工業(yè)云應(yīng)用與技術(shù)綜述

徐 泉，王良勇，劉長(zhǎng)鑫

(東北大學(xué) 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

近幾年，隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，云服務(wù)在成本、能源效率、資源共享，以及增加靈活性、可靠性和可擴(kuò)展性等方面都體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)[1]，極大地推動(dòng)了工業(yè)企業(yè)信息化和工業(yè)化的深度融合，給工業(yè)界帶來了深刻的變革，不但使工業(yè)企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)營、營銷和管理方式得到創(chuàng)新，而且引領(lǐng)了企業(yè)IT系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)趨勢(shì)。

工業(yè)云通常指基于云計(jì)算架構(gòu)的工業(yè)云平臺(tái)和基于工業(yè)云平臺(tái)提供的工業(yè)云服務(wù)，涉及產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和仿真、工藝設(shè)計(jì)、加工制造、運(yùn)營管理及企業(yè)決策等諸多環(huán)節(jié)[2]。工業(yè)云服務(wù)常見的方式有工業(yè)軟件即服務(wù)(Software as a Service, SaaS)、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service, IaaS)、工業(yè)平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service, PaaS)等方式。工業(yè)云基于云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)為工業(yè)企業(yè)提供軟件服務(wù)，使工業(yè)企業(yè)的社會(huì)資源實(shí)現(xiàn)共享，使工業(yè)設(shè)計(jì)和制造、生產(chǎn)運(yùn)營管理等工具大眾化、簡(jiǎn)潔化、透明化，從而提升工業(yè)企業(yè)全要素勞動(dòng)生產(chǎn)率。

工業(yè)云因其巨大的應(yīng)用價(jià)值得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。全國信標(biāo)委云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)工作組[3]從產(chǎn)業(yè)政策、應(yīng)用現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)化3個(gè)維度梳理了國內(nèi)外工業(yè)云發(fā)展現(xiàn)狀，提出了工業(yè)云典型應(yīng)用框架，該白皮書主要聚焦于工業(yè)界。曾宇[2]結(jié)合目前國內(nèi)工業(yè)云平臺(tái)的建設(shè)，分析了工業(yè)云計(jì)算在中國的發(fā)展情況，期望通過把握工業(yè)云計(jì)算趨勢(shì)，推動(dòng)工業(yè)云計(jì)算在國內(nèi)的下一步發(fā)展，然而該文重點(diǎn)關(guān)注國內(nèi)的工業(yè)云平臺(tái)，更多的站在產(chǎn)業(yè)的角度分析工業(yè)云下一步的發(fā)展思路；Omid Givehchi等[4]概述了云計(jì)算技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化上的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)基于云計(jì)算的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)，然而該文重點(diǎn)關(guān)注的是針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)學(xué)術(shù)界的研究成果，缺乏工業(yè)界對(duì)云計(jì)算的研究進(jìn)展。

近幾年，工業(yè)云計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多新的研究成果。本文對(duì)工業(yè)云的研究進(jìn)展進(jìn)行全面綜述。首先將從學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界兩個(gè)方面概述目前工業(yè)云的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后討論工業(yè)云涉及的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，最后重點(diǎn)討論工業(yè)云發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)和趨勢(shì)，包括工業(yè)云參考架構(gòu)、混合云架構(gòu)、智能服務(wù)、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、資源和服務(wù)評(píng)估、工業(yè)云安全等。

1 工業(yè)云在制造中的地位和作用

工業(yè)云是在云計(jì)算模式下，滿足工業(yè)應(yīng)用所要求的安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，為工業(yè)企業(yè)提供各類工業(yè)應(yīng)用服務(wù)，包括工業(yè)IaaS、工業(yè)PaaS和工業(yè)SaaS，如圖1所示。云計(jì)算模式跨越了行業(yè)、設(shè)備和軟件本身，是典型互聯(lián)網(wǎng)IT架構(gòu)的產(chǎn)物。工業(yè)云主要借助互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施，利用其計(jì)算、存儲(chǔ)和部署能力，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用，收集、存儲(chǔ)和分析工業(yè)數(shù)據(jù)，為工業(yè)生產(chǎn)提供各類應(yīng)用服務(wù)。相比于互聯(lián)網(wǎng)云，工業(yè)云面向工業(yè)領(lǐng)域，更側(cè)重于工業(yè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，其工業(yè)應(yīng)用除了利用互聯(lián)網(wǎng)共享模式獲取工業(yè)應(yīng)用工具和系統(tǒng)外(圖1給出了企業(yè)云提供的工業(yè)應(yīng)用)，就是收集、存儲(chǔ)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)幫助企業(yè)進(jìn)行經(jīng)營決策。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析處理正是工業(yè)云的優(yōu)勢(shì)所在。

工業(yè)云是“互聯(lián)網(wǎng)+”制造的發(fā)展趨勢(shì)。在工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)過程中，IT技術(shù)是最重要的驅(qū)動(dòng)因素。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及安全技術(shù)、云計(jì)算、軟件建模技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，將企業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)的應(yīng)用遷移到工業(yè)云上來解決工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用需求成為可能。從工業(yè)企業(yè)發(fā)展來看，面對(duì)信息化建設(shè)的巨大壓力，工業(yè)企業(yè)要不斷打造核心競(jìng)爭(zhēng)力，必須借助工業(yè)云的力量整合和利用社會(huì)各方資源，優(yōu)化企業(yè)管理，通過工業(yè)云的技術(shù)和業(yè)務(wù)模式實(shí)現(xiàn)企業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同、整合，以及價(jià)值鏈的重構(gòu)。另外，這種模式可使上下游企業(yè)之間的信息在工業(yè)云上共享，而大量數(shù)據(jù)在工業(yè)云上存儲(chǔ)和分析使企業(yè)突破圍墻，得到了更為高效和更有價(jià)值的服務(wù)，成為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的推力。

