云制造再探討

劉永奎 王力翚 王 曦 徐 旬

1.瑞典皇家理工學(xué)院生產(chǎn)工程系，斯德哥爾摩，11428 2.西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，西安，710071 3.奧克蘭大學(xué)機械工程系，奧克蘭，1142

0 引言

2010年，李伯虎等［1］針對以前的網(wǎng)絡(luò)化制造模式（如應(yīng)用服務(wù)提供商、制造網(wǎng)格等）在運營和服務(wù)模式、資源動態(tài)共享和智能分配、終端物理設(shè)備嵌入式接入以及安全等方面存在的問題，結(jié)合云計算理念、商業(yè)運營模式和技術(shù)，以及其他技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）、高性能計算、云安全等，提出了一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造模式——云制造。2012年，李伯虎等［2］又在新一代信息和通信技術(shù)（如大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算等）、人工智能技術(shù)（如機器深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的知識工程、基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能等），以及新興的制造技術(shù)（如3D打印、智能化機器人、智能制造裝備等）基礎(chǔ)上提出了“智慧云制造”的概念。到目前為止，云制造研究已進(jìn)行了8年有余。8年多來，云制造在學(xué)術(shù)研究［3］和工業(yè)應(yīng)用［4］兩方面都取得了許多重要進(jìn)展。云制造概念也得到了越來越多研究者和工業(yè)界人士的關(guān)注、理解和認(rèn)同。然而，已有研究表明，人們對云制造中的若干關(guān)鍵問題（如云制造和云計算的關(guān)系、云制造和其他相關(guān)概念及制造模式的關(guān)系）還存在不同理解，對如何開展和實施云制造缺乏明確、具體的思路，對于云制造定義也存在不同表述。雖然云制造研究取得了較大的進(jìn)展，然而已有研究傳遞出的觀點時常不一致甚至相互矛盾［5］，這阻礙了云制造的進(jìn)一步發(fā)展。本文對云制造與云計算的關(guān)系、云制造與相關(guān)概念和制造模式的關(guān)系以及云制造開展和實施的相關(guān)問題進(jìn)行再探討，給出我們對這些問題的理解，為以后的研究提供參考。此外，給出一個新的云制造定義。

1 云制造與云計算

云制造的提出、研究和發(fā)展都受到了云計算的深刻影響［6］。為了深入理解云制造，有必要弄清兩者的關(guān)系?？傮w上，兩者的關(guān)系可以從資源、應(yīng)用和技術(shù)3個方面（圖1）進(jìn)行闡述：從資源的角度，云計算中主要是通用計算資源，而云制造中的資源包括云計算中的通用計算資源、面向制造的計算資源以及純制造資源；從應(yīng)用的角度來看，云計算中主要是面向通用計算資源的應(yīng)用，而云制造中除了包含云計算中面向通用計算資源的應(yīng)用外，還包含面向制造的計算應(yīng)用和純制造應(yīng)用；從技術(shù)的角度來看，云計算中主要是面向計算資源（包括通用計算資源和面向制造的計算資源）的云技術(shù)，而云制造中則包括面向通用計算資源的云技術(shù)、面向制造中計算資源的云技術(shù)、面向純制造資源的云技術(shù)，以及其他技術(shù)（如IoT以及制造應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)）等。下面分別從理念、運營模式、服務(wù)模式、服務(wù)內(nèi)容、技術(shù)體系、體系架構(gòu)以及本質(zhì)特征等角度對兩者進(jìn)行詳細(xì)的對比和分析。

圖1 云制造和云計算的關(guān)系（從資源、應(yīng)用和技術(shù)的角度）Fig.1 Relationship between cloud manufacturing and cloud computing from the application，resource and technology perspectives

1.1 理念

云計算采用了“一切皆服務(wù)”的理念，包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（infrastructure as a service，IaaS）、平臺即服務(wù)（platform as a service，PaaS），以及軟件即服務(wù)（software as a service，SaaS）［7］。云制造借鑒了云計算“一切皆服務(wù)”的理念，提出“制造即服務(wù)”的理念，即將制造資源/能力封裝為云服務(wù)并通過互聯(lián)網(wǎng)提供給消費者。從服務(wù)類別的角度，云制造能夠提供的制造服務(wù)總體上也可以分為（廣義）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（包括制造和計算基礎(chǔ)設(shè)施）、平臺即服務(wù)（即類似于云制造操作系統(tǒng)的服務(wù)如云服務(wù)和大數(shù)據(jù)管理等），以及軟件即服務(wù)（如面向制造和計算的工業(yè)軟件應(yīng)用和工業(yè)APP等）。雖然都采用“一切皆服務(wù)”的理念，但需要指明以下兩點：

