智慧云制造

李伯虎　柴旭東　張霖

摘要：提出了智慧云制造的內(nèi)涵，即智慧云制造是一種互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)深度融合的新模式、新手段和新業(yè)態(tài)。通過(guò)航天云網(wǎng)的實(shí)踐，給出智慧云制造面向行業(yè)、企業(yè)、車間不同層次及面向產(chǎn)業(yè)鏈不同階段開展應(yīng)用的范例。認(rèn)為智慧云制造的發(fā)展需要注重創(chuàng)新體系的建設(shè)，要實(shí)現(xiàn)“技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)”的協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧；云制造；互聯(lián)網(wǎng)+

Abstract： In this paper， the connotation of the smart cloud manufacturing is put forward. The smart cloud manufacturing is a new kind of manufacturing paradigm， approach and ecosystem of deep integration of the Internet and the manufacturing industry. Through the practice of "astronautics cloud”， application cases covering levels of industry， enterprise， workshop and phases of industrial chain are presented. It is believed that the development of smart cloud manufacturing needs to pay attention to the construction of innovation system， and realize the coordinated development of "technology， application and industry".

Key words： smart； cloud manufacturing； Internet+

當(dāng)前，制造業(yè)正面臨全球新技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，特別是快速發(fā)展的新一代信息通信技術(shù)，以及取得重要突破的人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，正引發(fā)制造業(yè)制造模式、制造流程、制造手段、生態(tài)系統(tǒng)等的重大變革。

一些國(guó)家紛紛制訂國(guó)家制造發(fā)展計(jì)劃：美國(guó)政府先后出臺(tái)的“先進(jìn)制造伙伴關(guān)系”計(jì)劃 （AMP）、“國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃（NNMI）等戰(zhàn)略規(guī)劃；德國(guó)在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。

目前，中國(guó)制造業(yè)正面臨從價(jià)值鏈的低端向中高端，從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)，從中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造，從經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)發(fā)展等轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵歷史時(shí)期。中國(guó)工程院《制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略研究》報(bào)告中提出中國(guó)制造業(yè)迫切需要推進(jìn)5個(gè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]，即由技術(shù)跟隨戰(zhàn)略向自主開發(fā)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型再向技術(shù)超越戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型升級(jí)；由傳統(tǒng)制造向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造轉(zhuǎn)型升級(jí)；由粗放型制造向質(zhì)量效益型制造轉(zhuǎn)型升級(jí)；由資源消耗型、環(huán)境污染型制造向綠色制造轉(zhuǎn)型升級(jí)；由生產(chǎn)型制造向生產(chǎn)+服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 智慧云制造概論

筆者團(tuán)隊(duì)從20世紀(jì)80年代即介入制造業(yè)信息化研究與應(yīng)用的工作，于2009年提出了“云制造”的理念，并開始了以網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化為主要特征的云制造1.0的研究與實(shí)踐[2-5]。目前，云制造已經(jīng)在全球范圍內(nèi)均取得了較大的影響力[7-13]。經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)踐，隨著有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算等新興信息技術(shù)的發(fā)展，3D打印、智能化機(jī)器人、智能制造裝備等新興制造技術(shù)智慧化的發(fā)展，以及機(jī)器深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的知識(shí)工程、基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能等人工智能技術(shù)的新發(fā)展[14]，云制造的智慧化有了更強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。因此，本團(tuán)隊(duì)于2012年提出并開始了以互聯(lián)化、服務(wù)化、協(xié)同化、個(gè)性化（定制化）、柔性化、社會(huì)化為主要特征的“智慧云制造”（云制造2.0）的研究與探索，它在制造模式、技術(shù)手段、支撐技術(shù)、應(yīng)用等方面進(jìn)一步發(fā)展了云制造1.0[15]，它是“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的一種智造模式、手段與業(yè)態(tài)，是實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)深度融合的一種制造新模式、新手段與新業(yè)態(tài)。

