产业互联“智造”供需网演化研究

刘亚凌 （上海理工大学 管理学院，上海200093）

0 引 言

2008年爆发经济危机之后，全球经济受到重创，各个国家通过制定不同的发展战略，积极应对金融危机造成的影响。美国的“再工业化”、德国的“工业4.0”，李克强总理提出的“中国制造2025”，这些战略的本质都是利用信息技术推动产业的智能化转型，为实体经济的发展提供新动力。产业互联网是互联网、云计算、大数据、人工智能等技术与各行各业融合过程中产生的新的产业形态，是我国推动经济由高速发展向高质量发展转型以及产业结构升级的产物。随着新兴信息技术的广泛应用，促使企业内部各部门之间、不同企业之间、不同行业之间以及企业与消费者之间形成了紧密的连接。产业互联网以信息技术为支撑，促进产业链各个环节的资源共享，提高各个组成部分的运作、协调的效率，增强产业的创新能力，为生产方式、产业结构等方面的变革提供动力，为结构性改革提供新的着手点。

为了满足消费者日趋复杂和多样化的消费需求，许多企业开始向多领域、多行业跨界发展，产业互联网的理念促使企业借助互联网等技术构建开放共享的信息平台，从而突破地理位置的限制和行业壁垒，与其他企业形成更加密切的合作关系，使得企业形成信息上的集聚，从而打破了原有链状的产业结构，最终形成一个完整的网络化的产业体系。以腾讯为例，最初通过QQ、微信社交软件，不断扩大用户量，打造开放的社交平台，2018年以后开始调整业务布局，跨界到智慧零售、智慧医疗、智慧金融、智慧政务等不同领域，逐渐从消费互联网向产业互联网转型。

供需网是在供应链的基础上，针对企业之间多种“供需流”交互作用提出的管理理念[1]，供需网的开放性、节点和供需流的多样性，为产业互联网的研究提供了独特的研究平台。传统的供应链概念是以商品流为纽带，由原材料供应商、制造商、经销商和消费者组成的链状结构，而供需网则是更加稳定的动态网络结构，各节点之间不仅仅是物流的交互，还包括信息、技术、人才、管理等多种供需关系，供需网中的节点摒弃了“供应链内合作、供应链之间竞争”的有限范围内的合作模式，建立起更加开放、更加多样化的合作。供需网视角下，产业互联网的本质就是由不同主体组成的，通过主体间的交互作用，形成的一种动态供需网络。

目前，关于产业互联网的研究，主要观点有：Nambisan 等的研究认为新一代数字化技术的使用催生了新的价值创造和价值分配途径，改变了企业的商业模式和组织结构，推动了产品和服务的创新[2]。Mcintyre 等的研究认为互联网背景下，平台的出现为相关企业和用户之间网络的构建提供了媒介，为企业之间新的合作关系的建立提供了机会[3]。Shaikh 等的研究认为传统的企业战略联盟难以适应当前数字化背景，企业开始寻求新的开放式的战略合作伙伴关系[4]。孙煊卿分析了产业互联网对企业战略转型的影响，提出了企业转型升级的路径以及相关建议[5]。柳洲认为“互联网+”的目的是推动社会和经济向帕累托最优状态发展，是技术、文化、经济、社会的耦合系统，互联网技术与传统产业的融合产生了“互联网+”型产业集群[6]。

供需网是由国内徐福缘教授在传统企业管理模式的局限性上提出的理论，胡伟等以供需网为研究对象，建立了供需网企业完全合作和非完全合作决策模型，通过仿真模拟了企业的不同决策下产品产量和利润的变化情况[7]。梁莹用社会网络理论研究供需网企业的知识协同，研究了供需网企业因知识协同产生的网络结构[8]。国外学者则在供应链网络的特性、供应链的运行等方面都有比较深入的研究。Marchi 等构建了供应链网络适应性模型，研究表明供应链网络具有自适应性[9]。在供应链的演化方面，主要是运用演化博弈理论[10]、仿真建模[11]、复杂网络等方法研究供应链网络的演化机制。Barabasi 等人发现网络的无标度特性并提出了BA 网络模型之后[12]，复杂网络理论开始被广泛的运用到供应链网络中。Li 等认为网络节点的择优连接是在一个局域世界而不是在整个网络中进行的，构建了局域世界演化模型[13]。Pathak 研究了供应链网络生长过程中的影响因素及涌现机制，分析了供应链网络的动态演化[14]。Thadakamalla 等构建了考虑节点角色差异的供应链网络演化模型，该模型中将节点划分成了不同的种类，相同种类的节点之间不进行连接[15]。

综上，目前国内关于产业互联网的研究主要是对产业互联网的概念、产业互联网背景下企业转型的路径等方面定性的研究，国内外也很少有人从供需网的角度研究产业互联网，因此，为了更好地描述产业互联网，本文从供需网的管理模式出发，分析了产业互联网“智造”供需网的演化动因，以BA 模型为基础，提出了产业互联“智造”供需网可能的演化规则，构建了网络演化模型，并通过仿真实验验证了网络演化模型的有效性。

