制造网格概论

[摘 要]在归纳了现代制造业技术特征的基础上，重点论述了网格及制造网格的内涵，对制造网格的应用进行了研究，并对其未来的发展进行了展望。

[关键词]网格；制造网格

[中图分类号]TP13 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194(2006)07-0033-04

1 引 言

网格是近年来兴起的一种网络技术，其构想源于电力供应网，基本思想是希望人们像从电网中获取电力一样也能方便地从网格中获取计算力。它利用计算机网络把地理上广泛分布的计算资源、存储资源、网络资源、软件资源、信息资源等连成一个逻辑整体，然后像一台超级计算机一样为用户提供一体化的应用服务，实现万维网上所有资源的全面连通、全面共享，消除信息孤岛和资源孤岛。网格技术被称为是继传统Intemet、Web之后的第三次浪潮。它将带来Intemet的新生，极大地改变我们的工作和生活模式。

信息技术和经济全球化的发展，为制造业注入了新的活力。在这种信息和经济全球化的国际大环境下，必然要求制造业要利用Intemet来跨越不同企业之间存在的空间距离，通过信息集成、业务过程集成、资源共享，为企业开展协同设计、协同制造、网上营销、供应链管理等提供支撑环境，而网格技术的本质特征就是高性能的远程资源共享，它提供的支持与现代制造需求之间恰好存在着极强的吻合性。正因如此，网格技术已成为开发、满足现代制造的最佳候选。基于开放服务的制造网格能够最大限度地实现设计、制造、信息、资源的共享，克服空间距离给企业间的协同带来的障碍。

2　现代制造业技术发展的特点

与信息技术和经济全球化的发展相适应，现代制造业技术发展呈现出如下四大特征。

(1)制造业技术的“数字化”发展。制造业“数字化”发展势不可当。它是制造技术、计算机技术与网络技术交叉发展和应用的结果。它包含数字化设计、数字化制造和数字化管理等。对制造业而言，各种信息(如图形、数据、知识、技能等)均以数字形式，通过网络在企业内部流转，以便根据市场信息，迅速收集资料，在虚拟现实、快速原型、数据库等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，通过仿真设计，模拟加工和成本预算，来实现生产过程的快速重组和对市场的快速响应，以满足客户要求。目前，全球制造业都在通过网络，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，在研究、设计、制造、销售和服务过程中，围绕产品所赋予的数字信息，彼此交互，在广泛领域里形成数字网络。总之，数字化已成为驱动制造业活动的最活跃因素。

(2)制造业技术的“集成化”发展。“集成化”是制造业技术发展的方法。现代集成制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。“集成”就是“交叉”、“杂交”，就是取长补短。制造业技术集成涉及以下3个主要方面：①现代技术的集成，以机电一体化为例，其关键是检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术等。这些技术同许多学科有关。②加工技术的集成，这是现代技术集成的一个特殊部分。特种加工技术及其装备是个典型，如激光加工、高能束加工、电加工等。③管理技术的集成，包括生产信息、功能的集成；包括生产过程的集成、全寿命周期过程的集成；也包括企业内部的集成，企业外部的集成，如并行工程、敏捷制造、CIMS等。

(3)制造业技术的“网络化”发展。“网络化”是制造技术发展的必由之路。它由两个因素决定：一是生产组织变革的需要，二是生产技术发展的可能。由于制造业在市场中面临产品频繁更新、市场需求快速变化等诸多压力，为此企业必须在生产组织上实行某种深刻的变革，以应对激烈竞争的外部环境。这种变革体现在两方面：一方面利用网络在产品设计、制造与生产管理中充分共享资源，形成快速调集、有机整合与高效利用制造资源的机制；另一方面在生产技术上，网络化必然导致制造过程的分散化，使企业必须集中力量在自己最有竞争力的核心业务上。

制造技术网络化的发展必然会导致一种新的制造模式，即虚拟制造组织。这是由地理上异地分布的、组织上平等独立的多个企业，在谈判协商的基础上，建立密切合作关系，形成的动态“虚拟企业”。在这个动态的、虚拟的平台上，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补，资源共享。

(4)制造业技术的“智能化”发展。“智能化”是制造业发展的必然生产模式。制造技术的智能化突出表现在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机来模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，这种智能化系统还负责收集、存储、处理、继承和发展人类专家的制造智能。制造技术的这种高度精密化、自动化不但极大地解放了人的体力劳动，而且更为关键的是有效地提高了脑力劳动，解放了人的部分脑力劳动。它必然是现代集成制造业未来的一种主要生产模式。