當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)與工業(yè)化呈現(xiàn)了加速融合的趨勢(shì)，智能制造已經(jīng)成為公認(rèn)的、提升制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的核心高技術(shù)，工業(yè)企業(yè)的整體運(yùn)營顯現(xiàn)出人、機(jī)、物三元空間不斷融合且日趨復(fù)雜的發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)提高工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化的智能化水平提出了新的挑戰(zhàn)。究其原因，主要是底層設(shè)備控制不精細(xì)，上層計(jì)劃調(diào)度等缺乏多領(lǐng)域多知識(shí)關(guān)聯(lián)分析且自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)必須依靠有經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)工作者來判斷和決策。對(duì)于這類需要專門知識(shí)、通過復(fù)雜分析、細(xì)致判斷和創(chuàng)新決策才能完成的知識(shí)型工作，2013年麥肯錫全球研究所研究報(bào)告指出，將代表“知識(shí)型工作的自動(dòng)化”技術(shù)列為12項(xiàng)可能在2025年前決定未來經(jīng)濟(jì)的顛覆性技術(shù)之一，并認(rèn)為它是從物理世界的自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)向人類社會(huì)本身的智能化管理的基礎(chǔ)。

目前，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)展現(xiàn)出強(qiáng)大的影響力，正在深刻影響和重塑各種傳統(tǒng)行業(yè)的信息化。大數(shù)據(jù)為知識(shí)自動(dòng)化提供了及時(shí)、準(zhǔn)確和完整的數(shù)據(jù)資源，有望帶來更精準(zhǔn)、更高效、更科學(xué)的管理與決策；工業(yè)云為基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)自動(dòng)化的智能制造體系的各個(gè)階段提供了彈性、優(yōu)質(zhì)、可靠、及時(shí)、低成本和便捷的服務(wù)資源，有望帶來更高的生產(chǎn)效率和更低的運(yùn)營成本。在多學(xué)科交叉融合思想的指導(dǎo)下，建立在大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)之上的知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)為解決工業(yè)企業(yè)智能決策提供了新的手段。因此，通過工業(yè)化與信息化的深度融合，設(shè)計(jì)基于工業(yè)云的工業(yè)知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)(如圖2)，科學(xué)引導(dǎo)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化控制、故障診斷與安全運(yùn)行，能夠推進(jìn)工業(yè)企業(yè)智能制造，改變傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的智能決策。

2 工業(yè)界現(xiàn)狀

在企業(yè)經(jīng)營管理軟件上，企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、客戶關(guān)系管理(Customer Relationship Management, CRM)、產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management, PLM)等產(chǎn)品和廠商相對(duì)成熟，隨著云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，ERP廠商紛紛推出自己的云ERP產(chǎn)品和解決方案，例如：全球ERP領(lǐng)導(dǎo)廠商SAP(system applications and products)提供資產(chǎn)管理云服務(wù)[5]；國內(nèi)中小企業(yè)ERP領(lǐng)導(dǎo)廠商金蝶為用戶提供云ERP服務(wù)[6]；salesforce為全球用戶提供按需的云CRM解決方案[7]。

為了響應(yīng)我國工業(yè)與信息化部提出的信息化普及工程和兩化融合理念，眾多為中小企業(yè)提供云應(yīng)用和服務(wù)的工業(yè)云服務(wù)平臺(tái)被建立起來[8-15]，這些工業(yè)云平臺(tái)主要針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供工業(yè)軟件和相關(guān)計(jì)算資源服務(wù)，即將一些主要的、常用的工業(yè)軟件遷移到云上，以在線服務(wù)的形式向用戶提供CAD、CAE、PLM 、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)等工業(yè)軟件服務(wù)，以及科學(xué)計(jì)算、渲染、三維掃描及快速成型、虛擬仿真等服務(wù)。已經(jīng)建設(shè)的工業(yè)云平臺(tái)主要來自政府(工業(yè)云建設(shè)首批16個(gè)試點(diǎn)城市)、科研機(jī)構(gòu)和工業(yè)軟件供應(yīng)商(如CAXA，CAD)，然而從目前國內(nèi)工業(yè)云的建設(shè)和應(yīng)用來看，國內(nèi)工業(yè)云的使用范圍大多局限在CAD，CAE等應(yīng)用軟件的SaaS服務(wù)，而且目前的工業(yè)云主要由各個(gè)地方政府扶持、以半官方機(jī)構(gòu)為主要力量建設(shè)的工業(yè)云服務(wù)平臺(tái)，其服務(wù)內(nèi)容也比較初級(jí)。

GE構(gòu)建了全球第一個(gè)工業(yè)大數(shù)據(jù)分析的工業(yè)云PaaS(平臺(tái)即服務(wù))軟件平臺(tái)Predix[16]，該平臺(tái)服務(wù)可以將各種工業(yè)資產(chǎn)設(shè)備和供應(yīng)商相互連接并接入云端，同時(shí)提供資產(chǎn)性能管理(Asset Performance Management, APM)和運(yùn)營優(yōu)化服務(wù)。這個(gè)服務(wù)的安全層經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，能夠滿足高敏感度工業(yè)設(shè)備企業(yè)的需要。目前，GE的APM系統(tǒng)每天監(jiān)控和分析來自1萬億設(shè)備資產(chǎn)上1 000萬個(gè)傳感器發(fā)回的5 000萬條數(shù)據(jù)，其終極目標(biāo)是幫助客戶實(shí)現(xiàn)100%的無故障運(yùn)行。Siemens正在利用SAP HANA云平臺(tái)技術(shù)[5]構(gòu)建工業(yè)云平臺(tái)MindSphere[17],其目的在于分析工業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)集，提供工業(yè)數(shù)據(jù)記錄、傳輸、存儲(chǔ)、管理和分析(預(yù)測(cè)性維護(hù)、資產(chǎn)分析等)等服務(wù)，并提供開發(fā)框架服務(wù)，使得原始設(shè)備制造商(Original Equipment Manufacturer, OEM)、最終用戶、合作伙伴和應(yīng)用程序開發(fā)人員可以創(chuàng)建自己的應(yīng)用程序，利用開放的基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如在線檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人、優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備機(jī)組的運(yùn)行等，其同GE的Predix平臺(tái)區(qū)別如表1所示。通過構(gòu)建MindSphere云平臺(tái)，西門子正加強(qiáng)其工廠數(shù)據(jù)服務(wù)和工廠云服務(wù)，該平臺(tái)將采用加密通信并使用認(rèn)證數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分類，以確保高安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也將應(yīng)用最新的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。另外，一些創(chuàng)業(yè)公司試圖將其商業(yè)分析能力運(yùn)用在由機(jī)器和傳感器產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)上，如Machineshop公司[18]。

