云制造中的關系、關系流及其管理研究

摘要：文章基于全面關系流管理理論，從一個全新的視角對云制造進行了闡述。云制造作為復雜系統(tǒng)，在特定的環(huán)境下，其所表現(xiàn)出來的行為和功能是由關系流及輸入流決定的，并分別闡述了存在于云制造系統(tǒng)中的信息流、物流、人員流、資金流和能量流。文章僅對云制造所處的環(huán)境及存在的全面關系流從全面關系流管理理論的角度進行了描述，如何用該理論進行控制是今后的研究目標。

關鍵詞：一般系統(tǒng)結構理論；全面關系流管理理論；云計算；云制造

一、 引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的基于互聯(lián)網(wǎng)的服務化計算新模式——云計算，它通過云計算平臺把大量的高度虛擬化的計算資源管理起來，組成一個大的資源池，用來統(tǒng)一提供服務，通過互聯(lián)網(wǎng)上的異構、自治的服務形式為個人和企業(yè)用戶提供按需隨時獲取的計算服務。各種資源虛擬化后以“云”的形式存儲起來，隨時滿足來自底層用戶提出的各種需求。同樣，將“制造資源”虛擬化為“云”，在制造業(yè)信息化進程中采用云計算的運營模式，“云制造”的理念應運而生。

二、 云制造

2010年1月李伯虎院士提出了一種全新的制造新模式——“云制造”，以應對日漸復雜的制造問題，以便日后進一步開展更大規(guī)模的協(xié)同制造。他認為：云制造是一種利用網(wǎng)絡和云制造服務平臺， 按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源（制造云），為用戶提供各類按需制造服務的一種網(wǎng)絡化制造新模式。自“云制造”的概念提出之后，引起了各個領域學者的廣泛關注。2010年3月中國航天科技集團公司總工程師楊海成指出，在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，企業(yè)可以借助先進的計算機技術和網(wǎng)絡通信技術，將整個區(qū)域、各個行業(yè)和眾多企業(yè)的相關資源進行整合利用，提供共享化、標準化、規(guī)范化、聯(lián)動化的個性服務制造模式。云制造融合了先進的信息技術、制造技術以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術等，深刻體現(xiàn)了“制造即服務”理念。

對云制造的理解我們可以從以下幾個方面考慮：

（1）云制造是一種面向服務的、高效低耗、網(wǎng)絡化敏捷制造新模式；

（2）云制造實現(xiàn)了產(chǎn)品從開發(fā)、生產(chǎn)、銷售到使用整個生命周期的資源共享，以實現(xiàn)制造過程敏捷化、服務化、綠色化、智能化；

（3）云制造理念框架是一種集成一體化的服務模式，它基于面向服務的理念，融合了信息化的設計、生產(chǎn)、實驗、仿真、管理、集成，是一種新興的集物聯(lián)網(wǎng)技術、智能科學等的綜合信息技術；

（4）云制造服務平臺可以實現(xiàn)用戶在產(chǎn)品全生命周期活動中實時信息共享、追蹤、訂制、服務、獲取，將需求與生產(chǎn)實現(xiàn)無縫對接，實現(xiàn)制造業(yè)的高效、低耗、敏捷、綠色等目標。

三、 全面關系流管理理論

復雜性科學作為當今世界科學發(fā)展的熱點和前沿，其研究與應用正在向各個學科滲透，是新興的交叉學科。鑒于它對人類認識世界的重大意義，各個國家爭相研究。我國的研究基本與國際同步，主要由錢學森先生負責的科學小組對此也進行了深入的研究。在錢學森的系統(tǒng)科學思想中，系統(tǒng)結構占據(jù)極其重要的地位，在給定的系統(tǒng)環(huán)境中，它決定和支配著系統(tǒng)的性質(zhì)、行為或功能。

我國學者林福永在錢學森系統(tǒng)科學思想的影響下，多年來一直致力于系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)結構和系統(tǒng)行為，以及它們之間的關系及規(guī)律的研究。提出和發(fā)展了一種面向問題、數(shù)學表達的一般系統(tǒng)論——一般系統(tǒng)結構理論，該理論從數(shù)學上提出了一個新的一般系統(tǒng)研究概念體系，特別是揭示系統(tǒng)組成部分之間的關聯(lián)的新概念，如關系、關系環(huán)、系統(tǒng)結構等；在此基礎上，抓住了系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)結構和系統(tǒng)行為以及它們之間的關系及規(guī)律這些所有系統(tǒng)都具有的共性問題，從數(shù)學上證明了系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)結構和系統(tǒng)行為之間存在固有的關系及規(guī)律，特別是，從數(shù)學上證明了系統(tǒng)行為是由系統(tǒng)環(huán)境和系統(tǒng)基層次以上的系統(tǒng)結構決定和支配的。

