基于閉環(huán)反饋的高端裝備制造服務(wù)融合技術(shù)研究

吳相錦 彭清暢 孫延光

摘要：制造服務(wù)融合已成為高端裝備制造行業(yè)保持核心競爭力的必然選擇。本研究以某典型高端裝備制造企業(yè)為研究對象，探索符合行業(yè)特色的制造服務(wù)融合技術(shù)體系，提出具有行業(yè)特征的制造與服務(wù)融合技術(shù)框架和關(guān)鍵技術(shù)，并搭建一套制造服務(wù)融合支撐平臺，切實(shí)為高端裝備制造企業(yè)制造服務(wù)融合提供有力保障，創(chuàng)新制造企業(yè)“制造—服務(wù)—制造”閉環(huán)反饋模式，以供參考。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)反饋；高端裝備；制造服務(wù)融合；軌道交通

DOI：10.12433/zgkjtz.20240401

在制造服務(wù)融合研究領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國家起步較早。美國的Greenfield于1966年提出生產(chǎn)性服務(wù)；二十世紀(jì)九十年代初，以GE、IBM等為主導(dǎo)的公司率先進(jìn)行由產(chǎn)品向服務(wù)轉(zhuǎn)型。GE公司在二十世紀(jì)八十年代的傳統(tǒng)制造產(chǎn)值占比達(dá)85%，服務(wù)產(chǎn)值僅占12%，通過“技術(shù)+管理+服務(wù)”創(chuàng)造的產(chǎn)值占公司總產(chǎn)值的比重約為70%。許多知名公司由于市場需求加入研發(fā)行列，例如，微軟、IBM等成立了專門的研發(fā)中心，在數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)挖掘及知識發(fā)現(xiàn)等技術(shù)研究方面有著豐碩的研究成果。

隨著國家智能制造戰(zhàn)略的推進(jìn)，制造服務(wù)融合已成為高端裝備制造行業(yè)的核心競爭力，制造與服務(wù)深度融合也成為企業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的必要條件。在此背景下，學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究和驗(yàn)證，李浩明確了面向服務(wù)的制造、現(xiàn)代制造服務(wù)和廣義產(chǎn)品的概念，并以此為基礎(chǔ)分析制造與服務(wù)的融合內(nèi)涵，并提出制造與服務(wù)融合的技術(shù)框架體系。張衛(wèi)提出制造與服務(wù)融合的本質(zhì)是制造服務(wù)活動，制造服務(wù)活動是在制造產(chǎn)品與提供服務(wù)過程中產(chǎn)生的各種業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)部分是生產(chǎn)性服務(wù)，部分是制造服務(wù)化，并從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)、使用、功能、實(shí)現(xiàn)等視角建立了制造與服務(wù)融合中虛擬邏輯與實(shí)體活動交互的技術(shù)體系。張軼倫總結(jié)了新信息技術(shù)對制造與服務(wù)融合的影響、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)模式及其選擇決策、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)配置優(yōu)化、面向定制化的產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與配置優(yōu)化等方面。吳瓊提出了高端裝備制造業(yè)的三個(gè)主要特征，即資本密集、技術(shù)密集、勞動密集，并總結(jié)高端裝備制造領(lǐng)域科技服務(wù)協(xié)同應(yīng)用平臺構(gòu)建途徑的三大要點(diǎn)，即基于創(chuàng)新過程構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新模型、不斷完善戰(zhàn)略協(xié)同機(jī)制、加強(qiáng)全過程的監(jiān)管與技術(shù)服務(wù)。段海燕以“互聯(lián)網(wǎng)+”為出發(fā)點(diǎn)，嘗試將現(xiàn)代高端裝備制造業(yè)與服務(wù)業(yè)融合，深入運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維方法和方式，探索二者共同發(fā)展的可行性，通過對現(xiàn)代高端裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的思考，構(gòu)建并完善二者融合發(fā)展的理論和實(shí)踐體系。

軌道交通裝備作為高端裝備制造的典型代表，相比于傳統(tǒng)制造業(yè)，具有復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程，例如，運(yùn)行跨度長、工作工況復(fù)雜、運(yùn)維數(shù)據(jù)量大、事故后果嚴(yán)重、保障服務(wù)困難且成本高等。當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)展對整個(gè)經(jīng)營流程提出高效、個(gè)性化、可閉環(huán)等要求時(shí)，建立一體化協(xié)同平臺，使產(chǎn)品制造與服務(wù)相輔相成就顯得尤為重要。付登坡等人提出“數(shù)據(jù)中臺”的概念，完善數(shù)據(jù)存儲，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理，結(jié)合大數(shù)據(jù)算法，充分利用“人工”與“智能”相融合的方式，通過大數(shù)據(jù)平臺替代人工經(jīng)驗(yàn)，自動完成決策。塔娜等人總結(jié)了云技術(shù)在大數(shù)據(jù)平臺分析中的應(yīng)用，提出云計(jì)算可以改善傳統(tǒng)計(jì)算方法的缺點(diǎn)，在滿足人們對資源利用和計(jì)算速度需求的同時(shí)，利用相關(guān)軟件，分析、計(jì)算和處理數(shù)據(jù)，提高大數(shù)據(jù)分析平臺的運(yùn)營效率。

