重型装备制造资源一体化组织管理模式研究

刘 颖，赵紫京郧，杨 妮，王 燕，汤世冲,刘维鸽

(1.重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400044；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018)

0 前言

装备制造业是国民经济的脊梁，是关系国家战略安全和国民经济命脉的基础性、战略性产业。近年来，我国装备制造业总体规模稳定增长。2020年我国制造业工业增加值达到31.3万亿元，已成为全球门类最完整、规模最大的工业体系。“十四五”期间，随着数字经济、智能经济的快速发展，新技术的溢出效应、乘数效应将与我国超大规模制造优势、网络优势与市场优势叠加，为装备制造业的持续向好发展提供了历史性机遇[1]。

重型装备作为国之重器，是制造产业链中重要的关键基础装备，是国民经济和国防安全的重要保障[2]。一般来说，复杂重型装备如挤压机等具有结构复杂、体量庞大、零部件系列多、研制周期长、组织生产难度大、涉及资源众多的特点。随着科技的不断进步及市场竞争的不断加剧，复杂装备研制企业经常面临着制造资源分散、资源难以合理配置和有效利用、生产效率低等问题，不利于复杂重型装备制造业的长期可持续发展，同时，随着市场竞争的加剧，客户对复杂重型装备产品的成本、质量和交货期提出了更高的要求。

网络化制造技术融合了新兴的信息技术、制造技术和物联网技术，实现了快速、灵活的组织社会资源，按照优势互补的原则将分散在世界各地的制造资源(人力、设备、知识等)迅速整合成一种跨区域、通过网络统一组织管理的协同制造联盟，以快速响应市场需求。网络化制造环境下，企业协同和资源管理是目前关注和研究的重点。由于装备产业链中制造资源种类多、规模大，并且形态各异，如何实现企业间的制造资源相互调配和管理是一个急需解决的问题。迫切需要一种新的装备制造资源一体化组织管理模式及方法，以实现在网络化协同制造平台对复杂重型装备制造资源的统一管理和优化整合。

网络化协同制造作为五种智能制造模式之一，近年来引起了制造领域的极大关注，诸多学者也已开展了大量研究。范宏博等以节能环保空调压缩机为对象，构建了完整的空调压缩机网络化协同整体架构，提出了网络化协同制造的三层模式[3]。周新杰等针对工业产品在研发制造过程中对于过程协同、数据协同、知识协同的设计与制造协同需求，提出一种基于模型、数据、知识的设计与制造协同框架[4]。唐亮等针对网络化制造模式下供应链合作成员间的动态调度策略问题，构建了一种由制造商、协同设计商以及客户组成的三层动态调度模型，使得供应链客户个性化需求服务、运作时间、成本等综合收益达到最优[5]。韦韫等针对网络化协同制造资源重组优化调度所存在的问题，提出了一种基于Pareto多目标免疫遗传算法的网络化协同制造资源重组优化调度方法，实现了资源的优化调度[6]。王正成等针对网络化制造资源集成共享与优化配置过程展开研究，对不同阶段分别构建了相应的算法模型，实现了资源的优化配置[7]。