物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)云技術(shù)的發(fā)展使數(shù)以億計(jì)的終端工業(yè)設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)成為可能，由此產(chǎn)生了巨大的商業(yè)價(jià)值，從而使許多基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)云接入平臺(tái)被設(shè)計(jì)和建立起來，如ProfiCloud工業(yè)云平臺(tái)[19](用戶可以通過其訪問PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng))、Arrayent工業(yè)云平臺(tái)(為智能設(shè)備提供PaaS服務(wù)[20])、三一重工企業(yè)控制中心(Enterprise Control Center, ECC)客戶服務(wù)平臺(tái)[21]、徐工與阿里攜手搭建的“徐工工業(yè)云”[22]、華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[23]、Electric Imp[24]、Particle[25]、Digi[26]、connyun[27]等。

傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件供應(yīng)商和云計(jì)算供應(yīng)商正致力于工業(yè)云的研究，例如：SAP提供資產(chǎn)管理云服務(wù)[5]，Honeywell Attune[28]提供認(rèn)知、提升和優(yōu)化3種級(jí)別的能源優(yōu)化云服務(wù)。IBM正在招攬來自工業(yè)領(lǐng)域的專家，以改善Watson軟件平臺(tái)的算法[29]，提升該軟件在工業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，通過IBM bluemix云平臺(tái)[30]為用戶提供數(shù)據(jù)分析云服務(wù)；微軟也在說服潛在客戶采用其開發(fā)的云平臺(tái)Windows Azure[31]來儲(chǔ)存和運(yùn)用其工業(yè)數(shù)據(jù)，例如自動(dòng)化廠商Rockwell采用其平臺(tái)為用戶提供云計(jì)算服務(wù)。亞馬遜打造的物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)云平臺(tái)[32]，使渦輪機(jī)、傳感器和燈泡等設(shè)備能夠方便地連接AWS(Amazon Web services)服務(wù)，從而能夠在全球范圍內(nèi)存儲(chǔ)、處理、分析聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)并采取行動(dòng)。但是由于缺乏對(duì)工業(yè)領(lǐng)域深度的理解，目前對(duì)工業(yè)云的研究還停留在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等表層。

表1 典型工業(yè)云平臺(tái)比較

3 學(xué)術(shù)界現(xiàn)狀

因?yàn)槟壳肮I(yè)企業(yè)信息化系統(tǒng)主要是按照典型的三層結(jié)構(gòu)(企業(yè)管理層ERP、制造執(zhí)行層MES(manufacturing executive system)、過程控制層PCS(process control system))建立的，所以針對(duì)學(xué)術(shù)界的研究和應(yīng)用，本文也依據(jù)該層級(jí)結(jié)構(gòu)依次逐層展開對(duì)工業(yè)云應(yīng)用現(xiàn)狀的概述。目前許多研究工作的目標(biāo)是將層級(jí)劃分的功能和服務(wù)遷移到工業(yè)云上，使得企業(yè)的IT系統(tǒng)向扁平化發(fā)展。另外，部分研究討論了基于工業(yè)云的企業(yè)信息化系統(tǒng)架構(gòu)，考慮到未來企業(yè)信息化系統(tǒng)架構(gòu)的演變，本文也對(duì)相關(guān)的研究工作進(jìn)行綜述。

3.1 企業(yè)管理層

羅賀等[33]在分析云計(jì)算環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)目前云計(jì)算環(huán)境下的智能決策研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，具體包括云計(jì)算環(huán)境下決策資源的管理、決策問題的協(xié)同求解，以及相應(yīng)的智能決策支持系統(tǒng)等方面內(nèi)容；Demirkan等[34]針對(duì)決策支持系統(tǒng)提供了一個(gè)需求列表，以解決現(xiàn)在和未來系統(tǒng)的需求，通過提供分析和大數(shù)據(jù)服務(wù)擴(kuò)展了云決策系統(tǒng)功能；馮青等[35]提出一種將云服務(wù)、需求驅(qū)動(dòng)和面向服務(wù)架構(gòu)相結(jié)合的決策支持系統(tǒng)，通過云服務(wù)將各類軟硬件設(shè)計(jì)資源和制造能力虛擬化與服務(wù)化，實(shí)現(xiàn)了決策支持過程中抽象決策過程建模與實(shí)際決策服務(wù)執(zhí)行之間的動(dòng)態(tài)映射。

曾宇等[36]研究分析了云計(jì)算平臺(tái)推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的必然性，剖析了工業(yè)云平臺(tái)的體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了平臺(tái)的開發(fā)、實(shí)現(xiàn)和典型應(yīng)用實(shí)例。利用文獻(xiàn)[9-10]建立的工業(yè)云平臺(tái)，針對(duì)焊接、切削、磨削加工領(lǐng)域的應(yīng)用，文獻(xiàn)[37-38]構(gòu)建了面向工業(yè)制造領(lǐng)域的焊接、切削、磨削行業(yè)應(yīng)用云服務(wù)。

