云計算環(huán)境下制造企業(yè)協(xié)同價值鏈構建方法

王 平，葛世倫，王念新，任 南

(江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

云計算環(huán)境下制造企業(yè)協(xié)同價值鏈構建方法

王 平，葛世倫，王念新，任 南

(江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

云計算環(huán)境為制造企業(yè)在更大范圍內尋求服務資源提供了可能性，但同時也對制造任務需求與服務資源匹配帶來了挑戰(zhàn).為了解決該問題，提出了協(xié)同價值鏈的概念，對協(xié)同任務和服務資源表達要素進行了分析，設計了協(xié)同價值鏈構建模型，研究了協(xié)同價值鏈任務-服務資源匹配過程及協(xié)同價值鏈優(yōu)化方法.最后，以某船用柴油機企業(yè)關鍵部件的任務資源匹配及價值鏈優(yōu)化為例，論證了協(xié)同價值鏈構建模型和優(yōu)化方法的有效性.

協(xié)同價值鏈;云計算;云制造;網絡制造;協(xié)同制造

信息技術在制造業(yè)的應用催生了網絡制造模式，在信息技術的支持下產品設計、制造、銷售等環(huán)節(jié)分別由不同的企業(yè)協(xié)作完成，形成了物理位置分散、內部組織緊密的網絡制造體系，通過企業(yè)間資源的高度共享和優(yōu)化配置，實現價值創(chuàng)造的最大化［1］.網絡制造模式要求企業(yè)必須在最短時間里找到最好的合作伙伴，快速組建完整的價值鏈并高效的協(xié)同運作，實現價值鏈上各節(jié)點企業(yè)的共贏.

制造資源的選擇和配置是協(xié)同價值鏈構建和有效運作的重要環(huán)節(jié)，已經引起了國內外學者的關注，現有研究主要集中在:①云計算環(huán)境下新制造模式的概念定義、特征分析和體系結構設計，如文獻［2-3］提出了云制造模式，得到了學界和業(yè)界的廣泛重視;文獻［4］通過分析云制造企業(yè)的合作思想，提出了基于合作的云制造實現模式與分階段實施步驟;文獻［5］在闡明網絡協(xié)同商務鏈的含義及分類的基礎上，提出了云計算對協(xié)同商務鏈所起到的促進作用.②網絡制造模式下制造資源建模，如文獻［6］提出了一種制造資源元模型，并基于面向服務架構和可擴展標記語言技術設計了統(tǒng)一制造資源信息模型框架結構，解決了企業(yè)多應用環(huán)境中的制造資源集成問題.③基于智能優(yōu)化算法的服務選擇，如文獻［7］提出了一種采用任務遍歷和增量確認技術的迭代在線服務選擇方法;文獻［8］以語義Web為基礎，設計了一種能夠實現設計資源集成共享并支持中小企業(yè)內外部資源整合與產業(yè)協(xié)作的云設計服務平臺;文獻［9］提出了面向復雜零件的協(xié)同制造鏈的概念，并應用螞蟻算法解決協(xié)同制造鏈優(yōu)化配置問題.

從上述分析可以看出，現有研究多集中于傳統(tǒng)網絡制造模式下設計或制造資源的選擇問題.文獻［2］認為傳統(tǒng)網絡制造模式由于缺乏服務的集中管理和運營，缺乏有效的利益分配機制，服務的效率質量和及時性難以保證，同時制造資源的共享與分配存在技術、安全等問題，制約了其應用推廣和發(fā)展.云計算環(huán)境下軟硬件制造資源和制造能力的“物聯化、虛擬化、服務化、協(xié)同化、智能化”的特征［10］對價值鏈快速構建、服務資源更大范圍的選擇、服務過程更加精細化的控制提供了技術上的支撐，但同時也給任務-服務資源的匹配精準性和匹配效率帶來了挑戰(zhàn).針對云計算環(huán)境下制造任務需求和服務資源的類型、數量眾多等特點，著眼于價值鏈構建過程，文中研究了價值鏈構建模型以及任務—服務資源匹配優(yōu)化方法，為云計算環(huán)境下新型制造模式的實踐應用提供指導.

1 云計算環(huán)境下的協(xié)同價值鏈

1.1 協(xié)同價值鏈

協(xié)同價值鏈(collaborative value chain，CVC)是指以客戶需求為牽引，由核心制造企業(yè)將產品制造過程中的部分研發(fā)設計、仿真試驗、生產加工、物流配送、產品交付運營等基本價值活動和輔助價值活動劃分為一系列的任務單元，統(tǒng)籌分配給多個能夠提供相應服務的外部企業(yè)協(xié)同完成，按產品形成過程為主線組合成的一個鏈狀集合體.

