基于社會信息物理系統的智慧制造資源組織模式

任 磊，任明侖

(合肥工業大學教育部過程優化與智能決策教育部重點實驗室，安徽 合肥 230009)

基于社會信息物理系統的智慧制造資源組織模式

任 磊，任明侖

(合肥工業大學教育部過程優化與智能決策教育部重點實驗室，安徽 合肥 230009)

社會信息物理系統(Social Cyber-Physical System，SCPS)在制造過程中的應用，把企業不同層次的制造資源連接起來，實現資源的按需使用和社會化制造資源的有效利用，構成新型的智慧制造組織模式。為了在動態SCPS環境下對多粒度社會化制造資源實現有效的組織管理，在分析智慧制造系統架構和制造資源特點的基礎上，構建了智慧制造資源組織模式框架，從對象、主體、組織形式、組織過程和組織平臺幾個層面進行詳細闡述。最后討論了智慧制造組織模式面臨的主要應用挑戰和未來研究方向。

智慧制造；社會信息物理系統；制造服務；資源組織

1 引言

近年來，以物聯網、云計算和大數據技術為代表的新興信息技術不斷滲透到制造過程和制造過程管理，使得制造模式和管理方式發生著革命性變革[1]。制造模式正向著全球化、協同化、智能化、服務化方向發展[2-3]，更加注重價值創造過程管理，實現制造價值鏈的集成和優化。智慧制造以SCPS、大數據和云制造技術為基礎，以全面感知、實時決策、社會化制造資源的利用和滿足客戶個性化需求為目標，敏銳地把握市場機遇和產品前景，敏捷地做出事件驅動的實時反應，廣泛地整合社會化智慧，精益地實現制造資源按需配置，呈現出新模式特征：

(1)制造資源服務化。智慧制造中資源不再是整個企業，而是把設備、生產線、生產車間或工廠等多個粒度資源作為獨立的功能單元，以虛擬化服務的方式參與制造過程。制造企業通過集成不同企業的多粒度的制造功能單元形成完整的制造價值鏈，保證全球制造資源的靈活組織。

(2)資源組織的協同化。現代制造系統的競爭是整個制造價值網絡上的競爭，企業不再是單獨的競爭主體，而是要在全球范圍內協同優勢資源。通過制造價值鏈的橫向集成和制造企業內部縱向集成，實現制造服務資源的整合。

(3)資源組織的社會化。客戶需求的個性化、制造資源的服務化，使得制造過程成為企業與客戶、供應商和合作伙伴廣泛合作的價值創造過程，通過廣泛利用全社會的設計和制造能力，實現眾智設計、眾包制造、眾籌服務。

制造資源組織管理是整個智慧制造的核心和實質。制造資源的組織從范圍上跨越了企業邊界，從全球范圍內整合社會化資源；對象上從整個企業轉變為多層級的制造單元，涉及設備、生產線、智能工廠、企業等多個粒度服務；組織主體上從聯盟盟主拓展到消費者、云平臺中介者、服務提供者、其他利益相關者等；組織過程跨越需求獲取、任務分解、資源聚合、組織優化整個價值鏈，關注各環節的協同創新；從形式上體現為多粒度服務單元的聯合，使得制造聯盟的形態發生根本變化。同時，用戶作為任務方可提交自己需求并對服務方案進行滿意評價，作為資源提供者可將自身閑置資源、知識進行社會化共享，還可與其他用戶協作，實現與智慧制造系統不斷的交互，提升系統的運行效率和服務水平。針對新環境下制造資源演化和人與系統交互特征，需構建新的智慧制造資源組織模式，重新界定資源組織的對象、主體、聯盟方式，拓展制造資源的組織過程，實現智慧制造的目標。針對智慧制造的資源利用方式和制造聯盟構建的過程，面向資源社會化、服務化、多粒度等特點提出智慧制造資源組織模式，對智慧制造體系、資源組織模式以及未來的挑戰等問題進行系統的探討。

