智慧云制造：工业云的智造模式和手段

　　李伯虎：中国工程院院士，复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室学术委员会主任，中国工业互联网产业联盟专家委员会副主任

　　柴旭东：北京航天智造科技发展有限公司总经理、研究员、博导

　　张 霖：北京航空航天大学教授、博导

　　林廷宇：北京仿真中心、复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室博士

　　本文发表于《中国工业评论》杂志2016年第2-3期

　　当前，全球制造业的发展正在经历深刻的调整和变革。一方面，发达国家高端制造回流本土和发展中国家制造业低成本优势，引发国际制造业发展态势和竞争格局面临重大调整;另一方面，新一代信息通信技术快速发展并与制造业的深度融合，引发制造业制造模式、制造流程、制造手段、生态系统等的重大变革。与此同时，中国正面临从价值链的低端向中高端、从制造大国向制造强国、从中国制造向中国创造转变的关键历史时期。中国工程院制造强国战略研究提出需要推进5个转型——由技术跟随战略向自主开发战略转型再向技术超越战略转型;由传统制造向数字化网络化智能化制造转型;由粗放型制造向质量效益型制造转型;由资源消耗型、环境污染型制造向绿色制造转型;由生产型制造向生产+服务型制造转型。2013年，工信部已在16个省启动“工业云创新行动计划”;2015年，国务院正式发布了“中国制造2025”战略规划和“互联网+”行动计划，明确提出了中国由制造大国向制造强国迈进的战略目标、指导思想、主攻方向、实施方针、重点任务和行动纲领。

　　笔者团队自上世纪80年代即介入制造业信息化研究与应用工作，综观国内外制造领域有关技术和应用的现状与发展，并基于我国制造业信息化技术与应用的成果，于2009年提出了“云制造”的理念、模式、技术手段和业态，并开始了云制造1.0的研究与实践。经过近几年的实践，随着有关技术的发展，特别是大数据、云计算、仿真、移动互联网、高性能计算、网络安全、智能终端等新兴信息技术的智慧化和3D打印、智能化机器人、智能制造装备等新兴制造技术的智慧化快速发展，它们为加强云制造的智慧化提供了技术支撑。因此，本团队于2012年进一步提出并开始了“智慧云制造”(云制造2.0)的研究与探索，它在制造模式、技术手段、支撑技术、应用等方面进一步发展了云制造1.0。它是云计算在制造领域的落地和拓展;是实施“中国制造2025”和制造领域的“互联网+”行动计划的一种智造模式和手段。

　　定义

　　智慧云制造是一种基于泛在网络，用户为中心，人机融合，互联化、服务化、个性化(定制化)、柔性化的智慧制造新模式和新手段。

　　具体地讲，它基于泛在网络，以用户为中心，借助新兴制造技术、新兴信息技术、智能科学技术及制造应用领域技术等4类技术深度融合的数字化、网络化、智能化技术手段，将智慧制造资源与能力构成智慧服务云(网)，使用户通过智慧终端及智慧云制造服务平台，便能随时随地按需获取智慧制造资源与能力，对制造全系统、全生命周期活动(产业链)中的人、机、物、环境、信息进行自主智慧地感知、互联、协同、学习、分析、预测、决策、控制与执行，使制造全系统及全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术/设备(三要素)及信息流、物流、资金流、知识流、服务流(五流)集成优化。进而高效、优质、低耗、柔性地制造产品和服务用户，提高企业(或集团)的市场竞争能力。

　　“智慧云制造”的“智慧”体现在，其中的制造资源、制造能力、制造云平台及制造云的构成、运行、评估等等方面都具有制造的智慧特征。即“智慧云制造”在制造模式、手段和支撑技术(智慧化的信息技术和智慧化的制造技术)方面都体现了智慧特征。这里的“智慧”强调了：创新驱动;以人(用户)为中心的人机物深度融合;数字化、网络化(互联化)、智能化的深度融合;工业化与信息化的深度融合;智慧地运营制造全系统和制造全生命周期活动中的人、机、物、环境与信息等方面的内容。

　　特征

　　智慧云制造系统是基于上述智慧云制造内涵所组成的制造系统，它是云计算提供的IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(软件即服务)在制造领域的落地和拓展。它丰富、拓展了云计算的资源共享内容，服务模式和支撑技术，如图1所示。

　　笔者团队还认为：智慧云制造系统是实施“工业云”的一种智造模式和手段。一方面，它提供了一种新的制造业经济发展模式，是以用户为中心，产品+服务为主导的，制造全生命周期、全系统随时随地按需构建与运行的互联化、服务化、个性化、柔性化的智慧制造模式;另一方面，它提供了一种新的制造业技术手段，如前所述，制造资源和能力智慧化技术手段包括“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、定制化、柔性化、智能化”等八个特征的技术手段。

