制造物聯環境下基于結構矩陣的智能服務功能模塊化設計

張 衛 田景紅 唐任仲 鄂世舉 王冬云

1.浙江師范大學智能制造工程技術中心，金華，321004 2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州，310027 3.劍橋大學工程系制造研究院，劍橋，CB3 0FS

0 引言

制造服務理論在新工業革命的進程中發揮著重要作用，制造與服務的融合是產業界和學術界近年來關注的熱點之一，從服務中獲取更多價值成為制造企業的共識，同時服務在制造業中的比重也越來越大。德國工業4.0和美國工業互聯網等新制造戰略促使“中國制造2025”積極推進，服務型制造作為國家戰略之一，突出了制造服務研究的重要性。服務型制造［1?2］、云制造［3?4］、制造物聯［5?7］等新工業革命舉措以顛覆性技術為依托，成為中國制造重要的戰略選擇。智能服務的研究是伴隨服務概念的演變和人工智能技術的發展而逐步深入的，特別是與制造業相關的服務成為智能服務的研究重點之一，也是本文的聚焦點。制造業的服務化趨勢成為企業的必然選擇，國內外成功的企業案例印證了服務化的必要性，相關研究集中在生產性服務和制造服務化兩個方面。生產性服務圍繞制造企業提供各類服務，如零部件配套、加工服務、物流配送、方案咨詢等，形成智能服務平臺、智能服務理論、智能服務集成等研究熱點，制造服務化圍繞終端用戶提供各類服務，如售后服務、遠程運行維護、服務方案優化、產品服務系統等，形成智能服務模式、智能服務技術、智能服務協同等研究熱點。這兩個方面趨向統一，服務型制造較好地將兩者結合起來，成為制造服務研究的典范。各國最新的智能制造戰略都突出了服務要素，德國工業4.0有智能服務的內容，美國工業互聯網有智能服務的技術，“英國制造2050”強調高附加值更是突出智能服務的因素，“中國制造2025”也有服務型制造專項。在制造業信息化過程中，云制造包含更多的智能服務方法，制造物聯也提供了智能服務運作的外部環境。智能服務的對象是制造服務，制造服務包含的產品和服務具有虛實結合、異構集成、多方協同等復雜性特征，需要提供支持智能的基本技術手段和研究方法，模塊化技術和方法可以較好地支持制造服務的智能化，是智能服務落地的關鍵步驟之一。考慮智能服務的復雜性，首先研究服務功能和服務流程的模塊化，進而合成為整體的智能服務模塊，本文僅對服務功能模塊化設計進行研究。物聯網深刻影響著制造業，制造物聯模式提出后，對于智能服務的設計提供了重要的技術支持。模塊化方法廣泛應用于設計、制造領域［8?9］，對于產品服務系統也有初步的應用［10］，為了解決智能服務設計的復雜性問題，引入模塊化方法是較好的選擇。本文在應用制造物聯技術的基礎上，研究智能服務的功能設計過程，并用模塊化方法構建智能服務的功能設計策略。

圖1 智能服務的制造物聯環境Fig.1 Internet of manufacturing things environment for intelligent service

1 智能服務的制造物聯環境構建

智能服務是制造服務智能化的具體應用，制造服務包含服務企業、制造企業、終端用戶圍繞產品生產和提供服務進行的所有活動，主要表現為生產性服務關系和制造服務化關系。服務企業向制造企業提供的制造服務，對整個價值鏈上制造企業生產過程中的所有活動提供不同程度的服務，主要是生產性服務［11?12］；制造企業向終端用戶提供的制造服務，對整個產業鏈上運作過程中與制造企業相關的價值增值活動提供的服務，主要是制造服務化［13?15］。生產性服務關系和制造服務化關系共同促進制造與服務的融合［16］。

