新一代信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)管理:研究現(xiàn)狀與展望

程 穎 戚慶林 陶 飛

北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京，100191

關(guān)鍵字：制造服務(wù)；新一代信息技術(shù)；制造服務(wù)管理；工業(yè)云平臺(tái)；協(xié)作

0 引言

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展促使制造企業(yè)的信息化水平飛速提升，伴隨其變化的是全球市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)、充滿不確定性的市場(chǎng)環(huán)境和個(gè)性化的用戶需求等一系列挑戰(zhàn)，單一企業(yè)制造資源及服務(wù)提供已無(wú)法滿足上述業(yè)務(wù)需求。在眾多先進(jìn)制造系統(tǒng)/模式及相關(guān)技術(shù)發(fā)展支撐下，通過(guò)制造協(xié)作從而動(dòng)態(tài)共享制造資源和制造能力，并實(shí)現(xiàn)價(jià)值共創(chuàng)以及資源利用率、生產(chǎn)效率等的提升甚至最大化，成為響應(yīng)上述挑戰(zhàn)的有力手段。制造企業(yè)間通過(guò)制造協(xié)作，一方面能優(yōu)化傳統(tǒng)運(yùn)作模式，以提高生產(chǎn)的柔性和敏捷性，另一方面能協(xié)同伙伴企業(yè)以更加靈活的方式適應(yīng)未知以及個(gè)性化的需求。

近幾年，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)（new?generated informa?tion technologies，New IT）的迅速發(fā)展與應(yīng)用，融合New IT與面向服務(wù)的思想構(gòu)建的平臺(tái)不斷擴(kuò)充平臺(tái)功能，使得物理世界制造資源和能力能夠與信息世界實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通，并能支持以服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)分布、異構(gòu)企業(yè)社會(huì)化制造資源和能力的按需動(dòng)態(tài)共享與協(xié)作，已成為制造協(xié)作模式的發(fā)展趨勢(shì)與目標(biāo)。世界各國(guó)也相繼提出了各自國(guó)家層面制造發(fā)展戰(zhàn)略，如德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、基于 CPS（cyber?physical systems）的制造/Cyber Manufacturing、“新工業(yè)法國(guó)”、“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”等。為適應(yīng)和滿足這一發(fā)展趨勢(shì)和需求，工業(yè)界先后推出了一系列面向服務(wù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或工業(yè)云平臺(tái)，代表性的有西門(mén)子的MindSphere平臺(tái)、通用電氣的Predix平臺(tái)、施耐德的EcoStruxure平臺(tái)、ABB Ability平臺(tái)、IBM IoT Foundation平臺(tái)、航天科工集團(tuán)INDICS平臺(tái)、華為Edge Computing IoT平臺(tái)、海爾COSMO平臺(tái)、三一重工樹(shù)根互聯(lián)平臺(tái)等。由于這些工業(yè)云平臺(tái)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的個(gè)性化復(fù)雜制造任務(wù)需求往往無(wú)法由單個(gè)制造服務(wù)獨(dú)立完成，而必須要求某個(gè)獨(dú)立的制造服務(wù)同多個(gè)制造服務(wù)共同開(kāi)展按需動(dòng)態(tài)協(xié)作。因此，工業(yè)云平臺(tái)的推廣應(yīng)用，能夠更大限度地支持不同制造企業(yè)，使得其分布式、多樣化的制造服務(wù)能夠?yàn)闈M足個(gè)性化復(fù)雜任務(wù)而按需開(kāi)展動(dòng)態(tài)群體協(xié)作。通過(guò)制造物聯(lián)、信息集成甚至是制造物理信息融合，能夠綜合得到具備完備性、關(guān)聯(lián)性與時(shí)效性等特征的工業(yè)大數(shù)據(jù)。這些工業(yè)大數(shù)據(jù)最終能夠支持工業(yè)云平臺(tái)為社會(huì)化制造提供平臺(tái)與環(huán)境支持。

為促進(jìn)上述工業(yè)云平臺(tái)的推廣應(yīng)用，并支持不同制造企業(yè)之間通過(guò)制造服務(wù)開(kāi)展跨企業(yè)制造協(xié)作，基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理模式與效果將成為決定性因素之一。鑒于此，本文總結(jié)了New IT的分類(lèi)并闡明這些技術(shù)對(duì)制造及協(xié)作模式發(fā)展演進(jìn)的影響；并基于此分析對(duì)面向制造協(xié)作的制造服務(wù)管理范圍的改變進(jìn)行概述，指出基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理發(fā)展趨勢(shì)；從制造服務(wù)管理全生命周期的角度，闡述基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理當(dāng)前的研究進(jìn)展；考慮New IT在制造系統(tǒng)和平臺(tái)中的滲透應(yīng)用與融合發(fā)展，總結(jié)與制造服務(wù)管理相關(guān)的未來(lái)研究問(wèn)題。