（1）云制造服務(wù)（包括通用計算服務(wù)、面向制造的計算服務(wù)和純制造服務(wù)）中的制造類服務(wù)（即后兩者，尤其是純制造服務(wù)）和云計算服務(wù)（即通用計算服務(wù)）有很大的區(qū)別。首先，制造服務(wù)更加復(fù)雜、多樣；其次，制造服務(wù)的執(zhí)行周期比通用計算服務(wù)的執(zhí)行周期要長得多；第三，服務(wù)提交的途徑不一樣。云計算服務(wù)可以完全通過網(wǎng)絡(luò)向消費者提供，而云制造中的純制造服務(wù)（如硬制造資源服務(wù)）則需要同時通過網(wǎng)絡(luò)空間（如網(wǎng)上提交結(jié)果）和物理空間（如物流運輸、物理加工過程等）向消費者提交。

（2）云計算的主要目的是滿足消費者的計算服務(wù)需求并支持企業(yè)開展云端協(xié)同，而云制造的目的除了這些之外，還包括滿足消費者的制造服務(wù)需求并支持參與企業(yè)之間開展資源共享（即相互提供制造資源/服務(wù)）。

1.2 運營模式

要探討運營模式，首先需要明確部署模式，因為不同部署模式下運營模式不同。和云計算一樣，云制造也存在4種部署模式：公有云、私有云、社區(qū)云和混合云［8?9］。這里以公有云和私有云部署模式為例進(jìn)行討論（社區(qū)云和混合云的情形可以以此類推），見圖2。

（1）公有云。公有云計算的典型運營模式是服務(wù)提供者獨立地向消費者提供IaaS、PaaS和SaaS服務(wù)。在云計算環(huán)境下，傳統(tǒng)的服務(wù)提供者分為兩類：云提供者（也稱基礎(chǔ)設(shè)施提供者）和其他服務(wù)提供者（主要提供SaaS服務(wù)）。前者通常是IaaS和PaaS服務(wù)提供者（也有云提供者提供SaaS服務(wù)，如谷歌的AppEngine），而后者通常租用云提供者的基礎(chǔ)設(shè)施資源，并在此基礎(chǔ)上向終端用戶提供SaaS服務(wù)［7］。例如，亞馬遜、微軟和谷歌獨立構(gòu)建云計算數(shù)據(jù)中心并在此基礎(chǔ)上提供 IaaS（亞馬遜 EC2）、PaaS（微軟的 Azure）和SaaS（谷歌的AppEngine）服務(wù)。云制造的典型運營模式是制造資源提供者（以下簡稱提供者）把擁有的制造資源注冊到云制造平臺，運營者對云制造平臺中匯聚的制造資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和運營，從而向消費者提供按需制造服務(wù)（圖2a）。對比可以發(fā)現(xiàn)，云計算中的服務(wù)提供者同時扮演了平臺運營者和資源提供者的角色，而在云制造中，運營者的主要功能是運營和管理云制造平臺（也可能同時扮演少量制造資源提供者的角色，如提供云ERP、云MES以及云CAX等服務(wù)），但是云平臺中絕大多數(shù)制造資源并不歸運營者所有；云平臺中匯聚的制造資源主要來自分布在不同地理位置的、高度自治的企業(yè)等。因此，云制造與云計算最大的不同在于前者對提供者的高度依賴。兩者的另一個區(qū)別在于云制造中提供者和消費者可能是相同的群體（即一個企業(yè)在同一時刻或者不同時刻可能既是提供者又是消費者），而在云計算中服務(wù)提供者和消費者通常是不同的群體。云制造中眾多自主的、利益獨立的提供者的參與極大地增加了其運營和管理的復(fù)雜度［10］。產(chǎn)生以上差別的主要原因是計算資源相對簡單和單一，云計算服務(wù)提供商能夠獨立購買并擁有構(gòu)建一個完整的云計算平臺所需要的全部計算資源（至少是計算基礎(chǔ)設(shè)施資源），而制造資源/能力高度復(fù)雜和多樣，沒有任何一個公有云制造平臺的運營者能夠獨立地提供構(gòu)建一個完整的云制造平臺所需要的全部制造資源/能力。在這種情況下，云制造平臺的運營者必須依賴于不同的企業(yè)提供其所擁有的制造資源/能力。需要指出的是，云制造實際上代表著一個復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其發(fā)展涉及多個層次、不同領(lǐng)域的多個主體，包括產(chǎn)業(yè)鏈上游的云計算、數(shù)據(jù)管理和分析等技術(shù)型企業(yè)（平臺建設(shè)者）、產(chǎn)業(yè)鏈中游的制造類和信息通信以及軟件類企業(yè)（資源提供者和平臺建設(shè)者），以及產(chǎn)業(yè)鏈下游的垂直領(lǐng)域用戶和第三方開發(fā)者（消費者和資源提供者）［4］。在這種情況下，產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)可以根據(jù)需要開展合作。例如，云制造運營者可以選擇獨自構(gòu)建云制造平臺或者委托第三方開發(fā)和構(gòu)建云制造平臺；云制造平臺運營者可能獨自擁有構(gòu)建云制造平臺所需的云計算基礎(chǔ)設(shè)施資源（如航天云網(wǎng)的INDICS平臺在IaaS層自建數(shù)據(jù)中心［4］）或者租用云計算服務(wù)提供商的云計算基礎(chǔ)設(shè)施（如西門子的Mindsphere租用亞馬遜的云計算基礎(chǔ)設(shè)施［11］）。