2 智慧制造體系架構

智慧制造是一個復雜、多樣、動態的服務生態系統，包含制造智慧、多粒度制造單元、訂單需求、制造服務、業務過程、社會化服務池等多種元素，且彼此間關聯[4-5]。未來的制造企業通過集成社會化制造資源構建完整的制造價值鏈，制造參與企業以多層次制造功能單元參與全球化協同制造，是智慧制造的基本模式。以云制造和社會信息物理系統為基礎，實現跨價值鏈的制造資源集成，是實現智慧制造的基礎平臺；通過多層次制造資源的整合，構建基于任務的動態企業聯盟，實現資源的按需配置，是智慧制造的組織方式；通過大數據環境下的實時感知，實現企業聯盟和制造過程高效運行的同步反饋控制與優化決策，是智慧制造的運營方式。根據智慧資源的特點，對比現有云制造、智能制造等模式的體系結構和應用平臺[6-7]，提出基于SCPS的智慧制造體系架構，如圖1所示。

圖1 智慧制造體系架構

(1)社會信息物理系統。以物聯網為基礎，通過網絡把分布在整個價值鏈上的制造功能單元連接起來，構成社會信息物理系統(SCPS)，實現多層次制造資源的集成。每一個物理單元(涉及設備、生產線、智能工廠等多個粒度)通過CPS技術，構建與之相聯系的智能代理，形成多粒度的制造服務單元。底層單元的信息經過綜合，形成高層次的智能單元，實現物理單元間的信息連接，構建多粒度制造資源結構樹。各類單元通過虛擬化技術封裝成為制造服務，進入云制造資源池，成為社會化的制造資源，從而實現跨整個價值網絡的信息連接。

SCPS技術支持下，形成了多層次、多粒度服務單元集成的制造資源體系。制造資源具有物理資源、軟件資源、工藝流程、計算資源、數據信息知識資源等，通過云平臺實現資源的虛擬化和共享，具有服務化的特征。制造單元之間形成復雜的網絡關系，如社會關系、層次關系、時空關系等，制造資源呈現協同化。同時，客戶、供應商、協作商甚至網絡上的業余設計人員擁有制造和設計資源，通過眾包廣泛參與到價值創造過程，制造資源具有社會化特征。

(2)云制造平臺。云制造平臺提供了一個制造資源虛擬化的平臺，分散的制造和設計資源擁有者通過云制造平臺把制造功能單元虛擬化為制造服務，進入云制造資源池，實現資源的共享和社會化，為動態企業聯盟的構建提供基礎制造資源[8-9]。制造服務代表著相應的物理單元的能力和責任，需要受企業運作總體策略的約束，又需要和云制造資源池的其他單元交互。根據制造服務智能性、社會性、協同性等新特點，提供基于本體制造服務建模方法，并構基于智慧制造服務和智慧企業之間的多種異質柔性關系的立體化服務社會化網絡進行聚集、統一規劃管理。此外，云平臺還提供制造任務分解、知識管理、服務定制、交易機制等業務。根據客戶提交的需求訂單，運用云平臺進行高效地制造服務發現、選擇、組合、執行監控。

(3)動態聯盟—制造價值鏈組織。以往聯盟以企業整體資源參與合作，下屬資源間需通過ERP協調，無法實現按需“粒度”組織制造資源的要求，靈活性、適應性差。SCPS環境下的動態聯盟以多層次制造單元為參與主體的新型網絡化資源組織形態，成員具有不同粒度功能和能力，不需要經過企業中心進行協調，相互之間可通過SCPS直接進行交互協作和資源集成。制造單元作為參與主體，改變了以往企業聯盟的組織結構和行為方式，同時為社會化制造創新提供開放環境。根據制造任務的要求和業務流程約束，制造企業可以在云平臺上按需、實時發現相適應“粒度”的制造服務，形成自身的價值鏈和價值網絡，實現服務的協同與多主體價值共創。聯盟盟主以動態自組織的方式，運用短期、長期的契約構建滿足制造任務的不同形態的企業聯盟，如星型、網絡狀、線型等。利用大數據分析技術從制造大數據中抽取影響價值網絡組織的影響因素，實現基于合適粒度、合適協同屬性和社會關系的面向制造服務的制造企業聯盟優化，提升制造資源的利用效率。

