我國協同制造的發展現狀與趨勢

高珊薇　李燁

關鍵詞：協同制造；CiteSpace；知識圖譜；研究熱點

中圖分類號：F424；G353.1 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2023.06.008

0 引言

制造業是國民經濟的主體，隨著2015年《中國制造2025》的印發以及十九大提出的“中國經濟已經由高速增長階段轉向高質量發展階段”，我國制造業的發展也進入了一個新的階段。協同制造作為21世紀的現代化先進制造模式，融合了云制造、智能制造、敏捷制造等技術和理念，將傳統的串行工作改為并行工作，將資源統一協同配置，極大提高了生產效率，進而推動制造業的快速發展。因此，協同制造成為制造業的一個研究熱點，研究成果層出不窮，但目前國內外學者關于協同制造的研究大多集中在微觀層面，即主要從企業內部的角度去研究協同制造的過程中任務及資源的分配優化、模式、平臺、技術等問題，由此提出的政策普適性不足。此外，現有研究對協同制造的內涵及相關概念的解釋較為分散，沒有深入分析相關概念之間的聯系和區別，未形成系統的理論體系。

協同制造是未來制造業發展的主要模式，對協同制造領域的現有理論成果進行梳理，形成較為系統的理論架構，可以促進該領域的進一步發展。基于此，本文借助CiteSpace可視化圖譜分析工具，選取1999—2022年國內協同制造領域的相關文獻，對作者、合作機構、關鍵詞進行計量分析，同時對關鍵詞進行聚類分析，繪制該領域研究熱點的知識圖譜，預測未來的發展趨勢，并提出對現有研究的思考和未來的展望。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

中國知網（CNKI）是常用的綜合科研文獻數據庫之一，它提供了內容完備且時效性強、權威性高、涵蓋自然科學、社會科學、工程技術、教育管理等多個研究領域的學術文獻。本文基于CNKI數據庫，采用高級檢索的方式，以“協同制造”或者“協同生產”為主題，選取包括SCI或EI來源的中文期刊、中文核心期刊、CSSCI 期刊和CSCD期刊，檢索出相關文獻197篇，刪除短評快訊、會議通知等，得到185 條有效文獻，最后檢索結果以CiteSpace對CNKI支持的Refworks格式輸出，作為本研究的基礎數據。

1.2 研究方法

文獻計量分析是指運用數學和統計學的方法，對某一特定領域的作者、機構、關鍵詞等知識載體進行定量分析，進而分析該領域的發展動態及學科前沿趨勢的交叉科學［1-3］。知識圖譜可以將某一領域的發展歷程、主要結構、前沿等以可視化圖譜的形式清晰地展現在讀者面前，綜合運用了應用數學、圖形學、計量學引文分析、共現分析、信息可視化技術等多種學科的理論和方法［4］。通過可視化圖譜，可以將一個知識領域的演進歷程直觀呈現在引文網絡圖譜上［5］，可以將抽象的科學規律具化為生動的形象化圖像，使讀者更容易理解并掌握當前動態［2］。本文借助可視化軟件CiteSpace.5.8.R3c對協同制造領域的文獻進行可視化分析，CiteSpace 是基于Java環境的一款信息可視化軟件，主要功能是對指定領域的文獻集合進行計量和可視化分析，主要理論依據是共引分析理論和尋徑網絡算法等，該軟件可以構建作者、機構合作網絡以及關鍵詞的突現和聚類，快速歸納出該領域的演化路徑、研究熱點以及前沿趨勢［2］，是文獻分析常用的工具之一。

