云制造中的关系、关系流及其管理研究

摘要：文章基于全面关系流管理理论，从一个全新的视角对云制造进行了阐述。云制造作为复杂系统，在特定的环境下，其所表现出来的行为和功能是由关系流及输入流决定的，并分别阐述了存在于云制造系统中的信息流、物流、人员流、资金流和能量流。文章仅对云制造所处的环境及存在的全面关系流从全面关系流管理理论的角度进行了描述，如何用该理论进行控制是今后的研究目标。

关键词：一般系统结构理论；全面关系流管理理论；云計算；云制造

一、 引言

随着信息技术的不断发展，出现了一种新的基于互联网的服务化计算新模式——云计算，它通过云计算平台把大量的高度虚拟化的计算资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务，通过互联网上的异构、自治的服务形式为个人和企业用户提供按需随时获取的计算服务。各种资源虚拟化后以“云”的形式存储起来，随时满足来自底层用户提出的各种需求。同样，将“制造资源”虚拟化为“云”，在制造业信息化进程中采用云计算的运营模式，“云制造”的理念应运而生。

二、 云制造

2010年1月李伯虎院士提出了一种全新的制造新模式——“云制造”，以应对日渐复杂的制造问题，以便日后进一步开展更大规模的协同制造。他认为：云制造是一种利用网络和云制造服务平台， 按用户需求组织网上制造资源（制造云），为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。自“云制造”的概念提出之后，引起了各个领域学者的广泛关注。2010年3月中国航天科技集团公司总工程师杨海成指出，在产品整个生命周期内，企业可以借助先进的计算机技术和网络通信技术，将整个区域、各个行业和众多企业的相关资源进行整合利用，提供共享化、标准化、规范化、联动化的个性服务制造模式。云制造融合了先进的信息技术、制造技术以及新兴的物联网技术等，深刻体现了“制造即服务”理念。

对云制造的理解我们可以从以下几个方面考虑：

（1）云制造是一种面向服务的、高效低耗、网络化敏捷制造新模式；

（2）云制造实现了产品从开发、生产、销售到使用整个生命周期的资源共享，以实现制造过程敏捷化、服务化、绿色化、智能化；

（3）云制造理念框架是一种集成一体化的服务模式，它基于面向服务的理念，融合了信息化的设计、生产、实验、仿真、管理、集成，是一种新兴的集物联网技术、智能科学等的综合信息技术；

（4）云制造服务平台可以实现用户在产品全生命周期活动中实时信息共享、追踪、订制、服务、获取，将需求与生产实现无缝对接，实现制造业的高效、低耗、敏捷、绿色等目标。

三、 全面关系流管理理论

复杂性科学作为当今世界科学发展的热点和前沿，其研究与应用正在向各个学科渗透，是新兴的交叉学科。鉴于它对人类认识世界的重大意义，各个国家争相研究。我国的研究基本与国际同步，主要由钱学森先生负责的科学小组对此也进行了深入的研究。在钱学森的系统科学思想中，系统结构占据极其重要的地位，在给定的系统环境中，它决定和支配着系统的性质、行为或功能。

我国学者林福永在钱学森系统科学思想的影响下，多年来一直致力于系统环境、系统结构和系统行为，以及它们之间的关系及规律的研究。提出和发展了一种面向问题、数学表达的一般系统论——一般系统结构理论，该理论从数学上提出了一个新的一般系统研究概念体系，特别是揭示系统组成部分之间的关联的新概念，如关系、关系环、系统结构等；在此基础上，抓住了系统环境、系统结构和系统行为以及它们之间的关系及规律这些所有系统都具有的共性问题，从数学上证明了系统环境、系统结构和系统行为之间存在固有的关系及规律，特别是，从数学上证明了系统行为是由系统环境和系统基层次以上的系统结构决定和支配的。

林福永教授认为，从系统的角度看，组织（网络）也是一种系统。它的存在和演化遵循一般系统原理和规律。这意味着，在系统论、复杂网络、组织科学和管理科学之间一定存在交叉科学研究领域。特别是，组织的构成部分之间的关联是通过所谓的关系流（即信息流、物流、资金流、人员流和能量流等）建立起来的。一般系统结构理论在复杂网络和组织管理中的应用研究结果——复杂网络关系流与行为关系定理和全面关系流管理定理证明了，对于一个组织（网络），它的行为是由其基层次上的关系流和输入流（总称全面关系流）决定和支配的。

林福永教授基于对一般系统结构理论的多年研究中得出下列定理：

定理1：设在环境 E（S）中，S∈B，系统Z（n）在t时刻具有m层次，m1，那么，系统相邻两个层次上的系统结构RZ（t）C和RZ（t）C+1，C=0，1，2，…，m-1，系统与环境之间的关系R（t）以及系统行为HZ（t）满足下列系统方程：