(4)大數據。社會信息物理系統和協同制造過程產生反映企業運行狀態的實時大數據，使得制造過程可以在對狀態和環境進行全面感知的基礎上，基于高度智能進行資源調度和實時決策優化。制造系統的大數據包含微觀到宏觀的多個層次：信息物理系統中底層物理設備處理的實時現實世界數據，如傳感器、工廠硬件、設備控制器收集微觀數據(操作層數據)；通過客戶網站、呼叫中心、零售店等獲取的與客戶訂單有關的宏觀數據；在云制造和企業聯盟中的其他合作伙伴的協同制造信息。在更廣義的制造大數據中，還應該包括社會經濟環境的各種影響制造過程的數據[10-11]。通過大數據分析，實時檢測制造單元的狀態，挖掘制造過程的異常事件，同步反饋和控制整個SCPS系統，實現基于情景感知的制造過程優化。同時，對當前聯盟運行狀態實時分析，根據制造任務、制造資源、社會關系和環境的變化，及時反饋聯盟狀態的轉換，采取相應的策略以調節制造系統資源配置，優化企業聯盟的結構和運行效率。基于大數據的制造智慧，使得全價值鏈的實時智能決策與協同優化成為可能，對制造資源的組織與演化管理具有重要意義。

3 智慧制造資源組織過程

制造資源的組織是一個復雜的動態過程：首先根據客戶提交需求和對市場前景的評估，生成預測性的制造訂單(客戶需求)，并挖掘多源需求大數據對訂單進行修正；其次對大量不同類型要求的訂單轉換為制造任務，進行分解、聚合與重組成服務訂單，根據自身制造能力選擇是否服務訂單外包；然后根據制造任務的要求，在云制造平臺上的服務社會網絡中發現、匹配適合的制造單元，運用多粒度制造資源的聚合方法，形成面向業務過程的制造企業聯盟和價值鏈；最后在對需求、資源狀態變化感知的基礎上，運用大數據實現制造資源組織過程和動態聯盟的優化。根據上述思路，本文基于制造資源特征分析，提出了清晰的智慧制造資源組織過程，界定了不同環節應解決的問題，詳細過程描述如圖2所示。

圖2 智慧制造資源組織流程

3.1 客戶需求的獲取

客戶需求是智慧制造資源組織流程的起點，客戶需求分為顯性需求和隱性需求，顯性需求是已經轉化為訂單可直接生產。隱性需求是消費者擁有購買意愿，在未來將轉化為訂單的那部分需求。客戶需求數據來源可以分為過去的客戶訂單、當前客戶提交需求、當前市場狀況和社會化媒體的需求信息，依據前三項數據生成預測性企業客戶訂單，制定相應的生產計劃。綜合消費者、競爭者、替代者、供應商、政府等市場主體的狀況變化，在對未來客戶需求評估后識別出市場機會，結合客戶已提交的訂單制定制造任務。大數據環境下，用戶隱性需求通常分布在營銷數據庫、車聯網、社交網絡等中，需要對這部分需求識別以修正前面的訂單。客戶需求最終表現為制造訂單T=SQ=(ProductType，ProductquantityUserFunset，Non-funset，SocialRequirments)，主要體現了客戶對產品類型、數量和性能要求等方面。由于外部環境的變化性，客戶需求的獲取是一個不斷迭代、動態過程，根據客戶新訂單、市場波動等因素重新修改和優化制造訂單的生成。

