基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式研究

李　強　史志強　閆洪波　李　麗(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭　014010)

基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式研究

李強史志強閆洪波李麗
(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭014010)

〔摘要〕針對單個企業(yè)實施個性化定制生產(chǎn)面臨資源不足、能力不強等實際情況，本文結(jié)合個性化定制特點及云制造理論提出一種新的個性化定制生產(chǎn)模式。分析了該模式的組織形式，并以云制造平臺為核心從內(nèi)外兩個角度研究了該模式的運作方式，最后對其關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢進行了說明。研究結(jié)果表明，基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式不僅能夠有效解決單個企業(yè)存在的能力不足問題，而且對于提高定制企業(yè)應(yīng)對市場變化的能力也具重要的作用。

〔關(guān)鍵詞〕個性化定制云制造生產(chǎn)模式運作模式

引言

在全球化市場競爭的環(huán)境下，消費者有了更廣闊的產(chǎn)品選擇范圍。他們不再滿足于企業(yè)提供的單一化產(chǎn)品，而是希望更多地獲得與自身需求相一致的準確產(chǎn)品。為此，企業(yè)不得不將個性化定制作為企業(yè)新的競爭手段和經(jīng)營戰(zhàn)略，進而通過為顧客生產(chǎn)定制產(chǎn)品來獲取利潤。但是由于個性化定制在商業(yè)運作原理上與大批量生產(chǎn)以及大規(guī)模定制存在著顯著差異，使得企業(yè)用于大規(guī)模生產(chǎn)及大規(guī)模定制的生產(chǎn)系統(tǒng)、信息化管理方法以及所具備的生產(chǎn)能力都很難滿足個性化定制生產(chǎn)的需要［1，2］。再加上我國制造企業(yè)普遍存在生產(chǎn)規(guī)模小、信息化水平低、研發(fā)能力不足等問題［3］，這就使得單個企業(yè)在實施個性化定制的過程中往往會受到自身資源和能力的束縛，進而使企業(yè)在實施個性化定制時出現(xiàn)如下情況: (1)缺少開發(fā)某項產(chǎn)品的核心技術(shù)和能力。(2)產(chǎn)品生產(chǎn)時轉(zhuǎn)換成本過大。(3)面對復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，企業(yè)獨立開發(fā)成本高、風(fēng)險大。雖然，企業(yè)可以通過引進先進的信息管理系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)系統(tǒng)對企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件進行改造，來滿足個性化定制生產(chǎn)的需要。但是，對現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)進行改造，企業(yè)不僅需要花費高額的成本和較長的改造周期，而且還會面臨著資金周轉(zhuǎn)困難的問題。針對上述問題，本文試圖將云制造理論引入到個性化定制生產(chǎn)中來構(gòu)建一種新的生產(chǎn)組織形式——基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式，使定制企業(yè)能夠以低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品滿足顧客的個性化需求。

1　個性化定制的原理及特點

個性化定制的原理與傳統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)和大規(guī)模定制的原理有很大不同。個性化定制采用的是“設(shè)計——銷售——設(shè)計——制造”的運作模式［4］，如圖1所示。個性化定制運作模式是以顧客為中心進行的，企業(yè)需要事先設(shè)計好產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)(確定產(chǎn)品的模塊數(shù)量、形狀、以及模塊之間的連接與界面)，通過銷售環(huán)節(jié)，在顧客的參與下結(jié)合顧客的喜好完成個性化設(shè)計，之后再對產(chǎn)品進行生產(chǎn)制造。在驅(qū)動方式上，它是一種拉式生產(chǎn)。這就使得企業(yè)在組織個性化定制生產(chǎn)時要比組織大規(guī)模生產(chǎn)和大規(guī)模定制生產(chǎn)更為困難，具體表現(xiàn)為: (1)由于企業(yè)各類資源有限，當不同顧客提出定制需求時，單個企業(yè)無論在資金上還是技術(shù)上很難在短時間內(nèi)具備快速完成產(chǎn)品從設(shè)計到銷售所有技術(shù)和能力。(2)個性化定制沒有了大規(guī)模生產(chǎn)和大規(guī)模定制的時間優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，產(chǎn)品在完成個性化設(shè)計之后，才能組織生產(chǎn)。由于顧客產(chǎn)品的差異性，企業(yè)很難進行連續(xù)性生產(chǎn)，使得生產(chǎn)效率和成本難以控制。這就要求實施個性化生產(chǎn)企業(yè)要與其他企業(yè)密切合作，相互利用彼此優(yōu)勢，通過分工合作來降低生產(chǎn)成本和提升生產(chǎn)效率。

