任 磊，任明侖

(合肥工業(yè)大學教育部過程優(yōu)化與智能決策教育部重點實驗室，安徽 合肥 230009)

基于社會信息物理系統(tǒng)的智慧制造資源組織模式

任 磊，任明侖

(合肥工業(yè)大學教育部過程優(yōu)化與智能決策教育部重點實驗室，安徽 合肥 230009)

社會信息物理系統(tǒng)(Social Cyber-Physical System，SCPS)在制造過程中的應用，把企業(yè)不同層次的制造資源連接起來，實現(xiàn)資源的按需使用和社會化制造資源的有效利用，構(gòu)成新型的智慧制造組織模式。為了在動態(tài)SCPS環(huán)境下對多粒度社會化制造資源實現(xiàn)有效的組織管理，在分析智慧制造系統(tǒng)架構(gòu)和制造資源特點的基礎上，構(gòu)建了智慧制造資源組織模式框架，從對象、主體、組織形式、組織過程和組織平臺幾個層面進行詳細闡述。最后討論了智慧制造組織模式面臨的主要應用挑戰(zhàn)和未來研究方向。

智慧制造；社會信息物理系統(tǒng)；制造服務；資源組織

1 引言

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的新興信息技術(shù)不斷滲透到制造過程和制造過程管理，使得制造模式和管理方式發(fā)生著革命性變革[1]。制造模式正向著全球化、協(xié)同化、智能化、服務化方向發(fā)展[2-3]，更加注重價值創(chuàng)造過程管理，實現(xiàn)制造價值鏈的集成和優(yōu)化。智慧制造以SCPS、大數(shù)據(jù)和云制造技術(shù)為基礎，以全面感知、實時決策、社會化制造資源的利用和滿足客戶個性化需求為目標，敏銳地把握市場機遇和產(chǎn)品前景，敏捷地做出事件驅(qū)動的實時反應，廣泛地整合社會化智慧，精益地實現(xiàn)制造資源按需配置，呈現(xiàn)出新模式特征：

(1)制造資源服務化。智慧制造中資源不再是整個企業(yè)，而是把設備、生產(chǎn)線、生產(chǎn)車間或工廠等多個粒度資源作為獨立的功能單元，以虛擬化服務的方式參與制造過程。制造企業(yè)通過集成不同企業(yè)的多粒度的制造功能單元形成完整的制造價值鏈，保證全球制造資源的靈活組織。

(2)資源組織的協(xié)同化?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)的競爭是整個制造價值網(wǎng)絡上的競爭，企業(yè)不再是單獨的競爭主體，而是要在全球范圍內(nèi)協(xié)同優(yōu)勢資源。通過制造價值鏈的橫向集成和制造企業(yè)內(nèi)部縱向集成，實現(xiàn)制造服務資源的整合。

(3)資源組織的社會化。客戶需求的個性化、制造資源的服務化，使得制造過程成為企業(yè)與客戶、供應商和合作伙伴廣泛合作的價值創(chuàng)造過程，通過廣泛利用全社會的設計和制造能力，實現(xiàn)眾智設計、眾包制造、眾籌服務。