1 New IT驅(qū)動(dòng)的制造及協(xié)作模式的發(fā)展

自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC問(wèn)世以來(lái)，一系列計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)陸續(xù)被提出并被應(yīng)用于制造乃至各行各業(yè)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展應(yīng)用的促進(jìn)下，制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方面的提升。近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)和基于互聯(lián)網(wǎng)的New IT（物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)）及其在制造領(lǐng)域的滲透應(yīng)用和融合發(fā)展，正支持制造模式在服務(wù)化、社會(huì)化和智能化方面進(jìn)行著深刻的變革。然而，New IT至今尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義，目前主要存在兩種闡述方式：一種認(rèn)為New IT是基于互聯(lián)網(wǎng)的IT；另一種認(rèn)為New IT既包括早期IT本身的縱向改進(jìn)升級(jí)，還涵蓋所有IT向不同行業(yè)和領(lǐng)域的橫向滲透融合。綜合上述闡述，如圖1所示，本文將New IT大致歸納為信息技術(shù)（information technology）、工業(yè)技術(shù)（indus?try technology）和智能技術(shù)（intelligence technol?ogy）這3類(lèi)“IT”及其相互作用和結(jié)果。接下來(lái)，將從3個(gè)階段對(duì)應(yīng)分析New IT對(duì)制造和協(xié)作模式的作用與影響。

圖1 IT、New IT與制造技術(shù)的發(fā)展概況Fig.1 Development of IT，New IT and manufacturing technologies

（1）信息技術(shù)的應(yīng)用。從20世紀(jì)50年代麻省理工學(xué)院研制第一臺(tái)數(shù)控銑床開(kāi)始，自動(dòng)化技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的研制與應(yīng)用逐步提高了生產(chǎn)效率和加工精度。隨后，集成電路的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)硬件不斷更新?lián)Q代，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)也迅速發(fā)展。計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、交互等提出新的需求，TCP/IP協(xié)議、局域網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)等通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相繼出現(xiàn)，催生了一批數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的制造技術(shù)與制造模式，包括計(jì)算機(jī)集成制造、虛擬制造、敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造和全球制造等。這些制造模式所關(guān)注的主要對(duì)象仍是信息世界，通過(guò)對(duì)制造企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)之間的信息積累和管理，促進(jìn)制造企業(yè)結(jié)構(gòu)和資源配置的合理簡(jiǎn)化，生產(chǎn)、管理和經(jīng)營(yíng)模式的革新，使其能夠以更低的成本、更高的速度生產(chǎn)出質(zhì)量更好、更符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品［1］。

（2）信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的融合應(yīng)用。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的出現(xiàn)及其向制造業(yè)的滲透，為信息世界與物理世界的互聯(lián)互通提供了技術(shù)支持。越來(lái)越多的國(guó)家一致推進(jìn)以物理信息融合為目標(biāo)的新智能制造模式或制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃，如云制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、“中國(guó)制造2025”等。這些制造模式或國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃均是通過(guò)連接異構(gòu)的物理制造資源，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程海量數(shù)據(jù)的泛在感知和實(shí)時(shí)處理分析，來(lái)最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能決策與運(yùn)行優(yōu)化。與此同時(shí)，在制造物理信息融合的基礎(chǔ)上，以制造服務(wù)的形式支持分散資源的集中管理和集中資源的分散使用，從而重構(gòu)不同制造企業(yè)之間、制造企業(yè)與用戶之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)以消費(fèi)者為中心的個(gè)性化定制和按需服務(wù)及價(jià)值延伸。這些信息技術(shù)及其與工業(yè)技術(shù)的融合應(yīng)用，滲透到生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，使得網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化和社會(huì)化的制造生態(tài)正初具雛形［2?4］。

（3）信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)與智能技術(shù)的深度融合應(yīng)用。制造物理信息融合能夠?yàn)橹圃鞌?shù)據(jù)的全面采集與綜合處理提供支持，在此基礎(chǔ)上引入智能技術(shù)，提升系統(tǒng)面向制造大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與分析能力、知識(shí)挖掘能力和智能決策能力。這是前述信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)融合應(yīng)用的進(jìn)階階段和必然發(fā)展趨勢(shì)，也是目前正在推行的制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃及其逐步產(chǎn)生的智能制造模式所追求的共同目標(biāo)。在信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)和智能技術(shù)的深度融合應(yīng)用過(guò)程中，將逐步形成一種新的松耦合的自組織制造協(xié)作生態(tài)。其中，底層泛在的分布式制造資源和制造能力將通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通，頂層用戶將通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和社交網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)互聯(lián)；所有物理信息融合的數(shù)據(jù)及其“數(shù)據(jù)采集-信息融合-知識(shí)挖掘-智能決策/控制”的閉環(huán)過(guò)程均實(shí)現(xiàn)服務(wù)化，基于云端集中化和邊緣化的信息存儲(chǔ)與處理方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)關(guān)聯(lián)即形成務(wù)聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)服務(wù)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)底層制造物聯(lián)網(wǎng)和頂層用戶聯(lián)網(wǎng)的對(duì)接，最終支持制造協(xié)作的服務(wù)化、服務(wù)協(xié)作的定制化、定制方案的智能化［5?6］。

