制造物联环境下基于结构矩阵的智能服务功能模块化设计

张 卫 田景红 唐任仲 鄂世举 王冬云

1.浙江师范大学智能制造工程技术中心，金华，321004 2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州，310027 3.剑桥大学工程系制造研究院，剑桥，CB3 0FS

0 引言

制造服务理论在新工业革命的进程中发挥着重要作用，制造与服务的融合是产业界和学术界近年来关注的热点之一，从服务中获取更多价值成为制造企业的共识，同时服务在制造业中的比重也越来越大。德国工业4.0和美国工业互联网等新制造战略促使“中国制造2025”积极推进，服务型制造作为国家战略之一，突出了制造服务研究的重要性。服务型制造［1⁃2］、云制造［3⁃4］、制造物联［5⁃7］等新工业革命举措以颠覆性技术为依托，成为中国制造重要的战略选择。智能服务的研究是伴随服务概念的演变和人工智能技术的发展而逐步深入的，特别是与制造业相关的服务成为智能服务的研究重点之一，也是本文的聚焦点。制造业的服务化趋势成为企业的必然选择，国内外成功的企业案例印证了服务化的必要性，相关研究集中在生产性服务和制造服务化两个方面。生产性服务围绕制造企业提供各类服务，如零部件配套、加工服务、物流配送、方案咨询等，形成智能服务平台、智能服务理论、智能服务集成等研究热点，制造服务化围绕终端用户提供各类服务，如售后服务、远程运行维护、服务方案优化、产品服务系统等，形成智能服务模式、智能服务技术、智能服务协同等研究热点。这两个方面趋向统一，服务型制造较好地将两者结合起来，成为制造服务研究的典范。各国最新的智能制造战略都突出了服务要素，德国工业4.0有智能服务的内容，美国工业互联网有智能服务的技术，“英国制造2050”强调高附加值更是突出智能服务的因素，“中国制造2025”也有服务型制造专项。在制造业信息化过程中，云制造包含更多的智能服务方法，制造物联也提供了智能服务运作的外部环境。智能服务的对象是制造服务，制造服务包含的产品和服务具有虚实结合、异构集成、多方协同等复杂性特征，需要提供支持智能的基本技术手段和研究方法，模块化技术和方法可以较好地支持制造服务的智能化，是智能服务落地的关键步骤之一。考虑智能服务的复杂性，首先研究服务功能和服务流程的模块化，进而合成为整体的智能服务模块，本文仅对服务功能模块化设计进行研究。物联网深刻影响着制造业，制造物联模式提出后，对于智能服务的设计提供了重要的技术支持。模块化方法广泛应用于设计、制造领域［8⁃9］，对于产品服务系统也有初步的应用［10］，为了解决智能服务设计的复杂性问题，引入模块化方法是较好的选择。本文在应用制造物联技术的基础上，研究智能服务的功能设计过程，并用模块化方法构建智能服务的功能设计策略。

图1 智能服务的制造物联环境Fig.1 Internet of manufacturing things environment for intelligent service

1 智能服务的制造物联环境构建

智能服务是制造服务智能化的具体应用，制造服务包含服务企业、制造企业、终端用户围绕产品生产和提供服务进行的所有活动，主要表现为生产性服务关系和制造服务化关系。服务企业向制造企业提供的制造服务，对整个价值链上制造企业生产过程中的所有活动提供不同程度的服务，主要是生产性服务［11⁃12］；制造企业向终端用户提供的制造服务，对整个产业链上运作过程中与制造企业相关的价值增值活动提供的服务，主要是制造服务化［13⁃15］。生产性服务关系和制造服务化关系共同促进制造与服务的融合［16］。

智能服务涉及有形产品和无形服务，以及两者的合成。制造物联可以提供有形产品设计、制造、销售、物流、使用等过程的即时信息，在此基础上对采集到的数据进行有效管理，来支撑智能服务设计的不断优化。制造物联也可以提供无形服务需求、服务方案、服务体验、服务反馈、服务实施等过程的即时信息，在此基础上对采集到的数据进行统一共享，来支撑智能服务设计的持续改进。智能服务的智能性需要依赖制造物联环境获取的第一手数据，进行信息抽取、规则改进、知识生成等智能化过程，使制造服务逐步智能化。总之，制造物联环境为智能服务设计的实现奠定了重要基础。

智能服务的制造物联环境，用电子标签和传感器进行制造与服务数据的采集，构建的系统框架见图1，其中虚线部分是制造物联的核心部分，包括物联网系统（电子标签、传感器、读写器、天线等），基于物联网的智能服务管理系统（数据管理系统、数据库、知识库等），智能终端以及应用系统的数据接口。根据一般制造企业的需求，简化智能服务制造物联环境的工作原理如下：

