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计算机集成制造，网络物理系统和云计算制造
-概念与关系
Department of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China.Department of Mechanical Engineering, University of Auckland, Auckland 1142, New Zealand.Received 22 March 2015; received in revised form 12 August 2015; accepted 1 November 2015Available online 7 November 2015.
摘要： 计算机在现代制造系统中深深扎根，产生了诸如计算机集成的技术制造，网络物理系统和最近的云制造。这些技术已经基于现有技术而发展或类似技术或制造范例。 这些技术之间存在一些误解。尽管有相似之处，他们之间有很大的区别。 首先，这些技术被接受的情况和发达是不同的。有不同的方法与它们相关联。本文的讨论是信息技术，工业和服务业的关系。
关键字：计算机集成制造 云制造 物联网
- 介绍
计算机在提高制造系统的效率，能力和适应性方面发挥重要作用。这些技术的典型例子是计算机内部制造（CIM），分布式制造（DM），敏捷制造（AM），网络物理系统（CPS）和云制造（CM）。这些技术已经从现有的或类似的技术演变而来。例如，CPS可以被看作是嵌入式系统的扩展; CM是根据云计算和DM。有些文献可以比较CIM与AM [1]，CM与DM [2]的比较;没有同时看CIM，CPS和CM.CIM，CPS和CM都涉及一定程度的资源资源化或虚拟化。在制造业，这些技术虚拟化制造资源或能力。由于这个共同特点，很容易引起误解。这篇文章揭示了这些技术之间的相似之处和差异。
数字制造在20世纪80年代变得突出，这是CIM由机械制造商以及其他类型的制造商开发和推动的。它的早期定义之一是DigitalEquipment Corporation（DEC）[3]给出，即CIM是计算机科学技术应用于制造企业，以便在正确的时间提供正确的信息，从而实现其产品，流程和业务目标。这定义强调信息的作用，但缺乏整合的考虑。因此，制造工程师协会（SME）的计算机和自动化系统协会（CASA）定义如下：CIM是通过使用集成系统和数据通信加上新的管理哲学，整体制造企业的整合，提高组织和人员效率[4]。尽管如此，在这些定义中强调，CIM的一个关键主题是开发一个计算机数据库，将启用技术带入一个大大相互关联的制造系统中[4,5]，这可以通过开发基于STEP和 STEP-NC，用于CAD，CAPP，CAM和CNC的集成[5,6]，这有助于数据可交换性和应用互操作性。 然而，由于CIM专注于将计算机和先进制造技术集成到本地化资源中[6,7]，并且是基于更加结构化和静态的业务架构建立的，它或多或少地适应于生产系统中的动态变化[8]。
网络物理系统（CPS）被定义为计算与物理过程的集成。嵌入式计算机和网络监视和控制物理过程，通常使用反馈环路，其中物理过程是功能计算，反之亦然[9]。它有助于网络和物理世界的连接。除了配置设备，系统的嵌入式传感器和执行器允许物理过程的操作被实时监控和协调[10]，从而导致更高的响应和效率系统。它被认为是未来的技术之一，已被列为美国联邦研究投资优先项目的首位。这一领域的一个关键问题是，通过互联网可以访问大量网络设备（事物）和流程（服务），在安全和私有问题中表达特定的技术挑战[11]。
云制造由云计算（CC），因此其定义建立在CC上。许多作者提出了CM的定义（例如[12-15]）。一个定义将云计算定义为使得无处不在，便捷的按需网络访问共享的可配置制造资源池（例如制造软件工具，制造设备和制造能力）的模型，可以以最少的管理能力将其轻松配置和发布或服务提供商的互动“[13]。根据这一定义，CM是一个概念，旨在从联网（即云端）制造资源提供按需制造服务，其模仿了云计算的服务对数，促进了所有服务，例如服务。设计即服务，模拟服务，生产服务，组装服务，服务测试，物流服务。由于制造业资源和能力通过互联网共享（作为服务），特别是中小型企业被认为对中小企业来说是有利的。