　　新的模式、新的手段形成了一种新的业态——“泛在互联、数据驱动、共享服务、跨界融合、自主智慧、万众创新”为特征的“互联网+”时代中的新产业生态，如图2所示。

　　智慧云制造系统在以下几个方面具有较明显的优势：其一，构成以用户为中心的人机物融合智造系统，其中基于泛在网络整合人机物产生的大数据，具有巨大的价值待挖掘和开发增值服务;其二，实现按需、动态、敏捷、柔性地开放/共享智慧创新能力与智慧制造资源，提供“众智、众包、众扶、众筹”空间，实现资源共享，能力协同，利益共赢;其三，智慧云制造能促进中国制造5个转型;其四，智慧云制造支持个性化制造/柔性化制造/绿色制造，实现高效、优质、低耗、柔性地制造产品和服务用户，提高企业(或集团)的市场竞争能力。

　　值得指出，智慧云制造在促进企业创新驱动和转型升级方面的优势正符合当今我国制造业发展对策的需要。

　　标准体系、技术体系和评估体系

　　标准体系

　　智慧云制造系统标准体系包括基础共性标准、总体标准、平台标准和应用标准四大类，具体如图3所示。

　　技术体系

　　智慧云制造技术体系包含八大类关键技术(如图4所示)，是实现智慧云制造所需关键技术的集合，它为智慧云制造的研究与实施指明了方向。

　　针对构建智慧云制造系统，智慧云制造软件技术体系包括智慧云制造的系统软件技术、平台软件技术以及应用软件技术(如图5所示)。

　　评估体系

　　参考《中国企业两化融合发展报告(2015)》，智慧云制造系统评估体系包括水平与能力评估、效能和效益评估两部分，水平与能力评估包括基础建设、单项应用、综合集成、协同创新等四个主要评估方面;效能与效益评估包括竞争力、经济和社会效益等两个主要评估方面。如表1所示。

　　云制造应用范例

　　“航天云网”是中国航天科工集团公司基于本团队于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、技术手段和业态，研究开发成功的一种“智慧制造系统(智慧制造云)”雏形。

　　“航天云网”由下列3类制造云(网)组成：

　　“航天(专有)云网”：面向航天科工集团自身装备制造转型升级战略需求，基于航天科工集团专网，开发并成功运营的面向航天复杂产品的集团公司智慧云制造服务平台/系统，也称“航天(专有)云网”。该平台是首个央企集团级云制造服务平台/系统。它服务于航天科工集团各类制造企业和产品用户的全要素资源共享，以及制造全过程活动能力的深度协同。

　　“航天(公有)云网”：面向社会各类大中小制造企业转型升级战略需求，基于公有互联网，开发并成功运营的国内首个以生产性服务为主体的“互联网+智能制造”的大型智慧云制造服务平台/系统，也称“航天(公有)云网”。它服务于国内全社会各类制造企业和产品用户的全要素资源共享，以及制造全过程活动能力的深度协同。

　　“航天(国际)云网”：面向国际各类大中小制造企业转型升级战略需求，基于国际互联网，开发成功的以生产性服务为主体的“互联网+智能制造”的大型国际智慧云制造服务平台/系统，也称“航天(国际)云网”。它服务于国际各类制造企业和产品用户的全要素资源共享，以及制造全过程活动能力的深度协同。2015年12月，航天(国际)云网已正式上线。

　　基于航天(专有)云网的云制造应用概况

　　针对航天复杂产品创新性强、技术难度大(2000余项专业技术交叉融合)、研制周期长，质量、可靠性(适应各种严酷环境)要求高，生产模式复杂(多品种、小批量、变批次)，性能评估困难(系统级验证试验成本高、子样少)等特点，以及要克服当前制造资源和制造能力运转忙闲不均，共享敏捷度不够，协同效率不高的迫切需求，整合共享分散在各主体单位中的数百万亿次的高性能计算资源、数百TB的存储资源;数十种、数百套机械、电子、控制等多学科大型设计分析软件及其许可证资源;总装联调厂等多个厂所的近万台套的高端数控加工设备及企业单元制造系统;航天复杂产品制造过程各阶段的数千条专业能力……以推动航天集团企业内部全要素资源/能力共享和竞争配置、制造过程深度协同和优化，实现“企业有组织，资源无边界”的目标。

