基于云计算的制造业信息化模型及云制造服务模型构建

张莉娟

(宁夏大学机械工程学院，宁夏银川 750021)

随着信息技术的发展，云计算服务已深入到各个领域和行业，因为这种新型技术架构及应用模式会极大地降低制造企业对于信息技术资金的投入以及信息系统运行维护压力，而且能很好地满足制造企业某些业务的应用需求。在管理信息化领域，基于 SaaS(Software－as－a－Service，软件即服务)模式的 CRM(Customer Relationship Management，客户关系管理)和ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划系统)系统已经被很多制造企业所广泛采用;在产品研发领域，基于 PaaS(Platform－as－a－Service，平台即服务)的桌面虚拟化的协同设计或远程协同设计也已经在部分制造企业得到初步应用［1］;在IT运营增值业务领域中，基于 IaaS(Infrastructure－as－a－Service，基础设施即服务)的硬件资源虚拟化平台在硬件资源托管利用服务、存储空间租赁业务、异地容灾备份业务等得到广泛应用。本文基于这个认识，提出了基于云计算的制造业信息化构建模型，并对基于制造服务的云制造服务模型提出了构建思路。

1 需求分析

中国已成为全球制造大国，并即将成为全球制造中心，然而并未成为制造强国。究其原因之一是我国的信息化发展离支撑制造业发展还有较大的差距。我国的制造业信息化从无到有，在发展认识和历程上走入了这样4个误区:

(1)对信息产业的发展规划还缺乏创新思维和战略眼光;

(2)信息化支撑企业决策的地位还没有被深刻理解和正确认识，缺乏信息化支撑制造业发展的全局观;

(3)在网络条件下优化企业的经营管理思路和工作流程的思维还没有树立起来;

(4)信息化支撑制造业仍然停留在一般化、空泛化、理论化的层面上，无法真正实现制造企业资源有效整合。

制造业信息化的内涵是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与传统产品技术、生产技术、管理技术相结合，带动产品创新、产品设计方法和生产技术创新、企业管理模式创新、企业间协作关系创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化，生产过程控制的智能化，制造装备的数控化，服务经营的网络化，全面提升企业竞争能力的过程［2］。目标是提升企业制造敏捷性、健壮性和柔韧性，提高企业市场竞争力。对照这个内涵和目标，具体分析我国制造企业信息化发展，仍然还面临这样几种困境:

(1)信息化技术应用的基础良好，但对实现产品设计、研发、管理信息系统集成以及既有IT资源整合利用需求十分迫切;

(2)众多制造业信息化系统，如ERP、CRM、SCM(Supply Chain Management，供应链管理)、PLM(Product Lifecyde Management，生命周期管理)、PDM(Product Data Munagement，产品数据管理)、CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)等系统的异构性导致“信息孤岛”现象特别突出;

(3)中小制造企业实现传统的信息化建设，如信息化基础设施建设、信息技术服务团队建设、软硬件系统部署、信息化系统日常维护等仍然是企业生产经营和管理过程中的沉重压力;

(4)现有信息系统对企业间的设计协同、管理协同以及实现对供应管理、销售管理和服务协同等跨企业主业务流程缺乏有效支持。

云计算突破了传统的信息系统的建设、管理和使用模式，在硬件虚拟化部署、数据存储管理、应用系统的开发和部署模式等方面具有独特的技术优势，其技术实质是计算、存储、应用软件、安全管理等IT软硬件资源的虚拟化，其核心思想是将大量分散、自治的计算机软硬件资源用网络统一管理，构成一个海量的资源池，动态扩展和缩小，提供定制服务，实现用户对资源的按需获取［3］。

云计算所追求的低成本、高效率，也正是制造企业追求的价值目标。制造企业的信息化应用无需购买部署任何软硬件产品和信息化平台，企业可以通过租赁的方式来实现对软硬件资源的合法使用，以满足所有业务需求。这不但能有效减少企业资金的占用，而且能大幅节约企业生产运营成本。

2 基于云计算的制造业信息化模型构建

2.1 基于SaaS模式构建制造资源层

在基础应用方面，封装应用门户、邮件系统、协同信息系统等基础应用;在业务应用方面，将ERP、SCM、PDM、PLM、CRM、CAD、CAPP(Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺)、CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，计算机集成制造系统)等制造业信息化管理系统封装起来，供用户定制使用。由于诸多系统间存在的数据异构特征明显，因此，还需要通过异构数据集成中间件进行数据整合，从而达到系统在应用层和数据层的兼容。

2.2 基于PaaS模式构建应用运行平台

它将应用运行所需要的信息资源、基础设施以服务的方式提供给用户使用。信息资源主要包含分布式计算环境、多种类型的数据存储、资源动态配置、应用运行环境、制造全生命周期支持，提供开发SDK(Software Development Kit，软件开发工具包)、IDE(Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器)等加快应用开发、测试和部署［4］。除了提供应用运行环境外，还需要提供整合服务、消息服务和流程服务等用于构建SOA(Service－Oriented Architecture，面向服务的体系结构)风格的复合应用。基于这种模式，底层应用基础设施和硬件部署对开发人员是透明的，开发人员可以根据应用需求动态扩展应用系统所需的各种软硬件资源和服务资源。