圖2 云制造和云計算運營模式對比Fig.2 Comparison of operational models of cloud manufacturing and cloud computing

（2）私有云。與公有云情形相同的是云計算和云制造中角色構(gòu)成并不發(fā)生變化，不同的是所有參與者均來自同一組織（圖2b），所有的資源也來自企業(yè)內(nèi)部。在云計算中，云計算平臺管理部門扮演了云提供者的角色，而公司的其他使用云服務(wù)的部門扮演了消費者的角色。在云制造中，私有云制造平臺中匯聚的制造資源/能力來自同一個企業(yè)的不同部門，而運營者通常來自同一企業(yè)的其他部門。因此，在私有云模式下，云制造中的運營者和提供者仍然不同（三方運營模式是云制造的基本特征，本質(zhì)上是由制造資源的多樣性和復(fù)雜性決定的）。與公有云情形不同的只是所有參與者來自同一組織。這使得私有云制造平臺運營的復(fù)雜度相對較小，因為雖然三方不同個體的利益訴求不會完全一致，但因為屬于同一組織，可以通過組織內(nèi)部的協(xié)調(diào)來保證云制造系統(tǒng)的順利運行。另外，與公有云平臺相比，私有云計算/云制造平臺中能夠提供的計算和制造服務(wù)的數(shù)量和類型是有限的。

1.3 服務(wù)模式

以云平臺為中心，云計算中的交互主要存在于云服務(wù)提供商和消費者之間，而云制造中的交互同時存在于運營者和消費者以及運營者和提供者之間。因此，云計算環(huán)境下的服務(wù)模式主要是針對消費者的，其服務(wù)模式是按需自服務(wù)模式，即消費者可以單方面自我按需且自動地獲取計算能力，如服務(wù)器的時間、網(wǎng)絡(luò)存儲等。在這個過程中，消費者不知道也無需知道提供者在哪、是誰［12］，而云制造環(huán)境下的服務(wù)模式同時包括面向消費者的服務(wù)模式以及面向提供者的服務(wù)模式。在云制造中，由于制造資源/能力、制造過程、消費者需求以及提供者需求的復(fù)雜性，服務(wù)模式比云計算服務(wù)模式要復(fù)雜得多（適用于所有部署模式，尤其是公有云）。首先是面向消費者的服務(wù)模式。在云制造環(huán)境下，對于計算資源（包括通用計算資源和面向制造的計算資源）需求，可以按照云計算中按需自服務(wù)的服務(wù)模式進(jìn)行提供；對于純制造（如制造裝備、設(shè)備等）資源需求，其服務(wù)模式則相對復(fù)雜，主要體現(xiàn)在在制造過程中，除了跟云平臺運營者進(jìn)行交互，消費者通常還需要跟提供者進(jìn)行交互和協(xié)商以確定詳細(xì)的參數(shù)、設(shè)計和方案，以及知識產(chǎn)權(quán)歸屬［13?14］等。在這種情況下，消費者無法像獲取計算資源服務(wù)一樣單方面獲取服務(wù)而不需要了解提供者的任何信息（如是誰、在哪）。這種服務(wù)模式可以稱為按需交互服務(wù)模式（即服務(wù)獲取的過程中消費者需要與提供者進(jìn)行顯式的交互）。因此，云制造環(huán)境下的服務(wù)模式既包括云計算環(huán)境下的按需自服務(wù)模式，也包括按需交互服務(wù)模式，它們統(tǒng)稱為按需服務(wù)模式。其次是面向提供者的服務(wù)模式。存在兩種模式：提供者將資源全權(quán)委托給運營者來運營（即保留了資源所有權(quán)但是向運營者出讓了全部管理權(quán)和使用權(quán)），或者提供者將資源注冊在云平臺中但保留擁有權(quán)和管理權(quán)。前者稱為全權(quán)委托模式而后者稱為非全權(quán)委托模式。對于前者，運營者對該類資源擁有完全的管理權(quán)并且可以全權(quán)使用，提供者不介入資源的交易過程；對于后者，在資源交易過程中，運營者需要和提供者進(jìn)行協(xié)商來確定是否能夠調(diào)用其發(fā)布的資源（這類資源通常是提供者的核心資源，如機床、機器人等，并且資源運營過程通常需要提供者的參與和配合）。

