复杂重型装备网络化协同制造平台发展研究

毕闰芳，吴 锋，纪 妍

(1.西安交通大学管理学院，陕西 西安 710049；2.过程控制与效率工程教育部重点实验室 陕西 西安 710049)

0 前言

在制造产业链中，复杂重型装备是一类关键基础装备，属于非标单体制造型产品，通常采用按订单设计和按订单生产制造[1]。经过实地调研发现，一个复杂重型装备项目涉及需求方、设计方、制造商以及第三方供应商等多个利益主体，往往需要企业间进行跨组织、跨部门、跨地域的协同才能完成。这就给项目的实施带来了多重困难，打通企业内部、企业之间壁垒，确保企业与前端以及企业与后端的互联互通，实现相关利益主体之间的组织协同、资源协同、目标协同、过程协同以及信息协同是该行业一直以来关注的问题。在“互联网+平台”浪潮的推动下，复杂重型装备向网络化制造平台转型升级，借助现代信息化服务平台和互联网技术，寻找最优的协同制造服务。但是，各类型的制造平台发展状况普遍不佳，主要是因为缺乏平台对企业价值创造和持续发展等方面的研究，导致没有充分发挥制造平台的竞争优势。

随着互联网的出现，20世纪90年代，国内外学者开始研究网络化制造模式。在网络化制造战略层面，Montreuil[2]制定了一个敏捷制造网络化制造的战略框架，并应用于长途汽车制造商，使企业能够在动态的环境中协同计划、控制和管理日常突发事件。程涛[3]提出了分布式网络化制造系统的构想，指出该模式是一种面向群体协同工作的开放集成系统，可实现制造资源的共享和企业间的信息交流及合作，并给出了分布式网络化制造的原型系统。杨叔子[4]研究了基于Agent的网络化制造模式和基于利益驱动的动态重组机制，提出了在网络环境下异地跨组织的制造企业，可通过虚拟动态联盟的形式完成项目的合作。但斌[5]以陶瓷制造业为例，进行了面向网络化制造的虚拟供应链的应用研究。在网络化制造平台架构层面，刘飞[6]总结了网络化制造的内涵特征以及支撑技术体系，并指出了网络化制造平台将成为网络化制造的技术支持工具。Fan[7]提出了基于multi-agent的网络化制造集成平台的系统架构和主要功能，以及应用集成的机制。苗剑[8]提出了网络化制造平台的工作流管理系统，并应用到单件小批定制型船用涡轮增压器产品的设计和采购过程中，解决了协作厂商之间异构互操作的问题。

到2010年，网络协同制造在服务模式、制造资源共享和分配技术，以及安全方面的问题日益凸显，在物联网技术和云计算等技术的支持下，李伯虎[9]提出了面向服务的网络化制造新模式-云制造，开发了基于云仿真原型平台，于2015年应用于航天云网实践，目前该团队提出的云制造系统3.0[10]融入了新一代人工智能技术指导搭建航天云网INDICS云平台。高嘉悦[11]根据航天云网平台发展的主要事件，将其发展划分为诞生、成长、成熟和更新四个阶段，基于生态系统理论视角分析了各阶段面临的环境、构成要素和各自的基本特征，得出了该平台生态系统演进模型。但是航天云网平台是一个跨行业、跨领域的多产业融合的工业互联网平台，而本文聚焦的是复杂重型装备行业网络化平台的协同发展问题。Van[12]指出平台失败的6大原因，并归结为管理者对平台运营和竞争方式的误解，同时分析了Covisint—为汽车零部件买家和供应商牵线搭桥的在线市场，只存活了4年的原因是没有给零部件供应商创造价值，反而增加了他们之间的价格竞争。Chaudhuri[13]指出一些制造业类平台之所以失败是因为没有为“正确”的用户群体创造“正确”的价值。

关杰[14-21]等对复杂重型装备行业的平台转型路径、功能、模式和技术层面进行了研究，而文献[14]针对该行业的特征，从业务流程角度提出了基于平台的网络协同发展模式。本文从复杂重型装备向网络化制造平台转型发展角度出发，基于生命周期和协同理论，研究网络化制造平台协同发展问题。其主要研究的问题：