智能服務涉及有形產品和無形服務，以及兩者的合成。制造物聯可以提供有形產品設計、制造、銷售、物流、使用等過程的即時信息，在此基礎上對采集到的數據進行有效管理，來支撐智能服務設計的不斷優化。制造物聯也可以提供無形服務需求、服務方案、服務體驗、服務反饋、服務實施等過程的即時信息，在此基礎上對采集到的數據進行統一共享，來支撐智能服務設計的持續改進。智能服務的智能性需要依賴制造物聯環境獲取的第一手數據，進行信息抽取、規則改進、知識生成等智能化過程，使制造服務逐步智能化。總之，制造物聯環境為智能服務設計的實現奠定了重要基礎。

智能服務的制造物聯環境，用電子標簽和傳感器進行制造與服務數據的采集，構建的系統框架見圖1，其中虛線部分是制造物聯的核心部分，包括物聯網系統（電子標簽、傳感器、讀寫器、天線等），基于物聯網的智能服務管理系統（數據管理系統、數據庫、知識庫等），智能終端以及應用系統的數據接口。根據一般制造企業的需求，簡化智能服務制造物聯環境的工作原理如下：

（1）通過物聯網中的RFID和傳感器等相關技術，將車間內所有制造要素（包括靜態制造要素和動態制造要素）進行聯網，相關制造要素通過物聯網連接到制造數據系統平臺。

（2）平臺通過物聯網對制造要素的相關數據進行制造數據采集，或者將相關制造參數進行寫入的活動。

（3）構建面向服務功能和制造過程的制造數據模型和制造數據過程管理模型，對各類智能服務數據和制造數據進行管理和控制相關數據的傳遞。

（4）通過智能客戶端為異地的相關人員提供多維度的服務信息顯示、查詢、分析、追蹤、追溯和仿真等功能。

（5）通過緊密集成模式的應用接口實現與其他應用系統的集成，如CAPP、PDM、CAM、MES等系統。其中，智能服務功能的模塊化設計系統也在制造物聯環境中運行。

2 智能服務的功能設計原理

構建智能服務的制造物聯環境之后，可以進行智能服務設計，其設計過程依賴于智能制造企業和終端用戶。智能服務的智能性體現在提供服務的功能和流程設計智能化，在設計過程中，應用模塊化技術設計有形或無形的服務，在服務企業和制造企業之間的服務表現為生產性服務。可以用智能服務功能模塊組合智能服務功能，用智能服務流程模塊集成智能服務流程，最后用智能服務模塊配置智能服務。智能服務的功能和流程是其核心內容，決定了服務的質量和水平，同時功能與流程是相互依賴、相互映射的，兩者存在緊密的聯系。本文僅討論智能服務的功能設計技術。

智能服務設計的基礎是功能設計，就是根據服務企業自身的資源進行服務創新，服務功能是在商業生態系統中不斷發掘的。智能服務功能設計主要從3個層面確定服務功能，智能服務功能設計初始化、智能服務功能設計重構、智能服務功能模塊化等。以模塊化方法為基礎的智能服務功能設計原理見圖2。

圖2 智能服務功能設計原理Fig.2 Design principles of intelligent service function

在智能服務功能設計初始化層面，將智能服務功能規劃出設計過程，再把設計過程轉化為類設計結構矩陣，其中交叉處的黑點表示有信息交互。以此為基礎，用1表示矩陣中有信息交互的交叉點，可以將類設計結構矩陣轉化為初始化智能服務功能的設計結構矩陣。

在智能服務功能設計重構層面，針對初始化智能服務功能的設計結構矩陣，將其中的功能設計行為進行重構，用行列變換的方法最大限度地減少對角線上方的信息傳遞，得到重構的智能服務功能設計結構矩陣。以此為基礎，將耦合緊密的功能設計行為構成新的組合，得到新的智能服務功能設計過程。

