需求驱动的复杂重型装备网络协同服务模式

常丰姣，吴 锋，王红涛

(1.西安交通大学 管理学院，陕西 西安 710049；2.效率工程与过程控制教育部重点实验室，陕西 西安 710049；3.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 7100321)

0 前言

在制造产业链中，复杂重型装备是一类关键的基础装备，它能够体现一个国家的高端制造能力和水平，也是国民安全的重要保障，因此复杂重型装备在各个国家均具有非常重要的战略地位[1]。近60年来，中国重型装备制造业从无到有，从不断追赶到不断超越世界先进水平，特别是2017年以来，重型机械行业明显发展，在不断转型中创新升级，不仅发展出了一批批国之重器，也在朝着高端制造稳步迈进[2]。

当今世界正处于百年未有之大变局，人工智能、区块链、量子科技、工业互联网[3]、社交媒体、经济全球化等多重因素共同撼动旧局，推动新局[3]。在该大变局下，生产力起着决定性的作用，而作为国之重器的复杂重型装备也是本次大变局的一大动力。因此，重型装备制造业必将迎来一场新的发展机遇，不仅能够显著提升我国重型装备制造业整体水平，同时还能够大大提升我国在重型装备行业的国际竞争力。

新变局下，随着“中国制造2025”、“德国工业4.0”和新一轮产业革命的到来，大数据、云计算等新兴技术大力发展，驱动着重型装备企业向智能制造方向转型升级，而复杂重型装备行业的持续性变革离不开智能化平台的构建[5]。例如，美国Caterpillar 与 Parametric Technology Corporation、英国Davy 公司以及德国 Siemens等均开始搭建智能平台以提升复杂重型装备的定制水平，日益严峻的国际外部环境对我国复杂重型装备的未来发展提出了非常大的挑战[6]。2010年，李伯虎等人[7]基于对网络化制造等相关模式的研究，在云计算、物联网等技术的基础上提出了云制造这一面向服务的网络化制造模式，该模式研究云制造服务平台下如何利用各类关键技术为用户提供按需制造服务。随后，张霖等人[7]对深入分析了云制造与敏捷制造、网络化制造等典型模式之间的区别与联系；李伯虎等[9]在已有文献的基础上进一步丰富了云制造服务系统的内涵；面对研究中存在的关键问题理解不一致等问题，刘永奎等[10]进一步做了深入研究并明确了云制造定义及云制造与云计算之间的区别关系。复杂重型装备网络协同制造平台正是在云制造服务平台基础上针对复杂重型装备行业搭建的多方协同化服务平台，国内外的行业压力与时代变革的机遇推动了复杂重型装备网络协同制造平台的发展，也推动了该平台下各类问题的研究进展。

经济全球化趋势下，面对客户需求的不确定变化和制造业发生的巨大变革，服务化已成为当前全球制造业发展的主要特征之一，全球产业结构呈现出从“工业型经济”向“服务型经济”转型的趋势，在此趋势下，各行业均在寻求方式规避制造企业“服务悖论”[11]问题并构建服务化的创新模式[12]。在这样的社会经济背景下，复杂重型装备作为国之重器，对其生产制造过程中的协同化服务提出了更高的要求。目前我国的重型装备制造行业仍存在很多不足，比如大多重型装备产品还处于中低端水平，而核心技术产品却需要进口[13]，且复杂重型装备结构复杂、工艺多样，制造过程中各参与方之间的交互频繁，非结构化程度非常高，使得其生产制造过程中的协同服务难度更大，转型升级更为困难[14]。因此，针对复杂重型装备由于交互频繁、业务交叠导致数据和信息非结构化程度高，面向对象/流程的协同服务难度大等问题[15]，基于复杂重型装备网络化协同制造平台，研究需求驱动的复杂重型装备网络协同服务模式，对实现复杂重型装备制造业务水平的提升和复杂重型装备网络化协同制造的发展具有十分重要的意义。

本文首先对复杂重型装备行业项目交互过程进行了分析，基于交互过程分析并总结了项目中各参与方的潜在需求，重新定义了需求驱动的内涵；随后构建了基于平台的网络协同机制；最终提出了复杂重型装备网络协同服务模式，旨在为复杂重型装备网络协同制造平台的构建提供理论指导。

