制造物聯(lián)環(huán)境下基于結(jié)構(gòu)矩陣的智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)

張 衛(wèi) 田景紅 唐任仲 鄂世舉 王冬云

1.浙江師范大學(xué)智能制造工程技術(shù)中心，金華，321004 2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310027 3.劍橋大學(xué)工程系制造研究院，劍橋，CB3 0FS

0 引言

制造服務(wù)理論在新工業(yè)革命的進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用，制造與服務(wù)的融合是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界近年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)之一，從服務(wù)中獲取更多價(jià)值成為制造企業(yè)的共識(shí)，同時(shí)服務(wù)在制造業(yè)中的比重也越來(lái)越大。德國(guó)工業(yè)4.0和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新制造戰(zhàn)略促使“中國(guó)制造2025”積極推進(jìn)，服務(wù)型制造作為國(guó)家戰(zhàn)略之一，突出了制造服務(wù)研究的重要性。服務(wù)型制造［1?2］、云制造［3?4］、制造物聯(lián)［5?7］等新工業(yè)革命舉措以顛覆性技術(shù)為依托，成為中國(guó)制造重要的戰(zhàn)略選擇。智能服務(wù)的研究是伴隨服務(wù)概念的演變和人工智能技術(shù)的發(fā)展而逐步深入的，特別是與制造業(yè)相關(guān)的服務(wù)成為智能服務(wù)的研究重點(diǎn)之一，也是本文的聚焦點(diǎn)。制造業(yè)的服務(wù)化趨勢(shì)成為企業(yè)的必然選擇，國(guó)內(nèi)外成功的企業(yè)案例印證了服務(wù)化的必要性，相關(guān)研究集中在生產(chǎn)性服務(wù)和制造服務(wù)化兩個(gè)方面。生產(chǎn)性服務(wù)圍繞制造企業(yè)提供各類(lèi)服務(wù)，如零部件配套、加工服務(wù)、物流配送、方案咨詢(xún)等，形成智能服務(wù)平臺(tái)、智能服務(wù)理論、智能服務(wù)集成等研究熱點(diǎn)，制造服務(wù)化圍繞終端用戶(hù)提供各類(lèi)服務(wù)，如售后服務(wù)、遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)、服務(wù)方案優(yōu)化、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)等，形成智能服務(wù)模式、智能服務(wù)技術(shù)、智能服務(wù)協(xié)同等研究熱點(diǎn)。這兩個(gè)方面趨向統(tǒng)一，服務(wù)型制造較好地將兩者結(jié)合起來(lái)，成為制造服務(wù)研究的典范。各國(guó)最新的智能制造戰(zhàn)略都突出了服務(wù)要素，德國(guó)工業(yè)4.0有智能服務(wù)的內(nèi)容，美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有智能服務(wù)的技術(shù)，“英國(guó)制造2050”強(qiáng)調(diào)高附加值更是突出智能服務(wù)的因素，“中國(guó)制造2025”也有服務(wù)型制造專(zhuān)項(xiàng)。在制造業(yè)信息化過(guò)程中，云制造包含更多的智能服務(wù)方法，制造物聯(lián)也提供了智能服務(wù)運(yùn)作的外部環(huán)境。智能服務(wù)的對(duì)象是制造服務(wù)，制造服務(wù)包含的產(chǎn)品和服務(wù)具有虛實(shí)結(jié)合、異構(gòu)集成、多方協(xié)同等復(fù)雜性特征，需要提供支持智能的基本技術(shù)手段和研究方法，模塊化技術(shù)和方法可以較好地支持制造服務(wù)的智能化，是智能服務(wù)落地的關(guān)鍵步驟之一?？紤]智能服務(wù)的復(fù)雜性，首先研究服務(wù)功能和服務(wù)流程的模塊化，進(jìn)而合成為整體的智能服務(wù)模塊，本文僅對(duì)服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。物聯(lián)網(wǎng)深刻影響著制造業(yè)，制造物聯(lián)模式提出后，對(duì)于智能服務(wù)的設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)支持。模塊化方法廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域［8?9］，對(duì)于產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)也有初步的應(yīng)用［10］，為了解決智能服務(wù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性問(wèn)題，引入模塊化方法是較好的選擇。本文在應(yīng)用制造物聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)過(guò)程，并用模塊化方法構(gòu)建智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)策略。

圖1 智能服務(wù)的制造物聯(lián)環(huán)境Fig.1 Internet of manufacturing things environment for intelligent service

