基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車業(yè)再制造信息采集與決策支持系統(tǒng)研究

莊玉良，賀　超

（1.南京審計大學　管理科學與工程學院，江蘇　南京　211815；2.中國礦業(yè)大學　管理學院，江蘇　徐州　221116；3.中國礦業(yè)大學　物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇　徐州　221008）

基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車業(yè)再制造信息采集與決策支持系統(tǒng)研究

莊玉良1，賀超2，3

（1.南京審計大學管理科學與工程學院，江蘇南京211815；2.中國礦業(yè)大學管理學院，江蘇徐州221116；3.中國礦業(yè)大學物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇徐州221008）

以汽車行業(yè)為對象，基于物聯(lián)網(wǎng)技術，設計閉環(huán)供應鏈信息采集體系，并據(jù)此構建以維修和拆卸決策、零部件和單元價值判斷、零部件和單元匹配決策以及生產(chǎn)計劃調整和資源調度管理等為主要內容的再制造決策支持系統(tǒng)，以期為解決再制造生產(chǎn)管理的困難和障礙提供借鑒。

再制造；決策支持系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；汽車行業(yè)；閉環(huán)供應鏈

1　引言

近年來，閉環(huán)供應鏈引起理論界和企業(yè)界的廣泛關注，成為我國社會主義生態(tài)文明建設的新路徑。閉環(huán)供應鏈實現(xiàn)了壽命終結（End of Life，EOL）產(chǎn)品從廢棄物到再資源化的轉變，使蘊含在EOL產(chǎn)品中的價值能夠在新的生命周期中被再次利用（來源于物質、能源等的再利用）。閉環(huán)供應鏈實踐對于緩解我國當前經(jīng)濟發(fā)展與資源、環(huán)境間的尖銳矛盾有著非常重要的意義，需要政府、企業(yè)和消費者高度重視。

閉環(huán)供應鏈包括正向供應鏈和逆向供應鏈兩部分，其中逆向供應鏈又包含產(chǎn)品回收、檢測、清洗、拆卸和恢復、再制造等環(huán)節(jié)。再制造是逆向供應鏈的關鍵環(huán)節(jié)，也是回收產(chǎn)品價值再生的核心流程。經(jīng)徐濱士院士等的長期推動，再制造研究已經(jīng)在技術領域取得了巨大成果，但再制造管理理論研究卻明顯不足，從而影響了企業(yè)再制造的實踐和再制造技術的發(fā)揮。工信部公布的再制造試點企業(yè)名單中，以發(fā)動機和變速箱再制造為核心的汽車業(yè)，占據(jù)了非常重要的位置，但再制造管理和決策面臨諸多困難，再制造實踐處于低水平狀態(tài)。再制造企業(yè)面對的不再是同質的原材料和再制品，因此特定再制品的需求、原材料的供應、原材料的性能檢測和價值測度、原材料在再制品間的合理匹配、再制造生產(chǎn)計劃的安排等成為再制造管理理論研究的主要領域和再制造企業(yè)必須解決的關鍵管理問題，而與再制造相關的各環(huán)節(jié)的信息采集和共享及其決策支持是再制造管理關鍵問題解決、再制造過程實施的有效途徑和根本保障。

2　產(chǎn)品再制造管理的不確定性

再制造產(chǎn)品所采用的原材料是經(jīng)過處理后的回收EOL產(chǎn)品及其組成單元，還可能包括部分全新的零部件。原材料來源和構成情況的復雜性，導致再制造管理較傳統(tǒng)的全新產(chǎn)品制造管理復雜程度顯著提高，主要原因表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）原材料供應的隨機性明顯。作為再制造產(chǎn)品原材料供應的回收產(chǎn)品，來自于消費者對EOL產(chǎn)品的回收。EOL產(chǎn)品的回收地域分散，渠道多樣，隨機性明顯?；厥债a(chǎn)品數(shù)量甚至質量方面的隨機性，造成再制造產(chǎn)品的原材料供應極不穩(wěn)定。由于產(chǎn)品再制造企業(yè)無法控制原材料的來源、數(shù)量和質量，因此準確的再制造生產(chǎn)計劃的制定和執(zhí)行較為困難。

（2）回收產(chǎn)品的處理流程和時間不確定?；厥债a(chǎn)品的狀況千差萬別，回收產(chǎn)品拆卸、恢復、檢測等處理過程和時間不盡相同，即回收產(chǎn)品處理流程和作業(yè)時間非標準化，采用流水線方式對再制造流程進行管理存在困難。因此，回收產(chǎn)品前期處理的不確定性是再制造管理需要解決的問題?；厥债a(chǎn)品前期處理問題解決以后，物料或單元生產(chǎn)與最終再制造裝配分開，最終產(chǎn)品生產(chǎn)采用近似流水線的管理模式，可以提高效率、降低成本。