2 協同制造研究主題可視化分析

2.1 年度發文數量分析

圖1給出了我國協同制造研究在不同年份的論文發表數量變化趨勢，可將我國協同制造的發展大致分為四個階段：萌芽階段（1999—2002 年）、快速發展階段（2003—2007年）、創新突破階段（2008—2015年）、深入發展階段（2016年至今）［6］。萌芽階段的發文量較低，首篇與協同制造相關的文獻是上海交通大學的張華和王志新的《網上制造資源重組及協同工作》［7］，通過綜合運用信息集成、物流技術等，構建了網上制造系統，實現了基于網絡的生產組織與動態調度。快速發展階段的發文量增速顯著，從2003年的5篇持續增加至2007年的29篇，達到整個階段的峰值。這與此階段的國家政策有關，黨的十六大（2002年）、十七大（2007年）報告均強調要將信息化融進工業的發展，堅持以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化，這一時期的政策大部分傾向于制造業的發展，如推動高技術產業和先進制造業的快速發展，利用先進技術和適用技術改造提升裝備制造業，改革傳統制造業等。因此，“協同制造”的發文量在此階段呈現快速增長的趨勢，該階段的文章大多是基于互聯網技術對網絡型協同制造、敏捷制造、異地協同制造、制造資源的整合與協同等進行研究。創新突破階段的發文量有所下降，該階段協同制造的相關研究已逐漸趨于飽和，進入瓶頸，學者對于相關問題的研究基本達成共識，所以較難突破現狀［8］。2015年，國務院先后出臺《中國制造2025》《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，2016年先后出臺《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》《智能制造發展規劃（2016—2020年）》等文件，這些文件為協同制造的深入研究提供了抓手，在此階段，學者們結合“智能制造”“云制造”等先進的信息化管理技術深入研究協同制造的任務調度、仿真應用、架構模式等內容，推動了協同制造的深入發展。

2.2 作者分析

利用CiteSpace.5.8.R3軟件對協同制造的發文作者進行分析（圖2），可以找出國內對協同制造研究貢獻較大的作者，并深入分析該研究領域的核心作者及他們之間的合作關系。圖2中節點代表作者，節點尺寸與發文量相關，節點越大，說明該作者的發文量越多，若作者之間有合作關系，就會在圖譜上顯示為節點之間的連線，連線越粗說明合作頻次越高，節點外圍圈層的顏色對應發文的年份。圖2共有356個節點，521條連線，其中王天日、劉娟、張鵬志、張敏敏以及趙康廷、劉昌宏、陳亮的節點明顯大于其他作者且形成了各自的合作網絡，他們的發文量并列第一，均為24篇，是國內協同制造領域的核心作者。此外，何衛平、楊海成、和延立與其他數十位作者都有合作，但整體來看，圖2的網絡密度僅為0.0082，說明協同制造領域的作者聯系并不緊密，只是形成了局部小網絡，整體呈現小集中、大分散的特點［9］。

表1展示了協同制造相關研究的高頻被引期刊文獻，從中可知，被引頻次最高的文章是《面向網絡化制造的協同設計技術》，作者是西南交通大學的孫林夫，于2005年發表在期刊《計算機集成制造系統》，文章以成德綿區域的網絡化制造和應用服務供應商平臺為研究對象，對產品設計過程的特點進行了系統而深入的分析，基于知識構建了協同設計平臺，實現了企業之間的協作［10］。被引頻次排名第二的是姚錫凡、練肇通、楊屹、張毅、金鴻合作撰寫的《智慧制造——面向未來互聯網的人機物協同制造新模式》，同樣發表在期刊《計算機集成制造系統》，文章提出了一種面向個性化服務的人機物協同制造模式——智慧制造，該模式在云制造的基礎上又融入知識網、人際網、物聯網等技術，為智慧制造的實現提供途徑［11］。被引頻次第三的是《MBD技術在數字化協同制造中的應用與展望》，由馮潼能、王錚陽、孟靜暉合作發表于期刊《南京航空航天大學學報》，文章梳理了如何將MBD技術應用于在大型飛機研制領域的數字化協同制造，以及在應用過程中需要注意的一些問題，并對國內航空企業實施MBD技術提供了一些理論指導［12］。除孫林夫的《面向網絡化制造的協同設計技術》外，其他高頻被引期刊文獻都是由多位作者合作完成，這說明多人合作更容易發表高質量的文獻。