1.4 服務(wù)內(nèi)容

服務(wù)內(nèi)容與提供的資源類型有著密切的關(guān)系。云計算中能夠提供的資源主要是計算資源，因此，所提供的服務(wù)主要是計算資源服務(wù)，分別是IaaS（如計算和存儲類服務(wù)）、PaaS（如操作系統(tǒng)定制、中間件平臺等服務(wù)）和SaaS（如面向各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的軟件服務(wù)）［7］。云制造能夠提供的資源的類型則要豐富得多，包括通用的計算資源、面向制造的計算資源，以及純制造資源三大類。相應(yīng)地，云制造能夠提供的服務(wù)也包括以上三大類。從制造的角度來看，云制造提供的服務(wù)總體上也可以分為IaaS、PaaS和SaaS。不同的是，這里的基礎(chǔ)設(shè)施既包括云計算基礎(chǔ)設(shè)施，也包括制造基礎(chǔ)設(shè)施（如機床、機器人等），平臺指的是構(gòu)建在云計算基礎(chǔ)設(shè)施之上的云制造平臺，而軟件主要是面向制造的軟件。不同于云計算，云制造有“產(chǎn)品全生命周期”的概念，所提供的服務(wù)包括產(chǎn)品全生命周期各個階段的服務(wù)，如論證為服務(wù)、設(shè)計為服務(wù)、生產(chǎn)加工為服務(wù)、實驗為服務(wù)、仿真為服務(wù)、經(jīng)營管理為服務(wù)以及集成為服務(wù)等［15］。不同的服務(wù)可以在不同的層次上進(jìn)行提供。例如，論證服務(wù)、設(shè)計服務(wù)和經(jīng)營管理服務(wù)可以作為SaaS進(jìn)行提供，而基于各種硬制造資源的生產(chǎn)加工類服務(wù)可以作為IaaS來提供，有些服務(wù)如實驗服務(wù)和仿真服務(wù)因為可能同時用到制造軟件和硬件設(shè)備而牽涉多個層次。

1.5 技術(shù)體系

毫無疑問，云技術(shù)是云計算的核心技術(shù)，也是云制造的核心技術(shù)之一。按資源類型，云技術(shù)可以分為三類：面向通用計算資源的云技術(shù)、面向制造的計算資源的云技術(shù)，以及面向純制造資源（尤其是制造裝備資源）的云技術(shù)。云計算中的云技術(shù)是基于云計算商業(yè)模式的、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、平臺管理技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)等的總稱［16］，包括面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）、互操作、容錯、負(fù)載均衡、虛擬化、云部署、云安全、業(yè)務(wù)過程管理、計費、服務(wù)等級協(xié)定，以及分布式海量數(shù)據(jù)存儲和管理等技術(shù)［17］。云計算中的云技術(shù)是面向通用計算資源的云技術(shù)。同理，云制造中的云技術(shù)是基于云制造商業(yè)模式的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、平臺管理技術(shù)、信息化制造技術(shù)以及制造應(yīng)用等的總稱。云制造中包括所有以上三類云技術(shù)。云制造中面向制造的計算資源的云技術(shù)和面向通用計算資源的云技術(shù)沒有本質(zhì)區(qū)別，但是面向純制造資源的云技術(shù)是云制造中特有的，需要進(jìn)一步突破。云制造中的云技術(shù)也包括諸如面向服務(wù)架構(gòu)［18］、QoS、互操作［19?20］、容錯、負(fù)載均衡、虛擬化、業(yè)務(wù)過程管理等內(nèi)容，但是加入了與制造（尤其是硬制造資源）相關(guān)的內(nèi)容，以及由此而需要引入的其他技術(shù)，如 IoT（internet of things）、CPS（cyber?physi?cal system）等［21］。因此，云制造中面向純制造資源的云技術(shù)在原理、內(nèi)容和邏輯上都與云計算中的云技術(shù)不完全相同，其要點是面向硬制造資源的云技術(shù)，核心是硬制造資源如機床、加工中心、機器人等的虛擬化和服務(wù)化技術(shù)［22］。硬制造資源不同于計算資源，具有高度的多樣性和復(fù)雜性，并且在使用上具有獨占性。硬制造資源的獨占性就決定其不可能像云計算中的計算資源（如服務(wù)器、存儲器等）一樣虛擬化出多個副本供多個用戶同時使用［18，22］。實際上，由于制造資源和計算資源的巨大差異，云制造中面向純制造資源的云技術(shù)和云計算中的云技術(shù)在幾乎所有方面都存在差異，包括互操作［19?20］、QoS、負(fù)載均衡［23］和云安全［24］等。

圖3 云制造和云計算架構(gòu)對比Fig.3 Comparison of architectures of cloud manufacturing and cloud computing

除了云技術(shù)，云制造還需要得到與硬制造資源相關(guān)的一系列其他技術(shù)的支持，如IoT、CPS、工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能、3D打印、機器人以及制造應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)等［2］。以前的研究對此進(jìn)行了非常多的論述，此處不再贅述。

1.6 體系架構(gòu)