(1)对复杂重型装备行业的哪些运作管理活动进行云部署？针对该行业平台转型中的痛点难点，结合业务流程进行梳理，归纳出产品全生命周期的活动内容。

(2)网络化制造平台是怎么演化的，各阶段的目标和任务是什么？平台协同发展是遵循一定的发展规律的，不同阶段的侧重点能够指导平台平稳的循序渐进。

(3)针对网络化制造平台中的协同问题怎么解决？平台加入到传统供应链以后，打破了原有供应链的平衡，那么平台供应链对复杂重型装备行业的协同问题带来哪些机遇？

1 复杂重型装备业务流程平台化

经过对中国重型机械研究院股份公司、中国二重、中铝萨帕特种铝材有限公司、中国忠旺集团等复杂重型装备行业核心企业的实地调研，结合复杂重型装备业务流程的梳理，总结了该行业向网络化制造平台转型发展上的痛点和难点，如表1所示。该行业网络化制造的目的是能够打破时间、空间、计算机软硬件的约束，使得异地多学科人员能够并行地完成整个产品的设计制造工作，但是由于制造网络技术的局限性，没有统一的智能化服务平台，导致协同问题仍是该行业的症结所在。复杂重型装备网络化制造平台旨在将该行业供应链上的设计、制造、装配、运维等利益相关者连接起来，打通企业之间、层级之间的数据信息流动壁垒，提高创新能力，因此核心企业的业务有必要部署到云端。

表1 复杂重型装备行业向平台转型发展的痛点和难点

在工业物联网、云计算、人工智能等相关技术的支持下，企业生产经营等活动和资源可以部署到云端，实现复杂重型装备业务流程的平台化，如图1所示。

图1 复杂重型装备网络协同制造业务流程图

一个复杂重型装备的订单是一个项目，在云上的运作管理主要包括招投标、产品协同设计、任务分解、资源匹配、项目实施管理、项目评估验收交付等产品全生命周期的6项活动。

(1)招投标活动。复杂重型装备从设计到交付是一个非常复杂的系统工程项目，往往需要跨企业跨部门协同才能完成。项目总包方通过平台寻求合作伙伴，从资源库中择优选择服务资源，通过招投标的形式，如邀标、公开招标，签订合同并最终形成虚拟动态项目组，项目成员在总包方的带领下为共同的目标进行分工合作。

(2)产品协同设计。在合同签订后，项目总包方带领设计方、制造方和需求方，在分析和挖掘客户需求，以及考虑制造可行性约束的基础上，进行机、电、液等协同设计，具体包括工程设计、工艺设计和设备设计等。

(3)产品任务分解。根据详细的产品设计方案，制造商制订项目进度计划，标出重要时间节点。以125 MN挤压机为例，制造任务分解包括：主机设备制造、挤压工具制造、主剪刀、移动模架及快速换模装置、总装、解体、包装、物流运输、售后服务等。重要的产品交付节点上项目总包方会通过现场监督的方式督查项目的进展，客户也可通过平台看到项目的实时进展情况。

(4)资源配置。项目总包方通过与项目组成方进行商务谈判，确定设计、制造、服务等资源之间的协作依赖关系与时序关系，以最大化实现资源的优化配置。

(5)项目管理。项目总包方在现有资源的约束下，运用系统的观点、方法和理论对整个项目进行全生命周期管理，包括计划、组织、协调、控制、评价等管理活动，以保证项目能够按进度、有质量、低成本地完成。

(6)验收评估。复杂重型装备的项目完工后，项目总包方组织需求方、设计方、制造商、装配商等项目组成方进行分项验收，主要评估产品的质量、交货期、设备运行效率等指标，作为评价项目的重要依据。

2 复杂重型装备网络化制造平台成长演化

复杂重型装备网络协同制造平台是动态演化的，根据生命周期理论的发展规律，该平台历经建设阶段、成长阶段、成熟阶段和衰退或跃迁阶段四个历程。在不同的阶段，平台需要面对和解决的是不同的问题，梳理清楚各阶段平台的目标和任务，可以做到有的放矢，以助平台得以持续稳定的发展。复杂重型装备网络协同平台发展周期如图2所示。

图2 复杂重型装备网络协同平台发展周期

2.1 建设阶段：政府引导

该阶段的主要目标在设计、制造、服务整个生命周期环节中，形成统一的信息和标准，构建多方参与的网络化制造平台，以信息协同促进整个流程的高效运作。平台建设的实施步骤分为需求诊断、顶层设计、方案制定和系统推进四个方面，如图3所示。

图3 复杂重型装备网络化制造平台建设实施步骤

平台的主要任务是根据行业资源要素与现状，首先对相关企业的需求进行分析，剖析痛点难点，明晰建设网络化协同制造平台带来的实际效益和最终目标。其次制定合适的顶层设计，以解决接口对接、打通数据链、打造数字化模拟仿真工厂等，然后根据自动化程度高低进行方案制定，通过信息技术和装备水平进行系统推进。

