服务型制造数字技术应用研究综述

郜振华,沈晋弘,周春柳,2

(1. 安徽工业大学管理科学与工程学院 安徽 马鞍山 243032; 2.安徽工业大学复杂系统多学科管理与控制安徽普通高校重点实验室 安徽 马鞍山 243002)

0 引言

随着信息和通信技术的迅速发展以及受用户需求多样化、市场竞争激烈和环境污染严重等问题的影响,全球经济经历了从制造业到服务业的结构性转变。工业公司正逐渐从以产品为导向的商业模式转向以服务为主导的商业模式[1],即服务型制造——通过提供个性化产品和服务作为解决方案来满足客户的需求。例如,几个领先的跨国巨头,如通用电气、IBM、劳斯莱斯、富士通和西门子,通过将其市场份额从制造业转移到更注重产品服务的系统,保持了其产品价值基础上的竞争力。多年来,嵌入在产品中的服务已经逐渐成为制造业的基本业务组成部分[2-4]。

向以服务为主导的商业模式的转变统称为“服务化”,最初由Levitt提出[5],后来在Vandermerwe和Rada的研究中[6]得以发展。Hawken[7]在1993年发表的文章中生动地描述了服务化的概念:人们想得到的不是产品的产权,而是产品所能带来的服务——汽车的运输功能、冰箱里的冰啤酒、电视上的新闻或娱乐节目。实质上,服务化作为一种通过将服务提供与产品制造捆绑在一起创造价值的过程,已成为一种有竞争力的制造战略。

作为一个较新的研究领域,服务型制造(SOM)在近几年得到了充分的发展,当前对其有两种较为主流的定义描述。世界制造服务化研究专家Bains将服务化分为基础服务、中级服务、高级服务3种模式[8]。2004年Tukker提出了一个产品服务系统(PSS)的框架来描述其发展过程[9],即面向产品、面向使用和面向结果的服务。面向产品的服务以销售为主导,提供一些基本服务,如售后维护;面向使用的服务需要制造商保留产品所有权,如产品租赁;在面向结果的服务中,制造商和客户仅关注产品产生的功能结果而非产品本身。尽管学者们从各自角度已经给予SOM较为深刻的定义,但要真正全面定义SOM是困难的,这主要归因于其涉及了太多学术领域,例如信息系统、商业管理和工程设计等。本文从管理学角度对SOM进行了定义:“服务化是组织资源和执行流程的战略转变,目的是利用创新技术提供端到端的综合服务,为产品带来附加价值。”

本文基于对现有文献的分析,围绕产品生命周期,提供了一个SOM的数字技术应用研究的文献综述。

1 研究方法

在文献搜集方面,本文遵循 “关键词-数据库-样本库”的调研思路[10]。由于该项研究的重点是产品在生命周期中不同阶段的技术应用,所以本文的文献搜索范围较为广泛。选取了Elsevier、Web of Science、Scopus、Springer、Wiley、Taylor&Francis,共6个外文数据库,通过搜索包括“Servitization”“Service-oriented Manufacturing”“Servicing”和“Product-service Systems”这些关键词得到“关键词-文献源”矩阵(见表1)。最后遴选了引用率较高的论文、知名学者的报告和行业发展数据,形成了本文研究的样本库(见参考文献)。本文基于该样本库进行文献综述,具体行文思路在下节文献分析中将有表述。

表1 服务型制造“关键词-文献源”矩阵

2 SOM文献分析

2.1 SOM产品生命周期分析

产品全生命周期涉及前期的市场调研与用户需求分析、产品设计与开发、加工与装配、运输与分销、售后与维护、回收与再制造等环节[10]。Jiang从企业决策角度出发,将SOM的产品生命周期分为商业模式选择、产品设计、运营措施以及回收与再制造4个阶段[11]。本文选择分析服务制造商与其用户都全程参与且有较强交互的3个阶段,即产品设计、运营与维护以及回收与再制造,对其在SOM模式下与传统制造模式下的差异进行简单描述。

2.1.1 产品设计

传统制造中,产品设计旨在尽可能地满足客户期望。企业通过丰富产品功能、应用新型材料以及广泛运营推广来吸引更多消费者购买其产品。这种方式固然能够实现企业盈利,但也会产生若干问题,特别是生产与消费两端存在的供需不匹配问题。与其相反,在SOM模式下,制造商的目标不是销售商品,而是满足顾客实际需求。鉴于服务的交付需要实物产品,所以产品设计需要足够精确,以尽可能少的资源满足客户需求。