1 产业互联“智造”供需网结构演化

本文从供需网的视角出发，将产业互联网内的企业抽象为网络的节点，企业与企业之间、企业与消费者之间、企业与环境之间的信息、技术、产品、人才等多种供需流的交互作用抽象为边，提出构建产业互联“智造”供需网演化模型，产业互联“智造”供需网的网络结构如图1 所示。其中“智造”不仅仅指制造过程中生产技术的智能化改造，还包括依托开放共享的信息平台，在产业内外各个主体之间建立数据连接，利用大数据、云计算等技术对生产、消费各个环节产生的海量数据进行快速处理，加快信息在各个环节的流通，实现供需匹配、资源配置、生产服务方式的智能化与数字化，最终达到提升企业的运转效率，降低企业运营成本，增强企业的竞争力和价值创造能力的目的。本文分析了产业互联“智造”供需网的演化动因，并在BA 模型的增长特性和择优连接机制的基础上，构建了产业互联“智造”供需网演化模型。

图1 产业互联智造供需网结构图

1.1 产业互联“智造”供需网的演化动因

（1）资源的依赖性。任何企业拥有的资源都是有限的，所以需要不断地从外界获取自身发展所需的资源，产业互联网为企业提供了资源集聚的平台，能帮助企业获取、共享资源或服务，产业互联网的资源优势吸引企业加入产业互联网，企业进入产业互联网后会主动寻找自己需要的各种资源，这种个体的自发行为推动了产业互联网的发展。

（2）企业间的合作关系。为了应对同类企业之间激烈的竞争，产业互联网中的企业存在择优选择合作伙伴的行为，网络中企业的合作关系会随着时间变化，从而引起产业互联网结构的变化。

（3）内外部环境。产业互联网作为一个开放系统，会不断与外部环境、与其他产业互联网之间发生资源、信息的传递。当节点所处的环境发生变化时，网络节点会根据环境的变化调整自己的行为，从而适应环境的改变。因此，网络内外的环境也是影响产业互联网发展的重要因素。

1.2 产业互联“智造”供需网的演化规则

产业互联“智造”供需网的本质是一个动态开放的复杂系统，外部企业通过和网络成员企业建立合作关系进入网络，随着网络的发展，网络内部企业之间也会根据自己的需求建立新的连接，在BA 无标度网络的基础上，通过分析产业互联“智造”供需网的演化动因，提出了以下几种演化规则：

1.2.1 增长规则。产业互联网旨在帮助企业降低运营成本，提高企业的经济效益。网络发展初期，网络内企业的数量较少，随着产业互联网的发展，为网络内企业资源的整合创造了条件，使企业之间形成优势互补，因此会不断有新的企业为了获取更多的利益被吸引加入网络，与网络中其他企业建立不同的联系，网络内节点的数量呈现增长的趋势。网络发展的不同阶段，节点加入的速度也是不同的，为了符合BA 模型的增长特性，本文只考虑节点数量增长的情况，将网络的演化分为两个阶段，分别是节点数量快速增长的快速生长阶段和节点数量增长减缓的缓慢增长阶段。

1.2.2 择优连接规则。新的企业在加入产业互联网时，遵循择优连接机制，一方面会考虑节点的度即企业拥有的合作关系数量，趋向于和网络中合作关系较多、规模较大的企业建立联系，从而快速获得较多的连接；另一方面会考虑企业的资源独特性，资源独特性是企业在技术、数据资源等方面的优势，即企业拥有的资源、技术的价值越高或越不容易被其他企业模仿和替代，该企业的资源独特性越高。即使一个企业暂时拥有的合作关系较少，但如果该企业拥有较高的资源独特性，也会吸引新进入网络的企业与其建立联系。另外，由于企业资源、技术、能力等方面的限制，任何企业都不可能无止境的和其他企业相连，本文设置了节点度的上限，当节点度达到这个上限值，就不再和其他节点相连。

1.2.3 内部合作规则。随着产业互联网的发展，成员企业各种各样的需求会不断增加，因此除了新节点的加入，网络内的企业也可能会与之前没有连接关系的企业建立合作，网络内边的数量增多。

1.3 产业互联“智造”供需网的演化算法

本文构建了一个节点具有资源独特性的产业互联“智造”供需网两阶段演化模型，演化的第一阶段只考虑新节点的加入，演化的第二阶段新节点加入网络的速度降低，模型的演化过程如下：

（1）假设网络在初始时刻下有m0个节点，e0条边，设定网络演化第一阶段的网络节点数为N1，第二阶段的节点数为N2；

（2）快速生长阶段：每个时间间隔向网络中加入1 个新节点，新节点可以与网络内的m 个节点相连(m≤ m0)，网络内现有节点i 与新节点连接的概率如下：

其中：ki是节点i 的度，kmax是节点度的上限值，αi是节点的资源独特性因子，∑jαjkj是网络中其他节点资源独特性因子与节点度乘积的总和。

（3）重复执行步骤（2）至网络节点数量为N1，第一阶段演化结束；

（4）缓慢生长阶段：网络节点数量达到N1之后，每个时间间隔，选取以下规则中的一条进行演化，从而使得网络节点的增长速度降低：

（a）点的增加：以概率p1加入新节点，新节点加入的规则与步骤（2）中的相同；

（b）边的增加：以概率p2在网络现有节点之间增加边，随机选取网络中的某个节点i，再根据公式（1）的概率择优选取另一个节点k k≠( i )，在节点i 和节点k 之间新增一条边，其中p2=1-p1；