1 智能服務(wù)的制造物聯(lián)環(huán)境構(gòu)建

智能服務(wù)是制造服務(wù)智能化的具體應(yīng)用，制造服務(wù)包含服務(wù)企業(yè)、制造企業(yè)、終端用戶(hù)圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)和提供服務(wù)進(jìn)行的所有活動(dòng)，主要表現(xiàn)為生產(chǎn)性服務(wù)關(guān)系和制造服務(wù)化關(guān)系。服務(wù)企業(yè)向制造企業(yè)提供的制造服務(wù)，對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈上制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的所有活動(dòng)提供不同程度的服務(wù)，主要是生產(chǎn)性服務(wù)［11?12］；制造企業(yè)向終端用戶(hù)提供的制造服務(wù)，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上運(yùn)作過(guò)程中與制造企業(yè)相關(guān)的價(jià)值增值活動(dòng)提供的服務(wù)，主要是制造服務(wù)化［13?15］。生產(chǎn)性服務(wù)關(guān)系和制造服務(wù)化關(guān)系共同促進(jìn)制造與服務(wù)的融合［16］。

智能服務(wù)涉及有形產(chǎn)品和無(wú)形服務(wù)，以及兩者的合成。制造物聯(lián)可以提供有形產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、銷(xiāo)售、物流、使用等過(guò)程的即時(shí)信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，來(lái)支撐智能服務(wù)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化。制造物聯(lián)也可以提供無(wú)形服務(wù)需求、服務(wù)方案、服務(wù)體驗(yàn)、服務(wù)反饋、服務(wù)實(shí)施等過(guò)程的即時(shí)信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一共享，來(lái)支撐智能服務(wù)設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)。智能服務(wù)的智能性需要依賴(lài)制造物聯(lián)環(huán)境獲取的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行信息抽取、規(guī)則改進(jìn)、知識(shí)生成等智能化過(guò)程，使制造服務(wù)逐步智能化。總之，制造物聯(lián)環(huán)境為智能服務(wù)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。

智能服務(wù)的制造物聯(lián)環(huán)境，用電子標(biāo)簽和傳感器進(jìn)行制造與服務(wù)數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)建的系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1，其中虛線(xiàn)部分是制造物聯(lián)的核心部分，包括物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（電子標(biāo)簽、傳感器、讀寫(xiě)器、天線(xiàn)等），基于物聯(lián)網(wǎng)的智能服務(wù)管理系統(tǒng)（數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等），智能終端以及應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。根據(jù)一般制造企業(yè)的需求，簡(jiǎn)化智能服務(wù)制造物聯(lián)環(huán)境的工作原理如下：

（1）通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中的RFID和傳感器等相關(guān)技術(shù)，將車(chē)間內(nèi)所有制造要素（包括靜態(tài)制造要素和動(dòng)態(tài)制造要素）進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，相關(guān)制造要素通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接到制造數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)。

（2）平臺(tái)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)制造要素的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行制造數(shù)據(jù)采集，或者將相關(guān)制造參數(shù)進(jìn)行寫(xiě)入的活動(dòng)。

（3）構(gòu)建面向服務(wù)功能和制造過(guò)程的制造數(shù)據(jù)模型和制造數(shù)據(jù)過(guò)程管理模型，對(duì)各類(lèi)智能服務(wù)數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和控制相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞。

（4）通過(guò)智能客戶(hù)端為異地的相關(guān)人員提供多維度的服務(wù)信息顯示、查詢(xún)、分析、追蹤、追溯和仿真等功能。

（5）通過(guò)緊密集成模式的應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成，如CAPP、PDM、CAM、MES等系統(tǒng)。其中，智能服務(wù)功能的模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)也在制造物聯(lián)環(huán)境中運(yùn)行。

2 智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)原理

構(gòu)建智能服務(wù)的制造物聯(lián)環(huán)境之后，可以進(jìn)行智能服務(wù)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過(guò)程依賴(lài)于智能制造企業(yè)和終端用戶(hù)。智能服務(wù)的智能性體現(xiàn)在提供服務(wù)的功能和流程設(shè)計(jì)智能化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用模塊化技術(shù)設(shè)計(jì)有形或無(wú)形的服務(wù)，在服務(wù)企業(yè)和制造企業(yè)之間的服務(wù)表現(xiàn)為生產(chǎn)性服務(wù)。可以用智能服務(wù)功能模塊組合智能服務(wù)功能，用智能服務(wù)流程模塊集成智能服務(wù)流程，最后用智能服務(wù)模塊配置智能服務(wù)。智能服務(wù)的功能和流程是其核心內(nèi)容，決定了服務(wù)的質(zhì)量和水平，同時(shí)功能與流程是相互依賴(lài)、相互映射的，兩者存在緊密的聯(lián)系。本文僅討論智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)技術(shù)。