體系架構(gòu)可以分為平臺體系架構(gòu)和系統(tǒng)體系架構(gòu)（圖3）。云計算平臺體系架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施層（即虛擬化層或IaaS層）、平臺層（即PaaS層）、應(yīng)用層（即SaaS層）和用戶接口層，而云計算系統(tǒng)體系架構(gòu)還應(yīng)該包括資源層（即硬件/數(shù)據(jù)中心層）［12］。云制造平臺體系架構(gòu)包括虛擬服務(wù)層（對應(yīng)IaaS層）、全局服務(wù)層（對應(yīng)PaaS層）、應(yīng)用層（對應(yīng)SaaS層）和用戶接口層，而云制造系統(tǒng)體系架構(gòu)還應(yīng)該包括資源層。兩者的對應(yīng)關(guān)系以及各層包含的內(nèi)容見圖3。對比表明：①除了通用計算資源，云制造資源層還包含面向制造的計算資源和純制造資源；②相比云計算的虛擬化層，云制造虛擬化層還包含硬制造資源的感知和接入等功能；③對于云計算和云制造，平臺層通過提供各類軟件框架和引擎等來實現(xiàn)一個類似操作系統(tǒng)的功能，如屏蔽底層設(shè)備連接、進(jìn)行軟件集成與部署以及管理計算/制造資源調(diào)度的復(fù)雜性等；④云計算應(yīng)用層主要是面向計算的應(yīng)用，而云制造的應(yīng)用層提供面向計算和制造的應(yīng)用［25］。此外，云制造架構(gòu)還包括支撐以上所有層實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層和安全管理層等［8］。

1.7 本質(zhì)特征

云計算具有5個本質(zhì)特征，包括按需自服務(wù)、泛在網(wǎng)絡(luò)訪問、計算資源池化、快速彈性，以及服務(wù)可計量［12］。根據(jù)以上分析，云制造也具有5個本質(zhì)特征，包括按需服務(wù)、泛在網(wǎng)絡(luò)訪問、制造資源池化、快速彈性以及服務(wù)可計量。

2 云制造與其他相關(guān)概念和制造模式

云制造是一種借鑒云計算理念的新型網(wǎng)絡(luò)化制造模式，是對以前制造理念（如敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、面向服務(wù)的制造等）和模式（如虛擬企業(yè)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)、制造網(wǎng)格、應(yīng)用服務(wù)提供商、工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)和眾包生產(chǎn)等）的顛覆式的發(fā)展。張霖等［26］詳細(xì)分析和比較了云制造與敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造以及面向服務(wù)的制造的聯(lián)系和區(qū)別。下面對云制造與這些制造理念和模式的關(guān)系做進(jìn)一步論述，并對比分析云制造與一些相關(guān)概念的聯(lián)系和區(qū)別，如基于云計算的制造、CPS以及服務(wù)型制造等。

2.1 云制造與基于云計算的制造

基于云計算的制造指的是在制造的某些領(lǐng)域或環(huán)節(jié)采用云計算技術(shù)的制造，體現(xiàn)的是云計算在制造業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，如人力資源管理、客戶關(guān)系管理、企業(yè)資源計劃，以及裝備數(shù)據(jù)分析等［27］。云計算在這些方面的應(yīng)用有助于降低成本、提高效率、增加協(xié)同，以及增加決策的智能性等。然而，云制造不僅僅是基于云計算技術(shù)的制造，而是在制造領(lǐng)域結(jié)合制造的特點對云計算技術(shù)、理念、原理和架構(gòu)的全面模擬和擴展，是“制造領(lǐng)域的云計算”［28］。因為云制造應(yīng)用包含了云計算在制造業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，所以“云制造”概念實際上包含“基于云計算的制造”的概念。然而，反過來不成立，即基于云計算的制造不是云制造。從技術(shù)上講，云計算只是云制造眾多使能技術(shù)中的一種。為了實現(xiàn)“制造即服務(wù)”的理念，云制造還需要其他技術(shù)的支持，包括IoT、CPS、虛擬化和服務(wù)化技術(shù)等（這些技術(shù)對于基于云計算的制造并不是必需的）。從理念上講，云制造的一個核心的目的是實現(xiàn)參與企業(yè)間基于云制造平臺的資源共享（即相互提供制造服務(wù)），而基于云計算的制造的目的通常是為了借助于云計算能力改進(jìn)運營管理，以及增加與業(yè)務(wù)伙伴的協(xié)同，而不是為了和業(yè)務(wù)伙伴共享資源。