由于云環(huán)境下產品形成過程的復雜性，價值鏈主要包括兩種類型:串聯式價值鏈和混合式價值鏈.混合式價值鏈是指價值鏈組成中包含并聯、選擇、循環(huán)等混合鏈接結構，實際產品形成過程多為混合關系.由于混合價值鏈可以轉化為串聯價值鏈進行形式化表達和價值鏈組成優(yōu)化［11］，因此，文中將按照串聯價值鏈形式進行闡述.

從項目管理視角看，協(xié)同價值鏈是利用項目管理的方法和理論對產品形成全生命周期過程進行分解形成的一系列的協(xié)同任務的集合體，可以描述為:

式中:Bi為協(xié)同價值鏈中的第i個協(xié)同任務.

從服務制造的視角看，協(xié)同價值鏈是由產品形成全生命周期過程中多個企業(yè)通過提供生產性服務和服務性生產實現分散化制造資源整合、協(xié)同的一種制造模式，協(xié)同價值鏈可以描述為:

式中:Sk為協(xié)同價值鏈中的第k個制造服務.

1.2 云計算環(huán)境給協(xié)同價值鏈帶來的挑戰(zhàn)

1)業(yè)務協(xié)作更具隨機性，協(xié)作更加困難.文獻［2］認為當前的網絡化制造雖然促進了企業(yè)基于網絡技術的業(yè)務協(xié)同，但其體現的主要是一個獨立系統(tǒng)，是固定合作伙伴間以固定數量的資源或既定的解決方案為用戶提供服務，缺乏動態(tài)性.而在云計算環(huán)境下，業(yè)務協(xié)作過程完全依賴于資源與服務需求的匹配程度，合作關系更加動態(tài)、隨機，協(xié)作過程管理更加困難.

2)任務需求和服務資源規(guī)模更大，表述更加復雜.由于云計算環(huán)境下協(xié)同價值鏈突破了現有網絡化制造單一階段的資源需求配置問題，產品和服務的范圍更加廣泛、層次更加多樣、技術更加復雜、服務機制的非結構化特征更加明顯等［12］，導致協(xié)同價值鏈上任務需求和服務資源要素特征的提煉和抽象化表達更加困難.

3)服務資源搜索范圍更廣，任務-資源匹配難度更大.云計算作為一個開放的服務平臺可以吸引更多的設計、制造、服務等資源，從而使價值鏈生態(tài)系統(tǒng)更加豐富和完整，但同時也帶來了資源搜索和服務匹配的復雜化，從傳統(tǒng)的單一型固定規(guī)模范圍內的搜索和匹配，擴展到所有價值鏈環(huán)節(jié)、動態(tài)無邊界環(huán)境下的搜索與匹配，從而匹配難度更大.

2 協(xié)同價值鏈的構建及優(yōu)化模型

協(xié)同價值鏈的構建過程本質上就是為了更有效地利用外部制造資源，形成企業(yè)間的動態(tài)聯盟或者敏捷制造［13］，即協(xié)同任務與云環(huán)境下海量制造服務資源的匹配過程.價值鏈核心企業(yè)需要利用項目管理的方法對產品設計制造過程進行深入分析，提出協(xié)同需求，對協(xié)同目標進行規(guī)劃，選擇合作伙伴組建價值鏈，并對協(xié)同過程進行監(jiān)督和控制.

2.1 協(xié)同任務定義

協(xié)同價值鏈的業(yè)務分析過程是網絡環(huán)境下項目管理的規(guī)劃過程.核心企業(yè)按照產品形成的全生命周期過程，基于行業(yè)知識規(guī)則庫，進行科學合理的劃分，形成一系列便于管理和控制的協(xié)同任務單元，并在云平臺上進行任務需求注冊和發(fā)布.協(xié)同任務描述為:

式中:Bi為協(xié)同價值鏈中的第i個協(xié)同任務;BNi為任務Bi的名稱;BOi為任務內容概述;BPij為協(xié)同任務所要求的服務指標參數，它是協(xié)同任務與服務資源匹配的核心要素;BQi為協(xié)同業(yè)務負荷;BCi為協(xié)同業(yè)務的成本上限要求;BTi為協(xié)同業(yè)務交貨期要求.

2.2 協(xié)同服務資源定義

具有設計、制造資質和能力的企業(yè)，將所擁有的各類資源以服務的形式在云平臺上進行注冊，并向外部企業(yè)的產品形成過程提供服務，實現分散化資源的有效整合和協(xié)同.協(xié)同服務資源可以是以智力資源為主的設計、仿真、試驗類資源，也可以是以設備、工裝硬件等為主的物理性生產資源.協(xié)同服務描述為:

k=1，2，…，p l=1，2，…，q

式中:Sk為云環(huán)境下第k個可提供的服務資源; SNk為服務資源的名稱;SOk為服務資源可提供的服務內容概述;SPkl為資源可提供的服務指標參數值域，對于定量類指標參數采用值域范圍的表達方式，對于定性類指標參數采用服務能力枚舉列示的表達方式;SWk為服務能力;SCk為單位服務成本; STk為單位服務周期.