与美、日、德、韩等工业强国相比，国内制造业的优势主要体现在模块化架构产品和大型复杂装备领域，而在产品架构一体化领域、制造工艺一体化领域以及既具有一体化特征又需要前沿科技支撑的核心零部件领域相对缺乏优势[8]。基于上述现状，国内关于资源一体化组织管理的研究逐渐加深且进一步细化。在资源优选与配置方面，杜百岗等认为制造资源配置过程具有复杂性和不确定性，针对企业订单任务的资源指派问题，设计了基于成本、工期和收益的两阶段多个制造任务资源配置模型，并运用遗传算法求得资源配置模型最优Pareto解[9]。侯绍波针对云制造模式下资源优选的问题，综合考虑资源配置过程中的成本、时间、质量、服务、可靠度和信誉度等多方面因素，运用灰色关联度方法选择出最优的制造资源组合[10]。石胜友从时间、成本、质量和服务质量四个方面建立多目标优化模型，并用遗传算法求解，以选择资源配置过程中制造任务服务能力最优的资源组合[11]。苏凯凯等针对云制造环境下无需求偏好的制造资源优化配置问题，利用博弈论调和与解决冲突的特点，建立了云制造环境下的制造资源优化配置非合作博弈决策模型，实现了资源的优化配置[12]。在资源冲突消解方面，张忠革等提出了一种冲突检测模型用以在工作流执行过程中实现资源冲突最小化[13]。刘柏林提出了一种在战略实施中多项目冲突消解的工作模型，将资源冲突分为可分享型资源和不可分享型资源冲突，并给出了相应的冲突检测模型[14]。屈正庚建立了集成化冲突消解模型，并利用模式匹配技术进行冲突检测和消解，可快速处理大批量的冲突问题[15]。资源评价方面，杨伊眉提出了一种基于装备制造服务链全过程的制造资源服务质量评价方法，综合考虑了客户价值和装备资源的服务质量两个方面的评价指标，其中基于客户价值的评价指标包括信用、购买能力和发展潜力，装备资源的服务质量评价指标包括服务时间、服务成本、加工能力、信息反馈能力、交付准确性和售后服务能力，并运用VIKOR评价法构建了相应的评价模型[16]。张以文提出了一种在网络化制造模式下制造资源评价、基于改进蚁群算法的大规模制造资源选择和阶段式制造资源选择算法的三段式资源选择方法[17]。吴家贝等针对制造系统关键资源识别指标评价的不足，提出一种基于病毒传播模型的评价方法。基于典型关键节点识别关键制造资源，得到基于病毒传播模型的排序结果，评价了不同故障传播概率下指标的优劣[18]。

综上所述，目前国内已开展了大量关于网络化协同制造模式以及该模式下资源组织一体化管理，包括资源优化配置、资源冲突消解以及资源评价方面的研究。但由于高度离散型的复杂重型装备产品特点及其定制化产品研制项目流程的复杂性，如何构建支持复杂重型装备制造资源集成共享、配置管理的复杂重型装备网络化协同制造平台，从而促进跨区域、跨企业的制造资源及制造能力的集成与共享，并推动复杂重型装备制造企业在网络化协同制造平台中实现装备制造资源的一体化组织管理，仍是目前亟待研究的问题。因此，本文拟基于复杂重型装备生产制造的特点，结合网络化协同制造平台，对复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式进行研究。

1 复杂重型装备制造资源一体化组织管理内涵分析

1.1 复杂重型装备研制特点

复杂重型装备如挤压机等作为工业生产的重要装备，大多具有以下特点：

(1)订单驱动的个性化定制。复杂重型装备大多是专用设备，装备需求方一般有自己的工艺要求，个性化定制特征显著。同时，虽然大部分产品需要重新进行设计，变型设计类型较多，但产品族特征明显，不同对象间的设计和制造工艺相似度很高，所以设计企业可以利用自身拥有的产品知识库来提升设计效率。

(2)单个企业难以完成产品的完整制造链。由于复杂重型装备研制过程涉及资源众多，企业很难单独完成整个复杂重型装备的研制，通常需要其他企业协助完成。企业可以通过外包、外协等方式利用社会资源，将自身无法完成的一些技术难关和研制任务进行分派。尤其是部分企业研发能力突出，但缺乏制造加工复杂重型装备的能力，需要与其他企业协同完成复杂重型装备的研发制造。

(3)高度重视协同设计制造。协同设计制造可以缩短复杂重型装备产品研制的周期，以更快的速度响应市场。通常，复杂重型装备产品的设计研发、加工制造、组装调试等过程需要多个企业协同完成，不同企业之间通过先进的信息化平台支持，可以实现不同企业、不同地域的工作人员并行工作，协同完成任务，克服了时间、空间的限制，同时缩短了复杂重型装备的交货期，降低了研制成本。

