制造服务中服务协作链构建与优化研究*

陶 熠， 吴佑波， 刘瀚元

(1.重庆工商大学 a.商务策划学院 b.重庆市特色农产品加工储运工程技术研究中心 c.环境与资源学院 d.重庆现代商贸物流与供应链协同创新中心， 重庆 400067；2.重庆南开中学，重庆 400030)

0 引 言

经济的发展和市场需求的变化，催生出产业分工和产业转型升级的多元化，制造业和服务业相互渗透和融合，制造服务成为产业界、学术界共同关注的热点领域。关于制造服务的研究越来越多，总的来看，制造服务的研究集中在生产性服务业、制造服务运营方式、制造服务管理、制造服务平台等以下几个方面：

(1) 生产性服务业。生产性服务业推动经济提质增效[1]，新的经济增长点来源于PLM(Product Life-Cycle Management，产品生命周期管理)中的制造服务，多个发达国家制造业信息化的重点发展方向已涵盖制造服务[2]；即使目前关于制造服务的市场需求尚未大量涌现，在制造业信息化取得了大量建设成果的基础之上，制造服务有了很好的发展基础，经济社会发展的必然要求亦是制造服务[3]；开展制造服务是建设资源节约型、环境友好型社会，发展低碳经济的方向[4]；贺可太等[5]针对服务提供商的选择准则，建立了一般评价指标体系和可扩展的量化模型。

(2) 制造服务运营方式。云制造被业界专家学者认为是面向网络化开展制造服务运行的新模式[6-7]；同时有学者提出制造服务中典型的运营方式是云制造[8]；服务型制造亦被广泛研究，其概念、起源、机理等都有学者进行了研究[9]；关于现代制造服务的典型运营方式，有学者选取了若干运营方式进行了对比分析和选择决策的研究[10-11]，有学者研究了两级服务活动中再制造服务决策方法[12]；黄辉等[13]从宏观和微观两个角度分析了云制造的运作模式。

(3) 制造服务管理。有学者通过建模的方式进行制造服务管理研究[14]，亦有关于任务分配在制造服务中的应用研究[15]；杨玉舒[16]建立了排序模式下基于三维结构的制造服务组合优化模型，以解决包括服务聚合、服务选择和服务排序在内的三维组合优化问题；封宇等[17]为了解决云制造服务的信任评价问题，为云制造服务使用者提供服务选择的准则，并为平台运营者提供服务管理的方法，提出一种层次化可配置的可信评价模型；刘婷婷等[18]在基于模糊集的基础上构建了制造服务模糊决策优选模型；郑炜等[19]建立了基于双层蚁群算法的，以时间最短、成本最低、能耗最少、可靠性最高为目标的服务组合优选模型。

(4) 制造服务平台。智能搜索引擎的原型系统建立于中小企业制造服务云平台上，其核心思想即为云制造服务模式[20]；易树平等[21]为解决云制造服务平台中制造任务分解与资源配置环节脱节的问题，提出了一种基于聚类算法的任务分解优化方法；关于再制造的云平台通过闭环供应链中需求整合、资源对接、制造服务集成等方式实现制造管理服务化[22]；赵道致等[23]采用Hotelling模型建立价格竞争和需求函数模型对制造服务平台供需关系进行了研究。

以上研究表明：关于制造服务的研究集中在生产性服务业、制造服务运营方式、制造服务管理、制造服务平台等。制造服务的典型特征虽然有不同方面的描述和研究，但是其核心概念“基于服务的制造和面向制造的服务”却是学术界与产业界的共识。

在人工智能和智能制造时代，基于互联网+环境，发展制造服务业、开展制造服务是产业界和学术界的机遇和挑战。尤其关于制造服务中智能业务协作是实现智能制造、智慧型制造的关键基础。制造服务的服务内容涵盖了设计服务、仓储运输服务、商贸服务、供应链管理服务、信息与金融服务等。通过归纳相关研究，不难总结制造服务的显著特征如下：

首先是相关性和关联度特征。制造服务既跟制造相关，又跟服务相关，仅就其与制造和服务的关联度高低不同。制造服务非孤立存在于企业生产服务活动当中，制造服务必须依托于制造这一基础活动方可存在，其本质是为制造活动进行服务，同时，制造服务具有明显的服务特征，其业务可以从制造活动中剥离出来，制造服务与制造的相关性大小和关联度高低决定其生命力大小。

