復雜重型裝備網絡協同平臺服務模式研究

紀 妍，吳 鋒

(1. 西安交通大學 管理學院，陜西 西安 710049；2. 效率工程與過程控制教育部重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 前言

隨著國民經濟與科學技術的日新月異，重型裝備已在核電、造船、化工、國防等眾多領域得到廣泛應用[1]。盡管我國近年來重型裝備制造業發展迅速，已經在航天探月、重型火箭、航空母艦等領域取得一定成就，但與世界先進國家相比，我國的工業基礎依然十分薄弱，尤其在應用于航空航天、軍事、核電等領域的核心裝備產品的生產制造工藝、產品自主開發理論和方法以及產品結構方面差距較大，這些核心裝備多是大型復雜的重型裝備[2]。在“中國制造2025”國家戰略背景下，實現重型裝備行業的轉型升級，提升中國制造業的整體競爭力尤為重要[3]。

當前，市場對復雜重型裝備產品的大型化、智能化、可靠性和生產能力極限化要求越來越高[4]。面對客戶多品種小批量、交貨周期縮短等需求的變化，為了降低成本，縮短交付時間，始終如一地重新配置生產過程變得更加重要，此時制造工廠和價值鏈網絡需要足夠靈活，以更快地向市場提供響應消費者定制需求的產品，此外生產過程也需要足夠透明，能夠對整個價值鏈中發生的變化或意外事件做出反應，這種生產模式是以現代信息技術、云計算、物聯網技術、制造技術和智能科學技術為基礎的[5-6]?；谠朴嬎闩c物聯網的協同從根本上改變了產品的設計、制造、運輸和銷售方式，實現一個相互關聯、高效的制造生態系統，它允許制造組織通過跨多個數據流實時關聯和分析事件，無需人工輸入就能自動即時響應業務活動，此外，它能夠根據歷史數據預測異常變化并做出相關操作[7]。

中國的重型裝備制造企業正在向在云制造服務支撐平臺上為客戶提供包括生產研發、制造、銷售和安裝維護在內的全生命周期解決方案方面升級和轉型，而重型裝備制造企業轉型的關鍵問題之一是構建柔性管理系統和制造資源之間的分工協作，以促進重型裝備項目任務的調度、協同、效率、質量和數量[8]。因此，需要研究云制造模式下復雜重型裝備核心企業之間的協作問題和服務制造資源的參與問題。然而，對于云制造模式下制造資源協調機制的研究有限?？梢哉f，研究動態快速響應的復雜重型裝備網絡化協同制造的發展模式和運作機制，提高產品創新速度和質量標準[9]，對我國重型裝備制造產業的發展具有戰略意義。

復雜重型裝備類產品研制的過程是一種知識密集型工作，需要綜合多個學科專業和領域的知識，為了實現復雜重型裝備的高效、快速、精確制造，在產品生命周期的各個階段需要調用許多設計單位長期在工作習慣、設計流程和管理手段等方面積累的資源和經驗，這些是大多數中小企業一般不具備又短期內接觸不到的[10]。通常情況下，復雜重型裝備的終端客戶和產品(或服務)提供商分布于不同地區，為用戶提供各類按需制造服務要多個異地企業在跨領域和跨地域的合作下完成，并且隨著多項目并行協同和項目協同管理的工作模式的推行，復雜重型裝備產品研發已經由原來的單一制造過程發展到在協同的平臺下共同進行，利用網絡和云制造服務平臺實現異地、跨組織多專業協同制造[11]。隨著網絡信息技術、產品設計技術和現代管理技術的發展，基于網絡的多專業、多部門、多業務智能并行協同模式在不斷縮短制造周期和提高資源利用率的同時，強調對復雜產品全生命周期信息、數據的高效管理，提升設計、工藝與制造過程以及整個供應鏈的協同運轉效率[12]。

本文所關注的網絡協同服務模式的主要目標是在一個大型復雜項目實現過程中，產品生命周期中分布的、異構的制造資源和能力能夠基于云制造平臺進行系統集成，通過全面的知識共享與協作提高制造資源利用率，減少時間、成本或資源消耗，并對突發事件、消費者需求波動、大規模定制產品和全球競爭做出反應。該過程為客戶提供產品全生命周期服務，主要服務內容包括整體設計、工程設計、加工設計、設備設計、設備組裝與交付、售后服務等。