在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)環(huán)境下，高端裝備制造面臨的需求多樣化和個(gè)性化要求更加突出，亟需在制造與服務(wù)融合模式創(chuàng)新方面加大支撐力度，加速企業(yè)產(chǎn)品服務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，提升客戶服務(wù)質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

一、研究內(nèi)容

本文重點(diǎn)圍繞高端裝備產(chǎn)品制造服務(wù)融合、跨領(lǐng)域一體化協(xié)同優(yōu)化、產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)、精確運(yùn)維等核心需求，開展面向復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期的制造服務(wù)融合技術(shù)研究，重點(diǎn)突破制造服務(wù)融合的數(shù)據(jù)建模與集成、服務(wù)生命周期知識自優(yōu)化、服役環(huán)境下的狀態(tài)檢測和健康評估、面向多維數(shù)據(jù)融合的故障診斷與預(yù)測、維修策略的多要素、多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化、整產(chǎn)品與關(guān)鍵部件維修任務(wù)全局優(yōu)化、基于狀態(tài)預(yù)測的備件精益規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“制造—服務(wù)—制造”端到端的數(shù)據(jù)閉環(huán)，支撐設(shè)計(jì)制造和服務(wù)的迭代優(yōu)化，提升企業(yè)制造服務(wù)信息集成管理水平，促進(jìn)產(chǎn)品維修模式由預(yù)防性向預(yù)測性轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造改進(jìn)和高效安全保障能力等目標(biāo)。

二、研究路線

面向先進(jìn)軌道交通裝備等高端裝備領(lǐng)域在服務(wù)型制造發(fā)展方向的重大需求，突破支持長壽命復(fù)雜裝備制造服務(wù)融合技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)建模基礎(chǔ)理論，實(shí)現(xiàn)信息集成、數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、協(xié)同優(yōu)化以及閉環(huán)管控方面的共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和自主可控，支撐基于閉環(huán)反饋的復(fù)雜產(chǎn)品制造服務(wù)融合管理信息系統(tǒng)平臺研發(fā)，形成企業(yè)制造服務(wù)融合能力和產(chǎn)品閉環(huán)反饋管控能力、促進(jìn)裝備制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，最終提升我國高端裝備制造業(yè)市場競爭能力和價(jià)值創(chuàng)新能力。

以制造服務(wù)融合相關(guān)的技術(shù)和理論研究為基礎(chǔ)，通過信息融合、動態(tài)協(xié)作、資源優(yōu)化以及協(xié)同創(chuàng)造價(jià)值，實(shí)現(xiàn)制造和服務(wù)的融合。同時(shí)，制造服務(wù)融合支撐決策分析，將分析結(jié)果反饋給制造服務(wù)。具體制造服務(wù)融合研究框架如圖1所示。

三、技術(shù)平臺搭建

基于閉環(huán)反饋的復(fù)雜產(chǎn)品制造服務(wù)實(shí)際需求，采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)，構(gòu)建復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成化平臺。以大數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算為載體，建立統(tǒng)一、規(guī)范、可共享的全域數(shù)據(jù)體系，研究核心算法構(gòu)件化實(shí)現(xiàn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，算法庫構(gòu)建原則、算法管理、模型算法輸入和輸出標(biāo)準(zhǔn)要求等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)模型研究和算法模型服務(wù)集成應(yīng)用，滿足數(shù)據(jù)驅(qū)動復(fù)雜產(chǎn)品制造和服務(wù)。此平臺的核心功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一信息化建設(shè)管理，根據(jù)不同業(yè)務(wù)，經(jīng)由通用型的數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)管控，有效挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，避免數(shù)據(jù)的冗雜和重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、存儲、整合、挖掘和共享，從而滿足快速響應(yīng)需求，提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的目的。平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

（一）大數(shù)據(jù)平臺

根據(jù)企業(yè)“制造—服務(wù)—制造”端到端的數(shù)據(jù)閉環(huán)需求，以最優(yōu)模型技術(shù)為基礎(chǔ)，采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)，構(gòu)建車輛全生命周期數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)維多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、存儲、整合、挖掘和共享，挖掘潛在的知識信息，提高數(shù)據(jù)信息應(yīng)用精準(zhǔn)度，幫助企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化制造工藝，減少風(fēng)險(xiǎn)，做出正確的決策。

