产品创新研发众包设计过程管控关键技术

密尚华，洪兆溪+，冯毅雄，娄山河，费少梅，周康渠，熊体凡，郭 伟，谭建荣

(1.浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310013；2.重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054；3.华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074；4.天津大学 机械工程学院，天津 300350)

0 引言

经济全球化背景下的市场竞争日趋激烈，市场变化日益加速，同时客户需求个性化和多样化特征日趋显著，导致产品生命周期缩短、产品更新迭代加速以及大规模定制化导向[1-2]。企业不仅持续性地追求成本、交货期、质量、环境等方面的提升优化，还愈加强调通过兼顾客户满意度导向和创新驱动产品差异化来取得和保持竞争优势。产品研发设计是影响产品创新性、研发周期和成本、质量性能，乃至客户满意度、市场寿命周期和技术经济效益的关键阶段，提升企业产品创新研发能力是企业赢得客户和取得市场竞争优势的关键[3]。近年来，企业持续不断地尝试基于组织结构和业务过程重构来突破固有产品创新研发的效能瓶颈，产品研发设计模式从传统串行设计发展到并行设计，产品设计创新和协作的组织边界从封闭式企业内部拓展到半开放式企业间，甚至部分行业领先企业已经开始尝试借助开放式创新社区[4]。

在这种内部创新的高比率难以维持，急需通过新的组织形式刺激产品创新研发的背景下，众包作为一种极具潜力的开放式创新模式，逐步被学术界和制造企业所关注[5-6]。众包模式打通了任务发包者与互联网终端大众网络节点间的供需匹配通道，提供了多样化的众包协作组织机制，通过缓解“同质化”限制，发挥“差异性、多样性”优势，提升任务求解能力，提高了创新、创意含量，同时具有降低求解成本的潜力[7-8]。融合产品创新研发与众包，研究产品众包设计理论技术体系，构建“互联网+”研发体系新模式，对帮助工业企业突破现有创新研发瓶颈具有重要意义。但是，面对产品创新研发设计与众包模式融合产生的更为复杂、动态、不确定的设计情境，当前众包设计实施中遇到了成果质量难保障、实施进度难控制等问题，限制了众包设计在设计成本、效率、创新性等方面潜在优势的发挥，直接影响了众包设计模式的推广与应用。如何保障高质效的众包设计过程成为当前迫切需要解决的问题。综合分析发现，众包设计任务的动态修正完备、众包设计资源行为动机的时空演进、众包设计协作效能的不确定性、众包设计需求满足度的动态演化波动等众包设计情境特征直接导致众包设计过程的稳定性和收敛性难以得到有效管控和保障，进而影响众包设计过程实施的质效水平。因此，要实现高质效地获得低成本、高创新/创意的产品设计成果，发挥众包设计模式对产品创新研发的潜在优势，前提是能够有效保证设计过程的稳定性和收敛能力。当前，虽然已经开展了针对众包设计的研究，并且可以从分布式协同设计、产品设计过程规划等相关领域借鉴已有技术成果，但是现有理论和技术基础在解决产品众包设计这种新的复杂情境的设计过程稳定收敛问题上尚显不足且亟待完善。

基于以上背景，本文首先回顾了众包与众包设计的研究现状，讨论了基于众包设计的产品创新研发的优势，进而分析解决设计过程稳定收敛问题的必要性，并给出面向高质效产品创新研发的众包设计过程管控的内涵；然后，构建了一种产品众包设计管控技术体系架构，提出关键支撑技术，通过5个层次的耦合协作，保障和提升了产品众包设计的稳定收敛能力和设计成果质量。

1 基于众包设计的产品创新研发的意义

1.1 众包与众包设计

众包概念虽然是在20世纪后提出的，但是相似理念在18世纪就已经出现，例如，英国政府公开悬赏求解经度问题。随着各领域生产组织方式的革新演化，相似理念得以不断发展应用并展示出令工业和学术界瞩目的潜力。首先，在计算机编程领域，基于开放源代码软件行动，互联网上自发组织的志愿者共同合作创造了从Linux操作系统到Apache服务器软件再到Firefox浏览器等优秀作品；在服装设计领域，在线Threadless网站革新了T恤衫设计和生产方式，基于顾客设计创意驱动收获了商业和社区模式双赢；在专业摄影(库存图片)领域，iStockphoto网站颠覆库存图片传统，组织互联网摄影爱好者实现低成本的库存图片共享；在鸟类学研究领域，基于互联网和eBird网站，业余鸟类研究者和专业鸟类学家打破专业壁垒联合协作，推动鸟类学研究方式革新[9]。类似地，在诸多领域，与众包相似理念的引入促使了大量有价值的生产方式革新，也使得这种先进理念受到相关研究者的关注。2006年，HOWE[10]首次使用crowdsourcing(众包)一词，他认为“众包是指一个公司或机构把过去由员工执行的工作任务，以自由自愿的形式外包给非特定的(通常是大型的)大众网络的做法”。尽管目前工业和学术界对于众包的概念还没有达成统一的共识，但是对其特征的认识却是相似的。众包的主要参与者是大众(非特定的大众网络或虚拟社区)，基础是互联网，平台是在线社区或独立的互联网创新平台，采取的方式是外包，适用范围不仅有商业领域，还有非商业领域[11]。如图1所示，作为价值创造活动的最新组织模式，众包强调突破企业或团体的资源专用性边界，实现跨组织共享信息资源和配置实体资源，同时强调在社区网络的每一个节点上发挥草根个体的能动性和创造性。