　　截止目前，在短短几个月时间内已发布需求上千条，合同标的总金额超过数亿元，签约合同金额累计超过亿元。

　　基于航天(公有)云网的云制造应用概况

　　针对地方产业经济转变发展方式，促进经济持续健康发展，打造产业链/集群协作的个性化(面向个性化需求，支持顾客参与定制)，服务化(面向制造即服务，实现制造业服务化)，社会化(整合社会化资源，打造虚拟企业动态联盟)的需求，在各地方政府的大力支持下，合作开展航天(公有)云网的落地实施及产业化工作，支持地方产业经济中的高端/基础/共性资源共享，供需对接交易以及业务协作。目标是通过高效配置制造资源和能力，提高产业链整合与协作能力、提供整体的创新手段以提高企业竞争能力。通过营造新型产业环境，转变产业发展方式、发展战略性新兴产业、创新招商方式、扩大税收来源以加快转变地方产业经济的发展方式。

　　截止目前，航天云网注册企业数已达5万家，月均增长率达40%。其中规模以上企业超过1000家，拉动超过30个省份的中小企业上线开展业务，涉及汽车及零配件、装备制造、家电家居、电子、纺织、食品等产业。

　　研究与实施

　　突出中国云制造研究与实施的特点与优势

　　围绕提高制造企业市场竞争力的目标，基于中国制造业信息化工作，要进一步突出下述中国云制造研究与实施的特点与优势：

　　突出新一代信息技术(云计算，互联网、物联网，大数据，建模仿真技术，电子商务技术等)、大制造技术(设计、加工、试验、管理、维修、保障等)、智能科学技术和产品专业技术的深度融合。突出以建立智慧制造新模式、新手段、新业态为核心，基于物联网，建立“产品”加“服务”为主导的“以人为中心，互联化、个性化、服务化、柔性化”的智慧制造新模式，及“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、定制化、网络化、智能化”的智慧制造新技术手段，和“泛在互联、数据驱动、共享服务、跨界融合、自主智慧、万众创新”为特征的新业态。突出面向制造企业与产品用户两类对象，实现产品制造全生命周期活动中的资源与能力服务化及制造系统中三要素与五流的集成与优化。突出工业2.0/3.0/4.0同步发展的途径。突出发挥“政、产、学、研、金、用”的团队力量。

　　阶段成果的工程化、产业化和深化应用

　　笔者团队认为，阶段成果工程化、产业化和深化应用应该从以下几方面开展：

　　云制造工具集合平台的工程化、产业化。选择更多的行业及智慧城市中的集团和中小企业群开展应用示范——构建“行业及企业制造云”。积极支持工信部“工业云创新项目”。积极融入“中国制造2025”及“互联网+制造业”行动计划的实施。

　　技术拓展研究

　　其一，云制造应用技术的深化。笔者团队认为，基于现有的研究与实践基础，技术拓展研究首先是要深化云制造应用技术的研究，结合各个行业与企业，创造有特色的商业模式。其二，重视云制造技术与新信息技术的融合。在深化云制造应用技术研究的同时，应该特别重视云制造与大数据技术、网络安全防护技术、移动互联网技术、在线仿真(嵌入仿真)技术四项新信息技术的融合，以加强其“智慧化”。其三，重视云制造技术与3D打印等新制造技术的融合。其四，重视云制造技术与智能科学技术的融合。

　　在云制造实施中要关注的问题

　　要围绕转变经济增长方式、增强企业市场竞争能力的目标，走良性循环发展的路线。从增强企业市场竞争能力的需求出发，由需求驱动来建立系统，通过系统建设带动技术/产品研发，新技术/产品的发展进一步促进系统的改进完善，改进的新系统进一步推动新的应用，如此周而复始的良性循环。

　　要企业一把手挂帅，建立系统工程的观点，按复杂系统工程内涵实施云制造系统：要坚持“效益驱动，总体规划，突出重点，分步实施”的指导思想;要密切结合各个企业的实际需求与情况，制定好发展规划与阶段性实施方案;要重视企业产品研制全系统、全生命周期活动中的人/组织、经营管理、设备/技术(三要素)及信息流、物流、资金流、知识流、服务流(五流)集成优化。

　　要重视建立自主可控的智慧云制造系统;设立和组织知识、技术、产业发展项目。要制定激励政策。要建立多层次的创新体系。要制定相关标准、评估指标体系、安全管理和法律等规范。

　　智慧云制造还是正在发展中的新制造模式、技术手段和业态，其发展路线应是持续地坚持“创新驱动”加“工业化与信息化深度融合”。智慧(能)制造的发展与实施还需要全国、全球的合作与交流，同时又要充分重视各国的特色和各行业及各企业的特点，实事求是地实施。