利用云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)，李伯虎等[39]提出一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式——云制造(Cloud Manufacturing, CMfg)，它通過網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)封裝制造資源及服務(wù)的集中管理和高度共享，為企業(yè)的制造全生命周期過程提供了可靠的個(gè)性化服務(wù)[40-44]。CMfg是云計(jì)算在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，除了基礎(chǔ)SaaS、PaaS和IaaS服務(wù)外，CMfg的核心是制造即服務(wù)(Manufacturing as a Service, MaaS)，包括設(shè)計(jì)云服務(wù)、仿真云服務(wù)、試驗(yàn)云服務(wù)和生產(chǎn)過程云服務(wù)等。基于CMfg思想，許多云制造服務(wù)平臺(tái)被設(shè)計(jì)和開發(fā)，如基于云仿真的原型平臺(tái)[39]、基于語義Web的云設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)[45]、面向雙向資源集成的智能服務(wù)平臺(tái)和智慧服務(wù)平臺(tái)[46]、模具行業(yè)云制造平臺(tái)[47]、中小企業(yè)云制造服務(wù)平臺(tái)[48]。

張霖等[49]從云制造的概念、服務(wù)模式、體系架構(gòu)、制造理論方法與關(guān)鍵技術(shù)、平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用等方面概述了云制造的國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。與此同時(shí)，一些新的基于云制造和設(shè)計(jì)的理念被提出，例如：Wu等[50]提出一個(gè)客戶能配置、選擇和利用從計(jì)算機(jī)輔助工程軟件到可重構(gòu)的制造系統(tǒng)的資源和服務(wù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制的面向服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品開發(fā)模式——基于云設(shè)計(jì)和制造的圖例(Cloud-based design manufacturing, CBDM)；Maciá Pérez等[51]提出云敏捷制造(cloud agile manufacturing)，主要目標(biāo)是提供工業(yè)自動(dòng)化功能作為服務(wù)，包括過程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、管理、商業(yè)集成、工廠虛擬化等；Cheng等[52]針對(duì)開方環(huán)境中資源服務(wù)模型共享問題提出一種語義模型，用于使用語義鏈接而不是本體的信息資源服務(wù)建模。該模型利用語義鏈接實(shí)現(xiàn)資源服務(wù)云中的自動(dòng)化集成和分布式更新。

然而，目前這些云制造服務(wù)主要在制造軟資源、制造能力和計(jì)算資源層面上展開，缺乏針對(duì)制造過程的云端化監(jiān)控與管理，以及企業(yè)設(shè)備資源的網(wǎng)絡(luò)化集成運(yùn)行、安全監(jiān)控、診斷與健康維護(hù)、協(xié)同化加工生產(chǎn)、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化決策等生產(chǎn)過程優(yōu)化與決策云服務(wù)，從而制約了云制造模式的快速發(fā)展。

3.2 生產(chǎn)執(zhí)行層

工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性和差異性，導(dǎo)致目前MES很難形成統(tǒng)一的解決方案和平臺(tái)，更多的是對(duì)具體制造過程或者某一個(gè)行業(yè)的解決方案。基于工業(yè)云的MES面臨同樣的問題，其目前的研究主要還是面向特定領(lǐng)域的基于工業(yè)云的MES系統(tǒng)。

王云[53]結(jié)合云制造的核心思想，提出一種面向云制造的機(jī)床裝備生產(chǎn)MES，并對(duì)其涉及的基于實(shí)例推理(Case Based Reasoning，CBR)的零件檢索方法、柔性制造單元構(gòu)建方法等技術(shù)開展了研究；Helo等[54]針對(duì)分布式制造環(huán)境下的MES可配置效率和信息集成共享能力較差等問題，提出一種基于云技術(shù)的MES解決方案，并對(duì)該系統(tǒng)的功能架構(gòu)和支持技術(shù)進(jìn)行了研究；Morariu等[55]基于當(dāng)前云計(jì)算的成熟應(yīng)用及制造企業(yè)的管理需求，提出并研究了一種基于ISA-95框架的虛擬化MES，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)方法和試驗(yàn)進(jìn)行了論述，證明了該系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。以上基于云概念的MES均從某單一應(yīng)用角度展開研究，對(duì)云MES的總體發(fā)展需求及其技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行模式缺乏一定的論述。李孝斌等[56]提出下一代MES的發(fā)展方向——面向生產(chǎn)過程云服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(CloudMES)，并從系統(tǒng)體系架構(gòu)、運(yùn)行模式、關(guān)鍵技術(shù)等方面對(duì)CloudMES進(jìn)行了研究，以促進(jìn)面向生產(chǎn)過程云服務(wù)的MES的研究、開發(fā)和應(yīng)用，為云制造模式向企業(yè)車間裝備層發(fā)展提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。

3.3 過程控制層

相比于制造執(zhí)行系統(tǒng)的復(fù)雜，工業(yè)過程的監(jiān)控系統(tǒng)是目前應(yīng)用云計(jì)算較多的領(lǐng)域，各種基于云計(jì)算的能源、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備、工業(yè)過程等監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，例如鋼鐵質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)[57]采用多個(gè)低廉相機(jī)組成的云相機(jī)系統(tǒng)來監(jiān)控鋼鐵企業(yè)中鋼鐵表面的缺陷；電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)[58]利用SaaS服務(wù)模式改進(jìn)了電能質(zhì)量信息的構(gòu)建方式，充分實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)數(shù)據(jù)資源的整合和共享，提高了電能質(zhì)量監(jiān)控的穩(wěn)定性和可靠性；能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)[59-60]從多個(gè)工業(yè)站點(diǎn)進(jìn)行能源消耗的監(jiān)控和調(diào)優(yōu)，其應(yīng)用能夠解決大數(shù)據(jù)帶來的能源監(jiān)控問題，在很大程度上節(jié)約了能源，降低了損耗。此外，還有工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)[61]、礦山尾礦壩監(jiān)控系統(tǒng)[62]、煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[63]、基于移動(dòng)云的條件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[64]、工業(yè)視頻級(jí)聯(lián)的生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)[65]等應(yīng)用。目前這類監(jiān)控系統(tǒng)主要利用工業(yè)云實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和可視化功能，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析和挖掘。

