紡織服裝集聚區協同制造平臺設計原理與方法

孫 朋， 陶 飛， 朱愷真， 馬盈政， 馬智英， 張博強， 高 衡

1. 河南工業大學 機電工程學院， 河南 鄭州 450001； 2. 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院， 北京 100191； 3. 機械工業第六設計研究院有限公司， 河南 鄭州 450007； 4. 內蒙古大學 民族學與社會學學院， 內蒙古 呼和浩特 010021)

隨著網絡信息技術的發展，當代紡織品制造企業越來越重視設計、生產、銷售資源的全球優化配置與利用，無論是國家紡織行業管理部門，還是地方紡織集聚區的企業，都亟需通過網絡化協同合作來提高應對國際紡織市場快速變革的反應能力，以此提高紡織產品的設計制造水平及企業在國際市場上的競爭力。

紡織服裝行業是勞動密集型行業，信息化和自動化程度不高[1]，近年來由于新型冠狀病毒肺炎疫情的全球爆發，國際紡織行業受到重挫，各國的紡織企業工業增加值均有所下降[2]。同時，紡織服裝產品設計、生產、銷售模式正在發生深刻變革，逐漸呈現平臺化趨勢[3]。美國、德國、日本等發達國家將平臺集群化列為先進制造領域的重要國家戰略方向，取得并保持了國際領先地位。典型的有美國國家標準與技術研究院(NIST)牽頭的霍林斯制造業擴展伙伴關系計劃(MEP)、日本工業集群建設中的產業鏈協同模式。國內紡織服裝傳統主產區有廣東、福建、江蘇、浙江等地，近年來紡織產業在向中西部地區轉移。當前國內紡織行業工業互聯網平臺研究正在蓬勃開展[4-6]，如青島酷特C2M產業互聯網平臺、海瀾之家達爾系統、寧波慈星股份有限公司“針織品智能柔性定制平臺”等，運用先進的網絡技術[7-8]、物聯網技術[9]、大數據技術[10]等，構建紡織數據共享、設計制造協同、原材料供應云服務、產品定制化銷售、紡織供應鏈管理新模式[11-13]等是研究的熱點。國內2000年前后曾對東莞電子集聚區展開供應鏈研究[14-15]，但對紡織服裝等長產業鏈的集聚區協同制造、面向紡織集聚區中小企業的網絡協同制造模式及網絡協同制造相關工業互聯網平臺的研究鮮有報道。

構建支持紡織集聚區的紡織行業網絡協同制造平臺，形成集聚區內企業間制造協同的協同制造鏈，充分協調區域內企業的制造資源和政府資源，中小企業抱團取暖，減小其同大公司競爭中的資源劣勢，實現較低的成本和生產周期內制造高質量產品的目標，是提高整個紡織服裝集聚區內企業國際競爭力的有效手段之一。本文針對我國中部某紡織服裝集聚區內中小企業間的網絡化協同制造，在分析國內紡織服裝相關行業工業互聯網平臺運行模式及軟件實現方法的基礎上，提出了面向紡織服裝集聚區的紡織服裝網絡協同制造平臺設計原理和方法。網絡協同制造平臺采用面向服務的工業互聯網架構，實現紡織服裝集聚區內各中小企業分散制造資源的集成與共享。

1 集聚區網絡協同制造設計原理

1.1 集聚區中小企業協同制造特征提取

中部紡織服裝集聚區內中小企業智能管控水平較低、企業間制造協同不充分，具體有以下幾個方面特征：1)紡織服裝產品品種多、批量小、大規模個性化定制，亟需設計—制造—服務的一體化協同；2)紡織服裝產品的質量和數量，受季節和市場因素影響較大，生產設備制造利用率波動大；3)企業級信息化系統缺乏集成，工業互聯網、網絡協同制造等新技術應用研究缺乏系統性，“信息孤島”林立；4)集聚區內企業參差不齊，受企業數據采集、管理技術所限，難以有效開展多領域、多場景的技術應用；5)單個企業自身信息化資金投入有限，通常是企業根據某些具體需求的模塊化建設，并未形成企業間協同制造系統。

構建面向紡織服裝集聚區的網絡協同制造平臺，實現紡織服裝產品訂單、制造、管理、物流各環節的資源集聚與對接，形成一體化協同制造生態產業鏈，可描述為將紡織服裝企業產品全生命周期過程中復雜的設計、生產、服務等多種資源配合的過程(如需求分析、訂單分包、制造加工協同等)，分別由接入集聚區網絡協同平臺的多個企業所提供的設計、制造、服務完成，各設計、制造、服務之間按一定順序組合成一個整體的產品協同制造鏈。在該協同制造鏈中每個節點都是一個制造服務，節點之間的先后順序關系由具體中間產品的工藝特點、技術要求、制造成本、質量以及交貨期來確定。網絡協同制造(CCPC)的數學表達可用下式來描述：

