制造的服務化、基于知識的創(chuàng)新能力，以及對各類制造資源的聚合與協同能力、對環(huán)境的友好性已成為當前企業(yè)競爭力的關鍵要素和制造業(yè)信息化發(fā)展的趨勢。我國制造業(yè)正處于從生產型向服務型、從價值鏈的低端向中高端，從制造大國向制造強國、從中國制造向中國創(chuàng)造轉變的關鍵歷史時期。如何培育新型制造服務模式，滿足制造企業(yè)最短的上市速度（Time）、最好的質量（Quality）、最低的成本（Cost）、最優(yōu)的服務（Service）、最清潔的環(huán)境（Environment）和基于知識（Knowledge）的創(chuàng)新即TQCSEK的需求，支撐綠色和低碳制造，實現中國創(chuàng)造，進而推動經濟增長方式的轉變，是未來5-10年我國制造業(yè)發(fā)展需要解決的重大問題。

　　從“八五”到“十一五”，我國科技部及相關部門支持了以計算機集成制造、并行工程、敏捷制造、虛擬制造、網絡化制造、制造網格、敏捷制造等為代表的相關制造業(yè)信息化課題，已取得了一系列成果，并在制造業(yè)各個領域發(fā)揮了重要作用，對推進我國制造業(yè)信息化進程做出了巨大貢獻。然而，如何在制造過程中整合社會化存量資源，提高資源利用率，降低能源消耗，減少排放，從而實現服務型制造，已成為我國制造業(yè)迫切需要解決的瓶頸問題。解決這些問題，需要探索新的制造業(yè)發(fā)展模式。

　　與此同時，以云計算、物聯網、虛擬物理融合系統CPS（Cyber-Physical Systems）、虛擬化技術、面向服務技術（如知識服務、服務技術等）、高性能計算等代表的先進技術正迅猛發(fā)展，并在各個行業(yè)得到應用。

　?。?）物理資源層（P-Layer）：P-Layer為物理制造資源層，該物理層資源通過嵌入式云終端技術、RFID技術、物聯網等，從而使得各類物理資源能接入到網絡中，實現物理資源的全面互聯，從而形成云制造虛擬資源，進而為云制造虛擬資源封裝和云制造資源調用提供接口支持。

　?。?）資源層（R-Layer）：R-Layer為云制造虛擬資源層，該層主要是將接入到網絡中的各類制造資源匯聚成虛擬制造資源，并通過云制造服務定義工具、虛擬化工具等，將虛擬制造資源封裝成云服務，從而發(fā)布到云層中的云制造服務中心。該層提供的主要功能包括：云端接入技術、云端服務定義、虛擬化、云端服務發(fā)布管理、資源質量管理、資源提供商定價與結算管理、資源分割管理等。

　?。?）云制造服務層（C-Layer）：C-Layer為云制造服務中心層，該層主要匯集資源層發(fā)布的各類資源服務，從而形成各類云制造服務數據中心。

　?。?）核心服務層（S-Layer）：S-Layer為云制造核心服務層，該層主要面向云制造三類用戶（CSP、CSD、云服務運行商）對制造云服務的綜合管理提供各種核心服務和功能，包括：面向CSP提供云服務標準化與測試管理、接口管理等服務；面向云服務運行商提供用戶管理、系統管理、云服務管理、數據管理、云服務發(fā)布管理服務；面向CSD提供云任務管理、高性能搜索與調度管理服務等。

　　（5）應用接口層（P-Layer）：P-Layer為云制造應用接口層，該層主要是面向特定制造應用領域，提供不同的專業(yè)應用接口以及用戶注冊、驗證等通用管理接口。

　?。?）用戶層（U-Layer）：U-Layer為云制造應用層，該層面向制造業(yè)的各個領域和行業(yè)。不同行業(yè)用戶只需要通云服務門戶網站、各種用戶界面（包括移動終端、PC終端、專用終端等）就可以使用云制造服務中心的云服務。