林福永教授認為，從系統(tǒng)的角度看，組織（網(wǎng)絡）也是一種系統(tǒng)。它的存在和演化遵循一般系統(tǒng)原理和規(guī)律。這意味著，在系統(tǒng)論、復雜網(wǎng)絡、組織科學和管理科學之間一定存在交叉科學研究領域。特別是，組織的構成部分之間的關聯(lián)是通過所謂的關系流（即信息流、物流、資金流、人員流和能量流等）建立起來的。一般系統(tǒng)結構理論在復雜網(wǎng)絡和組織管理中的應用研究結果——復雜網(wǎng)絡關系流與行為關系定理和全面關系流管理定理證明了，對于一個組織（網(wǎng)絡），它的行為是由其基層次上的關系流和輸入流（總稱全面關系流）決定和支配的。

林福永教授基于對一般系統(tǒng)結構理論的多年研究中得出下列定理：

定理1：設在環(huán)境 E（S）中，S∈B，系統(tǒng)Z（n）在t時刻具有m層次，m1，那么，系統(tǒng)相鄰兩個層次上的系統(tǒng)結構RZ（t）C和RZ（t）C+1，C=0，1，2，…，m-1，系統(tǒng)與環(huán)境之間的關系R（t）以及系統(tǒng)行為HZ（t）滿足下列系統(tǒng)方程：

（R（t），RZ（t），HZ（t））=0（1）

（R（t），RZ（t）C，HZ（t）C+1）=0

其中C=0，1，…，m-1（2）

其中，S和B分別表示在t時刻系統(tǒng)環(huán)境E（S）的狀態(tài)和狀態(tài)空間；RZ（t）0表示系統(tǒng)輸出。

定理2：設在環(huán)境E（S）中，S∈B，系統(tǒng)Z（n）在t時刻具有某一層次Lb以上的系統(tǒng)結構RZb（t）和系統(tǒng)行為HZ（t），那么，當且僅當對于層次Lb上的任一部分e（p）∈Z（n），它的狀態(tài)sp或行為Hp（t）僅僅是其輸入Rp（t）的函數(shù)，即

sp（t）=p（Rp（t））

或

Hp（t）=p（Rp（t））

時，恒有

（S（t），R（t），RZb（t））=0（3）

（S（t），RZb（t），HZ（t））=0（4）

（R（t），RZb（t），HZ（t））=0（5）

式中，S和B分別表示在t時刻系統(tǒng)環(huán)境E（S）的狀態(tài)和狀態(tài)空間；R（t）表示t時刻系統(tǒng)環(huán)境E（S）與系統(tǒng)Z（n）間的關系。這時，系統(tǒng)層次Lb稱為系統(tǒng)基層次。

定理3：設在環(huán)境E（S）中，S∈B，系統(tǒng)Z（n）在t時刻具有系統(tǒng)基層次Lb以上的系統(tǒng)結構RZb（t）和系統(tǒng)行為HZ（t），并且系統(tǒng)結構RZb（t）中的關系環(huán)數(shù)為零，即b=0，那么，恒有

HZ（t）=（S（t））（6）

其中，S和B分別表示在t時刻系統(tǒng)環(huán)境E（S）的狀態(tài)和狀態(tài)空間。

四、 基于全面關系流管理理論的云制造

1. 基于全面關系流管理理論的云制造環(huán)境。云制造作為一個復雜系統(tǒng)，它存在一定的環(huán)境下，這個大環(huán)境可以分為經(jīng)濟環(huán)境、技術環(huán)境、安全環(huán)境。環(huán)境為云制造提供的發(fā)展平臺，云制造的發(fā)展會改變環(huán)境。

經(jīng)濟環(huán)境：經(jīng)濟環(huán)境：放眼競爭日趨激烈的國際大環(huán)境，全球制造業(yè)的發(fā)展趨勢是將制造業(yè)和服務業(yè)有機結合、聯(lián)動發(fā)展，并逐步向服務型制造轉型升級。我國制造企業(yè)也在密切關注全球制造業(yè)發(fā)展趨勢，適時調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局。由于國內(nèi)市場需求復雜多變，要想實現(xiàn)制造業(yè)的轉型，需要綜合考量多種因素，如區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不均衡、國家公共資源的側重、新技術的引進渠道與消化應用能力、新市場的渠道開拓能力。通過創(chuàng)新、我國制造業(yè)正處在向增加產(chǎn)品附加值、走向價值鏈高端的轉型初期，產(chǎn)品小批量、多樣化，市場需求波動頻繁，企業(yè)要在客戶需求與自身制造能力之間找到一個平衡，在尋求如何滿足階段性的高強度訂單需求的同時，要考慮打造具有持久型制造能力全功能制造集團所需要的周期和資本投入。市場需求的階段性和不確定性可能造成資源閑置和能力浪費。因此，理性應對頻繁的需求波動、合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構、充分整合現(xiàn)有資源、深入挖掘行業(yè)潛力，實現(xiàn)服務性的云制造模式是一條更為可行的途徑。

