基于云制造的個性化定制生產模式研究

李　強　史志強　閆洪波　李　麗(內蒙古科技大學，包頭　014010)

基于云制造的個性化定制生產模式研究

李強史志強閆洪波李麗
(內蒙古科技大學，包頭014010)

〔摘要〕針對單個企業實施個性化定制生產面臨資源不足、能力不強等實際情況，本文結合個性化定制特點及云制造理論提出一種新的個性化定制生產模式。分析了該模式的組織形式，并以云制造平臺為核心從內外兩個角度研究了該模式的運作方式，最后對其關鍵技術及優勢進行了說明。研究結果表明，基于云制造的個性化定制生產模式不僅能夠有效解決單個企業存在的能力不足問題，而且對于提高定制企業應對市場變化的能力也具重要的作用。

〔關鍵詞〕個性化定制云制造生產模式運作模式

引言

在全球化市場競爭的環境下，消費者有了更廣闊的產品選擇范圍。他們不再滿足于企業提供的單一化產品，而是希望更多地獲得與自身需求相一致的準確產品。為此，企業不得不將個性化定制作為企業新的競爭手段和經營戰略，進而通過為顧客生產定制產品來獲取利潤。但是由于個性化定制在商業運作原理上與大批量生產以及大規模定制存在著顯著差異，使得企業用于大規模生產及大規模定制的生產系統、信息化管理方法以及所具備的生產能力都很難滿足個性化定制生產的需要［1，2］。再加上我國制造企業普遍存在生產規模小、信息化水平低、研發能力不足等問題［3］，這就使得單個企業在實施個性化定制的過程中往往會受到自身資源和能力的束縛，進而使企業在實施個性化定制時出現如下情況: (1)缺少開發某項產品的核心技術和能力。(2)產品生產時轉換成本過大。(3)面對復雜的產品結構時，企業獨立開發成本高、風險大。雖然，企業可以通過引進先進的信息管理系統和柔性生產系統對企業現有的生產條件進行改造，來滿足個性化定制生產的需要。但是，對現有的生產系統和信息化系統進行改造，企業不僅需要花費高額的成本和較長的改造周期，而且還會面臨著資金周轉困難的問題。針對上述問題，本文試圖將云制造理論引入到個性化定制生產中來構建一種新的生產組織形式——基于云制造的個性化定制生產模式，使定制企業能夠以低成本、高質量的產品滿足顧客的個性化需求。

1　個性化定制的原理及特點

個性化定制的原理與傳統大規模生產和大規模定制的原理有很大不同。個性化定制采用的是“設計——銷售——設計——制造”的運作模式［4］，如圖1所示。個性化定制運作模式是以顧客為中心進行的，企業需要事先設計好產品的總體結構(確定產品的模塊數量、形狀、以及模塊之間的連接與界面)，通過銷售環節，在顧客的參與下結合顧客的喜好完成個性化設計，之后再對產品進行生產制造。在驅動方式上，它是一種拉式生產。這就使得企業在組織個性化定制生產時要比組織大規模生產和大規模定制生產更為困難，具體表現為: (1)由于企業各類資源有限，當不同顧客提出定制需求時，單個企業無論在資金上還是技術上很難在短時間內具備快速完成產品從設計到銷售所有技術和能力。(2)個性化定制沒有了大規模生產和大規模定制的時間優勢和成本優勢，產品在完成個性化設計之后，才能組織生產。由于顧客產品的差異性，企業很難進行連續性生產，使得生產效率和成本難以控制。這就要求實施個性化生產企業要與其他企業密切合作，相互利用彼此優勢，通過分工合作來降低生產成本和提升生產效率。

圖1　個性化定制原理

2　云制造原理

云制造是一種面向服務，基于知識、高能低耗的網絡制造新模式。它是云計算服務模式在制造業的應用。它通過將云計算、高性能計算、物聯網等技術同電子商務技術融合，實現對各類制造資源(制造設備、計算系統、軟件、模型、數據、知識等)統一的、集中的智能化管理和經營，為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優質廉價的服務［5，6］。它體現的是一種“分散資源集中使用、集中資源分散服務”的網絡化制造理念。