制造資源組織管理是整個智慧制造的核心和實質(zhì)。制造資源的組織從范圍上跨越了企業(yè)邊界，從全球范圍內(nèi)整合社會化資源；對象上從整個企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬蛹壍闹圃靻卧?，涉及設備、生產(chǎn)線、智能工廠、企業(yè)等多個粒度服務；組織主體上從聯(lián)盟盟主拓展到消費者、云平臺中介者、服務提供者、其他利益相關(guān)者等；組織過程跨越需求獲取、任務分解、資源聚合、組織優(yōu)化整個價值鏈，關(guān)注各環(huán)節(jié)的協(xié)同創(chuàng)新；從形式上體現(xiàn)為多粒度服務單元的聯(lián)合，使得制造聯(lián)盟的形態(tài)發(fā)生根本變化。同時，用戶作為任務方可提交自己需求并對服務方案進行滿意評價，作為資源提供者可將自身閑置資源、知識進行社會化共享，還可與其他用戶協(xié)作，實現(xiàn)與智慧制造系統(tǒng)不斷的交互，提升系統(tǒng)的運行效率和服務水平。針對新環(huán)境下制造資源演化和人與系統(tǒng)交互特征，需構(gòu)建新的智慧制造資源組織模式，重新界定資源組織的對象、主體、聯(lián)盟方式，拓展制造資源的組織過程，實現(xiàn)智慧制造的目標。針對智慧制造的資源利用方式和制造聯(lián)盟構(gòu)建的過程，面向資源社會化、服務化、多粒度等特點提出智慧制造資源組織模式，對智慧制造體系、資源組織模式以及未來的挑戰(zhàn)等問題進行系統(tǒng)的探討。

2 智慧制造體系架構(gòu)

智慧制造是一個復雜、多樣、動態(tài)的服務生態(tài)系統(tǒng)，包含制造智慧、多粒度制造單元、訂單需求、制造服務、業(yè)務過程、社會化服務池等多種元素，且彼此間關(guān)聯(lián)[4-5]。未來的制造企業(yè)通過集成社會化制造資源構(gòu)建完整的制造價值鏈，制造參與企業(yè)以多層次制造功能單元參與全球化協(xié)同制造，是智慧制造的基本模式。以云制造和社會信息物理系統(tǒng)為基礎，實現(xiàn)跨價值鏈的制造資源集成，是實現(xiàn)智慧制造的基礎平臺；通過多層次制造資源的整合，構(gòu)建基于任務的動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，實現(xiàn)資源的按需配置，是智慧制造的組織方式；通過大數(shù)據(jù)環(huán)境下的實時感知，實現(xiàn)企業(yè)聯(lián)盟和制造過程高效運行的同步反饋控制與優(yōu)化決策，是智慧制造的運營方式。根據(jù)智慧資源的特點，對比現(xiàn)有云制造、智能制造等模式的體系結(jié)構(gòu)和應用平臺[6-7]，提出基于SCPS的智慧制造體系架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智慧制造體系架構(gòu)

(1)社會信息物理系統(tǒng)。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，通過網(wǎng)絡把分布在整個價值鏈上的制造功能單元連接起來，構(gòu)成社會信息物理系統(tǒng)(SCPS)，實現(xiàn)多層次制造資源的集成。每一個物理單元(涉及設備、生產(chǎn)線、智能工廠等多個粒度)通過CPS技術(shù)，構(gòu)建與之相聯(lián)系的智能代理，形成多粒度的制造服務單元。底層單元的信息經(jīng)過綜合，形成高層次的智能單元，實現(xiàn)物理單元間的信息連接，構(gòu)建多粒度制造資源結(jié)構(gòu)樹。各類單元通過虛擬化技術(shù)封裝成為制造服務，進入云制造資源池，成為社會化的制造資源，從而實現(xiàn)跨整個價值網(wǎng)絡的信息連接。

SCPS技術(shù)支持下，形成了多層次、多粒度服務單元集成的制造資源體系。制造資源具有物理資源、軟件資源、工藝流程、計算資源、數(shù)據(jù)信息知識資源等，通過云平臺實現(xiàn)資源的虛擬化和共享，具有服務化的特征。制造單元之間形成復雜的網(wǎng)絡關(guān)系，如社會關(guān)系、層次關(guān)系、時空關(guān)系等，制造資源呈現(xiàn)協(xié)同化。同時，客戶、供應商、協(xié)作商甚至網(wǎng)絡上的業(yè)余設計人員擁有制造和設計資源，通過眾包廣泛參與到價值創(chuàng)造過程，制造資源具有社會化特征。

