中国云计算应用丛书--智慧制造云（李伯虎）

“中国制造2025发展战略”中指出，“中国制造业在2025年进入‘强国’行列”。中外制造业的历史和现状不尽相同，建设中国2025，走智能制造之路，变“制造大国”为“制造强国”，没有现成的经验可循，不可能盲目照抄他国路径。作者团队以其在智能制造领域脚踏实地耕耘近十年收获的技术和实践经验，建立了“智慧制造云”系统，从理论、技术和实践两方面提供了一个可资借鉴的发展我国智能制造理论、技术研究和实践历程中的范例。

我国制造业正面临从生产型制造向生产加服务型制造、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。国际国内形势日趋严峻，我国必须尽快为制造业的发展创造新的模式、新的手段和新的业态。
我国政府多年来大力推动信息化与工业化融合——“制造业信息化”的发展，制造业的发展路线以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向。一场以 “制造业信息化”为特征的制造业变革已经在我国积极、持续地开展。
20世纪80年代起，我们的团队就开始做制造业信息化的工作。2009年，我们提出了“云制造”的理念，从云制造1.0系统开始实践。2012年，我们认识到“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”时代的到来，因此，进一步提出“智慧云制造”（云制造2.0）的理念，并开始致力于云制造2.0系统——“智慧制造云”的实践。到现在，经过多年的努力，我们已经在技术研究方面取得了阶段性成果，应用方面也初见成效。
智慧制造云的构建基于智慧云制造（云制造2.0）系统的内涵：基于新互联网，借助新兴的制造科学技术、信息通信科学技术、智能科学技术及制造应用领域技术等四类技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术手段，构成以用户为中心的统一经营的智慧制造资源、产品与能力的服务云（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、产品与能力服务，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、认知、决策、控制与执行，促使制造全系统及全生命周期活动中的人／组织、技术／设备、管理、数据、材料、资金（六要素）及人才流、技术流、管理流、数据流、物流、资金流（六流）集成优化；形成一种以用户为中心，人、机、物、环境、信息融合，互联化（协同化）、服务化、个性化（定制化）、柔性化、社会化、智能化的智慧制造新模式和“泛在互联、数据驱动、共享服务、跨界融合、自主智慧、万众创新”的新业态；进而高效、优质、节省、绿色、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。
简单地说，智慧制造云是一种基于新互联网，用户能按需、随时随地获取智慧制造资源、能力与产品服务，进行数字化、网络化、云化、智能化制造的一种人、机、物、环境、信息深度集成与优化的智慧互联制造服务系统。
特别值得指出的是，智慧制造云有一个重要标志：它具有系统“智慧化”的技术特征。这个“智慧化”包含了数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、定制化、柔性化和智能化“八化”，它们是相互联系、层层递进的。