总之，现代自动化系统（通常由数控机床等嵌入式系统构成）和软件集成技术（例如CAD，CAM，CAE，CAPP的集成）共同促成了CIM系统在20世纪80年代的发展[16]。 CPS和CM更新生技术，出现在2000后。 嵌入式系统和全球网络的快速发展被认为是CPS的驱动力[17]，而CM则构建在面向服务的技术和语义Web [15]之上。这三种技术在形式，方法和方法上是不同的 限制，并且通过使用信息技术（IT）的方式，目标行业的类型和服务（如果有的话）的方式得到最好的理解。
2. 信息技术的角色
将制造业视为由物理领域和网络域组成的世界。 为了桥接网络，可以使用嵌入式系统等技术。 在CIM中，制造活动得到综合网络系统的支持[18]。 具有独立功能的网络系统通常是被动的，并且独立于彼此。 同时，这些系统被封闭，例如。 数控机床中的嵌入式系统（控制器）[19]。不同网络系统之间的协调和通信通常是集中运行的。 因此，CIM实现了以系统为中心的制造（图1）。
图1：IT角度的计算机集成制造
图2：IT角度的网络物理系统
网络 - 物理系统是嵌入式系统与物理环境与全球网络的集成[19]。 换句话说，CPS中的物理资源被网络化（图2），并且可以从外部访问。 基于这种基础架构，并结合传感，计算和通信的功能，产品可以主动改变物理环境的状态[20]。 例如，当检测到高温违规时，冷却系统会自动启动。在这种情况下，它是与其所在环境通信的产品（事物），而在一个CIM系统中，它是集中式 监控系统并对环境做出反应。 因此，CPS实现以产品为中心的制造。
图3：IT角度的云制造
云制造可能适用（例如[13,21,22]）或不适用（例如[23,24]）CPS网络架构。 换句话说，CM中的网络系统可能会选择网络工作。 更重要的是，Cloud Manufacturingtries模仿了云计算的范例，其中设计，制造和其他资源被封装为服务。 因此，与CIM和CPS相反，CM的物理和网络世界之间的连接和互动并不直接通过网络系统，而是通过服务（图3）。因此，CM要求一些电子商务技术，例如 面向服务的技术[25]。 从这个角度来看，CMo以服务为中心的制造模式。
表1：CIM，CPS和CM在数据存储，检索和交换中的作用
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CIM |
CPS |
CM |
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数据存储 |
集成式 |
分散式 |
分散式 |
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数据检索 |
关键词/语义 |
语义 |
语义 |
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数据交换支持 |
中央系统 |
网络系统 |
服务器 |
因此，由于CIM，CPS和CM具有不同的重点和基础架构，因此具有不同的数据存储和检索方式，并且拥有不同的支持者在网络世界和物理世界之间交换数据（表1）。
表2：CIM，CPS和CM之间的差距
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CIM |
CPS |
CM |
|
|
IT视角 |
中央系统 |
中央产品 |
中央服务器 |
|
产业革命 |
第三 |
第四 |
第四 |
|
提供服务 |
软件 |
无 |
软件和制造业 |
|
服务器中央管理 |
无 |
无 |
是 |
3. 行业观点
CIM，CPS和CM的实施为产业提供了更高的质量，缩短交货时间，提高了市场变化的灵活性。 在这一节中，将介绍如何在行业中实施这些技术。