在众包基础理论技术研究方面，研究者聚焦于不同的主题。针对众包模式效应与价值，POETZ等[7]基于实证研究分析了众包产生的用户创意在新颖性、可行性等方面的表现；JOHNSON等[12]分析了环境压力、顾客需求、竞争强度、技术波动等因素对企业利用众包进行服务创新的影响；CHRISTENSEN等[13]结合实例论证了众包开放式创新在制药开发中的经济可行性。针对众包组织模式，RENARD等[14]研究了众包平台用户支持组织创新的行为，认为合作与竞争模式的混合对创意过程将产生积极的影响。针对参与者动机，SHA等[15]利用指数随机图模型分析了影响设计众包参与者行为的4类主要因素及其相互依赖的关系；ACAR[16]基于InnoCentive平台数据分析了参与者动机与参与者产出解决方案适当性的关系。针对众包任务评估与配置，CHEN等[17]关注众包团队在异步协同设计过程的松散性和不确定性特征，基于众包成员综合能力评估配置众包团队，通过协同工作流程仿真模型规划与调整子任务协作序列；ZHAI等[18]针对移动众包任务分解问题，基于到达模型、任务模型和评估模型定义任务分配问题，使用马尔可夫链设计任务划分策略，提高任务粒度划分精准度与执行效率；JIANG等[19]聚焦众包平台存在的大量技能要求重叠的可并行任务的批处理，分别提出分层批分配和基于核的批分配策略。针对众包质量控制，SHI等[20]关注众包过程中参与者状态动态不稳定特征，采用基于部分可观测马尔可夫决策过程的自适应测试任务插入方法动态检测参与者的状态性能，从而确保为可靠的参与者分配正常任务；MOAYEDIKIA等[21]将元启发式优化搜索与粗糙集相结合，提出一种基于粗糙集的专业技能估计方法，以最大限度地提高结果的准确性。其他方面的研究主题还包括创新促进机制[22]、知识产权与数字安全[23]等。另外，有较多的研究针对具体应用领域开展，包括基于众包的语音及图像标注[24]、基于众包的内容过滤与推荐[25]、基于众包的能源交易[26]、基于众包的医疗服务协同[27]、基于众包的数据共享及数据采集[28]、基于众包的模块化空间任务协作[29]等。

在众包模式应用实践方面，目前已经有许多基于众包理念运营的第三方服务平台。国外平台有如MTurk、InnoCentive等，其中最具代表性的InnoCentive目前已成为由数百万科研精英参与的全球性网络；国内平台有如猪八戒网、海尔HOPE等，其中代表性的猪八戒网开放性更强，与更为注重学术性和专业性的InnoCentive相比，具有更多的发展空间与可能性。此外，如宝洁、戴尔、思科、波音、联想等行业领先企业，也在不断尝试基于众包理念运行企业平台和企业项目[30]。

众包模式在产品创新研发领域的表现极具潜力，例如，波音、杜邦和宝洁等企业发布到InnoCentive上的研发难题的破解率达到了30%[31]。创新是引领发展的第一动力，制造业的产品创新与产品的个性化、服务化发展面临着难以满足海量动态的个性化需求的挑战，以及不断增长的创新需求与有限资源的矛盾的制约。推动众包这种开放式创新模式与产品设计融合，构建制造业“互联网+”研发体系新模式是缓解甚至解决该问题的可行途径。在这种背景下，针对众包设计的研究逐步被关注。罗仕鉴[32]提出并分析了群智设计思维及其内涵，并从本体、行为和价值3个层次研究了其特征；NIU等[33]分析了将众包与产品设计过程集成的挑战，探索了支持众包设计过程的必要技术和工具，并提出一些在众包设计过程中应对挑战的关键指导方针；JIAO等[34]研究了众包对企业产品设计质量的影响以及用户专业知识和网络连通性的调节作用，认为众包对产品设计质量有显著的正向影响；周康渠等[35]针对海量个性化需求下众包设计任务与资源匹配的难题，提出一种考虑问题解决者能力和参与动机的双向推荐方法；邱丹逸[36]提出一种基于众包平台的任务个性化推荐算法，提高了设计任务推荐的精准性；CHEN等[17]考虑众包成员在能力、时间等方面的多样性，研究了云设计平台中众包成员的最优组合与调度方法；XIANG等[37]面向众包设计绩效提升，提出一种称为“柔性众包设计”的众包智能设计方法。然而，相比于众包在信息科学等领域较为成熟的应用技术研究，针对众包与企业产品创新研发融合带来的新挑战，众包设计相关支撑理论技术仍亟待进一步补全完善。