3　关于网格及制造网格

3．1关于网格

网格技术是网络技术发展的最新成果，它必然给现代制造业发展注入新的活力。网格是借鉴电力网概念提出来的，最终目的是希望用户在使用网格计算能力解决问题时像使用电力一样方便，用户不用去考虑得到的服务来自于哪个地理位置，由什么样的计算设施提供。也就是说，网格给使用者提供的是一种通用的计算能力。作为一个集成的计算与资源环境，网格能够集成各种计算资源，将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的、透明的且相对经济的计算能力，其集成的计算资源包括诸如各种类型的计算机、网络通信能力、数据资料、仪器设备甚至有操作能力的人等。

电力网中需要有大量的变电站等设施对电网进行调控，相应的网格中也需要大量的管理站点来维护网格的正常运行。网格的结构及资源的调控将更复杂，需要解决的问题也更多。因为网格所关心的问题不再是文件交换，而是直接访问计算机、软件、数据和其他资源。这就要求网格具备解决资源与任务的分配调度、安全传输与通信实时保障、人机系统以及人与人之间的交互等一系列问题。网格提供的资源是随时间动态变化的，原来拥有的资源或者功能，在下一时刻可能就会出现故障或者被拒绝使用，而原来没有的资源，可能随着时间的进展会不断加入进来。

总体来说，网格是一种新技术，因此具有新技术的两个基本特征：①不同的群体用不同的名词来称谓；②网格的精确含义和内容还没有固定，还在不断发展丰富。目前尽管网格计算还没有世界统一的标准，但在核心技术上，相关机构与企业已达成共识：Globus Toolkit已成为网格计算事实上的标准。Globus Toolkit基于Globus和IBM共同倡议的网格标准OGSA，把Globus标准与Web Service标准结合起来，以Service的方式

对外提供统一的网格服务。另外，网格技术本身还具有5个主要特征：①网格是建立在Intemet和Web基础上的，将能实现应用层面上的互联互通，即用户使用层面上的互联互通；②网格可以实现全面的资源共享；③网格采用的是国际标准，因此网格可以使接入设备像接入电话一样方便；④网格的应用会改变计算平台，带动网络技术发展，从而导致大量的新产品和各种利用该技术提供服务的新模式出现，包括新的技术模式和商业模式；⑤基于国际开放的标准必将带来新的发展机会。

3．2关于制造网格

近年来，网格标准与WebService标准的结合使得网格应用以服务形式向非科学计算领域渗透。随着其在制造业中应用的深入，一种新的制造模式——制造网格——应运而生。制造网格是在分析制造业特点的基础上，为解决制造业的实际需求而提出来的，是网格技术在制造业中的具体应用。与网格集成环境中充斥着许多异质资源一样，制造网格环境中的技术资源、信息资源、人力资源和服务资源都是高度自治的、异构的、分布式的。为使得制造网格能够持续不断地为用户提供稳定的服务，必须对这些分散在Intemet上的资源进行有效地管理。具体地说，制造网格是实现企业和社会资源共享和集成，支持企业群体协同运作的集成支撑环境。它基于网格和相关的信息技术，借助于网络将分散在不同企业和社会群体中的设计、制造、管理、信息、技术、智力和软件资源，通过封装和集成，屏蔽资源的异构性和分布性，以透明的方式为用户提供各类制造服务。制造网格使企业能够以请求服务的方式方便地获得所有与制造相关的服务，能够像使用本地资源一样方便地使用封装在制造网格中所有的资源，实现各类资源的集成和优化运行，从而实现企业间的商务协同、设计协同、制造协同和供应链协同。它使基于制造网格支撑环境运行的制造企业群体能够以低的成本和短的开发周期、制造出符合市场需求的高质量产品。

通过制造网格提供的支撑环境，克服空间上的距离和异构性给企业间协同带来的障碍，为实现敏捷制造和虚拟企业的运作提供支持，形成具有数字化、柔性化、敏捷化等基本特征的优势互补的协同企业。它是现代集成制造原理和敏捷制造模式在网络化经济环境下的一种具体的物化形式，它的出现也是制造业信息化水平发展到一定程度的必然产物，是对传统制造模式的扬弃与创新。由于制造网格及其应用系统对制造企业的支持空间从单个企业扩展到了整个社会，其自身具有地域上的分布性、组织上的动态性、管理上的统一性和自治性等特点。基于制造网格，未来的企业能够像获得电力一样方便地从网上获得各种所需的制造服务。因此，从运行方式和形态上，制造网格与目前的Intemet有很大的相似性，但是由于制造网格旨在为企业提供制造服务，而制造服务与Internet提供的信息服务存在着很大的区别。与其他Intemet平台相比，制造网格具有如下优点：