2 面向制造協(xié)作的制造服務(wù)管理范圍的改變

制造協(xié)作的本質(zhì)是基于資源共享來(lái)協(xié)作開(kāi)展生產(chǎn)活動(dòng)與業(yè)務(wù)，其中資源共享除了包括原材料、加工設(shè)備等制造資源的共享，還包括需求、產(chǎn)品及制造過(guò)程數(shù)據(jù)等信息的共享。通過(guò)實(shí)現(xiàn)一定范圍和規(guī)模的共享，可調(diào)整和均衡分散制造資源和能力，有效避免由信息孤島導(dǎo)致的資源利用率不高、制造效率低等問(wèn)題。從制造資源和制造能力共享范圍和協(xié)作程度的角度分析，制造協(xié)作模式大致經(jīng)歷了圖2所示的3個(gè)階段［2］，制造服務(wù)管理模式及范圍也伴隨著制造協(xié)作模式的發(fā)展而演變。

圖2 制造協(xié)作模式的發(fā)展與演化過(guò)程Fig.2 Evolutionary development of manufacturing collaboration pattern

（1）企業(yè)內(nèi)資源共享與協(xié)作。企業(yè)內(nèi)資源共享與協(xié)作階段是制造企業(yè)信息化的起步階段，制造企業(yè)通過(guò)企業(yè)內(nèi)的部分信息集成，力求實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)有限資源的高效利用與運(yùn)營(yíng)，從而降低企業(yè)的生產(chǎn)成本并縮短生產(chǎn)周期，以較大柔性響應(yīng)顧客的需求。該階段比較典型的先進(jìn)制造模式有柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、精益生產(chǎn)、可重構(gòu)制造系統(tǒng)等。

（2）企業(yè)間資源共享與協(xié)作。在企業(yè)間資源共享與協(xié)作階段，為應(yīng)對(duì)劇烈變化的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，這些制造模式除了重組其內(nèi)部信息系統(tǒng)、資源和制造過(guò)程，更加重視在復(fù)雜的價(jià)值創(chuàng)造鏈和商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中與其他企業(yè)的合作。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，以及制造企業(yè)信息化程度進(jìn)一步提高的支撐下，制造企業(yè)開(kāi)始重視企業(yè)與企業(yè)之間的資源共享與業(yè)務(wù)協(xié)作。該階段初步實(shí)現(xiàn)了企業(yè)間資源共享與協(xié)作，典型的先進(jìn)制造模式主要有敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、全球制造等。在時(shí)域上，通過(guò)實(shí)施并行工程來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)過(guò)程的集成，從而縮短制造周期；在空域上，通過(guò)虛擬企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的方式，實(shí)現(xiàn)多企業(yè)的動(dòng)態(tài)協(xié)作，從而加快對(duì)需求的響應(yīng)。

（3）基于平臺(tái)的社會(huì)化資源共享與協(xié)作。該階段伴隨著制造企業(yè)信息化的全面提高和企業(yè)聯(lián)盟協(xié)作理念的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，在這一階段中，制造企業(yè)根據(jù)自身企業(yè)特點(diǎn)逐步開(kāi)發(fā)了各類(lèi)平臺(tái)，以提供制造服務(wù)，促進(jìn)不同行業(yè)間跨區(qū)域的制造資源和能力的整合，體現(xiàn)了“產(chǎn)品+服務(wù)”的服務(wù)化思想，較為典型的有制造網(wǎng)格平臺(tái)、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)/工業(yè)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)/面向服務(wù)的制造（服務(wù)型制造）系統(tǒng)、眾包生產(chǎn)、云制造服務(wù)平臺(tái)［6?8］、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)云平臺(tái)［9］等。

由上分析可知，基于平臺(tái)以服務(wù)的形式開(kāi)展制造協(xié)作，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造資源/能力的共享與協(xié)作，是當(dāng)前制造模式發(fā)展的必然趨勢(shì)與共同目標(biāo)之一。面對(duì)上述3個(gè)階段的制造協(xié)作模式發(fā)展過(guò)程，制造服務(wù)管理模式也從基于一般的企業(yè)信息系統(tǒng)逐步擴(kuò)展為基于開(kāi)放的工業(yè)云平臺(tái)。隨著上述工業(yè)云平臺(tái)提供的功能不斷完善，提供的制造服務(wù)不斷豐富，再加上“互聯(lián)網(wǎng)+”、服務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)等先進(jìn)理念和思維的普及與廣泛應(yīng)用，制造企業(yè)通過(guò)工業(yè)云平臺(tái)以服務(wù)的形式開(kāi)展制造協(xié)作，已成為其參與社會(huì)化制造協(xié)作并實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造的一種有效新途徑，這也是基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理所需實(shí)現(xiàn)的首要功能目標(biāo)。

3 基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理研究現(xiàn)狀

基于平臺(tái)，用戶的需求可以通過(guò)一個(gè)服務(wù)或多個(gè)服務(wù)來(lái)滿足。對(duì)于前者，應(yīng)選擇最優(yōu)的制造服務(wù)執(zhí)行，以滿足用戶的服務(wù)需求；對(duì)于后者，應(yīng)為復(fù)雜任務(wù)分解后的每個(gè)子任務(wù)搜索一組可選的制造服務(wù)，并從各組制造服務(wù)中分別挑選合適的制造服務(wù)，從而選擇最佳組合服務(wù)來(lái)協(xié)同完成該復(fù)雜任務(wù)。鑒于此，基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理［10］有其相應(yīng)的全生命周期管理流程和步驟。