1.2 集聚區協同制造模式設計

1.2.1 基于全生命周期的網絡協同制造模式設計

面向中部紡織服裝集聚區的產品網絡協同制造模式的核心在于產品設計—制造—服務的一體化協同設計，利用物聯網、網絡協同制造等信息技術，聯通產品全生命周期內的設計、制造、服務等環節，變封閉串聯為開放并聯，形成各環節之間的緊密協同、同步聯動，以充分傳遞和應用數據流，有效調配資源，快速響應市場，提升產品競爭力。具體包括設計資源協同、制造資源協同、服務資源協同的統一標準和協調同步，網絡化設計、制造、服務以及三者的有效聯通和集成如圖1所示。

圖1 產品一體化協同模式

設計—制造—服務涉及紡織服裝產品的全生命周期。基于網絡的紡織服裝產品全生命周期一體化協同制造模式的特點是，車間自動化控制技術(OT)與企業互聯網信息技術(IT)下的軟件系統互聯互通及行業級數據融合。同時，數據的融合連通也是集聚區內企業各項協同任務流轉的基礎，為網絡協同制造平臺系統的正常運行提供保證。進行紡織服裝集聚區一體化網絡協同制造模式設計，首先要從產品全生命周期視角進行總體框架設計，以此保證行業級數據的互相關聯。在網絡協同制造任務的企業內、企業間流轉過程中，會產生大量的業務數據，包括工單信息、設計信息、工藝信息、流轉信息、質量信息、人員信息等，這些網絡協同制造數據的管理需要一套統一的標準體系來規范，本文通過數據融合技術統一IT和OT數據標識解析、接口服務、數據安全等規范，通過區塊鏈技術確立數據備份管理流程與制度，進而實現數據的一致性、準確性和可靠性。

在數據融合與協同方面，產品全生命周期一體化協同模式是通過對紡織服裝集聚區協同制造過程的設備狀態數據、產線控制數據、生產執行數據、產品設計數據等生產數據的工廠間縱向集成融合；產品訂單、物流、資源配置、供應價格等運營數據的企業間橫向集成融合；供應商管理、產品追溯、交易售后、備件更換等服務數據的集聚區內智能管控，從而形成一體化的產品全生命周期網絡協同制造新模式。

1.2.2 集聚區網絡協同制造資源配置方法

由于紡織服裝集聚區產品生產需要快速響應消費市場風向，集聚區內對網絡化協同生產需求旺盛的核心企業為中小企業，中小企業一般以市場計劃訂單信息為基礎，應構建貫穿其主營產品上下游的供應鏈體系。本文利用知識圖譜(KG)、Q-network算法、約束矩陣(constraint matrix)等資源配置、優化算法相關技術，設計基于產品需求信息流、生產工藝流、數據服務流的循環過程，如圖2所示。

圖2 集聚區網絡協同制造平臺資源配置方法

圖2中R、J、L、F、H為人、機、料、法、環等制造相關因素知識點，GCN為圖卷積網絡，DNN為深度神經網絡，Policy為強化學習策略。

本文提出的面向紡織服裝集聚區的網絡協同制造平臺資源配置方法，是通過網絡將分散在集聚區內各企業的信息資源、設備資源甚至人才資源集成融合到網絡協同制造平臺來共享及優化利用。網絡協同制造平臺可以通過構建工藝、設備、物料、人員等相融合的知識圖譜，設置資源配置計算方法，采用約束矩陣法、強化學習方法等優化方法進行資源配置分析，分析結果可以觸發知識圖譜的更新和修正配置算法，從而形成一個閉環過程。如圖2所示，首先基于物聯網技術建立集聚區內企業知識圖譜，各企業設備、物流庫存、人員、工藝信息在網絡協同制造合作企業間透明，并通過網絡技術動態更新。無論哪個企業獲取到研發設計、生產制造、運維服務需求任務，均可通過網絡協同制造平臺進行生產資源協調配置，配置標準依據平臺內企業的設備空余數量、庫存資源狀態、在生產任務量、外協遷移次數、歷史任務完成率等加權分配。初次調配的生產制造任務經過優化算法優化后下發至企業，企業反饋是否接受，若有否決則退回資源池進行二次任務分配。生產資源調配完成后，對網絡協同制造效果進行任務完成度、資源優化、調度方案實施效果等跟蹤分析，并依據分析數據調整配置標準參數，進而實現對網絡協同制造平臺內企業信用度的評價管理。