圖1　個性化定制原理

2　云制造原理

云制造是一種面向服務(wù)，基于知識、高能低耗的網(wǎng)絡(luò)制造新模式。它是云計算服務(wù)模式在制造業(yè)的應(yīng)用。它通過將云計算、高性能計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)同電子商務(wù)技術(shù)融合，實現(xiàn)對各類制造資源(制造設(shè)備、計算系統(tǒng)、軟件、模型、數(shù)據(jù)、知識等)統(tǒng)一的、集中的智能化管理和經(jīng)營，為制造全生命周期過程提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質(zhì)廉價的服務(wù)［5，6］。它體現(xiàn)的是一種“分散資源集中使用、集中資源分散服務(wù)”的網(wǎng)絡(luò)化制造理念。

云制造基本運作原理可以用“三種用戶和一個核心支持(知識)、兩個過程(接入、接出)”來描述，如圖2所示［5］。制造資源提供者將自身的制造資源和制造能力利用各種知識手段將其封裝為云服務(wù)，交由制造云運營進行統(tǒng)一管理，制造運營者根據(jù)制造資源使用者制造需求，將云服務(wù)聚集形成制造云，面向制造全生命周期應(yīng)用提供各種服務(wù)。云制造作為一種新的制造理念，彌補了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化制造模式的不足。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化制造模式強調(diào)是“聯(lián)盟”，目的是快速響應(yīng)外界需求。而云制造是以“資源和能力的按需使用”為核心，通過搭建支持海量資源統(tǒng)一管理及具有彈性架構(gòu)的云平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)松耦合、緊耦合等不同形式的協(xié)作方式、構(gòu)建不同形式的聯(lián)盟［7］。因而，云制造不僅能夠滿足企業(yè)快的要求，而且也能夠滿足企業(yè)“需”的要求。

圖2　云制造的運行原理

3　基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式設(shè)計

3. 1基于云制造的個性化定制組織模式的構(gòu)建

根據(jù)云制造理念及原理，結(jié)合個性化定制的特點構(gòu)建了基于云制造平臺的個性化定制生產(chǎn)組織模式，如圖3所示。

其基本思想是將不同規(guī)模、不同性質(zhì)的企業(yè)封裝為獨立的功能單元，通過網(wǎng)絡(luò)將其接入到云制造平臺，并由云制造平臺進行統(tǒng)一管理，其中實施個性化定制的企業(yè)利用平臺內(nèi)部嵌入的定制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)與顧客進行交流，了解顧客的個性化需求。然后，把顧客的個性化需求反映到產(chǎn)品設(shè)計中心，由產(chǎn)品設(shè)計中心按照顧客的個性化需求設(shè)計出顧客需要的定制產(chǎn)品，或者直接讓顧客與產(chǎn)品設(shè)計中心進行交流，共同設(shè)計需要定制的產(chǎn)品。再通過網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)品配置文件傳輸?shù)疆a(chǎn)品加工制造中心，加工制造中心通過對生產(chǎn)能力分配，將供應(yīng)云、制造云、裝配云、物流云、服務(wù)云按照一定的合作方式集成起來共同完成該定制產(chǎn)品的生產(chǎn)，以達到低成本、快速響應(yīng)顧客個性化需求的目的。通過云制造平臺實現(xiàn)對人、物、知識的高度集成，進而實現(xiàn)對定制產(chǎn)品全生命周期整個過程的智能化控制。該模式利用云制造平臺將分布在不同地理位置上、不同類型的企業(yè)匯聚在一起。通過企業(yè)之間的資源共享、信息互通、能力互補來彌補企業(yè)各自的不足。這種組織形式不同于企業(yè)之間的聯(lián)盟合作，企業(yè)不論規(guī)模大小、能力強弱都處在平等地位，彼此之間沒有嚴格的從屬關(guān)系，他們根據(jù)需要可以采取不同合作形式，例如由臨時性需求產(chǎn)生的機會合作、圍繞制造過程的運作合作、圍繞產(chǎn)品的戰(zhàn)術(shù)合作等。這種開放的合作形式能夠很好地滿足單個企業(yè)實施個性化定制生產(chǎn)的需求，滿足個性化定制生產(chǎn)“穩(wěn)、準、快”的要求。