其次是可分解和可重构特征。鉴于制造服务典型的服务特征，以及其可从制造活动剥离的特征，因此制造服务可分解为不同的单元，封装成不同的制造服务模块，并进行重构和重组，根据服务组合的不同，对外形成具有各种服务能力的制造服务组合。因此，制造服务单元具有分解性和重构性。

1 制造服务中的服务协作链

制造服务是“面向制造的服务”，如图1所示，研发、设计、采购、市场调查、库存控制、配送、销售、维修、质量控制、外协加工、金融和物流等服务存在于制造各个阶段。

图1 制造各阶段所需服务示意图Fig.1 Sketch map of service requirements for manufacturing stages

以外协加工为例，作为制造服务的一种，在企业制造活动过程中，往往会因自身加工能力不足而进行零部件外协加工或工序外协加工。如某企业在一段时期内收到了大量的订单，按订单要求均需进行按时交货，因其自身加工能力不能满足订单的交货期要求，则需将部分零部件的生产加工任务进行外协，寻求外部业务协作伙伴进行外协加工的生产方式。工序外协一般存在于某些特殊加工对象或某些加工对象的特殊工艺，如某生产厂商对某成套设备的某大型器具不具备加工能力，则需将该器具的加工进行外协。

从制造服务需求来看，在外协加工制造服务过程中，一项任务往往需要多个外协加工企业或外协加工工序才能完成。因此，不同的外协加工制造服务任务可分解为若干协作子任务，各协作子任务根据作业时间先后或者交货期的先后组成了一条服务协作链(Business Collaboration Chain, BCC)。服务协作链的运行效率关系到企业生产效率，进而影响企业整体运作。服务协作链的管理成为重要内容，有必要对服务协作链产生机理、动态变化、控制决策等进行研究。

服务协作链由不同服务子任务组成，以外协加工为例，若外协加工制造服务任务需要若干外协加工子任务时，各外协加工子任务的服务组合即生成了服务协作链。服务协作链根据协作任务的组成不同，以及服务协作任务组合的时间序列或作业序列差异，分别构成服务协作单链、服务协作多链。对服务协作链中串行任务和并行任务进行建模优化，即为组合优化问题。

2 服务协作链定义

服务协作链中有各种不同的制造服务协作对象、需求服务协作企业等，服务协作链中的关键核心企业需要对服务协作链的有效长度和运行效率进行管控，以便对服务协作质量进行控制。核心企业需要重点考量的因素是服务协作链的长度，因为服务协作链的长度是决定服务协作质量的一个重要因素。据此，对服务协作链进行如下定义：

定义1 服务协作链(Service Collaboration Chain, SCC)：将服务协作各组子任务，按服务的时间先后顺序或作业顺序进行组合排序，从而形成关于服务协作任务的有序集合。

服务协作链是通过对不同的服务协作子任务进行封装和链接生成的，为提升服务质量和服务水平，服务协作链对不同的服务进行优化组合，从而满足更广范围的服务协作供需双方的目的和需求。

定义2 通用服务协作任务(General Service Collaboration Task, GSCT)：指一般常用方法可实现的通用服务协作任务。

定义3 特殊服务协作任务(Special Service Collaboration Task, SSCT)：指通过特殊方法方可实现的特殊服务协作任务。

服务协作链的组装需要满足服务业务协作调度的一般要求，将通用服务协作任务加以组合并封装成链，便于服务业务协作调度时进行服务协作的调用。对于一些比较特殊的服务协作任务，也可以通过对服务协作链进行逐步扩展，以此进一步丰富服务协作链。

服务协作链SCC定义为以下多元组：

L={LGSCT,LSSCT}={[LGSCT1,LGSCT2,…,LGSCTm],

{LSSCT1,LSSCT2,…,LSSCTn}}

(1)

其中，LGSCT表示通用服务协作任务，LSSCT表示特殊服务协作任务，二者组合为L服务协作链。本文构建服务协作链时，选取模块化方法[24]对服务协作链进行建模，各服务协作任务具不同的粒度大小，可组建为若干服务协作模块，再由不同服务协作模块组建为服务协作链。