1 復雜重型裝備制造的共性特征和特殊需求

復雜重型裝備為高度定制型產品，產品結構通常大而復雜，具有需求量小、加工周期長、質量要求高、工程造價高、幾何結構復雜、涉及學科和信息多、制造加工工藝復雜等特點[13-14]。由于客戶訂單、產品規格、訂單流程等的不確定性，這類產品非常獨特，不能在大規模生產系統中生產，因此訂單量少且交貨周期長，通常采用按訂單設計(Engineer To Order，ETO)和按訂單生產(Make To Order，MTO)的生產策略，具體特征是在ETO設計中，每個型號產品都需不斷按客戶合同及制造現場具體情況等的變化來重新設計或改型設計產品，在這種生產類型中，產品的生產批量較小，但是設計工作和最終產品往往非常復雜，在MTO生產中，絕大多數產品都是按照某一特定客戶的要求來設計的，而生產每種特定產品所必需的零部件和材料采購以及生產排程規劃只有在收到客戶訂單后才能完成[12]。研發設計新的復雜重型裝備的過程相較于一般裝備更加復雜，且產品生產過程可重復性低，研制周期和制造流程較長，為了縮短復雜重型裝備的設計周期和制造周期，按照“邊設計邊制造”的原則并行開展項目，即先設計好一個部件就開工制造，同時并行設計下一個部件。

以中國重型院和中國第二重型機械集團為代表的復雜重型裝備企業，具有重型裝備設計、制造、安裝、工程設計、售后服務等完整的產品核心能力，每個生產服務項目的時限一般為一至兩年。公司正從產品制造型企業向全服務型企業、從制造型企業向高新技術企業轉型[4]。但由于大型服務項目中包括工程設計、設備制造、采購、供應、物流運輸、安裝等的經營活動在實際運行中存在著復雜的關系、不確定性因素和新的管理問題，這些問題包括運行中的協同效應問題、服務資源利益平衡問題和規劃控制難等，由于缺乏有針對性的、有效的指導理論體系，保證工程質量、進度和成本具有挑戰性[15]。這些困難影響了企業的質量目標、時間進度和成本指標，制約了企業的發展。因此，建立網絡化協同服務平臺，整合社會資源，提供包括項目規劃設計、產品開發、制造、施工、安裝、維護等全生命周期解決方案，成為企業向產業高價值鏈轉型升級的有效手段。

2 動態快速響應的復雜重型裝備網絡協同服務模式

動態快速響應的復雜重型裝備網絡協同服務模式是指通過將傳統制造模式的銷售職能前置，采用以客戶為中心、訂單驅動的制造理念，借助平臺和云，構建以協同研發和協同制造為主要環節，協同管理和協同服務為支撐，覆蓋全生命周期的協同發展總體模式，實現制造過程的轉型升級。在網絡協同服務中，各制造資源通過服務平臺交換信息，感知資源之間的關系，從而促進協同交互，完成復雜的項目任務。

2.1 動態快速響應的復雜重型裝備網絡協作邏輯框架

基于云制造服務平臺的復雜重型裝備網絡協作邏輯框架如圖1所示，具體步驟為

圖1 復雜重型裝備網絡協作邏輯框架

(1)平臺資源身份認證。各訂單任務參與方在平臺申請注冊，提交自身具備的知識、技術等制造資源信息和在過去申請的服務項目供應鏈/價值鏈/數據鏈網絡中承擔的角色、任務，并確認服從平臺設定的行為規范。

(2)服務需求引入。用戶通過云制造服務平臺從核心企業獲取服務需求。經雙方信息交流、協商一致，簽訂服務合同，用戶可以根據自身需求隨時參與并調整服務流程。

(3)服務任務分解。核心企業基于云制造服務平臺進行服務知識與資源共享，并將服務任務分解為較低的子任務，提出項目的資源需求規劃、采購排產計劃和總體規劃，包括設計、制造、施工和安裝計劃，同時對產品結構與文檔進行跟蹤評估審核項目實施進度和效果。

(4)優化資源配置。核心企業一方面通過競價選擇資源，識別不可控的外部制造資源，中標人根據資源規劃的要求，以合同或協議的形式分配合作任務，規范合作行為；另一方面，核心企業實施計劃控制機制，對內部制造資源進行控制。每個制造資源可以執行任務分解和派發，以實現資源的最優匹配。