1.2 复杂重型装备制造资源特点

复杂重型装备作为专用的高端装备，在很多行业都有广泛的应用，在其研制过程中涉及到的资源种类众多。网络化制造模式下复杂重型装备的制造资源具有以下特点：

(1)分布性和异构性。在网络化协同制造平台下，集中管理的复杂重型装备制造资源来源于不同区域的企业和资源提供方，各资源提供方对于制造资源的组织、管理、规范和共享方式都不尽相同。网络化协同制造平台必须要为平台用户提供统一的接口，以解决制造资源的异构性问题。

(2)共享性。复杂重型装备的研制过程需要用到一些专用的制造资源(如特种设备等)，这种专用资源一般掌握在少数大型装备企业手中，这就造成了部分大型装备企业的制造资源闲忙不均，其他装备企业缺乏制造资源的问题。网络化协同制造模式下制造资源的共享性可以使得不同企业在使用制造资源时，不受时间、空间的限制。

(3)动态性。复杂重型装备制造资源不会一直处于忙碌状态，企业可将自身富裕的制造能力提供给其他企业，同时企业也可能短缺某种制造资源，因此，复杂重型装备制造资源的富裕与短缺随时间动态变化的。

(4)自治性与管理的多重性。复杂重型装备制造资源在网络化协同制造平台上实现了基于网络的集中管控和分散服务，但在物理层次上，制造资源仍然是归属于某一个企业或组织的，制造资源的归属企业或组织具有组织管理该制造资源的权利。

综上所述，复杂重型装备制造资源因其种类繁多、来源复杂，分散性的管理方式显然不利于资源的管理和使用，即复杂重型装备制造资源的一体化组织管理对于网络化协同制造模式的顺利实施具有重大意义。

1.3 复杂重型装备资源一体化组织管理内涵及特征

本文认为复杂重型装备网络化制造资源一体化组织管理为：在具体复杂重型装备制造项目的驱动下，装备制造虚拟企业利用网络化协同制造平台，对装备制造资源进行组织和配置管理以完成复杂重型装备产品研制的过程。

网络化协同制造环境下，制造企业不仅是实际存在的一个公司，还是制造资源的集合体，同时也是网络化协同制造平台上的一个个的资源节点。制造资源一体化组织管理分为两步：第一，组织各类制造资源，即确定项目参与成员的过程，通过对多个企业主体所拥有的制造资源进行匹配评估和组合优选，从而确定最优的合作企业。第二，虚拟企业对装备研制过程中的多主体的制造资源进行协调管理，涉及到多企业主体间的资源变更管理、资源冲突消解以及评估评价等。实际上，在网络化制造模式下，各个企业都是独立的协作主体，而复杂重型装备制造资源一体化组织管理强调多主体的企业级制造资源之间组织协调，协同完成项目的过程。

复杂重型装备一体化组织管理的特征如下：

(1)以完成项目为目标。复杂重型装备一体化组织管理的目的是为了整合来自不同企业的制造资源，实现复杂重型装备制造资源的优化配置，以低成本、高质量、敏捷高效的服务水平完成项目目标。

(2)以虚拟企业为实施主体。复杂重型装备一体化组织管理的实施主体是以总包方企业为核心的虚拟协同企业联盟，总包方企业选择协作企业并组建协同企业联盟，并对项目实施过程中的制造资源进行协调管理。其过程即为制造资源一体化组织管理。

(3)以关键技术为支撑。制造资源的注册、虚拟化是实现制造资源一体化组织管理的基础，制造资源匹配和组合优选是组织各类制造资源的过程，资源变更、冲突消解及资源评价等是实现复杂重型装备研制过程中制造资源协调管理的关键方法。

(4)以网络化协同制造平台为依托。复杂重型装备一体化组织管理是通过网络化协同制造平台来实现的，网络化协同制造平台采用大数据分析、物联网、云计算等先进信息技术，结合关键技术的方法模型形成平台组件，为资源提供方和需求方提供资源注册、智能匹配、动态调度、组合优选、资源变更、资源冲突消解、资源评价等服务。

2 复杂重型装备制造资源一体化组织管理总体实现模式

2.1 复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式框架

本文研究的复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式是基于网络化协同制造平台实现的。结合网络化制造模式的理念和复杂重型装备行业的特点，提出一种基于虚拟企业联盟的复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式，其框架如图1所示。