3.2 從訂單到訂單的制造(定制)——制造任務的分解與重組

由于客戶需求的個性化、多元化，制造訂單呈現多類型、多要求的特征。面對大量的多樣性訂單，制造企業難以直接安排生產，需要從“客戶訂單”到“制造任務訂單”的轉變，以制造任務的形式組織制造資源。為了高效的資源匹配、降低任務執行的復雜度、提高任務的協同完成質量，需要對制造任務進行分解和合成，形成多粒度子任務，進而按任務需求組建動態聯盟。訂單任務可以從產品結構劃分為產品簇、部件、零部件、工序等層次，任務之間具有關聯性，如地理距離、時間成本、約束關系等，形成復雜的任務網絡。同時制造任務需要的信息、知識、服務等來完成，制造任務的分解與重組需要考慮任務-服務特征匹配。將總制造任務按照一定規則分解為不可再分割的元任務，形成任務關聯網；綜合考慮制造資源的協同、任務-資源匹配、任務的相關性和社會關系等要素，進行制造任務的聚類和重組，最終形成多粒度的制造子任務。制造任務訂單最終表示為T=(T1，T2，…，Tm)，其中T1=(T11，T12，…，T1i)，T1i為不可再分割的元任務。任務具有不同的層次，需要不同粒度的制造資源滿足，根據自身制造資源和能力選擇自己生產還是外包，以云服務請求的方式發布到智慧制造云平臺上，或者直接在云平臺上整合所需要的制造資源。

3.3 制造資源聚合

智慧制造資源聚合是運用SCPS技術將多個不同粒度資源通過特定規則和協同方式網絡集成，形成能夠滿足相應制造任務的邏輯單元-智慧制造單元，其具有單個元制造資源難以實現的功能和能力。首先根據第2步重組的制造任務要求，在云平臺上基于語義方法發現、匹配能夠完成子任務的多粒度制造資源；參考時間、成本、QoS等因素選擇最適合的制造資源；然后依據資源的類型、組織結構和協同關聯，選擇最優的資源聚合模式生成智慧制造單元(知識型和實體型具有不同的約束和聚合模式)；通過集成多個不同層次的服務單元，構建基于任務的制造企業動態聯盟。根據制造任務和環境約束，動態聯盟能夠進行資源的自適應配置、制造服務的精確匹配、制造過程的高效組織與執行，高效地完成制造任務。制造資源聚合最終表現為多個智慧制造單元聯合的企業聯盟，可以表示為一條服務鏈ServiceFlow=(FlowID，FlowFunSet)=(WMU1，WMU2，…，WMUm)或者為一個制造價值網絡ServiceNetwork=(V，E)，其中V表示制造單元的集合，E表示多種網絡關系的集合，WMU為由多種資源聚合成的智慧制造單元。

3.4 制造資源的組織優化

智慧制造資源組織過程需要考慮服務的社會性、多粒度性、協同性和上下文相關性等要素的影響，動態聯盟的資源分配還需要考慮任務的可完成性、效率、成本和質量、成員的滿足性等多個方面的要求，需要運用大數據分析方法對制造單元狀態、需求動態、環境變化進行理解、判斷，根據當面面臨的情景，運用制造智慧(已有的知識結構)實時地進行資源調度和任務分配，實現對制造資源的組織過程和動態聯盟結構的優化。根據制造系統的演化規律，基于智慧制造資源的特征，構建基于多粒度的制造資源自組織優化方法、基于社會關系的制造資源協同優化方法、需求動態調整的面向服務的企業聯盟優化方法。制造資源組織優化是制造資源組織模式的核心環節，對于動態聯盟和價值網絡的形成與演化具有重要作用，最終表示為一個的制造組織優化求解問題。以基于社會關系制造資源協同優化為例，將協同因素考慮到制造資源的組合，公式(1)是優化目標函數：

(1)

(2)

(3)

4 智慧制造資源組織平臺實現

在云制造環境的基礎上，結合信息系統架構方面的發展趨勢，基于面向對象架構、復雜事件處理和智能代理技術的進展，本文提出一個綜合的SES(ServiceorientedArchitecture，ComplexEventProcessing，andSmartCyber-agent)方法，為智慧制造的資源組織和價值網絡集成提供管理架構和系統平臺，如圖3所示。

(1)制造服務的虛擬化。根據制造資源的信息特征和組織特征，分析多層次制造功能單元(設備、生產線、車間、智能工廠等)的制造資源特征、信息結構、社會化屬性(如隸屬關系、合作歷史記錄、地理位置等)，構建基于語義本體的智慧制造資源信息模型和基于全生命周期的制造資源的虛擬化映射方法。根據制造流程約束和網絡制造任務的特征，通過對制造單元能力和關系的分析，建立制造服務的粒度模型，為制造服務的粒度識別提供方法和工具。服務提供者通過虛擬化技術，將多粒度的制造資源以服務的形式發布在云平臺上，根據客戶需求選擇適合的制造服務。