智能服務(wù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是功能設(shè)計(jì)，就是根據(jù)服務(wù)企業(yè)自身的資源進(jìn)行服務(wù)創(chuàng)新，服務(wù)功能是在商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中不斷發(fā)掘的。智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)主要從3個(gè)層面確定服務(wù)功能，智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化、智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)、智能服務(wù)功能模塊化等。以模塊化方法為基礎(chǔ)的智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2。

圖2 智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)原理Fig.2 Design principles of intelligent service function

在智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化層面，將智能服務(wù)功能規(guī)劃出設(shè)計(jì)過(guò)程，再把設(shè)計(jì)過(guò)程轉(zhuǎn)化為類(lèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，其中交叉處的黑點(diǎn)表示有信息交互。以此為基礎(chǔ)，用1表示矩陣中有信息交互的交叉點(diǎn)，可以將類(lèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣轉(zhuǎn)化為初始化智能服務(wù)功能的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣。

在智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)層面，針對(duì)初始化智能服務(wù)功能的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，將其中的功能設(shè)計(jì)行為進(jìn)行重構(gòu)，用行列變換的方法最大限度地減少對(duì)角線(xiàn)上方的信息傳遞，得到重構(gòu)的智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣。以此為基礎(chǔ)，將耦合緊密的功能設(shè)計(jì)行為構(gòu)成新的組合，得到新的智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)過(guò)程。

在智能服務(wù)功能模塊化層面，基于重構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行智能服務(wù)功能的模塊化設(shè)計(jì)。一般智能服務(wù)功能模塊含有若干子功能模塊，功能模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)仿真優(yōu)化過(guò)程，依據(jù)智能服務(wù)的總功能與功能模塊的關(guān)系編制仿真腳本，據(jù)此來(lái)逐個(gè)設(shè)計(jì)智能服務(wù)模塊，用方法和屬性來(lái)描述智能服務(wù)模塊，在仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化模塊構(gòu)成，確定最終的功能模塊。智能服務(wù)功能模塊化需要與智能服務(wù)流程模塊化、智能服務(wù)模塊等協(xié)同設(shè)計(jì)。

3 智能服務(wù)的功能模塊化設(shè)計(jì)策略

Donald Steward在1981年引入設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（design structure matrix，DSM）來(lái)分析信息流，它是一個(gè)n階方陣，用于顯示矩陣中的各個(gè)元素的交互關(guān)系，有利于對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目進(jìn)行可視化分析［17?19］?；贒SM可以建立智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)策略，矩陣中包含組成智能服務(wù)的各項(xiàng)功能及各功能間信息交換的方式，從中可以發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)功能開(kāi)始時(shí)需要哪些信息和某個(gè)功能產(chǎn)生的信息將提供給哪些功能。智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)策略的分析過(guò)程如下。

3.1 智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化

智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化是確定服務(wù)的基本功能和初始狀態(tài)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣可以反映各種功能設(shè)計(jì)行為及其相互關(guān)系。比如用矩陣的維數(shù)表示功能設(shè)計(jì)行為的個(gè)數(shù)，用對(duì)角線(xiàn)元素表示功能設(shè)計(jì)行為，用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的行表示該行為對(duì)應(yīng)任務(wù)的完成需要其他各列任務(wù)的支持信息，用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的列表示該列任務(wù)對(duì)其他各行任務(wù)的輸出或者支持信息。基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化如下。

首先，將智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)過(guò)程轉(zhuǎn)化為合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣。重點(diǎn)在于針對(duì)制造企業(yè)的實(shí)際服務(wù)需求來(lái)確定服務(wù)內(nèi)容及對(duì)應(yīng)的功能。其次，將各方面服務(wù)的功能設(shè)計(jì)行為置于對(duì)角線(xiàn)上，服務(wù)之間的信息交流用黑點(diǎn)表示，在矩陣中表示為1。由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的量化可知，矩陣中對(duì)角線(xiàn)以下是前饋信息，對(duì)角線(xiàn)以上是反饋信息。最后，矩陣中的空缺部分填0或1，其中，1表示服務(wù)之間有信息交互，0表示服務(wù)之間沒(méi)有信息交互。

