复杂重型装备网络协同平台服务模式研究

纪 妍，吴 锋

(1. 西安交通大学 管理学院，陕西 西安 710049；2. 效率工程与过程控制教育部重点实验室，陕西 西安 710049)

0 前言

随着国民经济与科学技术的日新月异，重型装备已在核电、造船、化工、国防等众多领域得到广泛应用[1]。尽管我国近年来重型装备制造业发展迅速，已经在航天探月、重型火箭、航空母舰等领域取得一定成就，但与世界先进国家相比，我国的工业基础依然十分薄弱，尤其在应用于航空航天、军事、核电等领域的核心装备产品的生产制造工艺、产品自主开发理论和方法以及产品结构方面差距较大，这些核心装备多是大型复杂的重型装备[2]。在“中国制造2025”国家战略背景下，实现重型装备行业的转型升级，提升中国制造业的整体竞争力尤为重要[3]。

当前，市场对复杂重型装备产品的大型化、智能化、可靠性和生产能力极限化要求越来越高[4]。面对客户多品种小批量、交货周期缩短等需求的变化，为了降低成本，缩短交付时间，始终如一地重新配置生产过程变得更加重要，此时制造工厂和价值链网络需要足够灵活，以更快地向市场提供响应消费者定制需求的产品，此外生产过程也需要足够透明，能够对整个价值链中发生的变化或意外事件做出反应，这种生产模式是以现代信息技术、云计算、物联网技术、制造技术和智能科学技术为基础的[5-6]。基于云计算与物联网的协同从根本上改变了产品的设计、制造、运输和销售方式，实现一个相互关联、高效的制造生态系统，它允许制造组织通过跨多个数据流实时关联和分析事件，无需人工输入就能自动即时响应业务活动，此外，它能够根据历史数据预测异常变化并做出相关操作[7]。

中国的重型装备制造企业正在向在云制造服务支撑平台上为客户提供包括生产研发、制造、销售和安装维护在内的全生命周期解决方案方面升级和转型，而重型装备制造企业转型的关键问题之一是构建柔性管理系统和制造资源之间的分工协作，以促进重型装备项目任务的调度、协同、效率、质量和数量[8]。因此，需要研究云制造模式下复杂重型装备核心企业之间的协作问题和服务制造资源的参与问题。然而，对于云制造模式下制造资源协调机制的研究有限。可以说，研究动态快速响应的复杂重型装备网络化协同制造的发展模式和运作机制，提高产品创新速度和质量标准[9]，对我国重型装备制造产业的发展具有战略意义。

复杂重型装备类产品研制的过程是一种知识密集型工作，需要综合多个学科专业和领域的知识，为了实现复杂重型装备的高效、快速、精确制造，在产品生命周期的各个阶段需要调用许多设计单位长期在工作习惯、设计流程和管理手段等方面积累的资源和经验，这些是大多数中小企业一般不具备又短期内接触不到的[10]。通常情况下，复杂重型装备的终端客户和产品(或服务)提供商分布于不同地区，为用户提供各类按需制造服务要多个异地企业在跨领域和跨地域的合作下完成，并且随着多项目并行协同和项目协同管理的工作模式的推行，复杂重型装备产品研发已经由原来的单一制造过程发展到在协同的平台下共同进行，利用网络和云制造服务平台实现异地、跨组织多专业协同制造[11]。随着网络信息技术、产品设计技术和现代管理技术的发展，基于网络的多专业、多部门、多业务智能并行协同模式在不断缩短制造周期和提高资源利用率的同时，强调对复杂产品全生命周期信息、数据的高效管理，提升设计、工艺与制造过程以及整个供应链的协同运转效率[12]。

本文所关注的网络协同服务模式的主要目标是在一个大型复杂项目实现过程中，产品生命周期中分布的、异构的制造资源和能力能够基于云制造平台进行系统集成，通过全面的知识共享与协作提高制造资源利用率，减少时间、成本或资源消耗，并对突发事件、消费者需求波动、大规模定制产品和全球竞争做出反应。该过程为客户提供产品全生命周期服务，主要服务内容包括整体设计、工程设计、加工设计、设备设计、设备组装与交付、售后服务等。