技術環(huán)境：信息技術和制造技術的不斷進步推動制造業(yè)向服務業(yè)轉型。高性能計算機的應用，服務化計算模式云計算（Cloud Computing）的興起、系統(tǒng)安全與容錯技術、海量數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展為大規(guī)模協(xié)同復雜制造系統(tǒng)提供了技術環(huán)境。云計算技術將計算資源專業(yè)化、服務化，并以信息化的形式呈現(xiàn)出來。物聯(lián)網(wǎng)技術在無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、智能技術和納米技術等支持下快速發(fā)展，能整合各種制造資源和制造能力，實現(xiàn)集中控制、高效調(diào)配。以云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)倉庫技術和信息安全技術為支撐的制造服務技術，實現(xiàn)了制造資源的集中整合、統(tǒng)一調(diào)配，為用戶提供 “專業(yè)性”、“針對性”制造全生命周期的服務，促進制造的精益化、綠色化、低碳化和智能化。

安全環(huán)境：伴隨云計算、云存儲的出現(xiàn)及廣泛引用，信息的安全性引起人們的高度重視。云安全融合了并行處理、網(wǎng)格計算、未知病毒行為判斷等新興技術，通過網(wǎng)狀的大量客戶對互聯(lián)網(wǎng)中病毒、惡意程序進行監(jiān)控，實時進行采集、分析、處理，形成一個巨大的“殺毒軟件”覆蓋整個互聯(lián)網(wǎng)。云安全為云制造“保駕護航”，提供安全可靠的運行環(huán)境。

2. 云制造中的全面關系流。任何一個復雜系統(tǒng)中，它的行為和功能都是由其基層次上的關系流（信息流、物流、資金流、人流、人員流和能量流）和輸入流（總稱全面關系流）決定和支配的。在云制造系統(tǒng)中，通過對企業(yè)全生命周期活動中的信息流、物流、資金流、知識流、人員流和能量流的集成優(yōu)化，從而實現(xiàn)了人與組織、經(jīng)營管理和技術等的優(yōu)化，進而改善企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)時間、質(zhì)量、成本、服務、環(huán)境清潔和知識含量，實現(xiàn)了云制造系統(tǒng)應有的行為和功能。以下我們分別進行闡述：

（1）信息流。信息流是云制造的“靈魂”，是產(chǎn)品的全生命周期的脈絡，貫穿產(chǎn)品的設計、開發(fā)、制造、使用到最后回收。虛擬化制造資源和制造能力并以信息的形式封裝儲存，如圖1所示，在整個云制造體系在運轉過程中，信息流貫穿始終。首先從制造資源提供者手中制造資源和制造能力，然后以信息的形式封裝存儲后輸入“制造云”；輸出過程指制造云運營商將制造云與產(chǎn)品全生命周期的各種需求進行訂制、追蹤、獲取、服務，將需求與生產(chǎn)實現(xiàn)無縫對接。整個輸入輸出過程以知識為核心，以信息為總線，實現(xiàn)制造需求與制造資源的高效智能利用，實現(xiàn)高產(chǎn)低耗。

（2）人（員）流。系統(tǒng)有各個層次的組成部分組成，在這里，我們所講的人員流也有層次之分，不僅指微觀的個體人，還指整個制造系統(tǒng)宏觀上各個層次的組成部分。宏觀上，在參與云制造運行系統(tǒng)中，主要由制造資源提供者、制造資源運營者、制造資源使用者這三部分組成，如圖1所示，這三部分就是處于云制造運行系統(tǒng)中的人員流。不同層次中，構成系統(tǒng)的組成部分我們也虛擬為該層次的人員流。一直細化的系統(tǒng)基層次，由從事各種具體工作的人員組成。人在工作中具有很大的流動性和不確定性，這也是云制造中的人員流。