通過該網絡協同制造平臺資源配置方法可顯著縮短紡織服裝產品開發周期，迅速響應市場，提升集聚區網絡協同制造服務能力及對經銷商、供應商的銷售供貨速率，形成紡織服裝集聚區網絡協同制造快速響應服務體系，進而實現企業之間直接相連，減少中間成本，實現最大程度的協同效應，有效利用集聚區域內的離散資源，拓展業務范圍和盈利模式，提升紡織服裝行業網絡協同制造水平。

1.2.3 集聚區網絡協同制造生產組織方法

隨著紡織服裝產品市場個性化需求越來越多，為滿足小批量、多品種、個性化定制生產需求，在紡織服裝集聚區采用網絡協同制造的生產模式已成為一種有效的應對方法。然而，生產模式的變化使得集聚區生產組織方法發生較大變化，生產過程也由單一流水線生產變為網絡協同生產，因此，本文提出了面向紡織服裝集聚區網絡協同制造的生產組織方法，如圖3所示。

圖3 集聚區網絡協同制造平臺協同生產組織方法

紡織集聚區內企業通過網絡協同制造平臺統一協調組織生產，對于不同的客戶進行需求細化拆分，再運用網絡協同制造平臺進行需求分析，得出相同產品需求和異質產品需求。相同產品需求進一步分析后通過細分中間產品種類，根據現有庫存制定采購策略和原材料規格數量，最后依據原材料市場信息和集聚區企業采購歷史評分確定原材料供應商。異質產品需求則先確定中間個性化產品種類，制定生產工藝策略，定向采購或從供應商處獲取原材料制作。這種面向紡織服裝集聚區的網絡協同生產組織方法，需要建立客戶需求分析功能模塊、產品模型庫、產品工藝數據庫和供應商數據庫。實現訂單信息和紡織服裝產品生產全面網絡平臺化組織、調配，適合于發展紡織服裝產品大規模個性化定制。

2 網絡協同制造平臺設計與實現

2.1 軟件系統架構設計

2.1.1 集聚區網絡協同制造平臺軟件架構設計

集聚區網絡協同制造軟件系統針對中部某紡織服裝集聚區內中小企業中網絡化協同制造模式體系不完善，各企業信息網絡設施參差不齊，網絡協同制造行業平臺缺失等問題，采用產品全生命周期一體化協同模式、集聚區協同制造生產組織方法、集聚區協同制造資源配置方法，設計開發了面向紡織服裝集聚區的網絡協同制造軟件平臺體系。該面向紡織服裝集聚區的網絡協同制造軟件平臺架構自上至下依次為工業軟件服務(SaaS)層、工業平臺服務(PaaS)層、基礎設施服務(IaaS)層和邊緣層，體系化地構建起多系統集成、數據存儲、數據建模、微服務集成管理及平臺服務的層級式建設路線，如圖4所示。

圖4 網絡協同制造平臺軟件架構

紡織服裝集聚區網絡協同制造平臺軟件應用部署包括集聚區行業端平臺和用戶企業端平臺，軟件系統運行網絡環境分為企業級網絡、集聚區骨干網絡、公共服務網絡3類。軟件系統安全包含集聚區安全、邊界安全和用戶安全。集聚區網絡協同制造平臺軟件功能模塊主要為政企協同、制造協同、供應鏈協同3個主要功能模塊，建立紡織服裝產品全生命周期一體化協同制造體系。

在政企協同軟件功能模塊，通過政企主頁、政策咨詢、信息審核、評論管理等功能建立政企協調機制和平臺，由政府相關部門領導和紡織服裝集聚區主要負責人為成員，制定紡織服裝集聚區產業發展規劃，定期協商集聚區間產業協作的事項，特別是涉及跨區縣集聚區的產業協作事宜，研究解決產業協作中遇到的困難和問題，促進生產要素跨集聚區的自由流動和資源高效配置。在政企協同模塊功能方面，政府政策資訊可鏈接至集聚區網絡協同制造平臺，政府通過集聚區網絡協同制造平臺建立企業數據庫，及時收集企業信息，而集聚區也可通過平臺直接完成政府部門下達的相關任務。通過數據分析與可視化展示子系統，政府及相關部門可通過系統實時掌握集聚區訂單、產能、銷售等綜合狀況，為決策提供數據支撐，實現集聚區與政府、產業協會、行業聯盟的聯動協同。