我们在本书中给出智慧制造云的概念模型、体系架构、技术特征、知识／技术体系框架；详细讲述了实施智慧制造云有关的10类关键技术；论述了智慧制造云是云计算在制造领域的落地和拓展，是一种“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”时代的具有中国特色的智能制造系统。其名谓“智慧”，是它的智慧首先体现在它有三个方面的深度融合，即用户为中心的人、机、物、环境、信息的深度融合，数字化、网络化、云化、智能化的深度融合，工业化和信息化的深度融合；同时，这个系统能够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；另外，它是基于工业大数据作为战略资源，利用智能化学习技术，并行、协同、实时、互联、智能地进行制造创新。
从横向范围看，智慧制造云的体系结构可用于制造全生命周期活动；从纵向范围看，可用于区域、行业以至跨行业的层次，也可以是工厂、企业的层次，甚至可以是制造单元、车间乃至设备和产品的层次。它的服务对象可以是小微企业、中小企业、大型企业、产业园区、行业协会、政府、金融机构等。
任何智能制造系统，无不以提升效益作为目标。智慧制造云着眼于提高企业的市场竞争能力，目标是高效、优质、节省、绿色、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。在我们数年的实践过程中，智慧制造云服务于制造业的智能化转型升级，已经取得了初步成效。实践表明，它是实施制造强国战略规划的一种智能制造模式、手段和业态。我们在本书中专设两章(第14章、第15章)，给出了智慧制造云的实施范例——“航天云网”的实践与应用。智慧制造云是在持续发展中的智能制造系统，因此，在本书最后一章中简要介绍了智慧制造云的国内外现状并讨论了其发展，以供读者参考。
筚路蓝缕，肇始艰辛，但智能制造的前路必然是一片光明。与同路者共勉。
感谢读者阅读本书。本书的编写分工如下：
第1章，李伯虎、柴旭东、张霖、林廷宇、杨晨；
第2章，李伯虎、柴旭东、张霖、林廷宇、肖莹莹、任磊、李潭；
第3章，谷牧、靳柯、潘亚南、肖莹莹、陈海波、文佳、耿超、王玫；
第4章，任磊、侯宝存、林廷宇、苑海涛、贾政轩；
第5章，李潭、李伯虎、宋伟宁；
第6章，施国强、林廷宇、周军华、翟翔、刘晓亮；
第7章，张霖、乔立红、杨建中、麦金耿、罗啸、王京；
第8章，曲慧杨、郭丽琴、施国强、周军华、林廷宇、邢驰、张雅彬、李潭、杜承烈；
第9章，邹萍、张俊毅、高雅洁、王龙、董惠惠；
第10章，段桂江、刘睿、刘涛涛；
第11章，廖中华、邹萍、阮超、赵志龙；
第12章，石波、王斌、陈志浩、王晓菲、谷牧、吴朝雄、于冰；
第13章，李伯虎、柴旭东、张霖、林廷宇、庄长辉；
第14章，侯宝存、唐蕾、高雅洁、任旭、陈继华、冯皓、冀秀萍、刘铮；
第15章，曹丽霄、陆小兵、郭丽琴、秦伟林、张志强、张云、陈冀华、朱力维、曹凯；
第16章，李伯虎、柴旭东、张霖、林廷宇、曾贲。
感谢我们的团队在智慧制造云系统的研究、实践和本书的成稿过程中付出的诸多辛勤劳动与努力。感谢中国航天科工集团的领导与机关长期的指导、关心和支持。感谢我国制造领域领导与专家们多年来的指导、鼓励和帮助。同时，向在本书出版过程中为我们提供了必不可少的支持和帮助的众多朋友、同事表示诚挚的谢意，特别是林廷宇、高雅洁、杨春伟以及本书的编辑宋湘玲、郝英华等，他们为书稿的统筹、编辑、校对做了大量的工作，没有他们的共同努力，就没有本书的顺利付梓。
经过将近两年的资料搜集和准备，本书终于与读者见面，存在缺点和谬误仍在所难免，请读者不吝指出，您的意见和建议是我们前进的动力，我们将不胜感激！