圖3　基于云制造服務(wù)平臺的個性化定制組織模式

3. 2云制造平臺的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足基于云制造的個性化定制生產(chǎn)組織模式的有效運行，因此，本文借鑒李春泉等(2011)的云制造體系構(gòu)建方法構(gòu)建了適用于個性化定制的云制造平臺體系框架，如圖4所示。整個框架體系共分為4層，包括支撐層(平臺基礎(chǔ)設(shè)施)、管理層、服務(wù)層、門戶層。支撐層是由網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、存儲及各類服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施組成，為整個平臺運作提供可靠的IT環(huán)境支持。管理層由各類服務(wù)功能工具組成，為平臺內(nèi)資源管理、調(diào)度、組合、分解、搜索、匹配、交易、結(jié)算等功能活動提供工具支持。服務(wù)層是平臺的核心功能層，向平臺用戶提供如協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、物料采購等服務(wù)。門戶層為平臺用戶提供注冊、登錄以及身份驗證、安全認證、資源審核的接口。

結(jié)合該組織模式的需要，云制造服務(wù)平臺應(yīng)具備如下功能。

3. 2. 1作為一個資源調(diào)度中心

云制造服務(wù)平臺通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、智能技術(shù)將各個企業(yè)的資源情況接入到平臺中，存儲在云數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)實施定制生產(chǎn)企業(yè)的需求信息，自動搜索云數(shù)據(jù)庫選擇含有所需資源的企業(yè)，并將有業(yè)務(wù)聯(lián)系的各個企業(yè)集成起來，利用互補優(yōu)勢，分工合作完成定制產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3. 2. 2作為一個研發(fā)設(shè)計中心

利用平臺內(nèi)集中存儲的設(shè)計工具、設(shè)計人員、設(shè)計知識等信息，根據(jù)設(shè)計需要，平臺能夠迅速組織起來多個設(shè)計團隊，進行新產(chǎn)品的研發(fā)，降低了單個企業(yè)獨自開發(fā)的風(fēng)險。

3. 2. 3作為一個產(chǎn)品交易中心

云制造通過虛擬化技術(shù)將零部件資源信息虛擬化為云數(shù)據(jù)，運用軟件工程技術(shù)，構(gòu)建零部件在線交易系統(tǒng)模塊，為企業(yè)之間信息發(fā)布、管理、交互并最終達成在線交易提供服務(wù)。

3. 2. 4作為一個物流配送中心

云制造服務(wù)平臺通過接入大量擁有完善服務(wù)體系和各行業(yè)客戶的物流企業(yè)，使得定制企業(yè)能夠利用這些企業(yè)混合裝載、規(guī)模經(jīng)濟的效應(yīng)，實現(xiàn)定制產(chǎn)品的低成本運輸和快速響應(yīng)。

圖4　個性化定制云平臺體系架構(gòu)

3. 2. 5作為一個供應(yīng)鏈管理中心

云制造服務(wù)平臺能夠?qū)⑴c某一定制任務(wù)的所有企業(yè)進行統(tǒng)一管理，通過對供應(yīng)鏈上信息的集中處理和共享，可以加快信息傳遞速度和提高信息的準確性，有利于各企業(yè)制定合理的生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)精益生產(chǎn)和敏捷制造，降低定制生產(chǎn)成本，減少資源消耗和不必要的資源浪費。

3. 3基于云制造服務(wù)平臺的運作模式設(shè)計

3. 3. 1平臺外部運作模式設(shè)計

定制企業(yè)基于云制造服務(wù)平臺的外部運作模式應(yīng)以生產(chǎn)計劃為主線，圍繞云制造服務(wù)平臺對企業(yè)內(nèi)外部各種資源進行合理配置與管理，通過最優(yōu)地組織生產(chǎn)，使顧客訂單要求與企業(yè)資源有機地結(jié)合，既滿足顧客定制要求又使自身資源得到高效利用。基于云制造服務(wù)平臺的生產(chǎn)計劃模型，如圖5所示。

在圖5中，基于云制造服務(wù)平臺的生產(chǎn)計劃的運作流程如下: (1)云制造服務(wù)平臺接收顧客訂單，根據(jù)企業(yè)當前資源能力情況及定制產(chǎn)品的BOM進行能力分析和成本分析，確定其生產(chǎn)類型，并將分析結(jié)果返回給定制企業(yè); (2)定制企業(yè)根據(jù)平臺返回的能力和成本分析信息，決定是否將部分定制任務(wù)外包，若外包，將外包任務(wù)發(fā)布到云制造服務(wù)平臺，平臺根據(jù)外包任務(wù)要求會自動選擇合適的合作伙伴來完成外包任務(wù); (3)定制企業(yè)及其合作伙伴根據(jù)各自當前生產(chǎn)能力制定詳細的生產(chǎn)計劃，并將其提交給云制造服務(wù)平臺。(4)在計劃執(zhí)行時，云制造服務(wù)平臺根據(jù)各企業(yè)的生產(chǎn)計劃對整個生產(chǎn)任務(wù)的進度進行跟蹤反饋和控制，并及時將生產(chǎn)進度給定制企業(yè)及顧客。(5)下一次計劃時，云制造服務(wù)平臺會重新對平臺內(nèi)各企業(yè)生產(chǎn)能力進行評估分析，并對新訂單按照(1)～(4)的步驟滾動制定計劃，同時，對于哪些訂單正在占用的能力不再考慮作為新訂單任務(wù)的計劃。基于云制造服務(wù)平臺的生產(chǎn)計劃模型突破了MRPⅡ［10］、JIT［11］、TOC［12］只局限于單一企業(yè)內(nèi)部的資源利用和優(yōu)化的局限性，將資源利用的空間和能力平衡擴展到了企業(yè)外部，提高了企業(yè)應(yīng)對個性化定制快速多變的能力。