Gerach等[66]提出一個(gè)基于私有云模式的分布式控制系統(tǒng)，托管和提供SIMATIC PCS 7為一種通用的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)云服務(wù)。類似的工作還有歐盟的IMC-AESOP項(xiàng)目[67-68]，該項(xiàng)目提出車間服務(wù)工業(yè)云平臺(tái)，其目標(biāo)是構(gòu)建下一代基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service Oriented Architecture，SOA)的SCADA/DCS系統(tǒng)，項(xiàng)目同時(shí)提供了遷移遺留工業(yè)系統(tǒng)到下一代基于SOA架構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)路線；文獻(xiàn)[69-70]探討了基于云計(jì)算的SCADA系統(tǒng)，詳細(xì)分析了SCADA系統(tǒng)遷移到云上的優(yōu)點(diǎn)和存在的風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)[71-72]將SCADA系統(tǒng)部署在工業(yè)云上，提出基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)，增加了原有系統(tǒng)的靈活性、成本效率、優(yōu)化能力、可用性和可擴(kuò)展性。

由于底層控制的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性要求高，導(dǎo)致云計(jì)算在該層的整體應(yīng)用相對(duì)較少。Gilart-Iglesias等[73]提出將工業(yè)機(jī)械裝備作為云服務(wù)來方便地進(jìn)行組合，以促進(jìn)工業(yè)機(jī)械裝備負(fù)責(zé)的業(yè)務(wù)邏輯的自管理和主動(dòng)管理，其提供的服務(wù)主要為機(jī)械裝備的行為和功能。Tamir等[74]提出將工業(yè)自動(dòng)化作為服務(wù)，包括從反饋控制到企業(yè)優(yōu)化等眾多功能，重點(diǎn)關(guān)注了將對(duì)時(shí)間和功能要求最嚴(yán)格的反饋控制層(L1層)遷移到云上后節(jié)約的成本和時(shí)間，由于反饋控制層對(duì)及時(shí)性和可靠性的要求較高，該文設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)延時(shí)補(bǔ)償器和一個(gè)分布式容錯(cuò)控制算法來緩解延時(shí)和提高可靠性，然而采用虛擬機(jī)的方式在云端運(yùn)行反饋控制層僅驗(yàn)證了反饋控制層可以運(yùn)行在云端，并沒有實(shí)現(xiàn)反饋控制功能的服務(wù)化，距離提供反饋控制工業(yè)云服務(wù)還有很大差距。Givehchi等[75]描述了一個(gè)學(xué)習(xí)案例，借助VMware的vCloud套件將虛擬可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)作為云服務(wù)(PLC as a service)提供控制服務(wù)(control as a service)，接著設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)評(píng)估對(duì)比虛擬PLC和常規(guī)PLC的控制性能，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然基于云的PLC性能較低，但是其提供了一種新的軟實(shí)時(shí)控制方案。Syed等[76]針對(duì)在出現(xiàn)破壞的云鏈接的情況下，云端控制服務(wù)如何操作的問題，提出一種新的混合方法，用于從云端提供控制服務(wù)，可以在破壞的云鏈接下本地處理基本通信。Saad等[77]研究了云計(jì)算、霧化計(jì)算和IoT在自動(dòng)化行業(yè)控制應(yīng)用中的相互作用,開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)探索與基于云的控制器通信的IoT設(shè)備的使用(即控制器被負(fù)載到云端或霧端)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究在終端設(shè)備和控制器之間設(shè)置云服務(wù)器的效果。最后，采用一個(gè)緩解機(jī)制來應(yīng)對(duì)控制器負(fù)載到霧端或云端時(shí)由網(wǎng)絡(luò)引起的延遲和抖動(dòng)。然而對(duì)于控制應(yīng)用而言，僅依靠緩解機(jī)制無法滿足控制需求，必須保證服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)，或者在QoS無法保證的情況下必須有其他策略保證本地控制不依賴云端或霧端。

3.4 設(shè)備層

由于設(shè)備資產(chǎn)的重要性，很多研究工作在該層面展開，主要研究集中在兩方面：①傳感器同云平臺(tái)互聯(lián)互通；②設(shè)備功能的服務(wù)化，通過云平臺(tái)向設(shè)備提供服務(wù)化的功能，包括在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警、診斷、維護(hù)等。

傳感器同云平臺(tái)互聯(lián)互通方面，Kuppinger[78]展示了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與云基礎(chǔ)設(shè)施直接連接的應(yīng)用，利用云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)；Alamri等[79]全面概述了傳感云(sensor-cloud)當(dāng)前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。Yang等[80]提出一種基于云的機(jī)器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的統(tǒng)一框架，將云計(jì)算作為一個(gè)數(shù)據(jù)挖掘和認(rèn)知學(xué)習(xí)算法的平臺(tái)，提出標(biāo)準(zhǔn)化特征提取算法和自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法，確保了復(fù)雜機(jī)器工作條件下云平臺(tái)的有效性和適應(yīng)性，解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)格式和復(fù)雜機(jī)器工作條件對(duì)機(jī)器健康監(jiān)控和預(yù)測(cè)的挑戰(zhàn)。Luis等[81]提出一種在工廠車間使用的傳感器智能組件SelComp(未來工業(yè)傳感器云)，通過傳感器制造出所謂的“數(shù)字雙胞”機(jī)器，并將其功能作為服務(wù)公開。該組件通過在運(yùn)行時(shí)重構(gòu)和數(shù)據(jù)處理功能，簡(jiǎn)化了傳感器集成和數(shù)據(jù)分析過程。