云制造基本運作原理可以用“三種用戶和一個核心支持(知識)、兩個過程(接入、接出)”來描述，如圖2所示［5］。制造資源提供者將自身的制造資源和制造能力利用各種知識手段將其封裝為云服務，交由制造云運營進行統一管理，制造運營者根據制造資源使用者制造需求，將云服務聚集形成制造云，面向制造全生命周期應用提供各種服務。云制造作為一種新的制造理念，彌補了傳統網絡化制造模式的不足。傳統網絡化制造模式強調是“聯盟”，目的是快速響應外界需求。而云制造是以“資源和能力的按需使用”為核心，通過搭建支持海量資源統一管理及具有彈性架構的云平臺，能夠實現松耦合、緊耦合等不同形式的協作方式、構建不同形式的聯盟［7］。因而，云制造不僅能夠滿足企業快的要求，而且也能夠滿足企業“需”的要求。

圖2　云制造的運行原理

3　基于云制造的個性化定制生產模式設計

3. 1基于云制造的個性化定制組織模式的構建

根據云制造理念及原理，結合個性化定制的特點構建了基于云制造平臺的個性化定制生產組織模式，如圖3所示。

其基本思想是將不同規模、不同性質的企業封裝為獨立的功能單元，通過網絡將其接入到云制造平臺，并由云制造平臺進行統一管理，其中實施個性化定制的企業利用平臺內部嵌入的定制系統，通過網絡與顧客進行交流，了解顧客的個性化需求。然后，把顧客的個性化需求反映到產品設計中心，由產品設計中心按照顧客的個性化需求設計出顧客需要的定制產品，或者直接讓顧客與產品設計中心進行交流，共同設計需要定制的產品。再通過網絡將產品配置文件傳輸到產品加工制造中心，加工制造中心通過對生產能力分配，將供應云、制造云、裝配云、物流云、服務云按照一定的合作方式集成起來共同完成該定制產品的生產，以達到低成本、快速響應顧客個性化需求的目的。通過云制造平臺實現對人、物、知識的高度集成，進而實現對定制產品全生命周期整個過程的智能化控制。該模式利用云制造平臺將分布在不同地理位置上、不同類型的企業匯聚在一起。通過企業之間的資源共享、信息互通、能力互補來彌補企業各自的不足。這種組織形式不同于企業之間的聯盟合作，企業不論規模大小、能力強弱都處在平等地位，彼此之間沒有嚴格的從屬關系，他們根據需要可以采取不同合作形式，例如由臨時性需求產生的機會合作、圍繞制造過程的運作合作、圍繞產品的戰術合作等。這種開放的合作形式能夠很好地滿足單個企業實施個性化定制生產的需求，滿足個性化定制生產“穩、準、快”的要求。

圖3　基于云制造服務平臺的個性化定制組織模式

3. 2云制造平臺的體系結構設計

為了滿足基于云制造的個性化定制生產組織模式的有效運行，因此，本文借鑒李春泉等(2011)的云制造體系構建方法構建了適用于個性化定制的云制造平臺體系框架，如圖4所示。整個框架體系共分為4層，包括支撐層(平臺基礎設施)、管理層、服務層、門戶層。支撐層是由網絡、數據庫、存儲及各類服務器等基礎設施組成，為整個平臺運作提供可靠的IT環境支持。管理層由各類服務功能工具組成，為平臺內資源管理、調度、組合、分解、搜索、匹配、交易、結算等功能活動提供工具支持。服務層是平臺的核心功能層，向平臺用戶提供如協同設計、協同制造、物料采購等服務。門戶層為平臺用戶提供注冊、登錄以及身份驗證、安全認證、資源審核的接口。