李伯虎
2020年5月

李伯虎，中国工程院院士，博士生导师。
现任航天科工集团公司二院科技委员会常务副主任；航天科工集团公司科技委员会顾问；航天科工集团信息化专家组长；总装备部科技委兼职委员暨总装备部仿真专业组顾问；国家863计划自动化领域专家委员及现代集成制造系统主题专家组组长；国家863计划监督委员会委员等。 
李伯虎院士长期从事计算机仿真与计算机集成制造系统技术研究开发和应用工作。研究成果获国家科技进步一等奖1个（北京仿真中心工程，1995年）；国家科技进步二等奖3个（1.综合XX平台仿真示范系统，2003年；2.XX关键零部件柔性设计制造一体化系统研究，2004年；3.XX综合仿真示范系统，2009年），部级科技进步奖14个；2012年获国际建模与仿真学会【the Society for Modeling and Simulation International（SCS）】授予的“终身成就奖”【SCS Life time Achievement Award(SCS Modeling and Simulation Hall of Fame)】。
近期研究领域为复杂系统建模与仿真，复杂产品集成制造系统、云仿真与云制造等。

“智慧制造云”是继作者团队于2009年提出并实践“云制造（云制造1.0)”理念后，又基于2012年提出“智慧云制造（云制造2.0）”新理念构成的一种适应当今新时代，并具有中国特色的智能制造系统。
《智慧制造云》给出智慧制造云的概念模型、体系架构、技术特征、知识/技术体系框架；详细讲述了实施智慧制造云有关的10类关键技术，论述了智慧制造云是云计算在制造领域的落地和拓展，是一种“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”时代的具有中国特色的智能制造系统。
《智慧制造云》中还给出了智慧制造云的实施范例——“航天云网”的实践与应用。书末简要介绍了智慧制造云的国内外研究与实践现状并提出了其持续发展的建议。
本书有助于读者对中国制造业向智能制造转型升级的思考与实践。

第1章现代制造技术的新发展1
1.1制造业与制造1
1.2国外制造业的新发展1
1.2.1各国纷纷推出振兴制造业的国家战略与计划1
1.2.2制造业信息化技术发展趋势5
1.3我国制造业发展的挑战与对策7
1.3.1我国制造业发展的挑战7
1.3.2我国制造业发展的对策10
1.4本章小结13
参考文献13

第2章智慧制造云概论16
2.1智慧云制造范式及智慧制造云内涵16
2.2智慧制造云概念模型16
2.3智慧制造云体系结构18
2.4智慧制造云服务对象与内容22
2.5智慧制造云的技术（知识）体系24
2.6智慧制造云的技术特征28
2.7本章小结33
参考文献33

第3章智慧制造云总体技术34
3.1概述34
3.2智慧制造云模式34
3.3智慧制造云商业模式38
3.3.1智慧制造云客户分析38
3.3.2智慧制造云商业模式总体架构39
3.3.3智慧制造云典型商业模式40
3.4系统开发与应用实施技术42
3.4.1系统架构技术42
3.4.2系统集成技术45
3.4.3标准化技术48
3.4.4实施原则及流程50
3.5智慧制造云扩散机制51
3.5.1智慧制造云的基本扩散过程51
3.5.2智慧制造云的扩散动力52
3.6本章小结52
参考文献53

第4章智慧制造云支撑平台技术54
4.1智慧制造云总体体系架构54
4.2智慧资源/产品/能力层54
4.3智慧感知/接入/通讯层56
4.3.1智慧感知技术框架56
4.3.2新互联网络56
4.3.3装备与产线智能化改造接入56
4.3.4边缘计算57
4.4智慧虚拟资源/产品/能力层57
4.4.1智慧云制造模式下资源/产品/能力管理需求57
4.4.2智慧云制造资源/能力虚拟化服务化技术60
4.4.3虚拟化智慧制造产品技术68
4.5云服务支撑功能层68
4.5.1IaaS/DaaS/PaaS/SaaS/MCaaS68
4.5.2微服务与协同流程服务技术69
4.5.3工业大数据引擎技术69
4.5.4人工智能引擎技术69
4.5.5仿真引擎技术70
4.5.6产品生命周期智慧云服务技术（智慧云设计/云生产/云仿真与试验/云管理/云售后服务技术）70
4.6智慧用户界面层71
4.6.1基于普适计算的个性化服务界面定制模式71
4.6.2智慧制造云个性化服务界面定制技术72
4.7智慧云服务应用层73
4.8云安全技术74
4.9本章小结74
参考文献74

第5章智慧制造云中的大数据技术76
5.1概述76
5.1.1智慧制造云中大数据的来源76
5.1.2智慧制造云中大数据的特征78
5.1.3智慧制造云中大数据的分类79
5.1.4智慧制造云中大数据的价值79
5.2智慧制造云大数据子平台80
5.2.1智慧制造云大数据子平台功能架构80
5.2.2智慧制造云大数据子平台技术架构81
5.3智慧制造云大数据关键技术及解决方案81
5.3.1大数据集成与清洗技术82
5.3.2大数据存储与管理技术83
5.3.3大数据分析与挖掘技术86
5.3.4大数据可视化技术88
5.3.5大数据标准与质量体系技术90
5.3.6大数据安全技术90
5.4本章小结92
参考文献92

