復雜重型裝備網絡化協同制造平臺發展研究

畢閏芳，吳 鋒，紀 妍

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

0 前言

在制造產業鏈中，復雜重型裝備是一類關鍵基礎裝備，屬于非標單體制造型產品，通常采用按訂單設計和按訂單生產制造[1]。經過實地調研發現，一個復雜重型裝備項目涉及需求方、設計方、制造商以及第三方供應商等多個利益主體，往往需要企業間進行跨組織、跨部門、跨地域的協同才能完成。這就給項目的實施帶來了多重困難，打通企業內部、企業之間壁壘，確保企業與前端以及企業與后端的互聯互通，實現相關利益主體之間的組織協同、資源協同、目標協同、過程協同以及信息協同是該行業一直以來關注的問題。在“互聯網+平臺”浪潮的推動下，復雜重型裝備向網絡化制造平臺轉型升級，借助現代信息化服務平臺和互聯網技術，尋找最優的協同制造服務。但是，各類型的制造平臺發展狀況普遍不佳，主要是因為缺乏平臺對企業價值創造和持續發展等方面的研究，導致沒有充分發揮制造平臺的競爭優勢。

隨著互聯網的出現，20世紀90年代，國內外學者開始研究網絡化制造模式。在網絡化制造戰略層面，Montreuil[2]制定了一個敏捷制造網絡化制造的戰略框架，并應用于長途汽車制造商，使企業能夠在動態的環境中協同計劃、控制和管理日常突發事件。程濤[3]提出了分布式網絡化制造系統的構想，指出該模式是一種面向群體協同工作的開放集成系統，可實現制造資源的共享和企業間的信息交流及合作，并給出了分布式網絡化制造的原型系統。楊叔子[4]研究了基于Agent的網絡化制造模式和基于利益驅動的動態重組機制，提出了在網絡環境下異地跨組織的制造企業，可通過虛擬動態聯盟的形式完成項目的合作。但斌[5]以陶瓷制造業為例，進行了面向網絡化制造的虛擬供應鏈的應用研究。在網絡化制造平臺架構層面，劉飛[6]總結了網絡化制造的內涵特征以及支撐技術體系，并指出了網絡化制造平臺將成為網絡化制造的技術支持工具。Fan[7]提出了基于multi-agent的網絡化制造集成平臺的系統架構和主要功能，以及應用集成的機制。苗劍[8]提出了網絡化制造平臺的工作流管理系統，并應用到單件小批定制型船用渦輪增壓器產品的設計和采購過程中，解決了協作廠商之間異構互操作的問題。

到2010年，網絡協同制造在服務模式、制造資源共享和分配技術，以及安全方面的問題日益凸顯，在物聯網技術和云計算等技術的支持下，李伯虎[9]提出了面向服務的網絡化制造新模式-云制造，開發了基于云仿真原型平臺，于2015年應用于航天云網實踐，目前該團隊提出的云制造系統3.0[10]融入了新一代人工智能技術指導搭建航天云網INDICS云平臺。高嘉悅[11]根據航天云網平臺發展的主要事件，將其發展劃分為誕生、成長、成熟和更新四個階段，基于生態系統理論視角分析了各階段面臨的環境、構成要素和各自的基本特征，得出了該平臺生態系統演進模型。但是航天云網平臺是一個跨行業、跨領域的多產業融合的工業互聯網平臺，而本文聚焦的是復雜重型裝備行業網絡化平臺的協同發展問題。Van[12]指出平臺失敗的6大原因，并歸結為管理者對平臺運營和競爭方式的誤解，同時分析了Covisint—為汽車零部件買家和供應商牽線搭橋的在線市場，只存活了4年的原因是沒有給零部件供應商創造價值，反而增加了他們之間的價格競爭。Chaudhuri[13]指出一些制造業類平臺之所以失敗是因為沒有為“正確”的用戶群體創造“正確”的價值。