（二）模型庫

高端裝備產(chǎn)品具有服役環(huán)境復(fù)雜多變、服役數(shù)據(jù)呈跨時(shí)空、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多源異構(gòu)等特點(diǎn)，通過研究服役工況數(shù)據(jù)、檢修履歷及工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等多維數(shù)據(jù)融合方法，采用數(shù)據(jù)清洗、關(guān)聯(lián)分析、特征構(gòu)造、聚類分析、分類辨識和預(yù)測模擬等技術(shù)手段，重點(diǎn)突破復(fù)雜產(chǎn)品狀態(tài)異常檢測技術(shù)、復(fù)雜產(chǎn)品狀態(tài)趨勢預(yù)測技術(shù)、復(fù)雜產(chǎn)品健康度評估技術(shù)、復(fù)雜產(chǎn)品故障診斷技術(shù)和復(fù)雜產(chǎn)品服役壽命預(yù)測技術(shù)等系列關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，為高端裝備產(chǎn)品的服役安全評估及其基于狀態(tài)的修程修制優(yōu)化等工程應(yīng)用提供依據(jù)，同時(shí)為促進(jìn)產(chǎn)品維修模式由預(yù)防性向預(yù)測性轉(zhuǎn)化、增強(qiáng)產(chǎn)品的高效安全保障能力提供技術(shù)支撐。

（三）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要以高端裝備產(chǎn)品應(yīng)用的場景為主，開發(fā)通用機(jī)理模型拓展平臺功能。主要以產(chǎn)品運(yùn)維數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，以提升產(chǎn)品工作性能及維修維護(hù)性能。對于面向服役安全保障能力提升的應(yīng)用，主要以關(guān)鍵零部件故障預(yù)測預(yù)判的準(zhǔn)確性為主線開展試用，通過采集客戶實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)對模型調(diào)優(yōu)，保障產(chǎn)品安全運(yùn)行。

四、應(yīng)用效果

本文研發(fā)的技術(shù)平臺，通過選取某軌道交通裝備制造企業(yè)應(yīng)用，提升企業(yè)制造服務(wù)信息集成管理水平，促進(jìn)產(chǎn)品維修模式由預(yù)防性向預(yù)測性轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造改進(jìn)和高效安全保障能力。實(shí)踐表明，平臺具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

（一）以服務(wù)融合技術(shù)與增值服務(wù)提升產(chǎn)品競爭力

建立基于RCM的、先進(jìn)的維修策略，開發(fā)基于相關(guān)RCM國際標(biāo)準(zhǔn)的、適用的修程制定技術(shù)，在保證安全可靠運(yùn)營的情況下，持續(xù)降低檢修成本，提升市場競爭力。通過建立科學(xué)的、符合運(yùn)營實(shí)際的維修間隔確定方法，在確保使用安全前提下，大幅提升檢修效率。基于運(yùn)行及維修數(shù)據(jù)建立修程優(yōu)化方法，為修程優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，確保修程持續(xù)適用并且有效。綜合考慮供貨周期、部件當(dāng)前狀態(tài)、失效規(guī)律、備件差異性、隨機(jī)需求變化等因素的最優(yōu)庫存算法，建立庫存模型，動態(tài)擬定備件方案，節(jié)約庫存成本。

（二）對高端裝備制造業(yè)形成顯著示范拉動效應(yīng)

高端裝備制造業(yè)屬于典型離散制造模式，采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)，構(gòu)建企業(yè)數(shù)據(jù)集成管理平臺， 通過整合分散在不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享、智能應(yīng)用和高度自動化地分析企業(yè)的數(shù)據(jù)，提高資源利用率，避免高數(shù)據(jù)消耗，幫助企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化制造工藝，減少風(fēng)險(xiǎn)，做出正確的決策，提高生產(chǎn)力，降低運(yùn)營成本，對相關(guān)制造業(yè)部門起到示范作用，促使關(guān)鍵技術(shù)在各行業(yè)推廣，提升產(chǎn)業(yè)鏈整合能力和全球資源配置能力，成為未來智能制造的領(lǐng)跑者。

五、總結(jié)及展望

制造服務(wù)融合是高端裝備業(yè)以及智能制造行業(yè)企業(yè)發(fā)展的必然選擇，也是提升企業(yè)客戶滿意度的關(guān)鍵，這是一個(gè)長期系統(tǒng)化的工程。本研究以軌道交通裝備制造為研究主體，探索面向高端裝備制造業(yè)制造服務(wù)融合一體化的關(guān)鍵技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，搭建基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等多種融合技術(shù)的支撐平臺，為提升企業(yè)信息化、數(shù)字化水平奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并為制造服務(wù)融合模式創(chuàng)新提供有力保障，同時(shí)形成了一套面向高端裝備制造行業(yè)制造服務(wù)融合的方法體系，而且該方法體系具有較強(qiáng)的復(fù)制性和平移性。但由于不同行業(yè)的特殊屬性，在制造服務(wù)融合方面具有較強(qiáng)的獨(dú)特性，筆者未來將選取其他典型行業(yè)，繼續(xù)探索制造服務(wù)融合相關(guān)技術(shù)，歸納總結(jié)行業(yè)共性特征，并分析跨行業(yè)共性和差異技術(shù)，為制造服務(wù)融合技術(shù)研究貢獻(xiàn)力量。

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