云服務(wù)的機(jī)床供應(yīng)鏈全生命周期協(xié)同模型研究*

熊巧巧，魏 琴，姚立國，陳啟鵬

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 550008；2.貴州大學(xué) a.貴州省大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用研究院；b.現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，貴陽 550025)

0 引言

隨著科技進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，對其管理運(yùn)營、供應(yīng)鏈運(yùn)營等進(jìn)行革新已成為趨勢。長久以來，我國大型裝備制造企業(yè)常常運(yùn)用設(shè)計過程、制造過程、施工過程相分開的運(yùn)作模式，該模式存在責(zé)任不清、內(nèi)部消耗較為嚴(yán)重、效率不高、質(zhì)量難以保證等問題。同樣，在產(chǎn)品制造、加工的過程中依舊有大而全現(xiàn)象，優(yōu)勢資源和非優(yōu)勢資源并存，供應(yīng)鏈上合作企業(yè)協(xié)同調(diào)度困難，產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期和成本難以控制等問題[1]。

為實現(xiàn)我國從制造大國成為制造強(qiáng)國，打造綠色供應(yīng)鏈，加快建立以資源節(jié)約、環(huán)境友好為導(dǎo)向的采購、生產(chǎn)、營銷、回收及物流體系[2]。易數(shù)平等[3]綜述了云制造服務(wù)全生命周期每個階段的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出現(xiàn)有研究存在的問題與不足，并指出云制造服務(wù)今后可能的研究趨勢和發(fā)展方向。楊曉英等[4]針對數(shù)控機(jī)床軸承的全生命周期數(shù)據(jù)管理缺少統(tǒng)一模型的問題，建立了全生命周期數(shù)據(jù)管理模式。在此基礎(chǔ)上，文章提出全生命周期的機(jī)床云平臺設(shè)計，建立了全生命周期機(jī)床云服務(wù)體系架構(gòu)，并從評價指標(biāo)體系、評價模型配置和評價數(shù)學(xué)模型方面對該評價方法做了研究，為云技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床業(yè)提供了新思路。

1 全生命周期制造業(yè)供應(yīng)鏈設(shè)計

1.1 全生命周期設(shè)計

生命周期設(shè)計(Life Cycle Design)又稱生態(tài)設(shè)計，是指從產(chǎn)品性能、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)可行性的角度，考慮產(chǎn)品開發(fā)全生命周期。全生命周期設(shè)計(The whole life cycle Design)的概念，就是指面向產(chǎn)品全生命周期全過程的設(shè)計，包括市場需求分析、設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造、銷售、使用、淘汰廢棄后再生利用的整個閉環(huán)周期。在設(shè)計過程中，依據(jù)性能、生產(chǎn)效率、品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和能源利用率等多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計案例的選擇，來找尋最佳最優(yōu)的平衡點(diǎn)[5-6]。

1.2 全生命周期的機(jī)床云平臺協(xié)同設(shè)計

全生命周期的機(jī)床云平臺協(xié)同設(shè)計實際上是多學(xué)科、跨多專業(yè)的合作開發(fā)，面向機(jī)床生命周期所有環(huán)節(jié)、所有方面的設(shè)計。

本文根據(jù)生命周期的各個階段、各種環(huán)境問題和環(huán)保效應(yīng)，以及不同的研究對象將機(jī)床云平臺劃分為依托供應(yīng)商企業(yè)群、制造商企業(yè)群、倉儲物流商企業(yè)群、銷售售后商企業(yè)群和再制造商企業(yè)群分別建立協(xié)同供應(yīng)云服務(wù)平臺、協(xié)同制造云服務(wù)平臺、協(xié)同倉儲物流云服務(wù)平臺、協(xié)同銷售售后云服務(wù)平臺和協(xié)同再制造云服務(wù)平臺。如圖1所示，采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)在運(yùn)營中的信息傳遞與獲取，以信息流交換的方式將機(jī)床供應(yīng)鏈協(xié)同供應(yīng)、協(xié)同制造、協(xié)同倉儲物流、協(xié)同銷售售后和和協(xié)同再制造等業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化為在機(jī)床云平臺上信息與數(shù)據(jù)的交互。最終，高效、高質(zhì)、低成本地滿足機(jī)床市場的客戶需求、規(guī)劃設(shè)計、材料供應(yīng)、機(jī)床設(shè)計、加工制造、裝配調(diào)試、成品存儲、調(diào)度出庫、物流運(yùn)輸、營銷銷售、調(diào)試運(yùn)行、售后維修、拆卸分離、循環(huán)利用和再生制造全生命周期的不同需求，提高機(jī)床行業(yè)的競爭力，降低機(jī)床生產(chǎn)成本，優(yōu)化利用資源能源，滿足環(huán)境保護(hù)的要求。

圖1 全生命周期的機(jī)床云平臺協(xié)同設(shè)計

2 全生命周期的機(jī)床云服務(wù)體系架構(gòu)