圖3 基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理全生命周期示意圖［9］Fig.3 The whole lifecycle of platform-based manufacturing service management

3.1 基于平臺(tái)的制造服務(wù)全生命周期管理流程

本文借鑒產(chǎn)品生命周期管理（product lifecy?cle management，PLM）的階段劃分，總結(jié)由平臺(tái)需求驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)管理全生命周期。制造服務(wù)管理全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)施都依賴于平臺(tái)。如圖3所示，考慮制造服務(wù)全生命周期管理前期（beginning?of?life，BOL）、中期（middle?of?life，MOL）和后期（end?of?life，EOL），制造服務(wù)管理可以具體對(duì)應(yīng)劃分為服務(wù)產(chǎn)生階段、服務(wù)應(yīng)用前階段、服務(wù)應(yīng)用階段、服務(wù)應(yīng)用后階段。BOL中的服務(wù)產(chǎn)生階段涵蓋了從各種物理制造資源和能力到虛擬化服務(wù)的過(guò)程，它包含資源的感知和接入、感知數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)過(guò)濾和處理、資源虛擬化、服務(wù)建模和數(shù)字化描述。在大量制造服務(wù)生成之后，隨著平臺(tái)的持續(xù)運(yùn)作，所有制造服務(wù)都通過(guò)各種抽象關(guān)聯(lián)關(guān)系（功能、各種屬性、特征、調(diào)用歷史等）得以集成并整合，制造服務(wù)聚合將逐漸顯現(xiàn)。MOL中的服務(wù)應(yīng)用前階段是在服務(wù)生成之后按需驅(qū)動(dòng)的，主要包括服務(wù)搜索與匹配、服務(wù)評(píng)估、服務(wù)優(yōu)選與組合、服務(wù)供需匹配與調(diào)度。MOL中的服務(wù)應(yīng)用階段主要由服務(wù)執(zhí)行和監(jiān)控、動(dòng)態(tài)服務(wù)容錯(cuò)，以及任務(wù)執(zhí)行完成后的服務(wù)交付組成。EOL中的服務(wù)應(yīng)用后階段主要指的是任務(wù)執(zhí)行完畢并交付之后的服務(wù)釋放和解聚/解離。因此，制造服務(wù)管理，一般指的是從制造服務(wù)建模產(chǎn)生，到制造服務(wù)按需使用以及多次按需使用過(guò)程的循環(huán)往復(fù)，直至該制造服務(wù)不可使用并永久消除的整個(gè)生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)操作。

3.2 制造服務(wù)管理研究現(xiàn)狀

工業(yè)云平臺(tái)的一個(gè)重要目標(biāo)是為用戶按需提供制造服務(wù)，以滿足他們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)需要的制造資源和能力。本節(jié)將分別針對(duì)工業(yè)云平臺(tái)中制造服務(wù)管理的主要環(huán)節(jié)，闡述現(xiàn)有相關(guān)研究的進(jìn)展。

3.2.1 制造資源感知、接入與服務(wù)化建模

工業(yè)云平臺(tái)中，制造服務(wù)是通過(guò)虛擬封裝制造資源和能力而產(chǎn)生的，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種制造資源和能力的智能感知和接入是制造服務(wù)產(chǎn)生的前提。許多技術(shù)可用于識(shí)別制造資源，例如無(wú)線射頻識(shí)別設(shè)備（RFID）、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等［11］。作為物理資源虛擬化的預(yù)處理，制造設(shè)備的感知和接入技術(shù)包括制造設(shè)備的狀態(tài)感知、物聯(lián)和接入［12］。根據(jù)虛擬化資源的形式，計(jì)算和知識(shí)資源通過(guò)使用云計(jì)算技術(shù)以類(lèi)似方式虛擬化，并且使用基于Agent的技術(shù)將硬件資源轉(zhuǎn)換為虛擬機(jī)以用于分布式控制和通信。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)各種制造資源的智能感知和訪問(wèn)，現(xiàn)有研究還探討了一系列基于物聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)框架。比較典型的架構(gòu)一般包括資源層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層［13］。

制造服務(wù)建模和數(shù)字化描述是實(shí)現(xiàn)服務(wù)后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。在平臺(tái)中，基于服務(wù)描述語(yǔ)言，如簡(jiǎn)單HTML本體擴(kuò)展（SHOE）、DARPA代理標(biāo)記語(yǔ)言（DAML）和Web本體語(yǔ)言（OWL）等，將各種虛擬資源描述封裝之后發(fā)布到平臺(tái)?，F(xiàn)有研究在考慮服務(wù)相關(guān)性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于形式化描述模型的服務(wù)核心和可擴(kuò)展本體［14］、涵蓋技術(shù)和產(chǎn)品相關(guān)內(nèi)容以及業(yè)務(wù)和物流信息的服務(wù)描述語(yǔ)法［15］、基于外部協(xié)作過(guò)程的資源語(yǔ)義描述［16］、制造服務(wù)/能力的成熟度模型［17?18］，以及基于知識(shí)的制造能力多維信息模型［19］、制造裝備服務(wù)的能力動(dòng)態(tài)模型［20］、制造服務(wù)能力的規(guī)范化模型［21］及其增強(qiáng)模型［22?23］等。