3.2 智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)

智能服務(wù)功能獲取的數(shù)據(jù)往往存在較多的交叉與重復(fù)，與規(guī)范的功能描述也不一致，在初始化階段并不能完全解決此類(lèi)問(wèn)題，這就需要通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行重構(gòu)。智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)可以依據(jù)終端用戶(hù)的實(shí)際需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。同時(shí)，智能服務(wù)設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)方法也為功能模塊化設(shè)計(jì)提供了必要手段。

智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)用類(lèi)似矩陣分塊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的一系列行列變換，使得矩陣重置并獲得新的工作序列。這種重構(gòu)可以最大限度地減少未知因素，使得設(shè)計(jì)過(guò)程中的緊耦合設(shè)計(jì)行為可以聚集，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)反饋信息的輸入也會(huì)減少。重構(gòu)方法是利用行列變換重新排列矩陣，最大限度地較少對(duì)角線(xiàn)上方的元素。智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)的具體過(guò)程如下。

（1）把智能服務(wù)功能的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣塊三角化。這就是將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣轉(zhuǎn)化為下三角矩陣，對(duì)智能服務(wù)功能的全部設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)劃，從整體角度考慮相互耦合的設(shè)計(jì)任務(wù)，把耦合活動(dòng)歸一化處理。算法步驟如下。

①規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣中的空行與空列。策略是把空行對(duì)應(yīng)的功能設(shè)計(jì)任務(wù)排在前面，空列對(duì)應(yīng)的功能設(shè)計(jì)任務(wù)排在后面，同時(shí)去除已排功能設(shè)計(jì)任務(wù)的影響并重復(fù)上述操作，直到?jīng)]有空行和空列為止。

②處理沒(méi)有空行和空列的矩陣。策略是以強(qiáng)連通分支耦合子集識(shí)別算法來(lái)確定功能耦合設(shè)計(jì)任務(wù)集，并規(guī)劃功能耦合設(shè)計(jì)任務(wù)集的，也就是運(yùn)用歸一操作將功能耦合設(shè)計(jì)任務(wù)集看作一個(gè)整體功能設(shè)計(jì)任務(wù)。

③重復(fù)步驟①，直到全部功能設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)劃完畢。當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣不能完全轉(zhuǎn)化為下三角矩陣時(shí)，應(yīng)盡可能使矩陣模塊的大小和數(shù)量最小。

（2）針對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣分解獲得的智能服務(wù)功能耦合模塊，把功能設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行聚類(lèi)，再進(jìn)行撕裂操作，就是識(shí)別具有最少信息輸入量的功能設(shè)計(jì)任務(wù)，放置在耦合回路的首位；在多個(gè)功能設(shè)計(jì)任務(wù)具有相同的信息輸入量時(shí)，向后續(xù)功能設(shè)計(jì)任務(wù)輸出最大信息量的功能設(shè)計(jì)任務(wù)排在前面。設(shè)A為功能設(shè)計(jì)任務(wù)集合，Ii為功能設(shè)計(jì)任務(wù)Ai( )

i∈A 信息輸入的關(guān)聯(lián)程度度量，Oi為功能設(shè)計(jì)任務(wù)Ai( )

i∈A 信息輸出的關(guān)聯(lián)程度度量。撕裂操作算法步驟如下。

①對(duì)任意一個(gè)功能設(shè)計(jì)任務(wù)i∈A，計(jì)算

②找出k∈A，滿(mǎn)足Wk=min{Wi}，若k的個(gè)數(shù)大于1，先排列Ii小的功能設(shè)計(jì)任務(wù)，后排列Oi大的功能設(shè)計(jì)任務(wù)。

③計(jì)算A=A-k，如果A是空集，則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)向步驟②；

④對(duì)所有的i∈A，重新計(jì)算

其中，aik表示A所對(duì)應(yīng)的智能服務(wù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣中功能設(shè)計(jì)任務(wù)i與k的關(guān)系，有信息交互則其值取1，無(wú)信息交互則其值取0；

⑤對(duì)所有的j∈A，重新計(jì)算

其中，akj表示A所對(duì)應(yīng)的智能服務(wù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣中功能設(shè)計(jì)任務(wù)k與j的關(guān)系，有信息交互則其值取1，無(wú)信息交互則其值取0，轉(zhuǎn)到步驟①。