　　從上圖可以看出，云制造系統中的用戶角色主要有三種，即：資源提供者、制造云運營者、資源使用者。資源提供者通過對產品全生命周期過程中的制造資源和制造能力進行感知、虛擬化接入，以服務的形式提供給第三方運營平臺（制造云運營者）；制造云運營者主要實現對云服務的高效管理、運營等，可根據資源使用者的應用請求，動態(tài)、靈活的為資源使用者提供服務；資源使用者能夠在制造云運營平臺的支持下，動態(tài)按需地使用各類應用服務（接出），并能實現多主體的協同交互。在制造云運行過程中，知識起著核心支撐作用，知識不僅能夠為制造資源和制造能力的虛擬化接入和服務化封裝提供支持，還能為實現基于云服務的高效管理和智能查找等功能提供支持。

　　（1）面向服務和需求的制造 云制造一改制造長期以來面向設備、面向資源、面向訂單、面向生產等的形態(tài)，從而轉而真正面向服務、面向需求。在云制造中，一切能封裝和虛擬化的都作為制造云服務（包括制造資源作為服務、制造能力作為服務、制造知識作為服務等）這種大轉變是作為實現生產型企業(yè)向服務型企業(yè)轉變、實現制造即服務（Manufacturing-as-a-Service, MFGaaS）的基礎。

　?。?）不確定性制造 云制造中，云服務對制造需求的滿足不存在唯一的最佳解，而是到目前為止用現有技術和方法能得到的滿意解或非劣解，這既是云制造的不確定性制造能力，包括云制造任務的描述、任務與云服務的映射匹配、云服務選取與綁定、云服務組合選取、制造結果評價等環(huán)節(jié)中的不確定性。

　?。?）用戶參與的制造 云制造強調把計算資源、能力、知識嵌入到網絡、環(huán)境中去，使得制造企業(yè)關注的中心轉移或回歸到用戶需求本身。云制造致力于構建一個制造企業(yè)、客戶、中間方等可以充分溝通的公用制造環(huán)境。在云制造模式下，用戶參與度不僅限于傳統的用戶需求提出和用戶評價，而是滲透到制造全生命周期的每一個環(huán)節(jié)。云制造模式下，客戶或用戶的身份不具備唯一性，即一個用戶即是云服務的消費者，也是云服務的提供者或開發(fā)者，體現的是一種用戶參與的制造，包括人機交互、機人交互、機機交互、以及人人交互等。

　?。?）透明和集成的制造 云制造把所有制造資源、能力、知識等盡可能高度抽象和虛擬化為用戶可見和容易調用的“電源接線板”，即制造云服務，而其它東西對用戶透明。用戶在使用云服務開展各類制造活動時，這些服務的調用是透明的，即所有制造實現操作細節(jié)可以向用戶“隱藏”起來，使用戶將云制造系統看成是一個完成無縫的集成系統。云制造的透明性可以體現在位置透明性、注冊透明性和使用透明性等方面。

　?。?）主動制造? 現有制造模式中，如果企業(yè)沒有生產訂單或自己的設備等資源閑置時，則無法開展制造或享受資源收益，即體現的是一種被動的制造模式。而在云制造中，制造活動和云服務具有主動性，即用戶根據第三方構建的云制造服務平臺，在知識、語義、數據挖掘、機器學習、統計推理等技術的支持下，訂單可以主動尋找制造方，而云服務可以主動智能尋租，從而體現一種智能化的主動制造模式。

　?。?）支持多用戶的制造 傳統網絡化制造模式（如ASP、制造網格等）研究重點是如何使分散的制造資源能夠通過網絡連接起來，從而形成虛擬的集中資源，并將一個復雜制造任務分解成若干簡單任務，通過調度機制使得這些簡單任務并行運行在不同制造資源節(jié)點上，最后匯集執(zhí)行結果，體現的是一種“分散資源集中使用”的思想。而云制造不僅體現“分散資源集中使用”的思想，還有效實現“集中資源分散服務”的思想，即將分散在不同地理位置的制造資源通過大型服務器集中起來，形成物理上的服務中心，進而為分布在不同地理位置的多用戶提供服務調用、資源租賃等。