在制造協同功能模塊，集聚區網絡協同制造平臺軟件采用前文所述集聚區協同制造生產組織方法、集聚區協同制造資源配置方法，設計研發訂單管理、計劃管理、生產管理、交付管理等功能，實現紡織服裝產品全生命周期一體化協同制造。

在供應鏈協同功能模塊，集聚區網絡協同制造平臺軟件通過銷售管理、采購管理、商品管理、收藏管理等功能，實現集聚區內企業上下游客戶、供應商、生產原料資源等供應鏈與紡織服裝產品網絡協同制造融合，助力集聚區大規模協同生產模式的實現。

在標準體系和安全保障方面，集聚區網絡協同制造平臺軟件集成集聚區內現有標準體系、評價體系、安全體系，依托集聚區一體化網絡協同制造新模式，規范技術保障、人才保障、金融保障等制度，提升集聚區內中小企業抗市場風險和良性擴張發展能力。

2.1.2 集聚區網絡協同制造平臺環境條件構建

紡織服裝集聚區網絡協同制造平臺軟件系統部署采取低成本的云服務方式，平臺環境條件構建如圖5所示。利用集聚區中小企業IT與OT端網絡基礎設施，融合集成網絡、軟件、云服務，實現數據在協同生產各個環節的無縫對接，形成實時感知、協同交互的協同生產模式，提高紡織服裝集聚區網絡協同制造平臺軟件系統協同能力和效率。

注：VMI為供應商管理庫存。

在網絡協同制造軟件平臺IT系統公共網絡端，集聚區內所有中小企業及其供應鏈上下游相關方企業均可通過集聚區公共網絡鏈入，通過手機端(APP)或電腦端(Web)鏈入應用工業軟件服務(SaaS)層，SaaS層提供基礎業務、管理服務、產業服務、引領服務等功能模塊。基礎業務是指平臺系統擴展、系統配置數據管理、系統數據存儲、系統更新等；管理服務是指用戶申請、賬號授權、企業分類等；產業服務是指行業需求信息輸入輸出、政府相關職能部門指導意見、統計任務、政策信息等收發；引導服務是指平臺相關使用幫助文件、平臺業務處理引導文件、視頻等。基于平臺軟件的云服務模式在集聚區企業內政企聯動、生產資源網絡協同、供應鏈管理等領域獲得應用，有效降低中小企業軟件使用成本。

在網絡協同制造軟件平臺OT系統車間網絡端，運用集聚區協同制造生產組織方法、集聚區協同制造資源配置方法，集聚區內參與網絡協同制造的企業通過IT與OT融合的車間局域網絡及用戶終端設備鏈入。在IT與OT融合的客戶端，除IT平臺端的功能外，增加了生產制造協同、云倉協同、倉庫管理、數據集成等功能。其中生產制造協同包含訂單抓取、訂單審核、庫存保留等功能；云倉協同包含云倉庫存、多倉管理、庫存盤點、貨位管理等；倉庫管理包括波次發放、裝箱管理、布料分揀等；數據采集包括標識解析、條形碼、電子標簽(RFID)、個人數字終端(PDA)等數據輸入輸出。通過平臺數據處理能力，以“模型+深度數據分析”模式在設備運維、產品后服務、能耗管理、質量管控、工藝調優等場景深度挖掘數據價值，并通過可視化功能模塊，實時顯示資源調配信息、任務工單進程、需求計劃等信息，動態統計數據信息輔助集聚區相關方(如政府、企業、供應商等)進行相應決策，并為平臺運營管理模塊的資源配置策略提供參考。

2.2 軟件系統功能實現及效果分析

2.2.1 政企協同功能實現與分析

紡織服裝集聚區網絡協同制造平臺軟件開發是基于工業互聯網技術開發的協同制造平臺，并針對集聚區內中小型企業之間協作混亂和協同能力不足的缺陷，開發了面向集聚區中小企業的政企協同功能模塊，如圖6所示。

紡織服裝集聚區網絡協同制造平臺政企協同功能包含2個方面:一方面為政府相關職能部門及時掌握集聚區紡織服裝產品信息、訂單信息、設備產能信息等生產一線信息提供支撐，制定合適準確的產業政策，進行合理的宏觀資源配置調動；另一方面，政企協同功能為集聚區內企業及時了解政府政策資訊、申請政府補貼、稅務減免、免租廠房申請、小額商業貸款等提供便捷快速申請通道，從而實現政府與企業信息的實時互聯互通，實現社會化大規模生產的協調聯動。