在智能服務功能模塊化層面，基于重構的結果進行智能服務功能的模塊化設計。一般智能服務功能模塊含有若干子功能模塊，功能模塊化設計過程是一個仿真優化過程，依據智能服務的總功能與功能模塊的關系編制仿真腳本，據此來逐個設計智能服務模塊，用方法和屬性來描述智能服務模塊，在仿真設計過程中優化模塊構成，確定最終的功能模塊。智能服務功能模塊化需要與智能服務流程模塊化、智能服務模塊等協同設計。

3 智能服務的功能模塊化設計策略

Donald Steward在1981年引入設計結構矩陣（design structure matrix，DSM）來分析信息流，它是一個n階方陣，用于顯示矩陣中的各個元素的交互關系，有利于對復雜項目進行可視化分析［17?19］。基于DSM可以建立智能服務功能模塊化設計策略，矩陣中包含組成智能服務的各項功能及各功能間信息交換的方式，從中可以發現某項功能開始時需要哪些信息和某個功能產生的信息將提供給哪些功能。智能服務功能模塊化設計策略的分析過程如下。

3.1 智能服務功能設計初始化

智能服務功能設計初始化是確定服務的基本功能和初始狀態，設計結構矩陣可以反映各種功能設計行為及其相互關系。比如用矩陣的維數表示功能設計行為的個數，用對角線元素表示功能設計行為，用設計結構矩陣的行表示該行為對應任務的完成需要其他各列任務的支持信息，用設計結構矩陣的列表示該列任務對其他各行任務的輸出或者支持信息。基于設計結構矩陣的智能服務功能設計初始化如下。

首先，將智能服務功能設計過程轉化為合理的設計結構矩陣。重點在于針對制造企業的實際服務需求來確定服務內容及對應的功能。其次，將各方面服務的功能設計行為置于對角線上，服務之間的信息交流用黑點表示，在矩陣中表示為1。由設計結構矩陣的量化可知，矩陣中對角線以下是前饋信息，對角線以上是反饋信息。最后，矩陣中的空缺部分填0或1，其中，1表示服務之間有信息交互，0表示服務之間沒有信息交互。

3.2 智能服務功能設計重構

智能服務功能獲取的數據往往存在較多的交叉與重復，與規范的功能描述也不一致，在初始化階段并不能完全解決此類問題，這就需要通過設計結構矩陣進行重構。智能服務功能設計重構可以依據終端用戶的實際需求進行動態調整，可以實現智能服務功能設計的動態優化。同時，智能服務設計功能設計重構方法也為功能模塊化設計提供了必要手段。

智能服務功能設計重構用類似矩陣分塊的方法來實現，采用設計結構矩陣的一系列行列變換，使得矩陣重置并獲得新的工作序列。這種重構可以最大限度地減少未知因素，使得設計過程中的緊耦合設計行為可以聚集，同時對系統反饋信息的輸入也會減少。重構方法是利用行列變換重新排列矩陣，最大限度地較少對角線上方的元素。智能服務功能設計重構的具體過程如下。

（1）把智能服務功能的設計結構矩陣塊三角化。這就是將設計結構矩陣轉化為下三角矩陣，對智能服務功能的全部設計任務規劃，從整體角度考慮相互耦合的設計任務，把耦合活動歸一化處理。算法步驟如下。

①規劃設計結構矩陣中的空行與空列。策略是把空行對應的功能設計任務排在前面，空列對應的功能設計任務排在后面，同時去除已排功能設計任務的影響并重復上述操作，直到沒有空行和空列為止。

②處理沒有空行和空列的矩陣。策略是以強連通分支耦合子集識別算法來確定功能耦合設計任務集，并規劃功能耦合設計任務集的，也就是運用歸一操作將功能耦合設計任務集看作一個整體功能設計任務。