Raju等[82]利用云計(jì)算和IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和運(yùn)行，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)率。Leonardo等[83]開發(fā)了一個(gè)無線云平臺(tái)，可以高效利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化來處理在嚴(yán)格的可靠性和延遲限制條件下快速傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，云平臺(tái)通過充當(dāng)硬件即服務(wù)(Hardware as a Service, HaaS)提供商并實(shí)施協(xié)作多跳轉(zhuǎn)發(fā)方案來處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳送。實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法在實(shí)際的工業(yè)工廠中是可行的。Oana等[84]將工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Industrial Wireless Sensor Networks, IWSN)與由云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施組成的低功耗無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組合，實(shí)現(xiàn)了安全的實(shí)時(shí)通信通道，類似的工作還包括文獻(xiàn)[85]。

相對(duì)于傳感云，He等[86]針對(duì)儀表和測(cè)量構(gòu)建了測(cè)量云IMC(instrumentation and measurement cloud)，提出IMC相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的定義和新穎的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了IM(instrumentation and measurement)資源的遠(yuǎn)程共享，提高各種資源的利用效率，以便從儀器和傳感器處理和分析大數(shù)據(jù)。

在生產(chǎn)環(huán)境中，限制云平臺(tái)廣泛應(yīng)用的主要原因是，機(jī)械、機(jī)器人、生產(chǎn)系統(tǒng)同新穎的云基礎(chǔ)架構(gòu)和云服務(wù)之間缺少標(biāo)準(zhǔn)接口，而沒有基于以太網(wǎng)通信接口的機(jī)器無法集成。因此，Christian等[87]在云制造的用例工業(yè)控制即服務(wù)(Industrial Control as a Service, ICaaS)中介紹了相關(guān)概念和連接器層的3種不同連接方案，包括利用PLC和微控制器作為連接器方案和機(jī)器直連到云方案，并針對(duì)每個(gè)場(chǎng)景用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)估。

目前針對(duì)工業(yè)云的應(yīng)用，主要集中在企業(yè)的上層應(yīng)用，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、管理等，對(duì)執(zhí)行制造和過程控制層的研究相對(duì)較少；另外，目前工業(yè)云的應(yīng)用主要針對(duì)離散行業(yè)，針對(duì)流程行業(yè)的應(yīng)用非常少。

3.5 工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)

Shu等[88]提出一個(gè)集成云計(jì)算的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)(Cloud-integrated Cyber-Physical Systems, CCPS)，并概述了復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用(Complex Industrial Applications，CIA)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，然后從CIA的角度分析了3個(gè)潛在的挑戰(zhàn)和解決方案，包括虛擬化資源管理技術(shù)、云資源調(diào)度和生命周期管理，以期為CCPS新興領(lǐng)域的研究提供線索和路線。相對(duì)而言，CCPS目前仍在探索階段。

為了適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求，部分研究人員開始在云操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開展工業(yè)應(yīng)用云操作系統(tǒng)研究，Xiong等[89]主要討論了工業(yè)應(yīng)用云操作系統(tǒng)，包括云計(jì)算和云操作系統(tǒng)的引入、云操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析以及工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了該云操作系統(tǒng)的主要內(nèi)容，并給出了其應(yīng)用前景和預(yù)期結(jié)果。

4 工業(yè)云關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

工業(yè)云的應(yīng)用雖然取得了巨大的成效，但是隨著應(yīng)用的深入，一些關(guān)鍵技術(shù)亟需被攻克，如信息安全、可靠性技術(shù)等。下面綜述目前工業(yè)云關(guān)鍵技術(shù)方面的研究進(jìn)展，為下一步的研究做鋪墊。這里主要關(guān)注涉及工業(yè)云的關(guān)鍵技術(shù)(如圖3)，而不關(guān)注云計(jì)算本身，如分布式存儲(chǔ)、計(jì)算模型、云平臺(tái)管理等。

4.1 虛擬化與服務(wù)化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算不可或缺的核心支撐技術(shù)之一[90]，工業(yè)云平臺(tái)需要對(duì)工業(yè)中各類軟硬件資源進(jìn)行虛擬化和服務(wù)化管理，以實(shí)現(xiàn)資源共享和高效利用。曾宇等[36]主要從資源統(tǒng)一管理、應(yīng)用模板化和應(yīng)用軟件資源與云服務(wù)化等方面展開虛擬化技術(shù)研究；文獻(xiàn)[41,91-94]針對(duì)云制造資源的虛擬化與服務(wù)化開展了系列研究；Delsing等[95]針對(duì)目前將非SOA架構(gòu)的工業(yè)過程控制系統(tǒng)遷移到工業(yè)云上，提供了遷移技術(shù)和具體步驟，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的服務(wù)化。

4.2 可靠性技術(shù)

工業(yè)應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求非常高，但是目前針對(duì)工業(yè)云的可靠性研究非常少。曾宇等[36]采用多層次系統(tǒng)級(jí)魯棒性技術(shù)(全檢查點(diǎn)技術(shù)、故障預(yù)測(cè)技術(shù)、故障時(shí)檢查點(diǎn)與進(jìn)程遷移技術(shù))保證工業(yè)云平臺(tái)的可靠性；李伯虎等[39]針對(duì)資源服務(wù)調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的故障，研究了相應(yīng)的容錯(cuò)管理機(jī)制、各類故障的檢測(cè)方法、基于ECA(event-condition-action)的故障消解策略和任務(wù)遷移技術(shù)。總之，上述研究更多的是依賴云計(jì)算本身的高可靠性技術(shù)，缺乏針對(duì)工業(yè)云高可靠性的研究。