此外,与传统的销售意味的产权交换不同,服务制造商在产品“售出”后依旧需要承担运营维护费用。所以通常情况下,在产品设计初服务制造商对产品的耐久性及可靠性都有更高的要求。

2.1.2 运营和维护

传统销售模式下,制造商和用户秉承钱货互换原则,对商家而言交易达成则意味着在资金回流。而SOM模式下,制造商的收入与产品正常运行时间正相关,且源于产品最终产生的功能结果。为了保障客户满意度,服务制造商需要通过优化其资源输出保持其产品性能,从而实现收益最大化。

另外,在传统销售策略与SOM中,商家与用户都可能承担道德风险,但承担对象往往不同。传统模式下,商家一经将产品拥有权交予用户后,用户就需要自己承担往后的运营维护费用。若产品实际使用与产品描述存在参差,用户往往成为承担损失的一方;与之相反,服务制造商承担产品的运营维护成本且具有产品所有权,这在一定程度上削弱了客户正确使用产品的积极性,客户不需要考虑误用、滥用后果便可享受服务制造商付出的努力。所以,服务制造商往往需要针对该现象去设计相关措施,以免用户的不当行为给企业带来损失。

2.1.3 回收与再制造

与传统的销售策略不同,在SOM模式下,产品的所有权仍隶属于服务制造商,这使得企业的供应链形成了一个闭环——客户使用过的旧产品最终返回到制造商。在此商业模式下,能够有效处理废旧产品将可能成为服务制造商的一项核心竞争力。然而,将回收与再制造引入该领域进行研究的文章依旧较少。

2.2 SOM关键技术的运用

依据上述概念分析,本文从产品设计、运营与维护以及回收与再制造3个阶段的技术应用研究为目标,并结合工业应用案例进行文献综述。

2.2.1 产品设计

(1)众包设计

“众包”一词是指将传统上由制定代理人(通常是员工)执行的工作,以公开征集的形式外包给未定义的、通常是非员工群体的行为[12]。与传统产品设计不同,众包设计依赖于客户的参与和反馈,这有助于公司汇集客户的需求。人群特征的采集决定了众包在新产品开发过程中是否能取得成功[13-14]。

众包有两种不同的形式,协同式众包(Collaborative Crowdsourcing)和竞赛式众包(Crowdsourcing contest)[15]。前者由大众群体协作完成,且一般任务的完成不伴随着奖励回报;后者通常是由个体独立完成,完成相应任务可获得对应的奖励。

在协作式众包的运用实例中,维基百科通过开放自由、免费的百科全书编辑平台,使得大众都可以参与编辑和修改。维基百科的实现无法通过计算机软件技术来自动完成,也无法仅通过少数人来完成,因此需要众包设计的理念来实现;与之相反,竞赛式众包模式下,任务请求人需要为任务完成人支付报酬。Amazon Mechanical Turk(Mturk)采用市场的理念,为任务请求人和任务完成人构建了一个在线交易平台[16]。Mturk根据任务完成人和任务请求人不同的需求提供了不同的服务。

还有一些研究从不同的角度对众包设计进行了归纳总结。Yuen等人从应用、算法、性能和数据集4个方面总结了众包的进展[17]。Kittur等人阐述了众包在同步协作、实时响应和动机等12个方面所面临的挑战[18]。Doan等人回顾了万维网上应用的众包系统,根据问题类型和协同方式等方面对众包系统进行了分类总结[19]。Zhao等人从信息、技术、大众和组织机构4个角度综述了众包设计[20]。

总的来说,众包设计是一种反映客户真实需求的设计方式。在SOM模式下,将众包设计整合到产品开发中可能会使公司受益匪浅。

(2)PSS与云制造集成技术

产品服务系统(PSS):21世纪后,研究人员提出了基于PSS的工业产品服务体系,使PSS研究从理论走向应用。Horst Meier于2005年提出了IPS2的概念[21],加深了研究者对PSS的理解。IPS2致力于构建一个适合的社会系统,将产品和服务过程中的交互和互相依赖关系整合为一个整体的服务来满足用户。服务制造商更加关注产品质量,并且产品生命周期服务中涉及的用户体验也受到重视。PSS通过为用户提供优质的产品服务,提高了产品创新能力,开拓了新的市场空间,减少了资金投入,实现了服务制造商与用户的双赢。