3. 3. 2云制造服務(wù)平臺內(nèi)部運作模式

為了保證外部運作模式的有效運行，本文對云制造服務(wù)平臺內(nèi)部的業(yè)務(wù)處理流程進行了設(shè)計，如圖6所示。

在前文構(gòu)建的用于個性化定制的云制造服務(wù)平臺主要包括定制中心，產(chǎn)品設(shè)計中心、訂單管理中心、協(xié)同加工中心、物料采購中心、物流服務(wù)中心6個服務(wù)模塊。因而，平臺內(nèi)部的業(yè)務(wù)主要圍繞這6個服務(wù)模塊開展。具體運作過程如下:

圖5　基于云制造服務(wù)平臺的生產(chǎn)計劃模型

定制中心從制造云池中調(diào)取需求描述工具，獲取顧客需求，對于獲取的需求，一方面將其導(dǎo)入制造云池存儲，為以后挖掘顧客潛在需求提供依據(jù);一方面對其進行功能轉(zhuǎn)化，得到設(shè)計人員可以理解的產(chǎn)品功能參數(shù)，并將其導(dǎo)入制造云池中存儲，為設(shè)計人員研發(fā)產(chǎn)品提供依據(jù)。產(chǎn)品設(shè)計中心接收定制中心發(fā)送的顧客需求(已轉(zhuǎn)化過的)，并調(diào)取制造云池內(nèi)設(shè)計資源(包括設(shè)計人員、設(shè)計工具、設(shè)計資料)對定制產(chǎn)品進行實體模型，將生成產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到制造云池內(nèi)存儲，以便訂單管理中心調(diào)取。管理訂單管理中心將調(diào)取得存儲在制造云池內(nèi)的顧客信息及產(chǎn)品信息融合生成顧客訂單文件，根據(jù)定制企業(yè)生產(chǎn)能力的實際情況對訂單進行適當?shù)姆纸夂头峙洌⒎纸獾玫降耐獍唵渭巴赓徲唵伟l(fā)布到平臺內(nèi)，待協(xié)同加工中心及物料采購中心進行任務(wù)再分配。協(xié)同加工中心調(diào)取存儲在制造云池內(nèi)的外包任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求從制造云池內(nèi)選擇合適的合作伙伴，并將分配結(jié)果和訂單執(zhí)行情況返回給訂單管理中心，以便訂單管理中心對訂單完成進度進行監(jiān)控。物料采購中心調(diào)取存儲在制造云池內(nèi)的外購任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求從制造云池內(nèi)選擇合適的供應(yīng)商，并將分配結(jié)果和供貨情況返回給訂單管理中心，以便訂單管理中心對訂單完成進度進行監(jiān)控。在訂單任務(wù)執(zhí)行時，物流服務(wù)中心調(diào)取存儲在制造云池內(nèi)的來自不同企業(yè)的配送任務(wù)，根據(jù)配送任務(wù)要求選擇合適的物流公司，來保證企業(yè)之間產(chǎn)品零部件間準時配送。

圖6　云制造平臺內(nèi)部運作過程

3. 4實現(xiàn)所需的關(guān)鍵技術(shù)

基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式的成功運行離不開相應(yīng)技術(shù)的支持。整個模式涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有智能化匹配技術(shù)、智能化管理技術(shù)、信息標準化技術(shù)等。

3. 4. 1智能匹配技術(shù)

智能匹配是云制造平臺按需分配任務(wù)的關(guān)鍵，涉及資源建模、任務(wù)建模、匹配算法設(shè)計等問題。

3. 4. 2智能化管理技術(shù)

智能化管理技術(shù)是云制造環(huán)境下個性化定制實施的關(guān)鍵技術(shù)，涉及訂單管理、資源管理、過程管理等方面。主要包括資源部署、調(diào)度、監(jiān)控等技術(shù);訂單分解、分配、調(diào)度、監(jiān)控、評價等技術(shù)。