1.1 智慧云制造的定義

基于泛在網(wǎng)絡(luò)，借助新興制造技術(shù)、新興信息技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)及制造應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)等4類技術(shù)深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)手段，智慧云制造構(gòu)成以用戶為中心的智慧制造資源與能力的服務(wù)云（網(wǎng)），使用戶通過(guò)智慧終端及智慧云制造服務(wù)平臺(tái)便能隨時(shí)隨地、按需獲取智慧制造資源與能力，對(duì)制造全系統(tǒng)、全生命周期活動(dòng)（產(chǎn)業(yè)鏈）中的人、機(jī)、物、環(huán)境、信息進(jìn)行自主智慧地感知、互聯(lián)、協(xié)同、學(xué)習(xí)、分析、認(rèn)知、決策、控制與執(zhí)行，促使制造全系統(tǒng)及全生命周期活動(dòng)中的人/組織、經(jīng)營(yíng)管理、技術(shù)/設(shè)備（三要素）及信息流、物流、資金流、知識(shí)流、服務(wù)流（五流）集成優(yōu)化，構(gòu)成一種基于泛在網(wǎng)絡(luò)，以用戶為中心，人機(jī)物融合，互聯(lián)化、服務(wù)化、協(xié)同化、個(gè)性化（定制化）、柔性化、社會(huì)化的智慧制造新模式，進(jìn)而高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)省、綠色、柔性地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶，提高企業(yè)（集團(tuán)）的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

“智慧云制造”在制造模式、手段、業(yè)態(tài)和支撐技術(shù)方面都體現(xiàn)了智慧特征。這里的“智慧”特別強(qiáng)調(diào)了：創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)；以用戶為中心的人、機(jī)、物、環(huán)境、信息的深度融合；數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化（互聯(lián)化）、智能化的深度融合；工業(yè)化與信息化的深度融合；智慧地運(yùn)營(yíng)制造全系統(tǒng)和制造全生命周期的活動(dòng)。

1.2 智慧云制造系統(tǒng)概念的模型

智慧云制造系統(tǒng)是按智慧云制造模式和手段構(gòu)建的制造系統(tǒng)（智慧制造云），其概念模型抽象為“一個(gè)核心支持”，即智慧云制造平臺(tái)；“兩個(gè)過(guò)程”，即智慧服務(wù)接入與取出；“三大部分”，即智慧制造資源與能力、智慧制造云池、制造全生命周期智慧應(yīng)用；“三類人員”，即智慧制造服務(wù)提供者、使用者和智慧制造云池運(yùn)營(yíng)者，如圖1所示。

1.3 智慧云制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

智慧云制造系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一種基于泛在網(wǎng)絡(luò)及其組合的，人、機(jī)、物、環(huán)境、信息深度融合的，提供智慧制造資源與智慧能力，并可以隨時(shí)隨地、按需服務(wù)的智慧制造服務(wù)互聯(lián)系統(tǒng)。它就是一種“互聯(lián)網(wǎng)（云）+制造資源與能力”的智慧制造系統(tǒng)。它的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括智慧資源/智慧能力層、智慧感知/接入/通信層、智慧虛擬資源/能力層、智慧核心支撐功能層、智慧用戶界面層、智慧云服務(wù)應(yīng)用層、人/組織層，并且各層皆有標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)的支持。

智慧云制造系統(tǒng)的實(shí)施范圍可以是區(qū)域、行業(yè)乃至跨行業(yè)的層次，也可以是工廠、企業(yè)的層次，還可以是制造單元、車間的層次。

1.4 智慧云制造系統(tǒng)的技術(shù)體系

智慧云制造技術(shù)體系包含八大類關(guān)鍵技術(shù)（如圖3所示），是實(shí)現(xiàn)智慧云制造所需關(guān)鍵技術(shù)的集合，它為智慧云制造的研究指明了方向。

針對(duì)構(gòu)建智慧云制造系統(tǒng)，我們特別提出了智慧云制造軟件技術(shù)體系，它包括智慧云制造的系統(tǒng)軟件技術(shù)、平臺(tái)軟件技術(shù)以及應(yīng)用軟件技術(shù)，如圖4所示。

1.5 智慧云制造在制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)

融合發(fā)展中的作用

我們認(rèn)為：智慧云制造是“互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)”的一種制造模式和手段。首先，它是一種新的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，是以用戶為中心，產(chǎn)品+服務(wù)為主導(dǎo)的，制造全系統(tǒng)隨時(shí)隨地、按需構(gòu)建與運(yùn)行的，以互聯(lián)化、服務(wù)化、個(gè)性化、柔性化、社會(huì)化為主要特征的制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶的智慧制造模式。另外，它是一種新的制造業(yè)技術(shù)手段，如前所述，制造資源和能力智慧化技術(shù)手段包括以數(shù)字化、物聯(lián)化、虛擬化、服務(wù)化、協(xié)同化、定制化、柔性化、智能化8個(gè)方面為特征的人、機(jī)、物融合的系統(tǒng)技術(shù)手段。新的模式、新的手段形成了一種新的業(yè)態(tài)——即以“泛在互聯(lián)、數(shù)據(jù)為源、開放共享、跨界融合、自主智慧、萬(wàn)眾創(chuàng)新”為特征的互聯(lián)網(wǎng)+世界的新產(chǎn)業(yè)生態(tài)（如圖5所示）。