图1 复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式框架

复杂重型装备制造资源一体化组织管理的总体实现模式可以分为外部企业系统层、用户层、业务支撑层、业务平台、底层平台和硬件资源层。

(1)外部企业系统。为多个制造企业提供系统接口，实现各企业 ERP、CAD、CAPP 等外部系统集成。

(2)用户层。总包方企业、设计企业、制造企业、供应商、运营商、中介服务商及客户与网络化制造服务平台进行交互的接口。

(3)业务平台。在网络化协同制造平台主要功能软件和其他辅助系统的支撑下，利用业务支撑层的主要方法功能，基于复杂重型装备的资源需求，复杂重型装备网络化协同制造平台实现制造资源的智能搜索匹配、组合优选、资源变更、资源冲突消解、制造资源评价等业务服务，实现对复杂重型装备制造资源的一体化组织管理。

(4)业务支撑层。网络化协同制造平台中的资源库、模型库和方法库中的模型、方法模块化封装处理后形成实现资源一体化组织管理的相关功能组件，各组件包含多种实现某种功能的方法。组件主要包括语义描述组件、资源注册组件、资源发布组件、分类管理组件、知识管理组件等。资源一体化组织管理的相关功能组件组合后形成网络化协同制造平台中能够支持客户需求的引擎，包括资源集合与分类引擎、智能匹配引擎、资源组合优选引擎、业务流程管理引擎、交易协同引擎和资源评估引擎等。可实现对产品的协同设计、协同制造和协同运维。

(5)底层平台。包括基于ICD-Cloud的云原生架构平台，ICD-BDA工业大数据平台，ICP-IOT物联网平台以及ICP-IGT集成平台，可实现网络化协同平台下知识库的创建、数据分析、数据处理、数据可视化等功能。

(6)硬件资源层。通过将分散的服务器、数据库及安全防护设备等接入到复杂重型装备网络化协同制造平台中，构建云端数据库、云端服务器、云安全等网络化协同制造平台运行支撑环境，为复杂重型装备制造资源的集成共享与一体化组织管理过程提供安全、可靠的服务。

2.2 复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式功能架构

复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式功能架构如图2所示。

图2 资源一体化组织管理的功能结构图

各类制造资源在网络化协同制造平台中经过资源注册、资源虚拟化及服务化处理，实现了制造资源的集成和标准化。资源注册包括资源差异化处理、资源复核及资源注册流程管理等功能；资源虚拟化包括资源定义、资源聚类管理、资源体系维护及资源打包等功能；资源服务化包括资源服务流程定义、服务聚类管理、资源分类及服务评价等功能。

复杂重型装备研制项目经过任务分解之后，通过资源的组合优选、动态调度和动态匹配确定了复杂重型装备产品的虚拟企业联盟成员。资源组合优选包括参数定义、优选规则和优选方法定义等功能；资源动态调度包括规则定义、资源分配和资源调整等功能；动态匹配包括参数定义、匹配规则定义和状态分析等功能。

在项目实施过程中，总包方企业通过资源冲突消解、资源变更、资源成本核算及控制、资源预测与决策等功能实现对制造资源的管理。资源冲突消解包括冲突检测、冲突描述及分类、冲突消解规则定义、冲突分析、冲突解决和方案归档等功能；资源变更包括变更描述及分级管理、变更流程管理、变更处理及跟踪、变更归档管理等功能；资源成本核算及控制包括资源成本核算、资源成本控制规则、资源成本控制流程管理、资源成本控制情况分析等功能；资源预测与决策包括资源投入预测与分析、资源成本预测与分析、资源状态预测与分析等功能；实现对项目过程中的制造资源监控。

项目完工之后通过网络化协同制造平台实现对制造资源的评价以及可视化呈现，实现经验教训的总结与自我提升；资源评价包括评价方法定义、参数定义和评价结果分析等功能。资源可视化监控管理包括可视化呈现、可视化预警和可视化预警规则定义等功能。

