)還在發(fā)展階段,但其已經(jīng)開始從理論走向?qū)嶋H運(yùn)用,使企業(yè)的制造資源和制造能力使用率得到有效提高,降低了成本,提高了競(jìng)爭(zhēng)力。5國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相關(guān)研究的關(guān)注云制造作為一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化新制造模式,已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān)注。但還有一些相關(guān)問(wèn)題值得深入研究,本文通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的分析,將未來(lái)可能的研究方向總結(jié)為以下幾點(diǎn)。1云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前不同研究者對(duì)云制造的理論概念、體系結(jié)構(gòu)、框架和模型的認(rèn)知已趨于一致,但其相關(guān)技術(shù)還需要繼續(xù)深入研究,如云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是制造業(yè)中物理世界與信息世界的連接橋梁。它將分散在各地的物理資源聚集起來(lái),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的分散利用,所以必須首先實(shí)現(xiàn)物理資源的感知,繼而實(shí)現(xiàn)物理資源到信息資源的轉(zhuǎn)換。這就使得云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為云制造實(shí)現(xiàn)的首要關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)已有文獻(xiàn)的分析可知,相對(duì)于虛擬化技術(shù),云制造的云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究很少。未來(lái)應(yīng)加大云制造中云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究,以更好地支撐云制造的實(shí)現(xiàn)。2云制造服務(wù)的高維目標(biāo)優(yōu)化方法目前求解云服務(wù)組合與優(yōu)化問(wèn)題的方法較為單一,多數(shù)文獻(xiàn)采用的優(yōu)化方法是基于目標(biāo)權(quán)重和的方法,而這種優(yōu)化方法在求解規(guī)模較大的高維目標(biāo)(目標(biāo)數(shù)>3)問(wèn)題時(shí)并不理想。云制造服務(wù)的各種資源具有海量性,且其優(yōu)化目標(biāo)除生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)成本外,還可能涉及到物流時(shí)間、物流成本、加工質(zhì)量、可靠度等多個(gè)目標(biāo),屬于高維目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,這就對(duì)現(xiàn)有優(yōu)化方法提出了挑戰(zhàn)。因此必須發(fā)展新的高維目標(biāo)優(yōu)化方法,豐富云制造服務(wù)的組合與優(yōu)化方法,為云用戶保證優(yōu)質(zhì)的云服務(wù)。3云用戶的選擇服務(wù)云制造是將云服務(wù)按需提供給云用戶的,當(dāng)云運(yùn)營(yíng)商為云用戶優(yōu)選出適合的云服務(wù)后,云用戶根據(jù)自身需求對(duì)云服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,最后決定是否付費(fèi)租用云服務(wù)。云制造服務(wù)結(jié)果評(píng)估關(guān)系到最終云服務(wù)能否被云用戶成功租用。目前云制造服務(wù)結(jié)果評(píng)估方面的研究也很少,未來(lái)應(yīng)該加大云制造服務(wù)結(jié)果評(píng)估模型等方向的研究。4云平臺(tái)安全和信任問(wèn)題。云云制造平臺(tái)還處在不斷發(fā)展階段,很有可能被惡意攻擊造成平臺(tái)的崩潰,不被信任的服務(wù)也可能混入云平臺(tái),這就使得云平臺(tái)的安全和信任成為一個(gè)潛在突出問(wèn)題。如果沒(méi)有一個(gè)安全、可信任的云平臺(tái)環(huán)境,云用戶可能對(duì)云服務(wù)持懷疑態(tài)度,最終云服務(wù)無(wú)法被云用戶租用。因此,云制造的安全和信任問(wèn)題的研究很有意義,為了保證云制造的安全和信任度,急需大力深入這方面的研究,未來(lái)這將是一個(gè)值得研究的方向。5利用云制造平臺(tái)在我國(guó),中小型企業(yè)占絕大多數(shù),這些企業(yè)常因缺少先進(jìn)的制造資源和制造能力而無(wú)法完成某些生產(chǎn)任務(wù),導(dǎo)致企業(yè)利益和客戶訂單的損失。云制造聚集分散在各地的閑散制造資源和制造能力,為我國(guó)中小型企業(yè)面臨的困境提供了解決思路。中小型企業(yè)可以利用云制造平臺(tái)租用先進(jìn)的制造資源和制造能力,完成自身企業(yè)不能完成的訂單任務(wù)。目前已有面向中小型企業(yè)的云制造平臺(tái)出現(xiàn),但我國(guó)云制造應(yīng)用平臺(tái)還是以面向集團(tuán)大企業(yè)為主,未來(lái)應(yīng)擴(kuò)大研發(fā)適合我國(guó)廣大中小型企業(yè)的云制造平臺(tái),提出更適合中小型企業(yè)的云制造模型,集成更多適合中小型企業(yè)的云制造資源和能力。6國(guó)外制造業(yè)企業(yè)引領(lǐng)制造技術(shù)方向云制造新模式實(shí)