1 复杂重型装备制造的共性特征和特殊需求

复杂重型装备为高度定制型产品，产品结构通常大而复杂，具有需求量小、加工周期长、质量要求高、工程造价高、几何结构复杂、涉及学科和信息多、制造加工工艺复杂等特点[13-14]。由于客户订单、产品规格、订单流程等的不确定性，这类产品非常独特，不能在大规模生产系统中生产，因此订单量少且交货周期长，通常采用按订单设计(Engineer To Order，ETO)和按订单生产(Make To Order，MTO)的生产策略，具体特征是在ETO设计中，每个型号产品都需不断按客户合同及制造现场具体情况等的变化来重新设计或改型设计产品，在这种生产类型中，产品的生产批量较小，但是设计工作和最终产品往往非常复杂，在MTO生产中，绝大多数产品都是按照某一特定客户的要求来设计的，而生产每种特定产品所必需的零部件和材料采购以及生产排程规划只有在收到客户订单后才能完成[12]。研发设计新的复杂重型装备的过程相较于一般装备更加复杂，且产品生产过程可重复性低，研制周期和制造流程较长，为了缩短复杂重型装备的设计周期和制造周期，按照“边设计边制造”的原则并行开展项目，即先设计好一个部件就开工制造，同时并行设计下一个部件。

以中国重型院和中国第二重型机械集团为代表的复杂重型装备企业，具有重型装备设计、制造、安装、工程设计、售后服务等完整的产品核心能力，每个生产服务项目的时限一般为一至两年。公司正从产品制造型企业向全服务型企业、从制造型企业向高新技术企业转型[4]。但由于大型服务项目中包括工程设计、设备制造、采购、供应、物流运输、安装等的经营活动在实际运行中存在着复杂的关系、不确定性因素和新的管理问题，这些问题包括运行中的协同效应问题、服务资源利益平衡问题和规划控制难等，由于缺乏有针对性的、有效的指导理论体系，保证工程质量、进度和成本具有挑战性[15]。这些困难影响了企业的质量目标、时间进度和成本指标，制约了企业的发展。因此，建立网络化协同服务平台，整合社会资源，提供包括项目规划设计、产品开发、制造、施工、安装、维护等全生命周期解决方案，成为企业向产业高价值链转型升级的有效手段。

2 动态快速响应的复杂重型装备网络协同服务模式

动态快速响应的复杂重型装备网络协同服务模式是指通过将传统制造模式的销售职能前置，采用以客户为中心、订单驱动的制造理念，借助平台和云，构建以协同研发和协同制造为主要环节，协同管理和协同服务为支撑，覆盖全生命周期的协同发展总体模式，实现制造过程的转型升级。在网络协同服务中，各制造资源通过服务平台交换信息，感知资源之间的关系，从而促进协同交互，完成复杂的项目任务。

2.1 动态快速响应的复杂重型装备网络协作逻辑框架

基于云制造服务平台的复杂重型装备网络协作逻辑框架如图1所示，具体步骤为

图1 复杂重型装备网络协作逻辑框架

(1)平台资源身份认证。各订单任务参与方在平台申请注册，提交自身具备的知识、技术等制造资源信息和在过去申请的服务项目供应链/价值链/数据链网络中承担的角色、任务，并确认服从平台设定的行为规范。

(2)服务需求引入。用户通过云制造服务平台从核心企业获取服务需求。经双方信息交流、协商一致，签订服务合同，用户可以根据自身需求随时参与并调整服务流程。

(3)服务任务分解。核心企业基于云制造服务平台进行服务知识与资源共享，并将服务任务分解为较低的子任务，提出项目的资源需求规划、采购排产计划和总体规划，包括设计、制造、施工和安装计划，同时对产品结构与文档进行跟踪评估审核项目实施进度和效果。

(4)优化资源配置。核心企业一方面通过竞价选择资源，识别不可控的外部制造资源，中标人根据资源规划的要求，以合同或协议的形式分配合作任务，规范合作行为；另一方面，核心企业实施计划控制机制，对内部制造资源进行控制。每个制造资源可以执行任务分解和派发，以实现资源的最优匹配。