云制造:云制造是在网络化制造[22]、网格制造[23]、云计算[24]等技术基础上发展起来的面向服务、优质低成本新型制造模式。云制造的目的是整合各类制造资源,在虚拟化技术的支持下构建一个庞大的资源云池,从而实现资源共享和高效利用,为用户提供按需制造服务。作为一种新型制造模式,云制造的概念自2010年提出以来后受到广泛的关注。对于云制造的概念,国内外许多专家学者都有各自独特的理解[25],但在资源的高效共享和其服务的使用上专家们都达成了共识。云制造架构是云制造理念落地的基础,其具有高度开放的特点,为云制造架构自身领域的应用提供了极大的便利。目前,云制造技术和网络化协同设计已成为世界制造信息化的重要研究领域。

面向个性化产品设计的云制造与服务系统(ICMSS-PPD):为了更好地推动PSS的产品设计与服务体系的发展,便派生了ICMSS-PPD。ICMSS-PPD是一个以用户为中心的设计服务系统,集成了制造信息、数字虚拟设计资源和云计算,实现了最充分的资源利用。类似于云计算的概念,在需求信息和服务能力具备的前提下,为顾客提供产品功能的服务。因此,为适应云化发展的趋势,以用户需求为驱动的产品设计和系统开发,即从实验室移植到云平台的制造技术逐渐成为研究热门。

有关云制造技术平台产品服务体系特点的描述,TAO[26-27]认为云制造有以下典型特征:服务需求和制造需求;制造过程中的不确定性;用户参与制造;透明和集成制造;主动制造;门槛低,外包制造;敏捷制造;专业制造;基于股份的制造能力和交易;以制造知识为基础;创新制造集群;绿色碳基制造。Zhang认为[28],云制造兼具云计算和制造基础设施模型的性质和特征,从而使云计算即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)、软件即服务(SaaS)等特性的基础服务框架为云模型的基础框架提供了数据处理的服务。云制造作为制造资源之一,具有自组织、协作、需求驱动等本质特征,促进了服务型制造的发展。

2.2.2 智能维护

信息技术的进步加速了复杂维护方法的发展,这些方法通过传感技术的使用可更深入地了解系统健康状况和性能、故障原因以及剩余使用寿命[29]。通过引入数据挖掘、统计分析和预测算法等智能预测技术,预测性维护被理解为基于状态的维护的演变[30-31],这些技术可以评估产品的状况,还可以预测未来的行为故障[32]。其好处包括降低成本,提高安全性、产品质量、可靠性和可用性[33]。规范性维护是该领域最新的研究趋势,其目的旨在带来完全自动化的工作流程。该范式下,智能产品可以预测潜在故障并自主安排维护活动,它涉及价值链中多方端到端动态中的持续协作和协调[34]。

商业化使得智能维护作为与产品相结合的附加服务,或者被嵌入到以使用为导向或以结果为导向的SOM体系中。以下为相关实例:瑞典滚珠轴承制造公司使用振动分析和远程监控来提高客户资产效用并进行维护活动[35];美国卡特彼勒公司推出了预测性维修服务,公司依靠合作伙伴网络开发了预测性维护能力[30],降低了用户生产成本、提高了生产效率并减少了机器停机时间[36]。

2.2.3 智能回收与再制造

(1)智能回收

回收在SOM的研究中较为滞后。对于简单产品,可以通过将产品寿命信息附加到产品而非将其储存在外部数据库中,从而简化收集和分类过程[37]。另外,配备带有传感器和连接功能的回收箱有助于家庭和市政当局层面实施智能回收。其可以通过合理安排收集路线和降低运输成本来提高废物收集效率[38]。在考虑复杂产品时,基于生产信息系统分解其结构和组件可以提高回收材料的纯度[39]。

智能回收通常适用于以使用为导向的SOM中,但也有用于其他类型的实际案例,例如:管理打印服务和即时墨水服务是惠普公司为大小型企业所提供服务的一部分[40]。惠普的墨盒回收服务作为打印机化服务的一部分,已经实现了“惠普专用流完全闭环回收”。服装租赁初创公司EON将回收整合到他们的产品服务中。由于某些回收计划不适用于处理带有电子元件的服装[41],EON通过与满足特定技术的外部回收商合作,在产品使用寿命结束后由外部回收商处理带有电子元件的纺织品,也就意味着部分回收材料不会返回原始制造商。

(2)智能再制造

带有基于物联网的嵌入式传感器产品可以消除再制造中涉及的大部分不确定性[42-43]。由于识别技术具有实时跟踪和监控功能,因此即使在组件级别,也可以在使用阶段进行产品跟踪和产品历史记录保存[44]。这有助于在产品到达再制造车间前进行有效的再制造规划[45]。另外,产品与组件级别的信息还可以提高再制造过程中的输出质量和可预测性,并有助于减少浪费[46-47]。