3. 4. 3信息標準化技術(shù)

信息標準化技術(shù)是基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式成功實施的基礎(chǔ)之一。信息表示、處理、交換的標準化，是企業(yè)之間互通有無的保證。信息標準化主要涉及產(chǎn)品文件格式的標準化、商務(wù)信息的標準化、管理、運行方式的標準化等。

3. 5基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式的優(yōu)勢

基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式與單個企業(yè)獨立實施個性化定制生產(chǎn)相比具有顯著優(yōu)勢，主要如下:

(1)該模式通過利用云計算等先進技術(shù)對各類制造資源進行虛擬聚集，使分布在不同地理位置上的制造資源達到高度共享和優(yōu)化配置，也使加入云制造的企業(yè)能夠以低廉的成本，快速尋求到資源互補對象來彌補自身能力的不足。(2)企業(yè)利用云制造服務(wù)平臺實施個性化生產(chǎn)突破了單個企業(yè)生產(chǎn)能力的束縛，使企業(yè)能夠以無限大的生產(chǎn)能力來進行生產(chǎn)的規(guī)劃，使企業(yè)能夠獲得更高的效益。(3)可以利用云制造服務(wù)平臺內(nèi)資源的規(guī)模優(yōu)勢，迅速匯集生產(chǎn)所需的各種生產(chǎn)要素，以更快的速度研發(fā)和生產(chǎn)定制產(chǎn)品，它提高了企業(yè)應(yīng)對市場變化速度和能力。(4)在合作伙伴和供應(yīng)商選擇上更加靈活、方便，企業(yè)之間能夠以更加多樣化的形式進行即時合作，相互利用彼此的優(yōu)勢，實現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)，以更低的成本生產(chǎn)出顧客滿意的產(chǎn)品。(5)云制造服務(wù)平臺能夠根據(jù)各企業(yè)具體生產(chǎn)情況，按需調(diào)度任務(wù)，實現(xiàn)了社會資源的優(yōu)化配置和高效利用。

4　結(jié)論

基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式是為了解決單個企業(yè)生產(chǎn)能力不強以及快速應(yīng)對顧客定制需求而提出的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)模式。它通過云制造服務(wù)平臺對社會資源實現(xiàn)了有效的集成和統(tǒng)一管理，使加入云制造服務(wù)平臺的企業(yè)能夠按需使用資源，彌補自身能力的不足，靈活選擇合作伙伴，降低生產(chǎn)成本，進而快速有效的滿足顧客定制需求。在該模式下，企業(yè)之間通過彼此能力和資源的共享，不僅使各自的資源得到充分利用、實現(xiàn)增值，也使各企業(yè)能夠以更低的成本組織生產(chǎn)，實現(xiàn)多贏。因而，基于云制造的個性化定制生產(chǎn)模式為企業(yè)應(yīng)對全球化競爭的挑戰(zhàn)提供了新的條件。

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(責任編輯:王平)

Research on the Production Mode of Personalized Customization Based on Cloud Manufacturing

Li Qiang Shi Zhiqiang Yan Hongbo Li Li
(Inner Mongolia University of Science＆Technology，Baotou 014010，China)

〔Abstract〕For a single enterprise to implement personalized custom production is facing the lack of resources，the ability is not strong and so on the actual situation，and this paper combined with the characteristics of personalized customization and cloud manufacturing theory proposed a new personalized custom production mode．The organization form of the model was analyzed，and the operation mode of the pattern from inside and outside the two angles of the cloud manufacturing platform was studied．Finally，the key technologies and the advantages of the pattern were described．The analysis results show that the personalized customization production model based on cloud manufacturing can not only effectively solve the problem of the existing problems of individual enterprises，but also has an important role in improving the ability to respond to market changes．

〔Key words〕personalized customization; cloud manufacturing; production mode; operation mode

作者簡介:李強，內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院教授，博士。研究方向:制造業(yè)信息化、現(xiàn)代設(shè)計理論。史志強，內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。研究方向:云制造。閆洪波，內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院副教授。研究方向:創(chuàng)新設(shè)計。李麗，內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院講師。研究方向:現(xiàn)代設(shè)計方法。

基金項目:內(nèi)蒙古自治區(qū)十二五應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金項目:電子與信息化“裝備制造業(yè)中云制造協(xié)同制造模式的研究及企業(yè)應(yīng)用規(guī)范”(項目編號: 20111424)。

收稿日期:2015—11—16

〔中圖分類號〕F426. 4

〔文獻標識碼〕A

DOI:10．3969/j．issn．1004－910X．2016．04．012