云服務(wù)是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，實質(zhì)是實時動態(tài)的廣泛分布的網(wǎng)絡(luò)化交易、制造和服務(wù)體系。全生命周期的機(jī)床云服務(wù)體系具有明顯的跨學(xué)科多技術(shù)參與、覆蓋不同地域和領(lǐng)域的特點(diǎn)，在該服務(wù)體系中有買家、賣家、制造者、再制造者、系統(tǒng)管理者以及特有的買賣程序和相關(guān)規(guī)章制度，融合了隨機(jī)理論、優(yōu)化設(shè)計理論、工程力學(xué)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等許多學(xué)科[7]。由此，參照網(wǎng)格之父Ian Foster等[8]提出的五層沙漏網(wǎng)格計算協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。

本文提出基于全生命周期的機(jī)床云服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它根據(jù)機(jī)床的孕育期、生產(chǎn)期、儲運(yùn)銷售期、服役期和轉(zhuǎn)化再生期的整個閉環(huán)周期，用以實現(xiàn)云服務(wù)資源的感知、跨域系統(tǒng)管理而建立的各云服務(wù)平臺和為解決云服務(wù)動態(tài)協(xié)同過程構(gòu)建與管理的云服務(wù)應(yīng)用構(gòu)建虛擬的協(xié)同組織，并利用其執(zhí)行支撐環(huán)境實現(xiàn)機(jī)床云服務(wù)體系的集成、協(xié)同和資源共享，突破時間空間對服務(wù)范圍和方式的約束。

圖2 全生命周期機(jī)床云服務(wù)體系架構(gòu)

云服務(wù)體系具體又分為用戶層、應(yīng)用層、運(yùn)營層、服務(wù)層和制造層[7-9]。不同層次所涉及的資源、數(shù)據(jù)類型等不同，因此對五個層次之間協(xié)同數(shù)據(jù)采用通過規(guī)范、接口、融合、授權(quán)和協(xié)議等多種技術(shù)手段進(jìn)行交互，包括云應(yīng)用對象模式(Cloud Application Object Model)、云運(yùn)營對象模式(Cloud Operation Object Model)、云服務(wù)對象模式(Cloud Service Object Model)、云平臺對象模式(Cloud Platform Object Model)和云聯(lián)盟對象模式(Cloud Federation Object Model)，構(gòu)成機(jī)床云服務(wù)體系的網(wǎng)絡(luò)化多層結(jié)構(gòu)模型。

(1)用戶層(User Layer)。用戶層在機(jī)床云服務(wù)體系中直接面向各個用戶群，包括機(jī)床全生命周期的各個用戶。根據(jù)各用戶的不同需求而歸類成群，方便快捷、準(zhǔn)確地為相應(yīng)用戶群提供有針對性的云服務(wù)。同時，可依據(jù)不同的授權(quán)等級，分為普通用戶群和VIP用戶群等。普通用戶群可以得到的授權(quán)較低，僅僅限于使用云服務(wù)系統(tǒng)中的基本功能；VIP用戶群獲得的授權(quán)高，除了能夠使用云服務(wù)系統(tǒng)的基本功能也能夠增加定制服務(wù)。

(2)應(yīng)用層(Application Layer)。應(yīng)用層的實質(zhì)就是在虛擬化技術(shù)和軟件以及物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)支撐下機(jī)床云服務(wù)體系的門戶，通過“廠商信息界面”、“運(yùn)營維護(hù)界面”和“用戶登錄界面”等不同的終端UI界面同云服務(wù)用戶群進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的交互、匹配和搜索，來尋求達(dá)到協(xié)同共享的目標(biāo)，實現(xiàn)云服務(wù)的高效、智能化。也是整個機(jī)床云服務(wù)系統(tǒng)的硬件設(shè)備管理者，在政府和相關(guān)行業(yè)組織的監(jiān)管下，負(fù)責(zé)部署和維護(hù)云服務(wù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(3)運(yùn)營層(Operation Layer)。運(yùn)營層是機(jī)床云服務(wù)資源集成與融合的核心，對于制造資源、服務(wù)、安全等方面的管理需要在該層進(jìn)行。該層主要面向虛擬信息資源，根據(jù)用戶層和應(yīng)用層的特定需求，針對不同的需求領(lǐng)域和服務(wù)溝通，結(jié)合自身的接口情況及相應(yīng)的虛擬資源，識別、分類、聚合、簡化資源管理工作，然后調(diào)度分配提供不同的應(yīng)用接口，提供不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提供不同的用戶管理、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)運(yùn)營等云服務(wù)。