2.3 基于IaaS模式构建虚拟服务层

提供给最终用户的服务是计算服务、数据存储(包括容灾备份)、网络设施、安全认证及其他基本的计算资源等基础设施的使用［5］。用户有权部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。用户无需维护或控制任何云计算基础设施，但能控制操作系统的选择、储存空间、部署应用，可获取安全管控范围内有限的网络在线IT资源的控制。

2.4 基于云计算的制造业信息化模型结构及服务交付模式描述

基于云计算的制造业信息化模型结构如图1所示。在云管理系统及相关业务平台支撑下，基于云计算的信息化系统分别在IaaS、PaaS、SaaS这3个层面上为用户提供服务。

基于云计算的制造业信息化服务交付模式如图2所示，资源供应商或开发者、最终用户是云计算资源的提供、消费的两大主体［6］。IT资源供应商或开发者在PaaS、IaaS两个层面上同时作为相关资源提供者和消费者，负责资源及流程整合，在SaaS层面上仅作为资源的提供者。最终用户根据使用需求，在SaaS、PaaS、IaaS三个层面上动态获取，是云计算服务的消费者。三层服务中，每一层服务内容顺序支撑上层服务运行。

3 基于云制造服务模式

3.1 基于云计算的制造业信息化与云制造的区别

如果说基于云计算的制造业信息化在产品研发、设计、生产、销售等制造全生命周期各应用环节中增加产业的技术含量、提高加工精度和生产效率、节约企业运营成本方面体现出了强劲的技术优势，那么云制造的目标则是实现对产品设计、研发生产、销售使用等制造全生命周期的相关资源的服务化封装和有机整合，能提供标准、规范和可共享的制造服务模式，是一种面向服务和需求，基于知识库、模型库和数据库的网络化、敏捷化制造新模式和技术手段，是基于云计算的“上层建筑”［7］。云计算共享了计算资源，如存储、服务器、安全设备、软件、数据和产品中间件等资源，而云制造则共享的是制造资源和制造能力。

3.2 云制造服务模型结构及服务交付模式描述

云制造是基于云计算服务的延伸和发展，拓展了云计算的资源共享内容、技术和服务理念。制造资源主要包括制造过程中的各种模型、数据、软件、信息、知识、加工中心、计算设备、仿真设备、试验设备等IT资产［8］;制造能力主要包括制造过程中有关的技术论证、设计研发、生产实践、实验仿真、集约管理、集成制造等能力。基于上述认识提出云制造服务模型，云制造服务模型结构如图3所示，其核心思想是:

(1)把异构、分散、自治的制造资源进行标准化封装是实现共享的基础和前提;

(2)充分体现了“制造即服务”的面向服务的核心理念;

(3)为快速应对制造资源和制造能力动态需求、匹配检索、服务化封装提供了资源基础;

(4)体现了制造全生命周期活动“智能化”、“服务化”、“敏捷化”、“高效化”;

(5)实现了产品制造由单一制造主体串行模式向多制造主体协同并行模式的转变。

云制造服务交付模式如图4所示，制造资源提供者将异构、分散、自治的制造资源和制造能力，利用用于辅助决策分析的模型库、知识库作为支持，封装为云服务，提供给制造业资源云池，制造云的运营者根据制造任务特征描述，对资源进行标准化、服务化封装，并从云池接出，提供给制造资源的使用者。

资源服务共享过程如图5所示，资源服务共享过程的核心是:

(1)将一个制造总任务T分解为若干子任务(t1，t2，…，tn)，对子任务进行特征描述并进行云发布;

(2)在约束条件下，系统对照任务描述对制造资源进行检索匹配，进行标准化、服务化封装，形成针对特定任务的制造资源广义的“同构”和“集中”;

(3)通过时序控制，完成制造资源集的共享，实现制造全生命周期应用。

4 结语

本文对基于云计算的制造业信息化建设中的应用价值和实现模型作了充分的论述，包括基于云计算的制造业信息化建设的模式分析和框架设计，并提出了云制造服务模型结构设计。制造业信息化是一项带有战略意义的系统工程，展望未来，基于云计算的制造业信息化及云制造服务发展的关键因素是需求驱动;除此之外，受商业秘密、信息安全、知识产权和专利保护等多方面因素的制约，基于云计算的制造业信息化发展前景还需要依赖于信息技术的进一步提升、制造企业价值理念进一步更新和社会管理制度进一步创新。

［1］王瑞玲.基于AJAX的企业信息管理系统的设计与实现［D］.天津:天津大学，2007.

［2］陈大龙，米艳玲.制造业企业信息化发展模式及其对企业竞争力的影响研究［J］.江苏科技信息:学术研究，2010(10):126－128.

［3］张钰培.基于云计算平台的网络运行管理系统的设计与实现［D］.长春:吉林大学，2012.

［4］毛宁宁.支持服务协同的PaaS平台中服务动态适配关键技术研究［D］.济南:山东大学，2011.

［5］李伯虎，张霖，王时龙，等.云制造——面向服务的网络化制造新模式［J］.计算机集成制造系统，2010，16(1):1 －7.

［6］George Reese.云计算应用架构［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［7］陈琨，王东勃，王颖慧，等.云制造软资源封装研究［J］.中国制造业信息化，2012，41(5):58 －63.

［8］房秉毅，张云勇，陈清金，等.云计算网络虚拟化技术［J］.信息通信技术，2011，5(1):50 －53.