(2)云制造平臺。云制造平臺提供了一個制造資源虛擬化的平臺，分散的制造和設計資源擁有者通過云制造平臺把制造功能單元虛擬化為制造服務，進入云制造資源池，實現(xiàn)資源的共享和社會化，為動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟的構(gòu)建提供基礎制造資源[8-9]。制造服務代表著相應的物理單元的能力和責任，需要受企業(yè)運作總體策略的約束，又需要和云制造資源池的其他單元交互。根據(jù)制造服務智能性、社會性、協(xié)同性等新特點，提供基于本體制造服務建模方法，并構(gòu)基于智慧制造服務和智慧企業(yè)之間的多種異質(zhì)柔性關(guān)系的立體化服務社會化網(wǎng)絡進行聚集、統(tǒng)一規(guī)劃管理。此外，云平臺還提供制造任務分解、知識管理、服務定制、交易機制等業(yè)務。根據(jù)客戶提交的需求訂單，運用云平臺進行高效地制造服務發(fā)現(xiàn)、選擇、組合、執(zhí)行監(jiān)控。

(3)動態(tài)聯(lián)盟—制造價值鏈組織。以往聯(lián)盟以企業(yè)整體資源參與合作，下屬資源間需通過ERP協(xié)調(diào)，無法實現(xiàn)按需“粒度”組織制造資源的要求，靈活性、適應性差。SCPS環(huán)境下的動態(tài)聯(lián)盟以多層次制造單元為參與主體的新型網(wǎng)絡化資源組織形態(tài)，成員具有不同粒度功能和能力，不需要經(jīng)過企業(yè)中心進行協(xié)調(diào)，相互之間可通過SCPS直接進行交互協(xié)作和資源集成。制造單元作為參與主體，改變了以往企業(yè)聯(lián)盟的組織結(jié)構(gòu)和行為方式，同時為社會化制造創(chuàng)新提供開放環(huán)境。根據(jù)制造任務的要求和業(yè)務流程約束，制造企業(yè)可以在云平臺上按需、實時發(fā)現(xiàn)相適應“粒度”的制造服務，形成自身的價值鏈和價值網(wǎng)絡，實現(xiàn)服務的協(xié)同與多主體價值共創(chuàng)。聯(lián)盟盟主以動態(tài)自組織的方式，運用短期、長期的契約構(gòu)建滿足制造任務的不同形態(tài)的企業(yè)聯(lián)盟，如星型、網(wǎng)絡狀、線型等。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)從制造大數(shù)據(jù)中抽取影響價值網(wǎng)絡組織的影響因素，實現(xiàn)基于合適粒度、合適協(xié)同屬性和社會關(guān)系的面向制造服務的制造企業(yè)聯(lián)盟優(yōu)化，提升制造資源的利用效率。

(4)大數(shù)據(jù)。社會信息物理系統(tǒng)和協(xié)同制造過程產(chǎn)生反映企業(yè)運行狀態(tài)的實時大數(shù)據(jù)，使得制造過程可以在對狀態(tài)和環(huán)境進行全面感知的基礎上，基于高度智能進行資源調(diào)度和實時決策優(yōu)化。制造系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)包含微觀到宏觀的多個層次：信息物理系統(tǒng)中底層物理設備處理的實時現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)，如傳感器、工廠硬件、設備控制器收集微觀數(shù)據(jù)(操作層數(shù)據(jù))；通過客戶網(wǎng)站、呼叫中心、零售店等獲取的與客戶訂單有關(guān)的宏觀數(shù)據(jù)；在云制造和企業(yè)聯(lián)盟中的其他合作伙伴的協(xié)同制造信息。在更廣義的制造大數(shù)據(jù)中，還應該包括社會經(jīng)濟環(huán)境的各種影響制造過程的數(shù)據(jù)[10-11]。通過大數(shù)據(jù)分析，實時檢測制造單元的狀態(tài)，挖掘制造過程的異常事件，同步反饋和控制整個SCPS系統(tǒng)，實現(xiàn)基于情景感知的制造過程優(yōu)化。同時，對當前聯(lián)盟運行狀態(tài)實時分析，根據(jù)制造任務、制造資源、社會關(guān)系和環(huán)境的變化，及時反饋聯(lián)盟狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，采取相應的策略以調(diào)節(jié)制造系統(tǒng)資源配置，優(yōu)化企業(yè)聯(lián)盟的結(jié)構(gòu)和運行效率?；诖髷?shù)據(jù)的制造智慧，使得全價值鏈的實時智能決策與協(xié)同優(yōu)化成為可能，對制造資源的組織與演化管理具有重要意義。