2.2.2 制造協同功能實現與分析

紡織服裝集聚區網絡協同制造平臺制造協同功能以訂單的分包管理監控、生產資源的組織調度、產能的共享功能為主線。基于前述針對集聚區中小企業的協同制造生產組織方法、協同制造資源配置方法，開發了面向集聚區內企業及其供應鏈上下游企業的制造協同功能模塊，如圖7所示。

圖7 制造協同功能網頁端界面

制造協同功能模塊是集聚區網絡協同制造平臺的核心功能，也是實現紡織服裝產品網絡化協同制造的載體。制造協同模塊功能實現的關鍵是協同生產的組織方法和協同制造資源的配置方法。本文軟件平臺系統采用1.2.2和1.2.3節中所述面向紡織服裝集聚區的協同制造生產組織方法和協同制造資源配置方法。這2種方法在平臺制造協同模塊應用，實現了訂單在集聚區內中小企業間的合理分包、生產狀態實時監控，產品質量全程可追溯，并基于企業在制產品數量和訂單狀態進行大量數據統計和產能預測共享，實現企業間生產能力平衡，確保訂單的準時交付。同時，設定訂單任務評價機制，對不符合產品標準規定和交付要求的企業進行替換或任務再分配，通過數據分析和優化算法實現對服務分包智能優選。對不能準時交付的分包企業，根據生產過程中眾多影響因素，實施重新分配訂單任務。以訂單需求和協同制造服務質量提升為目標，根據企業資源配置水平動態調整確定訂單任務，從而實現集聚區內中小企業間的網絡協同制造模式，優化集聚區內產業生態，形成合作共贏的產業環境。

2.2.3 供應鏈協同功能實現與分析

供應鏈協同功能模塊是集聚區網絡協同制造平臺重要的支撐，集聚區內網絡協同制造過程中產品的銷售管理和原材料采購供應管理均通過此功能模塊開展，如圖8所示。

圖8 供應鏈協同功能網頁端界面

供應鏈協同功能模塊圍繞銷售管理和采購管理展開，銷售管理又可細分為商品管理、銷售訂單、銷售統計等具體功能，既有集聚區內企業產品的銷售管理，又有已售產品銷售訂單的流程跟蹤。采購管理功能根據企業現有庫存狀態動態更新集聚企業采購需求，進而保證網絡協同制造的順利開展。供應鏈協同功能模塊將集聚區內中小企業緊密聯系在一起，形成一個耦合的運營實體，從而避免單個中小企業在供應鏈內議價能力弱、抗市場風險能力低等問題，提高中小企業經濟效益，提升產品協同制造質量。

2.2.4 網絡協同制造平臺應用驗證分析

本文構建的面向集聚區的網絡協同制造平臺軟件體系在中部某紡織服裝集聚區進行應用驗證，依據平臺用戶河南萬皓有限責任公司、河南向陽花有限責任公司、河南點點輔料有限公司等企業反饋，基于網絡協同制造平臺的產品生產制造與集聚區傳統產品生產制造對比，降本增效效果明顯，如表1所示。

表1 基于軟件平臺的網路協同制造與集聚區傳統制造對比

集聚區中小企業接入平臺協同制造后降低了溝通成本，提高了產品交付期、生產效率和服務質量。平臺用戶的生產設備綜合利用率、運營效率、資源配置優化效率、產品效益等關鍵績效指標(KPI)均有不同程度提升；但隨著不同中小企業生產規模、技術水平、參與程度等的不同，提升幅度略有不同，在生產設備綜合利用率方面可提升20%～30%，運營效率方面可提升12%～20%，資源配置優化效率方面可提升30%～40%，產品效益方面可提升8%～15%。中小企業通過網絡協同制造平臺的接入運用，生產設備綜合利用率、資源優化配置效率提升幅度較大。

3 結 論

本文提出了面向紡織服裝集聚區中小企業的網絡協同制造軟件平臺構建方法，分析了集聚區中小企業網絡協同制造特征，詳細論述了集聚區紡織服裝產品全生命周期網絡協同制造模式、集聚區網絡協同制造資源配置方法及集聚區網絡協同制造生產組織方法。基于紡織服裝集聚區網絡協同制造軟件平臺的建立，利用IT與OT的融合把分散在集聚區不同中小企業的生產設備資源、供應鏈資源、知識圖譜資源等各種核心能力，快速地耦合集成到集聚區網絡協同制造平臺這個行業載體上來，形成區域網絡協同制造產業體系，積極地響應紡織服裝市場的需求變化，為網絡協同制造環境下紡織服裝制造中小企業的合作與資源共享提供一種新的模式。