(5)綜合協同優化管理。核心企業對選定的外部制造資源(設計方、制造方、原材料供應商等)和內部制造資源(人力資源、軟件資源、硬件資源等)實施集中協同優化管理。根據任務結構建立局部任務視圖和全局任務視圖來檢測協作關系。如果存在協作關系，則應用適當的行為規范管理機制控制各參與方實現承諾；否則，將采用下一步。項目計劃和調度是基于協同理論和精益生產來制定的，以確保協同項目的全局優化。

(6)制造資源綜合評價。核心企業和用戶跟蹤項目的實施情況和實施結果，包括服務質量、產品交付情況和生產成本。同時組織專家評估每一個制造資源的服務水平、服務質量、客戶滿意度和信用評級，并將結果存儲在制造資源數據庫中，作為下一次選擇資源的基礎。

(7)協同運維服務。包括在線監控使用培訓、遠程故障診斷、以及備件的維護和翻新，將運行狀態反饋到制造和設計過程中，實現產品設計和制造的優化，此外銷售人員也可將客戶歷史數據與產品營銷相融合，深入挖掘市場潛在需求，最大化開拓客戶價值。

2.2 動態快速響應的復雜重型裝備網絡協同平臺功能架構

復雜重型裝備制造的主制造商、零部件生產單位和供應商空間分布廣，要優化各種制造資源，提升制造能力，必須實現主設計商、主制造商、供應商和專業化生產單位之間的高度協同以及制造知識、技術等資源的共享。在制造中，通過協同開發與云制造平臺，實現異地、跨組織、多專業之間的協同非常必要。如圖2所示，將平臺功能劃分為協同設計、協同制造、協同管理與協同運維四大模塊。每個功能模塊具體描述為

圖2 動態快速響應的網絡協同平臺功能架構

(1)協同設計。通過協同開發與云制造平臺，在設計過程中，首先需要對非結構化、非規范化的用戶需求進行模板描述、確認及可行性分析，將可行的設計任務分解并分派給現有的設計資源供應商，針對用戶需求的每一個調整，設計商要及時跟進，并與制造廠和零部件供應商溝通方案調整的可操作性。此外，為了提升工程師設計效率，挖掘歷史設計方案數據，對已建設的研發類知識數據庫(如設計標準、技術規范、三維/二維圖紙等)進行內容擴容、設計模板推送及易用性提升。

(2)協同制造。復雜重型裝備制造的主制造商、零部件生產單位和供應商空間分布廣，構建基于網絡的多專業、跨地域協同制造體系，將整機組裝、零部件制造商等資源集成，生產任務下達后，能夠針對不同型號的制造需求，制定個性化且具備可行性的組裝方案，而零部件廠商則根據實時動態信息，及時提供配套供應，實現對生產資源的優化配置。異地協同制造的基礎在于研發階段的數字設計，整個制造過程依據研發環節的三維唯一數據源構建制造信息模型，廣泛采用數字化工藝知識庫和柔性制造系統，實現制造進度的可預測、可調整、可追溯。

(3)協同管理。為了實現產品全生命周期設計、制造、服務環節的高度協同，需要對各環節的任務執行進度、效果、關鍵節點、成本等進行監控評價，對備件質量、訂單采購、材料倉儲、物流配送等進行管理，同時為了約束各組織條塊分割嚴重、利益趨動的短視化行為，平臺需要制定行為規范確保各方統一整體利益最大化的目標。此外，平臺上注冊有產品基本信息、人力資源、軟件資源、硬件資源，需要對這些虛擬資源的應用情況實時跟蹤。

(4)協同運維。整機安裝交付時，跟蹤安裝調試任務進度并對裝備質量、產品備件進行過程監控。售后服務時，人工故障檢測診斷會出現誤判、信息傳遞缺失等情況，影響服務滿意度，而通過建立設備故障原因數據庫和歷史維修方案數據庫，構建多專業協同的遠程診斷系統和動態服務機制，能夠及時響應客戶維修服務需求，同時采用無線通信專線實現對裝備使用性能、功耗、能耗等的遠程監控，通過分析歷史運行數據構建典型故障預測模型，預先制定裝備維護維修方案并及時更換老化零部件，降低不必要的維修維護成本。市場營銷活動中，通過對客戶(分銷商或消費者)歷史合同進行分類存儲，構建客戶檔案，挖掘客戶潛在需求，將應用數據反饋到產品研發改進、原料采購、計劃排產等活動，為企業創造價值。