1.2 基于众包设计的产品创新研发优势分析

当前，产品研发设计已经不局限于传统的封闭式企业内部模式，通过半开放式的企业间专业化动态联盟协同实现资源共享和优势互补，打破了单个企业技术资源瓶颈，缩短了研发设计周期，同时提升了企业研发设计的技术攻关能力和创新设计能力，进一步增强了企业的市场竞争能力。然而，随着市场对产品创新、个性化/多样化客户需求的进一步强调，企业在产品研发设计过程中愈发重视产品创新设计和客户需求满意度，对产品创新研发能力、客户需求响应和满足能力提出了更高的要求。产品研发设计阶段对产品创新性和客户需求满意度产生决定性影响，该阶段具有设计自由度大、设计人员约束相对较少、不确定因素多等特点，求解及创新空间很大。目前学术界和工业界在产品研发设计标准化和智能化方面取得的研究成果多为辅助手段，设计人员依然是产品研发设计的实施和主导主体，可用设计资源(本文主要指设计人员)的综合能力直接影响产品研发设计过程和结果。因此，拓展设计资源共享边界，开展产品研发设计协同组织模式创新，是提升企业创新能力和客户需求响应能力的重要途径。

封闭式企业内部及半开放式专业化企业间动态联盟协同的产品研发的局限性和不足表现在：

(1)技术更新换代加速，知识密集度日益提升，设计资源学习提升压力和成本增大，有限设计资源边界亟待拓展。产品复杂度和知识密集度、广度及深度不断提升，企业产品设计技术资源短缺问题凸显，企业及专业化企业联盟内部有限设计资源学习提升压力及成本不断增大。同时，可以支持企业产品研发的潜在设计资源广泛存在于科研院所、大专院校、各级实验室、工程研究中心等分散的组织机构中，以及离散存在于互联网终端节点网络中。亟需寻找可行的渠道并建立有效的供需匹配机制，挖掘和利用社会化网络终端中离散的设计资源，拓展企业可用设计资源边界。

(2)有限边界专业化协同环境下，相似专业和工程背景引发产品研发设计过程中设计资源创新思维“同质化”问题，限制设计资源创新潜力发挥，造成企业产品设计创新能力瓶颈。产品研发设计中，最常见的产品创新大多基于产品已有原理方案解及设计知识的重用，类似TRIZ创新工具，组合及类比等创新方法，但是创新不只是如此。设计资源是产品创新的主体，通过外在引导和刺激手段挖掘和释放设计资源的产品创新潜力，始终是企业产品创新的关键实现途径。企业内部及专业化企业联盟内的设计资源专业背景及特定工程背景强，这种同质化的背景导致设计资源容易受限于惯性思维定势，从而不利于创新设计潜力的发挥。随着创新的地位和需求日益提升，企业产品设计亟需打破同质化限制，激励和释放设计资源创新潜力。

(3)个性化、多样化用户需求满足度权重日益增加，专业化设计协同下用户难以深度参与产品研发设计，用户需求感知/响应效率受限。产品创新主要是发现未知、潜在的用户需求，发现、确定并解决产品设计冲突，使潜在的用户需求得到满足的过程。当前，随着竞争市场个性化、多样化用户需求导向特征的凸显，对企业产品性能、创新性、需求快速响应性、性价比等的要求越来越高，企业研发设计需求响应及满足能力亟待提升。现有模式下，首先通过市场调研及用户需求分析获取需求，再由专业设计人员基于需求求解设计方案，这种模式隔离了用户与设计过程，造成了需求感知和响应的延迟、需求满足的错位等局限。进一步发展用户参与的设计模式并创造用户深度参与设计过程的环境，是提升企业对用户需求的感知/响应效率、保证用户满意度的有效途径。

随着5G技术、云计算、大数据、物联网技术的蓬勃发展，“互联网+”与企业研发制造的联系越来越紧密，“互联网+”大环境进一步推动了协同技术的发展，也驱动企业进一步探索组织模式重构与创新，突破设计资源局限，拓展自身设计、制造、服务能力。国内外部分领先企业已经开始探索将开放式创新模式与产品研发设计相结合，发展以网络化协同为基础的产品研发设计协同新模式[30]。众包作为一种开放式创新组织模式，聚合潜在的多样化资源，将资源共享边界拓展至互联网终端节点，提供了极具潜力的供需对接、群智创新、用户参与环境。通过挖掘众包模式优势，将产品研发设计协同与众包协同相结合开展众包设计，企业产品研发设计将进一步突破技术能力、创新能力、用户需求响应能力等瓶颈限制。

如图2所示，众包模式对企业产品创新研发的潜在增益表现如下：

(1)打破设计资源边界，拓展专业化资源，提供潜在用户参与设计的通道，提升企业产品研发设计能力及用户需求响应能力。结合对当前国内外众包平台的分析，众包聚合的设计资源既包括专业化设计资源，也包括非专业化资源(如InnoCentive、海尔HOPE等平台侧重于聚集专业背景设计资源，而Threadless平台则注重用户参与设计，猪八戒等综合性平台则既包含专业设计资源，又包含潜在用户资源)。广泛可用的专业化设计资源有益于研发设计的技术攻坚能力提升，而包含潜在用户资源的非专业化资源则有助于提升企业产品研发设计的客户需求敏感度和市场响应能力。