1 复杂重型装备行业需求分析

复杂重型装备通常规模较大且结构复杂，每款产品均需按照客户要求重新设计生产，所涉及的知识技术领域较广，另外，客户对产品专业知识及功能属性的掌握程度有限，他们提出的需求通常都是非结构化的，具有模糊性、多样性、不规范性、矛盾性和动态性等特征。这些导致复杂重型装备项目实施过程中需要各参与方针对项目信息以及客户需求进行多次交互，这增加了需求分析的难度，提高了交互过程的复杂性。复杂重型装备行业中，以往需求指的是终端用户的需求，但随着技术浪潮的推进，重型装备行业的各类公司均产生了各自独特的需求。因此，本文对需求的定义不再单指用户对产品的需求，还包括了用户潜在的其它需求和其它参与方的可能需求。本节从复杂重型装备项目交互过程出发，分析交互过程中各参与方可能产生的需求，以从需求驱动的角度，建立复杂重型装备网络协同服务模式。

1.1 复杂重型装备项目交互过程分析

图1所示为复杂重型装备项目交互过程。以挤压机为例，在传统的复杂重型装备生产制造过程中，设计公司、制造公司、装配公司和用户共同参与项目交互过程。第一阶段，由项目承包方，一般为设计方负责与用户沟通需求、确定总合同，交互内容为需求文件资料、设计图、合同等；第二阶段，由设计方与制造方签订合同，并交互设计图纸、任务书、工艺图、项目进度计划等；第三阶段，制造方将制造的产品各部件分批运往用户处，并与装配公司交互装配说明书等装配信息；最后，装配方完成产品装配并交付给客户。该过程历时周期长，进展缓慢，交互结构为链式结构，不同参与方之间很难做到实时交互，且交互内容复杂难以形成结构化标准，这些严重阻碍了项目进度。

图1 复杂重型装备项目交互过程

本文提出了基于平台的复杂重型装备项目交互过程，即将各参与方统一集中于复杂重型装备网络协同制造平台中，增加物流以及平台管理者之类的服务方，将交互过程由线下转移至线上，交互结构由链式改为扇形结构，以满足新变局下用户以及各装备制造企业的真正需求。不同于传统的交互过程，基于平台的复杂重型装备项目交互过程用户可以通过平台实时与其他各参与方进行交互，了解项目进度情况，且各参与方之间也能实时就项目信息进行交互。

1.2 复杂重型装备项目中各方需求分析

基于平台的交互结构使得复杂重型装备行业的需求也发生了很大变化，需求的主体由用户转变为行业内的各类企业，需求的内容也越来越多样化、复杂化。结合复杂重型装备项目的交互过程，本文分析并总结了各参与方目前存在的需求以及可能的潜在需求，为复杂重型装备网络协同服务模式的构建提供驱动力。

为了探究复杂重型装备项目中存在的各类需求，项目小组到中国重型机械研究院股份公司(中国重型院)和中国第二重型机械集团有限公司(二重)对挤压机这类复杂重型装备全生命周期过程中存在的问题以及各方需求进行了调研，调研结果发现，用户对产品的需求包括产品类型、关键参数、约定品牌、交付时间、成本等，项目周期缩短、进度监督、远程维修、故障诊断等是用户潜在需要但还未满足的需求。设计方与用户的交互过程中存在的潜在需求主要指对非结构化用户需求的规范化、识别和聚类，用户需求的确定是影响交互效率和阻碍项目进度的一大因素，除此之外，设计方潜在需求还包括基于用户需求数据的设计任务匹配、智能化分解和实时任务管理。制造方与设计方交互过程中数据及标准的不统一极大地影响了任务的进度管理，因此，图纸的自动转换，制造任务分解匹配，任务进度跟踪管理和可视化是重型装备制造企业现阶段的潜在需求。另外，复杂重型装备规模大，结构复杂，装配过程通常难以把控全局，因此，基于数字孪生等技术的装配方案仿真模拟、装配任务分解匹配等是装配公司的潜在需求。平台将各参与方集中在一起，将项目集成，统一进行项目管理，因此智能化的货物分批物流配送方案可能是物流服务方所需要的。最后，实时挖掘平台各使用方的深入需求是平台方所关注的最重要需求。