(4)服務(wù)層(Service Layer)。服務(wù)層是整個機(jī)床云服務(wù)系統(tǒng)的核心。服務(wù)層中的各平臺與各應(yīng)用層中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)相匹配、對應(yīng)。它涵蓋了全生命周期機(jī)床云制造所需要的信息流，根據(jù)信息流的不同，服務(wù)層可分為供應(yīng)云平臺、制造云平臺、倉儲物流云平臺、銷售售后云平臺和再制造平臺，各平臺間進(jìn)行協(xié)同工作。

(5)制造層(Remanufacturing Layer)。機(jī)床云服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)云端服務(wù)需求方提交的任務(wù)請求，在應(yīng)用層、運(yùn)營層和服務(wù)層的支持下尋找符合需求的制造資源，并將該制造任務(wù)或服務(wù)任務(wù)分發(fā)給制造層相應(yīng)的企業(yè)，以此為云端用戶提供需求的云服務(wù)。同時，制造層的各企業(yè)間能夠互通有無，強(qiáng)大的資源調(diào)度功能促使資源的高度協(xié)同。

3 全生命周期機(jī)床供應(yīng)鏈評價方法研究

3.1 評價指標(biāo)體系

通過對全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈的綜合分析，文章針對其運(yùn)作特點(diǎn)，得出如圖3所示的全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈評價指標(biāo)體系。一級指標(biāo)包括運(yùn)作時間T，運(yùn)作成本C，服務(wù)質(zhì)量Q，產(chǎn)品性能P，協(xié)同效率S，滿意程度H，知識效用K，可靠程度R，環(huán)境影響E。

圖3 全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈評價指標(biāo)體系

3.2 配置評價模型

如圖4所示為全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈配置評價模型，運(yùn)作流程為：需求企業(yè)和服務(wù)企業(yè)將對應(yīng)的需求和服務(wù)分別發(fā)布到需求數(shù)據(jù)庫和服務(wù)數(shù)據(jù)庫，信息解碼器通過算法匹配處理和信息解析處理將總?cè)蝿?wù)分解為若干個分任務(wù)，當(dāng)對任務(wù)信息匹配成功后，對9項指標(biāo)進(jìn)行云服務(wù)評價，得出合理的任務(wù)解，反饋給需求企業(yè)和服務(wù)企業(yè)。

圖4 全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈配置評價模型

3.3 評價數(shù)學(xué)模型

多目標(biāo)優(yōu)化問題是將多個相互聯(lián)系又可能存在矛盾的指標(biāo)進(jìn)行合理的設(shè)計和計算，得到相對最佳解的過程[10]。根據(jù)3.1和3.2中全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈評價指標(biāo)體系和配置評價模型，可得全生命周期機(jī)床云服務(wù)供應(yīng)鏈評價問題是多目標(biāo)的求解優(yōu)化問題。云平臺將客戶需求分解為任務(wù)代碼Task={Task1,Task2,…,Taskn}，通過信息匹配獲得任務(wù)的可能解，參照評價體系對解進(jìn)行評價計算，得到合理的任務(wù)解，提交云平臺進(jìn)行分發(fā)處理。其中評價模型如公式(1)所示，合理的任務(wù)解為下述9項指標(biāo)的最優(yōu)解：

(1)

3.4 環(huán)境影響評價模型

在我國制造業(yè)蓬勃發(fā)展的過程中，加工制造是否低碳環(huán)保也尤為重要。

通過對全生命周期中云供應(yīng)鏈運(yùn)營過程的分析，得到了以下云供應(yīng)鏈環(huán)境目標(biāo)函數(shù)：

(2)

公式第1項表示產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和由生產(chǎn)中心到客戶區(qū)的運(yùn)輸過程產(chǎn)生的環(huán)境影響之和，第2項表示廢棄產(chǎn)品在回收中心的處理過程和由客戶區(qū)到回收中心的運(yùn)輸過程產(chǎn)生的環(huán)境影響之和，第3項表示產(chǎn)品在處理中心的處理過程及由回收中心到處理中心的運(yùn)輸過程產(chǎn)生的環(huán)境影響的總和。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

4 結(jié)束語

文章將云技術(shù)與傳統(tǒng)制造行業(yè)——機(jī)床行業(yè)相結(jié)合應(yīng)用，在原有傳統(tǒng)機(jī)床供應(yīng)鏈的基礎(chǔ)上，提出了一種機(jī)床供應(yīng)鏈云平臺創(chuàng)新模型，經(jīng)由供應(yīng)鏈的調(diào)整和重構(gòu)，來提升供應(yīng)鏈的效率，使其可以更好的協(xié)同工作。從全生命周期的角度對機(jī)床供應(yīng)鏈云協(xié)同平臺進(jìn)行設(shè)計，從5個層次進(jìn)行了整個平臺的體系架構(gòu)，從9個一級指標(biāo)對其進(jìn)行了評價體系構(gòu)建，建立了數(shù)學(xué)模型，并以環(huán)境影響為例進(jìn)行了研究，為客戶提供更好的服務(wù)。

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