③重復步驟①，直到全部功能設計任務規劃完畢。當設計結構矩陣不能完全轉化為下三角矩陣時，應盡可能使矩陣模塊的大小和數量最小。

（2）針對設計結構矩陣分解獲得的智能服務功能耦合模塊，把功能設計任務進行聚類，再進行撕裂操作，就是識別具有最少信息輸入量的功能設計任務，放置在耦合回路的首位；在多個功能設計任務具有相同的信息輸入量時，向后續功能設計任務輸出最大信息量的功能設計任務排在前面。設A為功能設計任務集合，Ii為功能設計任務Ai( )

i∈A 信息輸入的關聯程度度量，Oi為功能設計任務Ai( )

i∈A 信息輸出的關聯程度度量。撕裂操作算法步驟如下。

①對任意一個功能設計任務i∈A，計算

②找出k∈A，滿足Wk=min{Wi}，若k的個數大于1，先排列Ii小的功能設計任務，后排列Oi大的功能設計任務。

③計算A=A-k，如果A是空集，則結束，否則轉向步驟②；

④對所有的i∈A，重新計算

其中，aik表示A所對應的智能服務設計結構矩陣中功能設計任務i與k的關系，有信息交互則其值取1，無信息交互則其值取0；

⑤對所有的j∈A，重新計算

其中，akj表示A所對應的智能服務設計結構矩陣中功能設計任務k與j的關系，有信息交互則其值取1，無信息交互則其值取0，轉到步驟①。

智能服務功能重構是服務協同設計的核心步驟，基于設計矩陣分析重構，可以和智能服務流程設計統一起來支撐智能服務設計。重構也可以提供功能模塊的多次配置，以及動態配置等，以此來支持智能服務設計的柔性。在智能服務企業中，面對制造企業個性化服務的實時性與多變性，功能重構可以比較容易地應對。對于重構設計還可以結合配置設計進行優化，這些方法都圍繞模塊化來進行。

3.3 智能服務功能模塊化

智能服務功能模塊可以采用仿真設計方法來實現，就是將智能服務功能的各個模塊制作成仿真腳本，模擬現實中的服務業務，使這些功能可視化。然后依據仿真腳本確定各個智能服務模塊的方法和屬性，進行模塊化設計。智能服務功能模塊仿真設計見圖3。

從各個智能服務主體之間產生的服務業務可以通過建立服務業務模板來制作仿真腳本，使得服務業務映射為智能服務功能模塊。服務業務模板可形式化表示為

圖3 智能服務功能模塊化Fig.3 Modularization of intelligent service function

其中，vi表示服務業務名稱；Ti表示服務業務類型；Di表示服務業務值域；Ri表示服務約束集合。

服務業務的仿真腳本中，服務業務類型按照參數型和選項型來描述。參數型服務業務表示為CN1=〈vi,ti,di〉，其中，ti表示參數型服務業務的服務表達方式；di表示服務業務參數值。參數型服務業務表示為CN2=〈vi,di〉。在此基礎上，編制服務業務的具體仿真腳本，同樣可以基于設計結構矩陣來實現仿真設計［18］。

在智能服務功能模塊化層，服務企業根據仿真腳本調用和驅動智能服務功能模塊。智能服務功能模塊分為方法區和屬性區，方法區是智能服務功能的實現方法，主要包括更新功能、過程模型、初始化等方法；屬性區主要包括服務狀態、服務信息、功能信息等性能參數。方法區中的過程模型是對決策模型和智能服務模塊功能的描述，如服務內容、服務信息、服務狀態等，這些智能服務模塊功能決策也依賴于知識庫的支持。更新功能是由仿真對象管理模塊來實現的。在仿真執行全生命周期的仿真任務管理是由仿真任務管理模塊來實現的。智能服務功能的初始化同樣需要對服務內容、服務信息、服務狀態等進行初始化，同時還要從數據庫讀取屬性區數據，為對應的智能服務功能模塊技術性能參數賦值。