3.2.2 制造服務(wù)搜索與匹配

制造服務(wù)搜索和匹配，也被稱(chēng)為制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)，是平臺(tái)有效并高效實(shí)現(xiàn)服務(wù)按需配置的重要步驟，主要依賴于搜索和匹配算法來(lái)找到合適的服務(wù)以滿足用戶的請(qǐng)求。不論是針對(duì)單個(gè)任務(wù)需求開(kāi)展的制造服務(wù)評(píng)估與推薦，還是針對(duì)復(fù)雜任務(wù)需求分解后開(kāi)展的多個(gè)制造服務(wù)優(yōu)選與組合，制造服務(wù)在功能上的搜索與匹配的結(jié)果都起著決定性作用?，F(xiàn)有研究主要集中在制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架與搜索機(jī)制、匹配模型與匹配方法等方面，制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架與搜索機(jī)制包括四階段服務(wù)搜索和匹配平臺(tái)框架［24］、基于語(yǔ)義Web的制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架和機(jī)制［25］、基于OWL?S的制造服務(wù)通用語(yǔ)義匹配引擎［26］、基于屬性描述匹配的制造服務(wù)搜索方法［27］等；制造服務(wù)匹配模型與匹配方法包括基于輸入?輸出?前提條件?效果匹配的服務(wù)匹配模型［28］、基于制造任務(wù)語(yǔ)義建模和描述的制造服務(wù)匹配方法［29］、多層次智能匹配方法［30］、基于服務(wù)類(lèi)型和狀態(tài)信息的服務(wù)搜索和匹配方法［31］，以及云環(huán)境下基于自組織P2P、Agent、潛在語(yǔ)義偏好評(píng)估的制造服務(wù)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)方法［32?35］等。

3.2.3 制造服務(wù)評(píng)估與推薦

制造服務(wù)評(píng)估是在制造服務(wù)從功能上搜索與匹配的基礎(chǔ)上，為后續(xù)配置操作（包括單個(gè)服務(wù)推薦，多個(gè)服務(wù)優(yōu)選與組合，供需匹配、調(diào)度與動(dòng)態(tài)容錯(cuò)）提供基本的非功能屬性上的評(píng)估依據(jù)。不同用戶不同需求對(duì)應(yīng)關(guān)注的評(píng)估指標(biāo)不相同，如服務(wù)質(zhì)量（quality of service,QoS）評(píng)估［36］、信任評(píng)估［37?39］、能力評(píng)估［40］和效用評(píng)估［41?42］等。QoS是最基本最常用的評(píng)估指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行信任評(píng)估指標(biāo)與模型的豐富，例如考慮制造服務(wù)提供者和需求者，建立制造服務(wù)信任評(píng)估體系和面向特定領(lǐng)域的信任評(píng)估模型［37］；考慮服務(wù)需求者與提供者之間存在的信任問(wèn)題，為提供更高可信度的服務(wù)，將服務(wù)信任與QoS概念共同引入到服務(wù)調(diào)度環(huán)節(jié)［38］；引入時(shí)間衰減的動(dòng)態(tài)信任機(jī)制以及用戶反饋評(píng)估和激勵(lì)機(jī)制，提出基于反饋評(píng)估的信任模型［39］，從而提高動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。類(lèi)似地，還有一些研究工作特別關(guān)注基于評(píng)估的個(gè)性化制造服務(wù)推薦，包括引入社交網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同過(guò)濾［43?44］、基于貝葉斯的方法［45?46］、構(gòu)建信譽(yù)評(píng)估模型［47?48］等方法。

3.2.4 制造服務(wù)優(yōu)選與組合

制造服務(wù)的優(yōu)選與組合是當(dāng)單個(gè)制造服務(wù)無(wú)法滿足任務(wù)需求時(shí)，挑選多個(gè)制造服務(wù)并生成最佳服務(wù)組合方案以滿足復(fù)雜任務(wù)需求，這是制造服務(wù)相關(guān)的一個(gè)比較持續(xù)的研究重點(diǎn)。不同的研究人員關(guān)注不同的優(yōu)選依據(jù)，例如考慮QoS和能耗［49］、QoS 和運(yùn)輸［50］、柔性和組合關(guān)聯(lián)關(guān)系［51?53］、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作模式［54］、大規(guī)模定制需求［55］、多任務(wù)導(dǎo)向的組合相關(guān)性等多個(gè)目標(biāo)和約束。此外，針對(duì)服務(wù)優(yōu)選和組合的算法相關(guān)研究除了一些基本的智能優(yōu)化算法，還包括基于QoS的混沌控制優(yōu)化算法［56］、面向計(jì)算資源優(yōu)化配置的小生境免疫算法、面向制造服務(wù)特定特征的改進(jìn)算法［57］、改進(jìn)/混合人工蜂群算法［50，58］、自適應(yīng)蝙蝠算法［59］、改進(jìn)花授粉算法［60］等。

