產(chǎn)品個性化與制造網(wǎng)絡化、服務化等發(fā)展趨勢與云計算、物聯(lián)網(wǎng)等IT新技術的結(jié)合推動了“云制造”理念的產(chǎn)生。“云制造”作為一種面向服務的網(wǎng)絡化制造新模式，其基本理念已得到國內(nèi)制造信息化業(yè)界的認同，但如何具體實現(xiàn)仍然有待進一步研究探討。國內(nèi)目前將“云制造”分為面向集團企業(yè)與中小企業(yè)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(yè)之間互動的“B2C”模式?jīng)]有受到重視，而基于“B2C”模式的云制造，不僅更加易于實現(xiàn)商業(yè)運營，而且有利于促進微型企業(yè)的發(fā)展與全民創(chuàng)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(xiàn)了“產(chǎn)品個性化”與“制造全球化”的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)“集中式”的大批量、流水線制造模式受到挑戰(zhàn)，企業(yè)需要在組織管理上進行業(yè)務流程重組(Business Process Re-engineering，BPR)，并在全球范圍內(nèi)優(yōu)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(fā)展為企業(yè)組織管理模式的變革提供了支持，一些新型制造系統(tǒng)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(chǎn)品批量的角度，稱為“大批量定制生產(chǎn)”(Mass Customization)；從企業(yè)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(yè)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(wǎng)絡化制造”、“制造網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)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(xiàn)“制造即服務”，另一方面也說明了它是“網(wǎng)絡化制造”隨著“云計算”與“物聯(lián)網(wǎng)”等IT新技術的發(fā)展而更新的產(chǎn)物。不過，該定義并沒有具體闡明“云制造”應該如何實現(xiàn)，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(lián)系
“云制造”的提出受到“云計算”理念的啟發(fā)，二者在“面向服務的架構(gòu)”(SOA)方面是一致的�！霸朴嬎恪钡膶崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)通過硬件設施、開發(fā)平臺與應用軟件的層次式劃分，形成了實際可行的商業(yè)模式。
“云計算”的體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yè)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(xiàn)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(wǎng)絡智能機床iMach的概念設計
云計算中IaaS的實現(xiàn)是以高性能、低成本計算與存儲硬件的發(fā)展為基礎的，由此類比，云制造環(huán)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(wǎng)絡智能數(shù)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(yè)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?shù)闹悄芑？紤]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(xiàn)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(xiàn)性能與成本的最佳均衡，目前市場上很少存在類似的產(chǎn)品。iMach具有以下設計特征：
a.模塊化結(jié)構(gòu)設計
iMach的結(jié)構(gòu)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(zhì)量，并且便于安裝與維護。其次，盡量采用機床工業(yè)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(jié)構(gòu)的設計為物料輸送、安全防護以及切削液循環(huán)等輔助裝置提供標準化擴展接口。
b.開放式數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)在云制造中的作用相當于云計算中的操作系統(tǒng)，不管對云計算還是云制造，底層系統(tǒng)之間的“互操作性”都是兩者實現(xiàn)的基礎。盡管“開放式數(shù)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(shù)控的首要特征，盡管有的商品化數(shù)控系統(tǒng)聲稱是開放式的，但實際上并沒有完全實現(xiàn)“互操作”。開放式數(shù)控系統(tǒng)除了采用標準PC硬件架構(gòu)之外，還應符合主流工業(yè)標準，例如近年來提出的STEP-NC標準。
Step-NC(ISO 14649)是2001年發(fā)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(shù)據(jù)含有三維幾何、制造特征與加工工藝信息，不僅可以實現(xiàn)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(jiān)控
制造過程中的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控是保證產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本的重要手段，尤其對于廣大微小型企業(yè)，由于知識技能與人才的缺乏，難以實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品的低成本制造。因此，在面向微小型企業(yè)的“云制造”環(huán)境中，制造單元需要具有遠程監(jiān)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(shù)控”中心，對現(xiàn)場工藝參數(shù)進行實時自適應優(yōu)化調(diào)整。另外，產(chǎn)品的最終消費者也可通過視頻對生產(chǎn)過程進行遠程監(jiān)視，這有助于企業(yè)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(yè)的B2C模式云制造服務平臺，其體系架構(gòu)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(yè)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(nèi)部云”，也可以通過訪問“外部云”來實現(xiàn)一些計算與分析功能，例如設計模擬仿真、數(shù)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(shù)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(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)或無線傳感網(wǎng)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(fā)現(xiàn)、任務分配與調(diào)度、交易消息通訊、設備狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)安全服務等。在過去“網(wǎng)絡化制造”方面的研究論文中，已有很多關于資源發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)集成服務，例如3D網(wǎng)格模型的有效性檢查與修復、RE/CAD數(shù)據(jù)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(shù)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(wǎng)站，提供需求發(fā)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(wǎng)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(jié)束語
本文深入分析了“云制造”的概念，提出了一種“網(wǎng)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(chǎn)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(fā)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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本文標題：面向微小型企業(yè)的B2C模式iMachCloud
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