（1）通过物联网中的RFID和传感器等相关技术，将车间内所有制造要素（包括静态制造要素和动态制造要素）进行联网，相关制造要素通过物联网连接到制造数据系统平台。

（2）平台通过物联网对制造要素的相关数据进行制造数据采集，或者将相关制造参数进行写入的活动。

（3）构建面向服务功能和制造过程的制造数据模型和制造数据过程管理模型，对各类智能服务数据和制造数据进行管理和控制相关数据的传递。

（4）通过智能客户端为异地的相关人员提供多维度的服务信息显示、查询、分析、追踪、追溯和仿真等功能。

（5）通过紧密集成模式的应用接口实现与其他应用系统的集成，如CAPP、PDM、CAM、MES等系统。其中，智能服务功能的模块化设计系统也在制造物联环境中运行。

2 智能服务的功能设计原理

构建智能服务的制造物联环境之后，可以进行智能服务设计，其设计过程依赖于智能制造企业和终端用户。智能服务的智能性体现在提供服务的功能和流程设计智能化，在设计过程中，应用模块化技术设计有形或无形的服务，在服务企业和制造企业之间的服务表现为生产性服务。可以用智能服务功能模块组合智能服务功能，用智能服务流程模块集成智能服务流程，最后用智能服务模块配置智能服务。智能服务的功能和流程是其核心内容，决定了服务的质量和水平，同时功能与流程是相互依赖、相互映射的，两者存在紧密的联系。本文仅讨论智能服务的功能设计技术。

智能服务设计的基础是功能设计，就是根据服务企业自身的资源进行服务创新，服务功能是在商业生态系统中不断发掘的。智能服务功能设计主要从3个层面确定服务功能，智能服务功能设计初始化、智能服务功能设计重构、智能服务功能模块化等。以模块化方法为基础的智能服务功能设计原理见图2。

图2 智能服务功能设计原理Fig.2 Design principles of intelligent service function

在智能服务功能设计初始化层面，将智能服务功能规划出设计过程，再把设计过程转化为类设计结构矩阵，其中交叉处的黑点表示有信息交互。以此为基础，用1表示矩阵中有信息交互的交叉点，可以将类设计结构矩阵转化为初始化智能服务功能的设计结构矩阵。

在智能服务功能设计重构层面，针对初始化智能服务功能的设计结构矩阵，将其中的功能设计行为进行重构，用行列变换的方法最大限度地减少对角线上方的信息传递，得到重构的智能服务功能设计结构矩阵。以此为基础，将耦合紧密的功能设计行为构成新的组合，得到新的智能服务功能设计过程。

在智能服务功能模块化层面，基于重构的结果进行智能服务功能的模块化设计。一般智能服务功能模块含有若干子功能模块，功能模块化设计过程是一个仿真优化过程，依据智能服务的总功能与功能模块的关系编制仿真脚本，据此来逐个设计智能服务模块，用方法和属性来描述智能服务模块，在仿真设计过程中优化模块构成，确定最终的功能模块。智能服务功能模块化需要与智能服务流程模块化、智能服务模块等协同设计。

3 智能服务的功能模块化设计策略

Donald Steward在1981年引入设计结构矩阵（design structure matrix，DSM）来分析信息流，它是一个n阶方阵，用于显示矩阵中的各个元素的交互关系，有利于对复杂项目进行可视化分析［17⁃19］。基于DSM可以建立智能服务功能模块化设计策略，矩阵中包含组成智能服务的各项功能及各功能间信息交换的方式，从中可以发现某项功能开始时需要哪些信息和某个功能产生的信息将提供给哪些功能。智能服务功能模块化设计策略的分析过程如下。

3.1 智能服务功能设计初始化

智能服务功能设计初始化是确定服务的基本功能和初始状态，设计结构矩阵可以反映各种功能设计行为及其相互关系。比如用矩阵的维数表示功能设计行为的个数，用对角线元素表示功能设计行为，用设计结构矩阵的行表示该行为对应任务的完成需要其他各列任务的支持信息，用设计结构矩阵的列表示该列任务对其他各行任务的输出或者支持信息。基于设计结构矩阵的智能服务功能设计初始化如下。

首先，将智能服务功能设计过程转化为合理的设计结构矩阵。重点在于针对制造企业的实际服务需求来确定服务内容及对应的功能。其次，将各方面服务的功能设计行为置于对角线上，服务之间的信息交流用黑点表示，在矩阵中表示为1。由设计结构矩阵的量化可知，矩阵中对角线以下是前馈信息，对角线以上是反馈信息。最后，矩阵中的空缺部分填0或1，其中，1表示服务之间有信息交互，0表示服务之间没有信息交互。

