基于云計算的制造業(yè)信息化模型及云制造服務(wù)模型構(gòu)建

張莉娟

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，云計算服務(wù)已深入到各個領(lǐng)域和行業(yè)，因?yàn)檫@種新型技術(shù)架構(gòu)及應(yīng)用模式會極大地降低制造企業(yè)對于信息技術(shù)資金的投入以及信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)壓力，而且能很好地滿足制造企業(yè)某些業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。在管理信息化領(lǐng)域，基于 SaaS(Software－as－a－Service，軟件即服務(wù))模式的 CRM(Customer Relationship Management，客戶關(guān)系管理)和ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃系統(tǒng))系統(tǒng)已經(jīng)被很多制造企業(yè)所廣泛采用;在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，基于 PaaS(Platform－as－a－Service，平臺即服務(wù))的桌面虛擬化的協(xié)同設(shè)計或遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計也已經(jīng)在部分制造企業(yè)得到初步應(yīng)用［1］;在IT運(yùn)營增值業(yè)務(wù)領(lǐng)域中，基于 IaaS(Infrastructure－as－a－Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))的硬件資源虛擬化平臺在硬件資源托管利用服務(wù)、存儲空間租賃業(yè)務(wù)、異地容災(zāi)備份業(yè)務(wù)等得到廣泛應(yīng)用。本文基于這個認(rèn)識，提出了基于云計算的制造業(yè)信息化構(gòu)建模型，并對基于制造服務(wù)的云制造服務(wù)模型提出了構(gòu)建思路。

1 需求分析

中國已成為全球制造大國，并即將成為全球制造中心，然而并未成為制造強(qiáng)國。究其原因之一是我國的信息化發(fā)展離支撐制造業(yè)發(fā)展還有較大的差距。我國的制造業(yè)信息化從無到有，在發(fā)展認(rèn)識和歷程上走入了這樣4個誤區(qū):

(1)對信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃還缺乏創(chuàng)新思維和戰(zhàn)略眼光;

(2)信息化支撐企業(yè)決策的地位還沒有被深刻理解和正確認(rèn)識，缺乏信息化支撐制造業(yè)發(fā)展的全局觀;

(3)在網(wǎng)絡(luò)條件下優(yōu)化企業(yè)的經(jīng)營管理思路和工作流程的思維還沒有樹立起來;

(4)信息化支撐制造業(yè)仍然停留在一般化、空泛化、理論化的層面上，無法真正實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)資源有效整合。

制造業(yè)信息化的內(nèi)涵是將信息技術(shù)、自動化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、管理技術(shù)相結(jié)合，帶動產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)品設(shè)計方法和生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新、企業(yè)管理模式創(chuàng)新、企業(yè)間協(xié)作關(guān)系創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造和企業(yè)管理的信息化，生產(chǎn)過程控制的智能化，制造裝備的數(shù)控化，服務(wù)經(jīng)營的網(wǎng)絡(luò)化，全面提升企業(yè)競爭能力的過程［2］。目標(biāo)是提升企業(yè)制造敏捷性、健壯性和柔韌性，提高企業(yè)市場競爭力。對照這個內(nèi)涵和目標(biāo)，具體分析我國制造企業(yè)信息化發(fā)展，仍然還面臨這樣幾種困境:

(1)信息化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)良好，但對實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、管理信息系統(tǒng)集成以及既有IT資源整合利用需求十分迫切;

(2)眾多制造業(yè)信息化系統(tǒng)，如ERP、CRM、SCM(Supply Chain Management，供應(yīng)鏈管理)、PLM(Product Lifecyde Management，生命周期管理)、PDM(Product Data Munagement，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)、CAD(Computer Aided Design，計算機(jī)輔助設(shè)計)等系統(tǒng)的異構(gòu)性導(dǎo)致“信息孤島”現(xiàn)象特別突出;

(3)中小制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的信息化建設(shè)，如信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、信息技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊建設(shè)、軟硬件系統(tǒng)部署、信息化系統(tǒng)日常維護(hù)等仍然是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和管理過程中的沉重壓力;

(4)現(xiàn)有信息系統(tǒng)對企業(yè)間的設(shè)計協(xié)同、管理協(xié)同以及實(shí)現(xiàn)對供應(yīng)管理、銷售管理和服務(wù)協(xié)同等跨企業(yè)主業(yè)務(wù)流程缺乏有效支持。