再制造过程中,产品与智能系统相结合也可为流程创造优势。在具备产品寿命信息的再制造车间中,使用传感器、机器人和智能拆卸系统可减少产品拆卸过程中的损坏[48-49]。智能产品可根据产品历史记录在不同条件下对组件进行分类和优先排序,从而改进分拣流程并降低工人体力劳动强度[50]。

此外,存储在产品生命周期数据库中的信息可用于改进新产品设计过程,增加其再制造过程中的价值创造。然而,为了让这些信息有效地传递给产品设计师并转至再制造商,原制造商必须在整个产品生命周期内建立沟通渠道[51-52]。

最后是有关智能再制造的相关实例:通用电气运输部门从机车发动机的传感器收集性能数据,从而分析机车零件和产品需要进行何种程度的改造,降低了机车改造期间所需要的成本[53];卡特彼勒公司对其客户提供了产品实时远程监控服务,在保障产品运行性能的同时,也可以精确追踪产品和关键零部件实况,更利于进行产品的再制造设计[54]。诸如此类的监控服务降低了成本,并改善了对再制造需求的预测精度。

3 未来研究方向与建议

尽管已有大量文献研究了SOM的许多方面,但仍有一些领域没有得到充分探索。

3.1 管理与技术集成

SOM的发展受到先进技术的推动,这些技术可能有助于新的商业模式和管理结构的设计[55-56],然而在选择的文章中,SOM的研究通常将技术与管理分开探讨。

传统的生产管理系统的创新通常依赖于现有的技术,然而这种管理上的创新对于新技术发展的激励是较为有限的;SOM的进步同样依赖于技术的创新,技术决定了SOM可以开发的深度,与传统管理方式不同的是,在SOM的开发中也能促进新技术的衍生。SOM和技术发展是相辅相成的,然而在现有研究中,对SOM中技术和管理的研究是脱节的。因此,在研究SOM时,考虑技术和管理间的相互影响是有必要的。

3.2 服务化的实证研究

对所选文献的分析表明,针对SOM的研究应加强对预测工具和定量方法的实证研究。当前大多文献都遵循基于归纳定性案例的研究方法。正如Martinez[57]等人的观点,“鉴于研究设计的性质,识别的模式不能用作预测工具”,采用定量方法进行横向研究至关重要,特别是对SOM模式下服务实施效果,即用户体验的分析。

3.3 道德风险

有关制造商与用户间存在的道德风险已被广泛研究,关于如何优化合同设计到引入商业中断保险以激励承包商的努力[58],也已进行了大量的研究工作。然而,这些新颖的机制适应面基本仅在企业与企业之间,在企业与最终消费者之间作用甚微。Bardhi提出[59],客户会更合理地使用其拥有所有权的产品。然而,由于服务制造商承担运营成本且拥有产品所有权,用户不再担心维护成本的增加或产品边际效用的减少,产品过度使用或误用方面的道德风险就会产生。过度使用增加了制造商的收入,同时也增加了运营成本。比起过度使用,制造商或许更担心消费者对于产品的低频使用,甚至是不使用。这将极大地减少了服务制造商的利润,也造成了资源的浪费。对于道德风险的研究有助于服务企业做出最佳的经营决策和设计有效的合同机制。

3.4 政府推广

SOM正在全球大部分国家推广,我国工信部、科技部等把服务型制造作为中国制造2025的关键内容之一加以推广。然而,分析政府在SOM中的作用的文献较为有限。例如在回收和碳排放领域,学者的研究围绕相关立法和政策,从而合规合法化实现企业决策优化[60-61],对于SOM的研究理当如此。

SOM的兴起依赖于技术发展,但先进的技术不足以让SOM在工业实现普及。政府在促进SOM发展方面发挥着至关重要的作用,研究政府政策制定对SOM的影响是必要的。

4 结束语

近年来,有关SOM的话题愈发受到政府以及学术界的关注,很多学术文章已经表明SOM为制造业的发展带来了积极影响。然而,大多文章对于SOM的描述都是从较为宏观的角度出发,从产品生命周期去探讨SOM影响制造业决策以及技术应用的文章依旧较少。本文从产品设计、运营维护以及回收与再制造3个影响公司决策的阶段出发,对比了传统制造企业与服务型企业面临的不同决策处境,并总结归纳了在不同阶段下数字技术的运用及实际案例的展示。希望能为未来有关SOM的研究提供一个较新的视角,同时也能为服务型企业管理者的决策提供一些有用的见解。