(2)多粒度的資源網絡集成。制造服務是制造系統的組成單元，合適粒度的制造服務的識別是制造資源利用效率的關鍵因素。制造單元作為制造價值網絡的構成要素，在SCPS支持下實現跨企業、不同層次制造資源的信息鏈接，實現價值網絡的橫向和縱向集成。運用生態、社會資本理論對多層次和粒度的制造單元行為特征分析，構建多粒度制造資源模型和表示方法。運用服務聚合方法實現多粒度制造資源在不同層級的縱向集成，并構建多層次智慧制造單元；運用橫向集成方法組織不同價值鏈節點的制造服務，實現協同優化配置；智慧制造各個子系統之間存在復雜的協作關系，需要運用全系統思維和混合集成方法實現系統的整體綜合。

(3)實時決策。智慧制造模式下的決策大多來自于智慧制造單元智能Agent的自主決策。與傳統的有限理性決策模式和“情報、設計、選擇、評價”4 階段決策過程不同，Agent決策是在大數據支持下，通過對環境的感知和對信息的上下文理解實時完成決策過程。智慧制造單元對自身狀態、環境信息、場信息等進行感知的基礎上，識別和理解當前所處的情景；根據已有的制造智慧和知識結構采取適應所在情景的決策活動；通過的不斷的演化學習更新知識庫，提升實時決策的效率和準確性。智慧制造單元根據人、物、場等因素及其關系的變化，發現有管理意義的復雜事件，實現基于事件驅動的服務請求觸發和資源再組織過程。

(4)基于大數據的組織優化。云制造平臺中收集了制造服務全生命周期包括企業和制造資源和能力的描述、發布、存儲、匹配、組合、交易、執行、調度、結算、評估等全過程的大數據，這些數據既反映了資源演化、制造單元的狀態，也反映了企業間協作過程和動態聯盟演進的全面信息，為制造資源的組織優化提供了重要來源。通過大數據環境下聯盟成員及其社會關系的集成分析，得出制造單元的行為規律、交互模式，總結制造服務的競爭合作機制，發現制造企業聯盟的演進路徑。挖掘制造智慧，分析資源組織過程的可靠性和協同效率，構建面向制造過程基于時間、空間的資源組織調度邊界劃分與調整。最終，通過社會感知方法實現的服務型制造資源的實時組織、調度與優化，基于大數據分析快速地調整企業聯盟的規模、結構。

SES平臺建立在廣泛接受的全球化標準之上，不依賴于特定的組件和設備的專用接口，不需要人工集成或配置應對環境的變化。在未來的研究中期望開發獲得一個實驗系統的原型，以互聯網汽車的開發過程為例，通過對各類制造資源的虛擬化，對供應商、客戶、非專業設計人員等參與的設計過程進行模擬實驗，以便對資源組織過程、價值鏈協同和節拍控制過程等方法進行實驗驗證。

5 智慧制造組織模式面臨的主要挑戰

SCPS環境下，如何在全球范圍內組織社會化制造資源，構建多粒度制造單元聯合的動態聯盟和實時感知決策的智慧制造系統成為重要課題。雖然智慧制造研究取得一定進展，但在汽車、大型裝備、航空航天等領域應用仍處在初級階段，且面臨許多現實問題和挑戰，如實時知識管理、制造服務管理、復雜性管理等。

(1)實時知識管理。大量多源異構的信息和知識分布在各個制造單元和企業中，難以實現快速的共享與融合。制造環境中信號和噪聲的識別、知識系統的管理情境理解、不可預知事件的實時融合、實時知識學習和行為等均是亟需解決的問題[12]。需要面向制造過程的知識表示方法(本體、語義Web等)、基于深度學習的制造知識發現、多源知識的融合與集成、基于過程理解的知識重用、自主感知的知識更新等。建立實時知識管理體系和知識組織方法，構建海量數據的制造企業知識門戶系統體系結構，實現對多領域、多主體制造知識的共享和應用。