云計算突破了傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)的建設(shè)、管理和使用模式，在硬件虛擬化部署、數(shù)據(jù)存儲管理、應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和部署模式等方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是計算、存儲、應(yīng)用軟件、安全管理等IT軟硬件資源的虛擬化，其核心思想是將大量分散、自治的計算機(jī)軟硬件資源用網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理，構(gòu)成一個海量的資源池，動態(tài)擴(kuò)展和縮小，提供定制服務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶對資源的按需獲?。?］。

云計算所追求的低成本、高效率，也正是制造企業(yè)追求的價值目標(biāo)。制造企業(yè)的信息化應(yīng)用無需購買部署任何軟硬件產(chǎn)品和信息化平臺，企業(yè)可以通過租賃的方式來實(shí)現(xiàn)對軟硬件資源的合法使用，以滿足所有業(yè)務(wù)需求。這不但能有效減少企業(yè)資金的占用，而且能大幅節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營成本。

2 基于云計算的制造業(yè)信息化模型構(gòu)建

2.1 基于SaaS模式構(gòu)建制造資源層

在基礎(chǔ)應(yīng)用方面，封裝應(yīng)用門戶、郵件系統(tǒng)、協(xié)同信息系統(tǒng)等基礎(chǔ)應(yīng)用;在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，將ERP、SCM、PDM、PLM、CRM、CAD、CAPP(Computer Aided Process Planning，計算機(jī)輔助工藝)、CAM(Computer Aided Manufacturing，計算機(jī)輔助制造)、CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等制造業(yè)信息化管理系統(tǒng)封裝起來，供用戶定制使用。由于諸多系統(tǒng)間存在的數(shù)據(jù)異構(gòu)特征明顯，因此，還需要通過異構(gòu)數(shù)據(jù)集成中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，從而達(dá)到系統(tǒng)在應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的兼容。

2.2 基于PaaS模式構(gòu)建應(yīng)用運(yùn)行平臺

它將應(yīng)用運(yùn)行所需要的信息資源、基礎(chǔ)設(shè)施以服務(wù)的方式提供給用戶使用。信息資源主要包含分布式計算環(huán)境、多種類型的數(shù)據(jù)存儲、資源動態(tài)配置、應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境、制造全生命周期支持，提供開發(fā)SDK(Software Development Kit，軟件開發(fā)工具包)、IDE(Integrated Drive Electronics，電子集成驅(qū)動器)等加快應(yīng)用開發(fā)、測試和部署［4］。除了提供應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境外，還需要提供整合服務(wù)、消息服務(wù)和流程服務(wù)等用于構(gòu)建SOA(Service－Oriented Architecture，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))風(fēng)格的復(fù)合應(yīng)用?；谶@種模式，底層應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施和硬件部署對開發(fā)人員是透明的，開發(fā)人員可以根據(jù)應(yīng)用需求動態(tài)擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng)所需的各種軟硬件資源和服務(wù)資源。

2.3 基于IaaS模式構(gòu)建虛擬服務(wù)層

提供給最終用戶的服務(wù)是計算服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(包括容災(zāi)備份)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、安全認(rèn)證及其他基本的計算資源等基礎(chǔ)設(shè)施的使用［5］。用戶有權(quán)部署和運(yùn)行任意軟件，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。用戶無需維護(hù)或控制任何云計算基礎(chǔ)設(shè)施，但能控制操作系統(tǒng)的選擇、儲存空間、部署應(yīng)用，可獲取安全管控范圍內(nèi)有限的網(wǎng)絡(luò)在線IT資源的控制。

2.4 基于云計算的制造業(yè)信息化模型結(jié)構(gòu)及服務(wù)交付模式描述

基于云計算的制造業(yè)信息化模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在云管理系統(tǒng)及相關(guān)業(yè)務(wù)平臺支撐下，基于云計算的信息化系統(tǒng)分別在IaaS、PaaS、SaaS這3個層面上為用戶提供服務(wù)。

基于云計算的制造業(yè)信息化服務(wù)交付模式如圖2所示，資源供應(yīng)商或開發(fā)者、最終用戶是云計算資源的提供、消費(fèi)的兩大主體［6］。IT資源供應(yīng)商或開發(fā)者在PaaS、IaaS兩個層面上同時作為相關(guān)資源提供者和消費(fèi)者，負(fù)責(zé)資源及流程整合，在SaaS層面上僅作為資源的提供者。最終用戶根據(jù)使用需求，在SaaS、PaaS、IaaS三個層面上動態(tài)獲取，是云計算服務(wù)的消費(fèi)者。三層服務(wù)中，每一層服務(wù)內(nèi)容順序支撐上層服務(wù)運(yùn)行。