3.2.5 制造服務(wù)供需匹配

制造服務(wù)供需匹配同時(shí)兼顧資源配置和需求配置，其結(jié)果是得到系統(tǒng)平臺(tái)中的規(guī)模性的制造服務(wù)（供應(yīng)）和制造任務(wù)需求（需求）間的映射對(duì)應(yīng)關(guān)系。從資源配置的角度出發(fā)，供需匹配的結(jié)果是哪個(gè)（哪些）制造服務(wù)如何被用以執(zhí)行某個(gè)任務(wù)；從需求配置的角度出發(fā)，供需匹配的結(jié)果是哪個(gè)（哪些）需求或制造任務(wù)集以何種序列被某個(gè)制造服務(wù)執(zhí)行完成［61?62］。制造服務(wù)供需匹配是評(píng)估與推薦、優(yōu)選與組合在問(wèn)題規(guī)模、對(duì)象范圍等多方面的擴(kuò)展升級(jí)，現(xiàn)有研究不多，主要包括考慮制造服務(wù)供需雙方的供需匹配超網(wǎng)絡(luò)建模［63］，以及基于超網(wǎng)絡(luò)的供需匹配仿真工具研制［64］。

3.2.6 制造服務(wù)調(diào)度與容錯(cuò)

在制造服務(wù)和任務(wù)需求進(jìn)行匹配之后，需要考慮時(shí)間限制進(jìn)行制造服務(wù)調(diào)度?，F(xiàn)有相關(guān)研究大多偏重于調(diào)度模型而非調(diào)度算法。在調(diào)度模型方面，主要有基于效用評(píng)估的4種服務(wù)調(diào)度模式［41］（以提供者為中心、以消費(fèi)者為中心、以運(yùn)營(yíng)者為中心、以系統(tǒng)為中心）、考慮環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性的資源服務(wù)調(diào)度［65］、考慮運(yùn)輸?shù)闹圃旆?wù)優(yōu)選與調(diào)度［66］、基于隨機(jī)先進(jìn) Petri網(wǎng)的調(diào)度框架［67］、考慮動(dòng)態(tài)［68］和全局優(yōu)化［69］的分布式制造服務(wù)協(xié)同調(diào)度［70］等；在調(diào)度方法方面，主要有基于混合整數(shù)規(guī)劃模型的調(diào)度方法［66］、采集數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造裝備服務(wù)調(diào)度優(yōu)化［71］等。系統(tǒng)平臺(tái)具有典型的動(dòng)態(tài)不確定性，在制造服務(wù)調(diào)度的基礎(chǔ)上支持動(dòng)態(tài)容錯(cuò)是平臺(tái)所需的制造服務(wù)管理必備的核心功能之一。在平臺(tái)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，除了考慮I/O、調(diào)用的前提條件和效果等基本屬性之外，還應(yīng)考慮運(yùn)行狀態(tài)、企業(yè)間復(fù)雜業(yè)務(wù)關(guān)系等動(dòng)態(tài)復(fù)雜屬性。伴隨著平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)，制造服務(wù)及其組合服務(wù)的執(zhí)行可能會(huì)不可避免地發(fā)生某些故障。然而，迄今為止相關(guān)研究尚不多見(jiàn)，主要集中在制造服務(wù)調(diào)度故障的檢測(cè)和恢復(fù)［72］。

4 總結(jié)與展望

4.1 制造服務(wù)管理研究現(xiàn)狀總結(jié)

除了上述幾個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)有研究工作之外，還有少量研究涉及制造服務(wù)交易［42，73］。截至目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這些研究工作的分布情況見(jiàn)圖4。由圖4可知，一方面，大部分學(xué)者將注意力放在制造服務(wù)搜索與匹配即制造服務(wù)發(fā)現(xiàn)、制造服務(wù)評(píng)估與推薦、制造服務(wù)優(yōu)選與組合這三個(gè)環(huán)節(jié)，其分別對(duì)應(yīng)的研究工作之和已超過(guò)整個(gè)制造服務(wù)管理相關(guān)研究工作的2/3，然而這些研究主要關(guān)注的還是信息層面的問(wèn)題，缺乏考慮制造物理世界。由于New IT的融合應(yīng)用與影響，制造服務(wù)與物理世界制造資源之間的泛在連接、映射關(guān)聯(lián)與實(shí)時(shí)交互，制造服務(wù)物理信息融合與迭代增值有待進(jìn)一步探討并實(shí)現(xiàn)。另一方面，制造服務(wù)供需匹配研究才剛剛起步，大部分制造服務(wù)調(diào)度與容錯(cuò)研究主要解決的還是靜態(tài)計(jì)劃與調(diào)度問(wèn)題。隨著New IT驅(qū)動(dòng)的工業(yè)云平臺(tái)的逐步實(shí)施與應(yīng)用，大規(guī)模的社會(huì)化制造服務(wù)供需匹配、考慮動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境的制造服務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度（容錯(cuò)）等問(wèn)題將成為促進(jìn)工業(yè)云平臺(tái)能夠盡早落地應(yīng)用所需亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖4 制造服務(wù)管理相關(guān)研究工作的大致分布情況Fig.4 Distribution statistics on manufacturing service management-related studies