第6章智慧设计云技术94
6.1概述94
6.1.1智慧设计云的需求94
6.1.2智慧设计云的新模式、新手段和新业态96
6.1.3智慧设计云包含的技术99
6.2智慧设计云的系统架构99
6.3云并行工程总体技术101
6.4智慧云CAX/DFX技术101
6.4.1智慧云CAX/DFX技术应用需求102
6.4.2智慧云CAX/DFX资源云共享102
6.4.3智慧云CAX/DFX的智能设计102
6.5虚拟样机云设计技术105
6.5.1虚拟样机设计数据流描述105
6.5.2基于软总线的数据驱动设计107
6.5.3虚拟样机云设计环境构建108
6.6基于大数据的云设计技术109
6.6.1面向概念设计的大数据技术110
6.6.2面向详细设计的大数据技术110
6.6.3面向设计验证的大数据技术112
6.6.4设计大数据基础管理技术112
6.7本章小结115
参考文献115

第7章智慧生产与装备云技术116
7.1概述116
7.1.1智慧生产与装备云的需求116
7.1.2智慧生产与装备云的新模式、新手段和新业态116
7.1.3智慧生产与装备云包含的技术118
7.2智慧生产与装备云的系统架构119
7.3云工艺技术120
7.3.1智慧云工艺概述120
7.3.2工艺设计的服务粒度与云工艺服务模式分类121
7.3.3智慧云工艺设计的实现技术123
7.3.4智慧云工艺的应用案例125
7.4云数控技术127
7.4.1云数控概述127
7.4.2云数控系统整体架构128
7.4.3云数控大数据处理系统129
7.4.4基于云数控的大数据机床CPS模型130
7.5云3D打印技术131
7.5.1云3D打印概述131
7.5.2云3D打印服务平台的技术特征131
7.5.3云3D打印服务平台的总体架构132
7.5.4云3D打印服务平台技术体系134
7.6云机器人137
7.6.1云机器人概述137
7.6.2云机器人的概念与内涵137
7.6.3云机器人的技术特征138
7.6.4云机器人在智慧制造中的典型应用139
7.7本章小结140
参考文献141

第8章智慧仿真与试验云技术143
8.1概述143
8.1.1智慧仿真与试验云的需求143
8.1.2智慧仿真与试验云的新模式、新手段和新业态144
8.1.3智慧仿真与试验云包含的技术147
8.2智慧仿真与试验云的系统架构149
8.3复杂系统建模语言技术149
8.3.1概念、内涵与现状149
8.3.2复杂系统建模语言体系结构151
8.3.3复杂系统建模方法151
8.3.4复杂系统建模语言文本规范154
8.3.5复杂系统建模语言高效动态编译技术156
8.4云仿真技术157
8.4.1概念、内涵与现状157
8.4.2云仿真资源管理技术158
8.4.3云仿真环境构建技术162
8.5云试验技术165
8.5.1内涵与现状165
8.5.2基于反射内存网络的试验平台架构165
8.5.3试验系统实时运行管理技术168
8.6智慧仿真与试验云的进一步发展172
8.7本章小结173
参考文献173

第9章智慧经营管理云技术176
9.1概述176
9.1.1智慧经营管理云的需求176
9.1.2智慧经营管理云的新模式、新手段和新业态176
9.1.3智慧经营管理云包含的技术179
9.2智慧经营管理云的系统架构180
9.3云营销技术180
9.3.1智慧制造云下的云营销管理需求180
9.3.2云营销链管理新模式和新业态182
9.3.3云营销管理的特点186
9.4云售后技术186
9.4.1智慧制造云下的售后链管理需求187
9.4.2云售后链管理新模式和新业态188
9.4.3云售后链管理的特点192
9.5云供应链技术192
9.5.1智慧制造云下的供应链管理需求193
9.5.2云供应链新模式和新业态194
9.5.3云供应链管理的特点198
9.6云企业管理技术199
9.6.1智慧制造云环境下的企业管理需求199
9.6.2智慧制造云下的企业管理新模式和新业态200
9.7智慧经营管理云的实施204
9.8本章小结204
参考文献205