結合該組織模式的需要，云制造服務平臺應具備如下功能。

3. 2. 1作為一個資源調度中心

云制造服務平臺通過物聯網技術、云計算技術、智能技術將各個企業的資源情況接入到平臺中，存儲在云數據庫中。根據實施定制生產企業的需求信息，自動搜索云數據庫選擇含有所需資源的企業，并將有業務聯系的各個企業集成起來，利用互補優勢，分工合作完成定制產品的生產。

3. 2. 2作為一個研發設計中心

利用平臺內集中存儲的設計工具、設計人員、設計知識等信息，根據設計需要，平臺能夠迅速組織起來多個設計團隊，進行新產品的研發，降低了單個企業獨自開發的風險。

3. 2. 3作為一個產品交易中心

云制造通過虛擬化技術將零部件資源信息虛擬化為云數據，運用軟件工程技術，構建零部件在線交易系統模塊，為企業之間信息發布、管理、交互并最終達成在線交易提供服務。

3. 2. 4作為一個物流配送中心

云制造服務平臺通過接入大量擁有完善服務體系和各行業客戶的物流企業，使得定制企業能夠利用這些企業混合裝載、規模經濟的效應，實現定制產品的低成本運輸和快速響應。

圖4　個性化定制云平臺體系架構

3. 2. 5作為一個供應鏈管理中心

云制造服務平臺能夠對參與某一定制任務的所有企業進行統一管理，通過對供應鏈上信息的集中處理和共享，可以加快信息傳遞速度和提高信息的準確性，有利于各企業制定合理的生產計劃，實現精益生產和敏捷制造，降低定制生產成本，減少資源消耗和不必要的資源浪費。

3. 3基于云制造服務平臺的運作模式設計

3. 3. 1平臺外部運作模式設計

定制企業基于云制造服務平臺的外部運作模式應以生產計劃為主線，圍繞云制造服務平臺對企業內外部各種資源進行合理配置與管理，通過最優地組織生產，使顧客訂單要求與企業資源有機地結合，既滿足顧客定制要求又使自身資源得到高效利用?；谠浦圃旆掌脚_的生產計劃模型，如圖5所示。

在圖5中，基于云制造服務平臺的生產計劃的運作流程如下: (1)云制造服務平臺接收顧客訂單，根據企業當前資源能力情況及定制產品的BOM進行能力分析和成本分析，確定其生產類型，并將分析結果返回給定制企業; (2)定制企業根據平臺返回的能力和成本分析信息，決定是否將部分定制任務外包，若外包，將外包任務發布到云制造服務平臺，平臺根據外包任務要求會自動選擇合適的合作伙伴來完成外包任務; (3)定制企業及其合作伙伴根據各自當前生產能力制定詳細的生產計劃，并將其提交給云制造服務平臺。(4)在計劃執行時，云制造服務平臺根據各企業的生產計劃對整個生產任務的進度進行跟蹤反饋和控制，并及時將生產進度給定制企業及顧客。(5)下一次計劃時，云制造服務平臺會重新對平臺內各企業生產能力進行評估分析，并對新訂單按照(1)～(4)的步驟滾動制定計劃，同時，對于哪些訂單正在占用的能力不再考慮作為新訂單任務的計劃?；谠浦圃旆掌脚_的生產計劃模型突破了MRPⅡ［10］、JIT［11］、TOC［12］只局限于單一企業內部的資源利用和優化的局限性，將資源利用的空間和能力平衡擴展到了企業外部，提高了企業應對個性化定制快速多變的能力。

3. 3. 2云制造服務平臺內部運作模式

為了保證外部運作模式的有效運行，本文對云制造服務平臺內部的業務處理流程進行了設計，如圖6所示。

在前文構建的用于個性化定制的云制造服務平臺主要包括定制中心，產品設計中心、訂單管理中心、協同加工中心、物料采購中心、物流服務中心6個服務模塊。因而，平臺內部的業務主要圍繞這6個服務模塊開展。具體運作過程如下:

圖5　基于云制造服務平臺的生產計劃模型

定制中心從制造云池中調取需求描述工具，獲取顧客需求，對于獲取的需求，一方面將其導入制造云池存儲，為以后挖掘顧客潛在需求提供依據;一方面對其進行功能轉化，得到設計人員可以理解的產品功能參數，并將其導入制造云池中存儲，為設計人員研發產品提供依據。產品設計中心接收定制中心發送的顧客需求(已轉化過的)，并調取制造云池內設計資源(包括設計人員、設計工具、設計資料)對定制產品進行實體模型，將生成產品數據文件導入到制造云池內存儲，以便訂單管理中心調取。管理訂單管理中心將調取得存儲在制造云池內的顧客信息及產品信息融合生成顧客訂單文件，根據定制企業生產能力的實際情況對訂單進行適當的分解和分配，并將分解得到的外包訂單及外購訂單發布到平臺內，待協同加工中心及物料采購中心進行任務再分配。協同加工中心調取存儲在制造云池內的外包任務，根據任務要求從制造云池內選擇合適的合作伙伴，并將分配結果和訂單執行情況返回給訂單管理中心，以便訂單管理中心對訂單完成進度進行監控。物料采購中心調取存儲在制造云池內的外購任務，根據任務要求從制造云池內選擇合適的供應商，并將分配結果和供貨情況返回給訂單管理中心，以便訂單管理中心對訂單完成進度進行監控。在訂單任務執行時，物流服務中心調取存儲在制造云池內的來自不同企業的配送任務，根據配送任務要求選擇合適的物流公司，來保證企業之間產品零部件間準時配送。

圖6　云制造平臺內部運作過程

3. 4實現所需的關鍵技術

基于云制造的個性化定制生產模式的成功運行離不開相應技術的支持。整個模式涉及的關鍵技術主要有智能化匹配技術、智能化管理技術、信息標準化技術等。

3. 4. 1智能匹配技術

智能匹配是云制造平臺按需分配任務的關鍵，涉及資源建模、任務建模、匹配算法設計等問題。

3. 4. 2智能化管理技術

智能化管理技術是云制造環境下個性化定制實施的關鍵技術，涉及訂單管理、資源管理、過程管理等方面。主要包括資源部署、調度、監控等技術;訂單分解、分配、調度、監控、評價等技術。

3. 4. 3信息標準化技術

信息標準化技術是基于云制造的個性化定制生產模式成功實施的基礎之一。信息表示、處理、交換的標準化，是企業之間互通有無的保證。信息標準化主要涉及產品文件格式的標準化、商務信息的標準化、管理、運行方式的標準化等。

3. 5基于云制造的個性化定制生產模式的優勢

基于云制造的個性化定制生產模式與單個企業獨立實施個性化定制生產相比具有顯著優勢，主要如下:

(1)該模式通過利用云計算等先進技術對各類制造資源進行虛擬聚集，使分布在不同地理位置上的制造資源達到高度共享和優化配置，也使加入云制造的企業能夠以低廉的成本，快速尋求到資源互補對象來彌補自身能力的不足。(2)企業利用云制造服務平臺實施個性化生產突破了單個企業生產能力的束縛，使企業能夠以無限大的生產能力來進行生產的規劃，使企業能夠獲得更高的效益。(3)可以利用云制造服務平臺內資源的規模優勢，迅速匯集生產所需的各種生產要素，以更快的速度研發和生產定制產品，它提高了企業應對市場變化速度和能力。(4)在合作伙伴和供應商選擇上更加靈活、方便，企業之間能夠以更加多樣化的形式進行即時合作，相互利用彼此的優勢，實現最優化生產，以更低的成本生產出顧客滿意的產品。(5)云制造服務平臺能夠根據各企業具體生產情況，按需調度任務，實現了社會資源的優化配置和高效利用。