2.2 成长阶段：自营深耕

在快速成长期，平台的核心任务是培养竞争优势，提高用户体验，扩大用户量，维持收支平衡，获得持续、快速、稳定的发展。在平台自营阶段，项目建设风险由平台自行承担，成本回收周期长，过程复杂。在争夺和巩固自己地位的早期，在没有积累足够的用户数量的基础上，平台在满足基本用户使用的同时可以尝试收费，甚至可以低价收取平台服务费，以逐步扩大用户量，如图4所示。平台盈利点主要包括撮合等服务费、知识推广等增值服务费、企业网络化升级服务费和平台入驻费等。

图4 复杂重型装备网络化制造平台盈利点

如果平台运行良好，成长性、竞争性都会增强，平台提供的产品和服务不断有市场，市场份额在扩大，平台上用户和服务提供商的规模也会大量增加，经营规模和业务范围也会迅速地扩大。此时，平台组织生态走向正规化，规章制度不断建立和健全，开始实施规范化经营，具有一定的创新能力和核心竞争力，客户、社会开始关注这类平台，平台市场口碑快速形成。

2.3 成熟阶段：生态划圈

在成熟稳定阶段，平台的侧重点目标是实现市场渗透，持续获得稳定的利润回报并力争使平台进入到一个新的增长期。随着依托平台积聚的企业数量增加，服务平台中集体学习、交易成本与服务成本减少等效应开始体现，为供应链上下游企业提供中间型投入服务的规模经济和专业化经济就可以实现，使得依托平台而集聚的企业将更具竞争力。

当平台的自营用户达到一定数量的时候，可以拓展到应用型公司，打造自己的生态服务圈，占据行业中坚位置，如图5所示。此时平台能够满足中小企业共性需求，具有服务开放性、资源共享性，利用信息技术为中小企业提供服务支持，包括技术创新、质量检测、管理诊断与咨询、创业辅导、市场开拓、人员培训、设备共享等服务。

图5 复杂重型装备网络协同制造平台生态圈

2.4 衰退或跃迁阶段：战略重塑

在衰退阶段，平台的核心任务是寻求组织重整和价值链重塑，使平台获得新生。这一阶段平台进入衰退期，但衰退并不完全意味着平台走向灭亡，更多时候是平台发展阶段中的一个低谷。中小企业适应不断变化着的外界环境，直接影响和决定着平台的生存和发展。若能积极主动地适应环境，平台就可能有效地发展和迅速壮大。反之，就将造成供需不匹配，逐渐被环境所淘汰。

一般情况下，平台所处的政治法律、经济环境、技术发展、产业变革等外部环境会对平台需求造成直接影响，明确外部环境给平台带来的机遇及挑战，能够为战略选择提供依据。此外，平台运营商自身能力的滞后也会制约整个平台系统的升级，有必要建立专业性机构对平台协同效应进行风险监测，以对平台运行的效率、集聚企业数量、能力更新等进行全面评估，必要的时候可以建立预警机制。在具体操作层面上，政府可以依托高校和科研机构设立专业性评估组织，以项目或基金的形式展开定期评估，并向社会定期公布。

复杂重型装备网络化制造平台的每一个发展阶段，既是对上一阶段成长的承接，又是下一阶段的基础。在建设初期，平台的发展目标是吸引更多的客户和供应商使用该平台，平台的功能是支撑由核心企业组成的系统在平台上进行异地跨组织协同，实现某一个或某一类产品的平台化运营示范。为了说服客户使用平台来满足他们的制造需求，平台在建设初期可能无法向客户和供应商收取会员费。在成长阶段，平台的发展目标是打造平台的竞争优势，不断寻找新的赢利点，平台和供应商通过在交货期内向客户或合作伙伴提供完全符合其特定需求和质量要求的产品或服务不断创造价值。在加入平台之前，供应商只有少数关键客户，在加入平台之后，供应商能够充分利用闲置产能获得其他订单。越来越多的供应商会愿意加入平台，平台市场份额随之扩大。在成熟阶段，在核心竞争力得以巩固和发展的基础上，平台的发展目标是提高交易的灵活性、强化激励效果，实现服务市场的渗透和拓展，与服务链上下游企业合作形成丰富的生态系统，通过多种形式的合作更加快速地对用户需求做出反应。在跃迁阶段，平台通过提高其系统稳定性以应对不断变化的环境系统。

3 复杂重型装备网络化制造平台供应链协同

复杂重型装备网络协同制造平台要实现的目标包括：需求方、设计方、制造商和服务商的主体协同；设计、制造、运维服务过程一体化；产品、制造、资源、服务等数据的集成、管理和运用。在复杂重型装备行业原有供应链基础上，网络化制造平台运营方也加入进来，对供应链的协同和管理会起到怎样的作用呢？首先，梳理了复杂重型装备网络协同制造平台供应链协同流程，如图6所示。