2.3 任務—服務資源匹配

協(xié)同價值鏈的構建過程即是對每一個Bi尋求最優(yōu)服務的過程，其核心是BPij與SPkl的匹配過程.任務-服務資源匹配過程如圖1.

當BPij為定量類指標參數時，Rule()篩選規(guī)則為判斷BPij是否在SPkl的值域范圍內，當BPij為定性類指標參數時，Rule()篩選規(guī)則為判斷BPij是否在SPkl所枚舉的值域范圍內.

任務-服務資源的匹配程度取決于BPij與SPkl兩個指標在Rule()規(guī)則下的比較結果.在服務資源高度匯聚的情況下匹配過程可以為價值鏈形成多個候選組合，但現實情況可能會存在無法為一個價值鏈形成完整候選組合，系統(tǒng)需要提供匹配率信息，并將未匹配成功的Bi及于規(guī)則較為接近的Sk進行列示，通過人工干預完成匹配過程.

式中，η系統(tǒng)匹配成功率，i為價值鏈任務總數，ˉi未匹配成功的任務總數.

其實我和她相距極遠，如果是別人，連影子都看不見，可我卻把她看得真真切切，她有幾根眉毛，我都能數得清楚。

圖1 任務-服務資源匹配模型Fig.1 Task-service resource matching model

2.4 價值鏈優(yōu)化

傳統(tǒng)模式下，價值鏈合作伙伴間通常較為熟悉且一般訂有嚴格的合約關系，選擇時主要關注時間、質量、成本3個指標，但在云計算環(huán)境下，企業(yè)需要借助于云計算平臺尋求服務資源，并且依賴云平臺進行信息的交互，合作伙伴間是松散耦合的動態(tài)聯盟組織模式.因此，云計算環(huán)境下服務資源的選擇不僅要考慮時間T、質量Q和成本C，還需要把協(xié)作信息交互能力I、可持續(xù)發(fā)展能力S、資源保障能力R、知識積累能力K等作為重要影響因素進行考慮.文中采用基于組合權重的灰色關聯優(yōu)選分析方法［14］解決云環(huán)境下價值鏈優(yōu)化選擇問題.價值鏈優(yōu)化具體求解步驟如下.

步驟1:指標規(guī)范化處理.利用區(qū)間值像算法進行指標去量綱處理.效益型指標去量綱方法采用:

成本型指標去量綱方法采用:

式中:vij為指標參數值;yij為極差化處理的結果，即去量綱后的指標因素值.

步驟2:求關聯系數.計算相對最優(yōu)灰色關聯度矩陣.

ξ為分辨系數，ξ∈(0，1］，一般取ξ=0.5

步驟3:確定目標變量權值.權值的大小將影響候選價值鏈的關聯度，從而對選擇決策產生影響.因此，需要利用抽樣統(tǒng)計方法，發(fā)放服務資源優(yōu)選指標權重調查表，對調查所得數據進行規(guī)范化處理，使權值設定客觀、公正.

式中:vi為一個隨機變量;npi為服從二項分布的隨機變量的數學期望.

運用擬合優(yōu)度χ檢驗法進行假設檢驗，通過權值修正等得到目標變量權值矩陣ω=［ω1，ω2，…，ωj，…，ωn］，ωj表示第j個目標變量的權值.

步驟4:計算灰色加權關聯度.

OptU=max{u1，u2，…，un}

在關聯矩陣中，令ui為第i個決策方案對理想決策方案的灰色加權關聯度，ui的值越大，所對應的決策方案就越優(yōu).

3 應用案例

將所設計的價值鏈匹配方法應用到江蘇某船用柴油機制造企業(yè)價值鏈構建過程中.該企業(yè)為大缸徑船用中速柴油機生產龍頭企業(yè)，企業(yè)產品屬于典型的大型單件小批制造類型，客戶的個性化需求及嚴格的交貨期限制，迫使企業(yè)生產組織向總裝造機模式轉變，大部分零部件的生產加工需要由社會化資源協(xié)作完成.但由于企業(yè)產品研發(fā)制造過程中缺乏社會協(xié)作資源的積累和有效的資源服務優(yōu)選方法，導致產品制造周期長，難以有效降低成本，為此，企業(yè)聯合某高校共同研究船舶產業(yè)協(xié)同制造云服務平臺，以期解決該問題.下面以該企業(yè)某型中速柴油機關鍵部件機架生產過程為例，對價值鏈構建過程進行闡述.