3 智慧制造資源組織過程

制造資源的組織是一個復雜的動態(tài)過程：首先根據(jù)客戶提交需求和對市場前景的評估，生成預測性的制造訂單(客戶需求)，并挖掘多源需求大數(shù)據(jù)對訂單進行修正；其次對大量不同類型要求的訂單轉(zhuǎn)換為制造任務，進行分解、聚合與重組成服務訂單，根據(jù)自身制造能力選擇是否服務訂單外包；然后根據(jù)制造任務的要求，在云制造平臺上的服務社會網(wǎng)絡中發(fā)現(xiàn)、匹配適合的制造單元，運用多粒度制造資源的聚合方法，形成面向業(yè)務過程的制造企業(yè)聯(lián)盟和價值鏈；最后在對需求、資源狀態(tài)變化感知的基礎上，運用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)制造資源組織過程和動態(tài)聯(lián)盟的優(yōu)化。根據(jù)上述思路，本文基于制造資源特征分析，提出了清晰的智慧制造資源組織過程，界定了不同環(huán)節(jié)應解決的問題，詳細過程描述如圖2所示。

圖2 智慧制造資源組織流程

3.1 客戶需求的獲取

客戶需求是智慧制造資源組織流程的起點，客戶需求分為顯性需求和隱性需求，顯性需求是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為訂單可直接生產(chǎn)。隱性需求是消費者擁有購買意愿，在未來將轉(zhuǎn)化為訂單的那部分需求?？蛻粜枨髷?shù)據(jù)來源可以分為過去的客戶訂單、當前客戶提交需求、當前市場狀況和社會化媒體的需求信息，依據(jù)前三項數(shù)據(jù)生成預測性企業(yè)客戶訂單，制定相應的生產(chǎn)計劃。綜合消費者、競爭者、替代者、供應商、政府等市場主體的狀況變化，在對未來客戶需求評估后識別出市場機會，結(jié)合客戶已提交的訂單制定制造任務。大數(shù)據(jù)環(huán)境下，用戶隱性需求通常分布在營銷數(shù)據(jù)庫、車聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡等中，需要對這部分需求識別以修正前面的訂單。客戶需求最終表現(xiàn)為制造訂單T=SQ=(ProductType，ProductquantityUserFunset，Non-funset，SocialRequirments)，主要體現(xiàn)了客戶對產(chǎn)品類型、數(shù)量和性能要求等方面。由于外部環(huán)境的變化性，客戶需求的獲取是一個不斷迭代、動態(tài)過程，根據(jù)客戶新訂單、市場波動等因素重新修改和優(yōu)化制造訂單的生成。