3 基于云制造服務(wù)模式

3.1 基于云計算的制造業(yè)信息化與云制造的區(qū)別

如果說基于云計算的制造業(yè)信息化在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售等制造全生命周期各應(yīng)用環(huán)節(jié)中增加產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量、提高加工精度和生產(chǎn)效率、節(jié)約企業(yè)運(yùn)營成本方面體現(xiàn)出了強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢，那么云制造的目標(biāo)則是實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)生產(chǎn)、銷售使用等制造全生命周期的相關(guān)資源的服務(wù)化封裝和有機(jī)整合，能提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和可共享的制造服務(wù)模式，是一種面向服務(wù)和需求，基于知識庫、模型庫和數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)化、敏捷化制造新模式和技術(shù)手段，是基于云計算的“上層建筑”［7］。云計算共享了計算資源，如存儲、服務(wù)器、安全設(shè)備、軟件、數(shù)據(jù)和產(chǎn)品中間件等資源，而云制造則共享的是制造資源和制造能力。

3.2 云制造服務(wù)模型結(jié)構(gòu)及服務(wù)交付模式描述

云制造是基于云計算服務(wù)的延伸和發(fā)展，拓展了云計算的資源共享內(nèi)容、技術(shù)和服務(wù)理念。制造資源主要包括制造過程中的各種模型、數(shù)據(jù)、軟件、信息、知識、加工中心、計算設(shè)備、仿真設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備等IT資產(chǎn)［8］;制造能力主要包括制造過程中有關(guān)的技術(shù)論證、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)仿真、集約管理、集成制造等能力。基于上述認(rèn)識提出云制造服務(wù)模型，云制造服務(wù)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，其核心思想是:

(1)把異構(gòu)、分散、自治的制造資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝是實(shí)現(xiàn)共享的基礎(chǔ)和前提;

(2)充分體現(xiàn)了“制造即服務(wù)”的面向服務(wù)的核心理念;

(3)為快速應(yīng)對制造資源和制造能力動態(tài)需求、匹配檢索、服務(wù)化封裝提供了資源基礎(chǔ);

(4)體現(xiàn)了制造全生命周期活動“智能化”、“服務(wù)化”、“敏捷化”、“高效化”;

(5)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品制造由單一制造主體串行模式向多制造主體協(xié)同并行模式的轉(zhuǎn)變。

云制造服務(wù)交付模式如圖4所示，制造資源提供者將異構(gòu)、分散、自治的制造資源和制造能力，利用用于輔助決策分析的模型庫、知識庫作為支持，封裝為云服務(wù)，提供給制造業(yè)資源云池，制造云的運(yùn)營者根據(jù)制造任務(wù)特征描述，對資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)化封裝，并從云池接出，提供給制造資源的使用者。

資源服務(wù)共享過程如圖5所示，資源服務(wù)共享過程的核心是:

(1)將一個制造總?cè)蝿?wù)T分解為若干子任務(wù)(t1，t2，…，tn)，對子任務(wù)進(jìn)行特征描述并進(jìn)行云發(fā)布;

(2)在約束條件下，系統(tǒng)對照任務(wù)描述對制造資源進(jìn)行檢索匹配，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)化封裝，形成針對特定任務(wù)的制造資源廣義的“同構(gòu)”和“集中”;

(3)通過時序控制，完成制造資源集的共享，實(shí)現(xiàn)制造全生命周期應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文對基于云計算的制造業(yè)信息化建設(shè)中的應(yīng)用價值和實(shí)現(xiàn)模型作了充分的論述，包括基于云計算的制造業(yè)信息化建設(shè)的模式分析和框架設(shè)計，并提出了云制造服務(wù)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計。制造業(yè)信息化是一項帶有戰(zhàn)略意義的系統(tǒng)工程，展望未來，基于云計算的制造業(yè)信息化及云制造服務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是需求驅(qū)動;除此之外，受商業(yè)秘密、信息安全、知識產(chǎn)權(quán)和專利保護(hù)等多方面因素的制約，基于云計算的制造業(yè)信息化發(fā)展前景還需要依賴于信息技術(shù)的進(jìn)一步提升、制造企業(yè)價值理念進(jìn)一步更新和社會管理制度進(jìn)一步創(chuàng)新。

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