基于上述制造服務(wù)管理相關(guān)工作的整體分析，本文進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究進(jìn)行大致的階段性劃分。在IT尤其是New IT的驅(qū)動(dòng)下，制造及協(xié)作模式的發(fā)展導(dǎo)致制造服務(wù)管理相關(guān)研究經(jīng)歷了單個(gè)制造服務(wù)、多個(gè)制造服務(wù)組合構(gòu)成的制造服務(wù)鏈（簇）［74?75］、大規(guī)模制造服務(wù)聚合演化的制造服務(wù)網(wǎng)絡(luò)［6，62，76］三個(gè)階段，見(jiàn)圖 5。若針對(duì)平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程，通常是按需調(diào)用多個(gè)服務(wù)來(lái)完成制造任務(wù)。鑒于此，有必要打破上述針對(duì)管理流程和步驟的局部視角，考慮由多個(gè)或多種服務(wù)構(gòu)成的聚類(lèi)服務(wù)（功能相似性服務(wù)）或組合服務(wù)（功能互補(bǔ)性服務(wù)）進(jìn)行系統(tǒng)性研究。由于聚類(lèi)服務(wù)與組合服務(wù)的不斷按需應(yīng)用迭代與價(jià)值增值，其不同制造服務(wù)相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系將導(dǎo)致制造服務(wù)聚合與演化現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此，圖論和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型為聚合并演化的制造服務(wù)研究，以及基于制造服務(wù)的企業(yè)協(xié)作研究提供了一種新的解決思路［77?78］。制造服務(wù)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)初步研究工作有基于多層超網(wǎng)絡(luò)的制造服務(wù)供需匹配［63］、基于無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的制造服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)建模及其動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)特性分析［79］、基于超圖的制造服務(wù)聚類(lèi)管理［80］等。

4.2 制造服務(wù)管理未來(lái)研究方向

盡管制造服務(wù)管理相關(guān)研究取得了上述進(jìn)展，但從制造企業(yè)用戶角度出發(fā)，當(dāng)前平臺(tái)尚未得到制造企業(yè)的一致認(rèn)可和完全接受，原因之一是在這些平臺(tái)的推廣與落地應(yīng)用過(guò)程中仍存在信息不對(duì)稱(chēng)性、動(dòng)態(tài)性、不確定性等特征和挑戰(zhàn)。為支持制造企業(yè)能夠基于平臺(tái)開(kāi)展跨企業(yè)制造協(xié)作，結(jié)合圖5所示的制造服務(wù)管理相關(guān)研究工作的三個(gè)階段劃分與分析，還需從平臺(tái)角度針對(duì)制造服務(wù)管理進(jìn)一步開(kāi)展以下研究工作。

（1）數(shù)字孿生技術(shù)與孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造服務(wù)信息物理融合。隨著物理信息系統(tǒng)和數(shù)字孿生技術(shù)在制造領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，需要全面分析并完善平臺(tái)中從物理世界的制造資源到信息空間的虛擬服務(wù)的生成過(guò)程（服務(wù)節(jié)點(diǎn)的縱向生成），得到逐層遞階表達(dá)的服務(wù)模型，以及從單個(gè)獨(dú)立的服務(wù)模型到聚類(lèi)/組合協(xié)作的服務(wù)匯聚模型的關(guān)聯(lián)過(guò)程（服務(wù)節(jié)點(diǎn)的橫向關(guān)聯(lián)），從而綜合構(gòu)建多維、多層次、信息物理融合的服務(wù)模型。基于該服務(wù)模型，為基于平臺(tái)的服務(wù)動(dòng)態(tài)聚合模式研究、動(dòng)態(tài)聚合服務(wù)的聚類(lèi)/組合協(xié)作關(guān)聯(lián)演化及其可靠性增益研究，提供能夠與物理世界實(shí)時(shí)映射的模型與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的制造服務(wù)匯聚、聚合與演化。當(dāng)前的制造服務(wù)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究，能夠在一定程度上反映基于平臺(tái)的服務(wù)在數(shù)據(jù)與邏輯上的匯聚。隨著服務(wù)的持續(xù)應(yīng)用，尤其是在動(dòng)態(tài)協(xié)作生產(chǎn)中的組合協(xié)作應(yīng)用，服務(wù)遞階生成模型、服務(wù)組合協(xié)作關(guān)聯(lián)、組合協(xié)作特征模塊及其耦合性與內(nèi)聚性等相關(guān)特性都將隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)演變，這將導(dǎo)致服務(wù)在功能與應(yīng)用上產(chǎn)生動(dòng)態(tài)聚合。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型和理論能夠?yàn)橐?guī)模和范圍都不斷擴(kuò)大的制造服務(wù)管理過(guò)程涉及到的從匯聚到動(dòng)態(tài)聚合與演化相關(guān)研究，提供一種更有效的解決方案。