4.3 實(shí)時(shí)性技術(shù)

工業(yè)底層控制對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高，這也是導(dǎo)致工業(yè)云在這一領(lǐng)域應(yīng)用得比較少的客觀因素。Givehchi等[75]在未來工作中提到，利用實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)(Real-Time Virtualization in Xen, RT-XEN)來提升工業(yè)云平臺(tái)的實(shí)時(shí)性能，但是截至目前依舊缺乏相關(guān)研究和評(píng)估；Liu等[96]提出運(yùn)用QoS提供實(shí)時(shí)性通信來保證服務(wù)的方法，并在其用虛擬化技術(shù)構(gòu)建的分布式系統(tǒng)中進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

4.4 安全技術(shù)

文獻(xiàn)[39,42,97]針對(duì)云制造安全技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，主要包括云制造終端嵌入式可信硬件、云制造終端可信接入和發(fā)布技術(shù)、云制造可信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云制造可信運(yùn)營技術(shù)、云制造環(huán)境的多級(jí)安全隔離技術(shù)等。文獻(xiàn)[98-100]綜述了目前云安全的研究進(jìn)展，其中文獻(xiàn)[98]簡(jiǎn)要地概括了工業(yè)界比較成功的云計(jì)算產(chǎn)品Amazon Web Services和微軟Windows Azure的安全現(xiàn)狀。由于工業(yè)應(yīng)用對(duì)安全性有特殊要求，目前仍缺乏針對(duì)工業(yè)云安全性的研究。

4.5 人機(jī)交互技術(shù)

馬翠霞等[101]針對(duì)云制造環(huán)境下的用戶需求，分析了云制造環(huán)境下的用戶界面特征，在此基礎(chǔ)上提出云制造環(huán)境下的普適人機(jī)交互技術(shù)框架，并對(duì)其中的界面定制技術(shù)、自然交互技術(shù)、可視分析技術(shù)、筆式操作平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。曾宇等[36]主要從基于工業(yè)云的CAD建模設(shè)計(jì)、模型離散化和初始化、CAE仿真論證、仿真結(jié)果可視化、CAM仿真制造加工等分析了各自環(huán)節(jié)人機(jī)交互的特點(diǎn)。

5 工業(yè)云的技術(shù)挑戰(zhàn)和趨勢(shì)

Karnouskos等[102]描述了企業(yè)未來的工業(yè)系統(tǒng)視圖，如圖4所示。企業(yè)所有的IT系統(tǒng)、設(shè)備和功能均全面實(shí)現(xiàn)了服務(wù)化，部署在工業(yè)云平臺(tái)上。在工業(yè)云平臺(tái)框架下，圍繞生產(chǎn)管控一體化、工業(yè)協(xié)同一體化、設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期管理，提供從設(shè)備的智能控制、過程控制、生產(chǎn)制造執(zhí)行到企業(yè)經(jīng)營管理、工業(yè)大數(shù)據(jù)管理與分析的完整服務(wù)。

5.1 工業(yè)云參考架構(gòu)

隨著工業(yè)云的發(fā)展和應(yīng)用，其運(yùn)行必然涉及大量軟硬件資源、數(shù)據(jù)資源、服務(wù)資源等，這些信息的異構(gòu)化和無序化將阻礙資源的有效集成和共享，因此構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范是工業(yè)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前建立的工業(yè)云系統(tǒng)基本是根據(jù)各自目標(biāo)構(gòu)建的，缺乏系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)藍(lán)圖指導(dǎo)和相關(guān)的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此需要構(gòu)建具有可擴(kuò)展性、可定制化、可維護(hù)性、可靠性、安全性的工業(yè)云參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足工業(yè)云未來發(fā)展的需要。

首先，分析和歸納工業(yè)云系統(tǒng)共性的功能特征及非功能性需求，總結(jié)形成該類系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的若干原則及其描述，并抽象出在工業(yè)云計(jì)算環(huán)境中開發(fā)、部署和運(yùn)維時(shí)所必須考慮的基本原理;然后，以TOG(the open group)云計(jì)算參考架構(gòu)(Cloud Computing Reference Architecture, CCRA)標(biāo)準(zhǔn)[103]為基本指南設(shè)計(jì)工業(yè)云系統(tǒng)的基本架構(gòu)和元模型。圖5所示為云計(jì)算參考架構(gòu)圖。

5.2 混合云架構(gòu)

越來越多的中小企業(yè)使用公有云軟件服務(wù)，甚至部分企業(yè)使用基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)代替其信息系統(tǒng)[104]，還有一些專業(yè)廠商針對(duì)工業(yè)企業(yè)提供專業(yè)領(lǐng)域基于云的應(yīng)用服務(wù)[5-8,16,28,105]，這些必然要求企業(yè)IT系統(tǒng)基于混合云架構(gòu)進(jìn)行搭建，如圖6所示。

5.3 智能服務(wù)

圍繞企業(yè)智能制造核心需求，為企業(yè)智能制造提供核心服務(wù)，例如智能安全監(jiān)控服務(wù)、智能決策與優(yōu)化服務(wù)、企業(yè)全流程優(yōu)化技術(shù)服務(wù)、運(yùn)行優(yōu)化服務(wù)、設(shè)備故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)服務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量分析預(yù)測(cè)服務(wù)、工業(yè)企業(yè)供應(yīng)鏈優(yōu)化服務(wù)和產(chǎn)品精準(zhǔn)營銷服務(wù)等。

5.4 工業(yè)大數(shù)據(jù)分析作為云服務(wù)