　?。?）支持按需使用和付費的制造 云制造是一種需求驅動、按需付費的面向服務的制造新模式。云制造模式下用戶采用一種需求驅動、用戶主導、按需付費的方式來利用制造云服務中心的云服務。用戶根據自身的需要來調用或組合調用已有的云服務并支付相應的費用，而且戶不需要過多關注制造資源服務提供者的自身信息，用戶和制造資源提供者是一種即用即組合、即用即付、用完即解散的關系。

　　（8）低門檻、眾包式制造 傳統制造企業(yè)必須擁有自己的廠房、設備、物料、信息化設施、技術人員等全套制造條件，同時必須具備相應的設計、制造、管理、銷售等能力。而云制造模式下，企業(yè)不需要擁有所有這些條件和能力，對企業(yè)沒有的制造資源或能力可以通過“外包”的形式來達到，即通過調用或租用云制造系統中的資源、能力、云服務來完成本企業(yè)的生產任務。從而降低了企業(yè)的入門門檻，使生產和企業(yè)組織方式更加靈活、多元化。

　?。?）敏捷化制造 云制造模式下，企業(yè)只需要重點關注本企業(yè)的核心服務，而其它相關業(yè)務或服務則可以通過調用云制造中的云服務來完成，其生產方式非常靈活，體現了一種敏捷化的制造思想。

　　（10）專業(yè)化制造 云制造通過第三方構建的平臺，將所有制造資源、能力、知識虛擬化成云滴（即制造云服務），最后聚合形成不同類型的專業(yè)制造云（如設計云、仿真云、管理云、實驗云等），體現了規(guī)?；⒓s化、專業(yè)化的特點。

　?。?1）基于能力共享與交易的制造 與傳統網絡化制造相比，云制造共享的不僅僅是制造資源，還有制造能力。在相應知識庫、數據庫、模型庫等的支持下，實現基于知識的制造資源和能力虛擬化封裝、描述、發(fā)布與調用，從而真正實現制造資源和能力的全面共享與交易，提高利用率。

　?。?2）基于知識的制造 在云制造全生命周期過程中，都離不開知識的應用，包括基于知識的（1）制造資源和能力虛擬化封裝和接入；（2）云服務描述與制造云構建；（3）云服務搜索、匹配、聚合、組合；（4）高效智能云服務調度與優(yōu)化配置；（5）容錯管理、任務遷移；（6）云制造企業(yè)業(yè)務流程管理等。

　?。?3）基于群體創(chuàng)新的制造 云制造模式下，任何個人、任何單位或企業(yè)都可以向云制造平臺貢獻他們的制造資源、能力和知識。而與此同時，任何企業(yè)都可以基于這些資源、能力、知識來開展本企業(yè)的制造活動，云制造體現的是一種維基百科式的基于群體創(chuàng)新的制造模式。

　?。?4）綠色低碳制造 云制造的目標之一是圍繞TQCSEFK目標，實現制造資源、能力、知識的全面共享和協同，提高制造資源利用率，實現資源增效。實現了云制造，實際上就是在一定程度上實現了綠色和低碳制造。

　　有了這個體系結構以后，云制造需要五大類關鍵技術——模式、體系架構、相關標準和規(guī)范；云端化技術；云服務的綜合管理技術；云制造安全技術；云制造業(yè)務管理模式與技術。

　　1、云制造模式、體系架構、相關標準及規(guī)范，主要是從系統的角度出發(fā)，研究云制造系統的結構、組織與運行模式等方面的技術，同時研究支持實施云制造的相關標準和規(guī)范，其包括支持多用戶的、商業(yè)運行的、面向服務的云制造體系架構；云制造模式下制造資源的交易、共享、互操作模式；云制造相關標準、協議、規(guī)范等，如云服務接入標準、云服務描述規(guī)范、云服務訪問協議等。

　　2、云端化技術，主要研究云制造服務提供端各類制造資源的嵌入式云終端封裝、接人、調用等技術，并研究云制造服務請求端接入云制造平臺、訪問和調用云制造平臺中服務的技術，包括支持參與云制造的底層終端物理設備智能嵌入式接入技術、云計算互接入技術等；云終端資源服務定義封裝、發(fā)布、虛擬化技術及相應工具的開發(fā)；云請求端接入和訪問云制造平臺技術，以及支持平臺用戶使用云制造服務的技術；物聯網實現技術等。