3.2 智能服务功能设计重构

智能服务功能获取的数据往往存在较多的交叉与重复，与规范的功能描述也不一致，在初始化阶段并不能完全解决此类问题，这就需要通过设计结构矩阵进行重构。智能服务功能设计重构可以依据终端用户的实际需求进行动态调整，可以实现智能服务功能设计的动态优化。同时，智能服务设计功能设计重构方法也为功能模块化设计提供了必要手段。

智能服务功能设计重构用类似矩阵分块的方法来实现，采用设计结构矩阵的一系列行列变换，使得矩阵重置并获得新的工作序列。这种重构可以最大限度地减少未知因素，使得设计过程中的紧耦合设计行为可以聚集，同时对系统反馈信息的输入也会减少。重构方法是利用行列变换重新排列矩阵，最大限度地较少对角线上方的元素。智能服务功能设计重构的具体过程如下。

（1）把智能服务功能的设计结构矩阵块三角化。这就是将设计结构矩阵转化为下三角矩阵，对智能服务功能的全部设计任务规划，从整体角度考虑相互耦合的设计任务，把耦合活动归一化处理。算法步骤如下。

①规划设计结构矩阵中的空行与空列。策略是把空行对应的功能设计任务排在前面，空列对应的功能设计任务排在后面，同时去除已排功能设计任务的影响并重复上述操作，直到没有空行和空列为止。

②处理没有空行和空列的矩阵。策略是以强连通分支耦合子集识别算法来确定功能耦合设计任务集，并规划功能耦合设计任务集的，也就是运用归一操作将功能耦合设计任务集看作一个整体功能设计任务。

③重复步骤①，直到全部功能设计任务规划完毕。当设计结构矩阵不能完全转化为下三角矩阵时，应尽可能使矩阵模块的大小和数量最小。

（2）针对设计结构矩阵分解获得的智能服务功能耦合模块，把功能设计任务进行聚类，再进行撕裂操作，就是识别具有最少信息输入量的功能设计任务，放置在耦合回路的首位；在多个功能设计任务具有相同的信息输入量时，向后续功能设计任务输出最大信息量的功能设计任务排在前面。设A为功能设计任务集合，Ii为功能设计任务Ai( )

i∈A 信息输入的关联程度度量，Oi为功能设计任务Ai( )

i∈A 信息输出的关联程度度量。撕裂操作算法步骤如下。

①对任意一个功能设计任务i∈A，计算

②找出k∈A，满足Wk=min{Wi}，若k的个数大于1，先排列Ii小的功能设计任务，后排列Oi大的功能设计任务。

③计算A=A-k，如果A是空集，则结束，否则转向步骤②；

④对所有的i∈A，重新计算

其中，aik表示A所对应的智能服务设计结构矩阵中功能设计任务i与k的关系，有信息交互则其值取1，无信息交互则其值取0；

⑤对所有的j∈A，重新计算

其中，akj表示A所对应的智能服务设计结构矩阵中功能设计任务k与j的关系，有信息交互则其值取1，无信息交互则其值取0，转到步骤①。

智能服务功能重构是服务协同设计的核心步骤，基于设计矩阵分析重构，可以和智能服务流程设计统一起来支撑智能服务设计。重构也可以提供功能模块的多次配置，以及动态配置等，以此来支持智能服务设计的柔性。在智能服务企业中，面对制造企业个性化服务的实时性与多变性，功能重构可以比较容易地应对。对于重构设计还可以结合配置设计进行优化，这些方法都围绕模块化来进行。

3.3 智能服务功能模块化

智能服务功能模块可以采用仿真设计方法来实现，就是将智能服务功能的各个模块制作成仿真脚本，模拟现实中的服务业务，使这些功能可视化。然后依据仿真脚本确定各个智能服务模块的方法和属性，进行模块化设计。智能服务功能模块仿真设计见图3。

从各个智能服务主体之间产生的服务业务可以通过建立服务业务模板来制作仿真脚本，使得服务业务映射为智能服务功能模块。服务业务模板可形式化表示为

图3 智能服务功能模块化Fig.3 Modularization of intelligent service function

其中，vi表示服务业务名称；Ti表示服务业务类型；Di表示服务业务值域；Ri表示服务约束集合。

服务业务的仿真脚本中，服务业务类型按照参数型和选项型来描述。参数型服务业务表示为CN1=〈vi,ti,di〉，其中，ti表示参数型服务业务的服务表达方式；di表示服务业务参数值。参数型服务业务表示为CN2=〈vi,di〉。在此基础上，编制服务业务的具体仿真脚本，同样可以基于设计结构矩阵来实现仿真设计［18］。