2.3 合作機構分析

利用CiteSpace.5.8.R3軟件對協同制造的研究機構進行知識圖譜分析，分析結果見圖3，節點代表機構，節點尺寸與發文量相關，節點越大，說明該機構的發文量越多，若機構之間有合作關系，就會在圖譜上顯示為節點之間的連線，連線越粗說明合作頻次越高，節點外圍圈層的顏色對應發文的年份。圖3中共161個節點，82條連線，連線數小于節點數，說明研究機構間的緊密程度不高，合作頻次少。太原理工大學經濟管理學院、太原理工大學省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室、西安工程大學計算機科學學院與重慶中煙工業有限責任公司黔江卷煙廠各自形成了合作關系，同時這四個機構的發文量均為24篇，遠遠高于其他機構。大多數合作機構的地理位置都在同一城市或者在同一高校的不同院系，如西北工業大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室與陜西科技大學以及陜西省機械研究院、河南理工大學計算機科學與技術學院與現代物流服務河南省高校工程技術中心，同濟大學中德學院與同濟大學機械工程學院之間的合作。整體來看，圖譜網格密度僅為0.006 4，說明我國協同制造領域研究機構間的聯系并不緊密，還需進一步加強。

3 我國協同制造領域研究熱點及發展趨勢

3.1 關鍵詞共線分析

中介中心性是指一個節點在整個網絡圖譜中連接其他節點的中介能力，中介中心性超0.1的節點稱為關鍵節點，中介中心性越高，該節點在結構中的重要程度越大［13］，由表2可知，除去主題詞“協同制造”外，“云制造、協同設計、訪問控制”的中介中心性均超過了0.1，是該領域的重要研究對象。

關鍵詞是對一篇文章研究內容或研究方法的高度凝練，是作者核心思想的體現，不同關鍵詞同時出現在同一篇文獻的現象叫做“關鍵詞共現”［13］，通過分析關鍵詞共現可以得出該領域的研究熱點并預知未來的發展趨勢。將所選文獻導入CiteSpace.5.8.R3 軟件，選擇時間為1999 年1 月—2022 年4 月，時間切片設為1，Node Types 選擇keyword，每個時間切片選擇Top50；選擇“Pathfinder”算法疊加“Purning Sliced Network”進行網絡裁剪，生成關鍵詞共現知識圖譜（圖4）。圖中共有301個節點，700條連線，連線數大于節點數，說明協同制造相關領域的關鍵詞之間聯系密切，網絡繁雜。節點大小代表關鍵詞頻數大小，結合圖4和表2可知，“協同制造、云制造、任務調度、服務協同、深度學習、數據分析、圖表數據、協同設計”等節點明顯大于其他節點，說明在協同制造及相關領域這些方面的研究較為熱門。

3.2 關鍵詞聚類分析

對關鍵詞聚類分析，可以快速得出某一研究領域的研究熱點及研究方向，本文通過CiteSpace.5.8.R3 軟件的LLR算法，對協同制造領域的關鍵詞進行聚類分析，得到圖5 的分析結果，圖中共有11 個聚類（#0cooperative manufacturing，#1協同設計，#2云制造，#3虛擬企業，#4 manufacturing service，#5 訪問控制，#6 集團型，#7任務分配，#8能源消耗，#9智能制造，#10模具企業），其中聚類#0的同質性為0.994，在所有聚類中最高，非常接近于1，說明該聚類成員相似性最高，其平均年份為2010年，也可說明屬于該聚類的論文在2010年前后發表的數量最多。此外所有聚類的同質性均大于0.7，說明每個聚類單元成員之間的緊密程度比較好，表示聚類成功。從圖5可以看出，不同的聚類單元之間交叉明顯，說明協同制造相關領域的各個聚類之間聯系緊密，研究熱點之間有諸多相通之處。

3.3 研究熱點

綜合關鍵詞共線圖譜和聚類圖譜以及該領域的研究背景和文獻研讀，將現有研究熱點從協同制造過程的任務及資源分配優化研究、協同制造平臺的研究、協同制造領域的技術方法研究、協同制造的模式研究、協同制造的模型研究幾個方面進行論述。