(5)综合协同优化管理。核心企业对选定的外部制造资源(设计方、制造方、原材料供应商等)和内部制造资源(人力资源、软件资源、硬件资源等)实施集中协同优化管理。根据任务结构建立局部任务视图和全局任务视图来检测协作关系。如果存在协作关系，则应用适当的行为规范管理机制控制各参与方实现承诺；否则，将采用下一步。项目计划和调度是基于协同理论和精益生产来制定的，以确保协同项目的全局优化。

(6)制造资源综合评价。核心企业和用户跟踪项目的实施情况和实施结果，包括服务质量、产品交付情况和生产成本。同时组织专家评估每一个制造资源的服务水平、服务质量、客户满意度和信用评级，并将结果存储在制造资源数据库中，作为下一次选择资源的基础。

(7)协同运维服务。包括在线监控使用培训、远程故障诊断、以及备件的维护和翻新，将运行状态反馈到制造和设计过程中，实现产品设计和制造的优化，此外销售人员也可将客户历史数据与产品营销相融合，深入挖掘市场潜在需求，最大化开拓客户价值。

2.2 动态快速响应的复杂重型装备网络协同平台功能架构

复杂重型装备制造的主制造商、零部件生产单位和供应商空间分布广，要优化各种制造资源，提升制造能力，必须实现主设计商、主制造商、供应商和专业化生产单位之间的高度协同以及制造知识、技术等资源的共享。在制造中，通过协同开发与云制造平台，实现异地、跨组织、多专业之间的协同非常必要。如图2所示，将平台功能划分为协同设计、协同制造、协同管理与协同运维四大模块。每个功能模块具体描述为

图2 动态快速响应的网络协同平台功能架构

(1)协同设计。通过协同开发与云制造平台，在设计过程中，首先需要对非结构化、非规范化的用户需求进行模板描述、确认及可行性分析，将可行的设计任务分解并分派给现有的设计资源供应商，针对用户需求的每一个调整，设计商要及时跟进，并与制造厂和零部件供应商沟通方案调整的可操作性。此外，为了提升工程师设计效率，挖掘历史设计方案数据，对已建设的研发类知识数据库(如设计标准、技术规范、三维/二维图纸等)进行内容扩容、设计模板推送及易用性提升。

(2)协同制造。复杂重型装备制造的主制造商、零部件生产单位和供应商空间分布广，构建基于网络的多专业、跨地域协同制造体系，将整机组装、零部件制造商等资源集成，生产任务下达后，能够针对不同型号的制造需求，制定个性化且具备可行性的组装方案，而零部件厂商则根据实时动态信息，及时提供配套供应，实现对生产资源的优化配置。异地协同制造的基础在于研发阶段的数字设计，整个制造过程依据研发环节的三维唯一数据源构建制造信息模型，广泛采用数字化工艺知识库和柔性制造系统，实现制造进度的可预测、可调整、可追溯。

(3)协同管理。为了实现产品全生命周期设计、制造、服务环节的高度协同，需要对各环节的任务执行进度、效果、关键节点、成本等进行监控评价，对备件质量、订单采购、材料仓储、物流配送等进行管理，同时为了约束各组织条块分割严重、利益趋动的短视化行为，平台需要制定行为规范确保各方统一整体利益最大化的目标。此外，平台上注册有产品基本信息、人力资源、软件资源、硬件资源，需要对这些虚拟资源的应用情况实时跟踪。

(4)协同运维。整机安装交付时，跟踪安装调试任务进度并对装备质量、产品备件进行过程监控。售后服务时，人工故障检测诊断会出现误判、信息传递缺失等情况，影响服务满意度，而通过建立设备故障原因数据库和历史维修方案数据库，构建多专业协同的远程诊断系统和动态服务机制，能够及时响应客户维修服务需求，同时采用无线通信专线实现对装备使用性能、功耗、能耗等的远程监控，通过分析历史运行数据构建典型故障预测模型，预先制定装备维护维修方案并及时更换老化零部件，降低不必要的维修维护成本。市场营销活动中，通过对客户(分销商或消费者)历史合同进行分类存储，构建客户档案，挖掘客户潜在需求，将应用数据反馈到产品研发改进、原料采购、计划排产等活动，为企业创造价值。