表1 复杂重型装备行业各参与方需求分析

需求驱动不同于传统的按订单设计，其意味着要从用户显性或隐性角度出发，针对用户需求定制化生产产品或提供服务。需求驱动所关注的需求是真实的、隐藏的、强烈的需求，也是先进用户的价值，因此是商业竞争的一大关键。另外，对于客户的重新定义也是需求驱动的另一层意义。在网络协同制造平台中，每一个参与者都是平台的用户，每一方都有各自不同的需求，需求驱动意味着关注到每一个用户的需求，深入挖掘这些用户的强烈需求，针对这些需求进行服务的创新与改进。

2 复杂重型装备项目过程中的网络协同机制

“协同”一词是自从20世纪70年代协同理论发展起来以后渐渐受到各行各业重视的。其中的协同效应表明各种系统间之间存在着相互影响又相互合作的关系，这种相互作用，通常能够实现单个子系统无法实现的效果。协同能够提高团队运作效益，增强团队创新能力，从而实现增值目标，是现代管理发展的必然要求。

然而，对中国重型院以及二重的调研结果表明，在复杂重型装备项目运行过程中，各企业间以及企业内部各团队间普遍存在着协同效应低下的情况，由于项目规模大、制造复杂、交互效率低下导致协同难度大，难以实现高效率生产制造。因此，在复杂重型装备这样结构复杂、交互频繁的制造领域，亟需通过网络化协同提高各个层级间的协同效应，提高服务价值。如图2所示，本文提出的网络协同机制是复杂重型装备网络协同制造平台中运行过程，利用智能化信息技术，如物联网、云计算、工业互联网等来实现复杂重型装备项目效率提升和效益最大化的工作方式的总和，在复杂重型装备生产制造过程中，网络协同化机制主要着眼于三个方面，即信息交互、业务关联和多维度协同。

图2 网络协同机制

2.1 信息交互

现有的复杂重型装备行业各公司间信息资源相互独立，存在大量的“数据孤岛”现象，然而大数据环境下各公司拥有的资源数据、服务数据与用户需求信息之间存在着关联性，只有通过网络化协同机制才能将这些分散的，不规则的数据信息相互交互，形成庞大的数据网络，打破各公司间的数据壁垒，才能及时了解用户需求，提供更智能的服务，提升重型装备行业制造水平。

2.2 业务关联

复杂重型装备生产制造过程中，不同公司之间的业务存在很强的关联性，例如，设计图纸的部分改变可能需要同时变更制造公司制造方案，因此需要利用协同化平台和信息化技术将复杂重型装备各业务环节关联起来统一整合管理，以便在更新各环节相关信息的同时变更关联环节，从而实现各业务之间的无缝对接。

2.3 多维度协同

复杂重型装备的网络化协同服务涉及到多个维度，首先是包括用户、设计公司、制造公司、装配公司、服务平台在内的不同参与方之间的外部协同，其次是各个参与方内部工作小组之间的内部协同。在多主体需求驱动与协同制造平台的支撑下，实现由外至内，由线下至线上的全方位多维度协同机制，全方位实现网络协同一体化的目标。

3 复杂重型装备网络协同服务模式

随着制造行业服务化转型，对制造服务化模式的研究也越来越深入，制造服务一般指的是生产性服务和生活性服务，根据服务种类以及服务特点的不同，不同学者从不同视角对制造业服务模式进行了分类。

林风霞等[13]认为，制造业服务化的典型模式包括个性化定制模式、研发设计服务化模式、供应链管理模式、产品全生命周期管理模式、总集成总承包服务模式和信息增值服务模式。任杉等人[14]则将典型的制造服务模式归纳为制造网络、服务型制造、云制造和社会制造，分别表示制造资源的封装与集成，制造与服务的集成，制造服务的开放协作和社会民众参与产品制造。李天柱[15]从价值共创(Value Co-Creation，VCC)视角下对制造业服务化模式进行了划分，将其分为产品延伸服务化、产品增强服务化、主导产品服务化、业务单元服务化和核心能力服务化五类，其中前两类为初始服务模式，中间两类为中等服务模式，最后一类为高等服务模式。