3 基于Petri网构建服务协作链

在服务协作链建模过程中，一是要描述服务协作链的组成，二是要描述各服务协作任务、各服务协作子任务的相互作用和关系。鉴于Petri网对于异步并发系统建模的优越性，且服务协作链的任务组成多为异步并发任务，采用Petri网建模方法建立服务协作链模型如图2所示。

图2为基于Petri网的服务协作链模型图，其中，L表示服务协作链构成元素的处所，C表示服务协作链构成元素的变迁。可用五元组来表示基于Petri网的服务协作链：PSCC={L,C,I,O,R0}，其中，L表示服务协作链元素的处所集合，C表示服务协作链元素的变迁集合，I表示输入集合，O表示输出集合，R0表示规则集合。{L,C,I,O,R0}五元组表示Petri网系统。位置集合L和变迁集合C的含义如表1所示。

图2基于Petri网的服务协作链模型图
Fig.2ModeldiagramofbusinesscollaborationchainbasedonPetrinet

4 服务协作链优化

服务协作链由若干具有时间序列和物理序列的服务协作任务所组成，各服务协作任务具有逻辑关联，各服务协作任务的有序组合即为服务协作链，如图3所示。服务协作链的执行情况直接影响服务协作的效率。在服务协作任务执行过程中，存在许多外来因素或不可控因素的影响，需要对外协加工服务协作链进行动态监控，通过对各服务协作任务结点的执行情况进行监控，根据服务协作目标动态优化服务协作任务，重新构建新的服务协作链。

图3 外协加工服务协作链示意图Fig.3 Sketch map of collaboration chain for outsourcing processing service business

调度中心运用服务协作调度方案对服务协作任务进行调度，调整生成重组后的服务协作链。启发式算法常被用于对服务协作链的优化方，其中贪婪算法是解决最优化问题的近似方法[25]。贪婪算法的算法过程和思想如下：在寻优过程中，算法的每一步决策都是贪婪的，且不可在决策后进行更改，贪婪因子是其决策依据，如何设定贪婪因子是贪婪算法的核心。以外协加工为例，在图3所示的服务协作链模型中，对服务协作链中的每个服务协作任务进行作业时间赋值，最小作业时间即为服务协作链的优化目标，可利用贪婪算法进行求解。

表1 服务协作链模型参数定义Table 1 Parameter definition of business collaboration chain model

贪婪因子即为Si(t)，贪婪算法的计算过程如下：

步骤1 计算服务协作任务提供者是否具备完成服务协作任务的时间，若否则退出算法；否则转至步骤2。

为空，迭代变量j=0。

步骤3 从剩余服务协作提供者(n-j)中选取1个服务协作提供者加入到Si中，构成(n-j)条服务协作链。

步骤4 计算目标值Stotal(i)(1≤i≤n-j)，其中(n-j)为(n-j)条服务协作链。

步骤5j=j+1。

步骤6 检查必要条件满足情况，若Si满足，则为近似最优解；否若Si满足不满足必要条件，则构成新的服务协作链Si，转步骤3。

实例验证：以外协加工为例，在某外协加工服务协作中，协作总任务数为20，有20个服务协作提供者，每项任务均为并发任务，并可由服务提供者独立完成，任务的先后约束关系在此可忽略，各服务提供者的服务能力用矩阵表示为[SNSTSP]描述，矩阵中SN表示可完成的任务数，ST表示相应任务的服务时间，SP表示相应任务的服务价格，服务能力矩阵H=[ABCDE]T中：

构建服务协作链时确定贪婪因子为服务时间，算法过程依次从服务提供者中选取时间最小的加以组合，目标函数为Si(t)服务时间最小。利用贪婪算法进行该服务协作链的优化，其结果如图4所示。其中O表示开始进行服务协作链的组建，Pi表示组建服务协作链的各结点，E表示组建服务协作链完成，该服务协作链的Si(t)值为28。

图4 贪婪算法对服务协作链的优化结果Fig.4 Optimization results of greedy algorithm for business collaboration chain

5 结 论

制造服务是面向制造的服务，具有与制造和服务的关联性以及服务的分解性和重构性。制造服务中服务协作链是根据服务协作需求，将服务协作任务以服务流程先后顺序加以组合而成的服务协作任务的有序集合。服务协作链将不同的协作服务进行组织，用以满足更广范围内的服务协作需求双方的对接，其运行效率对制造服务能力有显著影响，构建和优化服务协作链是实现智能化制造系统的前提条件，也是先进制造系统的坚实基础。