CIM已广泛应用于汽车，航空，航天，造船等行业[26]。在制造公司实施时，CIM不仅改变了原型系统，而且改变了公司的运营和组织结构[27]。它提供了一种在不同级别的企业管理下垂直整合IT系统的方法。例如，全集成自动化系统[28]整合了不同的企业级别，包括企业管理级别（如企业资源规划），工厂管理级别（例如制造执行系统）和设备级别（例如基于PC的机器）[29]。在这样的系统中，制造自动化实现了在设备级互联的嵌入式系统，形成本地联网的嵌入式系统。此类网络嵌入式系统解决了传统制造系统中的一些典型问题，如过程停滞，基础设施因素的影响，沟通和组织障碍[30]。随着它的封闭，其功能和责任分布在层次结构中，本地网络嵌入式系统使得CIM在处理动态外部变化时不太灵活[31]。
CPS已广泛应用于航空航天工业，国防工业，电力工业，交通工业（如车辆和智能高速公路），医疗保健行业（如医疗器械和系统），住房行业（如建筑和环境控制与智能空间）[10]]。 在机器人系统，过程控制和自动化程度普遍的传统制造环境中，CPS可以支持IT系统的垂直整合和横向整合，整合供应链或整个行业甚至整个行业，引入工业互联网[32] 例。 在这种情况下，最终的情况是系统和工厂在不同管理层面的全球联网，这提供了更高程度的灵活性和适应性。
CM在行业中得到了实施，商务重点突出。这主要是通过使用基于云的企业对企业（B2B）平台来实现的。 Quirky.com，Shapeways.com，Ponoko.com和MFG.com [14]。在这样的平台上，制造或设计资源通过互联网虚拟化，并可用于分布式消费。这些工业实现主要集中在工厂层面的全球网络（横向整合）;他们不会非常注意设备级集成。毫无疑问，CM在研究实现中显示了接受全球网络嵌入式系统（即CPS）功能的明显趋势[22]。例如，在欧洲的Manu Cloud项目中，分布式工厂联网，使得工厂内部的服务和自动化（设备）级别可以被外部环境访问。
根据对Industrie4.0概念的讨论，Kagermann等人[33]考虑到由本地网络嵌入式系统带来的制造业自动化推动的第三次工业革命，相应地，全球网络嵌入式系统即CPS驱动了第四次工业革命。因此，CIM可以被认为是一个的第三次工业革命的关键驱动力，而CPS和CM是第四次工业革命的驱动力。
4. 作为服务的制造业
从云计算的服务模式（即软件即服务，平台即服务，基础设施即服务）（Marinescu 2013），无法想象昂贵的IT基础设施的中小企业现在可以实现全公司的整合（例如CIM）。例如，思科的Cloud-Verse [34]是将CIM与云计算集成在一起的解决方案，为中小企业提供基于软件的服务来实现CIM.
CPS可以是连接异构服务的一种支持技术，尽管它不提供任何种类的服务-vices。这是因为CPS在服务交付层缺乏集中管理功能的架构。然而，CPS可以帮助整合物联网和互联网服务。同时，通过CloudComputing技术，实现CPS的公司可以提供或提供诸如传感器，处理，控制和数据服务等大量服务[35]。
本质上，CM在制造资源方面是以服务为导向的制造作为“即付即用”模式提供的服务。在这种模式下，制造服务成为公用事业服务[36,37]。通过这种方式，CM可以促进制造和IT基础设施的投资减少。因此，它更适合中小企业。在云时代，CIM可以被认为是一种基于软件的服务。 CPS有助于服务网络，尽管其中的一部分也可以提供基于软件的服务。 CM是一个服务容器，同时也是服务提供商，包括软件和制造服务。
5. 讨论和结论
表2总结了CIM，CPS和CM之间的关键差异。一般来说，重点已经从更封闭的产品转移到更加联合和基于服务的架构。快速扩张的业务服务在制造业和制造业的支持上日益占主导地位。除了制造业的“服务化”外，新的典范正在出现，工业物联网和服务互联网。可以理解，CPS和CM是第四次工业革命的联合驱动力，从而形成了从机器到互联网，机器人与机器的垂直和横向合作，沿着价值链即时自动的将互联网无数网络和变化。 CIM，CPS和CM以多种方式相关。嵌入式系统和CPS有助于建立CIM和工业互联网。同时，CM中的私有云和公共云可以分别基于CIM和工业互联网建立。
总之，CIM，CPS和CM之间有共同点使用信息技术的方式，目标行业的类型和服务（如果有的话）交付方式。它们各自存在，用于工业革命的不同阶段。共同的主题之一是联系。 CIM专注于连接系统，连接设备上的CPS聚焦和CM更侧重于连接的企业。很明显，人们不能否认制造业“服
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