图6 复杂重型装备网络协同制造平台供应链协同流程

就一个具体的项目而言，平台在其中的主要作用表现在3个方面。

(1)基于网络的开放式智能协同设计。平台利用信息技术、人工智能技术和设计专家系统辅助，把知识模型嵌入智能软件中，形成基于知识和基于软件的智能设计系统。需求方、设计方和制造商在平台的组织下，通过工艺联合会审的方式进行产品设计和交互，并运用区块链技术对知识产权进行保护。

(2)基于物联网的协同生产制造。在平台上完成设计的产品，会带有专属的数据信息传递到制造阶段，制造商借助平台上数据和信息处理技术，将设计图纸转化为工艺图纸，并传递到制造车间。在大数据和5G无线网络的协同效用下，生产数据上传到智能生产中心，开通账户的需求方可以通过平台查看制造进度、质量执行标准等，当遇到突发状况时，能及时与设计方、制造商取得联系，实现生产过程的可预测、可追溯和可调整。

(3)远程智能运维服务。在协同运维方面，根据需求方的诉求，制造商通过平台对具有双向通讯功能的设备进行远程监控、远程维护和故障诊断，实现及时响应和快速解决，提高用户的设备利用率。此外，平台针对设备故障进行统一管理，能够根据故障诊断书或异常数据生成故障诊断库和可视化维修手册，并提供故障预测性服务。

平台在复杂重型装备供应链协同过程中除了起调节和监管作用外，还需起到协同管理的作用。具体内容表述为：以网络化制造平台为基础和运营中心，实现项目实施过程中的组织协同、资源协同、目标协同、过程协同和信息协同。如图7所示。

图7 复杂重型装备网络协同制造平台协同管理总体思路

组织协同的目的是减少信息传递时的障碍。平台上的组织具有开放性、动态性、系统性和虚拟性等特征。一方面，平台运营方通过制定管理制度，包括用户的注册、使用权限的设置、操作手册、信息交互规定等，对项目进行全程动态监管。另一方面，通过制定规章制度约束和激励利益相关者的行为，实现复杂重型装备在平台上的组织协同。

资源协同的目的是实现信息交流和资源优化配置。平台不仅需要提供资源虚拟化、任务-资源匹配、数据互联互通等的技术支持，而且要提供知识产权保护和数据安全保障，积极引导利益主体开放资源和共享资源。

目标协同的目的是实现项目的总体最优。平台需要制订相应的奖惩机制，防止个体理性冲突。对企业内部目标协同可以采用企业管理制度进行规范，对合作伙伴的目标协同通过合同内容进行约束和激励。

过程协同的目的是保障项目按时、按量顺利交付。利用网络协同制造平台进行里程碑事件监控，突发情况的警报提醒，实现快速响应和全局协调与调度，使运作过程整体达到最优化。

信息协同是利用网络协同制造平台，对项目信息进行集成和控制，使得项目各参与方能够信息共享，达到高效、高质协作的目标。信息协同管理并不是一个孤立的体系，它是组织协同、过程协同、资源协同和目标协同的基础条件和保障。

要实现平台在复杂重型装备网络化制造过程中的组织协同、资源协同、目标协同、过程协同和信息协同，一方面需要技术支持，如资源虚拟化，包括资源注册到平台，制造资源虚拟化，制造资源服务化，任务分解，资源匹配、动态调度和一体化组织管理。另一方面，需要打造智慧数据空间，实现平台上数据的互联互通互操作。此外，还需要工业APP等相关软件的支持。要实现这些目标不是一蹴而就的，而是由易到难、循序渐进按阶段进行的。

4 结论

随着云制造、大数据、物联网等新一代信息技术向制造业的快速渗透，以及国家重点研发计划“网络协同制造和智能工厂”重点专项的引导，复杂重型装备行业急需向网络制造平台升级转型，然而平台的协同发展问题是各个平台研究领域亟待解决的关键。因此，本文以复杂重型装备为研究对象，研究了该行业网络化制造平台协同发展问题，得出以下主要结论：

(1)在梳理复杂重型装备行业向平台转型发展的痛难点的基础上，结合该行业的业务流程，将核心企业的运作管理活动进行了平台部署，能够直观全面地理解该平台的运作流程。

(2)平台演化遵循生命周期理论，历经4个阶段：建设阶段，平台在政府的引导下，实现业务在平台上的运营；成长阶段，平台培养竞争优势，扩大用户基数，并通过为用户创造价值实现平台盈利；成熟阶段，平台通过打造生态服务系统，向应用型企业延伸实现持续的价值创造；跃迁阶段，用户数量逐渐饱和，平台应寻求组织重整和价值链重塑，以使平台能够长久发展。

(3)通过平台供应链协同及协同管理实现项目的组织协同、资源协同、目标协同、过程协同和信息协同，最终实现平台的可持续发展。