（5）重复执行步骤（4）至网络节点数量增长至(N1+N2)，两阶段的网络演化结束。

2 产业互联“智造”供需网演化模型仿真分析

为了检验模型是否有效，研究模型的网络特征，本文使用Matlab 对模型生成网络的过程进行了模拟，设定演化模型中参数的取值如下：

（1）初始时刻产业互联“智造”供需网节点数m0=5，每个时间间隔内新节点可以与m=3 个节点相连。

（2）节点资源独特性αi是服从(0,1 )正态分布且取值范围在[0,1 ]的随机数，小部分节点拥有不容易被模仿和取代的高价值资源，其他大部分节点的资源价值还有很大的提升空间，节点度的上限值kmax=100。

（3）第二阶段加入新节点的概率为p1=0.7，网络内部现有节点之间连边的概率为p2=0.3。

（4）第一阶段演化结束后网络节点数量N1=1000，第二阶段演化结束后总的节点数量N1+N2=2000。

2.1 网络拓扑图

图2 是网络模型随着时间的推移演化至不同阶段的结构拓扑图，网络结构从简单变得复杂。初始时刻网络是一个完全图，每对节点之间都有连边，5 个节点代表最初组成产业互联“智造”供需网的企业。随着互联网等信息技术在资源整合、信息共享、业务流程优化等方面优势的发挥，促进了网络内企业的发展，产业互联网的优势逐渐显现，开始吸引其他相关企业，产业互联“智造”供需网开始快速发展。图3 为网络快速生长阶段的网络图，这个阶段下不断有新节点通过和网络中现有节点建立联系加入网络，网络规模快速增长。由于资源、市场需求等因素的限制，随着网络的发展，新企业进入网络的速度降低，除了新企业的加入，网络内现有企业会按照自己的需求与其他相关企业建立新的合作关系，网络进入缓慢生长阶段，在这一阶段，网络的演化除了新节点的进入，还表现在网络内企业之间联系的增强。图4 是网络在缓慢生长阶段的网络图，新节点加入网络的速度变慢，网络规模的扩张速度降低。

图2 初始状态网络图

2.2 网络的度分布图5 和图6 分别是网络演化第一阶段和网络演化结束后的度分布图，度分布是网络的重要统计特征，节点的度是与这个节点相连的边的数量，度分布P(k)是度值为k 的节点在网络所有节点中的比例，由图可以看出，只有少量节点拥有较多的连接数，大部分节点拥有的连接数较少，因此产业互联“智造”供需网演化模型生成的网络具有无标度特性，演化模型是对BA 模型的一种扩展。

2.3 平均集聚系数

平均集聚系数反映的是网络中节点集聚在一起的程度，集聚系数指的是与某个节点相连的节点之间的连接程度，实际网络的节点更倾向于形成紧密的连接，实际网络往往拥有更高的集聚系数。集聚系数越大，说明节点之间的联系越紧密，节点企业之间的合作程度更高，因此有利于节点之间信息的传递以及资源的有效整合。对产业互联“智造”供需网演化模型进行仿真，得到模型演化至不同规模的平均集聚系数如表1。

图5 快速生长阶段的度分布图

图6 网络演化结束的度分布图

表1 网络统计特征

2.4 平均路径长度

平均路径长度指的是网络任意两节点之间距离的平均值，模型演化至不同规模导出的平均路径长度如表1，本文构建的产业互联“智造”供需网演化模型生成的网络具有较大的集聚系数和较小的平均路径长度，具有小世界特性，并且和相同网络规模的BA 模型相比，平均集聚系数比BA 模型大，平均路径长度比BA 模型小，即本文模型生成的网络连通性和紧密性更强，有利于节点之间供需质的流动，因此本文的模型能更好地刻画产业互联“智造”供需网。

3 结束语

本文将产业互联网看作相关企业和消费者组成的，彼此之间存在物质、技术、信息、人才、服务等多种交互作用的动态供需网络，提出构建产业互联“智造”供需网演化模型。在BA 模型的基础上，分析了产业互联“智造”供需网的演化动因，对网络的增长特性和择优连接机制进行了改进，构建了一种考虑节点资源独特性的网络规模增长的两阶段网络演化模型，并利用Matlab 进行仿真，将本文模型和BA 模型的集聚系数、平均路径长度进行了对比，仿真结果证明了本文提出的网络演化模型生成的网络具有无标度特征和小世界特性，更有利于数据、信息、技术及其他资源在网络中的快速交互，在一定程度上可为产业互联网演化机制的研究提供参考。