3.2 從訂單到訂單的制造(定制)——制造任務的分解與重組

由于客戶需求的個性化、多元化，制造訂單呈現(xiàn)多類型、多要求的特征。面對大量的多樣性訂單，制造企業(yè)難以直接安排生產(chǎn)，需要從“客戶訂單”到“制造任務訂單”的轉(zhuǎn)變，以制造任務的形式組織制造資源。為了高效的資源匹配、降低任務執(zhí)行的復雜度、提高任務的協(xié)同完成質(zhì)量，需要對制造任務進行分解和合成，形成多粒度子任務，進而按任務需求組建動態(tài)聯(lián)盟。訂單任務可以從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為產(chǎn)品簇、部件、零部件、工序等層次，任務之間具有關(guān)聯(lián)性，如地理距離、時間成本、約束關(guān)系等，形成復雜的任務網(wǎng)絡。同時制造任務需要的信息、知識、服務等來完成，制造任務的分解與重組需要考慮任務-服務特征匹配。將總制造任務按照一定規(guī)則分解為不可再分割的元任務，形成任務關(guān)聯(lián)網(wǎng)；綜合考慮制造資源的協(xié)同、任務-資源匹配、任務的相關(guān)性和社會關(guān)系等要素，進行制造任務的聚類和重組，最終形成多粒度的制造子任務。制造任務訂單最終表示為T=(T1，T2，…，Tm)，其中T1=(T11，T12，…，T1i)，T1i為不可再分割的元任務。任務具有不同的層次，需要不同粒度的制造資源滿足，根據(jù)自身制造資源和能力選擇自己生產(chǎn)還是外包，以云服務請求的方式發(fā)布到智慧制造云平臺上，或者直接在云平臺上整合所需要的制造資源。

3.3 制造資源聚合

智慧制造資源聚合是運用SCPS技術(shù)將多個不同粒度資源通過特定規(guī)則和協(xié)同方式網(wǎng)絡集成，形成能夠滿足相應制造任務的邏輯單元-智慧制造單元，其具有單個元制造資源難以實現(xiàn)的功能和能力。首先根據(jù)第2步重組的制造任務要求，在云平臺上基于語義方法發(fā)現(xiàn)、匹配能夠完成子任務的多粒度制造資源；參考時間、成本、QoS等因素選擇最適合的制造資源；然后依據(jù)資源的類型、組織結(jié)構(gòu)和協(xié)同關(guān)聯(lián)，選擇最優(yōu)的資源聚合模式生成智慧制造單元(知識型和實體型具有不同的約束和聚合模式)；通過集成多個不同層次的服務單元，構(gòu)建基于任務的制造企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟。根據(jù)制造任務和環(huán)境約束，動態(tài)聯(lián)盟能夠進行資源的自適應配置、制造服務的精確匹配、制造過程的高效組織與執(zhí)行，高效地完成制造任務。制造資源聚合最終表現(xiàn)為多個智慧制造單元聯(lián)合的企業(yè)聯(lián)盟，可以表示為一條服務鏈ServiceFlow=(FlowID，F(xiàn)lowFunSet)=(WMU1，WMU2，…，WMUm)或者為一個制造價值網(wǎng)絡ServiceNetwork=(V，E)，其中V表示制造單元的集合，E表示多種網(wǎng)絡關(guān)系的集合，WMU為由多種資源聚合成的智慧制造單元。

3.4 制造資源的組織優(yōu)化

智慧制造資源組織過程需要考慮服務的社會性、多粒度性、協(xié)同性和上下文相關(guān)性等要素的影響，動態(tài)聯(lián)盟的資源分配還需要考慮任務的可完成性、效率、成本和質(zhì)量、成員的滿足性等多個方面的要求，需要運用大數(shù)據(jù)分析方法對制造單元狀態(tài)、需求動態(tài)、環(huán)境變化進行理解、判斷，根據(jù)當面面臨的情景，運用制造智慧(已有的知識結(jié)構(gòu))實時地進行資源調(diào)度和任務分配，實現(xiàn)對制造資源的組織過程和動態(tài)聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。根據(jù)制造系統(tǒng)的演化規(guī)律，基于智慧制造資源的特征，構(gòu)建基于多粒度的制造資源自組織優(yōu)化方法、基于社會關(guān)系的制造資源協(xié)同優(yōu)化方法、需求動態(tài)調(diào)整的面向服務的企業(yè)聯(lián)盟優(yōu)化方法。制造資源組織優(yōu)化是制造資源組織模式的核心環(huán)節(jié)，對于動態(tài)聯(lián)盟和價值網(wǎng)絡的形成與演化具有重要作用，最終表示為一個的制造組織優(yōu)化求解問題。以基于社會關(guān)系制造資源協(xié)同優(yōu)化為例，將協(xié)同因素考慮到制造資源的組合，公式(1)是優(yōu)化目標函數(shù)：