（3）物料需求計劃的對象為個體而非類別。全新產(chǎn)品生產(chǎn)時，所面對的同一型號的零部件或單元都是同質的，因此計劃管理的內容是基于物料清單確定的物料類別數(shù)量和時間。在產(chǎn)品再制造中，很多原材料來自于對EOL產(chǎn)品的拆卸和清理，而回收產(chǎn)品的狀況并不相同，拆卸后物料的可用狀況也不相同，因此再制造管理的物料需求面對的是使用價值各不相同的回收物料，回收物料的價值測度以及基于再制造產(chǎn)品的整體性能和價值而進行的回收物料價值匹配和選擇優(yōu)化成為產(chǎn)品再制造物料需求計劃管理的基礎和特殊的必要內容。產(chǎn)品再制造物料需求計劃以物料個體而非類別為對象，為理論研究提出了全新的課題。

（4）再制造成本難以有效衡量。傳統(tǒng)正向供應鏈的產(chǎn)品生產(chǎn)以企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）為管理工具，從而為新產(chǎn)品的成本核算與控制提供了有效的保障。在產(chǎn)品再制造管理中，由于上述的一些典型特征，每一個產(chǎn)品的成本構成難以準確獲得，從而使精細化的生產(chǎn)控制和最終產(chǎn)品定價存在一定困難，再制造產(chǎn)品定價的主觀性遠大于新產(chǎn)品。

產(chǎn)品再制造管理的不確定性來源于回收產(chǎn)品及其構成物料消費歷史及狀態(tài)描述的不完整性和模糊性，因此，供應鏈各環(huán)節(jié)產(chǎn)品使用、維護過程的信息記載成為減少和消除產(chǎn)品再制造管理不確定性的關鍵。當然，信息的記載也有其局限性，回收產(chǎn)品及其構成物料信息的不完整和不對稱仍會普遍存在。因而基于已有信息，通過長期積累和不斷完善的方法與模型，并依靠專家經(jīng)驗開展產(chǎn)品再制造管理的輔助決策，實現(xiàn)回收產(chǎn)品及其零部件和單元價值的評估與測度，進而完成再制造產(chǎn)品生產(chǎn)單元的匹配優(yōu)化，是產(chǎn)品再制造管理減少和消除不確定性的必要手段。

3　再制造決策信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

信息共享是閉環(huán)供應鏈和再制造管理的必然要求和實現(xiàn)途徑。從博弈論角度開展研究的學者，對信息對稱或不對稱情況下回收價格的確定進行探討，所得結論往往是信息共享有利于回收價格的確定［2-4］，但對信息共享的實現(xiàn)方法和途徑缺乏討論。

對信息共享問題進行初步探討的文獻可分為信息管理和信息系統(tǒng)構建兩大類。再制造信息管理問題的研究早在2002年便已出現(xiàn)。郭茂（2002）等人提出建立一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫存儲和更新產(chǎn)品實時數(shù)據(jù)，為后續(xù)的再制造管理提供信息支持［5］，但這種模式下，無論是數(shù)據(jù)來源還是存儲都存在較大困難。李娟（2011）則在物料清單（Bill of Material，BOM）基礎上，提出了一個包含拆解、清洗、加工、裝配以及整裝試驗五種BOM信息管理模型［6］，但數(shù)據(jù)來源的研究也沒有涉及。

閉環(huán)供應鏈信息系統(tǒng)構建方面的研究是當前主流。從技術基礎視角的研究多基于互聯(lián)網(wǎng)，如程艷霞（2005）等基于互聯(lián)網(wǎng)對退貨管理信息系統(tǒng)進行研究［7］。近年也有研究者涉及物聯(lián)網(wǎng)技術，如李玉民（2012）以射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術為基礎，面向曲軸再制造，設計了一個包含回收檢測、流通過程跟蹤、生產(chǎn)過程跟蹤和信息交換平臺的逆向物流信息系統(tǒng)［8］。唐燕（2012）等面向再制造提出了一個基于云計算的閉環(huán)供應鏈再制造平臺［9］。此外，也有學者從正、逆向數(shù)據(jù)集成角度討論整體信息系統(tǒng)的構建問題，如劉清濤（2010）等［10］和員巧云（2010）［11］的研究。以上研究仍然缺乏對閉環(huán)供應鏈信息共享中最為關鍵的信息采集和信息處理流程問題的探討。