3 复杂重型装备制造资源一体化组织管理的关键方法

复杂重型装备制造资源一体化组织管理过程中涉及的关键技术方法能够支撑网络化协同制造平台中制造资源业务功能的实现，是制造资源一体化组织管理模式的核心内容，也是其实现的基础。其中，资源优化组合、资源冲突管理以及资源评价作为资源一体化组织管理的关键方法解决了项目实施过程中不同阶段的问题，此处分别对其进行阐述。

3.1 复杂重型装备制造资源组合优选方法

制造资源组合优选是对经过匹配的制造资源按照一定模型方案选出最能满足项目目标的制造资源，形成一条制造任务链。基于工序的制造子任务之间存在前后约束关系，可以构成制造任务链。复杂重型装备的任务链错综复杂，有多条制造任务链交错组成。以一条串行的制造任务链为例，对整个制造任务链而言，不能单单只考虑单个制造任务选择的制造资源的最优，而要考虑整个制造任务链最优。子任务之间可以构成制造任务链，相应的候选制造资源间可以构成多个制造资源组合，可以通过综合考虑各个不同的制造资源组合的服务时间、服务成本、服务质量、合作关系、可靠性、柔性、客户满意度和利益满意度等因素及资源评价和冲突情况等约束条件选出最优的制造资源组合。

由图3可知，网络化制造模式下，复杂重型装备制造需求经任务分解之后分为单个子任务和组合子任务，单个子任务直接通过资源匹配模型(综合考虑技术要求和服务要求)选择最优的制造资源，而组合子任务需在匹配的基础上，利用资源组合优选模型进行资源组合确定，最终得到最优的资源方案。

图3 资源组合优化结构图

3.2 复杂重型装备突发性资源冲突管理

复杂重型装备网络化协同制造项目的实施过程由多个企业参与，涉及的制造资源众多，但资源的有限性或信息传递的不确定性等原因，可能导致多主体间制造资源冲突的发生。

复杂重型装备项目中存在两种资源冲突，分别为先天性资源冲突和突发性资源冲突。其中，先天性资源冲突是指由于各发生资源冲突的制造资源主体企业的空闲时间无法协调、资源相互排斥等造成的冲突，需在资源组合方案产生前采用寻找替代或备选资源的方式进行消解；而突发性冲突则指制造资源间由于制造资源主体企业因发生突发情况不能按照计划完成任务的冲突，具有随机性和突发性的特点，这里重点讨论突发性资源冲突的消解过程。

具体来看，突发性资源冲突的原因可能来自于以下几个方面。

(1)资源被过度分配，不同的协作主体在资源占用时间上发生重叠或交叉。由于复杂重型装备项目协同研制过程复杂，虚拟企业联盟在制定生产进度计划时，难免有不合理之处，可能会给一个或几个协作主体分配的资源过多，而资源具有有限性，必然会使得其他协作主体使用制造资源时出现时间上的冲突。

(2)任务之间存在前后约束关系，紧前任务出现延迟会影响紧后任务的资源计划。在复杂重型装备实际研制过程中，往往会有不确定因素的发生造成协作主体不能按照计划进度完成任务，从而导致任务或工序的延迟。一个任务或工序的延迟，直接影响了其后续任务或工序的进度计划，连锁反应甚至会导致后续工序与其他制造单元的协作主体间产生资源冲突。

(3)生产进度计划安排不合理，造成协作主体计划完成任务的时间与资源实际使用时间出现偏差。当偏差出现可能会造成协作企业在任务完成时间内，相应的资源被其他协作企业占用，导致该协作企业无资源可用的情况发生，从而产生资源冲突。

(4)一些间接因素如组织冲突(管理幅度过大，组织结构层次过多，职能缺失或重叠、人的不可控性等)、信息冲突(信息传递不到位，信息的不确定性，信息系统的不科学性等)、决策冲突(决策分散、决策机制不完善等)、环境的不确定性等都可能引起资源的冲突。

为解决复杂重型装备研制过程中，多协作主体间的资源冲突问题，本文建立了资源冲突管理模型，如图4所示。该冲突管理模型是在资源冲突从产生到解决全过程，对资源冲突进行检测、分析、消解和归档的过程。