　　3、云服務綜合管理技術，主要研究和支持云服務運營商對云端服務進行接入、發(fā)布、組織與聚合、管理與調度等綜合管理操作，包括云提供端資源和服務的接入管理，如統一接口定義與管理、認證管理等；高效、動態(tài)的云服務組建、聚合、存儲方法；高效能、智能化云制造服務搜索與動態(tài)匹配技術；云制造任務動態(tài)構建與部署、分解、資源服務協同調度優(yōu)化配置方法；云制造服務提供模式及推廣，云用戶（包括云提供端和云請求端）管理、授權機制等。

　　4、云制造安全技術，主要研究和支持如何實施安全、可靠的云制造技術，包括云制造終端嵌入式可信硬件；云制造終端可信接入、發(fā)布技術；云制造可信網絡技術；云制造可信運營技術等；系統和服務可靠性技術等。

　　5、云制造業(yè)務管理模式與技術，主要研究云制造模式下企業(yè)業(yè)務和流程管理的相關技術，包括云制造模式下企業(yè)業(yè)務流程的動態(tài)構造、管理與執(zhí)行技術；云服務的成本構成、定價、議價和運營策略以及相應的電子支付技術等；云制造模式各方（云提供端、云請求端、運營商）的信用管理機制與實現技術等。

　　首先是針對大型集團企業(yè)的研發(fā)設計能力服務平臺。針對大型集團企業(yè)，利用網格技術等先進信息技術，整合集團企業(yè)內部現有的計算資源、軟件資源和數據資源，建立面向復雜產品研發(fā)設計能力服務平臺，為集團內部各下屬企業(yè)提供技術能力、軟件應用和數據服務，支持多學科優(yōu)化、性能分析、虛擬驗證等產品研制活動，極大促進產品創(chuàng)新設計能力。這類服務平臺主要是面向集團內部下屬企業(yè)的。

　　第二個重要方向是區(qū)域性加工資源共享服務平臺。我國已經成為當今世界上擁有制造加工資源最豐富的國家。針對制造資源分散和利用率不高的問題，利用信息技術，虛擬化技術、物聯網以及RFID等先進技術，建立面向區(qū)域的加工資源共享與服務平臺，實現區(qū)域內加工制造資源的高效共享與優(yōu)化配置，促進區(qū)域制造業(yè)發(fā)展。

　　另外，制造服務化支持平臺也是將來云制造可以重點發(fā)展的方向之一。針對服務成為制造企業(yè)價值主要來源的發(fā)展趨勢，我們可以建立制造服務化支持平臺，支持制造企業(yè)從單一的產品供應商向整體解決方案提供商及系統集成商轉變，提供在線監(jiān)測，遠程診斷，維護和大修等服務，促進制造企業(yè)走向產業(yè)價值鏈高端。這類平臺主要針對大型設備使用企業(yè)。

　　除了針對大型企業(yè)的服務平臺，云制造更可以服務于量大面廣的中小企業(yè)，因此針對中小企業(yè)信息化建設資金，人才缺乏的現狀，我們還可以建立面向中小企業(yè)的公共服務平臺，為其提供產品設計、工藝、制造、采購和營銷業(yè)務服務，提供信息化知識、產品、解決方案、應用案例等資源，促進中小企業(yè)發(fā)展。

　　此外，我國物流業(yè)社會化、專業(yè)化、集成化、協同化、標準化水平低，物流技術基礎差，服務能力弱等問題，嚴重制約物流業(yè)與制造業(yè)的聯動發(fā)展。因此，針對我國制造業(yè)物流成本高等現狀，利用RFID、網絡、物流優(yōu)化等技術，研究整機制造企業(yè)，零部件制造企業(yè)和物流企業(yè)的多方協作模式和第三方服務模式，建立物流拉動的現代制造服務平臺，為制造業(yè)整機制造企業(yè)，零部件制造企業(yè)和物流企業(yè)協作提供服務，促進制造業(yè)發(fā)展。