而随着人工智能、大数据、智能制造的出现和普及，信息技术等拉动制造服务向智能制造服务方向发展，由此出现了智能制造服务模式[16]，不同于典型的制造服务模型，智能制造服务模式面向产品全生命周期，面向协同，基于数据挖掘和知识发现，能够向价值链两头拓展，并能实现远程智能服务，满足客户自主服务，为客户提供深度体验服务。常见的智能制造服务模式包括大数据驱动的智能制造服务模式，如基于电商大数据的制造服务；物联网驱动的智能制造服务模式，如社会性网络服务；基于云计算平台的智能制造服务模式，如华为的云计算平台智能制造服务等。

“中国制造2025”政策的大力推进促使重型装备行业向着智能化协同化服务方向发展，在该发展背景下，针对复杂装备网络协同制造平台的研究应运而生，在该平台基础上，针对我国复杂重型装备服务机制不完善，网络化和智能化程度有待提高等问题，提出了需求驱动的复杂重型装备网络协同服务模式，该模式基于产品全生命周期，以各参与方潜在需求建立服务模式，利用网络协同制造平台实现复杂重型装备生产制造过程中的全方位协同，以提升重型装备行业的智能化服务化水平，提高效率。

如图3所示为需求驱动的复杂重型装备网络协同服务模式，该模式是以复杂重型装备平台用户需求为驱动，借助智能化信息技术、平台和云，构建多合作方共同参与的，覆盖产品全生命周期的复杂重型装备行业提供服务和被服务的方案模式。该服务模式基于复杂重型装备网络协同制造平台，包含多主体需求驱动机制，协同服务机制以及基于产品全生命周期的复杂重型装备网络协同服务。首先，分析项目交互过程中的多主体需求，针对潜在需求，利用信息化技术、人工智能、云平台等工具建立复杂重型装备网络协同制造平台，并持续性深入挖掘分析多主体需求，需求驱动复杂重型装备网络协同服务功能不断持续更新；其次，基于平台用户的服务数据和资源数据建立信息交互、业务关联和多维度协同机制，以确保业务顺利开展；最后，针对特定项目提供基于全生命周期的协同服务。具体服务内容包括，首先基于web信息源对用户需求进行识别聚类分配项目组；之后进行协同研发设计和协同制造，实现复杂重型装备零部件的规范化和制造的模块化，确保任务合理派发；之后，分批物流配送、产品装配和交付；最后，产品使用过程中基于平台和协同机制，故障诊断、远程运维等服务均能被实现。该服务模式能够帮助实现项目周期缩短，全程可视化，达到客户满意度显著提升的效果。

图3 需求驱动的复杂重型装备网络协同服务模式

4 实施难点分析与解决方案探讨

上述复杂重型装备网络协同服务模式是基于复杂重型装备网络协同制造平台提出的，但现阶段，该协同服务模式还难以实现项目运行，为此，本节分析了该协同服务模式运作过程中存在的一些难点，并探讨了一些可行的解决方案。

4.1 复杂重型装备网络协同服务模式运行难点分析

针对复杂重型装备网络协同服务模式运行过程中存在的种种问题，总结了难点。

(1)跨组织、跨区域协同管理难度大。复杂重型装备网络协同服务模式涉及行业内部多方参与者，这些企业大多分布在全国的不同省份，不同区域，协同服务要求在成本、进度、质量等多方面同时对多参与方工作进行协同管控，管理范围广、管理强度大，如何确保各参与方协同合作是该服务模式运作过程中需要解决的一大问题。