4　結論

基于云制造的個性化定制生產模式是為了解決單個企業生產能力不強以及快速應對顧客定制需求而提出的網絡化生產模式。它通過云制造服務平臺對社會資源實現了有效的集成和統一管理，使加入云制造服務平臺的企業能夠按需使用資源，彌補自身能力的不足，靈活選擇合作伙伴，降低生產成本，進而快速有效的滿足顧客定制需求。在該模式下，企業之間通過彼此能力和資源的共享，不僅使各自的資源得到充分利用、實現增值，也使各企業能夠以更低的成本組織生產，實現多贏。因而，基于云制造的個性化定制生產模式為企業應對全球化競爭的挑戰提供了新的條件。

參考文獻

［1］申超群，李東方．面向中小企業的云制造應用［J］．電腦知識與技術，2011，15: 3568～3569

［2］戰勇．大規模定制生產模式理論綜述及實踐應用［J］．商業時代，2012，25: 73～74

［3］王崴，張宇紅，徐曉東，等．面向中小企業的云制造服務模式研究［J］．機械設計與制造，2013，(9) : 269～272

［4］約拉姆·科倫．全球化制造革命［M］．倪軍，陳靖芯，等譯．北京:機械工業出版社，2014

［5］李伯虎，張霖，柴旭東．云制造概論［J］．中興通訊技術，2010，(4) : 5～8

［6］李伯虎，張霖，王時龍，等．云制造——面向服務的網絡化制造新模式［J］．計算機集成制造系統，2010，(1) : 1～7，16

［7］張霖，羅永亮，范文慧，等．云制造及相關先進制造模式分析［J］．計算機集成制造系統，2011，(3) : 458～468

［8］李春泉，尚玉玲，胡春楊．云制造的體系結構及其關鍵技術研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2011，(7) : 104 ～107，112

［9］胡斌，汪泓．戰略性新興產業發展的需求創新政策框架體系設計［J］．工業技術經濟，2014，(5) : 117～123

［10］鄒澍，韓伯棠．MRPII中能力需求計劃的分析與實現［J］．北京理工大學學報(社會科學版)，2001，(4) : 38～41

［11］何新，黃志剛．豐田JIT實現方法分析［J］．工業工程與管理，2007，(6) : 110～113

［12］於騫，金士良，何文中．基于TOC和OTE的生產瓶頸識別與優化［J］．機械設計與制造，2011，(9) : 182～184

(責任編輯:王平)

Research on the Production Mode of Personalized Customization Based on Cloud Manufacturing

Li Qiang Shi Zhiqiang Yan Hongbo Li Li
(Inner Mongolia University of Science＆Technology，Baotou 014010，China)

〔Abstract〕For a single enterprise to implement personalized custom production is facing the lack of resources，the ability is not strong and so on the actual situation，and this paper combined with the characteristics of personalized customization and cloud manufacturing theory proposed a new personalized custom production mode．The organization form of the model was analyzed，and the operation mode of the pattern from inside and outside the two angles of the cloud manufacturing platform was studied．Finally，the key technologies and the advantages of the pattern were described．The analysis results show that the personalized customization production model based on cloud manufacturing can not only effectively solve the problem of the existing problems of individual enterprises，but also has an important role in improving the ability to respond to market changes．

〔Key words〕personalized customization; cloud manufacturing; production mode; operation mode

作者簡介:李強，內蒙古科技大學機械工程學院教授，博士。研究方向:制造業信息化、現代設計理論。史志強，內蒙古科技大學機械工程學院碩士研究生。研究方向:云制造。閆洪波，內蒙古科技大學機械工程學院副教授。研究方向:創新設計。李麗，內蒙古科技大學機械工程學院講師。研究方向:現代設計方法。

基金項目:內蒙古自治區十二五應用技術研究與開發資金項目:電子與信息化“裝備制造業中云制造協同制造模式的研究及企業應用規范”(項目編號: 20111424)。

收稿日期:2015—11—16

〔中圖分類號〕F426. 4

〔文獻標識碼〕A

DOI:10．3969/j．issn．1004－910X．2016．04．012