(2)突破同质化限制，发挥群智创新环境多样化优势，激励和挖掘设计创新潜力。众包模式下多样化的设计资源具备不同的专业及知识背景，这种设计资源的多样化与不同的众包组织模式相结合，通过有目的地引导和刺激可以有效挖掘并释放设计资源的创新潜力。相关文献研究认为，个体智商达到一般水平后，智力对创造力的影响就很小了。因此，众包模式从多个维度填补企业产品创新能力短板，提升企业产品研发设计创新能力。随着科学技术更新换代的加速，不断涌现的新技术、新材料、新理论也极大地拓展了创新空间，同时也进一步提升了多样化设计资源的创新潜力。

(3)创新供需配置模式，支持批量化分包任务，展现出降低成本、提升质效的潜在优势。众包通常基于第三方服务平台开展，支持供需双方的优化配置。平台服务方从平台发展角度出发，倾向批量化分配设计任务，在能力和时间约束下，将相似性任务分配给优选的设计资源，既可以提升众包设计资源利用率、技能熟练度及其收益水平，同时也能够降低任务发包方成本。

综合分析得出，有必要将产品创新研发与众包模式相融合，并构建完善的支持产品众包设计实施的理论技术体系，助力企业突破产品研发中的设计创新能力和用户需求响应能力瓶颈。

2 面向高质效产品创新研发的众包设计管控的内涵

结合上文分析，众包设计模式为进一步突破产品创新设计能力瓶颈提供了极具潜力的可行途径。但是也需要注意到，其在当前实施过程中也遇到了成果质量难保障、实施进度难控制等问题，以上问题一定程度上抵消了众包设计在设计成本、效率、创新性等方面的潜在优势，影响着众包设计模式的推广应用。以国内众包网站中的猪八戒网为例，其更商业化、受众更广、门槛更低的特征很符合众包理念，却长期面临产出成果质量良莠不齐的问题，进而又导致了需求量不高、匹配效率低下等系列衍生问题，制约着该平台的业务拓展。因此，保障和实现高质效的众包设计过程是当前众包设计模式应用与推广中迫切需要解决的问题。

众包设计实施的质效水平与该过程的情境特征息息相关。产品众包设计是一种融合产品设计过程和众包过程的更为复杂的设计情境，具有以下显著特征：

(1)众包设计任务的动态修正完备 由提出设计需求到产出设计成果的过程，是由抽象到具象、由模糊到清晰的动态迭代演进的过程，设计需求在设计过程中被动态辨识补全，引发设计任务的动态修正完备。

(2)众包设计资源行为动机的时空演进 多样化设计资源自主接包模式下，设计资源实体能力、状态、动机可能随时间和环境变化而变化，同时，开放式协同创新模式下存在利益驱使的竞合博弈、成果欺骗等现象。

(3)众包设计协作效能的不确定性 众包设计协作团队临时适配组建，协作的分布性、松散性、自主性和扁平性特征凸显，同时，跨时空异步协同、设计资源多样化知识背景及专业化程度差异都影响着交互质量和效率，众包设计协作效能具有不确定性。

(4)众包设计需求满足度的动态演化波动 众包设计过程中设计成果多阶段交付，同时设计方案动态决策集成，不同节点的阶段性成果产出与决策结果直接影响全局设计需求满足度。

综合分析，众包设计过程的复合情景特征导致众包设计过程执行的稳定性和设计成果的动态收敛性难以得到有效管控和保障，进而直接影响众包设计过程实施的质效水平。因此，解决众包设计过程稳定收敛问题，支持实现高质效的众包设计过程，是构建完善的众包设计基础理论技术体系时需要优先关注的技术挑战。当前理论研究及工程应用中的相关技术在解决该问题方面距离实际需求存在较大差距。

众包设计的最终目的是产生让客户满意的设计方案，客户满意度由客户需求的满足度决定，而客户需求的满足度则取决于从客户需求转化出的设计质量需求(目标)的实现水平。设计质量在主观上是一组固有特性达到客户及相关方要求期望的程度，在客观上表现为设计产出目标对象的包括性能在内的所有属性或特性的组合[38]。因此，本文认为解决众包设计过程稳定收敛问题的关键是稳定控制及优化众包设计全过程中的设计质量形成过程。产品众包设计全过程可以概括为4个阶段，包括产品设计任务的辨识与分包拆解、设计任务集与可用资源集的匹配推荐与配置发包、设计交互协作与动态响应调整、设计成果交付评价与酬金支付。如图3所示，围绕众包设计全过程的设计质量形成主线，本文提出的面向高质效产品创新研发的众包设计过程管控包括以下5个方面的内涵：

(1)设计质量形成过程的建模可视化 面向众包设计全过程，实现设计质量形成过程中实时状态的图形化可视表达，帮助众包发起方及时感知并作出响应。

(2)设计质量需求的解耦分析 在产品众包设计任务的辨识与分包拆解阶段，解耦分析客户需求与子任务设计质量需求之间的映射关系以及子任务设计质量需求间的耦合关系，作为分包拆解时的重要依据。