(2)存在数据壁垒、知识共享难以实现。一方面，复杂重型装备属于关键基础装备，在国家中具有重要的战略地位，复杂重型装备行业企业数量少，各企业内部资源相对独立，数据保密性意识较强，大多企业不希望甚至不愿意将企业内部数据放于平台中共享。另一方面，各参与方的设计、工艺等图纸、标准均属于企业知识产权，出于信息泄露与产权意识的考虑，基于平台的协同设计风险较高，难以实现。另外，各企业间对同类产品的标准不一致，知识共享存在标准障碍。

(3)装备复杂，资源分解匹配难度大。复杂重型装备结构复杂，设计、制造周期长，任务繁杂，分解难度较大，且数据壁垒的存在导致难以通过对各企业数据分析完成智能化任务分解匹配等。

(4)多方需求实时识别分析驱动服务更新。本文提出的网络协同服务模式是以多方需求为驱动的，而用户需求不是一成不变的，如何在不同时间准确把握平台用户的需求对平台进行服务更新是服务模式运行过程中永恒不变的话题。

4.2 解决方案思考

针对本文难点问题，本文从技术发展和智能化的角度探讨了可采用的相关方案，这些方案大多需要深度融合多领域知识体系，多类新一代信息技术，以推动行业转型升级。另外，这些相关技术的开发与应用也将作为团队接下来的研究重点。

(1)深化整合多方平台。复杂重型装备行业中，各企业内部均有各自的服务平台，深化整合集成多方平台与协同制造平台，深度融合制造服务，实现复杂重型装备行业纵向横向一体化集成，能够最大化实现各方协同管理，极大地降低成本，提高效率和效益，为客户创造更大价值。

(2)开发工业智能网络技术，提升网络安全。将区块链等网络安全技术应用于网络协同平台中，开发包括大数据和云计算环境的加密技术、基于区块链的分布式可信认证技术、基于自主愈合的网络威胁响应与处理技术等，以保障平台中的数据信息安全，确保知识共享机制顺利实施。

(3)致力于知识工程与行业知识软件化。研究行业技术的分类标准和体系架构，不断优化行业知识软件系统和标准，比如用户非结构需求规范化标准，行业设计、工艺标准等，建立促进创新和一体化的标准化文件，以打破各企业间数据壁垒现状，实现多方数据的完美对接。

(4)建立智能优化决策系统。基于行业标准和体系架构，搭建设备数据采集技术，基于数据进行知识发现和规则提取，针对性提出复杂重型装备的云平台任务匹配和资源调度技术，分布式智能控制技术，以实现实施资源调度，智能优化决策和自适应任务控制。

(5)开发智能需求识别机制。开发基于语义的智能认知技术、基于深度学习的商业数据挖掘技术等深入挖掘平台用户需求，不断拓展新模式、新增值业务，提高重型装备行业的整体竞争力。

5 结论

复杂重型装备是国民经济和国防的重要保障，大变局时代下，来自国内外的各方挑战迫使重型装备行业不得不进行智能化转型升级。为此，本文从需求驱动、协同机制和服务模式三个方面进行了研究，并得出了结论。

(1)复杂重型装备行业需求趋向多样化、多主体化，分析并准确把握重型装备行业多主体的潜在需求是应对新形势下快速变化的市场需求的重要手段，因此，需求驱动是服务化转型升级的必要条件。

(2)复杂重型装备行业项目运行过程中存在协同服务难度大等问题，集成“信息交互、业务关联、多维度协同”为一体的复杂重型装备网络协同机制是提高复杂重型装备项目实施效率的重要保障。

(3)智能化时代下，复杂重型装备行业的服务模式应以多主体需求为驱动，以网络协同化机制为保证，面向产品全生命周期，以提高复杂重型装备行业服务水平，提升客户满意度，并最终实现重装装备行业服务化转型升级。

(4)复杂重型装备网络协同服务模式的运行目前还存在很多难点，这些难点大多需要融合跨领域知识技术，开发新技术，以实现多方平台联动、网络安全化、知识工程化、智能优化决策，智能需求认知等。

在未来的研究中，团队将进一步致力于研究复杂重型装备网络协同制造平台的搭建与实现，解决协同发展、协同设计、协同制造、协同管理与运营、协同服务中存在的种种问题，并提出相应的技术标准，为引领复杂重型装备制造业的转型升级提供指导。