2.2 云制造與CPS

當(dāng)提到云制造和CPS的關(guān)系時，一般認(rèn)為CPS是云制造的一種使能技術(shù)。然而，與CPS相比，IoT作為一種相似的使能技術(shù)更加頻繁地被提起［29］。在云制造中，IoT主要負(fù)責(zé)硬制造資源的感知和接入。然而，如何在云制造中應(yīng)用CPS技術(shù)尚有待研究。有學(xué)者認(rèn)為云制造是一個提供按需制造服務(wù)的集成的CPS［30］。然而，除此之外，其他工作并沒有對云制造和CPS的關(guān)系做過多的論述。在進(jìn)一步討論之前，首先討論什么是CPS。一般認(rèn)為CPS是計算、網(wǎng)絡(luò)和物理過程的集成，其中計算和物理過程通過網(wǎng)絡(luò)相互監(jiān)控和影響，構(gòu)成了一個反饋環(huán)［31］。CPS可以應(yīng)用在很多不同的領(lǐng)域，在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用構(gòu)成了信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（cyber?physical production system，CPPS）。關(guān)于云制造和CPS的關(guān)系，首先，總體上可以把一個云制造系統(tǒng)看成是一個規(guī)模巨大的CPS，其中物理的部分是分布在各個參與企業(yè)的物理制造資源/系統(tǒng)，而信息的部分則是分布式物理制造資源在云平臺中的邏輯映射（即制造云服務(wù)）［32］。云平臺實時采集物理制造資源的數(shù)據(jù)，并實施優(yōu)化以及必要情況下的反饋控制。從微觀的角度來看，一個云制造系統(tǒng)包含許多不同層次和粒度的CPS。然而，并非一個云制造系統(tǒng)的所有部分都是CPS。這是因為，首先，云制造中純計算過程由于沒有物理過程的參與而不能認(rèn)為是CPS［21］；其次，CPS本質(zhì)上是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，而云制造強調(diào)對分布制造資源的感知、接入和監(jiān)控［33］，但并不總是強調(diào)閉環(huán)反饋控制。其原因有兩點：①從需求的角度來看，如果開環(huán)應(yīng)用能夠滿足需求，則不需要實現(xiàn)為一個CPS（需求是多樣的并且具有不同的要求）；②從實際運營的角度來看，云制造平臺的運營者并不總是能夠獲得對制造資源/能力的反饋控制權(quán)。然而，不可否認(rèn)的是，將典型的制造資源（如機床、機器人等）和系統(tǒng)實現(xiàn)為CPS，能夠更好地實現(xiàn)向消費者提供按需制造服務(wù)的目標(biāo)。另外，云制造環(huán)境下的CPS和云技術(shù)有著密不可分的聯(lián)系［16，21］。

2.3 云制造與相關(guān)制造理念和模式

現(xiàn)有工作對云制造與相關(guān)的制造理念和模式（如敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、面向服務(wù)的制造及其模式，包含虛擬企業(yè)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)、制造網(wǎng)格、應(yīng)用服務(wù)提供商、工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)和眾包生產(chǎn)等）的關(guān)系進(jìn)行了探討，指出云制造在理念、模式、組織實施、技術(shù)架構(gòu)等方面對以上理念和模式進(jìn)行了拓展［26］。此處不再做過多論述，但需要指出的是，云制造作為以上制造理念和模式的進(jìn)一步發(fā)展，其目的并非是為了完全取代以上制造模式。恰恰相反，云制造為在其框架下實現(xiàn)以上制造模式提供了良好的支持。也就是說，除了標(biāo)準(zhǔn)的云制造運營模式和服務(wù)模式，云制造還能夠基于云制造平臺/系統(tǒng)實現(xiàn)以上制造模式。例如，針對虛擬企業(yè)和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，云制造通過其具有高度彈性的云架構(gòu)支持實現(xiàn)松耦合、緊耦合等不同形式的協(xié)作方式、構(gòu)建不同形式的聯(lián)盟。云制造通過對資源/能力的統(tǒng)一管理和運營，支持制造網(wǎng)格所強調(diào)的制造資源/能力的分散資源的共享，而且還包括了硬制造資源的集成和共享等。因此，云制造是一種“向后兼容”的制造模式。

一個與云制造概念緊密相關(guān)的概念是服務(wù)型制造［34］。服務(wù)型制造是制造與服務(wù)相融合的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在服務(wù)型制造中，產(chǎn)品和服務(wù)相融合，客戶全程參與，企業(yè)相互提供生產(chǎn)性服務(wù)和進(jìn)行服務(wù)性生產(chǎn)，實現(xiàn)分散化制造資源的整合和各自核心競爭力的高度協(xié)同。云制造通過將所有制造資源封裝為制造服務(wù)實現(xiàn)了制造與服務(wù)的高度融合。云制造實現(xiàn)了分散化社會制造資源的整合，以達(dá)到企業(yè)之間的基于制造服務(wù)的制造資源的高度共享和協(xié)同。在云制造中，參與企業(yè)主要進(jìn)行服務(wù)性生產(chǎn)，相互提供制造服務(wù)，從而實現(xiàn)了制造服務(wù)的價值增值。此外，云制造也支持產(chǎn)品與服務(wù)的高度融合以及客戶全程參與。由此可見，云制造與服務(wù)型制造的理念是完全吻合的。因此，云制造是服務(wù)型制造的一種具體實現(xiàn)形式。

3 云制造的開展和實施

影響云制造開展和實施的因素主要在以下4個方面或維度：范圍、企業(yè)信息化水平、行業(yè)（不同制造行業(yè)對云制造的需求程度不同）以及技術(shù)成熟度（云制造依賴的技術(shù)在一定時期內(nèi)具有不同的成熟度）（圖4）。不同范圍、不同信息化水平的企業(yè)、不同行業(yè)以及不同的技術(shù)成熟度周期內(nèi)實施云實施的難易程度是不一樣的。一般而言，在較小的范圍內(nèi)，在信息化水平較高的企業(yè)，在對云制造需求較強烈的行業(yè)，以及在技術(shù)比較成熟的條件下實施云制造相對容易。以前的研究對云制造開展和實施的思路和策略進(jìn)行了較宏觀的討論，指出云制造的實施是一個系統(tǒng)工程，需要“政、產(chǎn)、學(xué)、研、金、用”等各方面的協(xié)同和配合［2，15］。這里主要關(guān)注“產(chǎn)、學(xué)、研”3個方面并對其進(jìn)行較細(xì)致的討論。