(3)设计质量目标实现鲁棒性优化 在设计任务集与可用资源集的匹配推荐与配置发包阶段，考虑各种不确定突发事件的影响，将设计质量目标实现的鲁棒效能作为子任务资源匹配和众包协作团队配置的优化目标之一。

(4)设计质量目标损失的动态消减 在设计协同与动态评价决策阶段，以最小化全局设计质量目标损失为准则，解决关联子任务间出现的设计冲突问题和设计方案的优选问题。

(5)设计成果的多阶段交付、评价与支付一体化管控 融合多阶段管控理念，构建设计质量的评价反馈机制。

3 面向高质效产品创新研发的众包设计过程管控技术体系

3.1 技术体系框架

本文针对众包设计的稳定收敛问题，围绕众包设计全过程的设计质量形成主线，构建一套面向高质效产品创新研发的众包设计过程管控技术体系框架，如图4所示，包含众包设计流程建模与设计质量形成过程可视化感知关键技术、众包设计子任务集的质量需求解耦辨识与聚类分包关键技术、协作团队的设计质量目标实现鲁棒评估与配置优化关键技术、协作过程的设计质量目标损失解析与方案收敛决策关键技术以及众包设计多阶段交付里程碑分解与交付物综合评价关键技术。基于设计质量形成全过程的可视感知、执行前端对设计质量需求的清晰辨识和设计质量目标实现鲁棒性的评估优化、设计协作过程中对设计质量目标损失的识别与消减、设计成果多阶段交付时的综合评价反馈等耦合协同的管控层次，优化众包设计质量形成过程，促进众包设计高质效的稳定收敛。

3.2 众包设计流程建模与设计质量形成过程可视化感知

客户需求是众包设计的驱动源，对客户需求的满足度很大程度体现在预期产品设计质量的实现水平上，而设计质量是在设计迭代演化过程中逐步实现的，影响产品最终设计质量的关键因素散布于产品设计全过程。众包设计是一种基于互联网的跨时空异步设计协同组织模式，子任务间耦合交互，承担设计活动的设计资源却是空间上离散分布的。直观地了解全局到局部的多层次子任务动态，感知设计质量形成过程，帮助众包组织方和发包方作出及时响应，对促进设计过程的稳健收敛具有重要意义。针对于此，众包设计流程建模与设计质量形成过程可视化感知关键技术主要识别和表征众包设计在线交互过程参与要素，支持众包设计动态流程建模与可视化，同时构建实时设计质量状态评价指标体系和基于设计任务树的质量状态多层次融合计算模型，支持设计质量状态的动态感知，如图5所示。

(1)众包设计主体画像与流程在线分层建模

基于对众包设计过程参与主体信息表达与行为协议的深入分析，结合6W1H等方法，揭示众包设计过程的环境、主体、任务、工作、活动等基本组成要素及其之间的相互关系。进而，利用面向对象Petri网在对流程的对象封装、动态表示和并发行为方面的优势，实现复杂产品众包设计分层建模。利用面向对象Petri网的对象抽象功能，从组织角度表示复杂产品众包设计参与者之间的交互关系，并从任务角度通过组件分解的方式，融合产品结构树和DSM(design structure matrix)实现复杂产品众包设计任务的模块化，表达接包方内部的交互关系。基于流程仿真分析的需要，将组织层模型和任务层分解后的流程映射为面向对象Petri网，形成面向对象Petri网的复杂产品众包设计分层模型。

(2)众包设计过程多主体在线交互分析与优化

通过建立众包设计过程多元信息交互模型，梳理适用于不同类型显—隐性知识的高可靠在线交互支撑技术体系，实现众包设计过程中多主体之间的快速交互、高效共享与有机协同；针对交互中知识资源的共享，依据标签共现矩阵以及标注知识资源的数量建立标签树，结合标签共现矩阵以及标签树结构综合确定标签之间的综合语义相似度，并依据用户对知识资源添加标签的情况得到知识资源间的语义相似度，从而对稀疏的用户评价矩阵进行填充，然后计算用户之间的相似度，找到用户的邻近用户，从而实现知识资源的推荐。

(3)数据驱动的设计质量形成过程量化可视感知

面向设计质量状态的在线监督评价，融合认知设计领域知识经验，定义设计主体的设计行为有序性、稳定性与可信性评价指标体系，评价并预测设计质量状态；建立设计进程状态评估及设计质量风险识别机制，综合设计指标完成度和完成质量评价计算子任务进度，基于子任务树实现自底向上的多层次进度映射转化；开发面向不同众包设计模式、不同众包应用行业和不同任务组织方式的设计流程架构模板，基于BPMN、IDEF3、UML活动图等图形化建模语言实现设计流程的可视化建模，在可视流程模板中融合平台管控信息流、主体交互知识流、设计质量演化信息流等，形成面向众包设计过程状态实时可视化感知的体系架构。