3 动态快速响应的复杂重型装备网络协同服务的基础和技术支撑

基于云制造的复杂重型装备异地多厂所网络协同服务平台是实现动态快速响应协作性能的基础，该平台是需求和资源之间的桥梁，支持研制过程中的协同工作、数据发放接收、问题协调，可以提供应用服务管理、制造资源管理和访问控制等功能，平台应用层包括产品全生命周期动态管理模块，如发布服务、服务应用程序、任务分解、资源管理、招标管理、合同管理、项目管理、售后服务和在线交流模块，且所有参研单位和成品供应商在建立设计、制造、试验、材料等数据库时需形成统一的组织架构和标准规范，以实现在全网的资源共享。

平台的主要功能是为用户提供并发布服务需求信息，为制造技术和资源提供资源集成平台，建立虚拟组织的项目管理与调度中心进行任务分配、计划和控制。用户必须通过平台与企业和其他制造资源进行交互，并对生产流程进行动态参与、实时监控和管理，平台通过以射频识别技术、嵌入式系统、无线传感网络等为核心的制造物联技术向用户展示重点项目的实施过程。核心企业和用户可以轻松掌握、指挥和协调关键技术路线、项目质量和进度，并通过控制工程质量、进度、成本等因素实现远程监控和故障诊断服务。

如图3所示为支持复杂重型装备定制生产的网络协同制造平台开发技术包括基础能力系统、知识工程平台系统、数字化研发系统、智能制造系统、综合管控系统以及智能运维系统等企业信息化建设基础。

图3 动态快速响应的网络协同平台技术支撑

(1)基础能力系统。基础能力系统包括数据中心、云计算中心、企业信息门户、自动化办公系统。复杂重型装备的设计、仿真、试验及企业的生产制造各环节中产生海量数据，由于缺乏统一的基础数据源，各应用系统相互独立且各接口集成技术不统一，使得数据信息孤立存储，数据集成缺乏规范化、标准化管理，需要构建复杂重型装备研制数据中心系统和云计算中心对数据存储、数据应用及数据管理进行总体规划，实现全生命周期数据管理，挖掘利用业务数据实现对决策支持系统的数据支撑。企业信息门户和自动化办公系统能够在技术层面实现统一用户管理、单点登录、多渠道接入、应用集成等多方面价值，在功能层面提供统一信息发布与内容管理、流程协同、多种协作沟通工具、报表中心等多方面的功能，在企业战略的有效贯彻执行、组织的统一管理、业务流程的核心管控、预算与绩效管理的展示、品牌宣传与企业文化建设、知识管理落地等多方面实现管理价值。

(2)知识工程平台系统。复杂重型装备领域知识繁多，更新变化快，导致知识积累困难、知识创新力度不够，企业在企业管理、产品研制、试验等领域积累与应用的知识和经验具有零散、非结构化、不系统、不规范、共享程度低、利用率低、流失严重的特点，企业在知识与各业务系统、工具软件、信息化系统的资源整合等方面存在问题和困难，严重制约装备研制周期和技术创新。因此，需要建立全面的、体系化的复杂重型装备知识工程，应用网络爬虫与大数据挖掘技术、语义分析技术、自适应学习技术等实现知识获取、知识更新与维护、知识主动推送、知识创新与共享，提高工作人员的业务水平与效率，从而提高产品研制质量并缩短研制周期。

(3)数字化研发系统。复杂重型装备具有性能要求严格、设计更改频繁、产品构型众多、零件材料及形状各异、内部结构复杂、空间十分紧凑、各类系统布置紧密以及零组件巨大等特点，其研制过程是一项多专业协同设计仿真的工作，极其复杂。复杂重型装备的研制过程执行和监控主要依赖大量协调会议和碰头会，项目决策相对于项目状态滞后，执行效率低，研制业务流程不够清晰和规范，也没有被整合到管理平台中，管理人员不能对业务活动的相关状态和工作进度实时监控。因此，为了使管理人员能够根据研制项目执行的状态和条件的变化及时对项目计划做调整，通过数字化手段构建以任务为核心的设计仿真流程管理系统、工程师统一工作平台、知识驱动的模块化设计软件、统一的研发数据中心，形成复杂重型装备数字化过程研发体系，全面监控研发过程中资源使用、任务进度、数据状态、基础技术应用，全面提高企业的研制管理效率、资源利用效率、专业设计效率，进而加强工作规范性和质量。