關杰[14-21]等對復雜重型裝備行業的平臺轉型路徑、功能、模式和技術層面進行了研究，而文獻[14]針對該行業的特征，從業務流程角度提出了基于平臺的網絡協同發展模式。本文從復雜重型裝備向網絡化制造平臺轉型發展角度出發，基于生命周期和協同理論，研究網絡化制造平臺協同發展問題。其主要研究的問題：

(1)對復雜重型裝備行業的哪些運作管理活動進行云部署？針對該行業平臺轉型中的痛點難點，結合業務流程進行梳理，歸納出產品全生命周期的活動內容。

(2)網絡化制造平臺是怎么演化的，各階段的目標和任務是什么？平臺協同發展是遵循一定的發展規律的，不同階段的側重點能夠指導平臺平穩的循序漸進。

(3)針對網絡化制造平臺中的協同問題怎么解決？平臺加入到傳統供應鏈以后，打破了原有供應鏈的平衡，那么平臺供應鏈對復雜重型裝備行業的協同問題帶來哪些機遇？

1 復雜重型裝備業務流程平臺化

經過對中國重型機械研究院股份公司、中國二重、中鋁薩帕特種鋁材有限公司、中國忠旺集團等復雜重型裝備行業核心企業的實地調研，結合復雜重型裝備業務流程的梳理，總結了該行業向網絡化制造平臺轉型發展上的痛點和難點，如表1所示。該行業網絡化制造的目的是能夠打破時間、空間、計算機軟硬件的約束，使得異地多學科人員能夠并行地完成整個產品的設計制造工作，但是由于制造網絡技術的局限性，沒有統一的智能化服務平臺，導致協同問題仍是該行業的癥結所在。復雜重型裝備網絡化制造平臺旨在將該行業供應鏈上的設計、制造、裝配、運維等利益相關者連接起來，打通企業之間、層級之間的數據信息流動壁壘，提高創新能力，因此核心企業的業務有必要部署到云端。

表1 復雜重型裝備行業向平臺轉型發展的痛點和難點

在工業物聯網、云計算、人工智能等相關技術的支持下，企業生產經營等活動和資源可以部署到云端，實現復雜重型裝備業務流程的平臺化，如圖1所示。

圖1 復雜重型裝備網絡協同制造業務流程圖

一個復雜重型裝備的訂單是一個項目，在云上的運作管理主要包括招投標、產品協同設計、任務分解、資源匹配、項目實施管理、項目評估驗收交付等產品全生命周期的6項活動。

(1)招投標活動。復雜重型裝備從設計到交付是一個非常復雜的系統工程項目，往往需要跨企業跨部門協同才能完成。項目總包方通過平臺尋求合作伙伴，從資源庫中擇優選擇服務資源，通過招投標的形式，如邀標、公開招標，簽訂合同并最終形成虛擬動態項目組，項目成員在總包方的帶領下為共同的目標進行分工合作。

(2)產品協同設計。在合同簽訂后，項目總包方帶領設計方、制造方和需求方，在分析和挖掘客戶需求，以及考慮制造可行性約束的基礎上，進行機、電、液等協同設計，具體包括工程設計、工藝設計和設備設計等。

(3)產品任務分解。根據詳細的產品設計方案，制造商制訂項目進度計劃，標出重要時間節點。以125 MN擠壓機為例，制造任務分解包括：主機設備制造、擠壓工具制造、主剪刀、移動模架及快速換模裝置、總裝、解體、包裝、物流運輸、售后服務等。重要的產品交付節點上項目總包方會通過現場監督的方式督查項目的進展，客戶也可通過平臺看到項目的實時進展情況。

(4)資源配置。項目總包方通過與項目組成方進行商務談判，確定設計、制造、服務等資源之間的協作依賴關系與時序關系，以最大化實現資源的優化配置。

(5)項目管理。項目總包方在現有資源的約束下，運用系統的觀點、方法和理論對整個項目進行全生命周期管理，包括計劃、組織、協調、控制、評價等管理活動，以保證項目能夠按進度、有質量、低成本地完成。