3.3 众包设计子任务集的质量需求解耦辨识与聚类分包

产品众包设计执行前，合理的任务分包规划有助于充分利用设计资源，减少冗余的设计交互迭代，提高众包设计过程质效水平。在任务分包规划过程中，需要辨识与分解设计任务的设计质量需求，定义设计目标和设计约束。设计质量需求处于产品众包设计过程中设计质量动态演化的前端，在产品众包设计任务分包规划时，分析与辨识客户需求与多域多层次子任务的质量需求之间的映射关系以及可用接包设计资源对设计质量需求实现的约束和影响，有利于后续设计过程对设计质量需求的满足与优化，将为后续环节开展设计质量控制奠定坚实的基础。基于此，众包设计子任务集的质量需求解耦辨识与聚类分包关键技术主要实现对子任务的质量需求关系的客观精准解耦分析，开展面向设计质量需求实现的设计任务资源竞争性评价，并以此为基础，支持众包设计任务分解得到的关联子任务集合的多准则聚类分包，如图6所示。

(1)设计任务质量需求识别与关联解耦分析

建立基于相似度的检索推荐机制，基于对众包平台历史业务案例库中的知识重用，支持开展设计任务的主—从动分解；结合对客户需求的补全辨识，基于功能—行为—结构混合多层次迭代映射分解方法和QFD(quality function deployment)等方法，识别多域多层次的子任务集及所承载的设计质量需求；定义表征设计质量需求实现的载体子任务间的跨域跨层次关联特征，构建设计质量需求映射链模型；考虑思维中概念的模糊性和不确定性，同时兼顾同层次指标间自相关性，结合针对云模型改进的DEMATEL(decision making trial and evaluation laboratory)方法，辨识计算客户需求重要度；基于客户需求重要度、客户需求与质量需求映射关联关系、质量需求自相关关系，通过考虑关联关系间的非独立性，利用模糊积分求解质量需求重要度。

(2)设计任务聚类分包方案的资源竞争性评价

根据目标任务包对象的类型、领域和需求技能标签等的直接匹配，筛选出历史相似任务包集合；通过综合不同技能需求标签维度的接近度、影响度和显著度求解任务包间相似度，选取任务相似度高的历史相似任务包的接包方，构建潜在接包设计资源集；基于技能状态满足度和历史接包相似任务集的综合完成质量，计算各潜在接包设计资源对目标任务包的胜任能力，融合兴趣偏好及酬金偏好计算各潜在接包设计资源对目标任务包的接包意愿，综合各潜在接包设计资源的胜任能力和接包意愿，评估目标设计任务包的资源竞争性。

(3)设计任务多视图聚类与多准则综合优选决策

以增大任务包内子任务间信息交互关联内聚度，同时减小任务包间信息交互关联耦合度为目标，定义信息交互关联聚类原则及量化评价计算模型；以增大任务包内子任务间质量需求趋同度，同时减小任务包间质量需求耦合度为目标，定义质量需求关联聚类原则及量化评价计算模型；以增大聚类任务包集的可用设计资源的全局资源竞争性为目标，定义可用资源适配聚类原则及量化评价计算模型；基于自加权多视图聚类方法，综合信息交互关联、质量需求关联、技能需求关联3个关联视图互补信息，针对不同聚类数求解聚类方案，综合三准则评价计算模型支持聚类方案优选。

3.4 协作团队的设计质量目标实现鲁棒评估与配置优化

为聚类后的设计任务包集合配置设计资源，发包并组建众包设计协作团队，是众包设计过程的重要环节。而设计任务包质量需求的实现过程主要依托于接包设计资源主体，实现的水平、成本、周期与该接包设计资源的能力、状态等多种因素息息相关。同时，关联设计任务包间存在的设计耦合与交互协作，也使得众包设计协作团队组织结构性能会对设计协作过程、整体设计任务质量需求实现产生相应影响。将提升期望质量需求实现的鲁棒性水平作为重要目标之一，优化接包设计资源选择与众包协作团队配置结构，是实现产品众包设计过程控制的关键环节。协作团队的设计质量目标实现鲁棒评估与配置优化关键技术主要基于众包设计环境特征，构建设计协作关联网络模型，定义期望质量特性实现鲁棒性量化计算模型，支持多目标的众包设计接包资源优选和协作团队结构配置求解，如图7所示。

(1)众包设计协作团队配置模型定义

聚焦众包协作中的关系多样性、要素多样性、动态特性和层次交错性，以及协作主体的多样性和差异性等特征，以复杂网络理论为工具，构建众包设计协作团队的立体多核网络模型，定义设计协作团队组织要素，描述众包设计协作团队的状态和结构，通过状态模型描述协作团队中资源主体、决策主体、技能向量、技能需求、子设计任务间的属性状态和对应关联，通过结构模型描述以协作完成众包设计任务为目标而建立的资源主体、决策主体和子设计任务之间的组织结构配置关联。

(2)配置方案的设计质量实现鲁棒性评估

构建协作主体的内部工作负载和外部协作负载度量指标，定义设计协作团队执行子任务集的性能测度；分析众包设计协作过程的多源不确定性因素，建模任务迁入迁出、任务参数变更、任务关联变更、资源状态变更等不确定输入事件；结合静态鲁棒性和动态鲁棒性两个层面，定义衡量设计协作网络的设计质量目标实现鲁棒性的评价指标，静态鲁棒性研究设计协作网络配置方案在不同不确定输入事件下的性能指标的变化，动态鲁棒性则延展考虑不确定输入事件造成的影响在网络关联节点上的传播。