智能制造時(shí)代的到來意味著工業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，各國制造業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略的實(shí)施基礎(chǔ)都是工業(yè)大數(shù)據(jù)的搜集和特征分析，及以此為未來制造系統(tǒng)搭建的無憂環(huán)境。工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用將成為未來提升制造業(yè)生產(chǎn)力、競(jìng)爭(zhēng)力、創(chuàng)新能力的關(guān)鍵要素，工業(yè)大數(shù)據(jù)服務(wù)(Data as a Service, DaaS)未來必將作為工業(yè)云的一項(xiàng)核心服務(wù)存在。

與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)已經(jīng)涌現(xiàn)了諸葛IO[106]、神策數(shù)據(jù)[107]和GrowingIO[108]等專業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)分析服務(wù)供應(yīng)商，降低了互聯(lián)網(wǎng)中小企業(yè)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)門檻和代價(jià)，使大數(shù)據(jù)分析作為一項(xiàng)基本服務(wù)很好地嵌入企業(yè)經(jīng)營管理中。作為極具應(yīng)用價(jià)值的工業(yè)大數(shù)據(jù)，其分析服務(wù)將來也必然會(huì)作為一項(xiàng)基本的服務(wù)存在于企業(yè)經(jīng)營、生產(chǎn)制造等活動(dòng)中。

雖然GE已經(jīng)構(gòu)建了全球第一個(gè)工業(yè)大數(shù)據(jù)分析的工業(yè)云PaaS軟件平臺(tái)Predix[16]，但是首先其主要針對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其次企業(yè)用戶需要上傳自己的工業(yè)數(shù)據(jù)到其數(shù)據(jù)中心，才能使用GE提供的數(shù)據(jù)分析服務(wù)，再次不提供私有化部署的功能，使該平臺(tái)的使用受到了較大限制。中小企業(yè)由于研發(fā)能力有限，很難展開工業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)的分析工作，只能依賴工業(yè)大數(shù)據(jù)服務(wù)商提供的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析云服務(wù)。

2017年3月份阿里云推出ET工業(yè)大腦，其主要目標(biāo)是利用人工智能技術(shù)分析工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化機(jī)器產(chǎn)出和減少廢品率，已經(jīng)成功應(yīng)用于牟企業(yè)的光伏切片生產(chǎn)。阿里云提供的基于大數(shù)據(jù)分析的方案，通過深度學(xué)習(xí)計(jì)算所有關(guān)聯(lián)參數(shù)精準(zhǔn)分析出與良品率最相關(guān)的60個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制變量，最終幫助該光伏企業(yè)成功提升良品率1%。此外，該平臺(tái)還應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商，一方面對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，通過預(yù)測(cè)提前發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生之前的一些異?，F(xiàn)象，使設(shè)備運(yùn)維提前介入來避免故障的發(fā)生；另一方面提供了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命預(yù)測(cè)，通過提前準(zhǔn)備風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的備件來避免維修更換時(shí)的時(shí)間差，大大地減少客戶企業(yè)的運(yùn)維成本。

5.5 工業(yè)云資源和服務(wù)的評(píng)估

對(duì)于工業(yè)云上大量的資源和服務(wù)，需要進(jìn)行應(yīng)用效果評(píng)估，通過建立服務(wù)綜合質(zhì)量計(jì)算模型來提供質(zhì)量預(yù)估技術(shù)，使QoS更好地符合多方面質(zhì)量要求，以便遴選和優(yōu)化工業(yè)云平臺(tái)上提供的資源和服務(wù)，促進(jìn)工業(yè)云平臺(tái)上各類服務(wù)的提升。

5.6 工業(yè)云的可靠性、實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)評(píng)方法

工業(yè)系統(tǒng)對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格的要求，需要確保工業(yè)云和端系統(tǒng)之間傳輸?shù)碾p向可靠與實(shí)時(shí)性，從而確保工業(yè)云能夠及時(shí)認(rèn)知工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息并及時(shí)同步控制信息。因此，一方面需要研究制定工業(yè)云平臺(tái)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)評(píng)方法；另一方面需要開發(fā)建設(shè)工業(yè)云可靠性、實(shí)時(shí)性等的測(cè)試工具和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)工業(yè)云平臺(tái)進(jìn)行立體化實(shí)時(shí)監(jiān)控，為工業(yè)云的平穩(wěn)、可靠、綠色運(yùn)行提供有力的支撐。

5.7 工業(yè)云安全

未來企業(yè)所有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都將部署和運(yùn)行在工業(yè)云上，為工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營過程提供支撐的工業(yè)云平臺(tái)需要在多方面保證系統(tǒng)安全。首先，需要構(gòu)建工業(yè)云安全防護(hù)體系，包括工業(yè)云的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施安全、云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬機(jī)安全、應(yīng)用程序安全和數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全等；其次，在工業(yè)云層面維護(hù)閉環(huán)控制的安全；最后，確保工業(yè)云和端系統(tǒng)之間傳輸?shù)陌踩浴?/p>

6 結(jié)束語

無論是德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是《中國制造2025》，其主要特征都是智能和互聯(lián)，而主旨都在于通過充分利用信息通訊技術(shù)，將產(chǎn)品、機(jī)器、資源和人有機(jī)結(jié)合在一起，推動(dòng)制造業(yè)向定制化、智能化和制造業(yè)服務(wù)化方向轉(zhuǎn)型。工業(yè)云的發(fā)展思路應(yīng)與工業(yè)發(fā)展方向相匹配，即聚合企業(yè)所需資源，向集成性服務(wù)發(fā)展，提高服務(wù)等級(jí)、可靠性和安全性，以滿足未來工業(yè)發(fā)展所需的各類應(yīng)用服務(wù)，支撐企業(yè)核心業(yè)務(wù)發(fā)展，特別是工業(yè)4.0所需的智能應(yīng)用。