圖4 影響云制造開展和實施的4個維度Fig.4 Four dimensions that impact implementation of cloud manufacturing

云制造的發(fā)展依賴“產(chǎn)、學(xué)、研”三方良性互動。當(dāng)前，云制造發(fā)展面臨以下問題：①學(xué)術(shù)界對云制造概念和技術(shù)進(jìn)行了大量研究，然而，由于研究缺乏工業(yè)應(yīng)用案例的支持，所提出的理論、模型、方法和技術(shù)無法在實際工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行驗證，因而其實用性有待進(jìn)一步檢驗［35］；②缺乏理想的、全功能的云制造工業(yè)實現(xiàn)。當(dāng)前云制造已經(jīng)在一些行業(yè)開展了應(yīng)用探索，最典型的是航天云網(wǎng)［4］。然而，尚未有全功能實現(xiàn)的云制造工業(yè)應(yīng)用案例（如還無法實現(xiàn)各類設(shè)備的虛擬化和服務(wù)化以及開展基于云服務(wù)的制造應(yīng)用，如制造云服務(wù)的動態(tài)組合和調(diào)度等［23，36］）。當(dāng)前，云制造進(jìn)一步發(fā)展需要工業(yè)界的推動（工業(yè)界在云制造的發(fā)展中起著主導(dǎo)作用）。毫無疑問，當(dāng)前工業(yè)界對云制造是有需求的，然而，云制造工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展需要解決以下問題：

（1）增強對云制造及其實施的重要性的理解和認(rèn)識。首先，需要人們對云制造及其重要性有正確的理解和認(rèn)識，這反過來依賴于云制造概念的描述和宣傳。當(dāng)前對云制造概念的描述和宣傳過于理想化和粗粒度化，缺乏清晰的、細(xì)粒度的、具體可操作的描述，這使得人們對云制造缺乏理解或者產(chǎn)生誤解。未來，需要對云制造概念進(jìn)一步精煉和具體化，對云制造能干什么、不能干什么給出清晰的界定。

（2）調(diào)研云制造在具體行業(yè)、企業(yè)的需求和可行性，探索分步、可行的云制造實施方案（表1）。首先，對云制造在不同行業(yè)、企業(yè)的需求和可行性進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，結(jié)合行業(yè)、企業(yè)的信息化水平以及目前相關(guān)技術(shù)的成熟度，探索需求和可行性量化評估指標(biāo)體系，并給出定量化的需求和可行性分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合上面提到的4個維度（范圍、行業(yè)、信息化水平、技術(shù)成熟度），制定詳細(xì)的、具有可操作性的分步實施方案。在企業(yè)層面，主要對采用/加入云制造必要性、成本、風(fēng)險和效益進(jìn)行詳細(xì)的評估和分析。云制造實現(xiàn)具有不同的成熟度，需要探索云制造系統(tǒng)的成熟度模型和相應(yīng)評估指標(biāo)體系，以指導(dǎo)云制造的開展和實施。

（3）分步實施，并且在實施過程中發(fā)現(xiàn)存在的技術(shù)和管理問題，開展技術(shù)攻關(guān)和管理創(chuàng)新。云制造的開展和實施是一個復(fù)雜和長期的過程，需要在清晰的云制造實施策略的指導(dǎo)下分步實施。在實施過程中，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)管理問題，開展技術(shù)攻關(guān)，探索合適、有效的云制造實施模式和策略。

表1 企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間實施云制造的前提、收益、風(fēng)險和策略Tab.1 Prerequisites，benefits，risks and strategies for implementing cloud manufacturing within and across enterprises

4 云制造定義

下面結(jié)合美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）的云計算定義［6，12］并且在考慮云制造特征的基礎(chǔ)上，給出一個新的云制造定義。首先給出定義云制造的需求和原則：

（1）應(yīng)全面、準(zhǔn)確地抓住和體現(xiàn)云制造最本質(zhì)的特征，包括：①從定位上，應(yīng)指出云制造是一種制造模式；②應(yīng)（直接或間接）體現(xiàn)云制造三方運營模式（提供者、運營者以及消費者，尤其是對提供者的高度依賴是云制造與云計算的重要區(qū)別之一）；③應(yīng)體現(xiàn)云制造的核心特征——資源池化；④應(yīng)體現(xiàn)“產(chǎn)品全生命周期”概念（云計算中不存在類似概念）。

（2）不應(yīng)涉及實現(xiàn)技術(shù)和實現(xiàn)方案。這些不是一個定義應(yīng)該包含的內(nèi)容。

（3）不宜提及實施云制造能夠達(dá)到的效果（如敏捷化、服務(wù)化、綠色化和智能化等）。在談?wù)撛浦圃斓臅r候，這些內(nèi)容應(yīng)該被提及，但不是在定義中，也不應(yīng)該成為定義的一部分。