(1)制造平台的标准化、模块化。网格中间件平台是采用系统的、开放的、标准的技术进行建设的，因此，以OGSA为建设思想，以网格中间件为核心建设的制造网格平台同样具有标准化、模块化的特点，有良好的开放性、灵活性和扩展性。

(2)制造过程的自动化、规范化。网络化制造虽然已经取得了一定的成果，但同时也存在着一定的缺陷和不足，如传统的网络化制造没有通用的模式和体系结构作支撑，没有公认的标准和规范，采用的是专用实现技术。而以开放和标准的WebService为技术基础的制造网格，继承于Globus的工作流调度机制，规范了网络化制造的过程和方法。

(3)资源管理的虚拟化、动态化。资源管理一直是制造业信息化建设中的关键点和难点。在制造网格中，将各种制造资源虚拟为“服务”，使得各种资源对用户是透明的。同时，与资源相关的各种信息和数据均保存在本地，仅将其“网格服务句柄”(GridService Handle，GSH)注册到信息服务中，可以动态添加或删除，实现了资源的分布式动态管理。

以下例子可以具体说明采用网格技术带来的好处。如果一个分布在中国各地的工程小组要设计一种新型的飞机，那么这些工程师需要和各地的部件供应厂商、质量监督机构等打交道。在Intemet普及之前，人们通过邮政局寄送技术文档，非常耗时。有了Intemet，工程师之间可以用电子邮件传送文档，互相回答问题。到了网格阶段，它给人们创造了一个虚拟的协同工作空间。大家可以从自己的桌面工作站上实时地看到这架飞机设计的全过程，可以在本地模拟飞机的操作，评价它的性能，修改参数等。

4　制造网格应用

网格在产生初期主要集中在高性能科学和工程计算领域。就涉及企业应用而言，制造网格目前仍然处在起步阶段，但会成为网格产业化最有希望的领域。计算机集成制造在我国从20世纪80年代就已经开始研究和实施，早期的CIM只局限于企业内部信息集成，但在市场不断变化、制造技术不断发展的环境下，企业配置的制造资源已无法满足新的需求，客观上需要从社会角度来配置制造资源，形成企业协同。由于网格技术提供的手段和功能能够很好地满足实施支持企业协同的网络化制造的需求，因此，探索将网格技术应用于集成制造，基于网格技术构建支持企业协同的制造网格是一个非常有意义和有发展前景的研究方向。具体来说，制造网格有如下4个方面的应用方向：

(1)进一步提高制造业产品研发和设计能力。随着制造技术的数字化趋势的发展，企业对高性能计算资源和软件资源的需求越来越强烈。以计算资源为例，现在许多项目的设计，相关参数就成千上万，“用1台超级计算机1个晚上只能做1项参数计算，做完设计需要10年”。用网格技术可以让很多计算机协同工作，原先需要10年做完的计算，现在几周就能完成了；其次，企业对高可靠性的需求越来越强烈。现在的企业网上跑的都是“关键业务”，要求系统99．99％不能宕机。在网格环境中，只要有一台计算机运行，系统就能工作。假设一台计算机的出错率为1％的话，那么两台计算机同时出错的概率就接近为零，因此，很容易达到极高的可靠性；另外，一些新方法(诸如进化设计、模拟设计)的发展，对低成本和超级计算能力的要求也非常迫切，而这样的要求只有网格才能满足。网格能在不占有超级计算机的情况下，收集分散在各地的空闲计算能力，组成一台虚拟计算机，使每个企业都有可能低成本地获得超级计算能力用于产品设计。例如，有了网格，汽车制造商可以以低成本进行汽车碰撞的模拟实验，航空公司则能对飞机进行整体仿真等等。制造网格可以有效解决产品开发异构环境中多领域的协同问题。

(2)进一步提高制造业的资源共享能力。目前制造业在现代化进程中，高新技术的制造资源的巨大投入是每一个企业都必须所面对的问题。但是在资源的利用上，往往都存在资源低效率运转的情况。一方面是