第10章智慧质量管理云技术206
10.1概述206
10.1.1智慧质量管理云的需求206
10.1.2智慧质量管理云的新模式、新手段和新业态207
10.1.3智慧质量管理云包含的技术209
10.2智慧质量管理云平台的系统架构210
10.3云制造环境下的数字化云检验技术212
10.3.1云检验平台的体系框架213
10.3.2面向云检验服务的基础数据模型216
10.3.3云检验典型应用场景与应用流程217
10.4基于数字化云检验的制造服务质量可信性评价技术220
10.5本章小结224
参考文献224

第11章智慧运维保障云技术226
11.1概述226
11.1.1智慧运维保障云的需求226
11.1.2智慧运维保障云的新模式、新手段和新业态227
11.1.3智慧运维保障云包含的技术230
11.2智慧运维保障云的系统架构230
11.3智能诊断技术232
11.4远程技术支援技术232
11.5交互式电子技术手册技术233
11.6虚拟训练技术235
11.7装备健康管理技术236
11.8本章小结238
参考文献238

第12章智慧制造云中的安全技术239
12.1智慧制造云安全概述239
12.1.1智慧制造云安全概念239
12.1.2智慧制造云安全挑战240
12.1.3国内外云安全研究现状241
12.2智慧制造云安全的需求242
12.2.1云制造平台安全需求242
12.2.2制造资源物联网安全需求244
12.2.3工业网与“云”互联安全需求245
12.3智慧制造云安全的系统架构246
12.4智慧制造云安全关键技术248
12.4.1智慧制造云基础安全技术248
12.4.2智慧制造云服务安全技术249
12.4.3智慧制造云虚拟化安全技术250
12.4.4智慧制造云商业化安全技术251
12.4.5制造资源与“云”互联安全技术252
12.5本章小结253
参考文献253

第13章智慧制造云是一种“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”时代的智能制造系统255
13.1“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”新时代255
13.2制造云1.0256
13.2.1制造云1.0的内涵256
13.2.2制造云1.0的概念模型256
13.2.3制造云1.0的体系结构257
13.3智慧制造云（制造云2.0）的发展259
13.3.1智慧制造云是计算云在制造领域的落地和延伸259
13.3.2智慧制造云是“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”制造业的一种新模式、新手段和新业态261
13.3.3智慧制造云（制造云2.0）发展了制造云1.0262
13.4智慧制造云与工业4.0、工业互联网的比较263
13.5本章小结265
参考文献265

第14章智慧制造云的实践——航天云网266
14.1航天云网概述266
14.1.1航天云网云制造范式266
14.1.2航天云网概念模型269
14.1.3服务价值体系270
14.1.4技术知识体系272
14.2INDICS架构与实践273
14.2.1INDICS总体架构273
14.2.2公用网络平台275
14.2.3专用网络平台（专有云）278
14.2.4国际工业互联网平台280
14.3CMSS云制造支撑系统282
14.3.1体系架构282
14.3.2生态构建286
14.3.3商业模式288
14.4产品服务体系289
14.4.1资源、产品、能力层289
14.4.2云服务支撑功能层290
14.4.3云服务应用层292
14.5平台应用概况295
14.5.1“三朵云”应用概况295
14.5.2纵向系统应用概况296
14.5.3未来应用展望296
14.6本章小结297
参考文献297

第15章智慧制造云的应用范例298
15.1车间云应用案例298
15.1.1航天企业智能云车间298
15.1.2高端电器连接件装配智能车间302
15.2企业云应用案例306
15.2.1航天复杂产品跨企业协同研制应用案例306
15.2.2航天某院面向航天复杂产品的全生命周期管理优化314
15.3行业云应用案例318
15.3.1能源行业的服务云应用318
15.3.2工业机器人行业应用案例321
15.4区域云应用案例——贵州工业云服务平台324
15.5本章小结328
参考文献328

第16章智慧制造云的发展及展望329
16.1智慧制造云的发展329
16.1.1中国云制造技术研究形成了热点329
16.1.2国外积极开展了云制造技术研究与实践331
16.1.3“阶段成果应用”初见成效332
16.1.4云制造“产业”开始起步336
16.2智慧制造云的展望337
16.2.1技术拓展研究337
16.2.2产业化发展343
16.2.3深化应用实施344
16.3本章小结344
参考文献345