根據(jù)以上需求和原則對現(xiàn)有定義的分析見表2。

根據(jù)分析，可定義云制造如下：

云制造是一種支持將分布式制造資源（如包含在產(chǎn)品全生命周期中的制造軟件工具、制造裝備以及制造能力等）以可配置的制造服務(wù)的形式聚集在一個共享池中，以及支持對該服務(wù)池進(jìn)行泛在、便捷、按需網(wǎng)絡(luò)訪問的制造模式。該共享服務(wù)池中的制造服務(wù)只需要很少的管理工作或者與服務(wù)運營者和提供者進(jìn)行很少的交互就能夠被快速提供和釋放。

5 結(jié)語

本文對云制造進(jìn)行了再探討。首先，從理念、運營模式、服務(wù)模式、服務(wù)內(nèi)容、技術(shù)體系、體系架構(gòu)以及本質(zhì)特征等方面探討和分析了云制造與云計算的關(guān)系。其次，探討了云制造與基于云計算的制造、CPS以及相關(guān)制造理念和模式（尤其是服務(wù)型制造）的關(guān)系。第三，對云制造開展和實施中需要注意的問題進(jìn)行了討論。最后，給出了一個新的云制造定義。然而，限于論文篇幅，無法對上述所有問題展開詳細(xì)討論。此外，還有一些對理解和實施云制造非常重要的問題也無法在本文中進(jìn)行討論，主要包括：

（1）云制造概念的內(nèi)涵和外延。云制造是一個不斷演化發(fā)展的概念，并且與眾多智能制造相關(guān)的概念有重合之處，比如工業(yè)4.0［39］、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)［40］、智能制造［41］、社群化制造［42］等。未來，需要進(jìn)一步闡明云制造與這些概念的區(qū)別和聯(lián)系，并以此來闡明云制造概念的內(nèi)涵和外延。

（2）云制造技術(shù)。云制造的實現(xiàn)需要很多技術(shù)的支持。然而，現(xiàn)有的研究并沒有說明哪些技術(shù)是核心技術(shù)、哪些技術(shù)是輔助技術(shù)，哪些技術(shù)是實現(xiàn)一個最小云制造系統(tǒng)所必須的、哪些技術(shù)不是必須的但有助于擴展和完善云制造系統(tǒng)的功能。未來，需要結(jié)合云制造實現(xiàn)對云制造需要的技術(shù)做進(jìn)一步的梳理和分析。

表2 現(xiàn)有文獻(xiàn)中的云制造定義Tab.2 Definitions of cloud manufacturing in existing literatures

（3）云制造中的云服務(wù)和數(shù)字孿生的關(guān)系。數(shù)字孿生［43］是智能制造領(lǐng)域非常重要的一個概念。云制造中的云服務(wù)和數(shù)字孿生的概念有緊密聯(lián)系。未來，非常有必要闡明兩者的區(qū)別和聯(lián)系，以更加深入地理解云制造中服務(wù)的概念。

（4）硬制造資源的虛擬化和服務(wù)化技術(shù)。硬制造資源的虛擬化和服務(wù)化是構(gòu)建制造云服務(wù)的最核心的技術(shù)之一。沒有這方面的突破就沒有云制造的實現(xiàn)。未來，需要結(jié)合具體的硬制造資源，研究和探索硬制造資源的虛擬化和服務(wù)化技術(shù)。

（5）云制造企業(yè)。云制造是一種新型制造模式，勢必會對企業(yè)內(nèi)部管理和運營產(chǎn)生重要影響。云制造環(huán)境下的企業(yè)稱為云制造企業(yè)［44］。未來，需要進(jìn)一步研究云制造環(huán)境下企業(yè)的需求、架構(gòu)等。另外，當(dāng)前智能工廠［45］是智能制造領(lǐng)域非常重要的一個概念，因此，還需要研究云制造企業(yè)與智能工廠之間的聯(lián)系和區(qū)別。

（6）云制造成熟度模型及其評估方法。云制造的開展和實施不是一個一蹴而就的過程。開發(fā)云制造成熟度模型有助于評估不同發(fā)展階段云制造實施的成熟度，也可以為實施云制造提供一個分階段的、具有可操作性的指導(dǎo)。最小云制造系統(tǒng)是一個重要概念，可以作為云制造實施的起點。未來，需要研究云制造成熟度模型及其評估方法。

（7）云制造開展和實施。主要從范圍、行業(yè)、企業(yè)信息化水平和技術(shù)成熟度4個維度對云制造的開展和實施進(jìn)行詳細(xì)的分析。比如，不同行業(yè)實施云制造的路徑和策略是什么？面臨哪些挑戰(zhàn)？哪些行業(yè)更適合應(yīng)用云制造技術(shù)？哪些行業(yè)可以更好、更快地實施？

（8）企業(yè)加入云制造。企業(yè)加入云制造是云制造成功開展和實施非常重要的一環(huán)。需要研究的問題包括：如何理解和定義企業(yè)加入云制造？企業(yè)如何加入云制造？企業(yè)加入云制造的成本和收益分析？研究這些問題能夠為企業(yè)加入云制造提供決策方面的參考。