(6)驗收評估。復雜重型裝備的項目完工后，項目總包方組織需求方、設計方、制造商、裝配商等項目組成方進行分項驗收，主要評估產品的質量、交貨期、設備運行效率等指標，作為評價項目的重要依據。

2 復雜重型裝備網絡化制造平臺成長演化

復雜重型裝備網絡協同制造平臺是動態演化的，根據生命周期理論的發展規律，該平臺歷經建設階段、成長階段、成熟階段和衰退或躍遷階段四個歷程。在不同的階段，平臺需要面對和解決的是不同的問題，梳理清楚各階段平臺的目標和任務，可以做到有的放矢，以助平臺得以持續穩定的發展。復雜重型裝備網絡協同平臺發展周期如圖2所示。

圖2 復雜重型裝備網絡協同平臺發展周期

2.1 建設階段：政府引導

該階段的主要目標在設計、制造、服務整個生命周期環節中，形成統一的信息和標準，構建多方參與的網絡化制造平臺，以信息協同促進整個流程的高效運作。平臺建設的實施步驟分為需求診斷、頂層設計、方案制定和系統推進四個方面，如圖3所示。

圖3 復雜重型裝備網絡化制造平臺建設實施步驟

平臺的主要任務是根據行業資源要素與現狀，首先對相關企業的需求進行分析，剖析痛點難點，明晰建設網絡化協同制造平臺帶來的實際效益和最終目標。其次制定合適的頂層設計，以解決接口對接、打通數據鏈、打造數字化模擬仿真工廠等，然后根據自動化程度高低進行方案制定，通過信息技術和裝備水平進行系統推進。

2.2 成長階段：自營深耕

在快速成長期，平臺的核心任務是培養競爭優勢，提高用戶體驗，擴大用戶量，維持收支平衡，獲得持續、快速、穩定的發展。在平臺自營階段，項目建設風險由平臺自行承擔，成本回收周期長，過程復雜。在爭奪和鞏固自己地位的早期，在沒有積累足夠的用戶數量的基礎上，平臺在滿足基本用戶使用的同時可以嘗試收費，甚至可以低價收取平臺服務費，以逐步擴大用戶量，如圖4所示。平臺盈利點主要包括撮合等服務費、知識推廣等增值服務費、企業網絡化升級服務費和平臺入駐費等。

圖4 復雜重型裝備網絡化制造平臺盈利點

如果平臺運行良好，成長性、競爭性都會增強，平臺提供的產品和服務不斷有市場，市場份額在擴大，平臺上用戶和服務提供商的規模也會大量增加，經營規模和業務范圍也會迅速地擴大。此時，平臺組織生態走向正規化，規章制度不斷建立和健全，開始實施規范化經營，具有一定的創新能力和核心競爭力，客戶、社會開始關注這類平臺，平臺市場口碑快速形成。

2.3 成熟階段：生態劃圈

在成熟穩定階段，平臺的側重點目標是實現市場滲透，持續獲得穩定的利潤回報并力爭使平臺進入到一個新的增長期。隨著依托平臺積聚的企業數量增加，服務平臺中集體學習、交易成本與服務成本減少等效應開始體現，為供應鏈上下游企業提供中間型投入服務的規模經濟和專業化經濟就可以實現，使得依托平臺而集聚的企業將更具競爭力。

當平臺的自營用戶達到一定數量的時候，可以拓展到應用型公司，打造自己的生態服務圈，占據行業中堅位置，如圖5所示。此時平臺能夠滿足中小企業共性需求，具有服務開放性、資源共享性，利用信息技術為中小企業提供服務支持，包括技術創新、質量檢測、管理診斷與咨詢、創業輔導、市場開拓、人員培訓、設備共享等服務。

圖5 復雜重型裝備網絡協同制造平臺生態圈

2.4 衰退或躍遷階段：戰略重塑

在衰退階段，平臺的核心任務是尋求組織重整和價值鏈重塑，使平臺獲得新生。這一階段平臺進入衰退期，但衰退并不完全意味著平臺走向滅亡，更多時候是平臺發展階段中的一個低谷。中小企業適應不斷變化著的外界環境，直接影響和決定著平臺的生存和發展。若能積極主動地適應環境，平臺就可能有效地發展和迅速壯大。反之，就將造成供需不匹配，逐漸被環境所淘汰。