（3）物流。云制造中的物流是一種在網(wǎng)絡技術支持下，通過云制造平臺（如圖2所示）整合物流資源和客戶資源，并按照客戶需求智能管理和調(diào)配物流資源，為客戶定制和提供安全、高效、優(yōu)質(zhì)廉價、靈活可變的個性化物流服務的新型物流服務模式。云制造物流系統(tǒng)要想在產(chǎn)品全生命周期中實現(xiàn)提供按時按需、緊密對接的個性化服務，必須在現(xiàn)有運輸實物資源（運輸裝備、存儲資源、交通線路）和虛擬資源（信息資源、軟件、知識等）的基礎上，充分利用各種先進技術，實現(xiàn)物流網(wǎng)絡、服務技術、云計算、云安全、物聯(lián)網(wǎng)、RFID等技術的有效融合。

（4）資金流。李伯虎院士認為：云制造是一種利用網(wǎng)絡和云制造服務平臺，按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源（制造云），為用戶提供各類按需制造服務的一種網(wǎng)絡化制造新模式。作為一種需求驅動、按需付費的面向服務的制造新模式，云請求端（制造資源使用者）將需求傳遞給制造云運營方，制造云運營方接受請求信息，按照用戶的需求整合已有的運資源提供服務，結算費用完成“交易”。當然，制造云運營端在整合、利用制造資源的過程中也需要為資源提供者提供費用。但是需求方只需提出服務需求，由制造云運營方針對需求調(diào)用或組合已有的云資源，完成服務。在這個“交易”完成過程中，云提供端（制造資源提供者）和云請求端（制造資源使用者）無需直接接觸，通過第三方（制造云運營方）的橋梁和紐帶作用實現(xiàn)即用即組合、即用即付、用完即解散的關系。在云提供端和云請求端之間一旦發(fā)生服務活動就會產(chǎn)生付費，在云制造服務用戶、云制造服務提供者和制造云運營端就形成資金流動。

（5）能量流。云制造中的能量是一個抽象的概念，它泛指一切在制造全生命周期中起正向作用的因素，如硬件資源（如數(shù)控機床、計算機、原材料等）的更新升級、人（如專家、技工等）的科學技術水平提升、軟件資源（設計手冊、經(jīng)驗、標準、協(xié)議等）的充實完善，都能夠增強制造能力、提高產(chǎn)品質(zhì)量。各類能量在相應領域知識庫的支持下，以能量流的形式，憑借云制造服務平臺的中間媒介作用，在云請求端和云提供端之間實現(xiàn)雙向流通，既提升了云請求端的服務質(zhì)量，又增強了云提供端具備的制造能力（包括設計能力、加工生產(chǎn)能力、仿真與實驗能力、維護能力、管理能力等）。

3. 基于全面關系流管理理論的云制造復雜系統(tǒng)。在政治經(jīng)濟、技術水平、安全等大環(huán)境下，云制造作為一種復雜系統(tǒng)，其各個組成部分之間的相互協(xié)調(diào)與合作，實現(xiàn)將各類制造資源和制造能力虛擬化，封裝壓縮為“制造云池”，基于全面關系流（信息流、人流、物流、資金流和能量流）管理理論，將云制造系統(tǒng)中發(fā)生的所有服務行為進行集中協(xié)調(diào)、統(tǒng)一管理，建立云制造網(wǎng)絡服務平臺，為用戶提供可隨時獲取的、按需使用的制造全生命周期服務，實現(xiàn)大制造系統(tǒng)的安全可靠、優(yōu)質(zhì)廉價、多方共贏、普適高效。

五、 結論

本文從全面關系流管理理論的視角對云制造進行了闡述。云制造作為復雜系統(tǒng)，在特定的環(huán)境下，其所表現(xiàn)出來的行為和功能是由關系流及輸入流決定的，并分別闡述了存在于云制造系統(tǒng)中的信息流、物流、人員流、資金流和能量流。本文僅對云制造所處的環(huán)境及存在的全面關系流從全面關系流管理理論的角度進行了描述，如何用該理論進行控制是今后的研究目標。

參考文獻：

1. 李伯虎，張霖等.云制造概論.中興通訊技術，2010，16（4）.

2. 孫林巖，李剛，江志斌等.21世紀的先進制造模式——服務型制造.中國機械工，2007，18（19）：2307- 2312.

3. 劉飛，曹華軍，張華等.綠色制造的理論與技術.北京：科學出版社，2005.

4. 李伯虎，張霖，王時龍等.云制造——面向服務的網(wǎng)絡化制造新模式.計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16（1）：1-7.

5. 陳康，鄭緯民.云計算：系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀.軟件學報，2009，20（5）：1337-1348.

6. 楊海成.云制造是一種制造服務.中國制造業(yè)信息化，2010，（3）.

7. 錢學森.創(chuàng)建系統(tǒng)學.太原：山西科學技術出版社， 2001.

基金項目：國家自然科學基金（項目號：71001072， 71271140）。

作者簡介：譚立靜，暨南大學管理學院博士生。

收稿日期：2013-12-08。