3.1 協(xié)同任務定義

產品制造過程可分解為6個協(xié)同任務B，即CVC={毛坯定制，表面處理(打磨、噴砂、油漆)，粗加工(劃線、粗銑、粗鏜)，精加工(精銑、精鏜、鉆、鉗)，部裝，水壓試驗}={B1，B2，B3，B4，B5，B6}，其中精加工、部裝、水壓試驗由企業(yè)自身機加車間和裝配試驗車間完成.協(xié)同任務B詳細描述如表1.

表1 協(xié)同任務列表Table 1 List of collaborative tasks

3.2 任務—資源匹配

由于企業(yè)所在的長江三角州地區(qū)船舶產業(yè)集群已初具規(guī)模，企業(yè)穩(wěn)定性和服務水平較高，產品轉運方便，因此，企業(yè)要求服務資源優(yōu)先選擇范圍為江浙滬三地，并且按成交量取前三位.根據表1中所確定的加工參數要求，通過云平臺任務-服務資源匹配引擎，為協(xié)同任務B1，B2和B3共找到9個滿足技術要求的候選服務資源S.候選服務資源如表2.

表2 候選服務資源列表Table 2 List of candidate collaborative resources

3.3 價值鏈優(yōu)化

由于企業(yè)社會化資源積累尚不夠豐富，因此，研究過程中只部分的將與企業(yè)有過交易歷史的客戶及網上搜集的部分客戶信息進行了梳理，根據企業(yè)管理人員的經驗給出了候選服務資源的各項評價指標參數(表3).

表3 候選資源評價指標參數Table 3 Evaluation parameters of candidate resources

根據價值鏈優(yōu)化步驟和算法，對C13×C13×C13= 27條價值鏈進行優(yōu)化選擇.設分辨系數ξ=0.5，該企業(yè)要求自行設定目標變量權值:ω=［0.20， 0.40，0.20，0.05，0.05，0.05，0.05］，最后得到灰色關聯度矩陣U見表4.

表4 灰色關聯度列表Table 4 Ggrey relation grade

根據上表可知，方案“113”的ui值為最大，說明方案{S11，S21，S33}即{常州精棱鑄鍛，鎮(zhèn)江鵬祥防腐，南京蘇高精密機械}為最優(yōu)方案.通過云環(huán)境下服務資源的高度匯聚，利用該方法可以滿足企業(yè)快速、便捷的優(yōu)選合作伙伴的需求，更為重要的是，企業(yè)可以通過該應用發(fā)現更多的優(yōu)質加工資源，提升服務資源選擇的效率和質量.

4 結論

云計算環(huán)境下資源的有效匯聚和高度共享為社會化大協(xié)作提供了重要的基礎條件，海量服務資源的選擇是協(xié)同價值鏈構建的關鍵環(huán)節(jié).文中通過對協(xié)同價值鏈的定義，設計了協(xié)同價值鏈構建過程和優(yōu)化方法，并以某船用柴油機制造企業(yè)的關鍵主件的服務資源選擇過程為例，對價值鏈構建及優(yōu)化選擇過程進行了詳細闡述，驗證了過程的合理性和方法的有效性.目前該研究還處于小試階段，下一步將著眼于應用的優(yōu)化完善，抽象提煉覆蓋產品生命周期全過程的任務需求和服務資源匹配要素體系，并就匹配要素的值域進行深入分析，形成具有指導性和實用性的要素值域規(guī)范.

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(責任編輯:曹 莉)

Construction method of collaborative value chain in cloud computing environment

Wang Ping，Ge Shilun，Wang Nianxin，Ren Nan
(School of Economics and Management，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

The application of cloud computing makes it possible for manufacturing enterprises to seek service resources in a larger range，but at the same time，a new challenge comes when such enterprises are matching their tasks with the available service resources.In response to this problem，the paper puts forward the concept of collaborative value chain(CVC)and analyzes the elements in expressing collaborative tasks and service resources in order to construct a CVC model and conceive an optimization method.After that，the paper uses the case study of a ship diesel engine enterprise to prove the effectiveness of the model and the method.

collaborative value chain;cloud computing;cloud manufacturing;networked manufacturing;collaborative manufacturing

C931.6

A

1673-4807(2015)06-0585-06

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.014

2015-05-12

國家自然科學基金資助項目(71331003，71271104，71101065)

王平(1975—)，男，副教授，研究方向為基于云的管理信息系統(tǒng)、船舶集成制造管理.E-mail:sdwang 1975@163.com

王平，葛世倫，王念新，等.云計算環(huán)境下制造企業(yè)協(xié)同價值鏈構建方法［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2015，29(6):585-590.