由于市场需求的快速变化而导致制造资源利用率低下，另一方面则是由于企业产品的更新换代导致制造资源的更新换代，这样一来，原来可以继续使用的制造资源只好封存起来。同时，科研院校大量的资源在项目完成后都处于闲置状态，而想要使用该资源设备的科研院校却要进行重复购置，造成科研成本提高和资源的重复浪费。一些行业分析家指出，一般企业后端服务器的实际能力没有充分调动起来，大约80％的资源被浪费掉了。美国一家通讯公司的CIO介绍，他们公司的服务器最多也就使用了5％～10％的资源。其实，任何企业都无法依靠自身的资源来满足其生产以适应市场需求的变化。资源共享、有偿使用将可以缓解这一问题。

制造网格环境下资源的多样性、复杂性和动态性将远远超过今天的互联网。网格环境下的资源共享包括计算资源共享(如高性能计算设备)、数据和信息共享(如网络零件库)、应用和服务共享(如在线分析处理)、设备共享(如高级加工中心)、软件系统共享(如大型昂贵软件)等。这些资源为不同的组织所拥有，分布在不同的物理位置和异构平台上，目前的网络要使这些资源充分共享极其困难，而制造网格提供了很好的共享平台。

(3)一步提高制造业的协同工作能力。首先，经济全球化、制造全球化的发展使得企业从过去的“大而全”、“小而全”走向分工专业化和协同化；其次，网络环境中存在着大量资源，资源调度极其复杂；另外，市场对制造业提出了更加苛刻的要求，新的内外因素转变要求企业要有极强的协同工作能力。因此，制造业急需加强其社会协同能力。而协同是网格本质特征之一。网格研究权威Foster对网格的定义是：在动态多机构虚拟组织中的资源共享和问题的协同解决。网格技术的发展将帮助把分散在不同区域、不同企业、不同组织和不同个体中的各类资源有效地组织起来，进行优化调度。通过网格技术，企业能够方便地获得各种制造服务，并在网格技术的支持下方便地形成面向特定制造需求的专业化应用系统，实现企业间的商务协同、设计协同、制造协同和供应链协同，支持企业快速响应市场变化。

(4)进一步化解制造业信息集成的风险。“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”是我国企业发展的重要战略。对于制造业的信息化来说，直接建立全新的IT系统是最简单的办法，但在目前阶段，对于广大拥有大量遗留IT系统的企业来说，完全放弃以前的系统投资，重新建立新的系统是不现实的，这不仅需要大量新投资，而且完全重建新系统往往存在成本高、周期长和可控制性差等风险，特别是在企业的一些原有系统能够满足其使用要求的情况下。因此，进行遗留系统的集成是企业应用集成的重要内容。而网格技术的出现则为新一代的企业应用集成提供了崭新的模式，其开放性、标准性以及松散耦合的系统结构将为基于网络的应用提供最佳的模式，它所具有的平台、语言无关性，更便于进行系统集成以及实现互动操作。它将是下一步Intemet技术发展的主要方向。随着网格技术标准的日渐完善与成熟，大规模的制造网格应用将逐步到来。

5　制造网格应用的展望

互联网新一次浪潮的实质，就是要将万维网(WorldWide Web)升华为网格(Great Global Grid)，即实现从WWW到GGG的变革。传统网络实现了计算机硬件的连通，Web实现了网页的连通，而网格则要实现互联网上所有资源的全面连通。它要把整个互联网整合成一台巨大的虚拟计算机，实现信息和资源的全面共享和协同工作。可以预见，各种应用网格的构建将成为今后几年商用化的重点，包括科学计算、教育、智能交通、医疗、生物信息、天气预报、资源探测、电子娱乐、电子政务、电子商务等。制造网格的建设进程可能在两三年后兴起，但会成为网格产业化的最大空间。制造资源是高度分布和异构的，需要大量的计算和数据服务。通过应用网格技术，遵循OGSA，OGSI的网格服务标准，将分散的功能整合起来，实现企业应用系统集成。所以说，支持服务连接、集成优化的制造网格将成为商业网格的一个重要发展方向。

可以断言。未来的企业将再也看不到实际的企业形式，所能看到的只是可以提供某种专门功能(计算、存储、制造、装配等功能)的单元。或许将来，当个人需求单个的个性化产品时，只需要登录网格，提出自己的需求，就能有一组功能单元通过网格进行协同工作，将单个产品生产出来，交付给用户，而用户只需要通过网格中间件提供的记账付款服务功能，按供应方为产品提供的资源以及服务(原材料、设计、加工等)支付使用费就行了。

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