（R（t），RZ（t），HZ（t））=0（1）

（R（t），RZ（t）C，HZ（t）C+1）=0

其中C=0，1，…，m-1（2）

其中，S和B分别表示在t时刻系统环境E（S）的状态和状态空间；RZ（t）0表示系统输出。

定理2：设在环境E（S）中，S∈B，系统Z（n）在t时刻具有某一层次Lb以上的系统结构RZb（t）和系统行为HZ（t），那么，当且仅当对于层次Lb上的任一部分e（p）∈Z（n），它的状态sp或行为Hp（t）仅仅是其输入Rp（t）的函数，即

sp（t）=p（Rp（t））

或

Hp（t）=p（Rp（t））

时，恒有

（S（t），R（t），RZb（t））=0（3）

（S（t），RZb（t），HZ（t））=0（4）

（R（t），RZb（t），HZ（t））=0（5）

式中，S和B分别表示在t时刻系统环境E（S）的状态和状态空间；R（t）表示t时刻系统环境E（S）与系统Z（n）间的关系。这时，系统层次Lb称为系统基层次。

定理3：设在环境E（S）中，S∈B，系统Z（n）在t时刻具有系统基层次Lb以上的系统结构RZb（t）和系统行为HZ（t），并且系统结构RZb（t）中的关系环数为零，即b=0，那么，恒有

HZ（t）=（S（t））（6）

其中，S和B分别表示在t时刻系统环境E（S）的状态和状态空间。

四、 基于全面关系流管理理论的云制造

1. 基于全面关系流管理理论的云制造環境。云制造作为一个复杂系统，它存在一定的环境下，这个大环境可以分为经济环境、技术环境、安全环境。环境为云制造提供的发展平台，云制造的发展会改变环境。

经济环境：经济环境：放眼竞争日趋激烈的国际大环境，全球制造业的发展趋势是将制造业和服务业有机结合、联动发展，并逐步向服务型制造转型升级。我国制造企业也在密切关注全球制造业发展趋势，适时调整产业布局。由于国内市场需求复杂多变，要想实现制造业的转型，需要综合考量多种因素，如区域经济发展不均衡、国家公共资源的侧重、新技术的引进渠道与消化应用能力、新市场的渠道开拓能力。通过创新、我国制造业正处在向增加产品附加值、走向价值链高端的转型初期，产品小批量、多样化，市场需求波动频繁，企业要在客户需求与自身制造能力之间找到一个平衡，在寻求如何满足阶段性的高强度订单需求的同时，要考虑打造具有持久型制造能力全功能制造集团所需要的周期和资本投入。市场需求的阶段性和不确定性可能造成资源闲置和能力浪费。因此，理性应对频繁的需求波动、合理优化产业结构、充分整合现有资源、深入挖掘行业潜力，实现服务性的云制造模式是一条更为可行的途径。

技术环境：信息技术和制造技术的不断进步推动制造业向服务业转型。高性能计算机的应用，服务化计算模式云计算（Cloud Computing）的兴起、系统安全与容错技术、海量数据管理技术的发展为大规模协同复杂制造系统提供了技术环境。云计算技术将计算资源专业化、服务化，并以信息化的形式呈现出来。物联网技术在无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、智能技术和纳米技术等支持下快速发展，能整合各种制造资源和制造能力，实现集中控制、高效调配。以云计算、物联网技术、数据仓库技术和信息安全技术为支撑的制造服务技术，实现了制造资源的集中整合、统一调配，为用户提供 “专业性”、“针对性”制造全生命周期的服务，促进制造的精益化、绿色化、低碳化和智能化。

安全环境：伴随云计算、云存储的出现及广泛引用，信息的安全性引起人们的高度重视。云安全融合了并行处理、网格计算、未知病毒行为判断等新兴技术，通过网状的大量客户对互联网中病毒、恶意程序进行监控，实时进行采集、分析、处理，形成一个巨大的“杀毒软件”覆盖整个互联网。云安全为云制造“保驾护航”，提供安全可靠的运行环境。

2. 云制造中的全面关系流。任何一个复杂系统中，它的行为和功能都是由其基层次上的关系流（信息流、物流、资金流、人流、人员流和能量流）和输入流（总称全面关系流）决定和支配的。在云制造系统中，通过对企业全生命周期活动中的信息流、物流、资金流、知识流、人员流和能量流的集成优化，从而实现了人与组织、经营管理和技术等的优化，进而改善企业产品的开发时间、质量、成本、服务、环境清洁和知识含量，实现了云制造系统应有的行为和功能。以下我们分别进行阐述：

（1）信息流。信息流是云制造的“灵魂”，是产品的全生命周期的脉络，贯穿产品的设计、开发、制造、使用到最后回收。虚拟化制造资源和制造能力并以信息的形式封装储存，如图1所示，在整个云制造体系在运转过程中，信息流贯穿始终。首先从制造资源提供者手中制造资源和制造能力，然后以信息的形式封装存储后输入“制造云”；输出过程指制造云运营商将制造云与产品全生命周期的各种需求进行订制、追踪、获取、服务，将需求与生产实现无缝对接。整个输入输出过程以知识为核心，以信息为总线，实现制造需求与制造资源的高效智能利用，实现高产低耗。