智能服務功能模塊除了確定模塊功能之外，還需要設計智能服務功能模塊之間的信息傳遞機制和訪問控制機制等，研究智能服務功能模塊實現的仿真過程，借助仿真手段實現各個功能模塊。每個智能服務功能模塊包含兩個層面：一是服務企業為制造企業提供智能服務功能以滿足實際需求，即智能服務實施；二是將智能服務功能以仿真的方式虛擬化，具體為管理軟件，嵌入制造物聯環境中，即智能服務規劃。

4 實例分析

以某汽車驅動電機生產企業智能服務的功能設計為例，通過企業需求分析可知該智能服務的實現需要6個方面的服務，分別是產品服務、人員服務、資源服務、加工服務、知識服務、金融服務等，根據6類核心服務所需要的基礎數據，構建適合的企業制造物聯環境。在此基礎上進行支持該企業運作的智能服務功能模塊化設計，假設制造物聯環境滿足模塊化設計階段相關的數據采集與分析，電機企業智能服務功能模塊化設計如下。

4.1 電機企業智能服務功能設計初始化

在構建制造物聯的基礎上，僅考慮6類核心服務，電機企業智能服務的功能設計見圖4，電機企業智能服務功能的類設計結構矩陣見圖5。

圖4 電機企業智能服務的功能設計Fig.4 Function design of intelligent service for electric enterprises

圖5 電機企業智能服務功能的類設計結構矩陣Fig.5 Class design structure matrix for intelligentservice functions of electric enterprises

電機企業智能服務功能設計初始化的設計結構矩陣見圖6。其中，A表示產品服務，B表示人員服務，C表示資源服務，D表示加工服務，E表示知識服務，F表示金融服務等。

圖6 初始化電機企業智能服務功能的設計結構矩陣Fig.6 Initializing the design structure matrix of the intelligent service function of electrical enterprises

4.2 電機企業智能服務功能設計重構

對上文初始化的功能設計結構矩陣進行一系列的行列變換，完成重構獲得新的矩陣，重構的電機企業智能服務功能設計結構矩陣見圖7。

圖7 重構的電機企業智能服務功能設計結構矩陣Fig.7 Reconfigurable electrical enterprise intelligent service function design structure matrix

由重構的智能服務功能設計結構矩陣，可以得到電機企業新的功能設計，見圖8。

圖8 電機企業新的功能設計Fig.8 New functional design of electric enterprises

4.3 電機企業智能服務功能模塊化

在電機企業物聯網基礎上構建的制造物聯環境通過智能客戶端支撐企業智能服務功能模塊化設計；以方法區和屬性區定義具體的服務功能模塊之間接口，以模塊功能定義模塊包含的具體操作，以初始化啟動模塊；通過功能模塊化設計策略確定服務模塊之間的相互關系。電機企業智能服務功能模塊化見圖9。

根據仿真設計構建的電機企業智能服務的服務業務模板見表1。

根據服務業務模板信息，建立服務業務之間的約束規則，并進行結構化建模、約束檢驗等步驟，來編制服務業務的具體仿真腳本。將仿真腳本映射為智能制造服務功能模塊，完成電機企業智能服務功能模塊化。

圖9 電機企業智能服務功能模塊化Fig.9 Modularization of intelligent service function in electric enterprises

表1 電機企業智能服務的服務業務模板Tab.1 Service business template for intelligent service of electric enterprises

5 結論

制造服務設計問題的智能化是解決制造服務實用化的關鍵問題之一。本文通過構建制造物聯環境，采用設計結構矩陣方法建立的智能服務功能模塊化設計策略，提高了制造服務設計的效率和速度。通過電機制造企業實例分析，證明該解決方案較好地幫助企業做出科學、系統、智能的服務功能設計，同時也說明所建模型是正確、合理和有效的。智能服務設計的功能設計與流程設計是相互影響的，本文初步研究了功能模塊化設計策略，下一步需要研究流程模塊化的設計策略，以及功能與流程一體化設計方法等內容，所提方法在制造服務設計中較好地融入了模塊化技術，為智能服務設計的實現打下了基礎。