閉環(huán)供應鏈的特殊性決定了信息采集和信息加工是決策支持的關鍵。充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術在數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲方面的優(yōu)勢，構建再制造決策支持系統(tǒng)，可以有效實現(xiàn)對拆卸決策、單元匹配和成本控制等方面的輔助決策能力。

4　基于物聯(lián)網(wǎng)的再制造決策支持系統(tǒng)架構

4.1基于物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)供應鏈信息采集流程

再制造決策所需信息來源于整個閉環(huán)供應鏈，信息采集流程包含從產(chǎn)品設計、零部件采購、產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售、使用、售后維護以及回收處理等各個環(huán)節(jié)，信息源大多為空間獨立的主體，甚至可能分布于全球范圍內的不同地點，時間跨度長，可能會延續(xù)若干年甚至十多年。因此，再制造決策的信息采集具有不同于一般管理信息系統(tǒng)的突出特點，在信息采集、傳輸、存儲、處理等方面所用的信息技術也異乎尋常。物聯(lián)網(wǎng)具有物物相連、短距離數(shù)據(jù)傳輸和分散存儲，甚至是分散計算的優(yōu)勢，能滿足再制造決策支持系統(tǒng)的特點和要求。

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，為閉環(huán)供應鏈信息采集流程的設計與實現(xiàn)奠定了堅實的基礎。基于物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)供應鏈信息采集流程如圖1所示。

圖1　以汽車行業(yè)為例的閉環(huán)供應鏈信息采集流程

為確保閉環(huán)供應鏈整體最優(yōu)，制造企業(yè)在新產(chǎn)品設計時就應采用面向再制造的產(chǎn)品設計理念和方法，即零部件設計單元化，彼此間采用標準接口連接。經(jīng)過長時間的數(shù)據(jù)積累并經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘，將某些難以改進的易損部件形成一個單元，減少售后維護成本，提高再制造水平。面向再制造的產(chǎn)品設計為整個信息采集流程奠定了基礎，直接決定了其效率。根據(jù)產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)，零部件生產(chǎn)企業(yè)設置電子產(chǎn)品代碼（Electronic Product Code，EPC）并將相關信息通過對象命名服務（Object Name Service，ONS）指向存儲該零部件或單元信息的實體標記語言（Physical Markup Language，PML）服務器［13］。新產(chǎn)品制造企業(yè)的制造部門通過零部件上的RFID獲取部件的相關信息，或直接通過互聯(lián)網(wǎng)上的PML服務器獲取產(chǎn)品信息，并以其為參考，制定生產(chǎn)計劃。新產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，制造商為其賦予一個EPC代碼，并將相關信息也存入相應PML服務器中。汽車與其它行業(yè)不同，其產(chǎn)品具有高價值、高技術、長壽命等特征，在汽車上設置有多個用途不同的傳感器，這些傳感器對車輛的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證車輛的運行和安全。企業(yè)可以將這些數(shù)據(jù)進一步采集，供后期的再制造決策使用。車輛在行駛過程中，實時或按固定的時間間隔將各傳感器的數(shù)據(jù)予以記錄，并定期將數(shù)據(jù)通過短距離無線通訊技術上傳到存有該產(chǎn)品信息的PML服務器上。

根據(jù)PML服務器上的數(shù)據(jù)，信息系統(tǒng)能夠自動向銷售商、維修商或用戶發(fā)出產(chǎn)品狀態(tài)預警信息，并為相關維護提供信息支持。當維修人員對車輛進行保養(yǎng)或維護后，將相關信息也上傳到PML服務器中。客戶也可以通過互聯(lián)網(wǎng)將自身發(fā)現(xiàn)的問題上傳服務器，由銷售商

或維修商予以解決。此外，客戶還可以將自身產(chǎn)品的返回意向傳到服務器上，以減少由于回收不確定造成的回收成本和再制造計劃混亂。回收商可以根據(jù)客戶的返回意愿，綜合制定回收計劃，以減少回收成本，提高回收業(yè)務的透明度和可控程度。顯然，上述信息采集體系能夠有效預測未來某時間段內回收產(chǎn)品的數(shù)量和質量，從而為再制造生產(chǎn)計劃制定提供更為科學、準確的依據(jù)。在上述信息采集流程基礎之上，再制造企業(yè)可以獲得每一個回收產(chǎn)品的全生命周期信息，從而可以為產(chǎn)品維修或拆卸決策提供依據(jù)，同時也能夠根據(jù)相關模型對每一個組成零部件或單元的價值進行估算，為后續(xù)的再制造生產(chǎn)計劃制定提供決策支持。