在智能服务功能模块化层，服务企业根据仿真脚本调用和驱动智能服务功能模块。智能服务功能模块分为方法区和属性区，方法区是智能服务功能的实现方法，主要包括更新功能、过程模型、初始化等方法；属性区主要包括服务状态、服务信息、功能信息等性能参数。方法区中的过程模型是对决策模型和智能服务模块功能的描述，如服务内容、服务信息、服务状态等，这些智能服务模块功能决策也依赖于知识库的支持。更新功能是由仿真对象管理模块来实现的。在仿真执行全生命周期的仿真任务管理是由仿真任务管理模块来实现的。智能服务功能的初始化同样需要对服务内容、服务信息、服务状态等进行初始化，同时还要从数据库读取属性区数据，为对应的智能服务功能模块技术性能参数赋值。

智能服务功能模块除了确定模块功能之外，还需要设计智能服务功能模块之间的信息传递机制和访问控制机制等，研究智能服务功能模块实现的仿真过程，借助仿真手段实现各个功能模块。每个智能服务功能模块包含两个层面：一是服务企业为制造企业提供智能服务功能以满足实际需求，即智能服务实施；二是将智能服务功能以仿真的方式虚拟化，具体为管理软件，嵌入制造物联环境中，即智能服务规划。

4 实例分析

以某汽车驱动电机生产企业智能服务的功能设计为例，通过企业需求分析可知该智能服务的实现需要6个方面的服务，分别是产品服务、人员服务、资源服务、加工服务、知识服务、金融服务等，根据6类核心服务所需要的基础数据，构建适合的企业制造物联环境。在此基础上进行支持该企业运作的智能服务功能模块化设计，假设制造物联环境满足模块化设计阶段相关的数据采集与分析，电机企业智能服务功能模块化设计如下。

4.1 电机企业智能服务功能设计初始化

在构建制造物联的基础上，仅考虑6类核心服务，电机企业智能服务的功能设计见图4，电机企业智能服务功能的类设计结构矩阵见图5。

图4 电机企业智能服务的功能设计Fig.4 Function design of intelligent service for electric enterprises

图5 电机企业智能服务功能的类设计结构矩阵Fig.5 Class design structure matrix for intelligentservice functions of electric enterprises

电机企业智能服务功能设计初始化的设计结构矩阵见图6。其中，A表示产品服务，B表示人员服务，C表示资源服务，D表示加工服务，E表示知识服务，F表示金融服务等。

图6 初始化电机企业智能服务功能的设计结构矩阵Fig.6 Initializing the design structure matrix of the intelligent service function of electrical enterprises

4.2 电机企业智能服务功能设计重构

对上文初始化的功能设计结构矩阵进行一系列的行列变换，完成重构获得新的矩阵，重构的电机企业智能服务功能设计结构矩阵见图7。

图7 重构的电机企业智能服务功能设计结构矩阵Fig.7 Reconfigurable electrical enterprise intelligent service function design structure matrix

由重构的智能服务功能设计结构矩阵，可以得到电机企业新的功能设计，见图8。

图8 电机企业新的功能设计Fig.8 New functional design of electric enterprises

4.3 电机企业智能服务功能模块化

在电机企业物联网基础上构建的制造物联环境通过智能客户端支撑企业智能服务功能模块化设计；以方法区和属性区定义具体的服务功能模块之间接口，以模块功能定义模块包含的具体操作，以初始化启动模块；通过功能模块化设计策略确定服务模块之间的相互关系。电机企业智能服务功能模块化见图9。

根据仿真设计构建的电机企业智能服务的服务业务模板见表1。

根据服务业务模板信息，建立服务业务之间的约束规则，并进行结构化建模、约束检验等步骤，来编制服务业务的具体仿真脚本。将仿真脚本映射为智能制造服务功能模块，完成电机企业智能服务功能模块化。

图9 电机企业智能服务功能模块化Fig.9 Modularization of intelligent service function in electric enterprises

表1 电机企业智能服务的服务业务模板Tab.1 Service business template for intelligent service of electric enterprises

5 结论

制造服务设计问题的智能化是解决制造服务实用化的关键问题之一。本文通过构建制造物联环境，采用设计结构矩阵方法建立的智能服务功能模块化设计策略，提高了制造服务设计的效率和速度。通过电机制造企业实例分析，证明该解决方案较好地帮助企业做出科学、系统、智能的服务功能设计，同时也说明所建模型是正确、合理和有效的。智能服务设计的功能设计与流程设计是相互影响的，本文初步研究了功能模块化设计策略，下一步需要研究流程模块化的设计策略，以及功能与流程一体化设计方法等内容，所提方法在制造服务设计中较好地融入了模块化技术，为智能服务设计的实现打下了基础。