智能服務(wù)功能重構(gòu)是服務(wù)協(xié)同設(shè)計(jì)的核心步驟，基于設(shè)計(jì)矩陣分析重構(gòu)，可以和智能服務(wù)流程設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來(lái)支撐智能服務(wù)設(shè)計(jì)。重構(gòu)也可以提供功能模塊的多次配置，以及動(dòng)態(tài)配置等，以此來(lái)支持智能服務(wù)設(shè)計(jì)的柔性。在智能服務(wù)企業(yè)中，面對(duì)制造企業(yè)個(gè)性化服務(wù)的實(shí)時(shí)性與多變性，功能重構(gòu)可以比較容易地應(yīng)對(duì)。對(duì)于重構(gòu)設(shè)計(jì)還可以結(jié)合配置設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，這些方法都圍繞模塊化來(lái)進(jìn)行。

3.3 智能服務(wù)功能模塊化

智能服務(wù)功能模塊可以采用仿真設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是將智能服務(wù)功能的各個(gè)模塊制作成仿真腳本，模擬現(xiàn)實(shí)中的服務(wù)業(yè)務(wù)，使這些功能可視化。然后依據(jù)仿真腳本確定各個(gè)智能服務(wù)模塊的方法和屬性，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。智能服務(wù)功能模塊仿真設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

從各個(gè)智能服務(wù)主體之間產(chǎn)生的服務(wù)業(yè)務(wù)可以通過(guò)建立服務(wù)業(yè)務(wù)模板來(lái)制作仿真腳本，使得服務(wù)業(yè)務(wù)映射為智能服務(wù)功能模塊。服務(wù)業(yè)務(wù)模板可形式化表示為

圖3 智能服務(wù)功能模塊化Fig.3 Modularization of intelligent service function

其中，vi表示服務(wù)業(yè)務(wù)名稱(chēng)；Ti表示服務(wù)業(yè)務(wù)類(lèi)型；Di表示服務(wù)業(yè)務(wù)值域；Ri表示服務(wù)約束集合。

服務(wù)業(yè)務(wù)的仿真腳本中，服務(wù)業(yè)務(wù)類(lèi)型按照參數(shù)型和選項(xiàng)型來(lái)描述。參數(shù)型服務(wù)業(yè)務(wù)表示為CN1=〈vi,ti,di〉，其中，ti表示參數(shù)型服務(wù)業(yè)務(wù)的服務(wù)表達(dá)方式；di表示服務(wù)業(yè)務(wù)參數(shù)值。參數(shù)型服務(wù)業(yè)務(wù)表示為CN2=〈vi,di〉。在此基礎(chǔ)上，編制服務(wù)業(yè)務(wù)的具體仿真腳本，同樣可以基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)［18］。

在智能服務(wù)功能模塊化層，服務(wù)企業(yè)根據(jù)仿真腳本調(diào)用和驅(qū)動(dòng)智能服務(wù)功能模塊。智能服務(wù)功能模塊分為方法區(qū)和屬性區(qū)，方法區(qū)是智能服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括更新功能、過(guò)程模型、初始化等方法；屬性區(qū)主要包括服務(wù)狀態(tài)、服務(wù)信息、功能信息等性能參數(shù)。方法區(qū)中的過(guò)程模型是對(duì)決策模型和智能服務(wù)模塊功能的描述，如服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)信息、服務(wù)狀態(tài)等，這些智能服務(wù)模塊功能決策也依賴(lài)于知識(shí)庫(kù)的支持。更新功能是由仿真對(duì)象管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在仿真執(zhí)行全生命周期的仿真任務(wù)管理是由仿真任務(wù)管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。智能服務(wù)功能的初始化同樣需要對(duì)服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)信息、服務(wù)狀態(tài)等進(jìn)行初始化，同時(shí)還要從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取屬性區(qū)數(shù)據(jù)，為對(duì)應(yīng)的智能服務(wù)功能模塊技術(shù)性能參數(shù)賦值。

智能服務(wù)功能模塊除了確定模塊功能之外，還需要設(shè)計(jì)智能服務(wù)功能模塊之間的信息傳遞機(jī)制和訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制等，研究智能服務(wù)功能模塊實(shí)現(xiàn)的仿真過(guò)程，借助仿真手段實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊。每個(gè)智能服務(wù)功能模塊包含兩個(gè)層面：一是服務(wù)企業(yè)為制造企業(yè)提供智能服務(wù)功能以滿(mǎn)足實(shí)際需求，即智能服務(wù)實(shí)施；二是將智能服務(wù)功能以仿真的方式虛擬化，具體為管理軟件，嵌入制造物聯(lián)環(huán)境中，即智能服務(wù)規(guī)劃。