(1)

(2)

(3)

4 智慧制造資源組織平臺實現(xiàn)

在云制造環(huán)境的基礎上，結(jié)合信息系統(tǒng)架構(gòu)方面的發(fā)展趨勢，基于面向?qū)ο蠹軜?gòu)、復雜事件處理和智能代理技術(shù)的進展，本文提出一個綜合的SES(ServiceorientedArchitecture，ComplexEventProcessing，andSmartCyber-agent)方法，為智慧制造的資源組織和價值網(wǎng)絡集成提供管理架構(gòu)和系統(tǒng)平臺，如圖3所示。

(1)制造服務的虛擬化。根據(jù)制造資源的信息特征和組織特征，分析多層次制造功能單元(設備、生產(chǎn)線、車間、智能工廠等)的制造資源特征、信息結(jié)構(gòu)、社會化屬性(如隸屬關(guān)系、合作歷史記錄、地理位置等)，構(gòu)建基于語義本體的智慧制造資源信息模型和基于全生命周期的制造資源的虛擬化映射方法。根據(jù)制造流程約束和網(wǎng)絡制造任務的特征，通過對制造單元能力和關(guān)系的分析，建立制造服務的粒度模型，為制造服務的粒度識別提供方法和工具。服務提供者通過虛擬化技術(shù)，將多粒度的制造資源以服務的形式發(fā)布在云平臺上，根據(jù)客戶需求選擇適合的制造服務。

(2)多粒度的資源網(wǎng)絡集成。制造服務是制造系統(tǒng)的組成單元，合適粒度的制造服務的識別是制造資源利用效率的關(guān)鍵因素。制造單元作為制造價值網(wǎng)絡的構(gòu)成要素，在SCPS支持下實現(xiàn)跨企業(yè)、不同層次制造資源的信息鏈接，實現(xiàn)價值網(wǎng)絡的橫向和縱向集成。運用生態(tài)、社會資本理論對多層次和粒度的制造單元行為特征分析，構(gòu)建多粒度制造資源模型和表示方法。運用服務聚合方法實現(xiàn)多粒度制造資源在不同層級的縱向集成，并構(gòu)建多層次智慧制造單元；運用橫向集成方法組織不同價值鏈節(jié)點的制造服務，實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化配置；智慧制造各個子系統(tǒng)之間存在復雜的協(xié)作關(guān)系，需要運用全系統(tǒng)思維和混合集成方法實現(xiàn)系統(tǒng)的整體綜合。

(3)實時決策。智慧制造模式下的決策大多來自于智慧制造單元智能Agent的自主決策。與傳統(tǒng)的有限理性決策模式和“情報、設計、選擇、評價”4 階段決策過程不同，Agent決策是在大數(shù)據(jù)支持下，通過對環(huán)境的感知和對信息的上下文理解實時完成決策過程。智慧制造單元對自身狀態(tài)、環(huán)境信息、場信息等進行感知的基礎上，識別和理解當前所處的情景；根據(jù)已有的制造智慧和知識結(jié)構(gòu)采取適應所在情景的決策活動；通過的不斷的演化學習更新知識庫，提升實時決策的效率和準確性。智慧制造單元根據(jù)人、物、場等因素及其關(guān)系的變化，發(fā)現(xiàn)有管理意義的復雜事件，實現(xiàn)基于事件驅(qū)動的服務請求觸發(fā)和資源再組織過程。

