產品個性化與制造網絡化、服務化等發展趨勢與云計算、物聯網等IT新技術的結合推動了“云制造”理念的產生。“云制造”作為一種面向服務的網絡化制造新模式，其基本理念已得到國內制造信息化業界的認同，但如何具體實現仍然有待進一步研究探討。國內目前將“云制造”分為面向集團企業與中小企業2種情況進行研究，兩者都相當于電子商務中的“B2B”模式，面向終端消費者與微小型企業之間互動的“B2C”模式沒有受到重視，而基于“B2C”模式的云制造，不僅更加易于實現商業運營，而且有利于促進微型企業的發展與全民創新。
1 “云制造"與相關概念
1.1 IT支持下的制造模式變革
1990年代以來，出現了“產品個性化”與“制造全球化”的發展趨勢，傳統“集中式”的大批量、流水線制造模式受到挑戰，企業需要在組織管理上進行業務流程重組(Business Process Re-engineering，BPR)，并在全球范圍內優化布局，提高信息流、物料流與資金流的運行效率以及對市場靈活反應的能力。同時，IT技術的發展為企業組織管理模式的變革提供了支持，一些新型制造系統理念便應運而生。
人們從不同的關注角度對新型制造理念提出了不同稱謂。從產品批量的角度，稱為“大批量定制生產”(Mass Customization)；從企業組織的角度，稱為“分布式制造”(Distributed Manufacturing)或“分散制造”(Decentralized Manufacturing)、“虛擬制造”(Virtual Manufacturing)等；從企業管理目標的角度，稱為“柔性制造”(Flexible Manufacturing)與“敏捷制造”(Agile Manufacturing)；從IT技術的角度，稱為“計算機集成制造”(Computer Integrated Manufacturing)、“網絡化制造”、“制造網格”(Manufacturing Grid)與“云制造”(Cloud Manufacturing)等。盡管關注角度不同，但這些稱謂都反映了IT技術支持下的制造系統模式的變革。
李伯虎院士對“云制造”給出了一種開放式定義—“面向服務的網絡化制造新模式”。該定義一方面說明了“云制造”的目標是實現“制造即服務”，另一方面也說明了它是“網絡化制造”隨著“云計算”與“物聯網”等IT新技術的發展而更新的產物。不過，該定義并沒有具體闡明“云制造”應該如何實現，作為一種開放式的定義，有待于進一步充實與完善。
1.2“云制造”與“云計算”的聯系
“云制造”的提出受到“云計算”理念的啟發，二者在“面向服務的架構”(SOA)方面是一致的。“云計算”的實現包括“基礎設施即服務”(IaaS)、“平臺即服務”(PaaS)與“軟件即服務”(SaaS)等3個層次，這種體系結構通過硬件設施、開發平臺與應用軟件的層次式劃分，形成了實際可行的商業模式。
“云計算”的體系結構在邏輯上可供“云制造”借鑒，圖1給出了“云計算”與“云制造”體系結構的類比，“云計算”中的IaaS、PaaS與SaaS分別與“云制造”中的制造資源層、虛擬企業層與終端應用層相對應。
不過，需要注意“云計算”中計算基礎設施與“云制造”中制造設備資源的差異性，后者異地分布制造資源的封裝要比前者的IaaS復雜得多，不能直接挪用“云計算”中的方法。因此，如何實現底層制造設備的“云端可用性”是“云制造”的基礎與成功運營的關鍵。
2 網絡智能機床iMach的概念設計
云計算中IaaS的實現是以高性能、低成本計算與存儲硬件的發展為基礎的，由此類比，云制造環境中底層制造裝備在云端的可用性，也需要以大量高性價比“制造單元”的可用性為基礎。為了提供一種面向B2C模式云制造應用的底層“制造單元”，本文提出了“網絡智能數控機床”(iMach)的概念設計方案。
iMach的市場定位為面向微小型企業用戶，其主要性能特征為：較低的成本、便捷的使用與維護性、較高的可靠性與適當的智能化。考慮到iMach主要用于單件小批量制造，為了控制成本，對i-Mach的加工效率不作太高要求，可通過采用小進給量與多次切削來實現大余量的切除，因而可適當降低機床的剛度要求，并選用低功率主軸電機。i-Mach將實現性能與成本的最佳均衡，目前市場上很少存在類似的產品。iMach具有以下設計特征：
a.模塊化結構設計