3 動態快速響應的復雜重型裝備網絡協同服務的基礎和技術支撐

基于云制造的復雜重型裝備異地多廠所網絡協同服務平臺是實現動態快速響應協作性能的基礎，該平臺是需求和資源之間的橋梁，支持研制過程中的協同工作、數據發放接收、問題協調，可以提供應用服務管理、制造資源管理和訪問控制等功能，平臺應用層包括產品全生命周期動態管理模塊，如發布服務、服務應用程序、任務分解、資源管理、招標管理、合同管理、項目管理、售后服務和在線交流模塊，且所有參研單位和成品供應商在建立設計、制造、試驗、材料等數據庫時需形成統一的組織架構和標準規范，以實現在全網的資源共享。

平臺的主要功能是為用戶提供并發布服務需求信息，為制造技術和資源提供資源集成平臺，建立虛擬組織的項目管理與調度中心進行任務分配、計劃和控制。用戶必須通過平臺與企業和其他制造資源進行交互，并對生產流程進行動態參與、實時監控和管理，平臺通過以射頻識別技術、嵌入式系統、無線傳感網絡等為核心的制造物聯技術向用戶展示重點項目的實施過程。核心企業和用戶可以輕松掌握、指揮和協調關鍵技術路線、項目質量和進度，并通過控制工程質量、進度、成本等因素實現遠程監控和故障診斷服務。

如圖3所示為支持復雜重型裝備定制生產的網絡協同制造平臺開發技術包括基礎能力系統、知識工程平臺系統、數字化研發系統、智能制造系統、綜合管控系統以及智能運維系統等企業信息化建設基礎。

圖3 動態快速響應的網絡協同平臺技術支撐

(1)基礎能力系統。基礎能力系統包括數據中心、云計算中心、企業信息門戶、自動化辦公系統。復雜重型裝備的設計、仿真、試驗及企業的生產制造各環節中產生海量數據，由于缺乏統一的基礎數據源，各應用系統相互獨立且各接口集成技術不統一，使得數據信息孤立存儲，數據集成缺乏規范化、標準化管理，需要構建復雜重型裝備研制數據中心系統和云計算中心對數據存儲、數據應用及數據管理進行總體規劃，實現全生命周期數據管理，挖掘利用業務數據實現對決策支持系統的數據支撐。企業信息門戶和自動化辦公系統能夠在技術層面實現統一用戶管理、單點登錄、多渠道接入、應用集成等多方面價值，在功能層面提供統一信息發布與內容管理、流程協同、多種協作溝通工具、報表中心等多方面的功能，在企業戰略的有效貫徹執行、組織的統一管理、業務流程的核心管控、預算與績效管理的展示、品牌宣傳與企業文化建設、知識管理落地等多方面實現管理價值。

(2)知識工程平臺系統。復雜重型裝備領域知識繁多，更新變化快，導致知識積累困難、知識創新力度不夠，企業在企業管理、產品研制、試驗等領域積累與應用的知識和經驗具有零散、非結構化、不系統、不規范、共享程度低、利用率低、流失嚴重的特點，企業在知識與各業務系統、工具軟件、信息化系統的資源整合等方面存在問題和困難，嚴重制約裝備研制周期和技術創新。因此，需要建立全面的、體系化的復雜重型裝備知識工程，應用網絡爬蟲與大數據挖掘技術、語義分析技術、自適應學習技術等實現知識獲取、知識更新與維護、知識主動推送、知識創新與共享，提高工作人員的業務水平與效率，從而提高產品研制質量并縮短研制周期。

(3)數字化研發系統。復雜重型裝備具有性能要求嚴格、設計更改頻繁、產品構型眾多、零件材料及形狀各異、內部結構復雜、空間十分緊湊、各類系統布置緊密以及零組件巨大等特點，其研制過程是一項多專業協同設計仿真的工作，極其復雜。復雜重型裝備的研制過程執行和監控主要依賴大量協調會議和碰頭會，項目決策相對于項目狀態滯后，執行效率低，研制業務流程不夠清晰和規范，也沒有被整合到管理平臺中，管理人員不能對業務活動的相關狀態和工作進度實時監控。因此，為了使管理人員能夠根據研制項目執行的狀態和條件的變化及時對項目計劃做調整，通過數字化手段構建以任務為核心的設計仿真流程管理系統、工程師統一工作平臺、知識驅動的模塊化設計軟件、統一的研發數據中心，形成復雜重型裝備數字化過程研發體系，全面監控研發過程中資源使用、任務進度、數據狀態、基礎技術應用，全面提高企業的研制管理效率、資源利用效率、專業設計效率，進而加強工作規范性和質量。