(3)设计协作团队配置的多目标优化求解

借鉴计算数学组织理论相关研究，将接包设计资源选择与协同团队结构配置集成优化问题转化为提升众包设计任务执行团队组织要素(包括管理控制结构、运作策略和信息交流拓扑与共享机制等)在众包不确定环境下的期望设计质量目标实现的配置优化决策问题；以技能需求匹配度、资源可信度和总发包成本为约束，构建执行性能测度、执行周期、执行鲁棒性三项优化目标函数，采用融合路径重连的改进的NSGA-Ⅱ(fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm)算法求解；根据实际需求对各目标侧重，从Pareto解集中选取适合的配置解。

3.5 协作过程的设计质量目标损失解析与方案收敛决策

众包设计过程是设计协同团队中各独立能动的接包设计资源主体的合作协同过程。不同子任务的接包设计资源主体在追求自身设计目标的实现的同时，也在推动共同设计目标的实现。子任务间的交互耦合和设计资源的离散分布特征导致该过程难以避免设计冲突的发生。解析设计冲突发生时局部与全局的质量目标损失，评价与优选合适的决策方案，对于保障众包设计质量目标实现水平及收敛效率至关重要。同时，作为一种更为复杂的设计情景，众包设计融合产品设计过程和众包过程，由多源不确定因素导致的某项子任务质量目标实现的变化在整个子任务关联网络中扩散传递，产生对其他子任务的次生衍生影响，进而又影响上层设计质量目标的实现。在众包设计过程中，及时预测和识别质量波动发生，追溯波动路径，衡量波动影响，进而做出响应性调整，是开展众包设计过程管控，推动设计过程稳定收敛的关键。协作过程的设计质量目标损失解析与方案收敛决策关键技术主要分析与建模众包设计过程合作演化机制，识别设计质量目标损失传播链，综合考虑局部与全局视野量化质量目标损失，支持方案优选与协商决策，如图8所示。

(1)众包设计收敛决策问题建模求解

建立不同决策方案下的设计质量目标损失的量化模型；分析众包设计协作过程中的收敛决策场景，分别定义设计参数冲突协商决策与设计方案优选决策两类设计收敛决策问题。针对设计参数冲突协商决策问题，引入博弈理论，分析定义博弈方、决策变量与博弈方映射关系以及博弈策略空间，基于设计质量损失量化模型建立各博弈方效用函数，采用如Shapley值法等实现求解；针对多设计方案优选决策问题，构建融合设计质量实现综合效能指标的评价指标体系，依次基于灰—决策实验室分析方法驱动指标权重计算，基于DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)驱动噪声过滤，基于模糊综合决策计算最终方案评分，最终实现方案优选。

(2)设计质量目标损失的传播分析

依据子任务关联关系、设计质量需求关联关系和设计协作网络配置方案信息，实现对由不确定输入事件和收敛决策事件引发的设计质量目标损失的衍生传播路径的辨识，以及对设计质量目标全局综合损失的预测评价；分类定义设计质量损失风险源，深度辨析各类设计质量目标损失风险源的诱导机制与增量传播原理，并实现对风险源的分级评价，进而支持对众包设计协作过程中设计质量损失的源头预判、实时追溯、分级管控与响应。

(3)设计协作配置的适应性重构调整

针对设计协作配置方案的适应性调整，分析子任务之间的信息交互关联性、逻辑约束性和进度可调性，定义和量化包含结构和性能两个层面的适应性重构代价函数。对于结构重构代价函数，主要考虑任务变更、协作主体移入移出、协作关系变更等导致的成本代价；对于性能重构代价，则主要考虑设计协作配置方案变更后导致的不可避免的设计质量目标损失。以最小化重构调整后的适应性重构代价为优化目标，基于启发式算法求解最优的适应性调整方案。

3.6 众包设计多阶段交付里程碑分解与交付物综合评价

众包设计具有多主体、多子任务、多级分包、长周期等特点，且存在动态设计过程难监督的问题，建立分层分阶段的交付机制，有利于实现对众包设计成果质量的及时感知和响应干预。同时，众包设计从本质上来说也是一种发包方和接包方之间的委托代理关系。公平、合理的利益分配机制和协调机制，有助于保障众包设计项目能够被高质量、高效率、低成本的完成。众包设计多阶段交付里程碑分解与交付物综合评价关键技术主要构建里程碑分解—任务成果评价—动态契约流程，支持众包设计成果交付—支付一体化管控，如图9所示。

(1)众包设计成果交付里程碑分解

构建包含4个步骤的众包设计成果的里程碑分解算法。寻找强连通集，即在输入任务集和依赖关系的情况下，构建任务的有向图，然后寻找到任务集中完全耦合的任务；将耦合任务合并形成一个新的任务，并将有向图重新编号，此时原先的有向图就变成了一个有向无环图；在满足上述需求(约束)的条件下寻找有向无环图的可执行拓扑顺序，并加入贪心算法优化收敛速度；将所得到的拓扑顺序按照粒度约束以及所需里程碑数目进行聚合，从而完成设计成果交付的里程碑分解。