4.2基于物聯(lián)網(wǎng)的再制造決策支持系統(tǒng)功能結構

產(chǎn)品生命周期的信息采集描述了閉環(huán)供應鏈產(chǎn)品及其構成物料的消費歷史及狀態(tài)，信息的處理和分析可以為產(chǎn)品再制造管理提供決策支持。根據(jù)閉環(huán)供應鏈信息采集體系和產(chǎn)品再制造所需解決的問題，再制造決策支持系統(tǒng)的功能結構如圖2所示。

圖2　汽車業(yè)再制造決策支持系統(tǒng)功能結構

根據(jù)再制造管理（以汽車為例）決策的對象、環(huán)境和數(shù)據(jù)特點，決策支持系統(tǒng)應主要包括四個方面：維修和拆卸決策、零部件和單元價值判斷、零部件和單元匹配決策以及生產(chǎn)計劃調整和資源調度管理，每個方面都包含特定的方法與模型。決策時，選擇合適的模型并從后臺PML服務器中獲取與產(chǎn)品、零部件或單元有關的所有數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)計算后，得出再制造生產(chǎn)計劃。最終的再制造生產(chǎn)計劃充分利用各個回收產(chǎn)品及其各組成部分的價值，并有效指導生產(chǎn)運作管理。

（1）維修和拆卸決策。主要目標是充分利用回收產(chǎn)品的價值，減少無謂的拆卸。當決策支持系統(tǒng)根據(jù)PML服務器上的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)回收產(chǎn)品狀況較好，只需進行簡單的維修和恢復就可作為再制造產(chǎn)品重新銷售，則不對其進行拆卸。維修評價模型對回收產(chǎn)品的各方面屬性賦予一定的權重，綜合計算該產(chǎn)品的整體維修評價得分，得分超過一定閾值的產(chǎn)品由專業(yè)員工進行進一步的維修和拆卸決策。

（2）零部件和單元價值判斷。價值判斷是整個再制造決策支持系統(tǒng)的核心，也是后續(xù)所有生產(chǎn)計劃制定的基礎。根據(jù)技術經(jīng)濟的理論，組成某個產(chǎn)品的各項零部件和單元應該保證技術經(jīng)濟的合理性。以某個全新零部件或單元的價值為“1”，對不同的零部件或單元建立有針對性的價值測度模型，并根據(jù)從PML服務器中獲取的數(shù)據(jù)計算出該回流零部件或單元的當期價值（所有產(chǎn)品的價值為一個可比較的歸一化值，其取值范圍均為（0，1］。顯然，價值判斷與測度模型應是一個需要不斷增加和維護的模型庫，以適應不同產(chǎn)品和零部件的要求。

（3）零部件和單元匹配決策。由于最終再制造產(chǎn)品的使用價值由所有零部件中質量水平最低的決定，因此，在制定再制造生產(chǎn)計劃時，企業(yè)需要將通過價值測度模型計算的“價值”相近的零部件組裝在一起，從而減少由于某個過新零部件安裝在一個整體價值相對較低的產(chǎn)品上造成的該零部件價值的浪費。單一再制造產(chǎn)品的生產(chǎn)，零部件或單元匹配非常簡單，只要尋找高出現(xiàn)有組裝產(chǎn)品中最低價值最小的零部件即可。多產(chǎn)品的零部件或單元價值的匹配難度較大，需要借助于模型和算法實現(xiàn)。

（4）生產(chǎn)計劃調整和資源調度決策。再制造產(chǎn)品的市場需求多樣且變化多端，因此生產(chǎn)計劃的調整較為常見。在生產(chǎn)計劃調整時，由于價值匹配決策的復雜性和關聯(lián)性，往往會影響到尚未進行生產(chǎn)的所有相關產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃。為此，生產(chǎn)計劃調整時需要進行資源的調度和管理，以適應再制造生產(chǎn)決策的需要。面向時間軸的生產(chǎn)能力平衡是該功能需要考慮的主要問題之一。

通過以上四個方面的決策支持，再制造企業(yè)的生產(chǎn)與管理會趨于科學合理，有效解決產(chǎn)品再制造的特殊問題。

5　基于物聯(lián)網(wǎng)的再制造決策支持系統(tǒng)構建策略

基于物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)供應鏈信息采集體系和再制造決策支持系統(tǒng)的構建，能夠大幅度減少由于閉環(huán)供應鏈的隨機性造成對再制造生產(chǎn)管理的影響。決策支持系統(tǒng)能夠為每一個產(chǎn)品指定具體的零部件和單元，減少作業(yè)順序和時間的不確定性，能夠對回收產(chǎn)品數(shù)量和質量進行更長時間的準確預測，同時可為成本核算奠定基礎，較好解決再制造管理面臨的困難。為確保再制造決策支持系統(tǒng)取得預期效果，決策支持系統(tǒng)的構建應采取正確的策略。