图4 资源冲突管理流程图

(1)资源冲突检测。资源冲突检测是实现资源冲突管理的首要步骤。在一个复杂重型装备研制项目中，若多个协作企业在某一时间段同时需要使用同一资源，即会产生对应的资源冲突，对这一流程的识别过程即资源冲突检测。冲突检测常用的方法包括矩阵检索、基于真值、基于Petri网、基于约束的冲突检测等。

(2)资源冲突分析。资源冲突分析是针对已经检测到或已经发生的冲突，对其进行分析、存储等处理，包括对冲突是否产生在关键工序，冲突发生原因如任务拖期、紧急插单或返工等内容的分析，以便为后续的资源冲突消解提供信息基础，也有助于项目实施计划的优化。若有多个冲突同时发生，此时需要对冲突间的关系进行分析，按处理优先级对其排序并逐个消解。冲突间的关系有三种，依赖、耦合和并行。依赖关系代表某一冲突是由其他冲突直接或者间接导致的；耦合关系代表冲突之间关系紧密，相互影响；并行关系代表资源冲突之间没有关系，不会相互影响。

(3)资源冲突消解。资源冲突消解是在对冲突进行分析过后，确定产生资源冲突的多个企业使用资源的顺序的过程。通用的冲突消解策略有基于规则、基于约束、基于实例、协商和冲裁等方式。同样的，若有多个冲突同时产生，由于组织资源、人力资源的有限性，需要根据冲突间关系来确定其消解顺序。一般来说，当冲突间存在依赖关系时，优先处理被依赖的冲突；当冲突间属于耦合或并行关系时，可按照冲突的发生顺序进行处理，即优先处理先发生的冲突。以此对资源冲突进行优先级排序，进而逐个消解。

(4)资源冲突归档。资源冲突归档是对已完成的冲突消解方案进行归档处理，归档内容需详细说明冲突的原因，发生时间，消解方案、策略等情况，便于为之后发生类似的冲突提供参考信息。

3.3 复杂重型装备资源评价

复杂重型装备资源评价是以一个统一的标准对复杂重型装备网络化协同制造项目实施过程中资源的技术能力、服务水平等因素进行综合评价的过程。在网络化协同制造模式下，当需求企业有任务需要进行资源匹配时，网络化协同制造平台可根据任务类型及历史评价结果，为当前任务筛选合适的资源企业进行匹配；在任务完成后，需求企业可对资源企业进行评价，评价结果会反馈给资源企业并存入平台，以帮助资源企业完善自身，同时为其他的需求企业提供历史数据支持，以不断优化平台的资源匹配结果。复杂重型装备网络化协同制造资源评价模式如图5所示。

图5 资源评价模式

对复杂重型装备网络化协同制造模式而言，资源评价可以较为客观地反映资源的服务能力水平，对于资源的提供企业有较好的激励和监督作用，优化网络化协同平台的资源环境，同时也能不断提高平台的整体服务水平。

4 结束语

本文基于复杂重型装备产品以及研制过程的特点，提出并设计了一套复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式。首先从复杂重型装备研制及其制造资源特点出发，分析了复杂重型装备制造一体化组织管理的内涵及特征。其次，构建了复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式框架，从外部企业系统层、用户层、业务支撑层、业务平台、底层平台和硬件资源层几个方面进行了框架的描述；对复杂重型装备制造资源一体化组织管理模式的功能架构进行了设计，包括资源组合优选、资源动态调度等。最后针对组织管理模式中的资源组合优选方法、突发性资源冲突管理以及资源评价等关键技术进行了研究。为复杂重型装备制造行业制造资源一体化组织管理方法提出了思路，为网络化协同制造模式的实现提供了基础，为复杂重型装备制造的提质、降本和增效赋予了方法。未来将继续对复杂重型装备网络化协同制造过程中的制造资源匹配、资源变更、资源耦合等内容进行进一步的研究，对制造资源管理的技术和方法进行深入探索。