(2)制造服務管理。隨著眾智、眾包等社會制造與設計資源的爆炸式涌現，如何對多粒度、多層次、分布式、社會化的制造服務進行有效管理成為關鍵。應該根據制造服務的競爭能力和社會關系出發，構建基于協同的多粒度制造服務模型。運用多領域、多主題的語義服務建模方法進行制造服務的聚類，實現服務族群的劃分，便于快速的服務發現。構建多領域、多主體的多維制造服務社會網絡，根據社會關系進行有效的資源組織與管理。同時，還要研究基于情境感知的制造服務動態交互和訪問控制機制和基于角色的云制造服務安全管理方法。針對社會大眾提供的制造資源和智慧，創新面向眾智、眾包和眾籌的社會化分散制造服務評價和基于新觀念聚合、學習與評價的多資源聚合的服務組織方法。

(3)復雜性管理。制造資源組織涉及多企業多粒度制造單元的集成及動態優化，是一個高度系統、復雜的過程。各子過程相互影響、滲透，必須以復雜系統的方式進行思考[13]。運用復雜網絡理論研究多領域、多粒度的制造資源結構和制造服務的復雜性，分析制造服務網絡的網絡結構和關系復雜度。探討不同組織形式下(如虛擬企業、動態聯盟、價值鏈等)的資源組織復雜性(結構復雜、資源復雜、制度復雜)和聯盟復雜度，應構建用戶友好和系統耦合的資源組織平臺。此外，還應該從對象、主體、組織形式、組織過程、組織平臺五個部分的相互關聯著手，分析制造資源組織模式的演化路徑的復雜性，準確地把握智慧制造的未來系統架構趨勢。

6 結論

智慧制造作為未來制造業的主流模式[14]，能夠實時感知內外部環境和市場需求，充分利用全球的制造資源和智慧，快速構建制造價值網絡，實現跨領域、跨企業的協同決策。制造資源組織模式是智慧制造的關鍵內容，隨著制造資源、參與主體和制造環境的演化，需要新的制造組織模式在云平臺上組織不同粒度的制造單元，通過網絡化協同集成為企業聯盟，以完成客戶多類型的制造任務請求。在對智慧制造理念和制造資源新特征深入分析的基礎上，綜合制造資源組織相關的研究進展和存在的問題，本文提出基于SCPS智慧制造資源組織模式，闡述了對智慧制造的理解和整體系統架構。基于資源特征分析創新制造資源組織過程和方法，構建了基于SES的智慧制造資源組織平臺。結合當前智慧制造實際應用，提出未來制造資源組織模式所面臨的挑戰，從實時的知識系統、大數據環境下的制造服務管理、復雜性管理等方面闡明將來資源組織和過程優化應關注的問題。

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(責任編輯 沈蓉)

Organizational Mode of Wisdom Manufacturing Resources Based on Social Cyber-Physical System

Ren Lei，Ren Minglun

(Key Laboratory of Process Optimization and Intelligent Decision Making of Ministry of Education，Hefei University of Technology，Hefei 230009,China)

Social Cyber-physical system(SCPS)which is applied in the manufacturing process，can connect different levels of the enterprises’ manufacturing resources together，achieve on-demand resources configuration and high efficient socialized resource use，and then constitute a new type of wisdom manufacturing organization mode.To realize the effective organization and management for the multi-granularity socialized manufacturing resources under dynamic SCPS environment，a whole framework of resource organization mode was proposed based on the analysis of wisdom manufacturing system architecture and the characteristics of manufacturing resources.The resource organization mode was described in detail from several dimensions include the object，subject，organization form，organization process and organization platform.Lastly，the future application challenges and research direction of wisdom manufacturing resource organization mode were also discussed in depth.

Wisdom manufacturing；Social cyber-physical system；Manufacturing service；Resource organization

國家自然科學基金重點項目“大數據環境下智慧制造組織模式與運營管理”(71531008)，國家自然科學基金面上項目“物聯網環境下動態自組織的智能服務理論與方法研究”(71271073)。

2016-10-25 作者簡介：任磊(1988-)，男，安徽濉溪人，合肥工業大學管理學院博士研究生；研究方向：智慧制造、實時決策。

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