一般情況下，平臺所處的政治法律、經濟環境、技術發展、產業變革等外部環境會對平臺需求造成直接影響，明確外部環境給平臺帶來的機遇及挑戰，能夠為戰略選擇提供依據。此外，平臺運營商自身能力的滯后也會制約整個平臺系統的升級，有必要建立專業性機構對平臺協同效應進行風險監測，以對平臺運行的效率、集聚企業數量、能力更新等進行全面評估，必要的時候可以建立預警機制。在具體操作層面上，政府可以依托高校和科研機構設立專業性評估組織，以項目或基金的形式展開定期評估，并向社會定期公布。

復雜重型裝備網絡化制造平臺的每一個發展階段，既是對上一階段成長的承接，又是下一階段的基礎。在建設初期，平臺的發展目標是吸引更多的客戶和供應商使用該平臺，平臺的功能是支撐由核心企業組成的系統在平臺上進行異地跨組織協同，實現某一個或某一類產品的平臺化運營示范。為了說服客戶使用平臺來滿足他們的制造需求，平臺在建設初期可能無法向客戶和供應商收取會員費。在成長階段，平臺的發展目標是打造平臺的競爭優勢，不斷尋找新的贏利點，平臺和供應商通過在交貨期內向客戶或合作伙伴提供完全符合其特定需求和質量要求的產品或服務不斷創造價值。在加入平臺之前，供應商只有少數關鍵客戶，在加入平臺之后，供應商能夠充分利用閑置產能獲得其他訂單。越來越多的供應商會愿意加入平臺，平臺市場份額隨之擴大。在成熟階段，在核心競爭力得以鞏固和發展的基礎上，平臺的發展目標是提高交易的靈活性、強化激勵效果，實現服務市場的滲透和拓展，與服務鏈上下游企業合作形成豐富的生態系統，通過多種形式的合作更加快速地對用戶需求做出反應。在躍遷階段，平臺通過提高其系統穩定性以應對不斷變化的環境系統。

3 復雜重型裝備網絡化制造平臺供應鏈協同

復雜重型裝備網絡協同制造平臺要實現的目標包括：需求方、設計方、制造商和服務商的主體協同；設計、制造、運維服務過程一體化；產品、制造、資源、服務等數據的集成、管理和運用。在復雜重型裝備行業原有供應鏈基礎上，網絡化制造平臺運營方也加入進來，對供應鏈的協同和管理會起到怎樣的作用呢？首先，梳理了復雜重型裝備網絡協同制造平臺供應鏈協同流程，如圖6所示。

圖6 復雜重型裝備網絡協同制造平臺供應鏈協同流程

就一個具體的項目而言，平臺在其中的主要作用表現在3個方面。

(1)基于網絡的開放式智能協同設計。平臺利用信息技術、人工智能技術和設計專家系統輔助，把知識模型嵌入智能軟件中，形成基于知識和基于軟件的智能設計系統。需求方、設計方和制造商在平臺的組織下，通過工藝聯合會審的方式進行產品設計和交互，并運用區塊鏈技術對知識產權進行保護。

(2)基于物聯網的協同生產制造。在平臺上完成設計的產品，會帶有專屬的數據信息傳遞到制造階段，制造商借助平臺上數據和信息處理技術，將設計圖紙轉化為工藝圖紙，并傳遞到制造車間。在大數據和5G無線網絡的協同效用下，生產數據上傳到智能生產中心，開通賬戶的需求方可以通過平臺查看制造進度、質量執行標準等，當遇到突發狀況時，能及時與設計方、制造商取得聯系，實現生產過程的可預測、可追溯和可調整。