值得指出的是，云制造相關(guān)研究引起其他國(guó)家同行的關(guān)注，先后有美國(guó)、新西蘭、英國(guó)等大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)開展云制造研究。2010年8月歐盟第七框架（FP7）啟動(dòng)了 “云制造項(xiàng)目”。2013—2016年于美國(guó)召開的ASME（頂級(jí)）制造科學(xué)與工程會(huì)議（MSEC）上，新西蘭、瑞典、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等學(xué)者組織了多次云制造專題研討會(huì)，本項(xiàng)目成員單位皆被邀發(fā)表了技術(shù)報(bào)告[16]。

2 航天云網(wǎng)的實(shí)踐

“航天云網(wǎng)”是中國(guó)航天科工集團(tuán)公司基于本團(tuán)隊(duì)于2009年提出的云制造1.0及2012年提出的云制造2.0（智慧云制造）等制造理念、模式、技術(shù)手段和業(yè)態(tài)，研究開發(fā)成功的一種“智慧制造系統(tǒng)”雛形。

“航天云網(wǎng)”由3類制造云（網(wǎng)）組成。

（1）“航天（專有）云網(wǎng)”：面向航天科工集團(tuán)自身裝備制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略需求，基于航天科工集團(tuán)專網(wǎng)，開發(fā)并成功運(yùn)營(yíng)了面向航天復(fù)雜產(chǎn)品的智慧云制造服務(wù)平臺(tái)/系統(tǒng)（也稱“航天（專有）云網(wǎng)”）。它是首個(gè)央企集團(tuán)級(jí)的云制造服務(wù)平臺(tái)/系統(tǒng)，服務(wù)于航天科工集團(tuán)各類制造企業(yè)和產(chǎn)品用戶的全要素資源共享以及制造全過(guò)程活動(dòng)能力的深度協(xié)同。截至2016年6月30日，共注冊(cè)企業(yè)100多家；光2016年在協(xié)作與采購(gòu)專區(qū)發(fā)布了上萬(wàn)條需求，需求標(biāo)的金額超過(guò)200億元，共成交近1 000筆，成交金額達(dá)數(shù)10億元；在眾創(chuàng)空間發(fā)布創(chuàng)新項(xiàng)目近200個(gè)；在裝備保障專區(qū)完成多個(gè)航天復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)錄入和運(yùn)用。

（2）“航天（公有）云網(wǎng)”：面向社會(huì)各類大中小制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略需求，基于公有互聯(lián)網(wǎng)，開發(fā)并成功運(yùn)營(yíng)了中國(guó)首個(gè)以生產(chǎn)性服務(wù)為主體的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的大型智慧云制造服務(wù)平臺(tái)/系統(tǒng)（也稱“航天（公有）云網(wǎng)”）。它服務(wù)于中國(guó)全社會(huì)各類制造企業(yè)和產(chǎn)品用戶的全要素資源共享以及制造全過(guò)程活動(dòng)能力的深度協(xié)同。截至2016年6月30日，共注冊(cè)企業(yè)超過(guò)150 000家；制造能力發(fā)布1 000多條，協(xié)作任務(wù)需求發(fā)布近10 000條，產(chǎn)品發(fā)布20 000多條，采購(gòu)招標(biāo)發(fā)布近20 000條；協(xié)作與采購(gòu)需求發(fā)布金額近300億元，平臺(tái)整體成交約1 000筆，成交金額總計(jì)近100億元。

（3）“航天（國(guó)際）云網(wǎng)”：面向國(guó)際各類大中小制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略需求，基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，開發(fā)成功的以生產(chǎn)性服務(wù)為主體的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的大型國(guó)際智慧云制造服務(wù)平臺(tái)/系統(tǒng)（也稱“航天（國(guó)際）云網(wǎng)”）。它目前已經(jīng)開始與中亞地區(qū)的國(guó)家合作，服務(wù)于國(guó)際各類制造企業(yè)和產(chǎn)品用戶的全要素資源共享以及制造全過(guò)程活動(dòng)能力的深度協(xié)同。截至2016年6月30日，共注冊(cè)企業(yè)數(shù)將近1 000家，云制造中心制造能力發(fā)布約10條，協(xié)作任務(wù)需求近100條；工業(yè)品商城產(chǎn)品發(fā)布約100條，采購(gòu)招標(biāo)需求約10條；已經(jīng)開始陸續(xù)洽談成交。