(2)设计成果交付物的综合评价

针对具体行业，分析与构建具备多属性、层次化特点的设计成果评价指标体系。结合AHP(analytic hierarchy process)法和模糊综合评判法的优势以及网络环境下专家“多”的特点，采用基于专家群组的模糊层次评判法(Fuzzy-AHP，FAHP)来对众包设计成果进行综合评估。以群组FAHP的方法确定模糊综合评判法中的权重向量，以模糊综合评判方法判断指标对可信度评级的隶属度并计算综合评价结果。

(3)基于动态契约的众包成果交付—支付模型

建立基于动态契约的成果多阶段交付—支付模型。动态契约方法根据里程碑划分，将契约分解为不同层次、不同阶段的阶段性契约，形成一个树状结构。成果交付支付活动总是从最细粒度任务开始，逐层交付，其过程构成一个对支付活动树的深度优先遍历。当其中一个阶段性契约发生变更时需要进行审核，审核通过的变更将根据其契约模板，分析设计过程中多主体之间交易支付与成果交付的协同关系，更改其应完成的交付成果和支付活动。

4 原型系统实现与应用

基于所提技术体系中各项关键技术的研究成果，开发了相应的使能工具软件，集成构建了众包设计过程管控原型系统，如图10所示。支持从设计任务分包规划、子任务发包配置、设计过程动态调控、设计成果交付评价反馈的众包设计全过程管控功能，其中，众包设计流程建模工具提供众包设计流程模板调用和拖拽式建模功能;众包设计进度状态可视化工具提供各任务执行进度状态的图形可视化功能和其他反馈工具量化指标的集成显示功能;众包设计主动分解工具提供对案例库知识的智能检索推荐功能，为新任务分解提供参考模板，同时提供对子任务集的聚类规划功能;众包设计任务规划工具提供设计资源的适配性评估与优选推荐、设计任务序列的智能规划功能;众包设计状态量化感知工具提供对实时进度状态的量化评价功能;众包设计多任务综合决策工具提供多任务批量规划处理功能;众包设计多阶段交付工具提供设计成果的里程碑分解功能;众包设计支付融合管控工具提供交付物评价反馈功能、基于契约模板的交付—支付管理流程定义和管理功能。

采集海尔HOPE平台中某型号杀菌消毒空调创新研发案例数据对众包设计过程管控原型系统主要功能进行了初步应用验证，如图11所示。首先，将“杀菌性能要求：30立方米舱内测试，空气杀菌率≥99.9%/1 h，物表杀菌率99.9%/1 h；副作用低于国际要求，可人机共存；风量损失小于5%，……”等技术需求导入，调用设计任务主动分解功能，基于平台业务知识库，检索推荐相似分解模板，结合人工修正，实现需求细化拆解和子任务目标定义；接着，编辑子任务，调用设计任务规划功能，基于平台研发设计资源库，检索推荐适配设计资源实体，调用多阶段交付规划功能，划分交付里程碑节点，实现任务分包下发；然后，基于案例原有创新研发执行过程数据驱动众包设计过程原型系统中任务的执行演进仿真，调用设计状态量化感知功能实时跟踪设计进度状态，调用多任务综合决策功能对动态变更事件进行重调度匹配推荐，调用支付融合管控功能进行对交付设计成果开展评价反馈和支付管理。

通过案例仿真证明了原型系统各功能模块的可行性，且与原有创新研发过程数据相比较，基于众包设计过程管控原型系统实施该案例，设计需求拆解与任务规划过程中减少了近35%的无效迭代，资源寻优匹配效率提升近40%，设计状态量化感知功能能够实现对原有实际执行过程中部分重大影响变更事件的风险预警，一定程度上验证了本文所提出的众包设计过程管控关键技术在提升众包设计质效水平方面的潜力优势。目前，本文所提出的众包设计过程管控技术体系在海尔HOPE平台的集成落地和实践应用工作也在持续推进，考虑本文篇幅所限，此处不再详细展开介绍。

5 结束语

融合众包理念，构建“互联网+”研发体系新模式，是企业突破自身产品创新研发能力瓶颈的重要途径。本文分析了众包设计对提升企业产品创新研发能力的价值与意义，阐述了面向高质效产品创新研发的众包设计过程管控的内涵，针对复杂设计情境下的众包设计稳定收敛问题，构建了众包设计过程管控技术体系架构，提出了众包设计流程建模与设计质量形成过程可视化感知、众包设计子任务集的质量需求解耦辨识与聚类分包、协作团队的设计质量目标实现鲁棒评估与配置优化、协作过程的设计质量目标损失解析与方案收敛决策以及众包设计多阶段交付里程碑分解与交付物综合评价等关键技术。本文所提出的关键技术已经集成于众包设计过程管控原型系统，通过对海尔HOPE平台中某型号杀菌消毒空调创新研发实际案例数据的应用验证，初步证明了所提技术对提升众包设计过程质效水平的可行性和有效性，对挖掘释放众包设计对产品创新研发的潜力优势，助力众包设计模式推广与应用具有重要意义。下一步将结合实施平台需求，推进众包设计过程管控关键技术及工具与实施平台原本众包管控流程的集成融合。