(3)遠程智能運維服務。在協同運維方面，根據需求方的訴求，制造商通過平臺對具有雙向通訊功能的設備進行遠程監控、遠程維護和故障診斷，實現及時響應和快速解決，提高用戶的設備利用率。此外，平臺針對設備故障進行統一管理，能夠根據故障診斷書或異常數據生成故障診斷庫和可視化維修手冊，并提供故障預測性服務。

平臺在復雜重型裝備供應鏈協同過程中除了起調節和監管作用外，還需起到協同管理的作用。具體內容表述為：以網絡化制造平臺為基礎和運營中心，實現項目實施過程中的組織協同、資源協同、目標協同、過程協同和信息協同。如圖7所示。

圖7 復雜重型裝備網絡協同制造平臺協同管理總體思路

組織協同的目的是減少信息傳遞時的障礙。平臺上的組織具有開放性、動態性、系統性和虛擬性等特征。一方面，平臺運營方通過制定管理制度，包括用戶的注冊、使用權限的設置、操作手冊、信息交互規定等，對項目進行全程動態監管。另一方面，通過制定規章制度約束和激勵利益相關者的行為，實現復雜重型裝備在平臺上的組織協同。

資源協同的目的是實現信息交流和資源優化配置。平臺不僅需要提供資源虛擬化、任務-資源匹配、數據互聯互通等的技術支持，而且要提供知識產權保護和數據安全保障，積極引導利益主體開放資源和共享資源。

目標協同的目的是實現項目的總體最優。平臺需要制訂相應的獎懲機制，防止個體理性沖突。對企業內部目標協同可以采用企業管理制度進行規范，對合作伙伴的目標協同通過合同內容進行約束和激勵。

過程協同的目的是保障項目按時、按量順利交付。利用網絡協同制造平臺進行里程碑事件監控，突發情況的警報提醒，實現快速響應和全局協調與調度，使運作過程整體達到最優化。

信息協同是利用網絡協同制造平臺，對項目信息進行集成和控制，使得項目各參與方能夠信息共享，達到高效、高質協作的目標。信息協同管理并不是一個孤立的體系，它是組織協同、過程協同、資源協同和目標協同的基礎條件和保障。

要實現平臺在復雜重型裝備網絡化制造過程中的組織協同、資源協同、目標協同、過程協同和信息協同，一方面需要技術支持，如資源虛擬化，包括資源注冊到平臺，制造資源虛擬化，制造資源服務化，任務分解，資源匹配、動態調度和一體化組織管理。另一方面，需要打造智慧數據空間，實現平臺上數據的互聯互通互操作。此外，還需要工業APP等相關軟件的支持。要實現這些目標不是一蹴而就的，而是由易到難、循序漸進按階段進行的。

4 結論

隨著云制造、大數據、物聯網等新一代信息技術向制造業的快速滲透，以及國家重點研發計劃“網絡協同制造和智能工廠”重點專項的引導，復雜重型裝備行業急需向網絡制造平臺升級轉型，然而平臺的協同發展問題是各個平臺研究領域亟待解決的關鍵。因此，本文以復雜重型裝備為研究對象，研究了該行業網絡化制造平臺協同發展問題，得出以下主要結論：

(1)在梳理復雜重型裝備行業向平臺轉型發展的痛難點的基礎上，結合該行業的業務流程，將核心企業的運作管理活動進行了平臺部署，能夠直觀全面地理解該平臺的運作流程。

(2)平臺演化遵循生命周期理論，歷經4個階段：建設階段，平臺在政府的引導下，實現業務在平臺上的運營；成長階段，平臺培養競爭優勢，擴大用戶基數，并通過為用戶創造價值實現平臺盈利；成熟階段，平臺通過打造生態服務系統，向應用型企業延伸實現持續的價值創造；躍遷階段，用戶數量逐漸飽和，平臺應尋求組織重整和價值鏈重塑，以使平臺能夠長久發展。

(3)通過平臺供應鏈協同及協同管理實現項目的組織協同、資源協同、目標協同、過程協同和信息協同，最終實現平臺的可持續發展。