航天云網(wǎng)縱向應(yīng)用的應(yīng)用范例主要是按照制造業(yè)的范圍領(lǐng)域進(jìn)行劃分，按照行業(yè)云、區(qū)域云、企業(yè)（工廠）云、車間云的分類體現(xiàn)智慧云制造在相關(guān)范圍內(nèi)的應(yīng)用。以行業(yè)級(jí)應(yīng)用為例，代表性的案例是中國(guó)航天科工集團(tuán)公司專有云網(wǎng)，目前可以支持開展機(jī)加、電裝、計(jì)量檢測(cè)、環(huán)境試驗(yàn)等協(xié)作配套業(yè)務(wù)，以及標(biāo)準(zhǔn)件、元器件、工具、刀具、模具等物資采購(gòu)業(yè)務(wù)。實(shí)現(xiàn)了航天集團(tuán)內(nèi)制造資源的整合及資源競(jìng)爭(zhēng)性交易對(duì)接，有效縮短了生產(chǎn)周期，提升了生產(chǎn)效率和資源利用率。

航天云網(wǎng)橫向應(yīng)用的應(yīng)用范例主要是按照制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行劃分，按照研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、采購(gòu)供應(yīng)鏈、銷售營(yíng)銷等制造業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的分類體現(xiàn)智慧云制造在相關(guān)范圍內(nèi)的應(yīng)用。具體汽車研發(fā)應(yīng)用為例，通過(guò)打造基于眾包的快速原型研發(fā)平臺(tái)，支持在線異地協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程串行到并行的轉(zhuǎn)變，并能摒棄集中開發(fā)和集成，將非核心設(shè)計(jì)工作眾包給社會(huì)化企業(yè)和個(gè)人，以此實(shí)現(xiàn)社會(huì)化研發(fā)，有效提升了研制效率和管理效率，極大節(jié)約了軟件購(gòu)置和模具定制成本。

3 智慧云制造中的問(wèn)題

智慧云制造的發(fā)展需要注重創(chuàng)新體系的建設(shè)，要實(shí)現(xiàn)“技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)”的協(xié)調(diào)發(fā)展。有4類問(wèn)題需要注意。

（1）技術(shù)拓展研究

·大力發(fā)展與融合“互聯(lián)網(wǎng)+”相關(guān)技術(shù)，包括重視云制造與大數(shù)據(jù)技術(shù)、新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、在線仿真（嵌入仿真）技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)的融合。

·深化云設(shè)計(jì)、云生產(chǎn)、云管理、云試驗(yàn)、云服務(wù)等應(yīng)用技術(shù)研究，包括云支持下的新模式、流程、手段的研究等。

·結(jié)合各個(gè)行業(yè)與企業(yè)，創(chuàng)造有特色的商業(yè)模式，例如：長(zhǎng)尾型、工具+等社群、跨界、O2O平臺(tái)等。

·重視開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估指標(biāo)體系研究。

（2）研究成果的產(chǎn)業(yè)化

·云制造工具集和平臺(tái)的工程化、產(chǎn)業(yè)化。

·云制造系統(tǒng)的（行業(yè)、企業(yè)、車間制造云）建設(shè)。

·建立運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)，并且開展運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

（3）深化應(yīng)用實(shí)施

·圍繞轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的目標(biāo)，走良性循環(huán)發(fā)展的路線。

·企業(yè)一把手掛帥，建立系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，按復(fù)雜系統(tǒng)工程內(nèi)涵實(shí)施云制造系統(tǒng)。

·制訂激勵(lì)政策，建立創(chuàng)新體系，并組織開展知識(shí)、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目。

（4）進(jìn)一步突出中國(guó)云制造研究與實(shí)施的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

·突出應(yīng)用需求牽引云制造系統(tǒng)建設(shè)。

·突出新一代信息技術(shù)、大制造技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品專業(yè)技術(shù)的深度融合。

·突出以建立智慧制造新模式、新手段、新生態(tài)為核心。

·突出面向制造企業(yè)與產(chǎn)品用戶兩類對(duì)象，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造全生命周期活動(dòng)中的資源與能力服務(wù)化及制造系統(tǒng)中三要素與五流的集成以及優(yōu)化。

·突出工業(yè)2.0/3.0/4.0同步發(fā)展為途徑。

·突出發(fā)揮“政、產(chǎn)、學(xué)、研、金、用”的團(tuán)隊(duì)力量。

致謝

感謝筆者牽頭的“云制造技術(shù)研究與應(yīng)用”團(tuán)隊(duì)多年來(lái)的共同努力與奉獻(xiàn)！

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