(4)智能制造系統。企業的生產方式逐步從大批量生產向多品種、小批量客戶化生產的生產方式轉變，訂單不斷調整，從而導致企業運營效率低下和發展速度過快的之間矛盾不斷升級、生產組織越來越困難，企業隨時要應對緊急插單、生產計劃排程臨時改變、工藝復雜等狀況的發生，此時要求企業對生產過程的管理和監控更加趨于準時化、柔性化和實時化。物聯網制造過程管控系統將物聯網技術融合MES系統應用于企業的生產過程中，實現對作業計劃和工廠、人員、設備等生產主體的實時跟蹤，從根本上消除“信息斷層”和“信息孤島”，并實現對企業全方位的監控管理，達到快速響應市場和顧客的要求，從而從整體上提升企業的執行力，增強企業的影響力。

(5)綜合管控系統。綜合管控系統包括多項目管理系統、智能供應鏈管理系統、基于物聯網的車間配送系統以及企業資源管理系統。多項目管理系統是基于企業內部打造的數字化項目管理協同平臺將研發過程鏈中的每一個程序所產生的數據、文檔在不同的步驟間無縫傳遞，使得系統研制不同階段需要的工具、資源、人員、數據形成一個有效地整體，打通研制過程中管理與工程之間的各個環節，統一安排資源、人員和進度，跟蹤任務進度和狀態，準確評估設計人員的工作量，控制設計進度和質量，實現跨部門、跨專業的分布式、協同化設計過程。采用智能供應鏈管理系統，可以幫助企業在最短時間里尋找到最好的合作伙伴，有效協調控制供應鏈上各節點企業內外部協作過程中條塊分割嚴重、利益趨動的短視化行為，將供應商、分銷商、零售商等聯系在一起進行宏觀調控，以明確的績效評估體系為整體利益最大化共同合作，實現多贏的結果。通過構建物聯網環境下的機械產品裝配過程物料監控體系，對生產過程中的多源異構資源及其狀態數據進行實時感知與分析，在此基礎上，實現復雜重型裝備裝配車間物料配送的透明性、準時性，能夠基于車間的實時感知信息對物料配送方案進行實時修正，達到物料配送與生產運作的一體化，提高了車間物料配送的準時性與精確性，降低車間庫存，保障生產計劃的分解、排程與執行。企業資源管理系統的重點在于解決財務管理、銷售管理、采購計劃管理、庫存和物流管理、生產計劃與控制管理、品質管理、商務智能、全面預算管理、人力資源成本管理問題，進一步提高公司目前已有業務流程的執行效率及管理能力。

(6)智能運維系統。智能運維系統是基于故障預測與健康管理技術，對生產過程中產生的各項數據分析預測設備健康狀態與部件剩余使用壽命，實現定期檢修、預測性維護、故障報警及自適應處理，提前發現設備和生產的安全問題，消除安全隱患，降低運維成本，優化設備管理。

4 結論

當前對新一代復雜重型裝備網絡協同服務模式的研究有限，為解決傳統復雜重型裝備生產模式中主設計商、主制造商、供應商和專業化生產單位之間協同調度難、效率低的問題，本文系統研究了基于云制造服務平臺的復雜重型裝備網絡協同服務模式，從云平臺的協同邏輯框架、功能架構和基礎技術支撐進行了研究，得出三方面的結論。

(1)基于云平臺的網絡協同服務模式能夠針對客戶訂單及時制定個性化服務方案，實現服務資源選擇與配置、服務流程計劃與控制和服務信息反饋的聯動協同，有效提高產品的研制效率和質量。

(2)通過各專業化生產單位之間的制造知識、技術等資源的共享，構建異地、跨組織、多專業的網絡協同服務平臺，可以有效實現對裝備全生命周期的協同設計、協同制造、協同管理與協同運維，實現各生產單位之間的互利共贏。

(3)基于云制造的復雜重型裝備異地多廠所網絡協同服務平臺及平臺開發技術是實現動態快速響應協作性能的基礎，信息化建設可以幫助企業更好、更快地研發出高質量、高可靠性的復雜重型裝備。