（3）考慮群體協(xié)作行為與博弈的制造服務(wù)協(xié)作。博弈論是分析理性人之間沖突與合作行為的強(qiáng)大理論工具，根據(jù)是否存在正式協(xié)議，博弈可以是合作或非合作的。從制造服務(wù)產(chǎn)生之后一直到服務(wù)協(xié)作應(yīng)用，博弈論可以在制造服務(wù)管理中發(fā)揮重要作用。在工業(yè)云平臺(tái)中，服務(wù)屬于不同的企業(yè)，服務(wù)組合的創(chuàng)建實(shí)際上是許多企業(yè)共同參與并協(xié)作完成需求任務(wù)的過(guò)程?；谒峁┓?wù)的功能依賴性，企業(yè)可以有不同的競(jìng)爭(zhēng)或合作業(yè)務(wù)關(guān)系。因此，從功能角度來(lái)看，博弈論可以用來(lái)設(shè)計(jì)合適的服務(wù)組合算法；從企業(yè)業(yè)務(wù)互動(dòng)的角度來(lái)看，博弈論可以用來(lái)協(xié)調(diào)每個(gè)企業(yè)的利益，以確保協(xié)作參與者可以有利可圖，從而解決制造企業(yè)不敢協(xié)作的難題。

（4）制造服務(wù)管理系統(tǒng)及其仿真工具。已有相關(guān)研究大多通過(guò)仿真完成分析和驗(yàn)證，不論是關(guān)于制造服務(wù)管理相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)、平臺(tái)開(kāi)發(fā)還是應(yīng)用，目前基本上沒(méi)有真正的平臺(tái)或環(huán)境。若有一個(gè)統(tǒng)一的仿真工具可以模擬工業(yè)云平臺(tái)的關(guān)鍵功能、工作流程和操作過(guò)程，將為研究人員開(kāi)展基于平臺(tái)的制造服務(wù)管理相關(guān)研究提供便利，為實(shí)施和測(cè)試與制造服務(wù)管理相關(guān)理論、建模方法、搜索算法、組合策略、調(diào)度機(jī)制等提供可能，因此，借鑒已有研究，針對(duì)供需匹配環(huán)節(jié)所研制的制造服務(wù)供需匹配仿真工具［64］，研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)相應(yīng)的制造服務(wù)管理仿真工具非常必要。

隨著New IT驅(qū)動(dòng)的工業(yè)云平臺(tái)的逐步實(shí)施與應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)支持社會(huì)化制造資源和能力的互聯(lián)互通而形成制造物聯(lián)網(wǎng)（internet of manufactur?ing things，IoMT），制造服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及其聚合與演化理論支持分布式制造服務(wù)的互聯(lián)互通而形成務(wù)聯(lián)網(wǎng)（internet of services，IoS），移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)等支持實(shí)現(xiàn)用戶及其個(gè)性化需求的互聯(lián)互通而形成戶聯(lián)網(wǎng)（internet of users，IoU），因此，上述有待開(kāi)展的研究工作中，制造服務(wù)物理信息融合研究是為了實(shí)現(xiàn)底層制造物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)的映射與融合，制造服務(wù)匯聚、聚合與演化研究是為了探究務(wù)聯(lián)網(wǎng)的特征和規(guī)律，制造服務(wù)協(xié)作研究是為了實(shí)現(xiàn)務(wù)聯(lián)網(wǎng)與頂層戶聯(lián)網(wǎng)的關(guān)聯(lián)及其面向用戶個(gè)性化需求的按需應(yīng)用和價(jià)值創(chuàng)造，制造服務(wù)管理系統(tǒng)及其仿真工具研制則是為了制造物聯(lián)、務(wù)聯(lián)、戶聯(lián)多網(wǎng)融合的工業(yè)云平臺(tái)生態(tài)及其制造服務(wù)管理理論與方法提供相應(yīng)的仿真、分析與驗(yàn)證的環(huán)境與工具支持。

5 結(jié)論

在New IT的驅(qū)動(dòng)下，制造服務(wù)管理是決定工業(yè)云平臺(tái)能否落地推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵。一方面，New IT促進(jìn)工業(yè)云平臺(tái)及其物理信息融合的實(shí)現(xiàn)，這是正在發(fā)展的社會(huì)化制造服務(wù)管理的當(dāng)前背景與環(huán)境；另一方面，按需的動(dòng)態(tài)制造協(xié)作，是當(dāng)前面向個(gè)性化需求的社會(huì)化制造服務(wù)管理的目的與驅(qū)動(dòng)力；制造服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是社會(huì)化制造服務(wù)管理的一種可行的理論模型與解決手段。然而，如果沒(méi)有制造服務(wù)管理的相關(guān)理論和技術(shù)支持，平臺(tái)中制造企業(yè)的利益得不到有效保證，將導(dǎo)致許多企業(yè)不想提供和貢獻(xiàn)其閑置的制造資源和能力，因此，如果沒(méi)有足夠可用的高質(zhì)量和可靠的制造服務(wù)，制造服務(wù)的需求也無(wú)法滿足。這就意味著，從服務(wù)提供者和需求者的雙重角度，制造企業(yè)都將失去使用平臺(tái)的興趣和熱情，從而嚴(yán)重阻礙平臺(tái)廣泛的實(shí)踐應(yīng)用。盡管工業(yè)云平臺(tái)給現(xiàn)有的制造業(yè)帶來(lái)了一些機(jī)遇和轉(zhuǎn)型，但目前工業(yè)云平臺(tái)更廣泛的應(yīng)用仍受到許多限制，還需要更為系統(tǒng)和深入的制造服務(wù)管理相關(guān)理論研究來(lái)支持并促進(jìn)工業(yè)云平臺(tái)的逐步完善和推廣。