3.3.1 協同制造過程的任務及資源分配優化研究

協同制造將原有的串行工作變為并行工作，大大提升了工作效率。在協同制造過程中，制造企業如何選擇優質的合作伙伴、如何有效分解制造任務、如何將各個企業內外部的有利資源綜合利用，這些是協同制造過程必須要解決的關鍵問題，也是學者們研究的熱點之一。

在合作企業的選擇上，劉捷先等［14］從虛擬聯盟的運營層面和戰略層面出發，在運營層面分別考慮機器老化和機器正常運行兩種情況下，虛擬聯盟企業間的訂單分配規則和單個聯盟企業的訂單生產排序規則；在戰略層面對虛擬聯盟內成員的選擇制定了規則。

在分配任務的原則上，王紀才等［15］指出協同制造服務系統的核心功能在于基于客戶的需求按需匹配對應的優質服務，然而在集群協同制造模式下，服務供需匹配常常面臨諸多不確定因素，如客戶需求臨時變化、候選服務多等，為此他們提出了一種集群協同制造服務匹配策略的計算實驗方法，試驗結果表明，只有同時考慮用戶需求變化和服務資源QoS（quality of service）屬性變化，才能成熟應對多變的市場環境，達到最優的服務匹配；韋韞等［16］也認為面向服務的網絡化協同制造資源優化配置，面向的對象是客戶，要以客戶需求為中心，通過制造網絡搜尋并整合分散在同一企業的不同部分或不同企業間的可利用的、有競爭力的制造資源，從而對這些資源進行重組和充分利用。

在任務分配和資源配置優化上，周珂等［17］研究了協同制造多目標優化方案的評價指標體系，首先從制造產品的結構、性能、批量、工藝等方面深入探索在網絡化制造環境下如何將制造任務分解至最小單元并對其進行最優的資源配置，然后將探索過程中的得到的動態信息充分利用、綜合評價，最終建立評價指標體系。陳友玲等［18］面向云制造，從供應商生產能力的角度出發，建立引入生產組合的任務分配優化模型，并定義了質量相似性、可組合性及合作溝通性等影響任務分配的因素；韋韞等［16］認為生產作業的時間和成本以及生產加工和資源服務的質量與協同制造資源重組優化效果直接相關，并據此建立了網絡化協同制造資源重組優化調度的數學模型；在產品定制協同制造的過程中，包北方等［19］認為制造產品的協同定制應該將制造企業的經濟效益和客戶的定制要求同時考慮在內，因此他提出了產品定制協同制造資源優化配置的雙層規劃模型，在該模型中客戶滿意度最大化是上層規劃目標，而企業定制經濟效益最大化為下層規劃目標，在兩者相對博弈的過程中找到最優資源配置方案。

3.3.2 協同制造平臺的研究

王琦峰等［20］提出了一種基于語義服務的網絡化協同制造執行平臺，為制造企業在協同制造過程中的協作和協同提供了有力的信息平臺支撐，實現了制造資源和信息的共享以及制造過程的協同管理與監控。和延立等［21］提出的跨企業協同制造平臺是以制造網格為基礎的，該平臺涵蓋了從制造資源的分配管理到制造任務的建模再到制造任務的管理的全過程，在該制造網格內的企業被分為兩大類：資源企業和客戶企業，前者主要為平臺提供資源和制造服務；后者主要使用網格內的資源和服務，通過該平臺實現制造企業間的資源共享，進而形成全球制造網絡和全球制造鏈。李政等［22］認為目前Web服務的應用領域主要是在企業內部異構應用系統的整合以及B2B 電子商務，但這并未充分發揮出Web服務跨地域、跨企業、跨平臺的優勢，因此他們基于Web服務構建了網絡化協同制造平臺，并對該平臺的運行實例做了詳細描述。