(4)基于大數(shù)據(jù)的組織優(yōu)化。云制造平臺中收集了制造服務全生命周期包括企業(yè)和制造資源和能力的描述、發(fā)布、存儲、匹配、組合、交易、執(zhí)行、調(diào)度、結(jié)算、評估等全過程的大數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)既反映了資源演化、制造單元的狀態(tài)，也反映了企業(yè)間協(xié)作過程和動態(tài)聯(lián)盟演進的全面信息，為制造資源的組織優(yōu)化提供了重要來源。通過大數(shù)據(jù)環(huán)境下聯(lián)盟成員及其社會關(guān)系的集成分析，得出制造單元的行為規(guī)律、交互模式，總結(jié)制造服務的競爭合作機制，發(fā)現(xiàn)制造企業(yè)聯(lián)盟的演進路徑。挖掘制造智慧，分析資源組織過程的可靠性和協(xié)同效率，構(gòu)建面向制造過程基于時間、空間的資源組織調(diào)度邊界劃分與調(diào)整。最終，通過社會感知方法實現(xiàn)的服務型制造資源的實時組織、調(diào)度與優(yōu)化，基于大數(shù)據(jù)分析快速地調(diào)整企業(yè)聯(lián)盟的規(guī)模、結(jié)構(gòu)。

SES平臺建立在廣泛接受的全球化標準之上，不依賴于特定的組件和設備的專用接口，不需要人工集成或配置應對環(huán)境的變化。在未來的研究中期望開發(fā)獲得一個實驗系統(tǒng)的原型，以互聯(lián)網(wǎng)汽車的開發(fā)過程為例，通過對各類制造資源的虛擬化，對供應商、客戶、非專業(yè)設計人員等參與的設計過程進行模擬實驗，以便對資源組織過程、價值鏈協(xié)同和節(jié)拍控制過程等方法進行實驗驗證。

5 智慧制造組織模式面臨的主要挑戰(zhàn)

SCPS環(huán)境下，如何在全球范圍內(nèi)組織社會化制造資源，構(gòu)建多粒度制造單元聯(lián)合的動態(tài)聯(lián)盟和實時感知決策的智慧制造系統(tǒng)成為重要課題。雖然智慧制造研究取得一定進展，但在汽車、大型裝備、航空航天等領(lǐng)域應用仍處在初級階段，且面臨許多現(xiàn)實問題和挑戰(zhàn)，如實時知識管理、制造服務管理、復雜性管理等。

(1)實時知識管理。大量多源異構(gòu)的信息和知識分布在各個制造單元和企業(yè)中，難以實現(xiàn)快速的共享與融合。制造環(huán)境中信號和噪聲的識別、知識系統(tǒng)的管理情境理解、不可預知事件的實時融合、實時知識學習和行為等均是亟需解決的問題[12]。需要面向制造過程的知識表示方法(本體、語義Web等)、基于深度學習的制造知識發(fā)現(xiàn)、多源知識的融合與集成、基于過程理解的知識重用、自主感知的知識更新等。建立實時知識管理體系和知識組織方法，構(gòu)建海量數(shù)據(jù)的制造企業(yè)知識門戶系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對多領(lǐng)域、多主體制造知識的共享和應用。

(2)制造服務管理。隨著眾智、眾包等社會制造與設計資源的爆炸式涌現(xiàn)，如何對多粒度、多層次、分布式、社會化的制造服務進行有效管理成為關(guān)鍵。應該根據(jù)制造服務的競爭能力和社會關(guān)系出發(fā)，構(gòu)建基于協(xié)同的多粒度制造服務模型。運用多領(lǐng)域、多主題的語義服務建模方法進行制造服務的聚類，實現(xiàn)服務族群的劃分，便于快速的服務發(fā)現(xiàn)。構(gòu)建多領(lǐng)域、多主體的多維制造服務社會網(wǎng)絡，根據(jù)社會關(guān)系進行有效的資源組織與管理。同時，還要研究基于情境感知的制造服務動態(tài)交互和訪問控制機制和基于角色的云制造服務安全管理方法。針對社會大眾提供的制造資源和智慧，創(chuàng)新面向眾智、眾包和眾籌的社會化分散制造服務評價和基于新觀念聚合、學習與評價的多資源聚合的服務組織方法。