4 實(shí)例分析

以某汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)為例，通過(guò)企業(yè)需求分析可知該智能服務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要6個(gè)方面的服務(wù)，分別是產(chǎn)品服務(wù)、人員服務(wù)、資源服務(wù)、加工服務(wù)、知識(shí)服務(wù)、金融服務(wù)等，根據(jù)6類(lèi)核心服務(wù)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建適合的企業(yè)制造物聯(lián)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行支持該企業(yè)運(yùn)作的智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)，假設(shè)制造物聯(lián)環(huán)境滿(mǎn)足模塊化設(shè)計(jì)階段相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與分析，電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)如下。

4.1 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化

在構(gòu)建制造物聯(lián)的基礎(chǔ)上，僅考慮6類(lèi)核心服務(wù)，電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4，電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能的類(lèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣見(jiàn)圖5。

圖4 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)的功能設(shè)計(jì)Fig.4 Function design of intelligent service for electric enterprises

圖5 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能的類(lèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣Fig.5 Class design structure matrix for intelligentservice functions of electric enterprises

電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)初始化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣見(jiàn)圖6。其中，A表示產(chǎn)品服務(wù)，B表示人員服務(wù)，C表示資源服務(wù)，D表示加工服務(wù)，E表示知識(shí)服務(wù)，F(xiàn)表示金融服務(wù)等。

圖6 初始化電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣Fig.6 Initializing the design structure matrix of the intelligent service function of electrical enterprises

4.2 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)重構(gòu)

對(duì)上文初始化的功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行一系列的行列變換，完成重構(gòu)獲得新的矩陣，重構(gòu)的電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣見(jiàn)圖7。

圖7 重構(gòu)的電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣Fig.7 Reconfigurable electrical enterprise intelligent service function design structure matrix

由重構(gòu)的智能服務(wù)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，可以得到電機(jī)企業(yè)新的功能設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖8。

圖8 電機(jī)企業(yè)新的功能設(shè)計(jì)Fig.8 New functional design of electric enterprises

4.3 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能模塊化

在電機(jī)企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建的制造物聯(lián)環(huán)境通過(guò)智能客戶(hù)端支撐企業(yè)智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)；以方法區(qū)和屬性區(qū)定義具體的服務(wù)功能模塊之間接口，以模塊功能定義模塊包含的具體操作，以初始化啟動(dòng)模塊；通過(guò)功能模塊化設(shè)計(jì)策略確定服務(wù)模塊之間的相互關(guān)系。電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能模塊化見(jiàn)圖9。

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)構(gòu)建的電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)的服務(wù)業(yè)務(wù)模板見(jiàn)表1。

根據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)模板信息，建立服務(wù)業(yè)務(wù)之間的約束規(guī)則，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化建模、約束檢驗(yàn)等步驟，來(lái)編制服務(wù)業(yè)務(wù)的具體仿真腳本。將仿真腳本映射為智能制造服務(wù)功能模塊，完成電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能模塊化。

圖9 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)功能模塊化Fig.9 Modularization of intelligent service function in electric enterprises

表1 電機(jī)企業(yè)智能服務(wù)的服務(wù)業(yè)務(wù)模板Tab.1 Service business template for intelligent service of electric enterprises

5 結(jié)論

制造服務(wù)設(shè)計(jì)問(wèn)題的智能化是解決制造服務(wù)實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文通過(guò)構(gòu)建制造物聯(lián)環(huán)境，采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣方法建立的智能服務(wù)功能模塊化設(shè)計(jì)策略，提高了制造服務(wù)設(shè)計(jì)的效率和速度。通過(guò)電機(jī)制造企業(yè)實(shí)例分析，證明該解決方案較好地幫助企業(yè)做出科學(xué)、系統(tǒng)、智能的服務(wù)功能設(shè)計(jì)，同時(shí)也說(shuō)明所建模型是正確、合理和有效的。智能服務(wù)設(shè)計(jì)的功能設(shè)計(jì)與流程設(shè)計(jì)是相互影響的，本文初步研究了功能模塊化設(shè)計(jì)策略，下一步需要研究流程模塊化的設(shè)計(jì)策略，以及功能與流程一體化設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，所提方法在制造服務(wù)設(shè)計(jì)中較好地融入了模塊化技術(shù)，為智能服務(wù)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。