(4)智能制造系统。企业的生产方式逐步从大批量生产向多品种、小批量客户化生产的生产方式转变，订单不断调整，从而导致企业运营效率低下和发展速度过快的之间矛盾不断升级、生产组织越来越困难，企业随时要应对紧急插单、生产计划排程临时改变、工艺复杂等状况的发生，此时要求企业对生产过程的管理和监控更加趋于准时化、柔性化和实时化。物联网制造过程管控系统将物联网技术融合MES系统应用于企业的生产过程中，实现对作业计划和工厂、人员、设备等生产主体的实时跟踪，从根本上消除“信息断层”和“信息孤岛”，并实现对企业全方位的监控管理，达到快速响应市场和顾客的要求，从而从整体上提升企业的执行力，增强企业的影响力。

(5)综合管控系统。综合管控系统包括多项目管理系统、智能供应链管理系统、基于物联网的车间配送系统以及企业资源管理系统。多项目管理系统是基于企业内部打造的数字化项目管理协同平台将研发过程链中的每一个程序所产生的数据、文档在不同的步骤间无缝传递，使得系统研制不同阶段需要的工具、资源、人员、数据形成一个有效地整体，打通研制过程中管理与工程之间的各个环节，统一安排资源、人员和进度，跟踪任务进度和状态，准确评估设计人员的工作量，控制设计进度和质量，实现跨部门、跨专业的分布式、协同化设计过程。采用智能供应链管理系统，可以帮助企业在最短时间里寻找到最好的合作伙伴，有效协调控制供应链上各节点企业内外部协作过程中条块分割严重、利益趋动的短视化行为，将供应商、分销商、零售商等联系在一起进行宏观调控，以明确的绩效评估体系为整体利益最大化共同合作，实现多赢的结果。通过构建物联网环境下的机械产品装配过程物料监控体系，对生产过程中的多源异构资源及其状态数据进行实时感知与分析，在此基础上，实现复杂重型装备装配车间物料配送的透明性、准时性，能够基于车间的实时感知信息对物料配送方案进行实时修正，达到物料配送与生产运作的一体化，提高了车间物料配送的准时性与精确性，降低车间库存，保障生产计划的分解、排程与执行。企业资源管理系统的重点在于解决财务管理、销售管理、采购计划管理、库存和物流管理、生产计划与控制管理、品质管理、商务智能、全面预算管理、人力资源成本管理问题，进一步提高公司目前已有业务流程的执行效率及管理能力。

(6)智能运维系统。智能运维系统是基于故障预测与健康管理技术，对生产过程中产生的各项数据分析预测设备健康状态与部件剩余使用寿命，实现定期检修、预测性维护、故障报警及自适应处理，提前发现设备和生产的安全问题，消除安全隐患，降低运维成本，优化设备管理。

4 结论

当前对新一代复杂重型装备网络协同服务模式的研究有限，为解决传统复杂重型装备生产模式中主设计商、主制造商、供应商和专业化生产单位之间协同调度难、效率低的问题，本文系统研究了基于云制造服务平台的复杂重型装备网络协同服务模式，从云平台的协同逻辑框架、功能架构和基础技术支撑进行了研究，得出三方面的结论。

(1)基于云平台的网络协同服务模式能够针对客户订单及时制定个性化服务方案，实现服务资源选择与配置、服务流程计划与控制和服务信息反馈的联动协同，有效提高产品的研制效率和质量。

(2)通过各专业化生产单位之间的制造知识、技术等资源的共享，构建异地、跨组织、多专业的网络协同服务平台，可以有效实现对装备全生命周期的协同设计、协同制造、协同管理与协同运维，实现各生产单位之间的互利共赢。

(3)基于云制造的复杂重型装备异地多厂所网络协同服务平台及平台开发技术是实现动态快速响应协作性能的基础，信息化建设可以帮助企业更好、更快地研发出高质量、高可靠性的复杂重型装备。