3.3.3 協同制造領域的技術方法研究

范如意等［23］基于傳感網服務整合架構（SWE）提出自適應傳感器信息模型（ASIM），研究人才、技術、培訓、服務、創新等第三方資源動態適配接入網絡協同制造技術資源池的技術，助力實現眾創資源的互聯共享。在分布式網絡中，面對復雜而龐大的協同制造系統，區塊鏈技術為系統中的數據安全提供了安全可靠的保障［24］。面對協同制造企業眾多類型的圖表，陳亮等［25］利用OCR技術和關鍵點檢測網絡對其進行識別并提取相關數據，隨后以用戶需求為依據，生成針對性的文本描述，從而豐富了協同制造系統中的圖表數據分析方法。3D打印技術具有快速制造單件產品的能力，這為企業驗證新產品設計裝配節約了大量時間，進而縮短了整個產品開發周期，因此3D打印技術被廣泛應用于制造業的現代化生產制造過程中，來孝楠等［26］在產品的設計制造過程中融入3D打印技術，提出了礦山機械裝備零部件遠程雙向協同制造系統，使礦山機械裝備制造企業更具生產力。馮潼能等［12］以波音飛機為例，探討了MBD 技術（Model Based Definition）在大型飛機在數字化協同設計、研制、制造中應用的一些方法以及存在的問題。

3.3.4 協同制造的模式研究

羅建強等［27］綜合了傳統網絡協同制造和服務型制造的優點，提出一種新的協同制造模式——服務型網絡協同制造模式，圍繞產品全生命周期的服務嵌入網絡協同制造，通過設計、制造、服務全過程的協同，制造網絡內各主體的協作關系更加緊密，對網絡內價值共創能力有極大的加強作用。莊存波等［28］提出了一種智能車間運行新模式——分布式自主協同制造，該模式以“物-物”互聯為基礎，以“智-智”協同為核心，為解決當前傳統車間運行存在的問題提供了思路。高濟等［29］提出了一種全新的協同制造應用架構模式——基于社交層規范的協同制造過程宏觀調控，該架構模式有利于消除協同制造應用部署的信任危機，同時有助于克服管理域協同制造活動的不可控障礙。李強等［30］將“云制造”引入模具制造業，通過“模具云制造模式”對模具的生產制造進行分布式異地協同，對制造資源利用率的提高、制造周期的縮短、生產成本的控制等方面提供了很大幫助。

3.3.5 協同制造的模型研究

王有遠等［31］對航空產品的協同制造進行詳細研究，將協同制造的特點分解為協同制造知識表達、知識共享、知識重用等幾個方面，并基于此構建了協同制造知識模型和分布式協同制造工作流程模型，此模型有縮短產品生產周期、提高生產效率、加深企業之間對協同制造知識的理解等優點。周歡偉［32］按照產品全生命周期將協同制造過程分為市場信息搜集、算法設計、智能制造、售后服務、供應鏈共享5個層次，各個層次不僅個體之間要相互協同，層次之間也要相互協同。協同制造服務以某種復雜產品或者零部件為核心，通過現代互聯網技術和制造服務平臺，將不同企業現有的以及潛在的制造資源進行合理的組織、優化、分配，最終按照客戶需求為其提供精準的制造服務，它融合了制造業和服務業的特點［32］。馬軍等［33］綜合考慮制造商和客戶需求，基于Agent方法提出了融合制造任務元和制造服務元的協同制造服務雙層元建模機制。姜洋等［34］從解決信息安全的角度出發，針對虛擬角色建立了混合訪問控制模型，該模型將虛擬角色對共享資源的操作賦予了一定的閾值，只有在自己負責的具體子任務或項目中，才能一定的操作權限，這使得協同制造環境的安全性、機密性、完整性大大提高。