iMach的結構設計遵循以下幾項原則。首先，在不降低剛度的前提下，盡量減輕質量，并且便于安裝與維護。其次，盡量采用機床工業中的標準化零部件，并通過系列化設計增加重用件。最后，機床主體結構的設計為物料輸送、安全防護以及切削液循環等輔助裝置提供標準化擴展接口。
b.開放式數控系統
數控系統在云制造中的作用相當于云計算中的操作系統，不管對云計算還是云制造，底層系統之間的“互操作性”都是兩者實現的基礎。盡管“開放式數控”的概念已存在很多年，但目前還沒有一致的定義。本文將“互操作”作為開放式數控的首要特征，盡管有的商品化數控系統聲稱是開放式的，但實際上并沒有完全實現“互操作”。開放式數控系統除了采用標準PC硬件架構之外，還應符合主流工業標準，例如近年來提出的STEP-NC標準。
Step-NC(ISO 14649)是2001年發布的國際標準草案，其目標是替代基于G代碼與M代碼的ISO 6983標準。由于G代碼與M代碼只含有低層次的刀具軌跡與速度命令，并且設備之間不兼容，因而編程工作量大，代碼重用性差。step-NC數據含有三維幾何、制造特征與加工工藝信息，不僅可以實現設備之間的互操作，而且能夠進行智能化編程，Step-NC標準將為“云制造”的成功運營提供重要保障手段。
c.支持遠程監控
制造過程中的數據采集與監控是保證產品質量并降低成本的重要手段，尤其對于廣大微小型企業，由于知識技能與人才的缺乏，難以實現高質量產品的低成本制造。因此，在面向微小型企業的“云制造”環境中，制造單元需要具有遠程監控功能，用戶可借助遠程專家或知識庫對加工工藝進行分析與診斷，甚至通過連接遠程“智能數控”中心，對現場工藝參數進行實時自適應優化調整。另外，產品的最終消費者也可通過視頻對生產過程進行遠程監視，這有助于企業贏得消費者訂單。
3 iMachCloud云制造模式的提出
iMachCloud是一種面向微小型制造企業的B2C模式云制造服務平臺，其體系架構如圖2所示，圖中包括物理資源層、邏輯服務層、集成服務層與終端應用層4個層次，其中的邏輯服務層與集成服務層是對圖1所示“虛擬企業層”的進一步細化，平臺的參與者包括平臺運營方、制造服務方、設計服務方、制造工藝服務方等。iMachCloud在總體上是一種由運營商維護的“內部云”，也可以通過訪問“外部云”來實現一些計算與分析功能，例如設計模擬仿真、數控加工仿真等。
物理資源層包括設備資源、軟件資源與人力資服務等。設備資源包括智能數控機床、快速成型機、三維掃描儀等。軟件資源是指可以通過“外部云”訪問的設計仿真分析、知識庫等資源。人力資源是指以網絡在線方式獲得的遠程專家服務，例如遠程三維建模與仿真分析、工藝控制、設備診斷等。每種物理資源采用本體描述語言進行建模，分配惟一的ID號。通過工業以太網或無線傳感網接入Internet。
邏輯服務層將異地分布的制造資源聚合為虛擬的服務站，具體功能包括資源的注冊與發現、任務分配與調度、交易消息通訊、設備狀態監測、數據安全服務等。在過去“網絡化制造”方面的研究論文中，已有很多關于資源發現與匹配算法的報道。
集成服務層是指以SaaS方式提供的逆向工程(RE)/CAD/CAPP/CAM/CNC數據集成服務，例如3D網格模型的有效性檢查與修復、RE/CAD數據集成、CAM與Step-NC集成、智能化CAPP等功能。集成服務層中的部分軟件功能可以通過訪問“外部云”獲得，例如RE軟件、數控加工仿真等。
終端應用層為各參與方提供交互界面，包括面向消費者用戶的門戶網站，提供需求發布、價格反饋、在線交易等功能，以及面向設計、制造與工藝服務提供方的網絡工作界面。從用戶的角度看，iMachCloud平臺主要提供“設計即服務”、“加工即服務”與“工藝即服務”等3種服務。
4 結束語
本文深入分析了“云制造”的概念，提出了一種“網絡智能機床”(iMach)概念設計與一種B2C模式云制造平臺—iMachcloud。制造單元iMach與云制造平臺iMachCloud的關系類似于美國蘋果電腦公司的iPhone產品與應用商店“App Store”平臺之間的關系，二者具有互相推動的作用，iMach與iMachCloud的互動有利于促進“云制造”發展。不過，本文提出的iMach與iMachCloud還處于概念設計與方法研究階段，需要在進一步的實踐中改進和提高。
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