（1）合理設定閉環(huán)供應鏈信息采集主體。再制造決策支持系統(tǒng)對閉環(huán)供應鏈的數(shù)據(jù)依賴性非常強，物聯(lián)網(wǎng)技術作為數(shù)據(jù)采集的核心技術可以減少人為因素的影響，但信息采集的完整性仍有利于閉環(huán)供應鏈各參與方的積極配合。為確保參與各方的積極性和主動性，可以建立由閉環(huán)供應鏈上若干主要企業(yè)合資建立的獨立信息服務企業(yè)，由其負責整個流程的信息采集和存儲管理［12］，并對各參與方的信息采集行為予以一定的激勵。

（2）確保數(shù)據(jù)采集體系前端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。車輛在運行中，傳感器的數(shù)據(jù)采集是實時的，但數(shù)據(jù)的實時上傳不但沒有必要，也會產(chǎn)生巨大的成本。因此，更為合適的選擇是每間隔一定時間，將臨時存儲在車輛存儲器中的數(shù)據(jù)通過短距離無線傳輸手段，上傳到PML服務器中。設置前端數(shù)據(jù)傳輸基礎設施，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性極為重要，需要深入研究，重點實施。

（3）價值測度模型和價值匹配模型的實用性和個性化參數(shù)配置。決策支持系統(tǒng)的有效運作依賴于科學的模型庫和海量的數(shù)據(jù)。閉環(huán)供應鏈數(shù)據(jù)采集體系解決數(shù)據(jù)源問題，價值測度模型和價值匹配模型則是決策支持系統(tǒng)能夠提供科學合理建議的關鍵。價值測度模型根據(jù)零部件類型不同而不同，因此在模型實用性的基礎上，實現(xiàn)合理的參數(shù)個性化快速配置，是模型能夠應對復雜生產(chǎn)任務挑戰(zhàn)的關鍵。對于價值匹配模型，當前的研究非常少。通過算法優(yōu)化，解決多任務并行運行時可能出現(xiàn)的維數(shù)災難，是需要解決的重要課題。

6　結論

再制造是EOL產(chǎn)品實現(xiàn)價值再生的關鍵環(huán)節(jié)，與新產(chǎn)品制造相比不確定性極為明顯。再制造的不確定性給每一個環(huán)節(jié)都帶來影響，使得再制造生產(chǎn)管理異常復雜。為了減少再制造環(huán)節(jié)的難度，構建覆蓋產(chǎn)品整個生命周期的閉環(huán)供應鏈信息采集體系極為必要，在此基礎上構建再制造決策支持系統(tǒng)能夠大大提高再制造生產(chǎn)管理的效率和科學化水平，推動我國閉環(huán)供應鏈和再制造管理的發(fā)展。當然，再制造決策支持系統(tǒng)涉及內容多、范圍廣，需要從生產(chǎn)管理、信息技術、決策方法、系統(tǒng)工程等不同領域進行更為深入的研究。

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Study on Automobile Industry Remanufacture Information Collection and Decision Support System Based on IOT

Zhuang Yuliang1，He Chao2，3
（1.School of Management Science&Engineering，Nanjing Audit University，Nanjing 211815；2.School of Management，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116；3.IOT（Mine Perception）Research Center of China University of Mining&Technology，Xuzhou 221008，China）

In this paper，targeting at the automobile industry and based on the IOT technologies，we designed a close-loop supply chain information collection system，based on which we established the remanufacture decision support system mainly comprising the maintenance and dismantling decision making，spare parts and unit value judgment，spare parts and unit matching design making，production schedule adjustment and resources allocation management，etc.

remanufacture；decision support system；IOT；automobile industry；close-loop supply chain

TP391.44；F426.471；F273

A

1005-152X（2016）06-0019-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.06.005

2016-03-17

國家自然科學基金項目（71102164）；教育部人文社會科學研究項目（10YJA630235）

莊玉良（1964-），男，江蘇吳江人，南京審計大學管理科學與工程學院教授，博士，主要研究方向：閉環(huán)供應鏈管理、信息系統(tǒng)；賀超（1980-），通訊作者，男，湖北武漢人，中國礦業(yè)大學管理學院講師，博士，中國礦業(yè)大學物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心博士后，主要研究方向：閉環(huán)供應鏈與信息管理。