(3)復雜性管理。制造資源組織涉及多企業(yè)多粒度制造單元的集成及動態(tài)優(yōu)化，是一個高度系統(tǒng)、復雜的過程。各子過程相互影響、滲透，必須以復雜系統(tǒng)的方式進行思考[13]。運用復雜網(wǎng)絡理論研究多領(lǐng)域、多粒度的制造資源結(jié)構(gòu)和制造服務的復雜性，分析制造服務網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和關(guān)系復雜度。探討不同組織形式下(如虛擬企業(yè)、動態(tài)聯(lián)盟、價值鏈等)的資源組織復雜性(結(jié)構(gòu)復雜、資源復雜、制度復雜)和聯(lián)盟復雜度，應構(gòu)建用戶友好和系統(tǒng)耦合的資源組織平臺。此外，還應該從對象、主體、組織形式、組織過程、組織平臺五個部分的相互關(guān)聯(lián)著手，分析制造資源組織模式的演化路徑的復雜性，準確地把握智慧制造的未來系統(tǒng)架構(gòu)趨勢。

6 結(jié)論

智慧制造作為未來制造業(yè)的主流模式[14]，能夠?qū)崟r感知內(nèi)外部環(huán)境和市場需求，充分利用全球的制造資源和智慧，快速構(gòu)建制造價值網(wǎng)絡，實現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨企業(yè)的協(xié)同決策。制造資源組織模式是智慧制造的關(guān)鍵內(nèi)容，隨著制造資源、參與主體和制造環(huán)境的演化，需要新的制造組織模式在云平臺上組織不同粒度的制造單元，通過網(wǎng)絡化協(xié)同集成為企業(yè)聯(lián)盟，以完成客戶多類型的制造任務請求。在對智慧制造理念和制造資源新特征深入分析的基礎上，綜合制造資源組織相關(guān)的研究進展和存在的問題，本文提出基于SCPS智慧制造資源組織模式，闡述了對智慧制造的理解和整體系統(tǒng)架構(gòu)?；谫Y源特征分析創(chuàng)新制造資源組織過程和方法，構(gòu)建了基于SES的智慧制造資源組織平臺。結(jié)合當前智慧制造實際應用，提出未來制造資源組織模式所面臨的挑戰(zhàn)，從實時的知識系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)環(huán)境下的制造服務管理、復雜性管理等方面闡明將來資源組織和過程優(yōu)化應關(guān)注的問題。

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(責任編輯 沈蓉)

Organizational Mode of Wisdom Manufacturing Resources Based on Social Cyber-Physical System

Ren Lei，Ren Minglun

(Key Laboratory of Process Optimization and Intelligent Decision Making of Ministry of Education，Hefei University of Technology，Hefei 230009,China)

Social Cyber-physical system(SCPS)which is applied in the manufacturing process，can connect different levels of the enterprises’ manufacturing resources together，achieve on-demand resources configuration and high efficient socialized resource use，and then constitute a new type of wisdom manufacturing organization mode.To realize the effective organization and management for the multi-granularity socialized manufacturing resources under dynamic SCPS environment，a whole framework of resource organization mode was proposed based on the analysis of wisdom manufacturing system architecture and the characteristics of manufacturing resources.The resource organization mode was described in detail from several dimensions include the object，subject，organization form，organization process and organization platform.Lastly，the future application challenges and research direction of wisdom manufacturing resource organization mode were also discussed in depth.

Wisdom manufacturing；Social cyber-physical system；Manufacturing service；Resource organization

國家自然科學基金重點項目“大數(shù)據(jù)環(huán)境下智慧制造組織模式與運營管理”(71531008)，國家自然科學基金面上項目“物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下動態(tài)自組織的智能服務理論與方法研究”(71271073)。

2016-10-25 作者簡介：任磊(1988-)，男，安徽濉溪人，合肥工業(yè)大學管理學院博士研究生；研究方向：智慧制造、實時決策。

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