3.4 發展趨勢

突現詞是指在短時間內頻繁出現，受到學者們廣泛關注的關鍵詞，因此突現詞在一定程度上可以解釋研究領域的發展趨勢以及前沿動向，在關鍵詞共線知識圖譜的基礎上，通過CiteSpace的Burst detection 功能對關鍵詞共現圖譜進行突現性分析，γ 值越小，突現詞越多，本文在對關鍵詞進行突現分析時，設置γ 值為0.3，選擇突現強度排名前18的關鍵詞，按照出現時間順序進行排序，如圖6所示。從突現強度看，“協同制造”的突現強度最大，但僅從2006持續至2008年，與當時黨的十六大和十七大召開頒布的制造業相關政策有關，在這些政策的推動下，有關“協同制造”的研究集中且豐富；從突現時間看，2008年出現的突現詞數量最多，“制造服務、語義、動態聯盟、信息集成”都是在這一年成為研究熱點，但持續時間不長，2009—2011年這些研究逐漸減少；從突現周期看，“云制造”的突現周期最長且突現強度位居第二，從2011年成為研究重點一直持續到現在，因此今后對協同制造的研究需重點關注“云制造”的相關理論和技術，要將“協同制造”與“云制造”結合起來研究。

3.5 研究述評

目前國內學者從不同維度對協同制造過程中任務及資源的分配、平臺的構建、技術及方法的應用、協同制造的模式及模型等方面進行了深入的研究（如圖7），為我國協同制造的進一步發展提供了扎實的理論基礎，為早日實現“中國制造2025”做出了貢獻。然而現有研究仍有一些不足：（1）現有研究對協同制造的內涵及相關概念的解釋較為分散，沒有系統深入分析協同制造的演化過程及云制造、智能制造、敏捷制造、網絡化協同制造等概念與協同制造的關聯。（2）協同制造是一個同時注重整體與局部、宏觀與微觀、有形與無形的動態有機過程，現有研究大多是從微觀角度去分析協同制造的問題，所提出的對策普適性不足，聚焦于我國協同制造整體影響因素的研究較少，還未形成對相關產業或企業協同制造測度評價的指標體系。（3）協同制造中企業內部的管理以及企業間的協同管理非常重要，但很少有研究從企業管理的角度去分析構建協同制造的主體企業與協作企業之間的管理體制和機制。

4 結論與展望

本文基于CiteSpace軟件對我國協同制造領域的文獻進行可視化分析，得出以下結論：（1）我國協同制造領域的研究從1999年開始，經歷了萌芽階段、快速發展階段、創新突破階段和深入發展階段，不同階段的發文量與該時期頒布的政策有直接關系。（2）協同制造領域的作者網絡和研究機構網絡均呈現小集中、大分散的特點，被引頻次高的作者之間形成局部的小網絡，而研究機構的合作更多集中在同一省份或同一高校內部，與外部的合作及整體的緊密型有待進一步加強。（3）協同制造的研究內容和主題具有多樣化的特點，根據關鍵詞共線和聚類分析，現有研究熱點包括：協同制造過程中任務及資源的分配、協同制造平臺的構建、協同制造技術及方法的應用、協同制造的模式及模型等。

然而現有研究存在一定的不足，未來可從以下角度對我國協同制造進行深入研究：（1）系統分析協同制造的內涵。協同制造并非一成不變的，而是處于不斷變化的過程之中，梳理協同制造的演化過程并區分我國與西方國家協同制造內涵的異同是十分必要的，有助于找準定位，吸取先進的經驗。此外，應詳細分析協同制造與智能制造、云制造、敏捷制造等概念之間的關系，并深入剖析引入這些概念的原因，形成系統的協同制造理論體系。（2）建立協同制造的評價體系。協同制造是一個同時注重整體與局部、宏觀與微觀、有形與無形的動態有機過程，影響協同制造的因素種類眾多且復雜，要建立一套全面的、科學的、客觀的協同制造測度或評價指標體系，對制造業產業及制造企業在協同制造方面進行有效的評價，幫助其找出阻礙當前發展的不利因素，進而推動進一步發展。（3）完善協同制造虛擬聯盟的管理體制。協同制造融入了不同行業、不同地區、不同類型的企業，形成了一個數量眾多、體系龐雜的虛擬聯盟，如何協同管理這個聯盟顯得尤為重要。下一步的研究要重點關注各個制造企業內部、制造企業之間以及整個虛擬聯盟的協調與平衡，從管理的視角考慮制造資源、人才、制造工藝等各個方面，完善現有的管理體制。