（2）人（员）流。系统有各个层次的组成部分组成，在这里，我们所讲的人员流也有层次之分，不仅指微观的个体人，还指整个制造系统宏观上各个层次的组成部分。宏观上，在参与云制造运行系统中，主要由制造资源提供者、制造资源运营者、制造资源使用者这三部分组成，如图1所示，这三部分就是处于云制造运行系统中的人员流。不同层次中，构成系统的组成部分我们也虚拟为该层次的人员流。一直细化的系统基层次，由从事各种具体工作的人员组成。人在工作中具有很大的流动性和不确定性，这也是云制造中的人员流。

（3）物流。云制造中的物流是一种在网络技术支持下，通过云制造平台（如图2所示）整合物流资源和客户资源，并按照客户需求智能管理和调配物流资源，为客户定制和提供安全、高效、优质廉价、灵活可变的个性化物流服务的新型物流服务模式。云制造物流系统要想在产品全生命周期中实现提供按时按需、紧密对接的个性化服务，必须在现有运输实物资源（运输装备、存储资源、交通线路）和虚拟资源（信息资源、软件、知识等）的基础上，充分利用各种先进技术，实现物流网络、服务技术、云计算、云安全、物联网、RFID等技术的有效融合。

（4）资金流。李伯虎院士认为：云制造是一种利用网络和云制造服务平台，按用户需求组织网上制造资源（制造云），为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。作为一种需求驱动、按需付费的面向服务的制造新模式，云请求端（制造资源使用者）将需求传递给制造云运营方，制造云运营方接受请求信息，按照用户的需求整合已有的运资源提供服务，结算费用完成“交易”。当然，制造云运营端在整合、利用制造资源的过程中也需要为资源提供者提供费用。但是需求方只需提出服务需求，由制造云运营方针对需求调用或组合已有的云资源，完成服务。在这个“交易”完成过程中，云提供端（制造资源提供者）和云请求端（制造资源使用者）无需直接接触，通过第三方（制造云运营方）的桥梁和纽带作用实现即用即组合、即用即付、用完即解散的关系。在云提供端和云请求端之间一旦发生服务活动就会产生付费，在云制造服务用户、云制造服务提供者和制造云运营端就形成资金流动。

（5）能量流。云制造中的能量是一个抽象的概念，它泛指一切在制造全生命周期中起正向作用的因素，如硬件资源（如数控机床、计算机、原材料等）的更新升级、人（如专家、技工等）的科学技术水平提升、軟件资源（设计手册、经验、标准、协议等）的充实完善，都能够增强制造能力、提高产品质量。各类能量在相应领域知识库的支持下，以能量流的形式，凭借云制造服务平台的中间媒介作用，在云请求端和云提供端之间实现双向流通，既提升了云请求端的服务质量，又增强了云提供端具备的制造能力（包括设计能力、加工生产能力、仿真与实验能力、维护能力、管理能力等）。

3. 基于全面关系流管理理论的云制造复杂系统。在政治经济、技术水平、安全等大环境下，云制造作为一种复杂系统，其各个组成部分之间的相互协调与合作，实现将各类制造资源和制造能力虚拟化，封装压缩为“制造云池”，基于全面关系流（信息流、人流、物流、资金流和能量流）管理理论，将云制造系统中发生的所有服务行为进行集中协调、统一管理，建立云制造网络服务平台，为用户提供可随时获取的、按需使用的制造全生命周期服务，实现大制造系统的安全可靠、优质廉价、多方共赢、普适高效。

五、 结论

本文从全面关系流管理理论的视角对云制造进行了阐述。云制造作为复杂系统，在特定的环境下，其所表现出来的行为和功能是由关系流及输入流决定的，并分别阐述了存在于云制造系统中的信息流、物流、人员流、资金流和能量流。本文仅对云制造所处的环境及存在的全面关系流从全面关系流管理理论的角度进行了描述，如何用该理论进行控制是今后的研究目标。

参考文献：

1. 李伯虎，张霖等.云制造概论.中兴通讯技术，2010，16（4）.

2. 孙林岩，李刚，江志斌等.21世纪的先进制造模式——服务型制造.中国机械工，2007，18（19）：2307- 2312.

3. 刘飞，曹华军，张华等.绿色制造的理论与技术.北京：科学出版社，2005.

4. 李伯虎，张霖，王时龙等.云制造——面向服务的网络化制造新模式.计算机集成制造系统，2010，16（1）：1-7.

5. 陈康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状.软件学报，2009，20（5）：1337-1348.

6. 杨海成.云制造是一种制造服务.中国制造业信息化，2010，（3）.

7. 钱学森.创建系统学.太原：山西科学技术出版社， 2001.

基金项目：国家自然科学基金（项目号：71001072， 71271140）。

作者简介：谭立静，暨南大学管理学院博士生。

收稿日期：2013-12-08。