1.1 云制造提出的背景

1.1.1 中国制造业的发展

制造业是国民经济的物质基础和产业支柱，制造业的发展是一个国家战略性产业和工业崛起的标志。然而，从技术和创新水平角度看，我国制造业的自主技术创新能力不强，有自主知识产权的产品少，核心制造技术基础还相对薄弱；从制造资源的管控配置能力角度看，当前我国虽然拥有的制造资源总量庞大，然而由于缺乏一种高效的制造资源管控配置与服务共享平台，以及适应制造业智慧转型升级的运营模式，海量制造资源存储分散，调配困难，难以被主动发现并及时共享，造成制造资源利用率较低、浪费严重，这不利于我国制造业抢占新一轮科技和产业竞争的制高点，不能很好地促进我国由制造大国向制造强国的转变^[1]。

按照制造技术的发展水平和生产组织方式，可将制造模式的发展历程归纳为图1-1所示的8个阶段^[2]。尤其是20世纪80年代以来，先进制造模式、先进制造技术及先进管理方式的研究和应用受到众多国家的关注，涌现出一批以网络化制造和面向服务的制造为代表的具有影响力的制造模式及相关技术体系，有力推动了制造业的发展^[2]。近几年来，随着互联网、物联网、云计算和大数据等新一代信息技术的出现，以及新能源技术、新型材料加工技术、数字化智能制造技术、人工智能和环境科学的融合创新发展，新工业革命逐渐成为各国讨论的热点。柔性化、绿色化、服务化、智能化、敏捷化、精益化和全球化融为一体，将改变制造业的生产运营模式和全球经济体系框架，引领制造业走向智能化时代^[3-5]。

图1-1 制造模式的演变

我国始终将发展先进制造业作为我国制造业转型升级的主要方向，在数字化制造^[6]、虚拟制造^[7]、仿生制造^[8]、绿色制造^[9]、敏捷制造^[10，11]、区域网络制造^[12]、制造网格^[13]等先进制造技术领域取得了重大进展，尤其是国家 “十二五” 制造业信息化科技工程规划提出，要将互联网、云计算、物联网等新一代信息技术与制造技术融合，大力发展新一代集成协同技术、制造服务技术和制造物联技术，极大促进了我国制造业向全球化、协同化、精益化、绿色化、服务化和智能化方向发展，推动了传统产业转型升级和高新技术产业的快速发展^[3]。

当前，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑。我国针对制造业结构调整和转型升级、发展高端制造业等战略性新兴产业制定了发展战略、研究框架和行动纲领。全面实施制造业创新中心建设工程、工业强基工程、智能制造工程、绿色制造工程和高端装备创新五大工程。掌握新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备等重点领域的关键核心技术，以信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个中国制造业的发展。

1.1.2 网络化制造

网络化制造是敏捷制造的延续，它将先进的网络技术、信息技术与制造技术相结合，形成图1-2所示的快速响应市场需求和提高企业竞争力的基于网络的制造系统^[14]。但至今，网络化制造的概念尚无统一明确的定义。目前，通常将网络化制造从狭义和广义两个角度来理解。网络化制造的狭义定义是指通过计算机网络技术实现分布式资源的信息共享和整合，能够在产品研制过程中进行生产设备之间的信息交互，达到企业内外部数据信息的交互和通信。广义的网络化制造是指以信息技术和网络技术为基础，实现产品全生命周期各阶段制造活动及企业运营快速响应市场需求。综合两种定义，网络化制造是指将分布在不同物理位置的大量异构制造资源集聚起来，为制造企业提供覆盖产品全生命周期业务活动的协作和制造能力及资源的共享。网络化制造是包括应用服务供应商、制造网格、敏捷制造、全球化制造等为应对知识经济和制造全球化而实施的一类先进制造模式^[15-18]。

在国外，20世纪90年代中期，美国、日本、欧盟等发达国家开展了大量与网络化制造技术相关的研究实践，通过国家计划研究建立全球化产品协同设计与制造资源集成机制^[19]；针对基于网络的设计与制造系统、全球制造虚拟网络，以及制造过程的网络化协同设计等方面开展学术研究^[20]；美国通用电器和波音公司通过网络为企业提供各种制造支撑服务^[21，22]，各国在学术研究和企业应用方面取得了一系列成果。

图1-2网络化制造模式的体系结构

20世纪90年代末，我国在网络化制造关键技术领域取得了显著的进展和突破，清华大学、重庆大学及浙江大学的学者们针对网络化制造的定义、内涵特征，以及网格制造的发展协议和标准展开了研究^[23，24]。杨叔子院士针对基于Agent的网络化制造有关理论和技术进行了研究；张霖教授主持研发了国内首个网络化制造系统；孙林夫教授等在基于ASP的区域网络化制造平台的相关理论，尤其是企业应用技术方面取得了部分成果；肖田元和杨海成教授针对网络化制造的 ASP运行模式、关键技术和实现方案进行了研究。

综上所述，尽管网络化制造在资源配置与服务化建模、资源优化调度、平台运营、协同设计等领域的相关理论和实施技术方面取得了一定成果，但是若要进一步拓展其服务模式，深化推广应用，还需要进一步解决其在运行模式、资源动态共享与智能分配，以及安全技术等方面存在的瓶颈问题^[25]。

1.1.3 云计算到云制造技术

云计算、普适计算和服务计算等是近几年出现的新的分布式计算平台，其中云计算以其独有的大规模分布式商业计算模式成为发展最快且最具影响力的计算模式，该模式主要借助互联网通过第三方服务运营商搭建的计算服务中心，将计算任务分布在动态扩展的可配置共享资源池内，用户可以按需获取计算能力、存储空间、软件资源和信息服务^[26，27]。

云计算是一种特殊的分布式计算模式，它从本质上改变了原有的服务模式，通过抽象化封装将计算资源形成物理分散、逻辑统一的资源池，并采用虚拟化方法为用户提供动态配置的专业服务，用户主要根据资源管理方通过网络提供的所需服务进行付费，不需要管理资源，实现云用户对物理上分布资源的共享，这种第三方资源管理的模式为解决当前网络化制造存在的问题提供了新的思路；嵌入式系统、无线射频、传感器及人工智能等技术的快速推进，为解决制造资源的服务化封装与云端化接入提供了使能技术；云安全模式、技术及产品为解决网络化制造中的安全问题提供了新的方法和手段；高性能计算技术的发展也为求解更加复杂的制造问题和提供交互式、高并发的协同制造服务提供了全新的手段。

随着云计算、物联网、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等技术在制造领域的渗透与发展，云制造^[14]这种按需定制服务的网络化制造新模式诞生了，如图1-3 所示，它融合了网络化制造技术与云计算、人工智能、高性能计算等新兴信息技术，是云计算在制造领域的落地。云制造以其先进的运营组织模式、灵活多变的动态联盟协作方式、可靠的云安全性能，以及多样的服务模式和种类受到了国内外学者的广泛关注。

图1-3 从云计算到云制造的资源共享